Una nuova ricerca del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) tedesco ha dimostrato che la combinazione di sistemi fotovoltaici sui tetti con accumulatori a batteria e pompe di calore può migliorare l'efficienza delle pompe di calore riducendo al contempo la dipendenza dalla rete elettrica.
I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno studiato come gli impianti fotovoltaici sui tetti residenziali potrebbero essere combinati con pompe di calore e sistemi di accumulo a batteria.
Hanno valutato le prestazioni di un sistema fotovoltaico-pompa di calore-batteria basato su un controllo predisposto per la smart grid (SG) in una casa unifamiliare costruita nel 1960 a Friburgo, in Germania.
"Si è scoperto che il controllo intelligente ha migliorato il funzionamento della pompa di calore aumentando le temperature impostate", ha dichiarato il ricercatore Shubham Baraskar a pv magazine. "Il controllo SG-Ready ha aumentato la temperatura di mandata di 4,1 Kelvin per la preparazione dell'acqua calda, riducendo così il fattore di prestazione stagionale (SPF) del 5,7%, da 3,5 a 3,3. Inoltre, per la modalità di riscaldamento degli ambienti, il controllo intelligente ha ridotto l'SPF del 4%, da 5,0 a 4,8."
L'SPF è un valore simile al coefficiente di prestazione (COP), con la differenza che viene calcolato su un periodo più lungo e con condizioni al contorno variabili.
Baraskar e i suoi colleghi hanno spiegato le loro scoperte in “Analisi delle prestazioni e del funzionamento di un sistema di pompe di calore a batteria fotovoltaica basata sui dati di misurazione sul campo,” che è stato recentemente pubblicato inProgressi nell'energia solare.Hanno affermato che il vantaggio principale dei sistemi fotovoltaici con pompe di calore consiste nel ridotto consumo di rete e nei minori costi dell'elettricità.
Il sistema a pompa di calore è costituito da una pompa di calore geotermica da 13,9 kW, progettata con un accumulo termico per il riscaldamento degli ambienti. È inoltre dotato di un serbatoio di accumulo e di una stazione di produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Entrambe le unità di accumulo sono dotate di riscaldatori elettrici ausiliari.
L'impianto fotovoltaico è orientato a sud e ha un'inclinazione di 30 gradi. Ha una potenza di 12,3 kW e una superficie dei moduli di 60 metri quadrati. La batteria è accoppiata in corrente continua e ha una capacità di 11,7 kWh. L'abitazione selezionata ha una superficie abitabile riscaldata di 256 m² e un fabbisogno termico annuo di 84,3 kWh/m²a.
"L'energia continua proveniente dal fotovoltaico e dalle batterie viene convertita in corrente alternata tramite un inverter con una potenza massima in corrente alternata di 12 kW e un'efficienza europea del 95%", hanno spiegato i ricercatori, sottolineando che il sistema di controllo SG-ready è in grado di interagire con la rete elettrica e di regolare di conseguenza il funzionamento del sistema. "Durante i periodi di elevato carico di rete, il gestore della rete può disattivare la pompa di calore per ridurre il carico sulla rete o, in caso contrario, può anche forzarne l'accensione."
Con la configurazione di sistema proposta, l'energia fotovoltaica deve essere inizialmente utilizzata per i carichi domestici, mentre l'eccedenza viene fornita alla batteria. L'energia in eccesso può essere immessa in rete solo se l'abitazione non richiede elettricità e la batteria è completamente carica. Se né l'impianto fotovoltaico né la batteria sono in grado di coprire il fabbisogno energetico dell'abitazione, è possibile utilizzare la rete elettrica.
"La modalità SG-Ready si attiva quando la batteria è completamente carica o si sta caricando alla massima potenza e c'è ancora un surplus di energia fotovoltaica disponibile", hanno affermato gli accademici. "Al contrario, la condizione di attivazione si verifica quando la potenza fotovoltaica istantanea rimane inferiore al fabbisogno totale dell'edificio per almeno 10 minuti."
La loro analisi ha preso in considerazione i livelli di autoconsumo, la frazione solare, l'efficienza della pompa di calore e l'impatto dell'impianto fotovoltaico e della batteria sull'efficienza delle prestazioni della pompa di calore. Hanno utilizzato dati ad alta risoluzione di 1 minuto da gennaio a dicembre 2022 e hanno scoperto che il controllo SG-Ready ha aumentato le temperature di mandata della pompa di calore di 4,1 K per l'acqua calda sanitaria. Hanno inoltre accertato che il sistema ha raggiunto un autoconsumo complessivo del 42,9% durante l'anno, il che si traduce in benefici economici per i proprietari di casa.
"La domanda di elettricità per la [pompa di calore] è stata coperta al 36% dal sistema fotovoltaico/batteria, al 51% in modalità acqua calda sanitaria e al 28% in modalità riscaldamento degli ambienti", ha spiegato il team di ricerca, aggiungendo che le temperature più elevate del dissipatore hanno ridotto l'efficienza della pompa di calore del 5,7% in modalità ACS e del 4,0% in modalità riscaldamento degli ambienti.
"Anche per il riscaldamento degli ambienti, è stato riscontrato un effetto negativo del controllo intelligente", ha affermato Baraskar. "A causa del controllo SG-Ready, la pompa di calore ha funzionato in modalità riscaldamento degli ambienti al di sopra delle temperature di setpoint. Questo perché probabilmente il controllo ha aumentato la temperatura di setpoint dell'accumulo e ha attivato la pompa di calore anche se il calore non era necessario per il riscaldamento degli ambienti. Va inoltre considerato che temperature di accumulo eccessivamente elevate possono comportare maggiori perdite di calore dell'accumulo."
Gli scienziati hanno affermato che in futuro studieranno altre combinazioni di fotovoltaico e pompa di calore con diversi concetti di sistema e controllo.
"È necessario sottolineare che questi risultati sono specifici per i singoli sistemi valutati e possono variare notevolmente a seconda delle specifiche dell'edificio e del sistema energetico", hanno concluso.
Data di pubblicazione: 13-11-2023