Che cos’è il peak shaving? Riduzione dei picchi e spostamento dei carichi

La riduzione dei picchi (peak shaving) abbassa la massima potenza misurata di un sito, cioè la media in kW o kVA su un intervallo di fatturazione, per ridurre i costi di potenza, di capacità e i corrispettivi per supero della capacità. Lo spostamento dei carichi trasferisce consumo, in kWh, a un orario più economico o meno congestionato: cambia quando l’energia viene usata, non necessariamente l’altezza del picco.

Due siti possono ridurre gli stessi kWh e ottenere bollette molto diverse: riduzione dei picchi e spostamento dei carichi agiscono su voci differenti. Un intervento può fare entrambe le cose. La riduzione dei picchi abbassa la potenza massima fatturata in kW o kVA, o evita il superamento della capacità concordata. Lo spostamento dei carichi riduce il costo per kWh quando il prezzo cambia nell’arco della giornata. Prima di scegliere, individua la voce più rilevante nella bolletta del sito.

Confronto diretto

Che cos’è la quota potenza?

La quota potenza addebita la massima potenza media registrata in un intervallo di misura del periodo di fatturazione, in €/kW, £/kVA o $/kW al mese. Il contatore registra l’energia di ogni intervallo e il fornitore o il gestore di rete la divide per la durata dell’intervallo. A 10 € per kW al mese, un sito la cui mezz’ora più alta ha una media di 180 kW paga 1.800 € per quel mese, anche se tutte le altre mezz’ore restano sotto i 120 kW.

Nome e unità cambiano secondo il mercato:

La riduzione dei picchi conviene dove una di queste voci è elevata. Una tariffa solo a energia non le dà valore, a meno che il sito non sia vicino al limite di connessione, dove un picco più basso può evitare un potenziamento.

Esempio: spostare un processo

Un sito assorbe stabilmente 100 kW di giorno e 40 kW di notte. Un processo a lotti aggiunge 80 kW per 30 minuti alle 17:30 di ogni giorno lavorativo. Lo si sposta alle 23:30:

Lo spostamento trasferisce 40 kWh e riduce il picco di 60 kW. Per illustrare il calcolo, supponiamo un costo della potenza di 10 € per kW al mese, un prezzo diurno di 0,25 €/kWh, uno notturno di 0,15 €/kWh e 22 giorni lavorativi:

Il risparmio sulla potenza è quasi sette volte quello sull’energia: un solo evento di 30 minuti può fissare il costo della potenza per tutto il mese. Nel tariffario ESB Networks 2022/23 per i gruppi di massima potenza DG7–DG9b, l’avvio alle 17:30 rientra inoltre nella fascia di punta dalle 17:00 alle 19:00. Le tariffe notturne iniziano alle 23:00: spostare il processo alle 22:00 lascerebbe applicabile il prezzo diurno.

Esempio: una batteria

Il processo resta alle 17:30. Un controllore mantiene il prelievo del sito a 130 kW. Per 30 minuti il carico è di 180 kW: la batteria eroga quindi 50 kW, pari a 25 kWh. Con un rendimento di andata e ritorno del 90% ai terminali in corrente alternata, deve poi prelevare circa 28 kWh dalla rete. A questi si aggiungono i consumi ausiliari e di climatizzazione della batteria, soprattutto nei cicli leggeri.

La ricarica fa parte del progetto. A 50 kW, 28 kWh richiedono circa 34 minuti. Di notte il sito assorbe 40 kW: durante la ricarica il prelievo arriva a 90 kW, sotto la soglia. Se la batteria si ricarica alle 14:00, sui 100 kW di carico di base diurno, il prelievo sale a 150 kW. Si crea così un nuovo picco e si perdono 20 kW dei 50 kW inizialmente ridotti.

Con la stessa tariffa illustrativa, il risparmio sulla potenza è 50 kW × 10 € = 500 € al mese. La voce energia cambia di soli 25 × 0,25 € − 28 × 0,15 € = 2,05 € al giorno, circa 45 € al mese. Il valore economico della batteria deriva soprattutto dalla voce di potenza.

Dimensiona l’energia sull’area del profilo di carico sopra la soglia, per il picco più lungo atteso. Se il processo dura 45 minuti, la batteria deve fornire 50 kW × 0,75 h = 37,5 kWh, non 25 kWh. Aggiungi un margine per gli errori di previsione e per uno stato di carica iniziale inferiore al pieno; sottrai l’energia riservata ad altri servizi. Quando il picco mensile è ormai fissato, alza la soglia fino a quel valore per il resto del periodo di fatturazione. Scendere ancora non fa risparmiare sulla voce di potenza e consuma cicli della batteria. La guida ai sistemi BESS spiega quale sistema gestisce ogni limite.

L’intervallo di misura determina la bolletta

La potenza fatturata è la media di un intervallo di misura, non il picco istantaneo. L’intervallo dura di solito 15 o 30 minuti. Un aumento di 60 kW per 2 minuti su un carico di base di 100 kW aggiunge 60 × 2 / 30 = 4 kW alla media di 30 minuti. Se i 60 kW aggiuntivi durano tutti i 30 minuti, aggiungono 60 kW. Il calcolatore della potenza media nell’intervallo converte l’energia di un intervallo in kW medi. Nell’esempio del breve aumento, la mezz’ora contiene 50 + 2 = 52 kWh:

Poiché la bolletta considera la media, un controllore può compensare una risposta tardiva nello stesso intervallo, se la batteria ha riserva di potenza. La sezione seguente svolge il calcolo.

Alcune tariffe mantengono l’effetto di un picco in bolletta per più di un mese. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti descrive le clausole «ratchet», in cui la potenza fatturata è il maggiore tra il picco del mese e una percentuale del picco degli 11 mesi precedenti. Altre tariffe applicano il costo della potenza solo in determinate ore: un picco fuori da quelle fasce non genera tale costo.

Il calcolatore del fattore di carico mostra quanto è variabile il profilo:

Un fattore di carico del 50% indica che la potenza media richiesta è metà del picco. Non dice però se ridurlo sia economico: conta la forma del profilo. Un picco di 30 minuti al giorno sopra una base costante richiede 25 kWh di accumulo per eliminare 50 kW. Un plateau dalle 08:00 alle 18:00, con lo stesso fattore di carico, richiede 500 kWh per eliminare gli stessi 50 kW. Il calcolatore del costo dell’elettricità attribuisce un valore alla voce di potenza.

Quando la batteria risponde in ritardo

Un obiettivo di 130 kW su un intervallo di 30 minuti consente un prelievo di 130 × 0,5 = 65 kWh. Supponiamo che la batteria dell’esempio parta con 3 minuti di ritardo. In quei 3 minuti il sito preleva tutti i 180 kW, cioè 9 kWh. Restano 56 kWh per i 27 minuti rimanenti (0,45 h), un prelievo medio di 56 / 0,45 = 124,4 kW. La batteria deve quindi erogare 180 − 124,4 = 55,6 kW, non 50 kW, per il resto dell’intervallo.

Il recupero è possibile solo se la batteria può erogare più della potenza prevista. Con un limite di 50 kW il prelievo dell’intervallo è 9 + (180 − 50) × 0,45 = 67,5 kWh, una media di 135 kW. Un controllore che reagisce solo alla lettura istantanea ottiene gli stessi 135 kW.

Valuta il risultato in modo condizionato. Se questo intervallo ha fissato il massimo mensile di 180 kW e nessun altro intervallo supera i 135 kW dopo l’intervento, il massimo fatturato scende di 45 kW, pari a 450 € con il costo illustrativo di 10 € per kW al mese, invece di 500 € nel caso in orario. Se un altro intervallo del mese supera i 135 kW, il picco fatturato scende meno o per nulla. Un costo di capacità su una MIC concordata cambia solo se la MIC viene ridotta.

Ricarica l’energia effettivamente scaricata. Con un rendimento di andata e ritorno idealizzato del 90% ai morsetti in CA e lo stesso stato di carica all’inizio e alla fine, 22,5 kWh richiedono 22,5 / 0,90 = 25 kWh dalla rete. A 50 kW costanti servono 30 minuti, e sul carico di base notturno di 40 kW il prelievo sale a 90 kW. Il valore reale include anche gli ausiliari della batteria e dipende dalla temperatura e dal punto in cui si misura il rendimento. Controlla ogni intervallo attraversato dalla ricarica: una ricarica di 30 minuti che inizia alle 23:45 tocca due mezz’ore.

I 3 minuti sono un esempio. Il tempo di risposta completo somma la disponibilità della misura, il ritardo di decisione, la consegna del comando, la rampa dell’apparecchiatura e il tempo prima che la variazione compaia al punto di connessione. La conferma di ricezione di un comando non è una risposta fisica: misura ogni fase in fase di messa in servizio. Inoltre il contatore del controllore non è quello di fatturazione: riconcilia i due per alcune settimane e imposta la soglia sotto l’obiettivo della differenza misurata più l’incertezza documentata di entrambe le catene di misura.

Costi della capacità in Irlanda e Gran Bretagna

Le tariffe di rete irlandesi e britanniche per i siti commerciali più grandi includono una quota basata sulla Maximum Import Capacity (MIC) concordata con il gestore, espressa in kVA. ESB Networks afferma che una MIC troppo alta comporta il pagamento di capacità inutilizzata, mentre una MIC troppo bassa genera costi per il superamento.

Un picco più basso riduce quindi la quota di capacità solo se viene ridotta anche la MIC. UK Power Distribution, gestore di rete britannico, consente una sola riduzione in 12 mesi e avverte che la vecchia capacità potrebbe non essere ripristinabile senza rinforzare la rete (documento tariffario, paragrafi 2.40 e 2.41).

Il sovrapprezzo per il superamento è il caso in cui un solo picco costa di più. UK Power Distribution calcola i kVA per ogni mezz’ora dall’energia attiva e reattiva e applica il massimo del periodo di fatturazione. Per ciascun kVA sopra la MIC addebita una quota giornaliera per l’intero periodo in cui avviene il superamento (paragrafi 2.43–2.45). In Irlanda, il tariffario ESB Networks 2022/23 prevede per i siti con misura a intervalli un sovrapprezzo pari a 5 volte la tariffa di capacità per ogni kVA eccedente, per l’intero periodo di fatturazione (nota 5 per i gruppi DG6–DG9b). In entrambi i casi, un solo intervallo ha un effetto di trascinamento per un periodo di fatturazione.

Poiché il limite è in kVA, il fattore di potenza conta. A 0,9 di fattore di potenza, 180 kW corrispondono a 200 kVA. Entrambe le reti addebitano anche l’energia reattiva oltre un terzo dell’energia attiva, soglia che corrisponde a un fattore di potenza medio di circa 0,95. Un inverter della batteria capace di fornire potenza reattiva, oppure un sistema di rifasamento, può ridurre il picco in kVA quando non basta ridurre i kW.

Riduzione dei picchi e demand response a confronto

La riduzione dei picchi e la demand side response usano gli stessi carichi, generatori e batterie, ma rispondono a soggetti diversi.

Le due cose interagiscono. L’energia riservata a un contratto di demand response non è disponibile per ridurre il picco del sito, e viceversa. Un sito che riduce il picco ogni giorno abbassa anche la media dei giorni recenti usata da molte baseline, così nel successivo evento conta come erogata meno energia. La guida alle baseline della demand response mostra come la tratta ciascun metodo. Stabilisci l’ordine di priorità nel controllore prima che il sito aderisca a un programma.

Riduzione dei picchi e livellamento del carico a confronto

Il livellamento del carico (load levelling) appiattisce l’intero profilo verso la sua media. L’accumulo si carica nelle ore di basso carico e si scarica in quelle di carico alto, così il sito preleva una potenza quasi costante. La riduzione dei picchi agisce solo sopra una soglia e lascia invariato il resto del profilo.

La differenza sta soprattutto nell’energia. Nell’esempio del fattore di carico qui sopra, un sito ha una media di 50 kW contro un picco di 100 kW. Ridurre un picco di 50 kW che dura 30 minuti sopra un carico di base piatto richiede 25 kWh. Livellare un sito che resta a 100 kW dalle 08:00 alle 18:00 fino alla sua media di 50 kW significa spostare 50 kW × 10 h = 500 kWh ogni giorno lavorativo e ricaricarli nella valle notturna. Il livellamento è adatto a un sito che paga soprattutto energia a prezzi per fasce orarie, o a un gestore di rete che alleggerisce una linea congestionata. La riduzione dei picchi è adatta a un sito che paga soprattutto il suo intervallo più alto.

Controllare il carico di recupero

Gran parte dei carichi distaccati o spostati ritorna più tardi. Fa eccezione un carico che non serve più, come l’illuminazione di un’area vuota. Una batteria deve ricaricarsi. I veicoli elettrici la cui ricarica è stata limitata richiedono più potenza dopo l’evento (vedi la guida alla ricarica intelligente dei veicoli elettrici). Un impianto termico recupera l’energia non fornita.

Un semplice bilancio energetico quantifica il recupero termico. Un refrigeratore che lavora con un ciclo di servizio del 60% e si ferma per 30 minuti deve recuperare 0,6 × 30 = 18 minuti di raffrescamento alla piena capacità. Quando riparte alla piena capacità, solo il 40% sopra il normale ciclo di servizio recupera il deficit: funziona quindi al massimo per circa 18 / 0,4 = 45 minuti. È un limite inferiore: i ritardi nel riavvio e un’eventuale riduzione della temperatura sotto il set point lo aumentano. Se il refrigeratore assorbe 50 kW a pieno carico e in media 30 kW, aggiunge 20 kW al carico del sito per un intervallo e mezzo dopo l’evento. Se il recupero coincide con il processo a lotti, si crea un nuovo picco.

Controlla i 30–60 minuti dopo ogni intervento con la stessa attenzione riservata al picco. Il calcolatore della capacità di ricarica dei veicoli elettrici verifica per ciascun intervallo se i caricatori restano sotto il limite del sito.

Misurare prima e dopo

Registra i seguenti dati con l’intervallo usato dalla tariffa:

Confronta periodi equivalenti: gli stessi giorni della settimana, condizioni meteorologiche simili espresse in gradi giorno e livelli produttivi comparabili. Riporta la riduzione del picco misurata separatamente dal valore economico, che dipende dal contratto effettivo. La guida alla misura dei risparmi spiega come correggere una baseline.

Ridurre i picchi con EpiSensor

I monitor elettrici ZEM sul punto di ingresso e sui circuiti più importanti mostrano quali carichi creano il picco e quanto dura. Edge sul Gateway esegue la soglia come regola di Automation locale: un trigger sui dati del prelievo del sito, un ritardo di attivazione per ignorare i picchi brevi e un comando a un dispositivo che commuta un relè o scrive un set point. La regola gira sul Gateway senza dipendere da Internet. Edge verifica le condizioni di durata una volta al minuto, perciò una regola con ritardo di attivazione interviene un minuto o più dopo il superamento della soglia. Imposta la soglia tenendo conto di questo margine.

Gli stessi carichi possono essere offerti alla rete tramite un aggregatore. Il controllore di risposta alla domanda ZDR unisce la misura a una risposta locale alla frequenza della rete, tramite relè per un carico o generatore oppure un set point per una batteria o un UPS. Una centrale elettrica virtuale aggrega questi interventi, mentre la soluzione di risposta alla domanda mostra il sistema completo.