Energia e ambiente

La casa editrice della rivista “Sonnenenergie”, ovvero la SSES, ha incaricato un autore di redigere una serie di articoli divulgativi sulla tecnologia dello sfruttamento dell’energia solare. Ecco la prima puntata dedicata agli accumulatori, un tema importante per l’utilizzo del fotovoltaico.

A differenza della batteria primaria (elemento galvanico o «batteria usa e getta»), che dopo un certo tempo si esaurisce, una batteria secondaria (accumulatore) può essere ricaricata. La cosiddetta «batteria per auto» dovrebbe quindi chiamarsi «accumulatore per auto». Di seguito non faremo una distinzione molto netta tra questi due termini; è tuttavia chiaro che il nostro interesse è rivolto soprattutto agli accumulatori ricaricabili, poiché sono componenti importanti delle piccole centrali solari in funzionamento isolato o dei veicoli solari.

L'unità di misura dell'energia (e del lavoro) è il «joule». 1 joule è la riserva di lavoro (= energia) contenuta in una massa di 100 g sollevata di 1 m.

Oppure: 1 joule è l’energia che viene liberata quando, per 1 secondo, scorre una corrente di 1 A a una tensione di 1 volt.

Oppure: se per 1 secondo viene erogata una potenza di 1 watt, si compie un lavoro di 1 joule.

1 joule (abbreviazione: J) è quindi una quantità di energia piuttosto piccola. 1000 J corrispondono quindi a 1 kJ («kilojoule»), 1 000 000 J corrispondono a 1 MJ («megajoule»).

L’unità di misura della potenza è il «watt». Si ha una potenza di 1 watt quando viene svolto un lavoro di 1 joule nell’arco di 1 secondo.

Oppure: una corrente di 1 ampere con una tensione di 1 volt rappresenta una potenza (elettrica) di 1 watt.

Un accumulatore di energia è tanto migliore quanto più energia è in grado di immagazzinare in un volume il più piccolo possibile (misurato in m^³) o con una

minima massa possibile (misurata in kg). La «densità energetica» indica il rapporto tra energia immagazzinata e volume o massa (unità di misura: «J/m³» o «J/kg»).

Allo stesso modo, è possibile descrivere le prestazioni dell’accumulatore tramite la «densità di potenza», che indica il rapporto tra potenza immagazzinata e volume o massa (unità di misura: «W/m³» o «W/kg»).

L'energia elettrica è un'energia di alta qualità, facilmente convertibile in altre forme di energia. L'accumulo di energia elettrica negli accumulatori è estremamente pratico, poiché può essere recuperata, per così dire, con la semplice pressione di un pulsante. Tuttavia, negli accumulatori è possibile immagazzinare solo una quantità relativamente ridotta di energia rispetto alla loro massa o al loro volume. Lo dimostra il seguente confronto:

| | Energia
(MJ) | Massa netta

(kg) | Volume
(^m³) | Energia/massa

(MJ/kg) | Energia/volume

(MJ/m³) |
|--------------------------------------------------|-----------------|-------------------------|----------------------------|------------------------------|----------------------------------------|
| Tavola di cioccolato (chim.) | 2,2 | 0,1 | 1,1 10⁻⁴ | 22 | 20 000 |
| Tanica di benzina (chim.) | 730 | 17 | 20 10⁻³ | 43 | 37 000 |
| Bombola di gas da campeggio (chim.) | 140 | 3,0 | 6 10⁻³ | 46 | 23 000 |
| Volano (materiale ad alta resistenza!) | | | | 1,3 | 1 100 |
| Batteria per auto (elettr.) | | | | 0,13 | 360 |
| Condensatore carico (dielettrico eccellente!) | | | | | 2,2 |
| bobina attraversata da corrente (superconduttiva!) | | | | | 80 |
Nota: la notazione 10⁻⁴ significa 0,0001.

L’accumulo di energia chimica consente evidentemente le densità energetiche più elevate, mentre l’accumulo di energia elettrica in campi elettrici (nei condensatori) o in campi magnetici (nelle bobine) permette densità energetiche ancora inferiori a quelle ottenibili con le batterie.

L'utente desidera, nell'

l'utilizzo di accumulatori, che – durante l'intero periodo di scarica la tensione rimanga costante ad un livello elevato,

– durante il periodo di scarica la resistenza interna rimanga bassa e costante, in modo che la corrente di scarica rimanga costante,

– sia il processo di carica che quello di scarica possano essere molto brevi, – la durata di vita e quindi il numero di cicli (numero di cariche/scariche) sia elevato.

Queste esigenze molto egoistiche possono naturalmente essere soddisfatte solo in parte.

La capacità (o «capacità di accumulo») di una batteria è espressa nell’unità di misura «ampere-ora» (abbreviazione: Ah). Questo prodotto di corrente e tempo rappresenta in realtà la carica che la batteria è in grado di immagazzinare. 10 Ah significa, in parole povere, che dalla batteria è possibile prelevare per 1 ora una corrente

di 10 A oppure, per 10 ore, una corrente di 1 A. Tuttavia, la situazione non è così semplice come possa sembrare a prima vista. I grafici 1 e 2 mostrano che la capacità dipende fortemente dalla corrente di scarica.

La corrente di scarica e il tempo durante il quale scorre influenzano direttamente la profondità di ciclo. Con questo termine si intende la percentuale della capacità nominale fino alla quale una batteria

batteria viene scaricata. Esistono batterie fotovoltaiche che possono essere scaricate regolarmente al di sotto del 50% solo in casi eccezionali. La profondità di ciclo influisce notevolmente sulla durata della batteria: se viene scaricata ripetutamente in modo massiccio, una batteria «dura» meno a lungo rispetto a quando viene scaricata solo in misura limitata.

Anche una batteria inutilizzata si scarica, sebbene piuttosto lentamente; si parla in questo caso di autoscarica. Il tasso di autoscarica dipende fortemente dal tipo di batteria, dalla struttura e, come mostra il diagramma 3, dalla temperatura. L’autoscarica deve essere costantemente compensata con una piccola corrente di carica.

Di seguito prenderemo in esame gli accumulatori adatti allo stoccaggio di energia elettrica nei veicoli elettrici o negli impianti solari in funzionamento isolato. Queste applicazioni sono caratterizzate da un numero elevato di cicli; in determinate circostanze, le batterie normali possono esaurirsi già nel giro di un mese se utilizzate in impianti solari.

– La batteria al piombo (ad esempio, la batteria dell’auto) sfrutta la seguente reazione:

Esaminiamo più da vicino il processo, anche a titolo esemplificativo per gli altri tipi:

Durante la ricarica, una parte delle piastre di piombo si ricopre di biossido di piombo (PbO₂). Si tratta dell’ossidazione dell’anodo (= polo positivo della batteria). Questo processo comporta la sottrazione di elettroni dall’anodo. Contemporaneamente, il catodo (= polo negativo della batteria) riceve elettroni e, nel farlo, trasforma il solfato di piombo (PbSO₄) in piombo puro. Si tratta della riduzione del catodo. Entrambi i processi comportano un aumento della percentuale di ioni solfato nell’acido della batteria (=

) la percentuale di ioni solfato, con conseguente aumento della densità dell’acido ( $>1,28 \text{ g/cm}^3$ ).

Durante la scarica, il processo avviene in senso inverso: il polo negativo cede elettroni, mentre il polo positivo li accoglie. Al polo negativo, il piombo puro si trasforma in solfato di piombo (ossidazione del catodo), mentre al polo positivo il biossido di piombo ( $\text{PbO}_2$ ) si trasforma anch’esso in solfato di piombo (riduzione dell’anodo). Entrambi i processi sottraggono ioni solfato all’acido della batteria; la sua densità diminuisce ( $>1,15 \text{ g/cm}^3$ ).

Caratteristiche: cella da 2,1 volt; densità energetica $1,3 \cdot 10^5 \text{ joule/kg}$ ; durata circa 1000 cicli; densità di potenza da 20 (continua) a 100 (di picco) watt/kg. La batteria al piombo è relativamente economica, ma non ha una lunga durata; non è resistente ai cicli di carica-scarica e presenta un elevato tasso di autoscarica. Ciò rappresenta un grande svantaggio, soprattutto nell’impiego nei veicoli elettrici.

Le batterie al piombo-acido sono disponibili in versione aperta o sigillata:

• aperte: richiedono una manutenzione minima, sono disponibili con capacità da 10 a 2'000 Ah; consentono una ricarica ad alto rendimento.
• sigillate: funzionamento in qualsiasi posizione; assolutamente esenti da manutenzione; capacità da 0,8 a 110 Ah.

– La batteria al nichel-cadmio si basa sulla reazione:

Caratteristiche: cella da 1,2 volt. A causa della presenza del metallo pesante cadmio, questo tipo di batteria è costoso; lo smaltimento e il riciclaggio sono problematici. La durata è tuttavia superiore a quella delle batterie al piombo. Anche in questo caso esistono versioni aperte e sigillate:

• aperte: durata molto lunga; funzionanti anche a temperature fino a $-40$ gradi Celsius; capacità da 10 a 1250 Ah.
• sigillate: assolutamente esenti da manutenzione; scarica possibile al 100%; in collegamento in serie sono possibili tensioni fino a 110 V; capacità da 0,5 a 15 Ah.

I seguenti modelli vengono menzionati solo brevemente a causa della loro scarsa diffusione:

• Batteria al nichel-ferro (utilizzata in parte nelle auto solari da corsa)
• Batteria argento-zinco (molto costosa!)
• Cella ad alta temperatura al sodio-zolfo
• Cella al litio-zolfo ad alta temperatura

Il problema delle celle ad alta temperatura risiede nel contenimento sicuro e a tenuta stagna dello zolfo fuso, che è molto aggressivo. Inoltre, le celle ad alta temperatura devono solitamente essere avviate tramite una batteria ausiliaria.

Nel contesto delle batterie si distinguono due tipi di rendimento: il rendimento in Ah indica il rapporto tra la carica prelevabile dalla batteria e quella immessa nella batteria durante la ricarica. Questo rendimento è tipicamente pari a circa 0,9 (ovvero il 90%).

L’efficienza in Wh è il rapporto tra l’energia prelevata e quella immessa. Questo valore è sempre inferiore all’efficienza in Ah e si attesta intorno a 0,8 (ovvero l’80%). Proprio le batterie degli impianti solari vengono continuamente scaricate e ricaricate. La ricarica deve essere monitorata da un regolatore di carica, poiché una batteria scarica assorbe da una fonte di tensione (ad es. un generatore solare) una corrente che si indebolisce progressivamente, finché la sua tensione non si avvicina a quella di alimentazione. Se ora la fonte di tensione aumenta la propria tensione, la batteria può continuare ad assorbire corrente. Alla fine sarà completamente carica. Se la tensione di alimentazione rimane ancora superiore alla tensione di fine carica della batteria, questa inizia a emettere gas: si formano ossigeno, idrogeno e ossidrilidrogeno. Una batteria sigillata sviluppa a questo punto una notevole pressione interna, che può portare alla sua rottura. Il regolatore deve ora garantire che venga fornita solo la quantità di corrente necessaria a compensare l’autoscarica (la cosiddetta carica di mantenimento). Alcuni regolatori, al contrario, durante la scarica monitorano la profondità di ciclo e, se necessario, interrompono l’alimentazione (la cosiddetta protezione da scarica profonda). Naturalmente, a seconda della complessità elettronica, i regolatori possono fare molto di più. Al passaggio alla carica di mantenimento, alcuni regolatori semplicemente dissipano la corrente fornita dal generatore solare in

Capacità erogabile C in funzione della corrente
di scarica della batteria: Varta Solar 82000.

Andamento della tensione in presenza di diverse correnti di scarica. La capacità effettiva può essere calcolata dalla formula «tempo di scarica – corrente di scarica».

una resistenza, mentre altri sono in grado di monitorare più batterie e di caricarle in sequenza secondo priorità prestabilite.

Il monitoraggio dello stato di carica avviene tramite controllori di tensione, spesso combinati con regolatori di carica. Il loro compito è quello di indicare lo stato di carica/scarica, ma anche

anche della «capacità residua della batteria», in modo da poter stimare l’entità della riserva di energia immagazzinata.

L'utilizzo di accumulatori in combinazione con impianti solari richiede un'attenta pianificazione: le batterie devono essere adattate all'impianto solare-

Autoscarica delle batterie inutilizzate, in funzione del tempo di inattività. I = batteria solare A600, II = batteria al piombo standard.

I generatori devono essere ben calibrati. Vale inoltre assolutamente la pena prevedere, oltre a questi due componenti fondamentali, anche un buon sistema di regolazione e monitoraggio. Solo così è possibile garantire una durata ottimale e un’elevata affidabilità dell’intero impianto.

Attualmente, per le applicazioni qui prese in esame, la batteria al piombo rimane ancora il tipo più diffuso. La batteria al nichel-cadmio è già molto meno comune.

Gli svantaggi della batteria al piombo sono noti; ma probabilmente ci vorrà

molto tempo prima che sul mercato sia disponibile una vera alternativa alla batteria al piombo.

Dieter Kuhn, fisico diplomato, 8057 Zurigo

A. Stork: «Das private E-Werk», Editore VTL, Hirschau, 1990, circa 10 franchi; U. Muntwyler: «Applicazioni pratiche con le celle solari», Franzis-Verlag, Monaco di Baviera, 1990, circa Fr. 15.-; W. Hagemann (a cura di): «Accumulatore al piombo», Lehrmittelverlag W. Hagemann, Düsseldorf (diapositiva del progetto).

Da «Sonnenenergie» 3/91