Come la selezione della sottostazione compatta influisce sulla redditività delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici

GUIDA TECNICA | INFRASTRUTTURA DI RICARICA VEICOLI ELETTRICI

Logica di dimensionamento pratico, scenari applicativi e guida all'implementazione

Preparato da HENTG POWER

Trasformazione di Potenza · Distribuzione più Intelligente

Questa guida spiega i principi chiave di selezione, i calcoli di capacità, gli scenari applicativi e le procedure di implementazione per le sottostazioni di ricarica per veicoli elettrici. In HENTG POWER, consideriamo la selezione della sottostazione compatta come parte di una soluzione integrata di distribuzione dell'energia, non semplicemente come un acquisto di apparecchiature individuali.

Con l'espansione delle reti di ricarica urbane e il continuo aumento della proprietà di veicoli elettrici, le stazioni di ricarica sviluppate privatamente stanno diventando un'interessante opportunità di investimento. Tuttavia, molti investitori si concentrano inizialmente sul noleggio del terreno, sull'acquisto dei caricabatterie e sulle proiezioni del traffico, trascurando la sottostazione compatta, il componente meno visibile ma essenziale dietro l'intera operazione.

I problemi spesso emergono solo dopo l'inizio della costruzione: capacità del trasformatore insufficiente, dimensioni dell'involucro non adatte al sito o ritardi nell'approvazione da parte dell'ente erogatore. La conseguente riprogettazione, la sostituzione delle apparecchiature e le interruzioni del programma possono rapidamente minare il modello finanziario originale.

A differenza delle normali apparecchiature di distribuzione degli edifici, una sottostazione di ricarica per veicoli elettrici collega tre sistemi critici:

• La rete elettrica
• Il sistema di distribuzione del trasformatore e MT/BT
• Le apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici

Pertanto, la selezione non dovrebbe basarsi solo sulla potenza nominale totale dei caricabatterie. Devono essere considerati i limiti di connessione alla rete, i modelli di ricarica, le condizioni del sito, lo spazio disponibile, i costi operativi, l'espansione futura e gli standard locali.

1. Il Carico Effettivo è la Base per la Selezione del Trasformatore

Un errore comune è quello di moltiplicare la potenza nominale di un punto di ricarica per il numero totale di caricabatterie e selezionare un trasformatore basandosi direttamente sul risultato. Questo metodo raramente riflette il funzionamento effettivo della stazione di ricarica.

Veicoli privati, autobus, flotte di consegna e camion pesanti hanno diversi schemi di ricarica. Una stazione normalmente non opera con ogni caricabatterie che eroga continuamente la piena potenza nominale. Pertanto, dovrebbe essere applicato un fattore di simultaneità o diversità quando si stima la domanda di picco reale.

Esempio Illustrativo: Stazione di Ricarica Comunitaria

Considerare una stazione di ricarica comunitaria dotata di dodici caricabatterie rapidi DC da 120 kW:

Poiché è improbabile che tutti i veicoli si carichino contemporaneamente alla massima potenza durante il picco serale, la stazione non richiede automaticamente un trasformatore da 1.600 kVA.

La potenza nominale finale del trasformatore dovrebbe anche considerare il fattore di potenza, i carichi ausiliari, l'efficienza del caricabatterie, le caratteristiche armoniche, la temperatura ambiente, la crescita prevista del carico e la capacità di connessione approvata dall'ente erogatore.

Le Stazioni per Autovetture e gli Hub di Ricarica per Veicoli Pesanti Sono Diversi

Le stazioni di ricarica per flotte e camion pesanti generalmente hanno fattori di simultaneità molto più elevati rispetto alle stazioni comunitarie per autovetture.

I veicoli logistici spesso arrivano in lotti durante la sera o la mattina presto e possono rimanere collegati a caricabatterie ad alta potenza per periodi prolungati. In queste applicazioni, il fattore di simultaneità può raggiungere 0,80-0,90. Due stazioni con lo stesso numero di caricabatterie possono quindi richiedere capacità di trasformatore molto diverse a seconda del tipo di veicolo e dell'orario di funzionamento.

Il Limite di Connessione alla Rete Viene Prima

L'operatore della rete di distribuzione normalmente approva una capacità di connessione massima. Anche se è disponibile spazio sufficiente sul sito, lo sviluppatore non può installare una capacità di trasformatore illimitata senza l'approvazione della rete. Pertanto, l'ottenimento dell'approvazione ufficiale della capacità di connessione e la conferma del livello di tensione in ingresso dovrebbero essere completati prima di finalizzare la sottostazione compatta.

Evitare Sia il Sovradimensionamento che il Sottodimensionamento

La capacità del trasformatore è espressa in kVA, mentre l'uscita del caricabatterie è normalmente espressa in kW. La conversione deve tenere conto del fattore di potenza e dei margini di progettazione complessivi del sistema.

Un trasformatore eccessivamente sovradimensionato aumenta:

• Costo iniziale dell'apparecchiatura
• Requisiti di fondazione civile
• Costi di quadri elettrici e cavi
• Perdite a vuoto
• Spese di manutenzione ordinaria

Un trasformatore sottodimensionato può costringere i caricabatterie a ridurre l'uscita durante i periodi di picco. Tempi di ricarica più lunghi possono ridurre il turnover della stazione e portare alla perdita di clienti. L'obiettivo non è selezionare il trasformatore più grande possibile, ma identificare la potenza nominale più economica che possa supportare in sicurezza il profilo operativo effettivo.

2. Due Principali Configurazioni di Sottostazioni Compatte

I progetti di ricarica per veicoli elettrici utilizzano comunemente una sottostazione compatta prefabbricata in stile IEC, spesso chiamata sottostazione compatta in stile europeo, o una soluzione montata su basamento in stile IEEE/ANSI.

La configurazione più adatta dipende dallo standard di rete locale, dai requisiti dell'ente erogatore, dalla disposizione del sito, dalla strategia di manutenzione e dal budget. HENTG POWER può fornire sottostazioni compatte IEC e soluzioni di trasformatori montati su basamento IEEE/ANSI specifiche per il progetto con quadri MT coordinati, trasformatori, protezione e disposizioni di distribuzione BT.

Sottostazione Compatta in Stile Europeo

Una sottostazione compatta in stile europeo contiene normalmente tre sezioni chiaramente separate:

• Vano quadri MT
• Vano trasformatore
• Vano distribuzione BT

Il design compartimentato fornisce aree operative e di manutenzione chiare e consente di ispezionare separatamente le apparecchiature MT, del trasformatore e BT.

I suoi vantaggi includono:

• Separazione funzionale chiara
• Comodo accesso per la manutenzione
• Configurazioni MT e BT flessibili
• Sostituzione più facile di componenti standardizzati
• Maggiore adattabilità per requisiti complessi di protezione e misurazione

Gli svantaggi principali sono un ingombro maggiore, lavori civili più estesi e solitamente un costo iniziale più elevato rispetto a una disposizione compatta montata su basamento di potenza simile.

Questa configurazione è spesso adatta per:

• Stazioni di ricarica stradali urbane
• Complessi commerciali
• Parcheggi sotterranei
• Hub di ricarica pubblici
• Progetti che richiedono più circuiti di uscita BT
• Siti con requisiti rigorosi di accesso per la manutenzione

Per installazioni sotterranee, le normative antincendio locali possono richiedere un trasformatore a secco, ventilazione speciale, costruzione resistente al fuoco o misure di protezione aggiuntive.

Soluzione di Trasformatore Montato su Basamento in Stile Americano

Un trasformatore montato su basamento in stile americano integra il trasformatore e i componenti di commutazione o protezione primari in un involucro compatto e a prova di manomissione. A seconda della configurazione del progetto, il suo ingombro può essere considerevolmente inferiore a quello di una sottostazione compatta convenzionale in stile europeo. Può anche ridurre i requisiti di fondazione e semplificare l'installazione del sito.

I suoi vantaggi includono:

• Ingombro compatto
• Minori requisiti di costruzione civile
• Tempi di installazione più brevi
• Adatta configurazione esterna
• Design standardizzato conveniente
• Compatibilità con sistemi ad anello o radiali

È comunemente applicato in:

• Parcheggi logistici
• Aree di servizio autostradali
• Hub di ricarica esterni per flotte
• Impianti industriali
• Reti di distribuzione nordamericane e centroamericane

Lo spazio per la manutenzione è generalmente più limitato, quindi l'ispezione dei guasti e la sostituzione dei componenti possono richiedere una pianificazione più attenta. Per le località con un accesso pubblico denso, dovrebbero essere incorporate adeguate distanze di sicurezza, barriere, interfacce a fronte morto e costruzione a prova di manomissione.

Livello di Protezione dell'Involucro

Il livello di protezione dell'involucro richiesto dipende dagli standard locali, dalle specifiche dell'ente erogatore, dalle condizioni di installazione e dalle apparecchiature interne. Per applicazioni esterne, IP33 è spesso considerato un livello di riferimento di base, mentre IP44 o un livello superiore specifico per il progetto può essere preferito in aree con piogge intense, elevata umidità, polvere, salsedine o esposizione costiera.

HENTG POWER può configurare la protezione dell'involucro, la ventilazione, il trattamento anticorrosione e il design ambientale in base alla posizione del progetto anziché applicare un involucro standard a ogni sito.

3. Calcoli di Capacità per Scenari di Ricarica Tipici

Caso 1: Stazione di Ricarica Comunitaria per Autovetture

Il sito è previsto per otto caricabatterie DC da 120 kW e l'ente erogatore ha approvato una capacità di connessione massima di 1.000 kVA.

Poiché 657 kVA non è una potenza nominale standard comune, può essere selezionata una sottostazione compatta in stile europeo da 800 kVA.

Questa configurazione fornisce un margine operativo ragionevole. Se vengono inclusi circuiti di uscita BT sufficienti e un sistema intelligente di gestione del carico, potrebbe essere possibile una limitata espansione futura dei caricabatterie senza sostituire l'intera sottostazione, in base ai dati operativi effettivi e all'approvazione dell'ente erogatore.

Caso 2: Hub di Ricarica per Logistica Suburbana e Camion Pesanti

Il progetto include dieci caricabatterie DC ad alta potenza da 250 kW. Si prevede che i camion si carichino intensamente di notte, quindi viene applicato un fattore di simultaneità di 0,85.

Una possibile configurazione è costituita da due trasformatori montati su basamento o sottostazioni compatte da 1.250 kVA.

Rispetto a un unico grande trasformatore, una configurazione a doppio trasformatore può offrire:

• Trasporto e sollevamento più facili
• Manutenzione più flessibile
• Gestione del carico a fasi migliore
• Funzionamento parziale della stazione mentre un'unità è in manutenzione
• Riduzione del rischio di interruzione completa dei ricavi

Se i trasformatori operano in parallelo su un bus comune, il loro rapporto di tensione, gruppo vettoriale, impedenza, posizione del rubinetto, protezione e caratteristiche di condivisione del carico devono essere adeguatamente coordinati. Può anche essere considerato un bus BT sezionato dove la continuità operativa è più importante del funzionamento in parallelo completo.

Caso 3: Stazione di Ricarica Sotterranea in un Complesso Commerciale

Il parcheggio sotterraneo è previsto per sei caricabatterie DC da 75 kW. Gli arrivi dei veicoli sono relativamente dispersi e viene applicato un fattore di simultaneità di 0,50.

Una sottostazione compatta da 315 kVA può essere adatta, in base alle normative locali e al tipo di trasformatore richiesto. Un involucro personalizzato a basso profilo può adattarsi a un'altezza del soffitto limitata, mentre scomparti separati e ventilazione coordinata possono ridurre i rischi termici in spazi chiusi.

Dopo aver determinato la potenza nominale del trasformatore, è necessario verificare anche il numero e la capacità dei circuiti di uscita BT. Circuiti di riserva adeguati possono rendere le future aggiunte di caricabatterie significativamente più facili e ridurre la necessità di sostituire l'intero quadro BT.

4. Dettagli che Influenzano il Funzionamento a Lungo Termine

Gestione Termica

La durata del trasformatore e la disponibilità della stazione di ricarica sono direttamente correlate alle prestazioni termiche. Un trasformatore che opera continuamente vicino al carico completo genera calore. Se la ventilazione è insufficiente, la protezione da alta temperatura può attivarsi e causare arresti intermittenti dei caricabatterie.

Le sottostazioni esterne possono utilizzare griglie di ventilazione naturale, mentre la ventilazione forzata può essere aggiunta per progetti in climi caldi. Per installazioni sotterranee o chiuse, la progettazione della ventilazione della sottostazione deve essere coordinata con il sistema di ventilazione dell'edificio o del garage.

HENTG POWER valuta la temperatura ambiente, la radiazione solare, l'altitudine, le dimensioni dell'involucro, le perdite del trasformatore e i requisiti di ventilazione quando sviluppa una progettazione termica specifica per il progetto.

Cavi, Barre Collettrici e Dispositivi di Commutazione

Le dimensioni dei cavi, le barre collettrici, gli interruttori automatici e i dispositivi di protezione devono essere selezionati in base al carico effettivo del trasformatore e del caricabatterie.

La riduzione dei costi mediante l'uso di interruttori BT o barre collettrici sottodimensionati può creare problemi di surriscaldamento a lungo termine e invecchiamento dell'isolamento. Questi problemi potrebbero non apparire durante la messa in servizio iniziale, ma possono causare scatti frequenti e costi di manutenzione aumentati dopo diversi anni di funzionamento.

Le specifiche del progetto dovrebbero quindi richiedere:

• Componenti di produttori affidabili e approvati dal progetto
• Conformità agli standard IEC, IEEE, ANSI, UL, CSA o locali applicabili
• Capacità di tenuta ai cortocircuiti verificata
• Selettività degli interruttori e coordinamento della protezione adeguati
• Capacità di corrente delle barre collettrici sufficiente
• Verifica dell'aumento di temperatura
• Spazio adeguato per le terminazioni dei cavi

Espansione Futura

Molte stazioni di ricarica aggiungono più caricabatterie dopo tre-cinque anni di funzionamento. Dove la capacità della rete lo consente, riservare circa il 15%-20% di capacità e circuiti di uscita BT sufficienti può estendere la vita utile della stazione.

Il costo iniziale aggiuntivo è normalmente molto inferiore alla spesa combinata di:

• Sostituzione dell'intero trasformatore o sottostazione
• Ricostruzione della fondazione civile
• Sostituzione di cavi MT e BT
• Modifica dei quadri elettrici
• Ripetizione delle procedure di approvazione dell'ente erogatore
• Sospensione del funzionamento della stazione durante la ricostruzione

Distanza dal Punto di Connessione alla Rete

La distanza tra la sottostazione compatta e il punto di connessione dell'ente erogatore influisce anche sui costi e sull'efficienza del progetto. Una lunghezza eccessiva dei cavi aumenta i costi di acquisto dei cavi, i costi di installazione e scavo, la caduta di tensione, le perdite di potenza e la complessità del coordinamento della protezione.

Ove pratico, la sottostazione compatta dovrebbe essere posizionata vicino al punto di connessione MT approvato, mantenendo al contempo un accesso sicuro, distanze dai veicoli, drenaggio, ventilazione e spazio per la manutenzione.

5. Processo di Implementazione: dalla Richiesta alla Messa in Tensione

1. Confermare le condizioni di connessione alla rete — Inviare il layout preliminare della stazione di ricarica e la domanda stimata all'ente erogatore locale o all'operatore della rete di distribuzione. Confermare la capacità di connessione approvata, la tensione in ingresso, il metodo di connessione, i requisiti di misurazione, i requisiti di protezione e il punto di interfaccia con l'ente erogatore. La tensione applicabile può essere 10 kV, 11 kV, 13,8 kV, 22 kV, 33 kV o un'altra tensione di distribuzione locale.
2. Condurre un sopralluogo del sito — Verificare l'area di installazione disponibile, le condizioni di accesso e sollevamento, l'altezza del soffitto, il drenaggio, il rischio di allagamento, la ventilazione, la distanza di instradamento dei cavi, le distanze di manutenzione e le condizioni ambientali. Il sopralluogo determina quale sia più appropriata tra una sottostazione compatta IEC, una soluzione montata su basamento, una disposizione a secco o un involucro personalizzato.
3. Calcolare il carico di ricarica effettivo — Rivedere il layout dei caricabatterie, la potenza nominale, il tipo di veicolo, l'orario di ricarica, il fattore di simultaneità, i carichi ausiliari, il fattore di potenza, le armoniche e l'espansione futura prevista. Utilizzare questi fattori per determinare la potenza nominale del trasformatore, il numero di trasformatori, i quadri MT, i circuiti BT, il livello di protezione dell'involucro, il metodo di ventilazione, la protezione e la disposizione di misurazione.
4. Preparare e presentare i disegni tecnici — Il produttore dovrebbe preparare il disegno di disposizione generale, lo schema unifilare, il disegno delle fondazioni, il piano di ingresso cavi, le schede tecniche delle apparecchiature e la configurazione della protezione. Presentare questi documenti all'ente erogatore e al consulente di progetto prima dell'inizio della produzione. HENTG POWER supporta i team di progetto con la conferma dei dati tecnici, lo sviluppo di SLD e GA, la selezione dei componenti, la revisione dei documenti e l'ingegneria di sottostazioni personalizzate.
5. Installare, testare e mettere in tensione — Dopo la consegna, posizionare le apparecchiature, completare i collegamenti dei cavi ed eseguire test e collaudo.

Le tipiche attività di collaudo includono:

• Ispezione meccanica
• Terminazione dei cavi
• Test di isolamento
• Verifica delle impostazioni di protezione
• Test del trasformatore
• Controlli funzionali
• Test del sistema di comunicazione
• Ispezione dell'ente erogatore
• Messa in tensione finale della rete

Tra tutte le fasi del progetto, l'approvazione della connessione alla rete e l'approvazione dei disegni tecnici sono le due pietre miliari più importanti. La condivisione dei parametri proposti del trasformatore e della sottostazione con l'ente erogatore in una fase iniziale può accorciare significativamente il ciclo di approvazione e supportare la messa in servizio puntuale.

Conclusione

La redditività a lungo termine di una stazione di ricarica per veicoli elettrici è supportata da molti dettagli ingegneristici. Essendo l'asset principale di alimentazione, una sottostazione compatta non può essere selezionata abbinando una sola potenza nominale del trasformatore alla capacità totale dei caricabatterie.

La soluzione corretta richiede un equilibrio tra:

• Condizioni di connessione alla rete
• Domanda di picco effettiva
• Modelli di veicoli e di ricarica
• Restrizioni del sito
• Condizioni ambientali
• Strategia di manutenzione
• Requisiti di espansione futura
• Standard tecnici applicabili

L'approccio raccomandato è determinare prima la domanda di picco realistica, selezionare la configurazione della sottostazione appropriata per il sito e riservare un margine di espansione ragionevole. Ciò aiuta a controllare l'investimento iniziale riducendo al contempo perdite di potenza nascoste, declassamento dei caricabatterie, arresti imprevisti e costose ricostruzioni future.

HENTG POWER fornisce soluzioni integrate di trasformatori e distribuzione di potenza per infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici, tra cui sottostazioni compatte IEC, trasformatori montati su basamento IEEE/ANSI, integrazione di quadri MT, sistemi di distribuzione BT, coordinamento della protezione e supporto ingegneristico specifico per il progetto.