Accumulo residenziale e veicoli elettrici, il sogno della ricarica dal tetto

Ricaricare un veicolo elettrico da un impianto fotovoltaico residenziale connesso a una batteria è un’opportunità interessante che permette di ottimizzare il consumo individuale e aumentare le credenziali ambientali del possesso di un’auto. Comprendere gli aspetti economici dell’energia solare domestica, delle batterie e dei veicoli elettrici, tuttavia, è un’attività complessa.
Ci sono molteplici fattori da considerare, la maggior parte dei quali dipende dalla localizzazione geografica e dal mercato elettrico di riferimento.

“I veicoli elettrici in genere non sono in grado di assorbire l’elettricità in eccesso durante le ore di punta della generazione solare, quindi è necessaria una batteria stazionaria per farlo”, afferma Nelson Nsitem, analista di BloombergNEF (BNEF). “Tuttavia, le batterie residenziali sono costose, quindi
ci sarebbe bisogno di parecchie cose per farle funzionare. Ciò include un consumo annuo di elettricità molto elevato, molta produzione solare in eccesso da spostare verso la sera, tariffe di net metering basse o nulle che pagano la produzione solare in eccesso rimandata alla rete e tariffe elettriche legate all’orario di utlizzo”.

Alcuni mercati sembrano soddisfare tutte queste esigenze. Alcuni ricercatori dell’Università dell’Australia Meridionale (UniSA) hanno calcolato che i proprietari di case che caricano i veicoli elettrici durante il giorno, utilizzando un sistema fotovoltaico connesso a una batteria, possono risparmiare fino al 39,6% sui costi energetici annuali, rispetto ai proprietari di auto a benzina.

I ricercatori hanno analizzato configurazioni con tariffe variabili legate all’orario e carichi reali, nonché dati sulla generazione fotovoltaica delle famiglie dell’Australia Meridionale. Hanno anche calcolato la variazione della domanda di carico giornaliero, la capacità e i costi degli impianti e i limiti all’esportazione di energia. “Per gli automobilisti con posti auto privati, la ricarica domestica è l’opzione più conveniente, ma per coloro che dipendono ancora totalmente dalla rete elettrica, i costi potrebbero aumentare in modo significativo”, ha affermato il professor dell’UniSA Mahfuz Aziz.

I ricercatori sono arrivati alla conclusione che, con i pannelli solari, si importa dalla rete circa il 20% di energia in meno e, con le batterie, la cifra si aggira intorno all’83%. Quando sono stati aggiunti i veicoli elettrici, la quantità di energia consumata è aumentata in modo significativo, con il risultato che il consumo di rete potrebbe essere ridotto di circa l’89%. “I nostri risultati dimostrano che le famiglie con auto a benzina possono ridurre i costi energetici annuali del 6,71% utilizzando i pannelli solari e del 10,38% con l’aggiunta di un sistema di batterie”, ha affermato Aziz.

“La sostituzione delle auto a benzina con veicoli elettrici può ridurre i costi energetici annuali rispettivamente del 24% e del 32%. La riduzione più significativa (39,6%) può essere ottenuta con la ricarica in ore non di punta”. Nei paesi con tariffe elettriche economiche specifiche per i veicoli elettrici, l’equazione cambia.

“Il costo dell’elettricità in questi periodi è significativamente più economico rispetto all’elettricità a tariffa normale e quindi riduce il vantaggio di utilizzare la propria elettricità solare”, afferma Ryan Fisher, principale analista di ricarica dei veicoli elettrici di BNEF. Ad esempio, la tariffa di ricarica Anytime EV di OVO Energy nel Regno Unito è di GBP 0,10 (€0,13 $)/kWh. Ciò è significativo, considerando la tariffa elettrica media compresa tra 0,35 GBP/kWh e 0,40 GBP/kWh. Da sottolineare poi l’impegno dei fornitori di energia di calcolare il momento più appropriato
ed ecologico per ricaricare usando la rete, entro i limiti stabiliti dai clienti.

“Se prendiamo una media di 3 MWh all’anno, e ipotizziamo che il consumo è stato coperto solo dall’energia solare domestica, e che non ci sono perdite, ciò richiederebbe gran parte della produzione solare annuale per un sistema solare da 5 kW, che corrisponde più o meno a 4,5 MWh all’anno”, afferma Fisher di BNEF. “Si eviterebbero quindi solo spese quantificabili in 300 sterline all’anno, ovvero 3.000 sterline in dieci anni.
L’installazione di un sistema di batterie residenziali costa circa 10.000 sterline”.

Learning by doing
Nonostante la difficoltà di definire progetti altamente bancabili, esistono altri motivi per cui i proprietari di case potrebbero scegliere lo stoccaggio residenziale. “Alcune persone vogliono avere energia di riserva e altre sono semplicemente disposte a pagare un extra per assicurarsi di consumare la propria energia solare”, afferma Nsitem. “L’uso dell’energia solare a basso costo per la ricarica dei veicoli elettrici può integrare l’uso dell’energia solare immagazzinata nelle batterie durante i periodi di picco dei prezzi di rete. Aggiungendo i pagamenti di partecipazione alle centrali elettriche virtuali (VPP), come i 2 dollari per kWh pagati ai membri VPP californiani di Tesla, si potranno aumentare i risparmi sulle bollette.

Nel 2021, l’università tedesca Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) di Aachen ha condotto un sondaggio su 8.000 famiglie nel Baden-Württemberg, nella Germania sudoccidentale. I risultati hanno mostrato che dal 30% al 35% delle case dispone di energia solare, batteria stazionaria e veicolo elettrico. Negli ultimi due anni, i prezzi elevati dell’elettricità, la crescente adozione di veicoli elettrici e la tendenza ad installare batterie insieme al fotovoltaico hanno probabilmente aumentato questa percentuale.

Gli annunci di nuovi prodotti sembrano confermare la tendenza. A luglio, Tesla ha aggiunto una funzione di “ricarica tramite energia solare” alla sua app Powerwall che consente ai proprietari di caricare automaticamente i veicoli elettrici dalla batteria solare. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di gestione della ricarica dei veicoli elettrici non può comunicare direttamente con le batterie stazionarie. D’altro canto, i produttori di inverter solari come SolarEdge, Fronius, Growatt, SMA e Sungrow – così come i fornitori di batterie tra cui Sonnen, Senec e Solarwatt – offrono piattaforme che riconoscono quando le batterie domestiche sono in abbinamento al solare fotovoltaico e ai rispettivi sistemi di ricarica di veicoli elettrici.

Poiché le famiglie continuano ad elettrificare, è probabile che l’integrazione di tutti gli endpoint energetici diventi uno standard del settore. Considerata l’importanza dell’interoperabilità, è vantaggioso avere dispositivi forniti da un unico produttore. App separate e hardware disgiunti possono complicare le cose per i proprietari di casa. “Col tempo, le aziende probabilmente scopriranno modi per integrare maggiormente l’elettronica di potenza per l’energia solare, l’accumulo residenziale e i sistemi di ricarica per veicoli elettrici, il che potrebbe aiutare il business case”, afferma
Fisher di BNEF.

Enigma dell’efficienza
Considerando la capacità di stoccaggio della maggior parte delle batterie domestiche e dei veicoli elettrici, sembra strano caricare le batterie delle auto con le batterie stazionarie che, in media, hanno una capacità cinque volte inferiore. “La batteria domestica non sa se si sta collegando a un’altra
batteria o alla lavatrice”, afferma Gautham Ram, ricercatore dell’olandese Delft University of Technology (TU Delft).

“Finché fornisce la stessa quantità di potenza ed energia e lo stesso numero di cicli e profondità di scarica, l’invecchiamento sarà simile. D’altra parte, se decidi di acquistare una batteria è perché vuoi ricaricarla frequentemente. Quindi il degrado della batteria deve essere tenuto in conto. Tuttavia, poiché i veicoli elettrici e le pompe di calore sono carichi flessibili, avrebbe più senso utilizzare la batteria domestica per carichi meno flessibili e ridurre l’invecchiamento di questa batteria tramite il controllo intelligente della potenza”.

Alcune batterie residenziali in offerta oggi promettono circa 10.000 cicli di ricarica durante un periodo di garanzia di 10 anni. La distanza media percorsa al giorno da un veicolo elettrico è di 40 km, che corrisponde a 7 kWh di energia di ricarica, meno di quanto una grande batteria domestica potrebbe immagazzinare in una giornata soleggiata.

“Supponiamo che la ricarica dei veicoli elettrici aggiunga il 50% di un ciclo completo al giorno a un sistema da 14 kWh durante l’estate. In un anno si ottengono circa 100 cicli completi, sommati allo stesso numero di cicli per la casa si ottengono 200 cicli completi”, spiega Jan Figgener, responsabile dell’integrazione della rete e dell’analisi del sistema di accumulo presso RWTH Aquisgrana. “Anche se si raggiungono i 300 invece dei 200 cicli all’anno, i 3.000 cicli completi in 10 anni sono ancora ben al di sotto della maggior parte delle condizioni di garanzia. Nella maggior parte dei casi non si avrà bisogno di tutti i cicli indicati nella garanzia perché l’invecchiamento influenzerà la durata del prodotto. Le batterie invecchiano anche quando non sono in funzione, proprio come invecchiamo mentre dormiamo”.

L’impianto fotovoltaico non rappresenta un limite in sé. Sebbene sia chiaro che un’installazione dovrebbe essere la più grande possibile per massimizzare i vantaggi dell’autoconsumo, un tipico sistema da 10 kW potrebbe essere sufficiente per caricare sia i veicoli elettrici che lo stoccaggio domestico. “Una casa di grandi dimensione potrebbe aver bisogno di circa 5 kWh durante la notte e il veicolo elettrico potrebbe aver bisogno di 7 kWh per il tragitto giornaliero medio, il che equivale a 12 kWh”, afferma Figgener. “Servono solo un paio d’ore per produrlo in una giornata soleggiata.

L’efficienza della ricarica dei veicoli elettrici dipende dall’elettronica di potenza, che mostra un’elevata efficienza ad alta potenza e una bassa efficienza
a bassa potenza. Qui nasce un conflitto tra la richiesta di energia del veicolo elettrico e quella della casa”. La ricarica dei veicoli elettrici richiede una potenza maggiore, nell’ordine dei kilowatt. Il consumo domestico, tuttavia, è in genere di circa un paio di centinaia di Watt durante la notte. Se un veicolo elettrico venisse caricato esclusivamente dalla batteria stazionaria, sarebbe necessario un grande inverter, che porterebbe di conseguenza a perdite elevate coprendo al contempo il consumo energetico domestico.

“La cosa migliore sarebbe caricare il veicolo elettrico direttamente dall’impianto fotovoltaico e ciò dovrebbe essere necessario solo una o due volte alla settimana”, afferma Figgener. “La maggiore potenza fotovoltaica soddisfa bene la domanda di veicoli elettrici e si evitano perdite di efficienza di andata e ritorno del sistema di accumulo domestico”. In tal caso, la batteria residenziale potrebbe essere più piccola e verrebbe utilizzata solo come riserva per caricare il veicolo elettrico. Il suo scopo principale sarebbe comunque quello di coprire i carichi domestici.

Esistono altri modi per rendere la sinergia tra batterie solari e veicoli elettrici più fluida. Secondo Ram di TU Delft, un modo ottimale per migliorare l’efficienza è integrare tutto sul lato CC con un solo inverter. In una configurazione di questo tipo, quando l’energia passa dal solare alla batteria domestica, non è necessario convertirla in CA e poi di nuovo in CC per caricare la batteria del veicolo elettrico.

“L’accoppiamento CC può migliorare l’efficienza di conversione della potenza di un valore compreso tra il 5% e il 10%, a seconda che si utilizzi una potenza bassa o alta”, afferma Ram. Questa configurazione richiede un solo inverter invece di tre e l’investimento in termini di costi di capitale dell’intero sistema è di molto inferiore.

“Con l’integrazione DC su cui stiamo lavorando alla TU Delft e le nuove tecnologie di elettronica di potenza basate sul carburo di silicio, possiamo spingere l’efficienza di andata e ritorno a nuovi massimi, soprattutto con bassi consumi, oltre a risparmiare sulla spesa ini afferma Ram. “Tuttavia, dobbiamo anche pensare alla ricarica bidirezionale, che può compensare un investimento nel pacco batterie aggiuntivo e offrire lo stesso o un maggior valore alla casa”.