La combinazione di generazione di energia fotovoltaica (PV) con sistemi di accumulo di energia domestica per supportare le attrezzature di riscaldamento offre vantaggi significativi, in particolare in termini di efficienza energetica, risparmi sui costi, indipendenza energetica e riduzione delle emissioni di carbonio. Di seguito è riportata un'analisi dettagliata da prospettive tecniche, economiche, ambientali, nonché analisi del consumo di energia delle apparecchiature di riscaldamento.
1. Background tecnico: integrazione dei sistemi di accumulo di fotovoltaici e di energia
I sistemi di generazione di energia fotovoltaica convertono le radiazioni solari in elettricità a corrente continua (DC) attraverso i moduli solari, che vengono quindi convertiti in potenza di corrente alternata (AC) tramite inverter per uso domestico. I sistemi di stoccaggio dell'energia domestica immagazzinano l'elettricità in eccesso generata dal PV durante il giorno, che può essere utilizzata di notte o durante i giorni nuvolosi. Questa integrazione consente l'auto-bilanciamento del consumo di energia, in particolare durante i picchi invernali nella domanda di riscaldamento, migliorando sia l'efficienza dei sistemi fotovoltaici sia l'efficienza di scarico dei sistemi di stoccaggio.
2. Benefici economici: riduzione dei costi operativi
L'applicazione della generazione di energia fotovoltaica con i sistemi di accumulo di energia domestica nel settore del riscaldamento offre sostanziali vantaggi economici, in particolare nelle regioni con alti prezzi dell'energia:
Riduzione delle bollette dell'elettricità : secondo i dati dell'Agenzia internazionale energetica (IEA), i prezzi dell'elettricità delle famiglie variano ampiamente tra i paesi. In alcuni paesi europei, i prezzi dell'elettricità possono superare $ 0,3 per chilowattora (KWH), mentre negli Stati Uniti il prezzo medio è di circa $ 0,12 per kWh. In queste regioni, i sistemi fotovoltaici possono ridurre significativamente la dipendenza dall'elettricità della rete per il riscaldamento, riducendo così le spese di elettricità.
Ritiri di investimento a lungo termine : ad esempio, un sistema fotovoltaico da 5 kW installato in Germania-un paese con elevati prezzi dell'elettricità e una luce solare moderata-può generare circa 5.000-6.000 kWh all'anno. Se abbinato a un sistema di accumulo di energia da 10 kWh, può coprire il 30% -50% delle esigenze di elettricità di riscaldamento di una famiglia. Il periodo di rimborso varia in genere tra 6 e 8 anni.
3. Benefici ambientali: riduzione delle emissioni di carbonio
Contributo alla riduzione del carbonio : secondo la International Renewable Energy Agency (IRENA), la generazione di energia fotovoltaica può ridurre circa 0,7 kg di emissioni di CO₂ per kWh. Se combinato con i sistemi di accumulo di energia per il riscaldamento, ciò può ridurre significativamente le emissioni rispetto al riscaldamento del carbone o del gas naturale durante l'inverno. Ad esempio, se una famiglia riduce ogni anno 2.000 kWh di consumo di energia della rete per il riscaldamento, equivalerebbe a una riduzione di circa 1,4 tonnellate di emissioni di CO₂.
Aumentare la penetrazione delle energie rinnovabili : il piano di transizione energetica dell'Unione Europea mira ad aumentare sostanzialmente la capacità installata dei sistemi di accumulo di fotovoltaici e di accumulo di energia entro il 2030, aumentando così la quota di energia rinnovabile nel consumo di energia delle famiglie. Questa tendenza migliorerà in modo significativo la qualità dell'aria durante i periodi di riscaldamento invernale, in particolare nelle regioni più fredde come l'Europa settentrionale e orientale.
4. Analisi del consumo di energia delle apparecchiature di riscaldamento
A livello globale, i tipi e il consumo di energia delle apparecchiature di riscaldamento variano in modo significativo, rendendo fondamentale selezionare sistemi che corrispondono alle condizioni climatiche locali e alle caratteristiche della generazione fotovoltaica. Di seguito sono riportati il consumo medio di energia e l'efficienza delle apparecchiature di riscaldamento comuni:
Riscaldatori elettrici (riscaldatori spaziali) : questi in genere vanno da 1 a 2 kW di potenza, adatti a piccoli spazi. Con una media di 8 ore di utilizzo al giorno, il consumo di energia giornaliero può variare da 8 a 16 kWh. Questo è l'ideale per le famiglie con generazione di fotovoltani limitati e capacità di archiviazione più piccole.
Riscaldamento al pavimento radiante elettrico : il consumo di energia per i sistemi di riscaldamento del pavimento radiante elettrico di solito varia da 80 a 120 watt per metro quadrato. Supponendo uno spazio di 100 metri quadrati e 6 ore di funzionamento quotidiano, il consumo di energia giornaliero sarebbe di circa 48-72 kWh. Questo setup è adatto per le regioni con lunghe ore diurne e inverni più freddi, come gli Stati Uniti sudoccidentali e la Cina settentrionale.
Pompa di calore della fonte d'aria (ASHP) : con un coefficiente di prestazioni (COP) che va da 3 a 4, gli Ashps possono fornire da 3 a 4 kWh di calore per ogni kWh di elettricità consumata. Per una famiglia che richiede 3.000 watt di produzione di calore, il consumo di energia orario sarebbe di circa 0,75-1 kWh, con conseguente consumo giornaliero di 6-8 kWh per 8 ore di funzionamento. Gli ASHP sono particolarmente efficienti nelle regioni con abbondante generazione fotovoltaica e lievi temperature invernali, come il Giappone, la Corea del Sud e la costa occidentale degli Stati Uniti.
5. Supporto dei dati e casi studio
Consumo globale di energia di riscaldamento medio : secondo i dati IEA, il consumo di energia per il riscaldamento delle famiglie varia in Nord America, Europa e Asia. Nelle regioni più fredde come il Nord Europa e la Russia, il consumo di energia durante l'inverno può raggiungere 30-50 kWh per metro quadrato al giorno, mentre nei climi mediterranei più miti, come l'Italia meridionale, è di circa 5-10 kWh per metro quadrato al giorno.
Caso di studio del sistema di stoccaggio PV+ : ad esempio, una famiglia nella Germania meridionale è dotata di un sistema PV da 6kW e un'unità di stoccaggio di energia da 15 kwh genera 6.000-7.000 kWh all'anno. Durante l'elevata domanda di riscaldamento invernale, il sistema fotovoltaico fornisce una parte della potenza di riscaldamento durante il giorno, con il sistema di stoccaggio che fornisce elettricità di notte. I calcoli mostrano che tale configurazione può risparmiare circa il 40% dei costi di elettricità di riscaldamento invernale, riducendo le emissioni di co₂ di circa 1,2 tonnellate all'anno.
Conclusione
La combinazione della generazione di energia fotovoltaica e dei sistemi di stoccaggio dell'energia domestica offre una soluzione efficiente, economica ed ecologica per soddisfare le esigenze di riscaldamento in tutto il mondo. Ottimizzando la configurazione dei sistemi PV e di stoccaggio e selezionando le apparecchiature di riscaldamento adatte alle condizioni climatiche locali, le famiglie possono massimizzare l'utilizzo dell'energia, ridurre la dipendenza dai tradizionali combustibili fossili e raggiungere i loro obiettivi di riduzione del risparmio energetico ed emissione. Sebbene l'investimento iniziale sia relativamente elevato, i costi in calo delle attrezzature PV e di stoccaggio rendono questa soluzione sempre più praticabile, promettendo significativi benefici economici e ambientali per gli utenti in futuro.