Autosufficienza a bordo: Ecco come progettare l’impianto solare

​Sono le sette del mattino, siamo alla fonda da soli in una baia da sogno, ma improvvisamente l’idillio viene interrotto dal suono stridulo dell’allarme della batteria. A quanto pare, durante la notte la luce di ancoraggio ha esaurito la capacità residua che, dopo due giorni e due notti di navigazione a vela senza collegamento alla rete elettrica, era ancora presente negli accumulatori. Momenti come questi fanno venire in mente l’idea di un approvvigionamento energetico autosufficiente.

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L'alimentazione elettrica sulle barche a vela rappresenta da sempre una sfida. È vero che oggi sono disponibili dispositivi a basso consumo, come ad esempio le lampadine a LED. Tuttavia, a bordo sono stati introdotti sempre più dispositivi, sempre più potenti, tra cui grandi display multifunzione, AIS, router Internet portatili, laptop, tablet e smartphone.

Una soluzione semplice per ogni evenienza

Naturalmente, nel caso sopra citato si potrebbe semplicemente avviare il motore diesel della barca, che è stato disinnestato, per generare corrente tramite l’alternatore. Tuttavia, questa soluzione non è né efficiente né comoda. I generatori diesel promettono un rapporto più vantaggioso tra impiego ed rendimento, ma consumano anch’essi carburante e riducono così l’autonomia. I generatori a celle a combustibile rappresentano un’alternativa. Funzionano in modo efficiente, silenzioso e quasi a emissioni zero, ma sono piuttosto costosi. A ciò si aggiunge il fatto che il combustibile, il metanolo, non è facilmente reperibile ovunque.

Senza alcun consumo di carburante, i generatori eolici e idroelettrici forniscono l’energia elettrica tanto attesa. I primi, tuttavia, necessitano di aria in movimento, ma il vento non deve essere troppo forte. Inoltre, bisogna fare i conti con una certa emissione di rumore e, talvolta, anche con delle vibrazioni. I generatori a traino, invece, funzionano solo durante la navigazione e non rappresentano una soluzione in caso di lunghi periodi di sosta senza alimentazione da terra.

I pannelli solari si rivelano decisamente meno esigenti, poiché non richiedono né vento né propulsione. Inoltre, non presentano componenti mobili e, di conseguenza, l’usura e gli interventi di manutenzione sono minimi. Non appena il sole sorge al mattino, ci si può aspettare una resa adeguata. L’entità di tale resa dipende da diversi fattori che dovrebbero essere presi in considerazione nella progettazione di un impianto solare a bordo.

​Quanta energia elettrica occorre?

Il primo passo consiste in un'accurata valutazione delle esigenze: quanta energia elettrica è necessaria e per quanto tempo lo yacht deve poter rimanere autonomo? A questa domanda ci sono almeno tante risposte quanti sono i modi di immaginare una crociera a vela perfetta. Chi si ricollega alla rete elettrica ogni due giorni ha bisogno di meno riserve rispetto a chi preferisce stare all’ancora o addirittura sta pianificando un giro del mondo in barca a vela.

E anche per quanto riguarda i dispositivi necessari, le preferenze variano: c’è chi di notte ha bisogno solo della luce di ancoraggio, mentre sottocoperta penzola una lanterna a petrolio. Altri invece danno importanza a un certo comfort, con il frigorifero sempre acceso, l’accesso a Internet e l’intrattenimento. A ciò si aggiunge l’equipaggiamento: c’è un inverter a bordo che, ad esempio, alimenta il portatile? Si utilizza un piano cottura a induzione o magari persino un impianto di climatizzazione? Per non parlare poi di uno yacht a propulsione elettrica.

In questo caso ognuno deve fare i propri calcoli. A tal fine è utile una tabella in cui siano elencati tutti gli apparecchi con la loro durata media di funzionamento giornaliera. La potenza di ciascun apparecchio in watt (W), moltiplicata per le ore di funzionamento giornaliere (h), fornisce il fabbisogno in wattora (Wh/giorno). Sommando tutti i valori si ottiene il fabbisogno totale giornaliero.

​Quanta energia elettrica consumano una persona e una barca in 24 ore

Il dispositivo che consuma più energia è il frigorifero, seguito dai caricabatterie USB e dai sistemi di guida automatica. Per convertire i wattora in ampereora: Wh / V (tensione nominale delle batterie). 720 Wh corrispondono quindi a 60 Ah in una rete a 12 V. Con le batterie tradizionali, per questo consumo è necessaria una batteria da circa 120 Ah. Se si tratta di batterie LiFe, in linea di principio sono sufficienti 67 Ah.

Più dettagliato è l'elenco, più affidabile sarà il risultato. Una pompa dell'acqua in pressione ha sì un assorbimento di potenza maggiore rispetto a un chartplotter, ma funziona solo raramente, mentre l'elettronica di navigazione rimane in funzione per diverse ore. Nel caso del frigorifero, che funziona ininterrottamente, il consumo medio di energia è inferiore alla potenza nominale, poiché il compressore si spegne periodicamente; in questo caso si ricorre a un valore stimato.

Quale carico desiderate?

L’attenzione si sposta ora sulla capacità della batteria di bordo, che viene solitamente misurata in ampere-ora (Ah). Una batteria di bordo da 120 Ah può teoricamente fornire 120 ampere (A) per un’ora oppure 5 ampere per 24 ore. Tuttavia, tutto dipende dal tipo di batteria: mentre le batterie al litio-ferro-fosfato possono essere scaricate quasi completamente, fornendo così quasi tutta la loro capacità, dal 90 al 95 per cento, le batterie al piombo-acido, comprese quelle AGM e al gel, possono essere scaricate solo parzialmente senza comprometterne la durata.

Come valore indicativo si può considerare una capacità utilizzabile pari al 50%. Una batteria al piombo da 120 ampere-ora fornisce quindi, in realtà, solo 60 ampere-ora. Moltiplicando questo valore per una tensione nominale di circa 12 volt (V), si ottengono 720 wattora (60 Ah x 12 V = 720 Wh). Questa capacità è disponibile con una batteria al piombo completamente carica senza ricarica.

Ora si confronta la capacità disponibile con il consumo giornaliero. Da ciò si ricava per quanto tempo massimo si può resistere senza ricaricare. Supponiamo che finora i 720 wattora ci siano bastati per un giorno, ovvero 24 ore. In futuro vorremmo trascorrere due giorni in più a vela e all’ancora. Il fabbisogno aggiuntivo sarebbe quindi di 1.440 wattora (2 x 720 Wh). Queste dovrebbero essere generate nell’arco dei tre giorni complessivi in cui vorremmo essere autosufficienti, ovvero 480 wattora al giorno (3 x 480 Wh = 1.440 Wh).

Il fabbisogno effettivo dipende anche dalle condizioni generali. Se durante il giorno partiamo con la batteria completamente carica, questa ovviamente non può inizialmente assorbire ulteriore carica. Inoltre, non vengono prese in considerazione le durate di funzionamento del motore. Il calcolo di esempio ha solo scopo orientativo.

Teoria e realtà

Se ipotizziamo una durata di irraggiamento solare di 8 ore al giorno, il pannello solare dovrebbe fornire in media 60 watt per coprire il fabbisogno di energia elettrica (8 h x 60 W = 480 Wh). A prima vista non sembra molto: un pannello da 60 Watt non è né grande né costoso, ma la teoria e la pratica sono ben lontane l’una dall’altra. La potenza dei pannelli solari viene solitamente indicata in Watt di picco (Wp). Si tratta del valore massimo raggiungibile in condizioni ideali. Un pannello da 60 Wattpeak potrebbe certamente fornire 60 Watt, ma solo in presenza di un irraggiamento ottimale. L’intensità dell’irraggiamento solare varia però a seconda della posizione del sole e anche nel corso dell’anno. A ciò si aggiunge la latitudine geografica.

Sul sito web del produttore di pannelli solari Sunware (www.sunware.solar) sono disponibili dati comparativi relativi a diverse località. Secondo tali dati, un modulo da 100 Wattpeak a Spalato, in Croazia, produce 545 wattora al giorno nel mese di luglio, mentre a Kiel si raggiungono solo 370 wattora. A settembre la produzione giornaliera a Kiel scende a 207 wattora, mentre a Spalato si possono ancora prevedere 348 wattora. Si tratta in entrambi i casi di medie mensili, in cui sono già stati calcolati i giorni di maltempo.

A Kiel, la produzione media nei mesi da maggio a settembre è di circa 325 wattora al giorno. Ciò corrisponde a 3,25 ore di picco solare (PSH) al giorno; l'unità si riferisce alle ore con un irraggiamento solare equivalente a 1 kilowatt per metro quadrato (0,325 kWh : 0,1 kW = 3,25 h). Per i 480 wattora di cui abbiamo bisogno, un modulo da 100 watt di potenza di picco non sarebbe quindi sufficiente sulla costa del Mar Baltico. Avremmo bisogno di una resa pari a circa 1,5 volte quella attuale (325 Wh x 1,5 = 487,5 Wh), ovvero di un modulo da 150 Wattpeak. A condizione che non vi siano perdite di potenza dovute a un orientamento sfavorevole o all’ombreggiamento. Ulteriori perdite possono derivare dal cablaggio e dal regolatore. Chi desidera conoscere i dati con estrema precisione può calcolare anche queste perdite di linea.

Tipi di celle e superficie necessaria

La superficie necessaria per ottenere la potenza desiderata dipende dal rendimento delle celle. I moduli solari sono solitamente costituiti da diverse celle collegate tra loro, realizzate in silicio monocristallino o policristallino. Le celle monocristalline possono raggiungere un rendimento intorno al 20%. Tecnologie più avanzate, quali PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), IBC (Interdigitated Back Contact) e HJT (Heterojunction Technology), aumentano l’efficienza fino al 25%.

Le celle policristalline presentano un rendimento inferiore, compreso tra il 15 e il 18 per cento. Ancora un po’ al di sotto si collocano le celle a film sottile, celle amorfe che si distinguono per la loro flessibilità e sono adatte anche ad aree parzialmente ombreggiate. Per i moduli flessibili oggi vengono utilizzate anche celle CIS e CIGS prive di silicio, che offrono prestazioni soddisfacenti. Chi è disposto a investire in moduli efficienti può quindi cavarsela con una superficie minore. Per un modulo solare da 150 Wattpeak occorre prevedere, a seconda del modello, una superficie compresa tra 0,7 e 1,2 metri quadrati. La suddivisione in più moduli aumenta lo spazio necessario.

Il posto giusto

In linea di massima vale la regola: minore è l’ombra e più diretto è l’orientamento verso il sole, maggiore è la resa. Per questo motivo molti yacht d’altura sono dotati di un robusto supporto a poppa, sul quale i pannelli solari possono svolgere il loro servizio senza ostacoli, in alcuni casi con inclinazione regolabile per un orientamento ottimale. Chi non desidera installare una struttura di questo tipo trova numerose alternative. Il mercato offre oggi una soluzione praticabile per quasi ogni tipo di imbarcazione ed esigenza, dai moduli ribaltabili per la ringhiera di poppa alle varianti calpestabili per la sovrastruttura della cabina, fino alle versioni flessibili per sprayhood e bimini. Esistono persino moduli riscaldabili per l’albero. A questi si aggiungono versioni speciali per il boma e le vele.

Se si tratta semplicemente dell’alimentazione elettrica all’ancora, sarebbero ipotizzabili anche varianti mobili da posizionare sul ponte o moduli da appendere alla ringhiera. Se invece si desidera che il sistema funzioni anche durante la navigazione, la scelta migliore sarebbe un supporto per apparecchiature, oppure si potrebbero cercare soluzioni adeguate per un montaggio fisso sul ponte o sul tetto della cabina.

Considerando il fabbisogno indicato nell’esempio, pari a circa 150 Watt di picco, i prezzi dei singoli moduli corrispondenti si aggirano in media tra i 350 e i 450 euro. I modelli base più semplici sono talvolta disponibili a prezzi inferiori; tuttavia, a seconda della versione e della dotazione (set con sistema di fissaggio, regolatore di carica ecc.), i prezzi possono arrivare fino a 1.000 euro e oltre, ad esempio per le celle ad alte prestazioni e le versioni pieghevoli e flessibili. Se lo spazio sul ponte è limitato, si potrebbe anche valutare di investire parallelamente in una maggiore capacità delle batterie, per ridurre il fabbisogno di energia solare aggiuntiva. In ogni caso, l’investimento nell’energia solare si traduce in maggiore libertà, poiché consente di trascorrere più tempo in acqua in modo rilassante e a emissioni zero.

​Il regolatore giusto

Per ricaricare in modo efficiente le batterie di bordo, è necessario un regolatore di carica adeguato, posizionato tra il pannello solare e la batteria di bordo. Esso garantisce una corrente di carica ottimale e protegge dal sovraccarico. Inoltre, il regolatore di carica dovrebbe essere adattato al pannello specifico e al tipo di batteria.

Dal punto di vista tecnologico prevalgono due tipi: i regolatori PWM (Pulse Width Modulation) e i regolatori MPPT (Maximum Power Point Tracking). I primi sono considerati semplici, economici e robusti. I regolatori MPPT hanno una struttura più complessa e sono più costosi, ma anche nettamente più efficienti. Essi immettono nel banco di batterie quasi tutta l’energia fornita dal modulo solare.

Alcuni modelli dispongono di più uscite, ad esempio per la ricarica simultanea della batteria di avviamento. Se più moduli vengono collegati in serie, il regolatore di carica deve essere in grado di gestire la tensione più elevata. I collegamenti in parallelo, invece, aumentano la corrente. Correnti di carica elevate richiedono cavi di dimensioni adeguate e una particolare attenzione durante l’installazione.

Attenzione: i regolatori di carica solari sono progettati specificamente per gli impianti fotovoltaici e non devono essere utilizzati con altre fonti di alimentazione!

Fattori pratici che riducono la produzione di energia solare

• Ombreggiatura: Anche piccole ombre, causate ad esempio dal boma oscillante, dal sartiame, dal dardo, da un paranco o dalle traversine, possono ridurre sensibilmente la potenza di un pannello solare. Nella pratica, una perdita di potenza compresa tra il 10 e il 30 per cento non è affatto rara.
• Orientamento rispetto al sole: La potenza massima di un pannello solare si ottiene solo con un'irradiazione solare ottimale, il più possibile perpendicolare. I pannelli solari che rimangono costantemente in posizione orizzontale o inclinati in modo sfavorevole rispetto al sole riducono la resa media giornaliera. L'entità di tale riduzione dipende dalla stagione.
• Temperatura: Le temperature elevate dei moduli riducono il rendimento. Nel Mediterraneo o nelle regioni tropicali, ciò può comportare una perdita aggiuntiva compresa tra il 5 e il 10 per cento.
• Cablaggio e tecnologia di ricarica: Le perdite dovute alle resistenze dei cavi e a regolatori di scarsa qualità possono comportare un aumento delle perdite compreso tra il 5 e il 10 per cento.

​Consigli di lettura

L'arte della navigazione tratta aspetti fondamentali relativi all’attrezzatura nautica, alla cura dell’imbarcazione, alla manutenzione e alla navigazione elettronica. I lettori e le lettrici trovano indicazioni utili per la gestione tecnica quotidiana a bordo e possono orientarsi meglio nella scelta e nell’utilizzo delle proprie attrezzature.

Navigare in sicurezza in mare si concentra sull’uso sicuro di uno yacht a vela. La guida tratta, tra l’altro, i rischi legati all’impianto elettrico di bordo e agli strumenti digitali come l’AIS e i file GRIB.

Di quanta tecnologia ha davvero bisogno uno yacht per essere autosufficiente per diversi giorni? Condividete nei commenti le vostre esperienze sull’energia solare a bordo.