Gli indicatori chiave di prestazione (Key Performance Indicators, KPIs) sono parametri tecnici che aiutano gli stakeholders a valutare le prestazioni di un impianto fotovoltaico e i servizi forniti dal O&M Contractor.
I KPIs in genere sono suddivisi nelle seguenti categorie:
- KPIs dell'impianto fotovoltaico
- KPIs delle attività O&M (Operation & Maintenance)
I KPIs appartenenti alla prima categoria sono collegati alla prestazione dell'impianto fotovoltaico e sono indicatori quantitativi; quelli appartenenti alla seconda categoria sono associati ai servizi erogati dal fornitore di servizi O&M (O&M Contractor) e sono indicatori sia quantitativi che qualitativi.
In questo articolo tratteremo solamente i KPIs dell'impianto fotovoltaico.
Iniziamo con l'osservare che i dati di un impianto fotovoltaico possono essere suddivisi in due gruppi:
- Misure grezze - dati ottenuti mediante misurazioni dirette sull'impianto fotovoltaico e utilizzati per il calcolo della prestazione.
- KPIs - valori determinati elaborando i dati grezzi dell'impianto fotovoltaico.
A titolo di esempio è riportato di seguito un elenco non esaustivo di misurazioni di dati non elaborati che è si utilizzano per calcolare i KPIs :
- Potenza AC prodotta (kW)
- Energia AC prodotta (kWh)
- Potenza reattiva (kVar)
- Irradianza (W/m2)
- Temperatura dell'aria e del modulo fotovoltaico (gradi Celsius)
- Allarme, codice stato e durata
- Interruzioni, eventi vari
I KPIs dell'impianto fotovoltaico includono indicatori importanti come:
- rendimento di riferimento (Reference Yield)
- rendimento specifico (Specific Yield)
- rapporto di prestazione (Performance Ratio)
- rapporto di prestazione con correzione della temperatura
- rendimento atteso (Expected Yield)
- indice di prestazione energetica (Energy Performance Index)
- disponibilità tecnica (Technical Availability o Uptime)
- disponibilità contrattuale (Contractual Availability)
- disponibilità basata sull'energia (Energy-based Availability)
L'importanza dei KPIs risiede nel fatto che offrono una valutazione del funzionamento di un impianto fotovoltaico in quanto tengono conto delle condizioni operative.
Di seguito sono riportati in maniera dettagliata i vari KPIs insieme alla formula pertinente. Questi KPIs possono essere calcolati su diversi periodi di tempo, ma spesso vengono calcolati su base annuale. Quando si confrontano KPIs diversi o KPIs di diversi impianti fotovoltaici, è importante mantenere la coerenza nella scelta del periodo di tempo utilizzato per il calcolo.
Rendimento di riferimento - Yr
Il rendimento di riferimento - Reference Yield, Yr - è definito come rapporto tra l'irradiazione solare [kWh/m2] misurata sul piano del generatore fotovoltaico nel periodo di tempo di riferimento e l'irradianza solare in condizioni di test standard (STC) - 1000 W/m2 . L'unità di misura di questo parametro è ore equivalenti solari (peak sun hours) [h].
dove:
Yr(i) è il rendimento di riferimento relativo al periodo di tempo i ed è espresso in ore equivalenti solari [h]
HPOA(i) è l'irradiazione solare misurata sul piano dei moduli nel periodo di tempo i [kWh/m2]
GSTC è l'irradianza solare STC - 1000 W/m2
Questo parametro rappresenta il numero di ore necessarie perché un'irradianza solare STC generi una irradiazione pari a quella misurata sul piano del generatore fotovoltaico nel periodo di tempo di riferimento i.
Rendimento specifico - Ys
Il rendimento specifico - Specific Yield, Ys - è definito come il rapporto tra l'energia elettrica totale generata dall'impianto fotovoltaico in un determinato periodo di tempo [kWh] e la potenza nominale dello stesso [kWp]. L'unità di misura di questo parametro è kWh/kWp o ore equivalenti di picco [h]
dove:
Ys(i) è il rendimento specifico dell'impianto fotovoltaico relativo al periodo di tempo i ed è espresso in kWh/kWp o in ore equivalenti di picco [h]
E(i) è la quantità di energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico nel periodo di tempo i [kWh]
P0 è la potenza nominale dell'impianto fotovoltaico [kWp]
Questo parametro può essere calcolato riferendosi sia all'energia elettrica DC che all'energia elettrica AC prodotta dall'impianto fotovoltaico. In entrambi i casi, esso indica il numero di ore che sono necessarie al medesimo impianto fotovoltaico per generare, operando alla potenza nominale, l'energia elettrica prodotta nel periodo di riferimento i. Per questa ragione, l’unità di misura è denominata ore equivalenti di picco.
Il rendimento specifico rappresenta anche l'energia elettrica prodotta nel periodo di riferimento i da ogni kW di potenza nominale dell'impianto fotovoltaico. In questo caso, l'unità di misura è kWh/kWp.
Questo parametro normalizzando la produzione energetica dell'impianto fotovoltaico in un arco di tempo prefissato consente il confronto della prestazione con quella di altri impianti fotovoltaici, anche di diversa potenza nominale, o persino con impianti di produzione energetica di tecnologia diversa (ad esempio eolico, biomassa ecc.). Ad esempio, per prendere decisioni di investimento il rendimento specifico di un impianto fotovoltaico fisso può essere confrontato con quello di un impianto fotovoltaico con inseguitore biassiale, oppure il rendimento specifico di un impianto fotovoltaico può essere confrontato con il rendimento specifico di un impianto eolico.
Rapporto di prestazione - PR
Il rapporto di prestazione - Performance Ratio, PR - è definito come rapporto tra il rendimento specifico e il rendimento di riferimento teoricamente possibile dell'impianto fotovoltaico riferiti entrambi allo stesso periodo di tempo di riferimento. Questo parametro può essere adimensionale oppure espresso in %.
dove:
PR(i) è il rapporto di prestazione relativo al periodo di riferimento i e si misura in percentuale [%]
Ys(i) è il rendimento specifico relativo al periodo di riferimento i ed è espresso in kWh/kWp o ore equivalenti di picco [h]
Yr(i) è il rendimento di riferimento relativo al periodo di riferimento i ed è espresso in ore equivalenti solari [h]
Il PR misura l'effetto complessivo delle perdite di sistema sulle prestazioni nominali dell'impianto fotovoltaico. Per come è definito, si deduce che più alto è il suo valore - è compreso tra 0 e 100% - maggiore è l'efficienza di conversione energetica dell'impianto fotovoltaico.
Confrontando il PR misurato con quello previsto in fase di progettazione si può stabilire se un impianto fotovoltaico stia operando con un livello di prestazione simile a quello previsto in fase di progettazione. In questo modo, si può rilevare la presenza di un problema ma non la causa, per quest'ultima saranno necessarie ulteriori investigazioni.
Poiché i valori del PR sono normalizzati rispetto all'energia solare incidente sul generatore fotovoltaico, confrontando i PR di due o più impianti fotovoltaici con le medesime condizioni al contorno (stessa posizione geografica), naturalmente riferiti allo stesso periodo di tempo, si ottiene un confronto della qualità progettuale e tecnologica degli stessi: più alto è il PR migliore è la qualità.
Da quanto detto finore si ricava che il PR è un indicatore di qualità dell'impianto fotovoltaico, infatti le raccomandazioni dei O&M Contractors ai proprietari degli impianti fotovoltaici su possibili investimenti o interventi si basano sul PR.
Rapporto di prestazione con correzione della temperatura
In alcune situazioni, come un test di messa in servizio o la consegna di un impianto fotovoltaico da un O&M Contractor a un altro, il PR deve essere misurato su un periodo di tempo breve, ad esempio due settimane o al massimo un mese. In tali situazioni, si preferisce utilizzare una formula di calcolo del PR corretta sulla temperatura per neutralizzare le fluttuazioni a breve termine causate degli scostamenti della temperatura da quella STC (25 °C).
Come best practice, la temperatura deve essere registrata su un intervallo di tempo fino a 15 minuti (indicato come periodo di tempo j) e la temperatura media per il periodo di tempo i deve essere ponderata in base al rendimento specifico.
dove:
PRT0(i) è il rapporto di prestazione corretto sulla temperatura relativo al periodo di tempo i [%]
Ys(i) è il rendimento specifico relativo al periodo di tempo i ed è espresso in kWh/kWp o in ore equivalenti di picco [h]
Yr(i) è il rendimento di riferimento relativo al periodo di tempo i ed è espresso in ore equivalenti solari [h]
𝛃 è il coefficiente di temperatura di potenza dei moduli fotovoltaici installati [%/°C]
TMOD(i) temperatura media dei moduli fotovoltaici nel periodo di tempo i pesata secondo il rendimento specifico Ys(j) (°C)
dove:
Ys(j) è il rendimento specifico relativo al periodo di tempo j (j<=15 minuti) ed è espresso in kWh/kWp o ore equivalenti di picco [h]
TMODMEAS(j) è la temperatura media dei moduli fotovoltaici nel periodo di tempo j (j<=1 ora) [°C]
Rendimento atteso - Yexp
Il rendimento atteso - Expected Yield, Yexp - è definito come il prodotto tra il rendimento di riferimento Yr e il rapporto di prestazione PR atteso calcolati entrambi rispetto al medesimo periodo di tempo. L'unità di misura di questo parametro è kWh/kWp o ore equivalenti di picco [h]
dove:
Yexp(i) è il rendimento atteso relativo al periodo di tempo i ed è espresso in kWh/kWp o in ore equivalenti di picco [h]
PRexp(i) è il rapporto di prestazione medio atteso nel periodo di tempo i sulla base di simulazioni con l'effettiva temperatura e irradiazione solare e le caratteristiche dell'impianto fotovoltaico [%]
Yr(i) è il rendimento di riferimento relativo al periodo di tempo i (basato su dati passati di irradiazione) ed è espresso ore equivalenti solari [h]
Questa parametro misura l'energia elettrica (AC o DC) che ci si attende venga prodotta nel periodo di riferimento i da ogni kW di potenza nominale dell'impianto fotovoltaico. Inoltre, rappresenta il numero previsto di ore equivalenti di picco dell'impianto fotovoltaico.
Indice di Prestazione Energetica - EPI
L'indice di prestazione energetica - Energy Performance Index, EPI - è definito come il rapporto tra il rendimento specifico Ys e il rendimento atteso Yexp, determinato da un modello fotovoltaico, relativi entrambi al medesimo periodo di riferimento. L'unità di misura di questo parametro è il %.
dove:
EPI(i) è l'indice di prestazione energetica relativo al periodo di tempo i [%]
Ys(i) è il rendimento specifico relativo al periodo i ed è espresso in kWh/kWp o in ore equivalenti di picco [h]
Yexp(i) è il rendimento atteso nel periodo i ed è espresso in kWh/kWp o ore equivalenti di picco [h]
Il vantaggio dell'utilizzo di EPI è che il suo valore è del 100% all'avvio del progetto ed è indipendente dal clima o dalle condizioni meteorologiche per cui può essere impiegato per identificare carenze di prestazione e il confronto tra impianti fotovoltaici.
I tre KPIs che seguono - disponibilità tecnica (Technical Availability o Uptime), disponibilità contrattuale (Contractual Availability) e disponibilità basata sull'energia (Energy-based Availability) - sono indicatori strettamente correlati che stabiliscono se un impianto fotovoltaico stia generando o meno energia elettrica.
Disponibilità tecnica - At
La disponibilità tecnica (Technical Availability o Uptime, At) misura il tempo durante il quale l'impianto fotovoltaico è in funzione rispetto al tempo totale in cui è in grado di funzionare, senza tenere conto di alcun fattore di esclusione.
Il tempo totale di possibile funzionamento è il tempo in cui l'impianto fotovoltaico è esposto a livelli di irradianza solare al di sopra della Minimum Irradiance Threshold - MIT. L'unità di misura di questo parametro è il %.
dove:
At è la disponibilità tecnica [%]
Tuseful è il periodo di tempo in cui l'irradianza solare sul piano dei moduli è al di sopra della MIT [h]
Tdown è il periodo di tempo in cui l'impianto fotovoltaico è in grado di funzionare (Irr > MIT) ma non produce [h]
La figura seguente illustra i vari periodi temporali sopra menzionati.
Valori tipici della MIT sono 50 o 70 W/m2.
La MIT in genere viene definita in base alle caratteristiche del sito e dell'impianto fotovoltaico (ad es. tipo di inverter, rapporto DC/AC ecc.).
La disponibilità tecnica può essere misurata anche a livello di inverter. In questo caso, si calcola la disponibilità tecnica totale - At total - dell'impianto fotovoltaico.
dove:
At total è la disponibilità tecnica totale dell'impianto fotovoltaico [%]
Atk è la disponibilità tecnica dell'inverter k-esimo
Pk è la potenza DC dell'inverter k-esimo
P0 è la potenza nominale dell'impianto fotovoltaico [kWp]
Disponibilità contrattuale - AC
La disponibilità contrattuale (Contractual Availability, AC) è la disponibilità tecnica con determinati fattori di esclusione, concordati contrattualmente, applicati nel calcolo.
dove:
AC è la disponibilità contrattuale dell'impianto fotovoltaico [%]
Tuseful è il periodo di tempo in cui l'irradianza solare sul piano dei moduli è al di sopra della MIT [h]
Tdown è il periodo di tempo in cui l'impianto fotovoltaico è in grado di funzionare (Irr > MIT) ma non produce [h]
Texcluded è la parte di Tdown da escludere a causa della presenza di un fattore di esclusione riportato nel contratto [h]
La figura seguente illustra i vari periodi temporali sopra menzionati.
Nota: il Tdown rappresenta l'intero tempo di inattività, prima che vengano applicate le esclusioni come da contratto. Pertanto, Texcluded è una parte di Tdown.
Questo parametro viene utilizzato come base per le garanzie generali fornite dal O&M Contractor al proprietario dell'impianto fotovoltaico e incluse nel contratto O&M. Una buona pratica è una disponibilità contrattuale minima garantita del 98% su un anno. La disponibilità contrattuale è quindi il parametro che rappresenta il tempo in cui l'impianto fotovoltaico è in funzione nel tempo totale possibile in cui è in grado di funzionare, tenendo conto del numero di ore in cui l'impianto non funziona per motivi contrattualmente non imputabili al O&M Contractor.
Come la disponibilità tecnica, anche la disponibilità contrattuale può essere calcolata a livello di inverter. In questo caso, si calcola la disponibilità contrattuale totale - AC total - dell'impianto fotovoltaico.
dove:
AC total è la disponibilità contrattuale totale dell'impianto fotovoltaico [%]
ACk è la disponibilità contrattuale dell'inverter k-esimo
Pk è la potenza DC dell'inverter k-esimo
P0 è la potenza nominale dell'impianto fotovoltaico [kWp]
Il proprietario dell'impianto fotovoltaico e il O&M Contractor devono concordare le situazioni di guasto che non devono essere prese in considerazione (fattori di esclusione) nel calcolo della disponibilità contrattuale. Alcuni buoni esempi di fattori di esclusione sono:
- forza maggiore;
- neve e ghiaccio sui moduli fotovoltaici;
- danni all'impianto fotovoltaico (compresi i cavi fino al punto di immissione) da parte del cliente o di terzi che non sono subappaltatori del O&M Contractor;
- disconnessione o riduzione della produzione di energia elettrica da parte del cliente o a seguito di un'ordinanza emessa da un tribunale o autorità pubblica;
- interruzione operativa a causa di disconnessioni della rete o interruzioni nella rete da parte dell'operatore di rete;
- disconnessioni o regolazione della potenza da parte dell'operatore di rete o dei suoi dispositivi di controllo;
- tempi di fermo risultanti da guasti dell'inverter o dei componenti della media tensione (ad esempio trasformatore, quadro), se ciò richiede:
- supporto tecnico del produttore e/o
- supporto logistico (ad esempio fornitura di pezzi di ricambio) da parte del produttore;
- interruzioni del sistema di comunicazione - il conteggio del tempo di guasto inizia solo quando il O&M Contractor riceve il messaggio di errore;
- ritardi di approvazione da parte del cliente per l'esecuzione dei lavori necessari;
- tempi di inattività per l'attuazione di misure di miglioramento dell'impianto fotovoltaico, se concordato tra le parti;
- tempi di inattività causati dal fatto che il cliente ha commissionato a terzi l'implementazione di lavori tecnici sull'impianto fotovoltaico.
Disponibilità basata sull'energia - Ae
La disponibilità basata sull'energia (Energy-based Availability, Ae) è definita nel seguente modo:
dove:
Ae(i) è la disponibilità basata sull'energia riferita al periodo di tempo i e si misura in %
Eloss(i) è la perdita di energia elettrica nel periodo di tempo i [kWh]
E(i) è l'energia elettrica prodotta dall'impianto fotovoltaico nel periodo i [kWh]
Per come è definito, questo parametro tiene conto del fatto che un'ora in un periodo con elevata irradianza solare è più preziosa che in un periodo con bassa irradianza. Infatti, il suo calcolo non utilizza il tempo ma l'energia (e l'energia persa).
In generale, la disponibilità basata sull'energia viene utilizzata nell'ambito del Contratto O&M per cui i fattori di esclusione definiti per la disponibilità contrattuale si applicano anche alla disponibilità basata sull’energia.
Per concludere, osserviamo che i sistemi di monitoraggio tradizionali sono generalmente costituiti da registratori di dati in loco che raccolgono dati elettrici da dispositivi installati sull'impianto fotovoltaico - inverter, stringhe, ecc.. - e dati meteorologici da stazioni meteorologiche. Essi in genere sono dotati di un software di gestione che consente la gestione remota delle prestazioni, la visualizzazione dei dati, la reportistica, la gestione di allarmi e ticket e anche il calcolo dei KPIs di base.