In molte regioni in cui operano le fonderie – Africa subsahariana, Asia meridionale, alcune zone del Medio Oriente – la rete elettrica è assente o inaffidabile. Una fonderia collegata a una rete debole può subire cali di tensione, variazioni di frequenza e interruzioni impreviste che rendono impossibile la fusione a induzione senza un generatore di riserva. I generatori diesel sono stati la soluzione tradizionale, ma il costo del gasolio, considerando carburante, manutenzione e ammortamento del generatore, si aggira tra 0,25 e 0,50 dollari per kWh, rendendo il costo della fusione proibitivo.
MONTE INTELLIGENCE sta lavorando su sistemi di alimentazione ibridi solare-diesel per applicazioni di fusione a induzione. Il concetto è semplice: utilizzare l'energia solare fotovoltaica per fornire il carico elettrico di base durante le ore diurne, con generatori diesel che forniscono supporto durante i periodi nuvolosi e durante il funzionamento notturno. Il sistema riduce il consumo di gasolio del 40-60%, una percentuale sufficiente a recuperare l'investimento nel solare entro 3-5 anni ai prezzi tipici del gasolio.
L'architettura del sistema è composta da cinque componenti principali. Innanzitutto, l'impianto fotovoltaico, costituito da pannelli installati a terra o sul tetto, dimensionati per fornire la frazione desiderata del consumo energetico giornaliero del forno. Per un forno a induzione da 1 MW in funzione per 8 ore al giorno, il consumo energetico giornaliero è di circa 8 MWh (ipotizzando 1000 kWh/tonnellata per la fusione del ferro e la lavorazione di 8 tonnellate al giorno, oppure, in alternativa, un funzionamento a potenza ridotta per fusioni di dimensioni inferiori). Un impianto fotovoltaico che fornisca il 50% di questa energia deve generare 4 MWh al giorno.
Il calcolo delle dimensioni dell'impianto fotovoltaico dipende dalla risorsa solare disponibile nel sito. In una località con 5 ore di sole di picco al giorno (tipica di molte regioni tropicali e subtropicali), un impianto fotovoltaico da 1 MW (CC) genera circa 5 MWh al giorno, tenendo conto delle perdite di sistema del 15-20% dovute all'efficienza dell'inverter, al cablaggio, alla sporcizia e alla riduzione di potenza dovuta alla temperatura. L'impianto richiede circa 1,2-1,5 ettari di terreno per MW, oppure 0,6-0,8 ettari se installato sul tetto della fonderia.
In secondo luogo, il sistema di accumulo di energia a batteria (BESS) funge da tampone tra la produzione variabile del fotovoltaico e il carico del forno a induzione. La fusione a induzione è un carico variabile ad alta potenza: il forno può assorbire 1 MW durante la fusione e 100-200 kW durante il mantenimento. La batteria deve fornire o assorbire la differenza tra la generazione fotovoltaica e il carico del forno, secondo per secondo, mantenendo la stabilità della tensione del bus CC richiesta dall'inverter. Le batterie al litio ferro fosfato (LFP) sono la tecnologia preferita grazie alla loro lunga durata (4000-6000 cicli con una profondità di scarica dell'80%), alle buone caratteristiche di sicurezza e al costo decrescente (attualmente circa 80-120 dollari per kWh a livello di pacco nel 2026).
La capacità della batteria è dimensionata per il periodo più lungo previsto di bassa produzione di energia solare durante un turno di fusione, in genere 2-4 ore di funzionamento a pieno carico per un sistema progettato per un'elevata affidabilità. Per il forno da 1 MW, una batteria da 4 MWh fornisce 4 ore di funzionamento a piena potenza senza input solare, il che copre la maggior parte degli eventi nuvolosi e consente all'operatore di completare una fusione in corso anziché interromperla. La batteria può essere caricata durante i periodi in cui la produzione fotovoltaica supera la richiesta del forno, oppure durante la notte dal generatore diesel se si prevede cielo nuvoloso il giorno successivo.
In terzo luogo, l'inverter ibrido: l'elettronica di potenza che converte la corrente continua (CC) proveniente dal pannello fotovoltaico e dalla batteria in corrente alternata (CA) per la caldaia. Non si tratta di un inverter solare standard; deve essere in grado di gestire le caratteristiche di carico della caldaia a induzione, che includono un basso fattore di potenza (0,15-0,25 per la sola bobina di induzione, corretto a 0,95+ dal banco di condensatori della caldaia) e un elevato contenuto armonico proveniente dall'alimentazione a media frequenza. L'inverter deve essere dimensionato in base alla potenza richiesta in kVA, non solo in kW, e deve includere un filtro armonico per impedire che le armoniche della caldaia si ripercuotano sul sistema fotovoltaico e causino l'intervento dell'inverter.
In quarto luogo, il generatore diesel, dimensionato per fornire la piena potenza alla caldaia quando né l'energia solare né la batteria sono in grado di soddisfare la domanda, in genere durante periodi prolungati di cielo nuvoloso o durante il funzionamento notturno. La potenza nominale del generatore dovrebbe essere circa 1,2-1,5 volte la potenza nominale della caldaia per tenere conto della corrente di spunto all'avvio e del fattore di potenza. Per una caldaia da 1 MW, un generatore da 1,5 MVA è tipico. Il generatore si attiva solo quando necessario: il controller ibrido lo avvia e lo arresta automaticamente in base allo stato di carica della batteria e alle previsioni di produzione fotovoltaica.
In quinto luogo, il sistema ibrido di gestione dell'energia (EMS): il controller che decide, secondo per secondo, come allocare l'energia tra l'impianto fotovoltaico, la batteria, il generatore e la caldaia. La logica dell'EMS prevede: se la produzione fotovoltaica supera la richiesta della caldaia, caricare la batteria; se la richiesta della caldaia supera la produzione fotovoltaica, scaricare la batteria; se il livello di carica della batteria scende al di sotto del 20%, avviare il generatore; se le previsioni meteo prevedono una copertura nuvolosa prolungata, avviare il generatore prima per preservare la capacità della batteria; se l'energia dalla rete diventa disponibile (per i sistemi connessi alla rete), utilizzare la rete come supplemento.
L'analisi economica di un sistema ibrido solare-diesel è semplice: basta confrontare il costo livellato dell'energia solare (inclusi i costi del ciclo di vita della batteria) con il costo marginale della generazione diesel. Il LCOE (costo livellato dell'energia) per un sistema ibrido solare, inclusa la sostituzione della batteria ogni 8-10 anni, è di circa 0,06-0,10 dollari per kWh. Il costo di generazione diesel è di 0,25-0,50 dollari per kWh. Il risparmio per kWh di energia solare è di 0,15-0,44 dollari. Per un sistema che genera 1500 MWh di energia solare all'anno, il risparmio annuo è di 225.000-660.000 dollari, il che consente di recuperare un investimento di 1,5 milioni di dollari in 2,3-6,7 anni.
MONTE INTELLIGENCE offre servizi di progettazione di sistemi ibridi solare-diesel per applicazioni di fusione a induzione, tra cui valutazione delle risorse solari, dimensionamento del sistema e integrazione con i nostri pacchetti di forni a induzione.
Per uno studio di fattibilità di un sistema ibrido solare-diesel per la vostra fonderia, contattate helenxu@cnlymonte.com.
