Come ridurre i costi per l’impianto fotovoltaico in caso di ristrutturazione o nuova costruzione

Attraverso moderne tecniche è possibile ridurre del 15% il dimensionamento dei cementi armati e rendere antisismiche strutture di cemento armato esistenti che con il carico originale e le normative vigenti non lo sarebbero.

I nostri consumi e l’evoluzione dei sistemi domestici, quali pompe di calore e climatizzatori, cucine ad induzione, robot di varia natura, domotica e la diffusione totale di PC, nonostante le “promesse del grafene” probabilmente raddoppieranno in pochi decenni il nostro fabbisogno elettrico “domestico” sia di potenza che di energia pro capite. La soluzione più logica è sicuramente quella di applicare in modo più efficiente e conveniente la produzione fotovoltaica distribuita presso le abitazioni, sottraendo ad esse il calore del sole quando esso non fosse già utilizzato con elevati rendimenti (pannelli solari termici third-gen o termo-fotovoltaici). Tramite le nuove tecnologie e le sinergie offerte dalla progettazione integrata oggi è possibile raggiungere rendimenti economici per kWh (lungo tutto il life-cycle dell’installazione) superiori a quelli delle centrali fotovoltaiche, evidentemente favorite nel confronto da ampie economie di scala, che riducono il costo specifico dell’installazione. Valutando la Terra come sistema energetico e analizzando dove avvengono i consumi meno efficienti, dove si manifestano quindi aumenti di entropia evitabili e dove è possibile ridurre l’aumento di energia termica entrante, ci si focalizza sulle abitazioni e sugli edifici sede di industria.

Impianti solari fotovoltaici
Per aumentarne l’appetibilità oggi è possibile spingere in due direzioni: aumentare i rendimenti degli impianti fotovoltaici, o diminuire l’impatto dei costi di installazione e di esercizio dell’energia prodotta. In questo articolo non ci soffermeremo sulle nuove tecnologie di produzione dei pannelli, o sulle innovative tecnologie sinergiche che ne aumentano il rendimento, nemmeno tratteremo le nuove tecnologie quali film sottile, che prevedono applicazioni sinergiche in superfici non planari e nemmeno affronteremo le vernici fotovoltaiche, né le tegole in vetro. Qui parleremo di come è possibile rendere accessibile e molto conveniente un investimento in impianto fotovoltaico ecologico al fine di produrre energia da auto-consumare. Le soluzioni di eccellenza nel riqualificare energeticamente un edificio si presentano ad esempio quando ci si trova ad affrontare la manutenzione degli impianti, per i quali conviene valutare la redditività di sistemi radianti-convettivi mossi da impianti termo-fotovoltaici, oppure quando il sito presenta l’opportunità di installare sistemi solari termici pluri-pannello, magari integrati architettonicamente in oggetti ben progettati, la cui inclinazione li renda stabili motori termici a stagionalità nulla per grandi quantità d’acqua di accumulo.
Gli impianti fotovoltaici semplici, quelli in cui la produzione principale è quella elettrica senza trattamento della luce del Sole, sono fatti da:
un generatore, composto da una o più serie di moduli detti stringhe;
un quadro di sezionamento, comando e scarico di sovratensioni di origine atmosferica;
un convertitore DC 300 600 V → AC 240/400V che pone le stringhe in parallelo e sincronizza l’onda di tensione prodotta con la tensione di rete, modulando anche le correnti;
quadri di comando utili all’accoppiamento sicuro alla rete;
molti accessori utili alla gestione della domotica e dell’autoconsumo.

Valutiamo di seguito tre frequenti tipologie di investimento in impianti fotovoltaici e forniamo la stima di massima delle loro caratteristiche peculiari.
Installazione di impianto non integrato, ossia “poggiato” sul tetto, che sia in buono stato; falda principale di forma rettangolare esposta a sud → impianto classico di media convenienza, prezzo basso ma tasso interno di ritorno medio-basso: la convenienza dipende dalla possibilità di autoconsumo e dall’esigenza di ventilare il tetto. Si considerino i problemi dello strappo da vento nei tetti aventi strutture non più nuove.
Rifacimento del manto di copertura con tegole fotovoltaiche tipo Tesla: → impianto molto caro, poco potente e poco produttivo, scarsamente conveniente; tempo di ripagamento molto elevato, indicato ad utenti legati all’ottimistico glamour di un’estetica innovativa. Bassa manutenzione.
Rifacimento del tetto mediante moduli fotovoltaici, realizzando un impianto integrato architettonicamente con moduli classici di dimensioni standard. Questi ultimi impianti sono quelli esaminati in seguito poiché essi presentano potenze, produttività e rendimenti economici elevatissimi. I tradizionali pannelli fotovoltaici sono incorniciati tramite un sistema realizzato dalla Schweizer-Metallbau con la finalitàdi raggiungere la totale integrazione architettonica. In questo modo possono sostituire anch’essi le tradizionali coperture laterizie, con costi e pesi minori, e rendimenti molto maggiori delle tegole. Queste soluzioni costituiscono quindi un ottimo elemento di progettazione per costruzioni nuove e un elemento molto utile per riqualificare, ai fini antisismici ed energetici, le abitazioni aventi tetti da manutenere in modo importante e definitivo.

Illustrazione dell’accoppiamento laterale tra due pannelli Aleo con cornice Solrif

Vediamo perché
Nuove costruzioni – Sarà possibile e vantaggioso progettare tetti in cui siano presenti due falde, inclinate, e sarà meglio dimensionare quella a sud maggiore di quella a nord.
Il tilt compreso della falda fotovoltaica potrà scendere anche fino ad 11° e sarebbe bene che fosse minore di 45° (il che di solito è sufficiente). Questa situazione per la realizzazione di un fotovoltaico integrato è perfetta oggi, mentre una volta era, bio-climaticamente parlando sconsigliabile, inadeguata ai posti caldi ed assolati frequenti in Italia. Oggi la sottostante mansarda si raffredda e riscalda da sola grazie all’impiego della soluzione che andiamo a descrivere [[3 kW richiedono meno di 15 mq]].

Edificazione e copertura di un piano mansarda aggiuntivo tramite Impianto integrato Solrif, due tipi di modulo (48 e 60 celle) di diverse profondità per evitare lattonerie superflue 15 kW. Progetto edile: Progetto Habitat di geom. Giuliano Bennati. Progetto integrato Fotovoltaico: ing. Alessio De Angelis Adea S.r.l.

Costruzioni esistenti – Sia che si parta dalla fortunata falda rettangolare, sia che si tratti di altre forme è necessario un primo passo di progettazione integrata al fine di massimizzare la superficie a sud ricoperta dal vetro. Lo studio sarà volto a minimizzare l’uso di elementi di raccordo e di gronda o laterizi tradizionali. Potrà quindi rendersi necessario proporre piccole variazioni della dimensione del cornicione o sfruttare le differenti altezze comportate dall’isolamento termico nuovo al fine di comporre lunghezza e larghezza di falda sud pari ad un numero intero di dimensioni dei moduli a disposizione. Per inciso va detto che la richiesta di autorizzazione a modificare in questi casi è semplificata, specie se operata da professionisti specializzati in paesaggistica abbinata all’uso di rinnovabili, agevolata dalle leggi attuali e dalla gran varietà di dimensioni di moduli con questo tipo di cornice.

Ristrutturazione casa costruita nel ‘700, tetto con forma ad L con due impianti da 4,5 kW disposti su quattro file da sei pannelli e due file da tre pannelli. Adea S.r.l.

Sarà quindi possibile ricoprire varie superfici, inoltre tramite gli ottimizzatori si possono realizzare stringhe ponendo in serie anche pannelli di differente taglia e dimensione. La produzione avverrà comunque con parametri ottimali per ogni singolo modulo massimizzando sempre la potenza del sistema complessivo, anche se alcuni moduli rimanessero ombreggiati da comignoli o alberi. Ben sappiamo che per i tetti tradizionali delle villette è necessario appoggiare la copertura su una orditura principale (passo 50 cm) che lega la falda solamente in direzione trasversale dal dormiente al colmo; ad essa andrà aggiunta la piccola orditura, fitta 30 cm di passo e di resistenza irrilevante ai fini antisismici.

Diversamente per il Solrif l’orditura secondaria (quella orizzontale, i correntini) è distanziata da passo di circa un metro (in media, dipende dalle dimensioni del modulo) senza necessità di orditure verticali frequenti come nel caso classico (i montanti cantonali possono anch’essi avere passo di 1 m). Il profilo consigliato per l’orditura è cm 3 x 10 ma sarà possibile porre un 5 x 10, cosicché se i correnti sono ben fissati ai cantonali viene generata una rete, leggera ma molto flessibile, resiliente e resistente a trazione. La soluzione è ottimale ai fini antisismici e strutturalmente sicura pur presentando costi bassi. A partire dalla realizzata orditura, completata dall’adeguato isolamento, va detto che Il montaggio dei pannelli risulta agevole e molto più veloce della posa delle tegole. Esso richiede una carpenteria di precisione ad elevata specializzazione, l’elevata expertise del capo cantiere deve insistere in un approccio di misurazione e tracciatura di tipo zero-based con riferimento all’angolo basso a dx: pochi millimetri accumulati possono compromettere il completamento della posa dei moduli. I moduli così installati risultano molto ben ancorati dai ganci di acciaio armonico e non soggetti a elevato strappo da vento. Essi possono essere sfilabili e manutenibili con libero intervento sulle singole file, o è possibile decidere quanto legarli alle file soprastanti ai fini di garantire una resistenza allo strappo da vento ancora maggiore (ma con una eventuale manutenibilità lievemente più difficoltosa).
Confrontando i diversi tipi di elemento di copertura per la realizzazione di tetti nuovi è possibile affermare con sicurezza che si risparmia molto peso, come indicato in tabella seguente riferita ad un mq di tetto.

Altri vantaggi della soluzione di copertura innovativa con fotovoltaico integrato architettonicamente
1) Si evidenzia un rilevante risparmio di tempo di montaggio in quanto:
– L’orditura di montaggio è molto più rapida da costruire.
– I pannelli si trasportano e montano molto più velocemente sul tetto dei singoli laterizi.
– La progettazione integrata favorisce la costruzione di razionali grondaie, frontali e colmi che automatizzano le opere di edilizia a secco.
2) E’ possibile realizzare tetti molto ben ventilati, anche agendo in retrofit su orditure già presenti e in buono stato (si vedano le figure), e realizzare eventualmente virtuosi doppi isolamenti tramite sughero.
3) L’isolamento risultante èmolto maggiore rispetto al caldo irraggiato dal Sole, in quanto si osserva che:
i) bassi angoli generano un rimbalzo della componente non assorbita e trasformata dalla cella fotovoltaica.
ii) il calore che penetra quando l’incidenza è ortogonale, minore rispetto a quello scaldante elementi laterizi tradizionali, è comunque smaltito meglio dal canale d’aria che ventila in modo continuo questo tipo di tetti. Esso è anche decurtato del rendimento del modulo del 20% circa.
L’isolamento dal freddo è maggiore grazie alla totale assenza di umidità e al doppio isolamento che la soluzione permette di realizzare.

1 gancio di fissaggio in acciaio armonico, orditura Solrif: tavola in larice da mm30 x 100, 3 pannello Aleo S79Sol_300W, 4 Pannello Isolante supplementare in poliuretano md o sughero, 5 isolante primario in poliuretano a bassissima densità, 6 eventuale telo vapore, 7 orditura originaria, 8 gancio per gronda, tirafondi su orditura stagionata pre-forata

4) In ultimo, è importante dire che la notevole riduzione del peso della copertura genera i seguenti effetti:
– E’ possibile rendere antisismiche strutture di cemento armato esistenti che con il carico originale e le normative vigenti non lo sarebbero. A tal fine si sfruttano le suddette sinergie per “legare” il tetto.
– E’ possibile ridurre fino al 15% il dimensionamento dei cementi armati in villette nuove; quindi risparmio di costi, qualità architettonica, strutturale ed ecologica.
Quest’ultimo aspetto, letto nella fondamentale logica di progettazione integrata, ci permette di affermare che, al giorno d’oggi, la costruzione di una villetta di due o tre piani con tetto fotovoltaico del tipo descritto è più economica e qualitativa rispetto all’equivalente soluzione tradizionale. Con l’investimento necessario a rifare il tetto a norme antisismiche è possibile rifarlo di vetro fotovoltaico garantito 25 anni su ogni difetto. Inoltre esso alimenterà la casa sottostante. Voglio aggiungere che, tramite gli stessi sistemi che forniscono l’ottimizzazione dei moduli, oggi è possibile:

• Realizzare stringhe molto lunghe e di alto voltaggio
• Effettuare un sezionamento di emergenza sul singolo modulo ai fini antincendio
• Aumentare l’autoconsumo monitorandolo via remoto.
• Gestire la quantità di energia reimmessa in rete
• Attivare carichi e disattivarne altri
• Programmare le azioni di cui sopra tramite comoda interfaccia web app-mobile
• Effettuare attivazioni o interventi di gestione una tantum via remoto app-mobile
• Accumulare l’energia non reimmessa in rete tramite accumulatori ad alta tensione di elevata qualità che, lavorando in corrente continua a valle dei moduli e a monte dell’inverter, non hanno la decurtazione di efficienza dovuta alla doppia trasformazione ad opera dell’inverter.

Quest’ultimo aspetto è il principale motore innovativo che rilancia il settore oggi, ma purtroppo sovente esso rappresenta solamente un investimento emotivo.
Oggi è molto facile rinnovare impianti un po’ datati senza necessità di abbandonare moduli ancora efficaci (Rewamp) grazie ai suddetti sistemi basati sugli ottimizzatori di potenza.

Ventilazione convettiva del pannello grazie alla doppia circolazione naturale di aria calda

In sintesi è possibile affermare che le città modello in cui ogni abitazione si auto-produce il fabbisogno elettrico sono divenute possibili (accumulatori permettendo), a portata di mano (in presenza di consumi sincroni al Sole) e che questa sarebbe una strada da intraprendere per il futuro dell’umanità.

Articolo di Alessio De Angelis > AdeA s.r.l. Società di ingegneria
Pubblicato sul “il GIORNALE dell’INGEGNERE” di ottobre 2017