Un team di ricerca guidato da scienziati della Final International University della Turchia ha sviluppato una serra autoalimentata che utilizza un sistema fotovoltaico semitrasparente (STPV), un sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) per l’accumulo di energia a breve termine e l’idrogeno per l’accumulo a lungo termine.
Le dimensioni del sistema proposto sono state ottimizzate per massimizzare il valore attuale netto (VAN) e minimizzare la dipendenza energetica (ED) dalla rete.
“Studi precedenti hanno evidenziato il potenziale dei sistemi STPV, che svolgono una duplice funzione permettendo il passaggio della luce solare per la fotosintesi e generando contemporaneamente elettricità. Nonostante questo vantaggio, è nota la mancanza di disponibilità di energia durante i mesi invernali nelle serre”, ha spiegato il team. “Incorporando sia il BESS che l’idrogeno come parte di una soluzione ibrida di stoccaggio dell’energia, questa ricerca fornisce un approccio completo per affrontare la dipendenza energetica stagionale e ottimizzare la gestione dell’energia durante tutto l’anno”.
Il sistema è stato progettato per utilizzare STPV con un’efficienza del 7%, con un costo per pannello da 32 W di 100 dollari. Il BESS è basato sul piombo acido, con un’efficienza di carica e scarica tra l’80% e il 90% e un prezzo di 500 dollari/Kw. L’elettrolizzatore ha un’efficienza dell’80% e un costo di 388 euro/kW; il sistema di stoccaggio dell’idrogeno ha un’efficienza del 90% e un prezzo di 10 dollari/kW; la cella a combustibile ha un’efficienza del 60% e un prezzo di 395 euro/kW.
Le tariffe elettriche di rete ipotizzate sono di 0,43 dollari per kWh nei picchi di domanda, 0,12 dollari nei periodi non di punta e 0,3 dollari nella domanda intermedia.
L’algoritmo GBO ottimizza il sistema in base a tre scenari: il primo privilegia la redditività finanziaria, ovvero un VAN più elevato; il secondo cerca di raggiungere un equilibrio tra redditività (VAN più elevato) e indipendenza energetica (basso ED); il terzo cerca di raggiungere la massima indipendenza energetica, ovvero il minimo ED possibile. Sono stati raccolti e utilizzati i dati di irraggiamento solare per l’estate e l’inverno del Qatar.
“GBO è un algoritmo efficiente e potente che utilizza due strategie di ricerca fondamentali: sfruttamento ed esplorazione. La tecnica di ricerca di sfruttamento si concentra sulla ricerca di optima locali, assicurando ricerche dettagliate e raffinate all’interno di una specifica regione dello spazio di ricerca”, hanno spiegato gli studiosi. “Al contrario, la tecnica di ricerca di esplorazione mira a scoprire gli optima globali effettuando una ricerca ad ampio raggio nell’intero spazio delle soluzioni”.
Gli scienziati hanno scoperto che il primo scenario richiede un’area STPV di 8.500 m2, una capacità BESS di 150 kW, un’energia di 240 kWh e uno stoccaggio di idrogeno di 4.436,4 kg. In questo caso, il VAN sarebbe di 1.584.800 dollari, con un investimento iniziale di 1.304.006 dollari. Il sistema avrà un tasso di ED del 15,07% e importerà dalla rete 19.200 kW di energia in estate, 62,76% e 86.851 kW in inverno, rispettivamente.
Il secondo scenario di ottimizzazione richiede un’area STPV di 12.750 m², una capacità BESS di 225 kW, un’energia di 360 kWh e uno stoccaggio di idrogeno di 8.763,6 kg. In questo caso, il VAN sarebbe di 1.483.500 dollari con un investimento iniziale di 2.007.900 dollari. Il sistema avrà un tasso di ED del 10,64% e importerà 15.000 kW di energia dalla rete in estate. In inverno, il tasso di ED sarà del 40,09% e importerà 50.595 kW.
Infine, il terzo scenario richiede un’area STPV di 27.200 m², una capacità BESS di 480 kW, un’energia di 768 kWh e uno stoccaggio di idrogeno di 23.476 kg. In questo caso, il VAN sarebbe di 98.223 dollari con un investimento iniziale di 4.401.100 dollari. Il sistema avrà un tasso di ED del 10,31% e importerà 14.760 kW di energia dalla rete in estate. In inverno, il tasso di ED sarà dell’1,56% e importerà solo 1.078,7 kW.
“Gli scenari che enfatizzano l’ED minimo risultano in VAN negativi, sottolineando il compromesso tra il raggiungimento dell’indipendenza energetica e il mantenimento della redditività finanziaria”, ha concluso il team. “Questa ottimizzazione a doppio obiettivo non solo migliora la redditività economica dei sistemi energetici delle serre, ma promuove anche la sostenibilità e l’indipendenza energetica, fornendo una guida preziosa per lo sviluppo di strategie di gestione energetica delle serre sostenibili e finanziariamente valide”.
I risultati sono stati presentati in “Towards a self-powering greenhouse using semi-transparent PV: Utilizing hybrid BESS-hydrogen energy storage system”, pubblicato sul Journal of Energy Storage. Lo studio è stato condotto da ricercatori della Final International University della Turchia, del Ministero del Comune e dell’Università del Qatar e dell’Università di Arish dell’Egitto.
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