Oltre il diesel: backup ibrido Solar-Plus-Battery nei siti africani off-grid

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8 ottobre 2019

I siti off-grid nel nord della Nigeria, Niger, Mali, Burkina Faso, Etiopia e Turkana funzionano a diesel, con costi di carburante, trasporti e furti che consumano gran parte dell’OPEX. Questo articolo tratta le tre topologie e, quando ciascuna di esse è applicabile, la durata reale della batteria in condizioni di ciclo quotidiano, la variabile sottovalutata della polvere e una formula di rimborso con quattro input che puoi misurare sul posto.

Una giornata in un sito off-grid

Intorno a Kano e Kaduna nel nord della Nigeria, nelle zone rurali del Niger, del Mali e del Burkina Faso, sugli altopiani etiopi, nell'arida regione del Turkana in Kenya e nelle province periferiche dello Zambia, una giornata tipica si svolge così: il generatore diesel si avvia prima del tramonto e funziona fino a notte fonda con un carico compreso tra 1 e 3 kW; si spegne durante la notte e la batteria trasporta la banda base e la trasmissione; di giorno la batteria continua a sostenere il sito fino a sera, caricandosi solo se la rete elettrica appare per alcune ore. Il problema non è il generatore in sé ma tre costi nascosti: la consegna del carburante sul posto, che dove è necessario il trasporto di motociclette o cammelli può superare il doppio del prezzo alla pompa; furto di carburante, che in alcune zone varia dal 10% al 30% del volume acquistato; e manutenzione e revisione ammortizzate in base alle ore di funzionamento. Lo scopo dell’energia solare non è ambientale: è quello di spostare il carico diurno dal generatore e tagliare direttamente tutti e tre i costi.

Scelta tra tre topologie

L’ibrido solare non è un progetto ma tre, e la scelta sbagliata raddoppia il ritorno dell’investimento. Il primo è solare più batteria più diesel in standby, chiamato anche priorità solare: il fotovoltaico serve il carico e carica la batteria durante il giorno, si riduce una volta che la batteria è carica e il diesel si avvia solo dopo un cielo coperto prolungato o se la batteria è scarica. Riduce al minimo le ore del generatore ed è adatto ai siti con un buon irraggiamento annuale e carico concentrato durante il giorno: la scelta più comune nell'Africa sub-sahariana. Il secondo è diesel primario con assistenza solare, in cui il fotovoltaico trasporta solo una parte del carico, in genere dal 30% al 50%, e il generatore funziona come prima con un consumo di carburante inferiore. Il più semplice da aggiornare e il più economico in termini di capitale, è adatto a carichi più grandi o a siti con un generatore relativamente nuovo. Il terzo è puramente solare più batteria senza alcun generatore, praticabile solo dove il carico è inferiore a 500 W e tre giorni di rischio nuvoloso sono accettabili. Il fattore decisivo tra tutti e tre non è la risorsa di irraggiamento ma quanto bene la curva di carico si sovrappone alla curva solare: un’elevata sovrapposizione favorisce la prima, una bassa sovrapposizione rende la seconda più sicura.

Durata reale della batteria durante il ciclismo quotidiano

In un ibrido solare la batteria completa un ciclo completo ogni giorno, il che non assomiglia allo standby di mantenimento ed è il punto in cui molti progetti falliscono: specificano una batteria di mantenimento e la sostituiscono in due anni. La selezione dipende da tre cifre, non dalla capacità della targa. In primo luogo, la vita del ciclo, e in particolare la vita del ciclo a una profondità di scarica stabilita; i sistemi solari in genere funzionano dal 50% al 70% DOD, quindi chiedi dati in quella banda. In secondo luogo, l’accettazione della carica: la potenza di carica del fotovoltaico varia con l’irradiazione, la corrente è bassa al mattino e nel tardo pomeriggio e se la batteria può assorbire efficacemente a bassa corrente determina il recupero energetico giornaliero. La serie piombo-carbonio (LLC, 300–1.000 Ah, sei modelli) offre da quattro a cinque volte la durata del ciclo di un prodotto convenzionale in servizio PSoC con un'accettazione della carica migliore di circa il 30% ed è progettata esattamente per questo. In terzo luogo, il comportamento alle alte temperature: temperature dell’armadio superiori a 40°C sono all’ordine del giorno in Africa, quindi la durata del ciclo deve essere corretta in base alla temperatura. Anche la serie a ciclo profondo (FTC, 100–170 Ah, 1.500 cicli o più) è una scelta valida per le capacità piccole e medie.

Polvere: la variabile sottovalutata

Nel Sahel e nell’arida Africa orientale, la polvere è fortemente sottovalutata. Innanzitutto, lo sporco: ogni strato di polvere sul vetro riduce la trasmittanza di diversi punti percentuali e, dopo una tempesta di polvere, l'array può essere coperto abbastanza spesso da dimezzare la resa. In Niger, Mali e Ciad, saltare le pulizie può costare più del 20% del rendimento annuo. In secondo luogo, termico: la polvere sul backsheet impedisce la dissipazione del calore, aumentando la temperatura della cella e l’efficienza di taglio, aggravando la perdita. Terzo, meccanico ed elettrico: la polvere che entra nelle scatole di giunzione e nei connettori provoca contatti scadenti e rischio di archi elettrici, mentre la polvere nei percorsi dell'aria dell'inverter blocca il raffreddamento. Seguono quattro risposte progettuali: aumentare l'inclinazione dell'array in modo che la polvere venga soffiata o lavata via più facilmente; specificare scatole di giunzione e connettori con un grado di ingresso più elevato; utilizzare inverter a raffreddamento naturale o montare filtri antipolvere e aggiungerli al percorso di ispezione; e inserire la pulizia nel contratto di O&M con una frequenza definita – mensile nella stagione delle polveri, trimestralmente negli altri casi – anziché “come richiesto”.

Calcolo del rimborso

Il recupero dell'investimento non necessita di un modello complesso, ma solo di quattro input e tutti e quattro possono essere misurati in loco. Innanzitutto, il costo annuo attuale del diesel: consumo medio giornaliero in litri × 365 × prezzo del carburante consegnato compreso il trasporto. Utilizza il prezzo consegnato, non il prezzo del molo. In secondo luogo, il costo del diesel post-retrofit: scalabile in base alla riduzione delle ore di funzionamento del generatore, che per i progetti a priorità solare è in genere compreso tra il 20% e il 40% dell’originale. In terzo luogo, la resa fotovoltaica annuale: capacità dell’array in kWp × ore di sole di punta equivalenti a livello locale × 365 × efficienza del sistema da 0,75 a 0,8 × fattore di sporco e degrado da 0,85 a 0,9. Quarto, investimento totale comprensivo di moduli, montaggio, controller, batteria, trasporto e installazione. Ritorno sull'investimento = investimento ÷ (costo annuale del diesel pre-retrofit − costo annuale del diesel post-retrofit − costo di manutenzione annuale). L’input più spesso sopravvalutato è il terzo: le persone sfruttano le ore di sole ideali e dimenticano lo sporco e il degrado. Prendi i coefficienti conservativi e il rimborso che calcoli è quello che può effettivamente essere fornito.

Dimensionamento dell'array e della batteria insieme

I due errori più comuni nella progettazione ibrida solare sono un array sottodimensionato e una batteria sottodimensionata, e di solito si verificano insieme. Il principio è quello di considerare il periodo coperto come vincolo e il bilancio energetico giornaliero come obiettivo, in tre fasi. Innanzitutto, il consumo giornaliero: carico in kW × 24 ore, calcolato separatamente laddove i carichi diurni e notturni differiscono. In secondo luogo, la resa fotovoltaica media giornaliera: capacità del generatore in kWp × ore di sole di punta equivalenti × efficienza del sistema da 0,75 a 0,8 × fattore di inquinamento di 0,85. Tale risultato deve superare il consumo giornaliero, normalmente con un margine dal 20% al 30% per coprire le variazioni stagionali, il degrado dei moduli e l’ombreggiamento occasionale. In terzo luogo, la capacità della batteria: consumo giornaliero × giorni nuvolosi ÷ profondità di scarica, con giorni nuvolosi presi dai dati meteorologici locali: da due a tre nel Sahel, uno in più sugli altopiani dell’Africa orientale. Dopo i tre passaggi, esegui un controllo inverso: al termine del periodo nuvoloso più lungo, la capacità residua della batteria non dovrebbe scendere sotto il 20%, altrimenti gli avviamenti del generatore aumenteranno notevolmente e l'economia dell'ibrido scomparirà. Questo controllo viene spesso saltato, ma è l’unico indicatore concreto della correttezza del rapporto. Un ulteriore dettaglio spesso trascurato è l'inclinazione dell'array: nelle regioni polverose, l'aggiunta di 5-10 gradi oltre l'inclinazione di generazione ottimale consente alla polvere di soffiare via più facilmente e di produrre di più nel tempo. View Telecom Backup Power Selection