Come scegliere tra ottimizzatori e microinverter?

Negli investimenti in impianti fotovoltaici distribuiti, ogni watt aggiuntivo contribuisce direttamente ai rendimenti del progetto. Tuttavia, l’ombreggiamento, lo squilibrio tra moduli e le perdite nascoste del sistema stanno continuamente riducendo le prestazioni complessive del sistema e il ritorno sull’investimento (ROI), lasciando molti investitori di fronte a una persistente «ansia di efficienza». Di conseguenza, le tecnologie elettroniche di potenza a livello di modulo (MLPE) hanno attirato un’attenzione crescente grazie ai loro vantaggi in termini di flessibilità progettuale, maggiore produzione energetica, sicurezza migliorata e gestione e manutenzione digitalizzate. Allo stesso tempo, le soluzioni MLPE comprendono diversi approcci tecnologici, principalmente ottimizzatori fotovoltaici (di seguito indicati come «ottimizzatori») e microinverter (di seguito indicati come «microinverter»). La scelta della soluzione più adatta a un determinato progetto può risultare complessa. Questo articolo valuta entrambe le soluzioni rispetto a dimensioni chiave quali architettura del sistema, efficienza complessiva, ritorno sull’investimento, sicurezza e affidabilità, al fine di supportare decisioni informate.

Stessa tecnologia MLPE, ma differente approccio tecnologico

Sebbene sia gli ottimizzatori che i microinverter rientrino nella categoria MLPE, le loro architetture di sistema differiscono in modo fondamentale, il che influisce direttamente sui costi del progetto, sull’installazione, sulla manutenzione e sulle operazioni (O&M) e sui rendimenti a lungo termine.

Prendendo ad esempio gli ottimizzatori fotovoltaici intelligenti AndSolar, questi dispositivi non effettuano la conversione da corrente continua (DC) a corrente alternata (AC). Operano invece sul lato DC, consentendo il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) a livello di modulo per eliminare le perdite dovute a squilibri e garantire una coordinazione stabile tra i moduli. Ciascun modulo opera in tempo reale al proprio punto di potenza ottimale, mentre tutti gli output DC vengono aggregati e convertiti in AC dall’inverter di stringa.

I microinverter, come suggerisce il nome, sono inverter di piccole dimensioni. Oltre ad abilitare il punto di massima potenza (MPPT) a livello di modulo, eseguono anche la conversione da corrente continua (CC) ad alternata (CA). Ciascun microinverter opera come unità indipendente, formando un’architettura di sistema completamente distribuita. Per quanto riguarda il miglioramento della resa energetica del sistema, i microinverter svolgono una funzione analoga a quella degli ottimizzatori, poiché entrambi possono eliminare le perdite dovute al mismatch all’interno del sistema e garantire che ogni modulo operi al proprio punto di massima potenza. M i microinverter e gli ottimizzatori sembrano offrire funzionalità comparabili. Tuttavia, a causa delle differenze nell’architettura del sistema, sono adatti a scenari applicativi diversi. Le sezioni seguenti analizzeranno le loro principali differenze da diversi punti di vista.

Prospettiva dell’investimento: costo e rendimento sul ciclo di vita

La valutazione di una soluzione fotovoltaica richiede un equilibrio tra l’investimento iniziale e i ritorni a lungo termine, considerando l’intero ciclo di vita.

Nei sistemi su piccola scala, come i sistemi fotovoltaici da balcone, gli inverter di tipo micro offrono vantaggi. A causa della limitata capacità del sistema e del potenziale di ricavo ridotto, le decisioni di investimento si concentrano maggiormente sui costi di installazione, sulla semplicità e sul controllo dei rischi. La natura distribuita degli inverter di tipo micro li rende adatti a tali scenari.

Nei sistemi di medie e grandi dimensioni, tuttavia, gli ottimizzatori dimostrano chiari vantaggi in termini di costo. Ad esempio, in un progetto da 36 moduli, una soluzione con ottimizzatore fotovoltaico AndSolar + inverter di stringa può ridurre il costo per watt del 20–50% rispetto agli inverter micro. Man mano che le dimensioni del progetto aumentano, il divario di costo tra le due soluzioni continua ad allargarsi. In tali scenari, i sistemi basati su microinverter richiedono tipicamente, nella fase iniziale di installazione, un numero maggiore di dispositivi sul lato CA, nonché un maggiore impiego di cavi CA e materiali correlati. Ciò comporta una maggiore complessità di installazione e costi materiali più elevati rispetto alle soluzioni basate su ottimizzatori, determinando una differenza di costo ancora più marcata al crescere delle dimensioni del sistema.

Da una prospettiva O&M a lungo termine, i microinverter contengono componenti elettronici densamente integrati, inclusi elementi soggetti a usura come i condensatori elettrolitici, sensibili al calore e pertanto più propensi a guastarsi. Per quanto riguarda la garanzia, il microinverter s le offerte prevedono generalmente 5 anni, mentre gli ottimizzatori offrono generalmente 10 anni. Questa differenza diventa particolarmente importante nelle applicazioni commerciali e industriali.

Nel complesso, negli scenari di sistemi su piccola scala, la progettazione modulare dei microinverter consente una maggiore flessibilità nella progettazione del progetto e del sistema durante la fase iniziale. Gli ottimizzatori, invece, presentano un numero inferiore di potenziali punti di guasto, generano meno calore e garantiscono una maggiore stabilità; inoltre, sono solitamente accompagnati da periodi di garanzia più lunghi. Ciò riduce in modo significativo la frequenza di sostituzione e manutenzione, assicura in modo continuativo il massimo ricavo derivante dalla generazione di energia della centrale elettrica e offre vantaggi evidenti sui costi di gestione e manutenzione (O&M) a lungo termine.

Adattamento allo scenario: scelta della soluzione più appropriata in base alle esigenze

Diversi scenari applicativi dei sistemi fotovoltaici distribuiti presentano requisiti significativamente diversi in termini di dimensione del sistema, struttura dei costi e capacità di gestione e manutenzione (O&M). Solo selezionando soluzioni MLPE adatte allo scenario applicativo reale un progetto può raggiungere le prestazioni previste.

La soluzione con microinverter, grazie alle sue caratteristiche di installazione modulare e flessibile, è generalmente utilizzata in progetti residenziali su piccola scala o in piccole applicazioni commerciali, dove le configurazioni dei tetti sono disperse, lo spazio disponibile per l’installazione è limitato e la sensibilità al costo iniziale è relativamente bassa, mentre è accettabile una maggiore complessità di gestione e manutenzione (O&M). A causa delle differenze nei costi e nei ritorni economici legate alle diverse dimensioni dei progetti, la scalabilità e la struttura dei costi di questa soluzione nelle applicazioni su larga scala devono essere valutate sulla base delle specifiche condizioni.

La soluzione ottimizzatore offre una forte adattabilità in termini di architettura del sistema e compatibilità ingegneristica. Può essere applicata in un’ampia gamma di scenari, inclusi impianti residenziali, progetti commerciali di piccole e medie dimensioni, nonché impianti fotovoltaici su tetto su larga scala, come fabbriche e parchi industriali. Inoltre, può essere utilizzata anche in progetti di riqualificazione di impianti energetici obsoleti. Prendendo ad esempio l’ottimizzatore intelligente AndSolar, esso consente di introdurre funzionalità di ottimizzazione, monitoraggio e arresto rapido a livello di modulo senza richiedere una ricostruzione sostanziale del sistema esistente, mantenendo invece l’inverter originale e l’architettura del sistema dell’impianto energetico preesistente. Ciò permette di migliorare la produzione di energia e di potenziare la sicurezza del sistema, controllando efficacemente i costi della riqualificazione.

Installazione e scalabilità: adattabilità a diverse dimensioni di sistema

Gli ottimizzatori sono generalmente installati sui telai dei moduli o sulle strutture di fissaggio. I cavi in corrente continua vengono instradati attraverso gli ottimizzatori e raggruppati in un inverter di stringa. Questo processo segue da vicino l’installazione tradizionale dei sistemi a stringa, richiedendo quantità minime di materiali aggiuntivi. La messa in servizio può essere eseguita a livello del suolo, riducendo i rischi legati ai lavori in quota sui tetti e consentendo una più facile espansione futura.

I microinverter sono inoltre installati sul telaio del modulo o sulla struttura di fissaggio. I relativi sistemi richiedono tipicamente una rete di cablaggio AC relativamente densa da posare lungo il tetto, dove le uscite AC di ciascun microinverter sono collegate in parallelo e aggregate. Di conseguenza, il numero dei punti di connessione AC aumenta proporzionalmente e l’architettura del cablaggio diventa più complessa. Questa caratteristica del cablaggio si accentua ulteriormente con l’aumento della scala del sistema, e il progetto richiede di conseguenza una maggiore quantità di materiali ausiliari, quali cavi AC e connettori principali. Inoltre, è necessario eseguire un elevato numero di connessioni AC a innesto o a morsetto direttamente sul tetto, il che impone requisiti più stringenti in termini di organizzazione dei lavori e di coerenza nell’installazione. Maggiore attenzione è inoltre richiesta nelle fasi successive di gestione operativa e manutentiva (O&M) e di localizzazione dei guasti.

Nel complesso, le soluzioni basate su ottimizzatori sono molto simili ai tradizionali sistemi fotovoltaici per quanto riguarda il flusso di lavoro di installazione e l’organizzazione dei cantieri, rendendole particolarmente adatte a impieghi su larga scala e a una rapida messa in opera. Al contrario, i sistemi con microinverter presentano una struttura di cablaggio CA distribuita, più adatta a una messa in opera flessibile, ma che richiede anche un maggiore controllo della qualità costruttiva e maggiori capacità di gestione operativa e manutentiva (O&M) nel lungo periodo.

Efficienza di conversione: stabilità e prestazioni a lungo termine

Sia le soluzioni basate su ottimizzatori sia quelle basate su microinverter possono ridurre l’impatto del mismatch tra stringhe a livello di modulo. Questo vantaggio è particolarmente evidente in scenari complessi su tetti, caratterizzati da ombreggiamento o orientamenti non uniformi dei moduli. I microinverter eseguono la conversione da corrente continua (DC) a corrente alternata (AC) direttamente a livello di modulo, con un’unità completa di inverter integrata dietro ciascun modulo. Ciò comporta una elevata concentrazione di componenti elettronici di potenza che operano continuamente nell’ambiente ad alta temperatura presente sul retro del modulo. A causa delle limitazioni relative al layout dei componenti e alla dissipazione del calore, il loro rendimento massimo di conversione è tipicamente pari a circa il 97%, il che impone anche maggiori requisiti in termini di gestione termica del sistema e di affidabilità a lungo termine.

Al contrario, le soluzioni basate su ottimizzatori centralizzano il processo di inversione ad alta potenza e ad alta densità termica all’interno dell’inverter a stringa. Prendendo come esempio gli ottimizzatori intelligenti AndSolar, l’efficienza di conversione massima a livello di modulo può raggiungere il 99,6%, mentre l’intero sistema beneficia dell’elevata efficienza dell’inverter centralizzato a stringa. Grazie alle perdite di potenza estremamente ridotte, gli ottimizzatori generano un calore trascurabile a livello di modulo, riducendo così al minimo l’impatto sulle prestazioni del modulo e sulla sua affidabilità a lungo termine.

Da una prospettiva operativa a lungo termine, un’efficienza di sistema stabile, prevedibile e sostenibile rappresenta spesso una metrica fondamentale più preziosa nelle decisioni di investimento relative ai progetti fotovoltaici distribuiti.

Compatibilità con i sistemi di accumulo energetico: un confronto tra due soluzioni

Con l’integrazione sempre maggiore dei sistemi di accumulo energetico nei sistemi fotovoltaici distribuiti, l’attenzione si sposta verso il coordinamento complessivo dell’energia.

Le soluzioni di ottimizzazione abbinata a sistemi di accumulo in corrente continua (DC-coupled) consentono l’ottimizzazione della potenza a livello di singolo modulo prima dell’inversione centralizzata. Ciò riduce il numero di passaggi di conversione e minimizza le perdite associate alle conversioni CC/CA/CC.

In un’architettura di sistema che combina microinverter con sistemi di accumulo energetico in corrente alternata (AC-coupled), la potenza generata dai moduli fotovoltaici viene innanzitutto convertita da corrente continua (CC) a corrente alternata (CA) mediante i microinverter ed immessa sul lato CA; successivamente viene riconvertita in corrente continua per lo stoccaggio, determinando una conversione energetica multistadio che introduce ulteriori perdite e compromette il coordinamento tra impianto fotovoltaico e sistema di accumulo; con il continuo aumento della penetrazione dei sistemi di accumulo, l’efficienza complessiva del sistema e la produzione energetica a lungo termine di questa architettura richiedono un’attenta valutazione.

Ritornare al valore a lungo termine del fotovoltaico distribuito

L'essenza dei sistemi fotovoltaici distribuiti non è mai consistita nell'adozione di soluzioni tecnologiche «concettualmente più nuove», bensì nella costruzione di un sistema energetico in grado di operare in modo stabile e affidabile nelle condizioni reali nel lungo periodo. Con l'aumento della scala del sistema, la prolungata durata operativa e l'integrazione progressiva dello storage energetico come configurazione standard, i criteri di valutazione delle soluzioni a livello di modulo stanno passando da «se la funzione esiste» a «se garantisce controllabilità a lungo termine e rendimento sostenibile».

Con l'aumento della scala degli impianti e il prolungamento dei cicli operativi, il monitoraggio a livello di modulo, gestione e l'ottimizzazione stanno evolvendo da «funzionalità aggiuntive» a «capacità fondamentali». In questo contesto, la soluzione di ottimizzatore intelligente AndSolar, grazie alle sue eccellenti caratteristiche di sicurezza e comunicazione, offre una gestione centralizzata tramite un gateway dedicato (ogni gateway di comunicazione può collegare fino a 600 moduli), fornendo una soluzione più affidabile per i sistemi distribuiti.

Se state pianificando un nuovo progetto fotovoltaico distribuito o state valutando l’aggiornamento di un impianto esistente, non esitate a contattare AndSolar per saperne di più sulle nostre soluzioni!