L’energia solare può alimentare le macchine industriali?

L’energia solare può alimentare le macchine industriali? Guida pratica ai sistemi solari industriali

L’energia solare può alimentare molti tipi di macchine industriali, tra cui motori trifase, compressori d’aria, pompe, apparecchiature di lavorazione e alcune linee di produzione. Tuttavia, alimentare macchinari industriali richiede molto più che installare semplicemente pannelli solari: il sistema deve essere progettato tenendo conto dei carichi operativi della fabbrica, delle correnti di spunto dei motori, dei requisiti di qualità dell’energia, del programma produttivo e delle necessità di alimentazione di emergenza.

Per i produttori che affrontano bollette elettriche elevate, un’alimentazione dalla rete poco affidabile o costi crescenti del diesel, un sistema solare industriale progettato in modo appropriato può ridurre le spese energetiche migliorando al contempo la resilienza dell’approvvigionamento elettrico. La chiave è dimensionare correttamente l’impianto fotovoltaico (PV), l’inverter, lo stoccaggio con batterie e la protezione elettrica in base alle effettive esigenze dell’impianto.

1. L’energia solare può alimentare macchinari industriali pesanti?

Sì. L’energia solare può fornire energia a molti macchinari industriali, purché il sistema sia dimensionato e configurato correttamente. La principale sfida risiede nel fatto che alcuni macchinari richiedono una potenza notevolmente maggiore all’avviamento rispetto a quella richiesta durante il funzionamento normale.

I carichi industriali più comuni includono:

• Motori trifase utilizzati in pompe, nastri trasportatori e macchinari per lavorazioni
• Compressori d’aria e impianti di ventilazione
• Macchine utensili a controllo numerico (CNC) ed equipaggiamenti automatizzati per la produzione
• Impianti di refrigerazione e sistemi per stoccaggio a freddo
• Linee di imballaggio, illuminazione ed equipaggiamenti ausiliari

Questi carichi non si comportano tutti nello stesso modo. I carichi resistivi, come molti elementi riscaldanti, presentano generalmente caratteristiche di avviamento diverse rispetto ai carichi induttivi, ad esempio motori e compressori.

Prima di selezionare l’equipaggiamento, gli ingegneri devono valutare la potenza nominale delle macchine, il metodo di avviamento, la corrente di spunto, le ore di funzionamento e la possibilità che più macchine avviino contemporaneamente.

Perché la corrente di spunto del motore è importante

I motori elettrici possono assorbire, durante l’avviamento, una corrente pari a diverse volte quella di normale funzionamento, a seconda della progettazione del motore e del metodo di avviamento. Se l’inverter non è in grado di gestire questa richiesta temporanea, il sistema potrebbe subire cali di tensione, allarmi di sovraccarico o arresti.

Una soluzione solare industriale affidabile deve quindi tenere conto sia della potenza continua sia delle esigenze di picco a breve termine. Gli ingegneri devono verificare la classe di sovraccarico dell’inverter, la durata per cui tale sovraccarico può essere sostenuto e se la sua uscita è adatta ai carichi motoristici dell’impianto.

Per applicazioni esigenti, un azionamento a frequenza variabile (VFD) o un avviatore progressivo possono contribuire a ridurre la corrente di spunto del motore, purché compatibili con l'attrezzatura e il processo. Questi dispositivi non sostituiscono una corretta scelta della taglia dell'inverter, ma possono semplificare la gestione del sistema elettrico.

2. Come progettare un sistema solare per attrezzature industriali

Un sistema solare industriale combina tipicamente moduli fotovoltaici, inverter, protezioni elettriche, sistemi di monitoraggio e — ove necessario — accumulo con batterie. La configurazione corretta dipende dal fatto che lo stabilimento operi durante le ore diurne, richieda energia anche di notte o abbia bisogno di alimentazione di riserva in caso di interruzioni della rete.

Inverter trifase e qualità dell'energia

Molti impianti industriali utilizzano apparecchiature elettriche trifase. L'inverter deve essere compatibile con la tensione di alimentazione, la frequenza, la configurazione di fase e le caratteristiche del carico dello stabilimento.

Oltre alla potenza nominale in uscita, gli ingegneri devono verificare:

• Capacità di uscita continua nelle condizioni operative previste
• Capacità di sovraccarico a breve termine e avviamento del motore
• Regolazione di tensione e frequenza
• Fattore di potenza e compatibilità con carichi reattivi
• Distorsione armonica e compatibilità con apparecchiature sensibili
• Funzioni di protezione, schemi di messa a terra e requisiti per il collegamento alla rete

 

Sistemi di controllo sensibili, inclusi i controllori logici programmabili (PLC), possono essere influenzati da cali di tensione o da una scarsa qualità dell’energia. Una progettazione e una messa in servizio adeguate del sistema possono contribuire a ridurre il rischio di interruzioni produttive causate da disturbi elettrici.

Generazione solare e profili di carico dello stabilimento

La produzione solare varia nel corso della giornata, mentre la domanda dello stabilimento dipende dai turni di lavoro, dai cicli delle macchine e dai piani produttivi. La valutazione del profilo di carico consente di determinare quanta energia solare l’impianto può utilizzare direttamente e quanta energia in eccesso potrebbe essere disponibile per lo stoccaggio.

Le fabbriche che operano principalmente durante le ore di sole potrebbero riuscire a utilizzare direttamente una parte consistente della propria produzione solare. Gli impianti con turni notturni o carichi critici durante i guasti della rete potrebbero necessitare di sistemi di accumulo batteria o di un’altra fonte di riserva.

Un sistema ibrido può coordinare la generazione solare, le batterie, l’elettricità proveniente dalla rete e un generatore diesel, laddove l’equipaggiamento e la progettazione del sistema supportino tali fonti. La strategia di controllo deve dare priorità alla sicurezza operativa, alla fornitura affidabile di energia e all’uso efficiente dell’energia.

3. Quando una fabbrica ha bisogno di sistemi di accumulo batteria?

L’accumulo batteria non è indispensabile per ogni impianto solare collegato alla rete. Il suo valore dipende dal profilo di carico della fabbrica, dalla tariffa elettrica applicata, dall’affidabilità della rete e dalla necessità di alimentazione di riserva.

Un sistema di accumulo energetico batteria (BESS) può immagazzinare l’energia solare in eccesso e rilasciarla successivamente. A seconda della sua progettazione e delle impostazioni operative, può anche fornire alimentazione di riserva, contribuire alla gestione dei picchi di domanda o ridurre il tempo di funzionamento del generatore.

Comprensione di un sistema di accumulo energetico da batteria da 150 kWh

Un sistema di accumulo energetico da batteria da 150 kWh indica la capacità energetica nominale della batteria, non la quantità di potenza che essa può erogare in un dato istante. L’energia utilizzabile della batteria dipende da fattori quali la profondità di scarica consentita, i limiti operativi e l’efficienza del sistema.

La potenza di scarica è una specifica distinta, solitamente espressa in kW. Ad esempio, una batteria con una capacità nominale di 150 kWh non può essere automaticamente considerata in grado di alimentare un carico da 150 kW per un’ora. La potenza nominale della batteria, la sua capacità utilizzabile, i limiti dell’inverter e le perdite influenzano tutte le prestazioni effettive.

Nel dimensionare un sistema di accumulo per una fabbrica, gli ingegneri devono considerare:

• Quali macchinari devono rimanere in funzione durante un’interruzione
• La durata richiesta dell’alimentazione di riserva
• I carichi che possono essere disattivati o posticipati
• Il consumo energetico notturno della fabbrica
• I limiti di carica e scarica della batteria
• Se sia consentito e necessario il caricamento dalla rete elettrica o da un generatore

Un sistema BESS progettato con cura può garantire la continuità produttiva, ma la capacità della batteria deve essere determinata sulla base del fabbisogno energetico misurato o calcolato, non semplicemente in base alla dimensione nominale.

4. Che cosa si intende per sistema ibrido di energia solare da 75 kW?

Un sistema ibrido di energia solare da 75 kW potrebbe essere adatto a un’installazione industriale di piccole o medie dimensioni, a seconda degli apparecchi alimentati e dei requisiti energetici del sito. Tuttavia, i 75 kW non devono essere considerati una soluzione universale valida per ogni fabbrica.

Il progetto finale dipende dal carico totale collegato, dalla domanda di potenza simultanea, dalle caratteristiche di avviamento dei motori, dallo spazio disponibile sul tetto o a terra, dalle condizioni solari locali e dalla durata di backup richiesta.

Una soluzione personalizzata potrebbe combinare un impianto fotovoltaico o una configurazione dell’inverter da 75 kW con un sistema di accumulo a batteria al litio. La reale capacità fotovoltaica, l’uscita dell’inverter e la capacità della batteria devono essere specificate separatamente.

Ad esempio, l’espressione «impianto solare con accumulo in batteria al litio da 75 kW» può risultare tecnicamente ambigua, poiché il kW misura la potenza, mentre il kWh misura l’energia immagazzinata. Una descrizione più chiara è «impianto solare da 75 kW con accumulo in batteria». Se la capacità energetica nominale della batteria è confermata pari a 150 kWh, la specifica può essere formulata come «impianto solare ibrido da 75 kW con sistema di accumulo energetico in batteria da 150 kWh», purché tali valori corrispondano all’equipaggiamento proposto.

Il progetto ingegneristico deve inoltre definire quali carichi saranno alimentati dalla batteria, se il sistema potrà funzionare in caso di interruzione della rete elettrica e come il sistema risponderà a variazioni improvvise del carico.

5. Esperienza su progetti reali: soluzione solare ibrida da 75 kW per una fabbrica di ghiaccio a Gibuti

La progettazione solare industriale deve rispecchiare le effettive condizioni operative dell’azienda. Una fabbrica di ghiaccio, ad esempio, dipende da un’alimentazione elettrica affidabile per gli impianti produttivi e le operazioni legate alla refrigerazione. Interruzioni impreviste possono interrompere la produzione, compromettere i processi di conservazione a freddo e causare perdite finanziarie.

Il portafoglio progetti di Tanfon include una soluzione Solare Ibrida da 75 kW per una Fabbrica di Ghiaccio a Gibuti . Il progetto illustra l’importanza di soluzioni solari ibride personalizzate per strutture industriali in cui l’affidabilità dell’alimentazione elettrica è direttamente connessa alle operazioni quotidiane.

Visualizza la Soluzione Solare Ibrida da 75 kW per la Fabbrica di Ghiaccio a Gibuti .

Per una fabbrica di ghiaccio o un sito produttivo simile, la valutazione ingegneristica dovrebbe concentrarsi su diverse domande pratiche:

Quali carichi sono critici? Le macchine produttive e le attrezzature per la refrigerazione potrebbero avere priorità operative diverse. I carichi critici devono essere identificati prima della progettazione del sistema.

Cosa accade all’avviamento di un motore? I compressori, le pompe e altre apparecchiature azionate da motore possono generare picchi di domanda temporanei. La dimensione dell'inverter e i metodi di avviamento devono essere valutati in base a tali requisiti.

Per quanto tempo deve operare l'impianto durante un'interruzione? La capacità della batteria deve essere calcolata in base all'energia richiesta dai carichi selezionati e alla durata prevista del supporto di emergenza.

Come gestirà il sistema i carichi variabili? Una strategia di controllo adeguata deve coordinare la produzione solare, il funzionamento della batteria e qualsiasi fornitura disponibile dalla rete o da un generatore.

L'insegnamento fondamentale è che la progettazione industriale di impianti solari deve partire dal processo produttivo e dal profilo dei carichi elettrici, non da un pacchetto standard scelto esclusivamente in base alla sua potenza nominale in kW.

Nota: L'elenco pubblicato dei casi studio conferma il nome del progetto e la designazione dell'impianto da 75 kW. La capacità dettagliata della batteria, i numeri di modello delle apparecchiature e i risparmi misurati devono essere inclusi soltanto dopo essere stati verificati sulla base dei registri completi del progetto.

6. Sicurezza e conformità degli impianti solari in fabbrica

I sistemi solari industriali devono essere progettati, installati e messi in servizio prestando adeguata attenzione alla sicurezza elettrica e alle normative locali. I documenti di certificazione sono importanti, ma non sostituiscono la progettazione ingegneristica specifica per il progetto né l’approvazione obbligatoria prevista dalla legge.

Verificare la documentazione del prodotto

Prima dell’acquisto di un sistema, i proprietari di fabbriche e gli appaltatori specializzati in ingegneria dovrebbero controllare la documentazione applicabile al mercato di destinazione e alla categoria di prodotto.

Gli elementi rilevanti possono includere:

• Documentazione sulla gestione della qualità, ad esempio la certificazione ISO 9001 nel suo ambito dichiarato
• Documentazione sulla gestione ambientale, ad esempio la certificazione ISO 14001, ove applicabile
• Documentazione sulla conformità del prodotto, compresa la marcatura CE o le pertinenti certificazioni e liste UL
• Schede tecniche degli inverter e delle batterie
• Impostazioni di protezione, istruzioni per l’installazione e condizioni di garanzia

La marcatura CE e la certificazione o l’elenco UL non sono intercambiabili. La loro rilevanza dipende dall’attrezzatura, dal mercato di destinazione e dai requisiti applicabili.

Valutare il sito di installazione

Per le installazioni su tetto, una valutazione strutturale deve verificare che il tetto possa sostenere in sicurezza l’attrezzatura e il sistema di fissaggio previsti. Vanno inoltre considerati i carichi del vento, lo stato del tetto, l’impermeabilizzazione e l’accessibilità per la manutenzione.

I sistemi a terra richiedono fondazioni adeguate, distanze di sicurezza per l’attrezzatura, sistemi di drenaggio e protezione dai rischi ambientali.

Le misure di sicurezza elettrica possono includere protezioni contro i sovraccarichi con portata adeguata, interruttori di isolamento CC idonei, messa a terra e equipotenzializzazione, protezione contro le sovratensioni e funzioni di rilevamento dell’arco elettrico o di spegnimento rapido, ove richieste dalle norme applicabili e dalla progettazione dell’attrezzatura. La protezione antincendio e l’accesso per le emergenze devono essere affrontate mediante una valutazione specifica dei rischi sul sito.

Ispezionare e mettere in servizio il sistema

Prima dell’attivazione, il team di installazione deve verificare i collegamenti elettrici, il collegamento a terra, i dispositivi di protezione, le impostazioni dell’inverter e le funzioni di monitoraggio. Le ispezioni appropriate possono includere prove di resistenza d’isolamento, controlli di polarità, prove di messa a terra e ispezioni termografiche, ove opportuno.

La messa in servizio deve inoltre testare la risposta del sistema alle condizioni operative previste, compresi i cambiamenti di carico e le transizioni tra le fonti di alimentazione disponibili. Questi controlli aiutano a identificare eventuali problemi prima che interferiscano con la produzione.

7. Come l’energia solare industriale può ridurre i costi operativi

Un sistema fotovoltaico per fabbrica ben progettato può ridurre gli acquisti di energia elettrica generando energia in loco. Qualora le tariffe lo consentano, l’accumulo con batterie può inoltre contribuire a ridurre la domanda di picco o a spostare l’utilizzo energetico verso periodi più convenienti.

I risultati finanziari dipendono dai prezzi locali dell’elettricità, dalla risorsa solare disponibile, dagli orari di produzione, dai costi del sistema, dalle ipotesi relative alla sostituzione delle batterie e dai requisiti di manutenzione. Le fabbriche dovrebbero valutare il costo totale di proprietà anziché confrontare esclusivamente i prezzi delle attrezzature.

Uno studio di fattibilità utile dovrebbe stimare:

• La generazione solare annuale
• La percentuale di energia solare consumata in loco
• Il risparmio previsto sull’elettricità prelevata dalla rete
• Le perdite e i costi operativi della batteria
• I requisiti di alimentazione di riserva
• La manutenzione e la sostituzione finale della batteria
• Il periodo di rientro degli investimenti, basato su ipotesi operative realistiche

Anche i risparmi sul diesel devono essere calcolati in base al tempo effettivo di funzionamento del gruppo elettrogeno e al relativo consumo di carburante. Un sistema fotovoltaico abbinato a sistemi di accumulo può ridurre l’uso del gruppo elettrogeno, ma l’entità della riduzione dipende dai carichi del sito, dalla capacità del sistema e dalla strategia di controllo.

8. Perché i progetti fotovoltaici per fabbriche richiedono un’ingegneria personalizzata

Ogni fabbrica presenta una combinazione diversa di attrezzature, orari di funzionamento, infrastruttura elettrica e condizioni del sito. Un pacchetto fotovoltaico standard potrebbe non affrontare adeguatamente le elevate correnti di spunto, i carichi produttivi critici o la necessità di alimentazione di riserva.

Prima di richiedere un preventivo, i proprietari di fabbriche e gli appaltatori EPC dovrebbero preparare le seguenti informazioni, laddove disponibili:

• Bollette elettriche recenti e dati di carico intervallari
• Elenco delle principali macchine, compresa la potenza nominale e le modalità di avviamento
• Programmi giornalieri di produzione e orari di funzionamento
• Dettagli della connessione alla rete esistente e del gruppo elettrogeno a diesel
• Durata richiesta dell’alimentazione di riserva e carichi critici
• Disegni del tetto, planimetrie del sito e vincoli di installazione
• Requisiti elettrici e di sicurezza del paese di destinazione

Con queste informazioni, il team di ingegneria può valutare la potenza fotovoltaica appropriata, la configurazione dell'inverter, la capacità energetica della batteria, le apparecchiature di protezione e la strategia di gestione dell'energia.

Conclusione: l'energia solare può alimentare le macchine industriali?

Sì. L'energia solare può alimentare molte macchine industriali quando il sistema è progettato per soddisfare carichi continui, richieste di avviamento dei motori, requisiti di qualità della potenza e il programma operativo dell'impianto.

Una soluzione solare industriale progettata correttamente può integrare inverter trifase, generazione fotovoltaica, accumulo con batterie al litio e backup dalla rete elettrica o da gruppo elettrogeno. La configurazione ottimale dipende dai reali requisiti elettrici dell'industria, non semplicemente dalla potenza totale installata delle macchine.

Per i produttori che stanno valutando un sistema ibrido solare da 75 kW o un sistema di accumulo energetico con batterie da 150 kWh, il passo successivo consiste nell'analizzare il profilo di carico, identificare le apparecchiature critiche e calcolare separatamente la potenza e la capacità energetica richieste.

Contattare Tanfon per discutere i requisiti energetici della propria fabbrica e richiedere una soluzione solare industriale personalizzata.