Fotovoltaico e pompe di calore, insieme conviene ma solo l’estate

Alimentare il caldo (ma anche il freddo) della propria abitazione grazie ad un sistema in tandem tra fotovoltaico e pompe di calore è una opportunità che risponde ad esigenze di transizione energetica e di contenimento dei costi in bolletta. Ma è davvero così?

Secondo un’analisi applicata a villette di ampia metratura, circa 140 mq, e di validità generale per abitazioni con le usuali potenze installate di FV di 3 kW e in condizioni climatiche sia standard sia con effetti cambiamenti climatici, “non è possibile, non solo nel Nord, soddisfare totalmente nei mesi più freddi il fabbisogno elettrico della Pompa di Calore (PdC) alimentata da un impianto fotovoltaico (FV) se non si usano strutture di supporto come storage” spiega l’ing. Roberto Gerbo EGE certificato Secem ed ex energy manager del Gruppo Intesa Sanpaolo. “Il sovradimensionamento del fotovoltaico per disporre della potenza necessaria nei mesi più freddi richiederebbe  FV da 7 kWp al Nord, comporterebbe cessioni a rete consistenti in estate, sempre se non si alimenti PdC per raffreddamento”.

Per 3 kWp installato al Nord la produzione in periodo diurno varia da 14 a 6 kWh/giorno, invece il fabbisogno termico in periodo invernale più freddo per villetta in esame è con Pompe di Calore di circa 36 kWh/giorno, con punta nelle ore non diurne. In ogni caso con  criticità di non allineamento istantaneo tra Fotovoltaico e Pompe di Calore. 

Quindi mentre l’integrazione con sistemi di condizionamento estivo è comunque ottimale, per l’inverno con potenze di FV>kW ma non eccessive senza un sistema di storage adeguatamente dimensionato (>=20 kWh/giorno) si rischia di non disporre dell’energia necessaria o di produrre un eccesso di energia quando non necessario disperdendo l’efficacia del tandem rinnovabili climatizzazione. 

Insomma un aiuto importante quelle delle fonti rinnovabili che però non sembra sufficiente a staccarsi dalla rete nel caso di un impianto standard, senza l’uso di uno storage.

“L’integrazione delle due tecnologie per una abitazione civile va attentamente valutata da persone esperte e non può essere approssimata con valutazioni principalmente commerciali. Il vantaggio economico, comunque presente, va massimizzato, rapportandolo opportunamente alle condizioni reali ed istantanee di integrazione tra profilo di autoproduzione e profilo di assorbimento elettrico della PdC (uso di sistemi di accumulo pare cmq importante per ottimizzare interventi di efficientamento con FER), evitando di prevedere saving irrealizzabili o prevedendo surdimensionamenti impiantistici”.

I dati dell’analisi confrontati su tutta Italia

“Sulla base delle temperature medie mensili, dei relativi Gradi Giorno-GG, dei rendimenti usuali, ecc. e riferendosi a un involucro esistente usuale mediamente coibentato (consumi unitari di NORD 130 kWh/mq, CENTRO 80 kWh/mq, SUD 50 kWh/mq) si sono stimati i consumi standard per riscaldamento medi annuali (kWh/anno) e, in proporzione a GG, i consumi mensili (kWh/mese) (vedi tabella sotto)” spiega l’ing. Gerbo che ha solto l’indagine e prodotto i dati qui di seguito esposti.

“L’autoproduzione, rispetto alla massima estiva, si riduce al 70% circa nei periodi delle stagioni intermedie e al 40% nelle stagioni invernali, valori comunque alti se confrontati con le previsioni progettuali, dati motivati da cambiamenti climatici che hanno generato maggiore insolazione, specie nei mesi invernali e intermedi”.

La valutazione dei consumi e della potenza fotovoltaica conseguente

“La “Potenza media giornaliera mensile” di auto produzione del FV al Nord varia da 0,42 kW/kWp (agosto) a 0,18 kW/kWp (gennaio), mentre a livello giornaliero la produzione varia da 2 a 4,5 kWh/kWp (valore da considerare per dimensionamento accumulo FV). Per cui impianto FV da 3 kWp fornisce in estate 1,26 kW medi al giorno e in inverno 0,54 kW medi al giorno, questo ultimo è un dato da tenere presente per integrazione con PdC” spiega Gerbo.

Da questa analisi ne emersa una stima della produzione del FV classico con 3 kWp nelle varie condizioni climatiche e mensili, sostanzialmente dalle ore 7 alle ore 19, ma concentrata significativamente dalle ore 8 alle ore 17 (9 ore):

Funzionamento integrato Fotovoltaico e Pompe di calore

A) Il riferimento alla potenza media mensile
Per fare una analisi comparativa più semplice ci si è riferiti sia per FV che per impianto a caldaia/PdC alla “potenza media mensile” (= energia mensile/(giorni mese *durata orario funzionamento impianto di riscaldamento di legge), ovviamente l’analisi è relativamente meno precisa rispetto a una analisi oraria ma il riferimento alla media è cmq accettabile e più sintetico ai fini della presente analisi.
Peraltro usare la potenza media mensile e’ una ipotesi cautelativa a favore del FV, in quanto presuppone in prima analisi che impianto di riscaldamento lavori completamente in parallelo al fotovoltaico nel periodo ore 8 alle ore 17 (9 ore) di ogni giorno e che il fabbisogno di riscaldamento sia tutto soddisfatto in tale periodo.

In realtà invece:
• impianto di riscaldamento opera maggiormente in altri orari serali (per cui occorrerebbe un accumulo elettrico per posticipare uso energia elettrica prodotta al servizio della PdC, configurazione non oggetto di analisi in questa sede.
• impianto FV, specie in orario del mattino e preserale e in caso di nuvolosità, in vari mesi non è attivo (per cui l’uso della potenza media non considera tali periodi critici).
B) FV dedicato solo a PdC (esclusi consumi per impianto termico e altre utenze abitazione). Tenendo conto dei suddetti fabbisogni di riscaldamento, che già contengono i relativi rendimenti
(generazione, regolazione, ecc., sia per caldaia a gas che per PdC), si sono stimati:
• i consumi di gas con impianto tradizionale con caldaia a gas
• applicando il COP medio reale per PdC del tipo aria-acqua, variabile in base a temperatura esterne medie mensile, i consumi elettrici della PdC.

NORD (kWh/periodo)

CENTRO (kWh/periodo)

SUD (kWh/periodo)

con riduzione % delle curve da schede costruttori riferite a condizioni teoriche (specie
rispetto a condizioni del Nord in presenza di umidità, ecc.).

• con tariffe gas= 1,2 €/mc e energia elettrica = 0,35 €/kWh, la differenza di spesa tra caldaia e PdC
• indice di autonomia (%)= rapporto tra produzione FV mensile e consumo elettrico per PdC

Sotto il profilo energetico si conferma nei mesi freddi la insufficienza di produzione FV per alimentare la PdC e rendere autonomo energeticamente il sistema FV-PdC, peraltro la spesa energetica è sempre ridotta vs spesa a gas (risp 900-700 €/anno al variare del clima). L’indice di autonomia varia da 27 % (NORD) a 76 % (SUD).
Da notare la significativa produzione di FV in surplus nei mesi di non riscaldamento, che in assenza condizionamento ammonta a 1800 a 3200 kWh/anno al variare del clima, la correlata cessione alla rete (assenza scambio sul posto) a prezzi molto bassi risulta economicamente penalizzante.

Il grafico seguente conferma a livello qualitativo il contrapposto andamento del consumo elettrico per PdC vs autoproduzione del FV.

B.1 EFFETTO CAMBIAMENTI CLIMATICI

Applicando una riduzione del fabbisogno energetico per cambiamenti climatici
(-20 % NORD, -15% CENTRO, -10% SUD), si avrebbe una migliore integrazione FV-PdC ma non tale da garantire la autonomia, con risparmi di spesa sostanzialmente invariati e ovviamente con miglioramento indice di autonomia.

B.2) POTENZA FV PER RENDERE AUTONOMO IL SISTEMA

Sulla base della potenza elettrica media necessaria per la PdC si è stimata la potenza di FV di picco da installare (kWp):

La potenza da installare varierebbe da 7,5 a 3,5 kWp (valore mesi freddi) al variare del clima, confermando la idoneità dell’impianto da 3 kWp sostanzialmente per il SUD e ovviamente con maggiore surplus di energia elettrica da cedere alla rete in mesi non di riscaldamento (in assenza condizionamento).
Nel contesto che tiene conto degli effetti dei cambiamenti climatici la potenza da installare si ridurrebbe, fermo restando le conclusioni sopra.

C) Fotovoltaico dedicato a Pompa di Calore, impianto termico e altre utenze abitazione

In realtà l’abitazione ha altri consumi elettrici di base prioritari, in assenza di condizionamento estivo. Riferendosi a dati confermati da monitoraggio di 10 anni (in linea con i consumi di benchmark), si ha:

La potenza media mensile inerente è di circa 0,36 kW
L’aggiunta di tali consumi, anche nelle condizioni di riduzione fabbisogno per effetti climatico, conferma le conclusioni sopra e peggiora ulteriormente l’indice di autonomia e il vantaggio economico:

Integrazione fotovoltaico con pompa di calore per raffrescamento

Analizzando mensilmente i surplus di autoproduzione sopra definiti in ogni mese estivo e in tutte
le condizioni climatiche, si evidenzia che tale surplus è idoneo per alimentazione della PdC – condizionatore.