Costruzione di un sistema di nanogrid off-grid utilizzando batterie agli ioni di sodio

Introduzione

Con i progressi della tecnologia solare e il calo dei costi, l'energia solare è diventata una delle fonti di energia rinnovabile più convenienti oggi disponibili. La maggiore efficienza dei pannelli solari e la disponibilità di incentivi hanno reso più facile per i proprietari di case adottare l'energia solare. Inoltre, le batterie agli ioni di sodio stanno emergendo come una valida alternativa alle tradizionali batterie al litio ferro fosfato (LFP), offrendo vantaggi come una maggiore sicurezza, migliori prestazioni a temperature estreme e costi potenzialmente inferiori in futuro. Sebbene le batterie agli ioni di sodio abbiano attualmente un costo per cella più elevato, i loro vantaggi le rendono un'opzione interessante per i sistemi nanogrid off-grid.

Batterie agli ioni di sodio vs. LiFePO4

Le batterie agli ioni di sodio (Na-ion) stanno guadagnando attenzione come una promettente alternativa alle batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) per i sistemi di accumulo di energia. Ecco perché le batterie agli ioni di Na potrebbero essere un'opzione interessante:

Sicurezza:

• Non infiammabile: le batterie agli ioni di sodio sono intrinsecamente più sicure in quanto non sono infiammabili e hanno un minor rischio di fuga termica rispetto alle batterie a base di litio.

• Tolleranza alla temperatura: si comportano bene in una gamma più ampia di temperature, mantenendo la ritenzione della carica e l'efficienza in condizioni di congelamento fino a -10°C, il che è vantaggioso per le installazioni all'aperto.

Costo:

• Abbondanza di materie prime: il sodio è abbondante e più economico del litio, il che può potenzialmente portare a una riduzione dei costi man mano che la produzione aumenta. Ciò rende le batterie agli ioni di Na un'opzione economicamente valida per l'accumulo di energia su larga scala.

Impatto ambientale:

• Meno dispendioso in termini di risorse: l'estrazione e la lavorazione del sodio sono meno dannose per l'ambiente rispetto al litio, riducendo l'impronta ecologica complessiva delle batterie.

Prestazione:

• Ciclo di vita: Sia le batterie agli ioni di Na che quelle LiFePO4 offrono un ciclo di vita elevato, con un massimo di 4000 cicli per una ritenzione dell'80%, garantendo un'usabilità a lungo termine.

• Densità di energia: sebbene le batterie agli ioni di Na abbiano una densità di energia leggermente inferiore rispetto a LiFePO4, i progressi tecnologici stanno colmando questo divario, rendendole competitive per le applicazioni di stoccaggio stazionario.

Intervallo di temperatura operativa:

• Batterie agli ioni di sodio: possono caricarsi e scaricarsi a temperature più basse senza un degrado significativo, il che è vantaggioso nei climi più freddi.

• Batterie LiFePO4: queste batterie generalmente richiedono sistemi di gestione termica per mantenere le prestazioni a temperature estreme, aggiungendo complessità e costi.

Ipotetico esempio di progettazione domestica di un sistema Nanogrid

I pannelli solari sono il componente principale per la generazione di energia in un sistema di nanogrid. Convertono la luce solare in energia elettrica che può essere immagazzinata in batterie o utilizzata direttamente.

Pannelli solari

I pannelli solari sono il componente principale per la generazione di energia in un sistema di nanogrid. Convertono la luce solare in energia elettrica che può essere immagazzinata in batterie o utilizzata direttamente.

Considerazioni chiave:

• Efficienza: i pannelli ad alta efficienza convertono più luce solare in elettricità, il che è fondamentale per massimizzare la produzione di energia, soprattutto in spazi limitati.

• Durata: i pannelli solari devono resistere a varie condizioni atmosferiche, tra cui pioggia, grandine e venti forti.

• Garanzia: Cerca pannelli con garanzie a lungo termine (25 anni) per garantire prestazioni affidabili.

Esempio di configurazione:

• Prodotto: Pannelli monocristallini ad alta efficienza (400W ciascuno)

• Quantità: 4 pannelli per un totale di 1.6 kWp

Regolatore di carica MPPT

Un regolatore di carica MPPT (Maximum Power Point Tracking) ottimizza la potenza erogata dai pannelli solari regolando il punto di funzionamento elettrico dei moduli. MPPT Assicurarsi che il regolatore di carica sia in grado di adattarsi alle caratteristiche di tensione e corrente delle batterie agli ioni di Na.

Considerazioni chiave:

• Tensioni e correnti nominali: assicurarsi che l'MPPT sia in grado di gestire la tensione e la corrente totali dal pannello solare.

• Efficienza: i regolatori di efficienza più elevati riducono la perdita di energia durante la conversione.

• Compatibilità: L'MPPT deve essere compatibile con il tipo di batteria e la tensione del sistema.

  
  

Esempio di configurazione:

• Prodotto: Victron EasySolar-II 5kVA MPPT 250/100 GX

• Specifiche: in grado di gestire fino a 250 V e 100 A

Batterie agli ioni di sodio

Le batterie immagazzinano l'energia generata dai pannelli solari per l'uso durante i periodi di assenza di luce solare. Le batterie agli ioni di sodio sono una tecnologia emergente che offre vantaggi in termini di sicurezza e costi.

Considerazioni chiave:

• Capacità: capacità di accumulo sufficiente per soddisfare il fabbisogno energetico giornaliero e fornire energia di riserva.

• Ciclo di vita: l'elevata durata del ciclo garantisce un'usabilità a lungo termine.

• Prestazioni di temperatura: capacità di operare in un ampio intervallo di temperature.

Esempio di configurazione:

• Prodotto: Batterie agli ioni di sodio 210-230 Ah (Qtà: 16 per 10,6kWh)

• Prodotto: Set Custodia 48V (Qtà: 1)

Sistema di gestione della batteria (BMS)

Un BMS monitora e gestisce la carica e la scarica delle celle della batteria, garantendo prestazioni e sicurezza ottimali. Il BMS deve essere configurato per gestire i profili di carica e scarica specifici delle batterie agli ioni di Na, comprese le impostazioni di tensione e la gestione termica.

Considerazioni chiave:

• Personalizzazione: Possibilità di configurare la chimica specifica della batteria (ioni di sodio).

• Protezione: protezione da sovratensione, sottotensione, sovracorrente e termica.

• Comunicazione: Integrazione con altri componenti del sistema per il monitoraggio in tempo reale.

Esempio di configurazione:

• Prodotto: Lynx Smart BMS con configurazione personalizzata per celle agli ioni di Na utilizzando l'app Victron Connect

Shunt intelligente

Uno shunt intelligente misura il flusso di corrente in entrata e in uscita dalla batteria, fornendo informazioni accurate sullo stato di carica. Integra shunt intelligenti e sistemi di monitoraggio per fornire dati in tempo reale sullo stato e sulle prestazioni della batteria, consentendo una gestione proattiva.

Considerazioni chiave:

• Precisione: alta precisione per un monitoraggio affidabile della batteria.

• Integrazione: Compatibile con il BMS e altri sistemi di monitoraggio.

• Interfaccia utente: Facile accesso ai dati tramite app o unità di visualizzazione.

Consigli:

• Prodotto: SmartShunt di Victron 500A/50mV

Infine, come per qualsiasi progetto di impianto elettrico, è necessario implementare misure di sicurezza di base, tra cui fusibili per isolare i guasti all'interno di ciascun sistema centrale e interruttori manuali utili durante l'installazione o la manutenzione del sistema.

Personalizzazione MPPT e BMS per l'uso con batterie agli ioni di sodio

Una volta collegati i sistemi elettrici, sia l'MPPT che il BMS devono essere personalizzati per caricare e gestire correttamente le batterie agli ioni di sodio. Va notato che quanto segue è solo un esempio di impostazioni per un modello specifico di batteria agli ioni di sodio e le impostazioni specifiche di tensione e corrente del produttore della cella devono essere utilizzate nella configurazione effettiva.

Configurazione del regolatore di carica MPPT

• Impostazioni di tensione: Regolare l'MPPT per gestire la tensione nominale inferiore delle batterie agli ioni di sodio (2.9-3,10 V) rispetto alle tipiche batterie LiFePO4 (3,20 V).

• Interruzione della carica voltage: Impostare la tensione di interruzione della carica su 3.95 V per evitare il sovraccarico.

• Tensione di interruzione della scarica: Configurare la tensione di interruzione della scarica a 1,50 V per evitare di scaricare completamente le batterie agli ioni di sodio.

Configurazione del BMS

• Parametri di carica: Personalizza il BMS per seguire il profilo di carica specifico delle batterie agli ioni di sodio:

• Carica a corrente costante: 0,50 C (max)

• Tensione costante: 3,95 V con un cut-off a 0,05 C

• Monitoraggio della temperatura: assicurarsi che il BMS includa sensori di temperatura per gestire la carica e la scarica in base ai vincoli di temperatura delle batterie agli ioni di sodio.

• Caratteristiche di sicurezza: Implementa la protezione da sovracorrente, sovratensione e sottotensione su misura per le caratteristiche degli ioni di sodio.

Integrazione dello shunt intelligente e dei relè

• Shunt intelligente: collegare lo shunt per monitorare accuratamente lo stato della batteria. Dovrebbe integrarsi con l'app VictronConnect per un'analisi dettagliata delle prestazioni della batteria.

• Relè e fusibili: installare relè CC e fusibili classificati per la tensione e la corrente del sistema per garantire un funzionamento sicuro e la protezione contro i cortocircuiti e le situazioni di sovracorrente.

Considerazioni tecniche per i carichi ad alta intensità energetica

Per utilizzare la corrente CC della batteria agli ioni di sodio, che ha una curva di scarica di tensione ripida, sarà probabilmente necessaria una conversione di tensione CC/CC per soddisfare il requisito di tensione CC in ingresso del dispositivo di carico. Un convertitore CC buck-boost viene utilizzato per regolare i livelli di tensione verso l'alto (boost) o verso il basso (buck) in base ai requisiti del carico o del dispositivo di archiviazione.

Configurazione dell'MPPT per la riduzione del carico di picco

Gli MPPT ibridi come Victron EasySolar-II GX o Victron Inverter RS Smart Solar consentono la ricarica programmata della batteria dall'elettricità di rete, consentendo così un'efficace strategia di trasferimento del carico. Lo spostamento del carico è l'uso dell'accumulo a batteria per spostare il consumo di energia dai momenti di picco della domanda a periodi in cui l'uso della rete è meno costoso o più facilmente disponibile.

Configurando anche orari specifici per il carico CC, è possibile programmare il tempo di utilizzo per evitare l'uso dell'elettricità di rete quando il suo costo è più alto. Un esempio di funzione del tempo di utilizzo che viene spesso utilizzata nella ricarica di veicoli elettrici durante la notte, quando il costo dell'elettricità di rete è il più basso.

Tabella di comparazione: Soluzione fai-da-te e commerciale

Ci sono diverse opzioni commerciali disponibili per i pannelli solari e l'accumulo di energia. Di seguito viene mostrato un rapido confronto tra la soluzione fai-da-te e la soluzione commerciale standard.

Aspetto	Soluzione fai-da-te	Soluzione commerciale
Costo	Costi iniziali inferiori, costi di personalizzazione più elevati	Costo iniziale più elevato, costi di personalizzazione inferiori
Personalizzazione	Alto	Da basso a moderato
Installazione	Richiede competenze tecniche	Installazione professionale inclusa
Manutenzione	Monitoraggio e manutenzione fai-da-te	Servizi di manutenzione professionali
Permettendo	Più complesso, proprietario di casa responsabile	Semplificato, gestito dal fornitore
Scalabilità	Può essere adattato a esigenze specifiche	Limitato alle opzioni commerciali disponibili

Considerazioni finali

L'implementazione di un sistema di nanogrid off-grid che utilizza batterie agli ioni di sodio è fattibile con i componenti giusti e la personalizzazione. Sebbene ci siano sfide tecniche e di costo, in particolare per le configurazioni fai-da-te, i vantaggi dell'indipendenza energetica e della sostenibilità sono significativi. Tuttavia, capire come tutti i sistemi elettrici devono essere integrati insieme può essere difficile e ottenere il permesso per l'installazione fai-da-te può essere particolarmente problematico. È qui che le soluzioni commerciali H2W danno soluzioni semplici e pronte all'uso.