Dimensionamento BESS per Microrete: Metodo kW/kWh con PF e Carichi Induttivi
Il dimensionamento della batteria in una microgrid parte dal carico: si definiscono kW e kWh per mantenere stabile il sito sia in parallelo rete sia in isola, soddisfacendo obiettivi di ride-through ed economici.
Questa pagina propone un metodo pratico per microgrid ibride (rete + FV + genset + BESS), dove sono comuni il power factor (PF) e carichi induttivi come motori, compressori d’aria e pompe. Spiega anche perché “abbinare perfettamente la potenza batteria al carico medio” è una trappola progettuale.
Definire l’inviluppo di carico (non un singolo numero)
Inizia con un profilo di carico abbastanza granulare da catturare ciò che causa realmente interruzioni e stress al generatore.
- Carichi critici vs non critici (segmentarli presto; il costo della continuità non è uniforme).
- Carico base (kW) e carico di picco (kW), oltre ai salti (ΔkW) dovuti ad avviamenti motore ed eventi di processo.
- Power factor (PF): assumere 0,9 in fase di planning, ma verificare se alcuni stati operativi scendono verso 0,8.
- Finestra di interruzione ammessa: a minuti (black start), classe ~20 ms (STS) o 0 ms (UPS online).
Tradurre la realtà elettrica: kW vs kVA, margine PF
Se i carichi includono motori asincroni, compressori, pompe o apparecchiature con VFD, i soli kW non raccontano tutta la storia. Inverter e dispositivi di commutazione “vedono” la richiesta in kVA. Un progetto che “corrisponde ai kW” può risultare comunque sottodimensionato quando il PF cala o la richiesta reattiva aumenta.
- Regola pratica: in pianificazione, considera PF=0,9 come tipico e testa PF=0,8 come caso di stress.
- kVA ≈ kW / PF. Esempio: 500 kW a PF 0,9 sono ~556 kVA; a PF 0,8 sono 625 kVA.
- La potenza batteria (kW) dovrebbe includere ridondanza per mantenere tensione/frequenza durante i transienti, soprattutto in isola.
Dimensionare la potenza batteria (kW): prima stabilità e transitori
Nelle microgrid, i kW della batteria spesso si dimensionano prima per stabilità e risposta ai disturbi e solo dopo per lo spostamento energetico. Ecco perché il “perfect match” tende a fallire: ignora transitori e margine di controllo.
- Margine di stabilità in isola: mantenere sufficiente headroom dell’inverter per regolare tensione/frequenza di bus sotto il peggior salto credibile.
- Avviamenti di carichi induttivi: supportare eventi di spunto/accelerazione (motori, compressori, pompe).
- Coordinamento con genset: i kW della batteria dovrebbero poter assorbire o fornire potenza per mantenere il gruppo in una banda di carico sana.
- Supporto alla rete: i kW della batteria dovrebbero coprire le fluttuazioni rapide del sito così che eventi di rete debole non inneschino trip del FV o fermi processo.
Dimensionare l’energia batteria (kWh): separare ‘ore coperte dal FV’ da ‘ore senza FV’
Per microgrid ibride, un metodo pratico è dividere la giornata in: (1) ore in cui il FV può coprire una parte significativa del carico, e (2) ore in cui il FV non può (notte / bassa irradianza / finestre di curtailment).
Un workflow semplice (allineato al tuo approccio dichiarato):
- Partire dal lato carico: definire il fabbisogno energetico giornaliero (kWh) per segmenti critici + non critici.
- Definire un obiettivo di copertura FV: ad es. massimizzare il contributo del FV al carico dove è economicamente sensato e dove il sito può assorbirlo.
- Usare dati di irradianza/produzione FV del sito per stimare l’energia FV ora per ora (giorno tipico, giorno stagionale, mese peggiore).
- Dimensionare i kWh della batteria affinché la microgrid possa spostare l’energia FV nelle ore senza FV e mantenere la policy di riserva SOC.
Definire la policy di riserva SOC (non “nasconderla”)
La riserva SOC non è un dettaglio finale; è il contratto tra affidabilità ed economia. L’EMS farà rispettare la riserva per garantire ride-through e continuità.
- Riserva per ride-through/trasferimento: energia sufficiente a coprire la finestra temporale richiesta dalla strategia di continuità e dalla sequenza di avviamento del genset.
- Riserva per carichi critici: mantenere un SOC minimo garantito per proteggere i carichi più sensibili.
- Banda SOC economica: la finestra SOC restante è usata per shifting FV, ottimizzazione diesel e limitazione import/peak shaving.
Errori comuni di dimensionamento (e come evitarli)
- Dimensionare i kW sul carico medio invece che sul peggior transitorio credibile + caso di stress PF.
- Dimensionare i kWh in base a ‘giorni di autonomia’ senza separare ore coperte dal FV vs ore senza FV.
- Ignorare la segmentazione dei carichi (tutto trattato come critico, con costi inutili).
- Nessuna policy di riserva esplicita: il sistema o non garantisce affidabilità, o lascia soldi sul tavolo.
Checklist rapida per input di dimensionamento pronti per l’acquisto
- Profilo di carico: risoluzione 15 min o 1 min (minimo), più elenco dei principali carichi induttivi e del loro comportamento in avviamento.
- Intervallo PF: tipico e worst case (0,9 tipico, validare scenari 0,8).
- Obiettivo di continuità: black start vs STS vs UPS online, e quale segmento di carico lo richiede.
- Profilo FV: stima di produzione oraria per stagione e vincoli di accoppiamento/inverter.
- Dati genset: potenza nominale, indicazioni sul carico minimo, punti della curva consumo carburante se disponibili.
Nota FFD POWER
FFD POWER dimensiona tipicamente le microgrid ibride partendo dal carico a ritroso, separando i requisiti di potenza (kW/kVA) dai requisiti energetici (kWh).
Esempio – carico di fabbrica a compressori
Una fabbrica gestisce 10 × 37 kW compressori d’aria dalle 08:00 alle 18:00 (10 ore). Il carico attivo di targa è:
P ≈ 10 × 37 kW = 370 kW
1) Dimensionamento della potenza (kW / kVA): perché 370 kW non bastano
Per siti con motori/ compressori, il PCS (inverter) della batteria deve coprire non solo i kW, ma anche il power factor (PF) e i transitori (avviamenti, gradini di carico, sovraccarichi brevi).
Se PF ≈ 0,8, la potenza apparente è:
S ≈ 370 / 0.8 = 462.5 kVA
Aggiungendo una ridondanza pratica per dinamica dei motori e margine di continuità (ad es. gradini / assistenza avvio / headroom per sovraccarichi brevi), il sistema viene spesso tarato verso:
~500 kW di classe PCS (target d’ordine di grandezza)
Questo evita un “dimensionamento da carta” che sembra corretto in kW ma fallisce con condizioni reali dei motori (caduta di tensione, trip per sovraccarico o riserva EMS consumata troppo rapidamente).
2) Dimensionamento energetico (kWh): perché “10 ore = 3700 kWh” è di solito troppo grossolano
Un calcolo di backup brute-force sarebbe:
E_brutal ≈ 370 kW × 10 h = 3,700 kWh
Ma nella maggior parte delle microgrid ibride, la produzione FV si sovrappone fortemente alla finestra operativa della fabbrica (08:00–18:00). Questa sovrapposizione significa che la batteria non deve alimentare l’intero carico per 10 ore. Invece, la batteria copre principalmente:
la rampa del mattino prima che il FV salga,
le fluttuazioni FV (transienti da nuvole),
il calo del tardo pomeriggio,
brevi deficit FV rispetto al carico,
e la riserva SOC configurata per obiettivi di ride-through/continuità.
Quindi l’energia batteria richiesta può essere molto inferiore, a seconda di:
risorsa solare locale (profilo di irradianza),
potenza FV installata (kWp),
policy ammessa di curtailment / shed dei carichi,
e dalla strategia di riserva SOC scelta.
In molte regioni e con un dimensionamento FV ragionevole, una batteria da 2–4 ore (alla potenza di scarica target) può già raggiungere bilancio energetico giornaliero e obiettivi di continuità:
2 h @ 370 kW → ~740 kWh
4 h @ 370 kW → ~1,480 kWh
Poi l’EMS viene tarato con bande di riserva SOC e regole di priorità (carichi critici vs non critici, logica di staging dei compressori, soglie di avvio generatore se applicabili) per soddisfare la continuità riducendo il CAPEX iniziale rispetto a una “batteria da 10 ore” sovradimensionata.
FAQ
Come scelgo kW vs kWh per il dimensionamento microgrid battery sizing?
Dimensiona prima i kW per stabilità, margine PF e transitori (motori/gradini). Poi dimensiona i kWh in base all’energia da spostare (ore coperte dal FV vs ore senza FV) più la policy di riserva SOC.
Che PF dovrei assumere nelle prime fasi di dimensionamento?
PF 0,9 è un default ragionevole in fase di planning, ma dovresti stress-testare 0,8 se il sito ha molti carichi induttivi o problemi PF noti.
Perché abbinare i kW della batteria al carico è una cattiva idea?
Perché le microgrid devono gestire richiesta in kVA, gradini transitori e margine di controllo. Un ‘perfect match’ spesso fallisce durante avviamenti motore, cali PF o eventi di stabilità in isola.
Come influisce il FV sul dimensionamento dei kWh della batteria?
I kWh della batteria dipendono in gran parte da quanta energia FV vuoi accumulare e spostare nelle ore senza FV, più la riserva necessaria per ride-through e contingenze.
Serve sempre un generatore in una microgrid ibrida?
Non sempre, ma in siti a rete debole o ad alta affidabilità un genset può fornire backup di lunga durata. In molti progetti la batteria abilita un funzionamento efficiente del generatore più che sostituirlo del tutto.