Fusione a induzione solare off-grid: gestione di una fonderia senza alimentazione dalla rete elettrica.
La fusione a induzione off-grid sembra impossibile finché non la si vede in funzione. Una fonderia nell'Australia occidentale utilizza dal 2022 un forno a induzione da 2 MW alimentato a energia solare con accumulo a batteria, senza alcun collegamento alla rete elettrica. Una fonderia di rame nel deserto di Atacama, in Cile, utilizza dal 2021 un forno a induzione da 5 MW con un sistema ibrido solare-diesel. Un impianto di riciclaggio di rottami in Mali utilizza dal 2023 un forno a induzione da 1 MW alimentato a energia solare e batterie. La tecnologia è reale, gli impianti sono operativi e la convenienza economica è sempre maggiore per i siti remoti.
Quando vivere fuori dalla rete elettrica ha senso
La fusione a induzione off-grid è una soluzione valida in tre situazioni: siti remoti senza accesso alla rete elettrica, siti con alimentazione di rete inaffidabile e siti in cui il costo dell'estensione della rete è proibitivo. Il primo caso è il più comune: attività minerarie, campi petroliferi e del gas, basi militari e comunità remote necessitano tutti di fusione dei metalli per la manutenzione e la fabbricazione, e il costo di realizzazione di una linea elettrica di 50-100 km fino a un sito remoto può superare il costo dell'intero sistema solare con induzione.
Il secondo caso è comune nei mercati in via di sviluppo con reti elettriche instabili. Molte fonderie africane, dell'Asia meridionale e del Sud-est asiatico perdono dal 5 al 20% della loro produzione a causa di interruzioni di corrente. Il costo della produzione persa spesso supera il costo di un sistema di backup solare con batterie, il quale può anche fornire la maggior parte dell'energia durante il normale funzionamento.
Il terzo caso è comune nei mercati sviluppati, dove il costo dell'estensione della rete elettrica è elevato. Negli Stati Uniti occidentali, il costo per estendere una linea trifase di 10 km fino a un nuovo sito industriale può superare 1 milione di dollari. Un impianto solare con accumulo a batteria nello stesso sito può costare da 1,5 a 2 milioni di dollari, ma l'impianto è indipendente dalla rete e il costo è più prevedibile.
Dimensionamento del sistema per il funzionamento fuori rete
La fusione a induzione solare off-grid richiede un dimensionamento accurato del sistema. L'impianto fotovoltaico deve produrre energia sufficiente durante l'anno per coprire il consumo del forno, e il sistema di accumulo a batterie deve essere abbastanza capiente da gestire periodi nuvolosi di più giorni e il funzionamento notturno.
Per un forno a induzione da 2 MW in funzione per 5000 ore all'anno (circa 14 ore al giorno, 365 giorni all'anno), il consumo energetico annuo è di 10 GWh. Un impianto fotovoltaico in un sito ad alta insolazione (da 5 a 6 kWh per metro quadrato al giorno) può produrre da 1500 a 1800 kWh per kW all'anno, quindi la capacità fotovoltaica richiesta è da 5,5 a 6,7 MW. L'accumulo a batteria deve coprire da 12 a 16 ore di funzionamento al consumo medio di potenza (dal 60 al 75 percento della potenza nominale), che è da 15 a 25 MWh.
Il costo totale di un impianto di fusione a induzione solare off-grid da 2 MW in un sito ad alta insolazione è compreso tra 12 e 18 milioni di dollari, a seconda della preparazione del sito, delle dimensioni del sistema di accumulo di energia (BESS) e della complessità del sistema di controllo. Il costo viene ammortizzato su un periodo di 20-25 anni, mentre i costi operativi sono principalmente dovuti alla sostituzione del BESS tra il dodicesimo e il quindicesimo anno.
Sistemi ibridi solare-diesel
Per gli impianti che necessitano di un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e non possono tollerare il rischio di esaurimento del sistema di accumulo a batteria (BESS), la soluzione ideale è un sistema ibrido solare-diesel. Il generatore diesel fornisce l'alimentazione di riserva, mentre il sistema solare combinato con il BESS copre dal 60 all'80% del fabbisogno energetico annuo. Il generatore diesel funziona a un carico compreso tra l'80 e il 100%, che rappresenta il suo punto di massima efficienza, e il consumo di carburante è nettamente superiore rispetto a un carico variabile in modo continuo.
Un impianto ibrido solare-diesel da 5 MW per una fonderia di rame in Cile comprende 12 MW di fotovoltaico, 15 MWh di accumulo di energia a batteria (BESS) e 5 MW di generazione a diesel. L'impianto è in funzione da 3 anni con un contributo solare del 75% e il consumo di gasolio si è ridotto del 70% rispetto al precedente impianto interamente a diesel. Il periodo di ammortamento dell'investimento nell'impianto solare-BESS è stimato tra i 6 e gli 8 anni, considerando i prezzi locali dell'elettricità e del gasolio.
Sistemi di controllo delle microreti
Il sistema di controllo della microrete è il cuore dell'impianto off-grid. Il sistema coordina la produzione fotovoltaica, lo stato di carica del sistema di accumulo a batterie (BESS), il generatore diesel (se presente) e il carico della caldaia. Gli obiettivi del controllo sono: massimizzare il contributo solare, mantenere lo stato di carica del BESS entro limiti di sicurezza e garantire che la caldaia abbia sempre la potenza necessaria.
L'architettura di controllo standard prevede un controllore principale che si interfaccia con l'inverter fotovoltaico, il sistema di gestione del sistema di accumulo di energia (BESS), il controllore del generatore diesel e il sistema di controllo della caldaia. Il controllore principale esegue un algoritmo di controllo predittivo basato su modello (MPC) che prevede la produzione fotovoltaica (utilizzando previsioni meteorologiche e dati storici) e programma l'assorbimento di potenza della caldaia per massimizzare il contributo dell'energia solare.
MONTE INTELLIGENCE fornisce sistemi di controllo per microreti destinati a impianti di fusione a induzione solare off-grid e ibridi. Il sistema di controllo è integrato con il sistema di controllo del forno e offre un'unica interfaccia HMI per l'operatore.
Sfide operative
La fusione a induzione solare off-grid presenta sfide operative assenti negli impianti connessi alla rete. La prima sfida riguarda la gestione dello stato di carica del sistema di accumulo di energia (BESS). Un BESS profondamente scarico può danneggiare le celle e il forno deve essere regolato per evitare che la scarica scenda al di sotto del limite di sicurezza. Il sistema di controllo deve comunicare la potenza disponibile all'operatore del forno, il quale deve essere formato per gestire il carico.
La seconda sfida è rappresentata dalla polvere e dalle temperature estreme. Gli impianti fotovoltaici installati in siti remoti accumulano polvere che può ridurre la produzione dal 10 al 30%. Gli impianti fotovoltaici necessitano di una pulizia regolare e il sistema di accumulo di energia (BESS) richiede una gestione termica per prevenire danni da surriscaldamento nei climi caldi.
La terza sfida riguarda le competenze di manutenzione. I siti remoti raramente dispongono di tecnici specializzati in impianti fotovoltaici o sistemi di accumulo di energia (BESS), e la manutenzione deve essere effettuata da specialisti esterni. MONTE INTELLIGENCE offre un servizio di monitoraggio remoto che tiene traccia delle prestazioni del sistema e invia tecnici quando è necessario intervenire.
La quarta sfida riguarda l'approvvigionamento di carburante (per i sistemi ibridi). Il gasolio deve essere trasportato fino al sito remoto e la catena di approvvigionamento può subire interruzioni. Un sistema di accumulo di energia (BESS) con un'autonomia di 8-12 ore può superare un ritardo nella fornitura di carburante, e un impianto solare di riserva può mantenere il BESS carico anche quando il gasolio non è disponibile.
Caso di studio: fonderia autonoma in Mali
Un impianto di riciclaggio di rottami a Bamako, in Mali, utilizza dal 2023 un forno a induzione da 1 MW alimentato da un sistema solare con accumulo a batteria (BESS). Il sistema comprende 2,5 MW di pannelli fotovoltaici, 4 MWh di batterie LFP e un inverter da 1 MW connesso alla rete (che funge da backup). Il sistema fornisce il 75% del fabbisogno energetico annuo tramite energia solare, mentre il restante 25% proviene dalla rete elettrica. Il costo annuo dell'energia è di 0,06 USD per kWh, contro 0,15 USD per kWh prelevando l'energia dalla sola rete. Il sistema è stato finanziato da una banca internazionale di sviluppo e il periodo di ammortamento è di 7 anni.
Contatta MONTE INTELLIGENCE per informazioni sull'induzione solare off-grid.
Per gli acquirenti che prendono in considerazione un impianto di fusione a induzione solare off-grid o ibrido, MONTE INTELLIGENCE Engineering può modellare le dimensioni del sistema, i costi operativi e il risparmio di carbonio per un sito specifico. Il modello include la valutazione della risorsa solare, il dimensionamento del BESS (Battery Emission Storage System), la progettazione del sistema di controllo e i requisiti di backup della rete. Visitawww.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html Per specifiche di prodotto e casi di studio, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Induzione solare off-grid" e dettagli sul sito, le dimensioni della caldaia e le ore di funzionamento.
