Case studies

Impianto fotovoltaico da 11 kW connesso in rete per utenza artigianale

Una nota azienda di San Benedetto del Tronto ha deciso di installare nel lastrico solare di sua proprietà un impianto fotovoltaico per coprire totalmente i propri consumi energetici e si è affidata alla nostra ditta per un lavoro chiavi in mano.

Taglia dell'impianto

Dopo aver analizzato accuratamente lo spazio disponibile nel tetto ed i consumi dell'utenza (circa 15.000 KWh annui), abbiamo deciso di installare un impianto da 10,98 KW connesso in rete ed in regime di Scambio Sul Posto (SSP). Tecnicamente l’impianto è costituito da 36 pannelli monocristallini Q.Cells da 60 celle e 305 Watt di picco l'uno per un totale di 10,98 KW con un unico inverter centralizzato ABB 10.0. I pannelli sono disposti in 5 vele parallele orientate -17° sud-est ed inclinate con angolo di tilt di 20°. Abbiamo scelto volutamente di installare pannelli da 305 Watt anziché da 310 (anch'essi disponibili nel mercato) rimanendo dunque al di sotto degli 11 kW, proprio per non inserire un quadro di interfaccia esterno, obbligatorio per impianti con potenze maggiori di 11,08 kW, il quale avrebbe comportato aggravio di costi per il cliente di circa un migliaio di euro.

pannelli fotovoltaici

Accumulo si o no?

L’impianto non presenta sistema di accumulo, in quanto ritenuto per tale utenza assolutamente non necessario ed antieconomico: l’azienda lavora sempre ed esclusivamente di giorno, l’impianto è perfettamente tarato su di essa, dunque l’autoconsumo è stimabile intorno al 50% dell'energia prodotta. Lo SSP, finché disponibile, farà il resto per la valorizzazione dei KWh immessi in rete e quando andrà in pensione, sarà sostituito dal RID: l'energia immessa verrà pagata in base al PUN (Prezzo Unico Nazionale) con la sicurezza del PMG (Prezzo Minimo Garantito).

Studio delle ombre e distanziamento delle vele

Le vele sono state opportunamente distanziate, in modo tale che nel giorno più corto dell’anno, il 21 dicembre, quando il percorso solare è il più basso sulla linea dell’orizzonte, venga evitato il mutuo ombreggiamento tra le stesse nelle ore centrali della giornata quando l’irraggiamento è maggiore, dalle 10 di mattina alle 2 di pomeriggio. Questo accorgimento è importante anche perché i pannelli sono disposti in verticale dunque, per costruzione, pochi centimetri soltanto di ombra sarebbero sufficienti a tagliare tutta la produzione elettrica della fila, dunque dell'intera stringa. Se avessimo scelto per il campo fotovoltaico un angolo di tilt maggiore (vicino all'ottimale, pari a 35°) per garantire una produzione elettrica annuale al KW solo lievemente superiore (una trentina di KWh in più ogni KW installato), avremmo dovuto necessariamente distanziare maggiormente le vele, abbassando dunque drasticamente la potenza di picco dell'impianto (e dunque la produzione elettrica complessiva), in quanto nel lastrico solare a quel punto entrerebbe una vela in meno. In alternativa, fissata la potenza del campo, se avessimo voluto mantenere lo stesso distanziamento tra le file, avremmo dovuto accettare pesanti ombre invernali le quali però avrebbero annullato lo stesso surplus di produzione elettrica che invece si voleva guadagnare. Senza considerare oltretutto che avremmo aumentato notevolmente le spinte del vento, con conseguente necessità di maggiori zavorre, maggior peso gravante sul solaio, maggiori costi per il cliente. La configurazione scelta dell'impianto fotovoltaico con inclinazione di tilt di 20°, fissato l'azimuth a -17° sud-est, è pertanto la migliore possibile: è l'unica che consente di massimizzare potenza del campo e producibilità elettrica annuale, minimizzando al contempo le ombre, i costi per il cliente ed i carichi sul solaio. La foto che segue è stata per l'appunto scattata esattamente nel solstizio d’inverno, il 21 dicembre alle ore 14.00: si può chiaramente vedere che le vele non si ombreggiano tra loro. Sono totalmente assenti altri ombreggiamenti di natura “puntuale” e “clinometrica”.

pannelli fotovoltaici

Attenzione al vento! Ed anche al peso!

Il lastrico solare sede dell'intervento è totalmente esposto al vento da nord, senza alcun riparo o minima protezione fornita da edifici circostanti: il calcolo delle spinte ribaltanti e delle azioni compensative da adottare (zavorre, perni, tiranti etc...) doveva esser quindi particolarmente accurato e scrupoloso, col vincolo però di non aumentare eccessivamente il peso sul solaio. L'ingegnere strutturista dell'edificio ci ha comunicato un carico di progetto del tetto piano pari a 200 kg/mq. Come potevamo riuscire ad ottenere allo stesso tempo la massima potenza del campo, la massima producibilità specifica, una grande resistenza sia all'azione del vento che alle infiltrazioni d'acqua ed al contempo un carico addizionale ragionevole sul solaio? La sfida era ardua...

tetto solaio edificio azienda impianto in costruzione
tetto solaio edificio azienda impianto in costruzione

Forare la guaina o utilizzare pesanti zavorre?

Nel lastrico solare era presente una vecchia guaina, tutta spaccata che già creava diversi problemi di infiltrazione d'acqua ed umidità: era chiaramente da sostituire, senza se e senza ma.

Avremmo potuto poggiare pesantissime zavorre sopra la vecchia guaina (danneggiandola ulteriormente) per poi successivamente installare l'impianto sopra di esse e riposizionarne una nuova, oppure costruire tutto solo dopo la messa in posa del nuovo bitume a coprire il vecchio ormai danneggiato: per noi queste erano indubbiamente le soluzioni più facili e redditizie, ma per il cliente, indubbiamente le peggiori, per via del peso eccessivo e dell'impermeabilizzazione non ottimale. Certo, potevamo sempre ridurre il peso gravante sull'edificio abbattendo l'angolo di tilt, ma in questo caso avremmo anche ridotto la producibilità elettrica annuale dell'impianto, senza neppure risolvere i problemi d'infiltrazione. Né era pensabile, con una nuova impermeabilizzazione appena fatta, forare il solaio per inserire perni al fine di ridurre le zavorre necessarie.

La nostra soluzione “sui generis”

Abbiamo dunque lavorato così: prima di posizionare l’impianto, abbiamo forato la vecchia guaina danneggiata con punte “a muro” diametro 14, inserendo successivamente per una ventina di cm circa, delle barre filettate d'acciaio diametro 12, ancorandole mediante resine epossidiche. Ad indurimento completato, abbiamo impermeabilizzato il tutto mediante sigillante bituminoso in doppia mano e rondella in gomma EPDM, di quelle da noi utilizzate nelle installazioni nei tetti a falda: un dado fa spanciare la guarnizione al suolo ed il tutto viene coperto da un'ultima mano di bitume. Successivamente le barre sono state affogate nel cemento gettato dentro delle casseforme da noi stessi preparate: in tal modo abbiamo realizzato zavorre (sottodimensionate per via dell'azione ancorante delle barre filettate) dove appoggiare tutta la struttura e contrastare il temibile "effetto vela" del vento.

guaina punte impianto
tetto solaio impianto fotovoltaico
tetto solaio impianto fotovoltaico

Per non gravare troppo il solaio di peso addizionale abbiamo cercato di posizionare le zavorre in modo estremamente strategico: quelle a nord delle vele sono ovviamente più funzionali all’azione antiribaltamento rispetto alle corrispondenti a sud, dunque sono state poste proprio in corrispondenza di colonne e travi portanti dell’edificio e caricate maggiormente di cemento. Le zavorre a sud invece, sono state posizionate in mezzeria: in fase di getto abbiamo inoltre aggiunto del polistirolo alle casseforme in modo tale da alleggerirle. Nel risulta ad impianto finito un peso addizionale zavorre + meccanica + pannelli + bulloneria + cablaggio di circa 40 kg/mq, più o meno uniformemente distribuito sul solaio, abbondantemente quindi sotto il carico di progetto e con possibilità di accettare senza alcun pericolo ulteriore peso (ad esempio per accumulo di neve o spinte del vento). Successivamente una nuova guaina ha ricoperto il tutto.

peso zavorre impianto fotovoltaico
peso zavorre impianto fotovoltaico
peso zavorre impianto fotovoltaico
peso zavorre impianto fotovoltaico

Struttura di sostegno autocostruita

La struttura di sostegno, ovviamente progettata tenendo conto delle azioni di vento e neve secondo le NTC, è vincolata alle zavorre mediante le barre filettate ed è autocostruita: una volta acquistato il ferro grezzo, lo si è lavorato opportunamente con tagli e fori ed in ultimo si è adeguatamente zincato a caldo per garantire un'eccellente durata e protezione dalla corrosione.

La bulloneria utilizzata è tutta in acciaio inox AISI 316. Le vele sono tra loro collegate in modo tale da irrigidire ulteriormente tutta la struttura e ripartire il carico dell’impianto uniformemente su tutto il lastrico solare. Sono anche fissate a vecchi punti di ancoraggio presenti della vecchia insegna luminosa: la sicurezza non è mai troppa!

barre struttura di sostegno impianto fotovoltaico
funi ancoraggio barre struttura di sostegno impianto fotovoltaico

Un'intelligente combinazione di perni a terra, zavorre e tiranti

Particolare importanza è stata data all’azione del vento sulla vela più esposta, che tra l’altro è anche la più alta avendo doppia fila di pannelli, vela che ovviamente “si becca” tutto il vento da nord e protegge parzialmente tutte le altre. L’azione del vento ribaltante è contrastata dal peso di zavorre, pannelli e struttura meccanica, oltreché dalle barre filettate inserite nel solaio che presentano una ben precisa forza di estrazione: l'equilibro statico della vela, matematicamente espresso dalla condizione “Momento stabilizzante = 1,5 volte Momento ribaltante” è così garantito (1,5 è il fattore di sicurezza scelto in fase progettuale). Non contenti, siccome vogliamo dormire sonni ben tranquilli anche se il sito considerato sarà un giorno investito da un uragano, abbiamo scelto di inserire, come ulteriore misura di sicurezza, dei tiranti con corde d’acciaio diametro 10 mm su ciascun triangolo di sostegno della grande vela a nord, con tasselli diametro 14 che entrano nel cemento armato del solaio e lavorano perpendicolarmente alla direzioni di tensione delle funi.

vento vela ancoraggio zavorre struttura impianto fotovoltaico
pannello struttura fotovoltaico

I pannelli non sono solamente fissati mediante i classici morsetti ad omega, ma anche imbullonati in tutti e 4 i punti, nelle asole previste delle cornici d'alluminio, con bulloni diametro 6 e dadi corrispondenti. Una rosetta dentellata andrà a scalfire l’anodizzazione isolante del pannello garantendo la continuità elettrica delle cornici con la struttura metallica, messa a sua volta “a terra”.

Ed il cablaggio?

Elettricamente parlando sono state realizzate due stringhe di 18 pannelli in serie l’una, ciascuna connessa ad un singolo MPPT dell’inverter ABB 10.0 che dunque lavora con stringhe indipendenti in punti di lavoro ottimali per tensioni e correnti, quindi alla massima efficienza. Il cablaggio come si può vedere dalle foto è estremamente pulito, tutti i cavi elettrici e tutte le giunzioni sono dentro le barre al riparo da sole ed acqua.

Nel cablaggio delle vele sono anche stati realizzati due anelli ad induzione inversa per ciascuna stringa, sono stati istallati nei quadri AC e DC scaricatori di sovratensione di primaria marca (Zotup) ed i cavi arrivano all'inverter intrecciati. Tutto ciò garantisce abbondante protezione di tutto il sistema da sovratensioni di origine atmosferica. Le connessioni Multicontact MC4 nonostante siano IP67 sono addirittura nastrate con autoagglomerante una per una, ad ulteriore garanzia della tenuta stagna ed onde prevenire perdite di isolamento che manderebbero in blocco l’inverter.

cablaggio struttura pannello fotovoltaico
impianto cablaggio struttura pannello fotovoltaico

Producibilità elettrica annua e benefici ambientali

Le condizioni di esposizione dell'impianto sono assolutamente eccellenti: la producibilità elettrica teorica media è stimata essere 1400 KWh all’anno per ogni KW di picco installato. L’impianto produrrà quindi indicativamente circa 15,4 MWh annui di energia elettrica (all'incirca proprio quelli consumati dall'utenza) consentendo un risparmio di energia primaria di circa 3 TEP (tonnellate equivalenti di petrolio). Considerando che in Italia per produrre un KWh elettrico si immettono in atmosfera 0,53 Kg di gas serra (in base al tipico mix energetico nazionale), segue che il campo fotovoltaico da 11 KW consentirà di evitare l’immissione in atmosfera di circa 8 tonnellate all’anno di gas climalteranti come CO2, metano, ossidi di azoto, ossidi e solfuri di zolfo.

impianto fotovoltaico pannelli

Impianto è monitorato mediante Solarlog, ed una app su smartphone permetterà di risalire alla produzione istantanea, giornaliera, mensile ed annuale in maniera molto facile ed intuitiva. Questo ad esempio è un tipico screenshot di una giornata estiva: come si può vedere la curva è bellissima, con le due stringhe perfettamente omogenee ed una produzione elettrica totale dalle 6 di mattina alle 9 di sera di ben 75 KWh elettrici.

rendimento energetico produzione energia app grafico impianto fotovoltaico

Nel 2020 l'impianto ha messo il turbo: con una produzione elettrica complessiva di ben 16,7 MWh, la producibilità specifica è arrivata addirittura a circa 1520 KWh/KWp. La stessa cosa si è ripetuta anche nel 2022. Si può notare come la produzione elettrica sia massima tra aprile e settembre, un po' inferiore a febbraio, marzo ed ottobre, mentre i 3 mesi di novembre, dicembre e gennaio corrispondono al periodo di minor produzione fotovoltaica.

rendimento annuo energetico produzione energia app grafico impianto fotovoltaico

Benefici economici dell'impianto

Infine, un po' di considerazioni economiche sull’impianto. Esso è costato all'incirca 18.000 euro, ma non saranno presenti costi di manutenzione successivi per almeno altri 10 anni: la struttura è stata realizzata con i migliori materiali italiani ed europei che il mercato può offrire e con grande e meticolosità, estrema competenza e particolare cura dei dettagli proprio per esser “manteinence free”. I 15.400 KWh annui di energia elettrica prodotti annualmente, genereranno tra rimborsi SSP e risparmio in bolletta per l'autoconsumo dell’energia prodotta ed istantaneamente consumata, un guadagno annuo al netto delle imposte di circa 4.000 euro. Considerato poi tutti i benefici fiscali connessi all'acquisto dell'impianto (tra cui un superammortamento al 140%), si può dire che l'operazione ha davvero avuto convenienza altissima. La proprietà di questa azienda è stata lungimirante: con un investimento ragionevole si è messa al riparo dai grossi aumenti del costo dell'energia che ci sono stati negli ultimi tempi e prevedibilmente ci saranno in futuro. Il TRA dell'investimento, ovvero il tempo di ritorno attualizzato è di soli 6 anni; il VAN, ovvero il valore attuale netto, è superiore a 50.000 euro in 30 anni; il TIR ovvero il tasso interno di rendimento è del 22%; il ROI (return on investment) è di 2,99. Capiamo bene però che non tutti sono esperti di teoria dell’analisi economica degli investimenti: cosa significa in soldoni tutto questo? Significa sostanzialmente che il cliente per ogni ogni euro investito ne ha guadagnati praticamente 3; che tra 30 anni avrà avuto un guadagno, al netto delle spese di acquisto, superiore a 50.000 euro; che ha fatto un investimento il cui tempo di ammortamento è di soli 6 anni ma dalla durata molto maggiore. Tutti i flussi di cassa sono negativi fino al quinto anno perché i guadagni dell'energia autoprodotta ancora non compensano ed eguagliano la spesa sostenuta, ma dal sesto anno in poi si è già in attivo. Sostanzialmente, è come se il cliente, lungimirante ed attento all'ambiente, avesse messo soldi in banca, con un vincolo minimo di 6 anni, ma con tasso di rendimento del 22%. Se riuscite a trovare un investimento bancario così sicuro ed etico con un rendimento così alto, scriveteci! Giuro che vi paghiamo da bere... e non una birra alla spina 0.2, ma una bottiglia di Barolo o Brunello di Montalcino!

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