Il fotovoltaico in Italia e nel mondo

Potenza installata ed energia prodotta nel mondo

Alla fine del 2015 risultano installati a livello mondiale circa 227 GW[1] di impianti fotovoltaici (FV) per la produzione di energia elettrica, comprendendo sia la generazione immessa in rete sia l’energia auto-consumata in loco da utenze e comunità isolate dalla rete (Figura 1). L’incremento annuale nel 2015 è stato pari a circa 50 GW, con un aumento di circa il 28% rispetto al 2014, mentre nel 2014 erano stati installati circa 40 GW, cioè il 24% in più rispetto al 2013 [1]. Circa la distribuzione geografica, il 60% delle installazioni nel 2015 è avvenuto nei Paesi asiatici, soprattutto in Cina (15,3 GW) e in Giappone (11,0 GW), mentre il 17% è stato registrato in Europa e il 15% negli USA; tutti gli altri Paesi hanno contribuito per l’8%. La Cina, oltre ad avere il primato del 2015 con 15,3 GW, è il Paese con la maggiore potenza cumulativa installata (43,6 GW), seguito dalla Germania (39,7 GW) e dal Giappone (34,4 GW). L’Europa ha perso quindi, come già si era iniziato a manifestare nei tre anni precedenti, il ruolo di mercato leader per questa tecnologia.

Potenza installata ed energia prodotta in Italia

In Italia, alla fine del 2015, erano in esercizio circa 688.000 impianti corrispondenti a 18,9 GW installati [1, 2]. La diffusione del fotovoltaico in Italia è stata sostenuta dagli incentivi del “Conto Energia” (2006-2013), risultati determinanti per la sostenibilità economica degli investimenti, visto che il costo del kWh prodotto dalla tecnologia fotovoltaica era più elevato rispetto alle fonti tradizionali, soprattutto negli anni iniziali del programma di incentivazione.

L’energia elettrica generata da fonte fotovoltaica nel 2015 (pari a 22,6 TWh) ha coperto l’8,3% dell’energia elettrica consumata [2] ed è risultata la seconda fonte rinnovabile dopo l’idroelettrico (17,1% dell’energia totale) e prima dell’eolico (oltre il 5,4% del totale). Ciò ha collocato l’Italia al primo posto per penetrazione della generazione fotovoltaica nel sistema energetico nazionale, seguita dalla Grecia con il 7,4% e dalla Germania con il 7,1% [1]. In Figura 2 si può osservare il contributo degli impianti fotovoltaici alla generazione elettrica nazionale in una giornata estiva del 2015.

Il “Conto Energia” ha quindi consentito all’Italia di migliorare il suo mix energetico in maniera significativa e di attrarre investimenti importanti, creando al contempo occupazione ed esperienza tecnica nel settore. Il coinvolgimento dell’industria manifatturiera italiana nella produzione dei componenti è stato, tuttavia, modesto, fatta eccezione per i convertitori statici. Gli inverter, che rappresentano una frazione significativa del valore degli impianti, sono un punto di forza dell’industria italiana, che ha saputo sviluppare soluzioni innovative e proporre costi competitivi, diventando esportatrice netta di questa specifica tecnologia.

Il consistente trend di diminuzione dei costi degli impianti fotovoltaici sta portando, nelle regioni più soleggiate d’Italia (Sicilia, Puglia, Calabria e Sardegna), a raggiungere la “grid-parity” (cioè il punto in cui l’energia elettrica prodotta con questa fonte energetica uguaglia il costo dell’energia prelevata dalla rete elettrica per l’utente finale). Infatti in tali zone d’Italia la produzione di energia elettrica annua con impianti fotovoltaici, se correttamente progettati, installati e gestiti, può raggiungere valori di oltre 1.600 kWh/kWp, come ad esempio a Messina, contro i 1.450 a Roma e i 1.200 a Milano.

La diminuzione dei costi e la permanenza di incentivi fiscali (oltre ad alcune limitate agevolazioni tariffarie) consentono al fotovoltaico di rimanere un’industria attiva e con volumi in leggera ripresa. Nel 2015, infatti, in assenza dei contributi in conto energia, sono stati installati circa 300 MW, mentre la potenza installata nei primi 8 mesi del 2016 è di circa 250 MW (+34% rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente) [3]. La maggior parte del mercato attuale riguarda le piccole taglie, fino a 20 kW, che costituiscono il 56% della nuova potenza fotovoltaica installata e corrispondono al 96% degli impianti connessi. Le regioni risultate più attive in questa parte del 2016 sono state Lombardia, Emilia Romagna, Veneto, Abruzzo e Sicilia.

Volume d’affari generato dal fotovoltaico

Gli studi pubblicati da IEA [1] e da SolarPower Europe^[2], forniscono un quadro completo degli aspetti utili, sotto il profilo economico, per stabilire le ricadute dell’incentivazione all’installazione degli impianti fotovoltaici.

In Italia, come in altri Paesi europei, la realizzazione di impianti fotovoltaici è avvenuta principalmente con il supporto di incentivazioni governative: con la conclusione di tali programmi, il volume d’affari annuo si è notevolmente ridotto mantenendo comunque nel 2014 l’apprezzabile valore di 2,3 miliardi di Euro, pur se in diminuzione rispetto ai 2,8 miliardi di Euro del 2013. Tale volume d’affari è stato generato in vari settori d’attività, quali principalmente produzione, distribuzione, installazione, manutenzione, ricerca e sviluppo e formazione.

Per quanto riguarda il Conto Energia, ricordiamo che esso è stato chiuso al raggiungimento della soglia prefissata di 6,7 miliardi di Euro per anno per la remunerazione dell’energia fotovoltaica. Tale programma ha determinato investimenti in impianti per decine di miliardi di Euro in 8 anni. Un limite del Conto Energia è stata la remunerazione troppo generosa della produzione da fotovoltaico che non ha seguito il trend dei costi d’investimento con la dovuta tempistica, offrendo margini elevati per alcuni anni e determinando un aggravio sul costo dell’energia elettrica.

Circa la ricaduta economica corrente degli investimenti nel fotovoltaico, non va dimenticato il volume d’affari derivante dall’esercizio e manutenzione degli impianti (inclusi affitti e assicurazioni) che nel 2015, per gli oltre 18 GW installati, è stato dell’ordine di 400 milioni di Euro.

Diverse imprese italiane, grazie all’esperienza maturata negli anni del Conto Energia, sono attive in ambito internazionale con realizzazioni di migliaia di MW di impianti fotovoltaici (un esempio è riportato in Figura 3).

Le prestazioni e l’affidabilità degli impianti fotovoltaici

Come riportati in vari studi (ad es., quelli dell’IEA PVPS Task 13[3]), i livelli prestazionali degli impianti fotovoltaici sono progressivamente e costantemente aumentati con il passare degli anni. Le principali problematiche che hanno limitato le prestazioni nel passato erano soprattutto legate ad errori progettuali, scarsa affidabilità degli inverter d’impianto, ridotta efficienza degli algoritmi per l’inseguimento del punto di massima potenza (MPPT), lunghi tempi di riparazione dei componenti malfunzionanti e problemi derivanti dall’ombreggiamento dei moduli FV.

Il miglioramento tecnologico dei componenti d’impianto, in termini di prestazioni e affidabilità, unitamente alla maggiore esperienza acquisita dagli operatori del settore (installatori, manutentori, ecc.), hanno consentito di mitigare o risolvere buona parte delle sopramenzionate problematiche.

Valori tipici del Performance Ratio degli impianti fotovoltaici (PR o Fattore di prestazione[4]) sono passati dal 50–75% negli anni ’80, al 70–80% negli anni ’90, fino a valori superiori all’80% negli ultimi anni. Indicativamente, per quanto emerso da analisi effettuate da RSE [3], un impianto ben funzionante presenta valori del PR di circa 80-85%; valori più bassi evidenziano problemi di funzionamento dell’impianto e comportano una diminuzione della produttività che può essere recuperata con un’opportuna manutenzione.

Gli impianti di grossa taglia sono generalmente caratterizzati da valori di PR più elevati e ciò è attribuibile, oltre che alla più attenta progettazione e selezione dei componenti, alla manutenzione accurata cui sono sottoposti anche grazie a sistemi di monitoraggio e analisi dei dati di funzionamento.

Al di là di considerazioni di natura impiantistica (progettazione, manutenzione, ecc.), il livello prestazionale di un impianto fotovoltaico è influenzato in maniera preponderante dalle prestazioni energetiche dei moduli FV di cui è costituito.

Nel grafico in Figura 4 vengono sintetizzate le prestazioni energetiche degli impianti fotovoltaici con moduli di differente tecnologia [4]. In tale grafico è possibile relazionare, nel corso degli anni, la radiazione annuale incidente sul piano dei moduli [kWh/m²/anno] con l’energia prodotta annualmente da ciascun impianto rapportata alla sua potenza nominale [kWh/kW] (cioè con la resa specifica dell’impianto fotovoltaico, che coincide con le ore annue equivalenti di funzionamento alla sua potenza nominale). Nel grafico, i vari impianti sono stati suddivisi per sito d’installazione (Nord e Sud Italia) e per tecnologia di realizzazione (silicio cristallino e film sottile), mentre è indicato con opportune linee il Performance Ratio in corrente continua annuale (PRcc). Risulta immediatamente apprezzabile in figura la coerenza su valori elevati delle prestazioni dei moduli in silicio cristallino contrapposta alla “dispersione” dell’output energetico generato nei diversi anni dai moduli realizzati nelle tecnologie in film sottile.

Nel corso degli anni, i moduli realizzati in silicio cristallino (poli e mono) si sono confermati i più performanti in termini di output energetico (PRcc medio intorno a 90%, secondo i rilievi di RSE). I moduli in film sottile al contrario hanno mostrato prestazioni più variegate, con alcune tecnologie caratterizzate da prestazioni energetiche soddisfacenti (CdTe) ed altre particolarmente scadenti (Silicio amorfo). In tutti i casi è stato registrato un consistente degrado nel tempo sia dell’output energetico che della potenza nominale (più sostenuto durante i primi anni di funzionamento). Tali risultati, ottenuti da RSE [4] tramite le attività di monitoraggio del funzionamento di impianti FV sperimentali realizzati in differenti tecnologie (in corso da oltre 6 anni), appaiono in linea con i valori dell’NREL (US National Renewable Energy Laboratory).

Analogamente, per quanto riguarda la diminuzione media della potenza nominale iniziale dei moduli fotovoltaici (e quindi il loro degrado nel tempo), studi in questo ambito condotti sia da NREL che da RSE [4] per circa 6 anni hanno fatto rilevare che essa è pari a:

• -0,8%/anno per i moduli in silicio cristallino (poli, mono e HIT);
• -2,1%/anno per i moduli in film sottili (Si-amorfo, CIGS e CdTe).

Questi aspetti sono già abbastanza noti agli operatori del settore fotovoltaico, per i quali il principale vantaggio dei moduli in film sottile risiede nel loro minor costo d’acquisto per unità di potenza. Tale vantaggio però è venuto progressivamente meno in seguito al crollo del prezzo del silicio verificatosi negli ultimi anni e all’ottimizzazione delle tecniche di produzione dei celle al silicio cristallino che hanno portato ad una riduzione molto consistente del prezzo d’acquisto. In conseguenza di ciò, i moduli in silicio costituiscono oggi oltre il 90% dei moduli FV installati a livello globale e non sono previste inversioni di tendenza nel breve-medio termine. I film sottili presentano comunque alcune caratteristiche peculiari per applicazioni speciali (es. moduli flessibili o curvi).

La gestione e la manutenzione degli impianti fotovoltaici

L’esecuzione puntuale della manutenzione programmata e non programmata di un impianto fotovoltaico risulta di fondamentale importanza per garantire il mantenimento di livelli prestazionali soddisfacenti e ottenere la resa energetica, e di conseguenza economica, prevista in fase di progetto.

Gli impianti FV sono generalmente affidabili se confrontati con altre tecnologie per la generazione di energia: si ha assenza o quasi di parti meccaniche in movimento (fatta eccezione per eventuali strutture ad inseguimento solare), non si ha alimentazione di combustibile, generazione di rumore, scorie o emissioni inquinanti in atmosfera. Inoltre, vengono utilizzati componenti che sono solitamente caratterizzati da una lunga aspettativa di vita e da manutenzione ridotta rispetto ad es. ad una centrale termoelettrica tradizionale.

Considerazioni di questo tipo potrebbero indurre a sottovalutare la (poca) manutenzione necessaria ma, sebbene il livello di manutenzione richiesto o raccomandato possa variare notevolmente a seconda della tipologia dell’impianto o di eventuali obblighi contrattuali sulla produzione energetica dell’impianto, è possibile identificare delle azioni minime di manutenzione che è bene eseguire periodicamente in quanto, se trascurate, potrebbero favorire il manifestarsi delle problematiche che potrebbero compromettere la prevista produzione energetica.

È bene tenere presente che un impianto fotovoltaico, come qualsiasi impianto elettrico, è soggetto all’obbligo giuridico di effettuare la sua regolare manutenzione tramite un piano di interventi basato su procedure ben definite.

Relativamente al contesto italiano è sempre maggiore il numero di imprese specializzate nella gestione complessiva degli impianti (asset management) che comprende, oltre alle attività di O&M, anche quelle amministrative e commerciali. Ciò è dovuto sia al drastico calo della nuova potenza FV installata negli ultimi anni, che ha causato uno spostamento del core business di molti operatori FV dalle nuove installazioni ad attività di O&M, sia al fatto che molti impianti FV installati negli anni del “boom” (2010-2012) non sono più coperti dalle garanzie stipulate in fase di costruzione (contratti di manutenzione), che si estendevano solitamente dai 3 ai 5 anni.

Gli effetti della penetrazione degli impianti fotovoltaici nel sistema elettrico nazionale: vantaggi e svantaggi

La diminuzione del costo dell’energia prodotta mediante il fotovoltaico e la sempre maggiore rilevanza dei temi ambientali sta comportando una penetrazione degli impianti FV nei sistemi elettrici nazionali, così come quella di altre fonti rinnovabili non programmabili, con percentuali sempre più rilevanti. Nello stesso tempo, l’utilizzo di sistemi di accumulo elettrico in sostegno al fotovoltaico e alle altre fonti rinnovabili non programmabili stanno accompagnando sempre più spesso l’introduzione di tale fonte, favorendo l’autoconsumo dell’energia prodotta e aiutando a mantenere buoni livelli di stabilità del sistema e di qualità del servizio elettrico.

A parte la riduzione di emissioni da generazione termica, con risparmio di CO₂, la consistente penetrazione degli impianti fotovoltaici nel sistema elettrico nazionale sta producendo effetti contrapposti sul sistema [4]:

• effetti positivi
• la potenza fotovoltaica è installata sulle reti di distribuzione a media e bassa tensione, con un minor impegno delle linee di trasmissione;
• la produzione fotovoltaica si ha nelle ore diurne (quando il carico è maggiore) e raggiunge il picco nella stagione estiva (quando il carico è più elevato, a causa del crescente uso dei climatizzatori elettrici); si riducono quindi i picchi di domanda (peak shaving) con conseguente limitazione dei valori massimi di potenza richiesta alla generazione programmabile;
• nelle ore centrali della giornata i prezzi si abbassano, in virtù della produzione fotovoltaica stessa, offerta sul mercato anche a prezzo zero (in quanto il costo marginale di produzione è trascurabile e gli investimenti sono in larga parte già remunerati grazie ai meccanismi di incentivazione); tale abbassamento di prezzo comporta un beneficio per i consumatori rappresentando una “restituzione” parziale degli incentivi erogati, anche se l’entità di tale restituzione è di non semplice valutazione: a tale proposito, uno studio Althesys stimava per il 2014 riduzioni del PUN (Prezzo Unico Nazionale) comprese tra 5,8 e 24 €/MWh e conseguenti risparmi per i consumatori pari a 896 milioni di euro).
• effetti negativi
• gli impianti fotovoltaici hanno comportato negli ultimi anni un profilo giornaliero della domanda residua più impegnativo per il sistema elettrico e per le relative risorse di flessibilità (ad esempio, domanda residua spesso bassa nelle ore centrali della giornata, ma con rapide rampe verso i picchi nelle ore serali);
• a causa dell’incertezza sulla previsione della generazione fotovoltaica, l’operatore della rete elettrica deve predisporre maggiori quantità di riserva di potenza da utilizzare per il bilanciamento in tempo reale, sia a salire che a scendere, il che comporta una certa lievitazione dei costi del servizio di dispacciamento;
• l’incremento della generazione fotovoltaica sta comportando una progressiva riduzione dell’inerzia del sistema elettrico nazionale, il che, in situazioni di rete perturbata, può aumentare il rischio di disservizi;
• in caso di cortocircuito sulla rete, gli impianti fotovoltaici possono contribuire in misura marginale ad assicurarne la stabilità, in quanto sono caratterizzati da correnti di corto circuito pari solo a circa 1,5 volte la corrente nominale.

Alla luce di quanto evidenziato, occorrerà pertanto perseguire con costante impegno la strada, già intrapresa, di regolamentare accuratamente la connessione di nuovi impianti fotovoltaici nel sistema elettrico nazionale per garantire la qualità del servizio, senza che ciò divenga un inutile e dannoso ostacolo allo sviluppo di questa tecnologia.

L’attività normativa in Italia e nel mondo

I comitati normativi sul fotovoltaico[5] si sono da sempre occupati di preparare norme riguardanti la costruzione, il funzionamento, le prove e la sicurezza degli impianti e dei loro componenti (dalle celle solari fino all’interfaccia col sistema elettrico cui viene fornita l’energia). Il principale obiettivo di tali comitati è stato sin dall’inizio quello di favorire l’introduzione dei sistemi fotovoltaici nel mercato mediante l’armonizzazione normativa; nello stesso tempo sono state definite le modalità per garantire la qualità dell’impianto fotovoltaico e dei suoi componenti. In Italia, il CT 82 del CEI, oltre a recepire le norme IEC e CENELEC, ha pubblicato la Guida tecnica CEI 82-25 per progettisti e installatori al fine di superare le carenze normative internazionali (ad es., la definizione univoca di potenza dell’impianto, le modalità di verifica di un impianto FV prima della messa in esercizio, …). Tale Guida è stata utilizzata come riferimento tecnico da MiSE, AEEGSI e GSE nell’ambito dei programmi Conto Energia Fotovoltaica.

Con il sempre maggiore utilizzo degli impianti fotovoltaici in connessione con la rete elettrica e in edifici civili, la normativa internazionale si è opportunamente occupata di tali interazioni e ha avviato attività normative che hanno visto la collaborazione sempre più consistente fra vari comitati tecnici, principalmente con il CLC/TC 8X (System aspects of electrical energy supply) e con il CLC/TC 64 (Electrical installations and protection against electric shock).

Il CEI/CT 82 ha da tempo avviato la collaborazione con il CT 316 (Connessione alle reti elettriche di distribuzione Alta, Media e Bassa Tensione), il CT 64 (Impianti elettrici utilizzatori di bassa tensione (fino a 1000 V in c.a. e a 1500 V in c.c.) e il CT 81 (Protezione contro i fulmini), mentre recentemente è iniziato un confronto con il CT 120 sui sistemi di accumulo connessi agli impianti FV. Altri rapporti di collaborazione sono stati intrapresi dal CT 82 con ambiti normativi diversi, quali l’UNI per la parte strutturale degli impianti, e con organismi regolamentari nazionali, quali i Vigili del Fuoco per gli impianti installati su edifici domestici.

Un aspetto rilevante, oltreché nuovo, per operatori e utenti è l’esercizio e manutenzione (O&M) di impianti fotovoltaici. C’è molto interesse sia in ambito nazionale sia internazionale su questo tema, che è diventato economicamente rilevante, e c’è pertanto l’esigenza di norme e/o indicazioni specifiche. Il CT 82 sta operando per questo obiettivo con un apposito Gruppo di Lavoro, che fornirà elementi per la collaborazione con le attività normative IEC e CENELEC e consentirà di aggiornare la Guida Tecnica CEI 82-25.

Sempre su questo tema, va menzionata la recente attività riguardante la qualificazione di progettisti, installatori e manutentori degli impianti fotovoltaici. Il CT 82 e la Direzione del CEI si stanno adoperando, in collaborazione con le parti interessate, per produrre, insieme ad UNI-ATI, una guida normativa al riguardo.

L’esigenza di dare riposte normative rapide ai numerosi temi che riguardano il FV e la numerosità degli iscritti al CT 82, ha comportato la necessità di una organizzazione del CT basata su Gruppi di lavoro (GdL)[6]: alcuni sono stabili e presentano una corrispondenza agli analoghi Working Group (WG) del CENELEC e della IEC su questo ambito normativo; altri sono temporanei e legati a specifici temi che sono trattati dal Comitato. I vari GdL vedono la partecipazione di esperti di diversa estrazione professionale: Università, Centri di ricerca, Industrie, Società di servizi, Associazioni di categoria e Organismi nazionali di regolazione, quali VVF, Ordine degli Ingegneri.

Concludendo, è doveroso segnalare la necessità di una maggiore partecipazione italiana ai comitati normativi internazionali che, seppure presente a livello di segreteria TC 82 del CENELEC, non è sufficientemente numerosa per consentire una idonea rappresentanza delle esigenze degli operatori e degli utenti degli impianti fotovoltaici italiani.

NOTE

[1]     La potenza fotovoltaica installata viene indicata, ai fini amministrativi o fiscali, come somma delle potenze dei moduli fotovoltaici (quindi in corrente continua) in condizioni standard (STC) e differisce dalla potenza massima che l’impianto può effettivamente immettere in rete sia a causa delle varie perdite dell’impianto (disaccoppiamento dei moduli, perdite ohmiche nei cablaggi e rendimento degli inverter), sia perché la taglia dell’impianto, vista dalla rete, è determinata dalla potenza nominale degli inverters, solitamente inferiore a quella dei moduli.

[2]     SolarPower Europe (http://solarpowereurope.org) è stata costituita nel 2014 come riorganizzazione di EPIA (European Photovoltaic Industry Association).

[3]     Task 13 – Performance and Reliability of Photovoltaic Systems (www.iea-pvps.org).

[4]     Il Performance Ratio è il principale indice prestazionale di un impianto fotovoltaico e rappresenta la frazione di energia generata in corrente alternata rispetto a quella producibile teoricamente; esso è definito in dettaglio nella norma CEI EN 61724.

[5]     Comitati internazionali sono il TC 82 dell’IEC (Solar photovoltaic energy systems) e il TC 82 del CENELEC (Solar photovoltaic energy systems), ai quali è collegato il CT 82 del CEI.

[6]     L’ambito di attività dei vari GdL e i nominativi dei rispettivi coordinatori sono indicati nella pagina web http://www.ceinorme.it/it/lavori-normativi-it/comitati.html

Bibliografia

[1]     IEA PVPS – “Italian National Report 2015” e “2nd A Snapshot of Global PV – 1992-2015”.

[2]     TERNA – Dati statistici 2015.

[3]     Dati Terna elaborati da ANIE Rinnovabili.

[4]     “I sistemi di generazione fotovoltaica: monitoraggio, diagnostica, gestione e prestazioni dopo vari anni di esercizi”, Rapporto RSE per Ricerca di Sistema prot. 16002359 del 29.02.2016 (scaricabile da http://www.rse-web.it/documenti/risultati)

[5]     Monografia RSE “Fotovoltaico: power to the people?”, Luglio 2016 , Editrice Alkes (http://www.rse-web.it/applications/webwork/site_rse/local/doc-rse/RSE_Fotovoltaico_power_to_the_people/index.html)