BESS: battery energy storage system

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I BESS sono sistemi di stoccaggio energetico in batteria in grado di convertire l’energia elettrica in energia chimica e di riportarla in forma elettrica quando necessario.

BESS (stoccaggio energetico in batteria) è un sistema di accumulo elettrochimico di energia, ovvero un impianto costituito da sottosistemi, apparecchiature e dispositivi necessari all’immagazzinamento dell’energia ed alla conversione bidirezionale della stessa in energia elettrica in media tensione. Questi sistemi sono fondamentali per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili e migliorare le prestazioni delle reti di trasmissione e distribuzione.

L’integrazione di sistemi di accumulo negli impianti fotovoltaici permette di stoccare il surplus di energia prodotta e non auto consumata, apportando numerosi vantaggi sia dal punto di vista ambientale che economico. Per sfruttare appieno questi vantaggi, è fondamentale dimensionare correttamente la capacità delle batterie in base ai consumi energetici.

Un sistema di accumulo non adeguatamente dimensionato potrebbe non soddisfare le esigenze energetiche, rendendo l’investimento inefficace. 

Cosa si intende per BESS

BESS sta per battery energy storage system ed è un sistema che utilizza batterie elettrochimiche per trasformare l’energia elettrica in energia chimica durante la fase di carica e, successivamente, riconvertirla in energia elettrica durante la fase di scarica.

Questi sistemi sono rinomati per la loro capacità di rispondere rapidamente sia all’assorbimento che al rilascio di energia e si basano su batterie ricaricabili molteplici volte.

Combinano la capacità di accumulo delle batterie con tecniche di intelligenza artificiale e algoritmi di machine learning per coordinare la produzione energetica e i sistemi di controllo computerizzati. Questi sistemi determinano quando immagazzinare l’energia per creare riserve o rilasciarla nella rete.

Come funziona lo stoccaggio di energia in batteria

Il funzionamento di un sistema BESS si basa sull’impiego di una o più batterie per l’accumulo di energia. Queste batterie possono essere caricate in vari modi, come utilizzando l’elettricità in eccesso prodotta da impianti eolici o fotovoltaici, o collegandole alla rete elettrica durante i periodi di bassa domanda. Quando integrati con software avanzati, i sistemi BESS diventano piattaforme capaci di sfruttare la capacità di accumulo delle batterie insieme a tecniche di intelligenza artificiale e algoritmi di machine learning per coordinare la produzione di energia e i sistemi di controllo computerizzati.

Questi sistemi determinano quando immagazzinare l’energia per creare riserve o rilasciarla nella rete. L’energia accumulata viene poi rilasciata durante i periodi di picco della domanda, contribuendo a mantenere bassi i costi dell’elettricità e garantendo una fornitura stabile.

Nella catena di produzione energetica, i sistemi BESS sono collocati prima della sezione di trasmissione energetica e operano in parallelo con vari componenti per la gestione e distribuzione dell’energia elettrica.

Durante i picchi di domanda, l’energia accumulata viene rilasciata dal sistema di stoccaggio a batterie, contribuendo a mantenere bassi i costi dell’elettricità e a garantire una fornitura stabile. Nella catena di produzione energetica, i sistemi BESS sono collocati prima della sezione di trasmissione e operano in parallelo con vari componenti per la gestione e la distribuzione dell’energia elettrica.

Quali sono le diverse tipologie di batterie utilizzate nei sistemi BESS

La cella elettrolitica di un pacco batterie in un sistema BESS può essere realizzata utilizzando diverse tecnologie, che si differenziano per:

• la coppia di specie elettrochimiche coinvolte nella reazione;
• il tipo di elettrolita utilizzato;
• le caratteristiche costruttive del sistema.

Le principali tipologie di celle elettrolitiche includono:

• batterie con elettrolita acquoso:
  • batterie al piombo acido;
  • batterie al nichel/cadmio;
  • batterie al nichel/metallo idruro;
• batterie agli ioni di litio;
• batterie a circolazione di elettrolita:
  • batterie a flusso
• batterie ad alta temperatura:
  • batterie al sodio/zolfo;
  • batterie al sodio/cloruro di nichel.

Batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio rappresentano la tecnologia più avanzata nel campo dell’accumulo elettrochimico grazie alla loro elevata potenza specifica. Il loro principale svantaggio è il costo elevato dovuto alla necessità di implementare sistemi di sicurezza per prevenire il sovraccarico.

Esistono molte varianti di batterie al litio, con diverse composizioni di catodi, ma tutte condividono una struttura di base comune. Questi dispositivi includono un anodo generalmente realizzato in grafite e un catodo costituito da un ossido di metallo, formando una struttura a strati o a tunnel che facilita l’inserimento e l’estrazione degli ioni di litio. L’elettrolita, che può essere sia liquido che polimerico, collega l’elettrodo positivo e negativo, separati da uno strato isolante elettronico, solitamente in poliolefina.

Le reazioni elettrochimiche variano a seconda del tipo di cella, ma la tensione a circuito aperto è compresa tra 3,6 e 3,85 V.

Le batterie al litio richiedono una gestione cauta per evitare problemi come la fuga termica e il rilascio di vapori infiammabili. Per questo motivo, sono dotate di un sistema di gestione della batteria (BMS) e sono racchiuse in contenitori metallici.

Infine, un altro aspetto critico è il loro degrado nel tempo che porta a una progressiva riduzione della capacità rispetto ai dati di fabbrica, anche in assenza di cicli di carica/scarica.

Batterie piombo/acido

Le batterie al piombo-acido sono costituite da un elettrodo di piombo e un elettrodo di biossido di piombo immersi in una soluzione di acido solforico.

Esistono diverse tipologie di accumulatori al piombo-acido, suddivise principalmente in due categorie:

• batterie aperte, che possiedono aperture attraverso le quali vengono rilasciati idrogeno e ossigeno prodotti durante la ricarica;
• batterie ermetiche, che richiedono meno manutenzione, occupano meno spazio e limitano l’emissione di idrogeno.

Nelle batterie al piombo, l’autoscarica è provocata da reazioni parassite che gradualmente consumano la carica immagazzinata, portando alla scarica completa nel tempo. Normalmente, l’autoscarica causa una diminuzione della carica di circa il 2-3% al mese.

La vita utile delle batterie al piombo può variare dai 6 ai 15 anni, ma si riduce notevolmente se la batteria è soggetta a richieste di potenza elevate. I principali vantaggi delle batterie al piombo-acido includono costi di investimento relativamente bassi, una tecnologia consolidata e un’efficiente riciclabilità. Questo tipo di batteria è ampiamente utilizzato nei veicoli e in altre applicazioni che richiedono elevate correnti di carico.

Batterie nichel/cadmio e nichel/metallo idruro

Le batterie al nichel-cadmio operano in modo simile alle batterie al piombo-acido, ma il loro uso è stato vietato dal 2006 a causa della tossicità del cadmio utilizzato come anodo. Questi sistemi di accumulo di energia si basano su reazioni elettrochimiche di carica e scarica che avvengono tra:

• un elettrodo positivo, contenente idrossido di nichel come materiale attivo;
• un elettrodo negativo, composto da cadmio metallico.

Una membrana permeabile separa gli elettrodi, permettendo il flusso degli ioni, e sono immersi in un elettrolita di idrossido di potassio acquoso, che rimane relativamente stabile durante l’operazione.

Durante la scarica, l’idrossido di nichel si combina con l’acqua producendo idrossido di nichel e ioni idrossido, mentre l’elettrodo negativo genera idrossido di cadmio. È importante notare che le batterie al nichel-cadmio possono essere soggette all’effetto memoria, il che significa che il loro rendimento può diminuire con l’uso ripetuto.

In alternativa, il cadmio può essere sostituito con una lega in grado di assorbire idrogeno, creando così le batterie al nichel-metallo idruro. Queste batterie offrono una capacità due o tre volte superiore rispetto alle batterie al nichel-cadmio di pari dimensioni e presentano un effetto memoria meno pronunciato.

Batterie a flusso

Le batterie a flusso immagazzinano energia utilizzando due elettroliti liquidi, uno positivo e uno negativo, che circolano tramite pompe tra serbatoi e un’unità centrale (stack) con celle e membrane di scambio ionico.

Queste membrane permettono il passaggio selettivo degli ioni e sono fondamentali per il funzionamento ma costose. La potenza è determinata dal flusso delle pompe e dalla superficie delle membrane, mentre la capacità energetica dipende dalla dimensione dei serbatoi.

Queste batterie sono ideali per applicazioni che richiedono risposte rapide e migliorano l’efficienza grazie all’uso di inverter per controllare le pompe. Tuttavia, temperature al di fuori del range ottimale (0-40°C) possono compromettere la circolazione degli elettroliti e l’efficienza energetica.

Pur avendo una durata teoricamente illimitata, il degrado dei componenti limita la loro vita operativa a circa 10.000 cicli, equivalenti a 20 anni di utilizzo.

Batterie ad alta temperatura

Le batterie ad alta temperatura comprendono le batterie al sodio/zolfo e al sodio/cloruro di nichel. Questi sistemi si distinguono per l’elevata temperatura operativa interna, che raggiunge circa 300°C, necessaria per mantenere gli elettrodi allo stato liquido e migliorare la conducibilità dell’elettrolita.

Rispetto alle batterie al piombo, le batterie ad alta temperatura offrono una durata maggiore, ma richiedono sistemi di sicurezza adeguati a causa delle elevate temperature di funzionamento.

Sono apprezzate per la loro alta densità energetica, elevati rendimenti energetici e buona longevità. Tuttavia, le loro prestazioni sono generalmente inferiori a quelle delle batterie agli ioni di litio.

Quali sono i componenti di un sistema BESS

I componenti principali del sistema BESS sono:

• container contenente le batterie;
• BMS necessario a garantire la sicurezza e l’affidabilità delle batterie durante il funzionamento;
• PCS per la trasformazione BT/MT;
• trasformatore elevatore MT/AT.

Container contenente le batterie

Il contenitore è una struttura metallica autoportante, adatta per installazioni esterne, realizzata con profilati e pannelli coibentati. Questa configurazione consente di trasportare e installare l’intero sistema senza smontare i vari componenti, eccetto i moduli batteria che possono essere rimossi e trasportati separatamente se necessario.

Ogni container è dotato di sensori ambientali per monitorare costantemente temperatura e umidità interne. Su richiesta, può essere equipaggiato con sistemi di condizionamento e ventilazione per mantenere condizioni ottimali di funzionamento e un sistema di raffreddamento a liquido. La temperatura interna è controllata tramite termocoppie per rilevare eventuali rischi di incendio.

BMS

All’interno del sottosistema batteria è presente un sistema di gestione della batteria (BMS) che ha il compito di monitorare, proteggere e mantenere la sicurezza e il funzionamento ottimale dei moduli batteria. Il BMS è generalmente strutturato in modo gerarchico, comprendendo un BMS per il modulo batteria, un BMS per la stringa batteria e un BMS per l’intero sistema batteria.

Il BMS del modulo batteria, solitamente integrato nel modulo stesso, ha la funzione di monitorare le tensioni e le temperature delle celle. In particolare, vengono rilevate almeno due temperature in aree diverse del modulo, insieme alla tensione e alla corrente del modulo, alla resistenza di isolamento elettrico e allo stato di connessione del modulo.

PCS

I sistemi di conversione di potenza (PCS) sono dispositivi bidirezionali che operano con la rete elettrica, noti come Grid Connected Power Converters (GCPC). Questi sistemi includono trasformatori, sistemi di controllo e apparecchiature di protezione per garantire il funzionamento sicuro ed efficiente dei moduli di conversione di potenza.

Le principali funzioni dei PCS sono la gestione della carica e scarica delle batterie, il controllo dei blocchi delle batterie e la protezione dei convertitori.

Ogni PCS è composto da interfacce d’ingresso per la tensione continua (DC), convertitori bidirezionali DC/DC e DC/AC, e interfacce di uscita per la tensione alternata (AC) trifase.

I GCPC sono progettati per entrare in uno stato di sicurezza in caso di emergenza e possono sincronizzarsi con la rete AC, fornendo potenza attiva e reattiva in base alle necessità operative e alle indicazioni del sistema di monitoraggio dell’energia.

Trasformatore

Il trasformatore MT/AT, posizionato all’interno della stazione d’utenza collocata in posizione centrale all’interno dell’area BESS, permette il collegamento del sistema BESS alla RNT nel punto di connessione stabilito. Il trasformatore presenta una configurazione a tre avvolgimenti.

Gli avvolgimenti sono costituiti da bobine solenoidali intere, di solito a più strati disposti in modo coassiale in direzione radiale, specialmente per la parte ad “alta tensione”, oppure, possono essere costituiti da bobine parziali a più strati anch’esse coassiali e sovrapposte in direzione assiale ed eventualmente dotate di canali di raffreddamento.

Quali sono i vantaggi dello stoccaggio in batteria

I vantaggi dello stoccaggio energetico in batteria sono molteplici e contribuiscono sia dal punto di vista ambientale che economico a migliorare la stabilità e la redditività delle fonti energetiche rinnovabili.

Se opportunamente dimensionati e installati, i BESS aiutano a soddisfare i picchi di domanda energetica, migliorano l’integrazione delle fonti di energia rinnovabile e distribuita, ottimizzano il controllo della qualità dell’energia e riducono i costi legati all’espansione o alla riconfigurazione delle reti di distribuzione.

Uno dei principali vantaggi dei BESS è la possibilità di utilizzare energia prodotta da fonti rinnovabili, compensando le carenze dovute all’intermittenza del fotovoltaico e dell’eolico. L’energia in eccesso viene immagazzinata nelle batterie, consentendo di attingere a questa riserva quando l’impianto solare non produce abbastanza energia, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica. Inoltre, l’uso di sistemi BESS contribuisce a diminuire l’impronta di carbonio dell’abitazione, avvicinandola all’autosufficienza energetica. Questi sistemi sono ideali per chi desidera ridurre le emissioni di gas serra e minimizzare l’inquinamento.

Un ulteriore vantaggio è il risparmio sui costi dell’elettricità grazie alla flessibilità offerta dai BESS. Le abitazioni e le aziende possono prelevare elettricità dalla rete nei momenti in cui è più conveniente e utilizzarla durante i periodi di picco, quando i costi sono più elevati. In questo modo, si crea un equilibrio tra l’energia solare e quella della rete, ottimizzando i costi energetici.

Dunque, riassumendo i vantaggi sono:

• benefici ambientali;
• riduzione dei costi energetici;
• indipendenza dalla rete elettrica;
• disponibilità energetica continua;
• backup in caso di interruzioni.

I parametri da considerare per la valutazione delle prestazioni di una batteria

Diversi criteri sono fondamentali per valutare le prestazioni di una batteria. Questi criteri non solo permettono di misurare l’efficienza, ma anche di analizzare la degradazione nel tempo e la durata complessiva della batteria.

Capacità della batteria

Quando si esamina una batteria o un accumulatore, la prima informazione desiderata è la quantità di energia che può immagazzinare, definita come capacità della batteria. La capacità rappresenta la quantità di energia immagazzinabile, ma non misura direttamente l’energia in Joule. Piuttosto, indica la quantità di Ampere-ora (Ah) che una cella può fornire a una determinata temperatura.

Per una valutazione accurata della capacità, è essenziale specificare la tensione nominale ai morsetti della batteria e la tensione di cut-off, il punto in cui la batteria è considerata completamente scarica. Questo parametro è importante perché, durante il processo di scarica, la tensione della batteria tende a diminuire e la tensione di cut-off, solitamente pari ai 2/3 della tensione di carica completa, serve come riferimento per determinare se la batteria è carica o scarica.

La tensione dipende dalle reazioni elettrochimiche all’interno delle celle. La tensione ai terminali di un accumulatore generalmente diminuisce durante la scarica, ma non sempre. Se le reazioni avvengono in sostanze chimiche diverse, la tensione può rimanere costante durante la scarica.

Per valutare la capacità di una batteria, è importante specificare anche il periodo durante il quale essa può erogare una determinata quantità di energia. Questo porta all’introduzione della capacità nominale in relazione a un periodo di scarica specifico, conforme alle normative europee.

Temperatura

Nella valutazione della capacità di una batteria, è essenziale considerare anche la temperatura. A basse temperature, l’elettrolita potrebbe solidificarsi, compromettendo le prestazioni. A temperature elevate, le prestazioni possono migliorare, ma c’è il rischio di surriscaldamento o esplosione.

Energia specifica e la densità energetica

L’energia specifica e la densità energetica sono parametri essenziali per comprendere le prestazioni della batteria in termini di peso e volume (ingombro). L’energia specifica, espressa in Wattora per chilogrammo (Wh/kg), misura la quantità di energia che una batteria può fornire per unità di massa. Questo parametro consente di confrontare batterie con diverse tensioni nominali, a differenza della capacità specifica.

La densità energetica, invece, rappresenta il rapporto tra energia e volume della batteria, esprimendosi in Wattora per litro (Wh/L).

Effetto autoscarica

Infine, quando si valutano le prestazioni di una batteria è importante considerare l’effetto dell’autoscarica. L’autoscarica rappresenta la perdita graduale della carica immagazzinata nella batteria nel corso del tempo. Questo fenomeno è espresso come il tasso di capacità persa per unità di tempo, solitamente misurato in mesi o anni.

I fattori che possono causare l’autoscarica sono:

• corrosione tra gli elettrodi e l’elettrolita;
• impurità negli elettroliti;
• difetti di isolamento tra anodo e catodo;
• elevata resistenza interna.

Autorizzazione per impianti BESS

Il 16 aprile, il Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica (MASE) ha pubblicato una guida operativa per le richieste di autorizzazione unica per i sistemi di accumulo elettrochimico in configurazione stand-alone.

La guida delinea il procedimento per ottenere l’autorizzazione unica per i sistemi BESS situati in aree già occupate da impianti di produzione di energia elettrica alimentati da fonti fossili con una potenza pari o superiore a 300 MW termici in servizio.

Essa copre anche gli impianti stand-alone situati in aree non industriali e le eventuali connessioni alla rete, come specificato nell’articolo 1, comma 2-quater, lettera b) del d.l. 7 febbraio 2002, n. 7.

La guida specifica la documentazione necessaria per la richiesta e l’inizio del processo autorizzativo, che avviene tramite una Conferenza dei Servizi asincrona.

Una delle misure di semplificazione più rilevanti è che per i sistemi BESS non sono richieste valutazioni ambientali ai sensi del Testo Unico dell’Ambiente, né è necessaria l’intesa delle regioni interessate.

Il processo di autorizzazione comprende:

• esame della richiesta e dei relativi allegati;
• indizione della Conferenza di Servizi asincrona da parte del MASE, che trasmette il progetto agli enti e alle amministrazioni competenti per le verifiche antimafia;
• avvio dell’endo-procedimento per l’apposizione del vincolo preordinato all’esproprio, se necessario;
• valutazione della possibilità di avviare una Conferenza di Servizi sincrona in base ai pareri e alle comunicazioni ricevute;
• conclusione del procedimento con una nota di chiusura e, in caso di esito positivo della Conferenza di Servizi, rilascio del decreto autorizzativo.

Quali sono le principali applicazioni del sistema di stoccaggio

I sistemi di stoccaggio dell’energia a batteria (BESS) stanno diventando sempre più diffusi, come evidenziato dal crescente numero di installazioni in Italia. Nei primi tre mesi del 2022, la capacità dei BESS in Italia ha raggiunto 587 MW/1.227 MWh, con 977 MWh di accumulo di energia distribuita, secondo i dati di ANIE Rinnovabili.

Simile alla Germania, il mercato italiano dei BESS è attualmente dominato dal segmento residenziale, seguito da quello commerciale e industriale. Tra gennaio e marzo, sono state installate 20.832 unità DER BESS per un totale di 123 MW/264 MWh. Sempre secondo ANIE, il 97% delle unità DER BESS è combinato con un impianto solare fotovoltaico e il 97% delle installazioni è di tipo residenziale. Inoltre, il 98,2% delle soluzioni di energy storage utilizza batterie agli ioni di litio.

In Europa, è stato recentemente messo in funzione il più grande sistema di accumulo di energia a batteria. Situato nel Regno Unito, vicino al più grande parco eolico offshore del mondo, Dogger Bank, questo sistema ha una capacità sufficiente per alimentare circa 300.000 abitazioni per due ore.

L’Europa continua a essere uno dei mercati più dinamici per i sistemi di stoccaggio dell’energia a batteria. Nonostante la crescita dello stoccaggio delle batterie negli Stati Uniti superi quella dell’Europa, quest’ultima è più avanzata nell’impiego delle batterie EV usate in sistemi di stoccaggio stazionari di seconda vita.

FONTE