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Collegamenti Rapidi
Un numero sempre maggiore di fabbriche sta passando ai sistemi batteria a 48 V perché offrono la giusta combinazione di efficienza, sicurezza e compatibilità con altre apparecchiature. Quando i sistemi funzionano a 48 volt, assorbono meno corrente per la stessa potenza erogata, il che significa minori perdite di energia dovute alla resistenza nei cavi (ricordate la formula P = I²R studiata a scuola?). Inoltre, questa corrente più bassa permette alle aziende di utilizzare cavi più sottili, riducendo complessivamente i costi. Un altro vantaggio importante riguarda la sicurezza. A 48 volt, questi sistemi rimangono al di sotto del limite di 60 volt definito come Sicurezza a Bassa Tensione Extra Bassa dagli standard internazionali come l'IEC 61140. Ciò significa che i lavoratori non devono preoccuparsi di pericolosi archi elettrici durante operazioni di manutenzione ordinarie e possono evitare di acquistare dispositivi di protezione costosi nella maggior parte dei casi. E sapete cos'altro? Questo livello di tensione è già da tempo utilizzato in settori come le reti telefoniche, gli impianti di automazione industriale e i quadri di controllo in tutto il mondo. Pertanto, le strutture possono integrare questi sistemi con quelli esistenti senza dover investire cifre elevate in nuovi cablaggi o modifiche.
Lo standard 48V semplifica notevolmente il lavoro con i componenti elettrici di base in generale. Molti dei sistemi attuali di alimentazione ininterrotta (UPS) e degli inverter dispongono infatti già di supporto integrato per ingresso in corrente continua a 48V direttamente in dotazione. Ciò significa che le batterie possono essere collegate direttamente, senza dover passare attraverso i processi di conversione da CA a CC o da CC a CC, che dissipano molta energia. Ciò che è particolarmente interessante è come questa soluzione funzioni bene anche negli impianti industriali più datati. Molte fabbriche alimentano ancora le reti di sensori, i PLC e vari circuiti di controllo con una tensione di 48V. Grazie a questa infrastruttura esistente, la transizione verso batterie al litio a 48V avviene rapidamente, comporta un rischio minimo per le operazioni e non richiede nemmeno ingenti investimenti iniziali.
Una valutazione accurata delle esigenze energetiche industriali costituisce la base di un progetto affidabile di batteria di backup a 48 V. Questo processo identifica i sistemi essenziali che richiedono protezione e quantifica il loro consumo energetico per prevenire interruzioni.
Inizia creando un elenco completo di tutto ciò che si trova nell'impianto e poi misura quanto consumo energetico effettivo ha ciascun elemento. Gli strumenti a pinza sono molto indicati per questo tipo di lavoro, anche se alcune persone preferiscono sistemi di sottomisurazione negli impianti di maggiori dimensioni. Durante l'analisi dell'elenco, concentrati prima su ciò che deve assolutamente rimanere in funzione in ogni momento. Elementi come i controllori di processo, gli interruttori di sicurezza che arrestano le macchine in caso di malfunzionamento e tutti i dispositivi di rete che mantengono le operazioni collegate devono avere la massima priorità. Gli altri elementi? L'illuminazione nelle aree degli uffici, unità aggiuntive di riscaldamento o raffreddamento non direttamente legate ai processi produttivi: questi possono generalmente attendere oppure essere spenti temporaneamente senza causare problemi significativi. Assicurati di registrare i valori normali di utilizzo, ma presta attenzione anche ai picchi improvvisi nella domanda di energia. Motori e grandi compressori sono noti per assorbire fino a tre volte la corrente normale all'avviamento, quindi è utile conoscere esattamente cosa accade in quei momenti iniziali.
| Tipo di attrezzatura | Gamma di potenza | Gravità |
|---|---|---|
| Sistemi di controllo dei processi | 300–800 W | Alto |
| Server e apparecchiature di rete | 500–1500 W | Alto |
| Compressori HVAC | 2000–5000 W | Medio |
| Illuminazione degli impianti | 100–300 W | Basso |
Gli strumenti moderni di modellazione predittiva riducono gli errori di dimensionamento del 39% rispetto ai calcoli manuali quando utilizzati insieme ai dati storici dei carichi. Calcola il totale dei kWh giornalieri moltiplicando la potenza media in watt per le ore di funzionamento, quindi aggiungi un margine del 25% per l'invecchiamento delle apparecchiature e per futuri ampliamenti.
La maggior parte degli impianti industriali adotta oggi classificazioni standard di disponibilità. Gli impianti di livello Tier III richiedono in media una disponibilità pari a circa il 99,982%, mentre quelli di livello Tier II mirano a un valore approssimativo del 99,741%. Analizzando i cicli operativi delle apparecchiature, esiste una grande differenza tra carichi continui come i sistemi SCADA e macchine che si avviano e arrestano frequentemente durante i periodi di funzionamento. Per applicazioni veramente critiche, molte specifiche richiedono una configurazione di ridondanza definita N+1. Ciò significa fondamentalmente disporre di una capacità di alimentazione di backup aggiuntiva rispetto ai picchi di richiesta, pari a un intero modulo supplementare. Anche i fattori ambientali sono importanti. Le prestazioni delle batterie al litio diminuiscono sensibilmente quando la temperatura scende al di sotto dei normali valori operativi. A zero gradi Celsius (punto di congelamento), queste batterie forniscono tipicamente solo il 15-20 percento della loro capacità nominale rispetto a quanto possono erogare alla temperatura di riferimento standard di 25 gradi Celsius.
Per ottenere la giusta capacità di un banco batteria a 48 V, si parte innanzitutto dal calcolo dei kilowattora (kWh) necessari. Il calcolo di base è simile a questo: prendere il carico critico in kilowatt e moltiplicarlo per il tempo desiderato di alimentazione di riserva. Successivamente, dividere questo valore per due fattori: innanzitutto la percentuale di profondità di scarica e, in secondo luogo, il coefficiente di efficienza del sistema. La maggior parte delle batterie al litio può gestire una profondità di scarica compresa tra l'80% e il 90%, quasi il doppio rispetto alle batterie al piombo, che si attestano intorno al 50%. Supponiamo che qualcuno abbia bisogno di 10 kW di potenza per quattro ore, con una profondità di scarica dell'80% e un sistema con efficienza del 95%. Eseguendo i calcoli, si ottiene un fabbisogno di circa 52,6 kWh. Per convertire questo valore in ampereora per il nostro sistema a 48 V, basta moltiplicare i kWh per 1000 e poi dividere per 48 volt. Il risultato è approssimativamente di 1.096 ampereora. Seguire questo metodo aiuta a evitare di acquistare una batteria troppo piccola, mantenendo nel contempo i costi ragionevoli nel tempo e garantendo fin da subito prestazioni ottimali.
Quando vogliamo estendere l'alimentazione di riserva oltre un solo giorno, fondamentalmente moltiplichiamo il nostro normale consumo giornaliero per il numero di giorni desiderati. Vediamo un esempio: se un impianto consuma circa 120 chilowattora al giorno e necessita di tre giorni completi di autonomia mantenendo una profondità di scarica dell'80%, il calcolo è il seguente. Prendiamo quei 120 kWh moltiplicati per tre giorni, ottenendo 360, quindi dividiamo per 0,8 a causa del requisito dell'80%, risultando in circa 450 kWh necessari. Tuttavia, nessuno opera in condizioni perfette. Da sola, la bassa temperatura può ridurre la capacità delle batterie di circa il 20% quando la temperatura scende sotto lo zero. Le batterie al litio perdono efficienza nel tempo, all'incirca il 3% ogni anno. Inoltre, quando si verificano improvvisi picchi di corrente elevata, il sistema subisce cadute di tensione che rendono la capacità utilizzabile effettiva ancora inferiore al previsto. Per questo motivo, la maggior parte degli ingegneri aggiunge un margine extra del 25-30% per sicurezza. Ciò aumenta la nostra stima iniziale da 450 a circa 562 kWh di capacità totale, garantendo il corretto funzionamento anche in caso di problemi imprevisti durante prolungate interruzioni di corrente.
I sistemi di backup in ambienti industriali utilizzano tipicamente configurazioni serie-parallelo per mantenere stabile l'uscita a 48 V anche quando i carichi variano. Quando le batterie sono collegate in serie, raggiungono il livello di tensione richiesto. Collegandole in parallelo si aumenta la capacità complessiva (misurata in Ah), consentendo così al sistema di funzionare più a lungo durante i blackout. Il grande vantaggio di questa configurazione è che evita fluttuazioni irregolari della corrente che spesso portano a un prematuro guasto delle batterie. Si consideri ad esempio una configurazione comune chiamata 4S4P, ovvero quattro gruppi di quattro batterie collegate insieme. Questo consente di ottenere i desiderati 48 volt moltiplicando per quattro la capacità totale. Ciò che è davvero importante è assicurare un flusso di corrente uniforme attraverso tutte le connessioni in parallelo. La maggior parte dei tecnici esperti sa che mantenere le variazioni al di sotto del 5% circa richiede una progettazione accurata delle barre collettrici e un preciso abbinamento delle celle. Test con immagini termiche effettuati in siti industriali reali confermano costantemente questi risultati.
Per chi gestisce impianti di livello III o IV che mirano al punto ideale del 99,995% di disponibilità, la ridondanza N+1 non è solo auspicabile ma assolutamente necessaria. Quando un modulo va in avaria, le operazioni proseguono senza interruzioni. L'approccio modulare include questi sofisticati interruttori di sezionamento fusibili in grado di disattivare le parti difettose in appena mezzo secondo. Per quanto riguarda la crescita, questi sistemi sono progettati per essere facilmente scalabili grazie a interfacce rack standard. Gli impianti possono espandere la capacità gradualmente, aggiungendo incrementi di 5 kWh secondo le necessità. Non è richiesta nemmeno alcuna complessa riprogrammazione. Le aziende riportano un risparmio di circa il 60% sugli aggiornamenti passando dai vecchi impianti monolitici. Studi recenti del 2023 confermano questi dati, mostrando quanto denaro si risparmia nel tempo con questo tipo di infrastruttura flessibile.