Dimensionamento di un impianto fotovoltaico residenziale e del relativo accumulo

Impianto fotovoltaico: il dimensionamento per un immobile residenziale

Dimensionare un impianto fotovoltaico con accumulo, o senza, richiede l’esperienza di tecnici abilitati ed aziende specializzate nel settore, va fatto ad hoc per ogni installazione e quanto scritto nel presente articolo non è che un assaggio del vasto mondo della progettazione e del dimensionamento di un fotovoltaico, e rappresenta un utile spunto per chi volesse approfondire ed addentrarsi nel dettaglio di questi impianti.

In un periodo storico come quello che stiamo vivendo, di forte volatilità del prezzo dell’energia, sia elettrica che termica, conseguente al costo inclemente delle materie prime, sempre più persone guardano al fotovoltaico come un modo per difendere il proprio reddito e la propria libertà energetica. In Italia abbiamo una quantità limitata di materie prime energetiche rispetto ad altri paesi europei, se guardiamo alle fonti fossili, se, invece, consideriamo l’energia rinnovabile, proveniente dal Sole, le cose cambiano notevolmente.

Ma quando ci si avvicina al mondo del solare fotovoltaico, le domande che quasi sempre mi sono state fatte sono ‘Quanti pannelli servono?’, ‘Conviene una batteria?’, ‘Che batteria devo acquistare per i miei consumi?’

In effetti, il costo di questi impianti non è ancora pari a quello di un elettrodomestico qualsiasi, soprattutto per le batterie o accumuli elettrici, è ancora sostenuto, pur essendo notevolmente diminuito rispetto a qualche anno fa. Per districarsi tra il troppo ed il troppo poco, è meglio rivolgersi ad un professionista che farà dei calcoli ad hoc, ma possiamo sicuramente cercare di comprendere in generale il principio di questi calcoli ed avere un’idea del risultato.

Premetto che in questo articolo si parlerà solo del dimensionamento tecnico dei dispositivi e non di tutto l’iter burocratico, che è ancora molto invadente, sebbene sia stato semplificato, e che non è oggetto di questa trattazione.

Prima di iniziare qualsiasi lavoro di posa di un impianto fotovoltaico si dovranno verificare, ad opera di un professionista abilitato e competente in materia, tutte le condizioni e le disposizioni di legge, anche eventuali vincoli, che sono presenti, presentando le pratiche a tutti gli enti coinvolti.

Torniamo al nostro impianto fotovoltaico residenziale da dimensionare. Partiamo con alcune definizioni indispensabili per poter comprendere il resto dell’articolo.

Impianti fotovoltaici: le definizioni

• Pannelli fotovoltaici (o più correttamente moduli fotovoltaici) organizzati in stringhe, ossia più moduli collegati in serie che formano una stringa. In un impianto c’è minimo una stringa, negli impianti residenziali, molto spesso ce ne sono due.
• Inverter: convertitore di energia da continua ad alternata che si adatta alle specifiche di rete tramite una protezione di interfaccia interna; l’inverter ha all’interno, tra le altre cose, le logiche di funzionamento dei moduli fotovoltaici.
• Quadri elettrici DC ed AC: sono i quadri che ci consentono di proteggere la linea del fotovoltaico da guasti verso terra e da sovraccarichi di corrente, oltre che di spegnere l’impianto per poi riaccenderlo, e, come si dice in gergo, di sezionarlo.
• Accumulo elettrico: detto anche ‘batteria’, serve ad accumulare l’energia elettrica in eccesso o che, altrimenti, andrebbe nella rete elettrica nazionale, per poterla usare in un momento in cui i pannelli fotovoltaici non stanno producendo, quindi in ‘differita’.
• Azimut: angolo tra l’orientamento dei pannelli ed il SUD, quindi sarà 0 a SUD, negativo ad EST e positivo ad OVEST.
• Tilt: inclinazione dei moduli rispetto all’orizzontale. Se sono orizzontali sono zero gradi.
• Unità di misura:
  - kWh: misura la capacità energetica, ossia quanta energia ho prodotto accumulato in un tempo più o meno lungo, ore, giorni, mesi, anni
  - kW: rappresenta una potenza istantanea, che può variare anche di molto in ogni istante (moltiplicata per un tempo, mi dà un’energia, ossia ad esempio, i kWh di cui sopra)
  - kWp: un’unità di misura specifica del fotovoltaico, si legge ‘kilo Watt di picco ’ e rappresenta una potenza nominale, di regola quella massima producibile dall’impianto fotovoltaico in particolari condizioni, molto difficili a verificarsi. Solitamente nell’arco dell’anno viene raggiunta poche volte.

Per ulteriori definizioni o per approfondirle, rimando al mio precedente articolo “I 7 errori più comuni nella progettazione ed installazione di un impianto fotovoltaico residenziale” dove si approfondiscono i temi squisitamente installativi entrando nel dettaglio dei vari dispositivi che compongono un impianto fotovoltaico e della loro funzione.

Parte A: dimensionamento dell’impianto fotovoltaico

La prima cosa da fare è conoscere quali parametri influenzano la dimensione dell’impianto fotovoltaico.

I più importanti sono:

• I consumi dell’abitazione: i consumi annuali, per quanto riguardo il SOLO fotovoltaico sono sufficienti, vedremo per il dimensionamento dell’accumulo, invece, che ci servirà qualcosa di più preciso
• Forma e dimensione del tetto: servirà sopralluogo approfondito per aver una chiara rappresentazione del luogo dove posizionare i moduli fotovoltaici.
• Come è esposto il nostro tetto: è fondamentale sapere dove è il SUD per cercare di orientare nel miglior modo possibile il nostro impianto, la produttività dello stesso cambia anche in base a questo; in caso di tetto piano, si dovrà scegliere anche il tilt oltre all’azimut.
• Ombreggiamenti: verificare ed annotare le posizioni di tutti i possibili ombreggiamenti, con le loro dimensioni e collocamenti sul tetto o fuori dal tetto, ad esempio, in caso di alberi.
• Luogo in cui ci si trova: è sufficiente indicare la città o anche le coordinate geografiche, ci sono software o siti internet che fanno dei calcoli sulla produttività dell’impianto in base alla città più vicina presente nel database.
• Spazio all’interno della casa: dovremo trovare una collocazione per i quadri AC e DC, per l’inverter ed, eventualmente, anche per le batterie.

Siamo pronti per fare il sopralluogo, che deve effettuare persona esperta, con le abilitazioni a norma di legge per lavorare in quota ed i dispositivi di sicurezza per poter salire sul tetto e permanere correttamente (serve in tal caso una linea vita o dispositivo analogo richiesto dalla legge).

Il sopralluogo può essere fatto con maggiore sicurezza utilizzando un drone che andrà per noi sul tetto fotografando ostacoli e tetto dall’alto, l’immagine andrà opportunamente scalata con delle misure di riferimento, agevolando il passaggio successivo di creazione della planimetria. Per l’uso del drone, servono particolari patentini da conseguire. Si prenderanno con attenzione tutte le misure principali e necessarie per costruire la planimetria.

Si considererà anche l’installazione della linea vita: può essere di varia natura, ad esempio un cavo d’acciaio o dei ganci da montare sul tetto e che serve per agganciarsi con le imbracature. L’installazione, come il sopralluogo, dovranno essere fatti ai sensi del D. Lgs. 81/08 e successive modifiche ed integrazioni.

Tutti gli ostacoli dovranno essere posizionati con esattezza sulla planimetria (preliminare) che stiamo costruendo: camini, sfiati, lucernari, parapetti in caso di tetti piani, altri impianti, come ad esempio solare termico, parabole, anche la linea vita stessa costituisce un ombreggiamento, ecc..

Non dobbiamo dimenticare gli ostacoli fuori dal tetto: alberi, palazzi adiacenti più alti, campanili, colline a ridosso, pali stradali, ecc..

Si verificherà da dove passeremo con i cavi delle stringhe del fotovoltaico, cavi che andranno dai moduli sul tetto al quadro DC. Si verificheranno anche tutti i passaggi dei cavi AC che dovranno arrivare al punto di parallelo con la rete elettrica. Si faranno le misure di terra ed in generale quanto richiesto dalla regola dell’arte. Si verificherà dove dovranno essere posizionati i quadri DC ed AC e l’eventuale contatore M2, detto di produzione (sebbene sia appena uscita una legge che ne limita l’utilizzo ad alcuni casi, potrebbe essere ancora richiesto, meglio non farsi trovare impreparati).
È ovviamente necessario che l’impianto elettrico dell’utente sia a norma di legge, per cui dovremo farci dare la DI.CO. del suo impianto elettrico preesistente.

Verifiche ed installazione dovranno essere fatte da impresa elettrica regolarmente abilitata ai sensi del D.M. 37/08 e di tutte le norme del settore.

Se si vuole inserire un accumulo, si verificherà anche per questo se lo spazio è sufficiente. Nel verificare lo spazio per ogni dispositivo ci si dovrà attenere ai rispettivi manuali previamente consultati. Si consiglia di dedicare il giusto tempo, senza fretta, al sopralluogo, perché ogni momento speso in questo fondamentale passo, contribuirà ad ottenere un risultato preciso ed affidabile, ma soprattutto eviterà di trovarci in situazioni che, a giochi fatti, saranno di difficile, se non impossibile, soluzione.

Progettazione dell'impianto fotovoltaico, ecco alcuni esempi

Successivamente si realizzerà una planimetria su CAD oppure utilizzando uno dei vari software che permettono di calcolare dagli ombreggiamenti alle parti elettriche del fotovoltaico. Gli ombreggiamenti sono complessi da calcolare manualmente, si potrà raggiungere una certa precisione con un software dedicato.

Facciamo alcune ipotesi al fine di poter fare un esempio. Supponiamo di avere un consumo annuo di 4400 kWh, un consumo medio alto. Abbiamo un tetto a doppia falda, di cui quella rivolta verso SUD-EST risulta la più interessante e ha un’estensione di circa 50 metri quadri. Consideriamo un tetto privo di ostacoli, senza alberi che ombreggiano o camini davanti ai pannelli, perché in questo caso si necessita di software di simulazione appositi per poter calcolare la reale produzione (e si richiederebbe, quasi certamente, l’aggiunta di ottimizzatori). Ci troviamo, ad esempio, in centro Italia, a Roma. Con l’ausilio di qualche strumento online, si può facilmente trovare che un impianto nella zona di Roma produce circa 1350 kWh/anno per ogni kWp di fotovoltaico installato a Sud, nel nostro caso a SUD-EST, produrrebbe circa 1300 kWh/anno.

Quindi basta fare la seguente operazione riferita ad un anno: 4400 kWh / 1300 kWh/kWp è circa uguale a 3,4 kWp.

La potenza dell’impianto fotovoltaico sarà di 3,4 kWp circa. Con i pannelli attualmente in commercio un kWp occupa, su un tetto a falda, in base al tipo di pannello che consideriamo, dai 5-6 agli 8-9 metri quadri al netto degli spazi vuoti che si potrebbero lasciare e nella configurazione più compatta. Nel nostro caso, il tetto sarebbe sufficiente. Nel caso di un tetto piano, l’impianto, per ogni kWp, occuperebbe molto più spazio e ci sarebbero, molto probabilmente, anche dei parapetti, il cui ombreggiamento toglierebbe notevole spazio a quello utile.

Un professionista abilitato redigerà un progetto, facendo i calcoli sopra e calcolando le sezioni dei cavi AC e DC, gli organi di manovra da inserire nei quadri e come suddividere l’impianto fotovoltaico in stringhe: può esserci una sola stringa o più stringhe (per un impianto monofase residenziale sotto i 6 kWp sono normalmente massimo due stringhe).

La scelta sarà fatta utilizzando un configuratore messo a disposizione dalla casa produttrice dell’inverter. Invece, per i calcoli elettrici, ormai si usano software dedicati, che danno sezioni in base alle cadute di tensione ed alla lunghezza ed al tipo di cavo (ma ci sono anche altre variabili, come la temperatura, la posa, ecc… che vanno considerate).

Ora che è stato calcolato il nostro ipotetico impianto fotovoltaico, possiamo pensare che le nostre bollette si azzereranno una volta installato? Niente affatto. Vediamo il perché.

L’impianto fotovoltaico, produce indipendentemente da quando a noi serve la sua energia, quindi se siamo a lavoro ed a casa non c’è nessuno, ma è bel tempo, lui produce, quando torniamo la sera per goderci la nostra energia gratuita… lui non produce più. Oppure ancora, se noi usiamo il forno da 2 kW, ma il fotovoltaico ne sta producendo 3, cosa succede a quello che avanza? Ed ancora, se noi abbiamo bisogno di 4 kW perché abbiamo dovuto accendere lavatrice, lavastoviglie e forno, ma l’impianto produce 2,5 kW, o 1 kW soltanto, perché è nuvoloso? Il resto lo prenderemo dalla rete.
Si entra nei concetti dell’autoconsumo e dell’autosufficienza.

Vediamo di chiarirli con degli esempi. Produco 3 kW e ne consumo 2, il rimanente viene ceduto istantaneamente (parliamo di potenze) in rete e non sarà più disponibile se volessi usarlo in seguito (verrà remunerato, con bassi vantaggi, dal GSE). Produco 3 kW e consumo 4 kW: 3 li prendo dall’impianto fotovoltaico in autoconsumo ed uno lo prelevo dalla rete elettrica, pagandolo al mio trader.

Possiamo definire cosa è l’autoconsumo: la quota parte di energia che prendo dal mio impianto fotovoltaico rispetto a quella che lo stesso riesce a produrre in un anno, giorno, mese, ecc… Parlerò quindi di autoconsumo giornaliero, annuale, mensile, ecc… ad esempio del 30%, dove su 100kWh prodotti, io ne uso 30 e gli altri 70 vengono ceduti in rete.
In Italia, il 30% è l’autoconsumo medio per un impianto fotovoltaico senza accumulo.

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Nel pdf è presente:

• Esempio estremo per capire cos'è l'autosufficienza
• Parte B: dimensionamento dell’accumulo elettrico