Come dimensionare un pacchetto batteria per l’accumulo di energia commerciale in base al profilo di carico

Dimensionamento di un pacco batterie per accumulo di energia commerciale e industriale (C&I) inizia con la comprensione di come un impianto consuma elettricità e di quando è necessaria l’alimentazione della batteria. Una batteria progettata per il taglio dei picchi di carico potrebbe richiedere una potenza di scarica elevata per un breve periodo, mentre un sistema progettato per lo spostamento del carico potrebbe dover fornire energia per diverse ore.

L’approccio più affidabile consiste nel tradurre il profilo di carico del sito in requisiti misurabili per la batteria. Questi includono la potenza di scarica, l’energia erogata, la capacità nominale, i requisiti di ricarica e i vincoli di integrazione elettrica. La specifica risultante aiuta gli sviluppatori di progetti, gli integratori di sistemi di accumulo a batteria (BESS) e i team di approvvigionamento a valutare le configurazioni standard delle batterie e a determinare se sia necessario un pacco batteria personalizzato.

Che cos’è un profilo di carico della batteria?

Un profilo di carico della batteria descrive la richiesta di potenza che una batteria di accumulo energetico deve supportare nel tempo. L’analisi inizia solitamente con i dati storici sul carico del sito e identifica quando, quanto e per quanto tempo la batteria deve caricarsi o scaricarsi.

Per un progetto commerciale di accumulo di energia, raccogliere le seguenti informazioni:

• Demanda storica di elettricità: Dati di carico con timestamp che coprono giorni operativi rappresentativi e periodi di domanda massima.
• Importazione ed esportazione della griglia: Energia elettrica prelevata dalla rete o immessa nella rete, compresi i limiti di richiesta applicabili.
• Generazione fotovoltaica solare: Dati di generazione in loco quando la batteria immagazzinerà l’energia solare in eccesso.
• Orari di funzionamento: Turni di produzione, ore di funzionamento delle attrezzature e variazioni prevedibili della domanda.
• Opportunità di ricarica: Periodi in cui è disponibile capacità della rete o eccedenza di generazione fotovoltaica per la ricarica.
• Dettagli della misurazione: Intervallo di dati, posizione della misurazione, unità di misura e indicazione se i valori rappresentano la potenza istantanea o medie su intervalli.

I dati a intervalli di quindici minuti sono spesso adatti per un’analisi preliminare di riduzione dei picchi di carico. Tuttavia, potrebbero nascondere picchi di domanda di breve durata o picchi di avviamento degli equipaggiamenti. Qualora questi influenzino la potenza richiesta, utilizzare misurazioni con risoluzione più elevata o ulteriori dati a livello di singolo equipaggiamento.

È inoltre importante distinguere tra il profilo di carico del sito e il profilo di funzionamento della batteria. Il profilo di carico del sito mostra la domanda di energia elettrica dell’impianto. Il profilo di funzionamento della batteria definisce la potenza che la batteria deve erogare o assorbire nel tempo per soddisfare gli obiettivi operativi del progetto.

Il profilo di utilizzo della batteria, anziché il semplice consumo totale di elettricità del sito, deve essere utilizzato per determinare la potenza e l’energia richieste dalla batteria.

Definire l’applicazione per lo stoccaggio commerciale di energia

Prima di dimensionare la batteria, identificare l’obiettivo operativo principale. Applicazioni diverse possono generare requisiti di potenza e capacità differenti, anche quando utilizzano gli stessi dati di carico del sito.

Applicazione	Cosa analizzare	Requisito chiave per la batteria
Rasatura del picco	Domanda che supera il limite di importazione dalla rete target e durata di ciascun picco.	Potenza di scarica di picco e energia totale richiesta durante l’evento di picco.
Spostamento del carico	Energia richiesta durante i periodi a costo elevato e finestre di ricarica disponibili durante i periodi a costo inferiore.	Energia utilizzabile, durata della scarica e capacità di ricarica.
Autoconsumo solare	Periodi in cui la generazione fotovoltaica supera il fabbisogno del sito e periodi in cui il fabbisogno supera la generazione.	Energia solare in eccesso, potenza di ricarica e successive esigenze di scarica.
Funzionamento vincolato alla griglia	Domanda che supera la capacità disponibile di connessione alla rete.	Deficit di potenza, durata e opportunità di ricarica prima del prossimo evento.

Per i progetti che combinano impianti fotovoltaici e sistemi di accumulo a batteria, i requisiti di carica devono essere valutati insieme ai requisiti di scarica. La batteria deve disporre di una capacità disponibile sufficiente per assorbire l’energia in eccesso prodotta e di una potenza di carica sufficiente per sfruttare la finestra solare disponibile.</p>

Per ulteriori considerazioni relative alle specifiche, vedere il nostro Guida alla specifica di una batteria personalizzata per un sistema di accumulo di energia fotovoltaica solare.

Calcola la potenza di scarica, l’energia erogata e la capacità nominale

Il dimensionamento della batteria richiede calcoli separati di potenza ed energia. La potenza, misurata in chilowatt (kW), indica quanta elettricità deve essere erogata in un determinato istante. L’energia, misurata in chilowattora (kWh), indica quanta elettricità deve essere erogata nel corso di un periodo di tempo.

Fase 1: Calcolare la potenza di scarica richiesta

Per il taglio dei picchi, definire innanzitutto il limite di prelievo dalla rete di destinazione. Per ciascun intervallo di tempo, calcolare la quota della domanda del sito che supera tale obiettivo.

Dove:

• P_{pipistrello,i} è la potenza di scarica preliminare della batteria richiesta durante l’intervallo i, in kW.
• P_carica,i è il carico medio del sito durante l’intervallo i, in kW.
• P_{destinazione,i} è il livello di importazione dalla rete di destinazione durante lo stesso intervallo, in kW.
• max(0, ...) significa che il requisito di scarica della batteria è pari a zero quando il carico del sito non supera l’obiettivo.

Il valore calcolato più elevato tra gli intervalli analizzati fornisce la potenza di scarica media preliminare massima:

Questo risultato non è necessariamente la potenza istantanea massima richiesta. Picchi di breve durata, l’avviamento dei motori e altri carichi transitori possono richiedere una potenza nominale superiore e devono essere valutati separatamente.

Per applicazioni di spostamento del carico e di autoconsumo solare, calcolare i profili di carica e scarica della batteria in base al programma operativo previsto. La formula per la riduzione dei picchi indicata sopra è un esempio relativo a un obiettivo operativo specifico, non una formula universale valida per ogni applicazione di accumulo di energia.

Passo 2: Calcolare l’energia erogata richiesta

Calcolare l’energia richiesta durante ciascun intervallo moltiplicando la potenza di scarica della batteria per la durata dell’intervallo. Sommare i risultati degli intervalli per determinare l’energia totale richiesta per l’evento.

Dove:

• E_consegnato è l’energia totale erogata durante il periodo analizzato, in kWh.
• P_{pipistrello,i} è la potenza di scarica richiesta durante l’intervallo i, in kW.
• Δt_io è la durata dell’intervallo, in ore.
• Σ significa che i contributi energetici di tutti gli intervalli vengono sommati insieme.

Ad esempio, se una batteria eroga in media 55 kW per 15 minuti:

Quando il carico varia, calcolare ogni intervallo separatamente. Moltiplicare la potenza di picco per l’intera durata dell’evento può produrre una stima inaccurata dell’energia se la batteria non deve funzionare alla potenza di picco per tutta la durata dell’evento.

Mantenere coerente il confine di misurazione. Confermare se la richiesta del sito è misurata sul lato CA e se l’energia nominale della batteria è specificata sul lato CC. Se l’energia richiesta è misurata alla connessione CA del sito, tenere conto delle perdite di conversione del PCS e di altre perdite pertinenti lungo il percorso di scarica quando la si traduce in un requisito sul lato batteria. Non applicare due volte le stesse perdite.

Passo 3: Stima della capacità nominale della batteria

La capacità nominale della batteria non corrisponde all’energia che può essere fornita al sito. L’energia disponibile dipende dalla finestra di stato di carica (SOC) consentita e dalle perdite tra la batteria e il punto di consegna specificato.

Una stima preliminare della capacità nominale è:

Dove:

• E_nominal è la capacità nominale preliminare della batteria, espressa in kWh.
• E_consegnato è l’energia richiesta al limite di consegna selezionato.
• per_SOC è la frazione di energia nominale disponibile all’interno della finestra SOC consentita.
• η_scarico è l’efficienza tra il limite di classificazione energetica della batteria e il limite di erogazione richiesto.

Utilizzare i dati sulle prestazioni supportati dal fornitore e i limiti operativi specifici del progetto. Se la valutazione dell’energia utilizzabile del fornitore tiene già conto dei pertinenti limiti di SOC o delle perdite di conversione, non applicare nuovamente tali fattori.

Contabilizzare i requisiti di capacità alla fine del ciclo di vita. Se la batteria deve ancora fornire l’energia richiesta alla fine della vita specificata (EOL) e la capacità indicata non tiene già conto del degrado, una stima preliminare è:

per_{Fine riga} è la frazione di capacità residua al termine della vita specificato. Deve essere basata sulle prestazioni documentate del fornitore e sulle condizioni operative del progetto. Se il requisito energetico è già definito come energia utilizzabile al termine della vita, non applicare nuovamente il fattore di ritenzione.

Per maggiori dettagli sulla differenza tra capacità nominale e energia disponibile per il funzionamento, vedere Energia nominale rispetto all’energia utilizzabile nello stoccaggio della batteria.

Esempio pratico: dimensionamento della batteria per l’azionamento a picco

Si consideri un impianto commerciale che desidera limitare l’importazione dalla rete a 310 kW durante un periodo di domanda massima. Il seguente esempio ipotetico utilizza medie del carico dell’impianto registrate a intervalli di 15 minuti. Ogni timestamp indica l’inizio dell’intervallo e l’obiettivo rimane costante a 310 kW per tutta la durata dell’evento.

Inizio intervallo	Carico medio del sito (kW)	Uscita della batteria richiesta (kW)	Energia per intervallo (kWh)
Requisito calcolato		110 kW	75,00 kWh
16:00	285	0	0,00
16:15	320	10	2,50
16:30	365	55	13,75
16:45	420	110	27,50
17:00	390	80	20,00
17:15	350	40	10,00
17:30	315	5	1,25
17:45	295	0	0,00

Il profilo di utilizzo della batteria calcolato produce due risultati fondamentali:

• Potenza di scarica media nell’intervallo di picco: 110 kW.
• Energia totale consegnata: 75 kWh durante il periodo analizzato.

Il risultato di 110 kW si basa sui dati di carico mediati su 15 minuti. Misurazioni con risoluzione più elevata potrebbero rivelare ulteriori esigenze di potenza istantanea. La potenza finale deve inoltre essere verificata rispetto ai limiti di scarica della batteria e alla potenza nominale del PCS selezionato.

Stima della capacità nominale

Supponiamo, a titolo esemplificativo, che il 90% dell’energia nominale sia disponibile all’interno della finestra di SOC consentita e che l’efficienza del percorso di scarica applicabile sia del 95%.

Questa è una stima preliminare dell’inizio della vita, basata sulle ipotesi dichiarate. Se il progetto richiede anche gli stessi 75 kWh di energia erogata alla fine della vita e il fattore di ritenzione della capacità supportato dal fornitore è dell’80%, la stima diventa:

Il valore di ritenzione dell’80% è indicativo, non un’ipotesi di progettazione universale. Utilizzare i dati forniti dal fornitore per la durata di servizio richiesta e le condizioni operative.

Questi calcoli stabiliscono un intervallo di capacità preliminare, non una progettazione completa del sistema. Prima di selezionare una batteria, verificare il limite di valutazione dell’energia, i limiti di SOC, le perdite di conversione, la temperatura di funzionamento e le ipotesi relative alla fine della vita utilizzate dal fornitore.

Verificare i requisiti della batteria in base alle condizioni del progetto

Un calcolo del profilo di carico identifica i requisiti preliminari di potenza ed energia. La configurazione della batteria selezionata deve inoltre soddisfare le condizioni elettriche, termiche, di ciclo di vita e di integrazione del progetto commerciale di accumulo di energia.

Potenza di scarica, durata e corrente

Verificare che la batteria possa sostenere la potenza di scarica richiesta per tutta la durata di ciascun evento. Confermare le classificazioni di scarica continua e di picco, la tensione di funzionamento, la corrente ammissibile e i limiti del sistema di gestione della batteria (BMS).

Per una stima preliminare della corrente sul lato CC:

Qui, io_DC è la corrente in ampere, P_DC è la potenza in corrente continua in watt e V_DC è la tensione in corrente continua in volt. Utilizzare valori provenienti dallo stesso lato elettrico. Questa è una stima preliminare poiché la corrente effettiva varia in funzione della tensione di funzionamento e delle perdite del sistema.

Potenza di ricarica e finestre di ricarica

Per un’operazione ripetuta di riduzione dei picchi di carico, di spostamento del carico o di autoconsumo solare, determinare quanta energia deve essere ripristinata prima del successivo periodo di scarica. Confrontare l’energia di ricarica richiesta con la finestra temporale disponibile per la ricarica e verificare che la potenza di ricarica sia supportata dalla batteria e dal sistema più ampio.

Per i progetti accoppiati al fotovoltaico, valutare anche se la produzione eccedente è sufficiente per ricaricare la batteria quando necessario. Una batteria con una capacità nominale adeguata potrebbe comunque non raggiungere l’obiettivo operativo se la potenza di carica disponibile o la finestra temporale di carica è insufficiente.

Temperatura, protezione e integrazione

Verificare che la configurazione della batteria proposta sia adatta all’ambiente di installazione e all’intervallo di temperatura di funzionamento. Esaminare i seguenti requisiti prima di finalizzare la specifica della batteria:

• Tensione nominale e intervallo di tensione di funzionamento.
• Configurazione in serie/parallelo obbligatoria, se applicabile.
• Limiti di corrente di carica/scarica continui e di picco.
• Dimensioni meccaniche, montaggio, connettori e cablaggio.
• Monitoraggio BMS, limiti di protezione, allarmi e risposte ai guasti.
• Protocolli di comunicazione e requisiti di interfaccia per il sistema PCS o di gestione dell’energia previsto.
• Gestione termica, condizioni di installazione e accesso per la manutenzione.
• Requisiti applicabili in materia di sicurezza, certificazione, prove e accettazione del progetto.

Questi controlli aiutano a distinguere una batteria che soddisfa il requisito calcolato in kWh da una che è adatta all’effettiva applicazione commerciale di accumulo di energia.

Quando si dovrebbe prendere in considerazione un pacchetto batteria personalizzato?

Un pacchetto batteria personalizzato può essere appropriato quando le configurazioni standard non soddisfano i requisiti elettrici, meccanici, di controllo o operativi documentati del progetto. L’analisi del profilo di carico aiuta a identificare se il divario residuo riguarda la potenza, l’energia, la durata della scarica, la tensione o l’integrazione.</p>

Prima di commissionare una progettazione personalizzata, confrontare il profilo completo del carico della batteria con le configurazioni standard disponibili. Valutare se il requisito può essere soddisfatto mediante una diversa configurazione standard della batteria o mediante un adeguato aggiustamento del programma operativo o della progettazione del sistema.

Un pacchetto personalizzato potrebbe valere la pena di essere valutato quando:

• La tensione o la corrente richiesta rientra al di fuori delle configurazioni standard disponibili.
• La batteria deve rispettare specifiche dimensioni meccaniche o interfacce di apparecchiature esistenti.
• Il profilo di scarica, il comportamento di carica o l’intervallo di temperatura di funzionamento richiedono una progettazione personalizzata.
• Il BMS richiede un comportamento di comunicazione, monitoraggio o protezione definito per integrarsi con il sistema di destinazione.
• Il progetto ha requisiti specifici di validazione, certificazione o prestazioni nel ciclo di vita.

Per progetti con questi requisiti, esplora progettazione personalizzata del pacchetto batteria e integrazione intelligente. La fattibilità di una soluzione personalizzata dipende dai requisiti elettrici dettagliati, dalle interfacce del sistema, dai requisiti di sicurezza e dall’ambito della convalida.

Trasforma i risultati in una richiesta di offerta commerciale per sistemi di accumulo di energia

Una richiesta di preventivo (RFQ) utile traduce il profilo di utilizzo della batteria calcolato in requisiti che i fornitori possono valutare in modo coerente. Invece di specificare soltanto una capacità nominale in kWh, fornire i dati sul carico, il programma di funzionamento, i limiti di misurazione e i vincoli di integrazione.</p>

Carica profilo e requisiti operativi

• Applicazione e obiettivo operativo primario.
• Dati storici di carico, intervallo di misurazione, timestamp e luogo di misurazione.
• Limite di importazione dalla rete di destinazione o altro vincolo operativo definito.
• Potenza di picco di scarica calcolata e energia totale erogata.
• Durata richiesta della scarica e programma operativo giornaliero previsto.
• Finestra di ricarica, potenza di ricarica e frequenza prevista del ciclo.
• Prestazioni obbligatorie all’inizio e alla fine del ciclo di vita, ove applicabile.

Requisiti elettrici e prestazionali

• Tensione nominale e intervallo di tensione di funzionamento.
• Energia nominale e utilizzabile richiesta, con il limite di valutazione chiaramente definito.
• Potenza di scarica continua e di picco, inclusa la durata degli eventi di picco.
• Potenza e corrente massime di ricarica.
• Ipotesi ammesse per la finestra SOC e l’efficienza del percorso di scarica.
• Ritenzione della capacità e requisiti del ciclo di vita.
• Intervallo di temperatura di funzionamento previsto e condizioni di gestione termica.

Integrazione meccanica, di controllo e di sistema

• Dimensioni del pacco, montaggio, connettori e requisiti per i cavi.
• Funzionalità del BMS, limiti di protezione e aspettative relative alla risposta ai guasti.
• Protocolli di comunicazione e documentazione dell’interfaccia.
• Requisiti di compatibilità per il PCS previsto e il sistema di gestione dell’energia.
• Certificazione, prove, documentazione e criteri di accettazione applicabili.

Convalida e requisiti commerciali

• Documentazione tecnica richiesta e revisione del progetto.
• Test di accettazione in fabbrica e convalida specifica del progetto, ove applicabile.
• Prove delle prestazioni e condizioni di prova.
• Presupposti della garanzia, durata prevista del servizio e accordi relativi all’assistenza tecnica.
• Quantità del progetto, requisiti per il prototipo, calendario di produzione e aspettative relative alla consegna.

Fornire questi dettagli consente ai fornitori di valutare se una configurazione standard della batteria è adatta oppure se va valutato un pacco personalizzato. Inoltre, ciò rende più semplice confrontare tra loro le quotazioni tecniche e commerciali su una base coerente.

Conclusione

Un profilo di carico della batteria costituisce la base per convertire la domanda di un sito commerciale in requisiti pratici di accumulo di energia. Definire l’obiettivo operativo della batteria, calcolare la potenza di scarica per ciascun intervallo, sommare l’energia richiesta durante il periodo di funzionamento e stimare la capacità nominale utilizzando ipotesi chiaramente definite relative allo stato di carica (SOC), all’efficienza e al ciclo di vita.

Poi convalidare i risultati rispetto alla capacità di ricarica, ai limiti di tensione e corrente, alla temperatura di funzionamento, alle protezioni e alle interfacce del sistema. Questo approccio aiuta gli sviluppatori commerciali di sistemi di accumulo di energia, gli integratori e i team per gli acquisti a valutare le configurazioni delle batterie sulla base dei requisiti effettivi del progetto, piuttosto che esclusivamente della capacità nominale.

Se state valutando un pacchetto batteria personalizzato per un progetto commerciale di accumulo di energia, preparate il profilo di carico e i requisiti elettrici preliminari prima di avviare una discussione tecnica con un fornitore. Requisiti chiari costituiscono una base più solida per la valutazione della fattibilità, la pianificazione dell’integrazione e il confronto delle richieste di offerta (RFQ).

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