Immaginiamo l impianto fotovoltaico diviso

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1 Il rischio di incendio generato da impianti fotovoltaici Giovanni Conti L abstract Sempre di più vediamo installati impianti fotovoltaici sui tetti delle abitazioni, su strutture pubbliche, pensiline, capannoni industriali (Figura 1). Il fotovoltaico è quindi oramai un elemento impiantistico da cui non si può prescindere, sia nella progettazione di nuovi edifici, sia nelle installazioni su edifici esistenti. Come forse è già noto ad alcuni però, questo tipo di impianti è caratterizzato, lato corrente continua (CC), da elevate tensioni di funzionamento che difficilmente possono essere gestite, generando potenziali situazioni di pericolo non tanto di folgorazione quanto di innesco incendio. L obiettivo di questo articolo è pertanto dare una panoramica in merito ai rischi relativi a incendi potenzialmente generati da guasti su impianti fotovoltaici, quale sia il quadro normativo di riferimento, quali le cause più frequenti di guasto e quali gli accorgimenti progettuali per ridurre al minimo tali eventi. Il quadro normativo Immaginiamo l impianto fotovoltaico diviso in due sezioni. La prima, composta dai moduli fotovoltaici che producono energia elettrica in corrente continua, fino ad arrivare tramite cavi solari e quadri di sezionamento, parallelo e protezione all inverter, ossia la macchina elettrica che trasforma l energia elettrica da continua in alternata. Da qui parte la seconda sezione, in corrente alternata (AC) per la quale le normative CEI di riferimento prevedono noti e collaudati sistemi di protezione da sovraccarico, cortocircuito, contatti diretti e indiretti che già consentono un buon livello di prevenzione 76 antincendio

2 da potenziali inneschi di incendio, sebbene anche in questi casi una errata progettazione e/o una installazione poco attenta possano generare situazioni di pericolo. La materia è comunque ben nota e pertanto non si darà alcun approfondimento in merito nel presente articolo. È viceversa la prima sezione, lato corrente continua (DC), ove a causa delle elevate tensioni di esercizio (anche fino a 1000V) possono essere presenti rischi di innesco incendio non facilmente prevenibili, individuabili e nel caso, controllabili. Per fornire una guida nel limitare tali rischi e definire un riferimento operativo per progettisti e installatori del settore, a partire dal 2010 i Vigili del fuoco hanno emesso diverse Figura 1 - Impianto fotovoltaico su capannone industriale circolari, limitate però come campo di applicazione ad impianti fotovoltaici realizzati a servizio di attività soggette ai controlli degli stessi VV.F. per il rilascio dei CPI. Veniva infatti specificato nella prima circolare (Circolare Ministero dell Interno Prot. n del 26/03/2010) che gli impianti fotovoltaici non configurano, di per se stessi, attività soggette al controllo ai fini del rilascio del certificato di prevenzione incendi (CPI). Tuttavia l installazione di un impianto fotovoltaico sulla copertura di un edificio può modificare il taluni casi il comportamento all incendio della struttura ed i rischi di innesco incendio, dovuti ad una errata progettazione e/o ad una cattiva installazione, possono essere comunque rilevanti. Nei successivi paragrafi saranno quindi analizzate le principali indicazioni progettuali e realizzative fornite dai Vigili del fuoco in merito ad impianti fotovoltaici a servizio di attività soggette ai controlli di prevenzione incendi. Le stesse indicazioni potranno essere un ottimo riferimento per progettisti e installatori anche nei casi di installazioni di impianti a servizio di attività non soggette ad alcun controllo. È però prima necessario fare una breve panoramica sulle cause di innesco incendio generate dall impianto fotovoltaico (lato DC). Perchè si innesca l incendio? Negli impianti elettrici gli incendi si verificano essenzialmente per due cause: Il surriscaldamento di uno o più conduttori nonché delle parti isolanti degli stessi per il ben noto effetto Joule. L instaurarsi di un arco elettrico (ossia una scarica elettrica di forte intensità) per un cattivo contatto tra due parti di uno stesso circuito o un guasto verso terra. impianti fotovoltaici antincendio 77

3 L Autore impianti fotovoltaici Considerando il particolare caso del circuito DC di un impianto fotovoltaico, il surriscaldamento del conduttore non è di certo possibile, a meno di madornali errori di progettazione, in quanto la corrente che attraversa il circuito è limitata dalla potenza dei moduli fotovoltaici stessi (per una stringa non si superano mai i 10A/12A). Viceversa l instaurarsi di un arco elettrico per Giovanni Conti, 47 anni, ingegnere elettrotecnico. Dopo la laurea nel 1994 presso l Università degli studi di L Aquila, ha conseguito un Ph.D. in Automazione Industriale presso l Università La Sapienza di Roma. Per circa 15 anni ha lavorato in aziende leader del settore automotive (Fiat, Toyota, Ford) in ruoli di crescente responsabilità, per poi tornare alla sua vera passione, il settore energia, quando nel 2011 ha creato la Conti Universal Point Srl. Oggi cura la progettazione, la vendita e l installazione di impianti fotovoltaici, solari termici, pompe di calore e sistemi di gestione dell energia (maggiori dettagli e recensioni dei clienti su E inoltre progettista di riferimento per aziende del settore energie rinnovabili operanti nel Lazio ed offre la propria consulenza tecnica specialistica ad installatori, privati e aziende. un cattivo contatto può manifestarsi in un circuito in corrente continua quale quello di una stringa di moduli fotovoltaici collegati in serie, ove la tensione complessiva supera i 400Vdc per arrivare anche a 800Vdc/ 1000Vdc. Infatti, un solo modulo policristallino di taglia media da 250Wp sviluppa a vuoto, ossia non connesso ad alcun carico, una tensione di circa 38Vdc, per scendere a circa 30Vdc a pieno carico. È frequente che si realizzi per un semplice impianto da 3kWp una unica stringa composta da 12 moduli, arrivando così a tensioni di esercizio che variano tra i 350Vdc (a pieno carico) e i 450Vdc (a circuito aperto). Se poi si utilizzano moduli monocristallini ad elevato rendimento (con potenze dai 300Wp fino a 345Wp) la tensione a vuoto è di oltre 64Vdc e di circa 54Vdc a pieno carico, con le ovvie deduzioni appena fatte. Va considerato che l energia d arco, che viene dissipata nel manifestarsi del fenomeno della scarica (Figura 2), è caratterizzata da 78 antincendio

4 elevatissime potenze, poiché concentrata in brevissime frazioni di secondo. Questo genera temperature prossime a C, che possono ovviamente fondere qualsiasi materiale in prossimità del conduttore (involucri metallici e/o plastici) anche perché per effetto termico i metalli e gli isolanti che vengono a contatto con l arco subiscono una violenta erosione, con formazione di gas in pressione, fumi e perline di materiali fusi, che a loro volta vengono scagliati verso i materiali circostanti, non sempre resistenti all incendio o ancor peggio assolutamente infiammabili. Infine, va ricordato che l arco in DC è più severo dell arco in AC, in quanto in corrente alternata a 50Hz l arco si azzera ogni 10ms, estinguendosi quindi più facilmente. Per quanto sinora illustrato, appare evidente che l arco elettrico è la principale causa degli incendi lato DC negli impianti fotovoltaici. È quindi fondamentale che nella messa in opera dell impianto sia adottata da parte degli installatori la massima attenzione nel cablare adeguatamente i collegamenti tra i connettori dei singoli moduli fra loro, le connessioni all interno dei quadri DC di parallelo e sezionamento nonché i collegamenti alle connessioni DC degli inverter, ossia in tutte le parti ove si realizza il collegamento per la continuità elettrica del circuito. I materiali e la componentistica utilizzata per le connessioni dovrà possedere le richieste certificazioni in funzione dell utilizzo cui è preposta; si pensi ad esempio ai connettori MC4 che realizzano il collegamento tra i moduli fotovoltaici e i cavi solari afferenti al quadro di stringa. Tali connettori vengono spesso lasciati appoggiati sulla copertura degli edifici e per anni sono soggetti a tutte le intemperie nonché alla luce del sole; è quindi fondamentale che oltre ad una corretta installazione i materiali stessi siano di qualità elevate e caratteristiche tali da sopportare nel tempo tutte le sollecitazioni di cui sopra. Purtroppo però, ciò potrebbe non essere sufficiente. impianti fotovoltaici Dove nascono gli incendi Figura 2 - Innesco di un arco elettrico tra due conduttori antincendio 79

5 impianti fotovoltaici Figura 3 - Esempio di scatola di giunzione bruciata L arco elettrico infatti può innescarsi anche all interno delle scatole di giunzione (Figura 3) e diodi di by-pass o anche all interno del modulo a causa di saldature difettose tra i conduttori delle celle. È chiaro che questa seconda tipologia di guasti potenziali non è certo da attribuirsi ad errori di installazione, quanto piuttosto solo ed esclusivamente alla qualità del prodotto. In questi ultimi anni, a valle dei sistemi di incentivazione messi a disposizione dal governo per supportare la installazione e diffusione degli impianti fotovoltaici (il Conto Energia, nelle sue diverse edizioni, che si sono susseguite dal 2006 al 2013) la qualità dei moduli fotovoltaici è sicuramente cresciuta molto grazie anche ai requisiti che venivano richiesti alle case produttrici per poter immettere sul mercato prodotti di caratteristiche tali da poter essere ammessi agli schemi di incentivazione. Di pari passo la difettosità media è scesa drasticamente, a beneficio degli utilizzatori finali. Viceversa negli impianti più obsoleti, realizzati con meno esperienza e prodotti di qualità inferiore, il rischio di incendio per guasti nei giunti di connessione e all interno delle scatole di giunzione rimane ancora elevato. I requisiti richiesti dai VV.F. Come concetto generale, va considerato che non è possibile, con i sistemi tradizionali, evitare che il campo fotovoltaico non generi tensione in presenza di luce solare. Solo con l adozione di particolari contromisure, che saranno illustrate nell ultimo capitolo, sarà possibile ovviare a questo limite operativo. Diversamente (circostanza che si verifica nella grande maggioranza degli impianti), la presenza della tensione elevata lato DC costituisce un elemento di pericolo, specialmente in fase di soccorso. È su questo aspetto che i Vigili del fuoco hanno formulato alcuni princìpi generali di riferimento, sia progettuali che relativi alla stessa installazione ed esercizio, richiesti agli impianti fotovoltaici installati a servizio di attività soggette ai controlli degli stessi VVF per il rilascio dei CPI. I princìpi sono qui di seguito elencati: L impianto fotovoltaico non deve costituire causa primaria di incendio o esplosione. L impianto fotovoltaico non deve fornire alimento o via privilegiata di propagazione incendi. Deve essere previsto un dispositivo di sezionamento sotto carico, azionabile da comando remoto, ubicato in posizione segnalata ed accessibile, in modo da mettere in sicurezza ogni parte dell'impianto elettrico all'interno del compartimento antincendio, anche nei confronti del generatore fotovoltaico. In alternativa al sezionamento del generatore fotovoltaico si dovrà collocare lo stesso in apposita area recintata. La parte del generatore FV a monte di tale dispositivo di sezionamento deve essere esterna ai compartimenti antincendio, oppure interna ma ubicata in apposito vano tecni- 80 antincendio

6 co con idonee caratteristiche di resistenza al fuoco. In caso di presenza di gas, vapori, nebbie infiammabili polveri combustibili, in caso di fabbricazione, manipolazione deposito di materiali esplosivi, al fine di evitare pericoli determinati dall'innesco elettrico di atmosfere potenzialmente esplosive, è necessario installare la parte di impianto in c.c, compreso l'inverter, all'esterno delle zone classificate ai sensi del D. Lgs. 81/2008 allegato XLIX. I componenti degli impianti FV non devono essere installati in luoghi sicuri, né essere di intralcio alle vie di esodo. L'area in cui ubicato il generatore ed suoi accessori, qualora accessibile, dovrà essere segnalata con apposita cartellonistica conforme al D. Lgs. 81/2008. La predetta cartellonistica dovrà riportare la seguente dicitura: ANAF GROUP The New Safety Frontier ATTENZIONE: Impianto Fotovoltaico in tensione durante le ore diurne (... Volt). La predetta segnaletica dovrà essere installata ogni 5 metri per tratti di conduttura. L'ubicazione dei pannelli delle condutture elettriche deve consentire il corretto funzionamento e la manutenzione di eventuali evacuatori di fumo e di calore (EFC) presenti nonché deve tener conto dell'esistenza di possibili vie di veicolazione di incendi (lucernari, camini, ecc). In ogni caso pannelli, le condutture ed ogni altro dispositivo non dovranno distare meno di 1 metro dai predetti dispositivi. Poche chiare e semplici indicazioni che però, se non adottate, possono rendere molto più pericolosi gli interventi di soccorso (Figura 4) ed aggravare decisamente gli effetti distruttivi nonché la probabilità di propagazione di un incendio già innescato. EN3 impianti fotovoltaici SAFETY EXPO 2017 Fiera di Bergamo settembre STAND 89 antincendio 81

7 impianti fotovoltaici Figura 4 - Intervento su campo fotovoltaico ad innesco avvenuto Monitoraggio delle temperature dei moduli È a questo punto evidente che una delle più diffuse cause di innesco incendio nell impianto fotovoltaico risiede all interno dei moduli fotovoltaici stessi, nelle scatole di giunzione, nei connettori dei cavi solari. Inoltre, il surriscaldamento ed il successivo innesco dell arco sono quasi sempre preceduti da periodi di esercizio più o meno lunghi con elevate temperature localizzate, che, se rilevate per tempo, potrebbero consentire un tempestivo intervento di riparazione evitando così il ben più grave evento dell innesco di incendio. Il monitoraggio delle temperature di esercizio delle diverse sezioni del campo fotovoltaico diventa quindi una azione preventiva necessaria ed assolutamente efficace. Grazie alle recenti tecnologie, sono stati sviluppati e stanno proliferando società che offrono servizi di monitoraggio e analisi per grossi impianti dove, utilizzando droni dotati di termocamera che sorvolano il campo fotovoltaico, viene creata una mappatura termica (Figura 5) dello stesso campo in modo da individuare eventuali sovratemperature localizzate causate da micro archi di guasto, indice di potenziali rischi di innesco di incendio. La verifica termografica consente infatti di ottenere un elevato numero di informazioni grazie ad una analisi a raggi infrarossi senza alterare il sistema controllato, in maniera rapida, precisa e soprattutto dove potrebbe Figura 5 - Mappatura termica del campo fotovoltaico 82 antincendio

8 impianti fotovoltaici Power Optimizer Inverter Monitoring Portal Figura 6 - Sistema di ottimizzatori per il controllo della tensione essere pericoloso e ben più dispendioso l intervento umano. Un'efficace soluzione Infine, si ritiene opportuno illustrare una soluzione tecnologica già disponibile sul mercato e sviluppata da una azienda leader globale nel mercato degli ottimizzatori di potenza DC, che fornisce elettronica a livello di modulo per sistemi di raccolta e monitoraggio di energia solare per impianti fotovoltaici residenziali, commerciali e su vasta scala. Questa soluzione impiantistica, oltre a fornire numerosi vantaggi in merito al controllo ed alla ottimizzazione del funzionamento e delle relative prestazioni di un impianto fotovoltaico, consente di eliminare qualsiasi problema relativo alle tensioni a vuoto generate dai moduli fotovoltaici, che tanto pericolose possono essere in caso di intervento dei Vigili del fuoco perché presenti anche a seguito del distacco della alimentazione AC. L architettura (Figura 6) è infatti composta da ottimizzatori di potenza collegati a ciascun modulo (sono applicabili ad un qualsiasi modulo fotovoltaico in commercio), da un inverter e da un sistema di monitoraggio che analizza il comportamento di ciascun modulo. Gli ottimizzatori restano in produzione solo fintanto che ricevono un continuo segnale dall inverter. In caso di assenza del segnale, gli ottimizzatori di potenza vanno automaticamente in sicurezza. Gli ottimizzatori possono inoltre individuare degli archi seriali e possono spegnerli automaticamente tramite l arresto completo del modulo stesso, bloccando tensione e corrente in uscita dal modulo. L arresto a livello di modulo può in oltre interrompere anche archi paralleli. In estrema sintesi, l ottimizzatore entra in Safety Mode e arresta la erogazione di tensione e corrente del modulo quando: l inverter è scollegato dalla rete elettrica l inverter viene spento i sensori termici rilevano un aumento eccessivo di temperatura (soglia 85 C). In questa modalità (Safety Mode), la tensione di uscita di ogni ottimizzatore è pari solo a 1V, rendendo così assolutamente sicuro l intervento di soccorso anche in presenza di stringhe estremamente lunghe. Si pensi ad esempio a una stringa composta da 20 moduli, dove in condizioni normali si avrebbe a vuoto una tensione prossima a 800Vdc. La soluzione è certificata in Europa come dispositivo di disconnessione CC secondo la IEC/EN e -3 e secondo gli standard di sicurezza VDE AR e OEVE R Per ragioni editoriali non sono pubblicati i nomi dei prodotti e dell azienza. antincendio 83