Il percorso del Gruppo Sistemi Fotovoltaici (GSF) presso l'Istituto di Energia Solare (IES) del Politecnico di Madrid (UPM) nell'ambito dell'elettrificazione rurale tramite fotovoltaico è stato caratterizzato dalla ricerca di sistemi solari di alta qualità. Questo principio è ancora più rilevante se si considerano le applicazioni in aree decentrate, dove la scarsità di infrastrutture, l'isolamento e la difficoltà di accesso, unitamente alla bassa densità di popolazione e alle limitate risorse economiche, rendono impossibile garantire la gestione e la manutenzione necessarie per assicurare una durata di vita ragionevole a questi sistemi. Per quattro decenni, l'IES è stato un pioniere nello sviluppo di standard e protocolli di controllo qualità per numerosi programmi di elettrificazione rurale implementati sia in America Latina che in Africa.
Dal 2010, la ricerca del GSF sull'elettrificazione rurale si è concentrata su due aree strategiche: la qualità nei programmi di elettrificazione rurale decentrata su larga scala e l'affidabilità dei sistemi di pompaggio fotovoltaici.

Programmi di elettrificazione rurale decentralizzata su larga scala:
Per quanto riguarda la qualità dei programmi di elettrificazione rurale decentralizzata su larga scala, gli studi condotti dal Photovoltaic Systems Group (GSF) hanno evidenziato la fragilità di questi programmi, implementati in tutto il mondo fino al primo decennio del XXI secolo. Tale fragilità deriva dagli elevati costi di esercizio e manutenzione, che hanno portato a gravi situazioni di insolvenza per le aziende coinvolte.
A complicare ulteriormente la decentralizzazione si aggiunge il fatto che, generalmente, quando si intraprende un programma di questo tipo, il punto di partenza è la mancanza di conoscenza dei dati effettivi di affidabilità dei componenti del sistema (regolatori di carica, inverter, apparecchi di illuminazione e, soprattutto, batterie). La comprensione dei tassi di guasto delle apparecchiature, del tempo medio tra i guasti e della durata di vita in ambienti decentralizzati dovrebbe essere lo strumento fondamentale per la progettazione di strutture di manutenzione efficienti ed economicamente vantaggiose.
I risultati ottenuti dallo studio del Programma Globale di Elettrificazione Rurale del Marocco (2005-2010), che comprendeva oltre 13.000 impianti solari residenziali, hanno mostrato che la durata media delle batterie era inferiore a un anno e che il programma aveva sottostimato i costi di esercizio e manutenzione del 20% (richiedendo quindi una struttura di manutenzione molto più ampia del previsto), portando l'aggiudicatario ad abbandonare il progetto.

Utilizzando modelli di ottimizzazione matematica, è possibile progettare strutture di manutenzione in grado di garantire la durata di vita degli impianti. Questi strumenti di modellazione aiutano a determinare, tra l'altro, l'ubicazione dei centri di manutenzione in base alla distribuzione geografica degli impianti e ai relativi punti di accesso, il numero di tecnici e veicoli necessari e le previsioni dei pezzi di ricambio necessari in base ai dati di affidabilità dei dispositivi. “Alla GSF abbiamo sviluppato uno strumento in grado di progettare strutture di manutenzione e lo abbiamo applicato al programma marocchino, ottimizzando tali strutture a tal punto da riuscire a invertire la tendenza alla mancanza di redditività del programma, riducendola del 20% in alcune aree”, afferma Luis Miguel Carrasco, responsabile della linea di ricerca sull'elettrificazione fotovoltaica rurale presso il Gruppo Sistemi Fotovoltaici (GSF).
L'ultimo decennio è stato caratterizzato da un cambio di paradigma, con l'abbandono dei modelli tradizionali di elettrificazione fotovoltaica rurale, come il pagamento a prestazione, a favore di due nuovi modelli. Il primo prevede la vendita diretta di impianti solari residenziali e dei cosiddetti pico-sistemi (sistemi piccoli, compatti e plug-and-play di potenza inferiore a 10 Wp con luci a LED e caricabatterie USB per cellulari). L'altro modello consiste nello sviluppo di mini-reti in aree sufficientemente densamente popolate, con contratti di acquisto di energia (PPA) per la vendita di energia agli utenti.
In questo nuovo scenario, il GSF sta partecipando in Africa occidentale, insieme al Centro ECOWAS per le Energie Rinnovabili e l'Efficienza Energetica (ECREEE), allo sviluppo di un nuovo standard per i sistemi solari residenziali per l'Africa occidentale (ECOWAS - Comunità Economica degli Stati dell'Africa Occidentale). L'obiettivo è garantire che i sistemi presenti sul mercato siano certificati per assicurarne la qualità. "In lavori precedenti, e in linea con questa ricerca, l'IES aveva già pubblicato le specifiche tecniche e le procedure di controllo qualità per gli apparecchi di illuminazione a LED per sistemi fotovoltaici residenziali, in previsione della loro applicazione su larga scala", spiega Luis Narvarte, responsabile del Gruppo Sistemi Fotovoltaici (GSF).

Affidabilità dei sistemi di pompaggio fotovoltaici
. Nel 2013, il Gruppo Sistemi Fotovoltaici (GSF) ha avviato una nuova linea di ricerca incentrata sul pompaggio fotovoltaico ad alta potenza per applicazioni agricole. Questa ricerca si è concretizzata nel progetto MASLOWATEN, finanziato dal programma Horizon 2020 (H2020) della Commissione Europea. Questo progetto ha aumentato con successo la potenza erogata dai sistemi di irrigazione fotovoltaici per soddisfare le esigenze degli agricoltori, ha risolto i problemi legati all'intermittenza dell'energia senza l'uso di batterie e ha integrato il sistema solare nel sistema di irrigazione esistente attraverso soluzioni innovative, massimizzando così l'utilizzo dell'energia fotovoltaica.
In precedenza, è stato condotto un progetto pilota in Marocco, finanziato dall'Università Politecnica di Madrid (UPM) e dall'Agenzia Spagnola per la Cooperazione Internazionale allo Sviluppo (AECID). Questo progetto prevedeva un sistema di irrigazione fotovoltaico decentralizzato, per il quale sono stati sviluppati gli algoritmi di controllo necessari a facilitare questo salto tecnologico. Il generatore fotovoltaico era alimentato da un inseguitore solare autonomo ad asse orizzontale Nord-Sud. Questo progetto è stato fondamentale per lo sviluppo della tecnologia di irrigazione fotovoltaica e per la sua successiva introduzione sul mercato grazie a MASLOWATEN.
Con la tecnologia dei sistemi di irrigazione fotovoltaici ad alta potenza ormai consolidata, nel 2020 il GSF ha coordinato il progetto SOLAQUA, anch'esso parte del programma H2020, il cui obiettivo è espandere il mercato dell'irrigazione solare combinando la tecnologia fotovoltaica e idraulica con sistemi di irrigazione ad alta efficienza.

Parallelamente a questi progetti europei, il GSF sta avviando una nuova linea di lavoro che mira a integrare i sistemi di irrigazione fotovoltaici ad alta potenza in ambienti decentralizzati, attraverso lo sviluppo di sistemi di irrigazione altamente affidabili, minimizzando i tassi di guasto e consentendo il controllo remoto del sistema. A tal fine, vengono affrontati diversi aspetti chiave: lo sviluppo di generatori fotovoltaici adattati all'irrigazione agricola (utilizzando moduli solari bifacciali su strutture fisse che generano profili di potenza costanti); lo sviluppo di sistemi di controllo universali (in grado di funzionare con diversi modelli e marche di convertitori di frequenza) e l'utilizzo di sistemi di controllo remoto robusti ed economici.
"Con questi miglioramenti, puntiamo ad aumentare l'affidabilità dei sistemi destinati all'irrigazione agricola in ambienti rurali decentralizzati, con l'obiettivo di introdurre questa tecnologia nei mercati dei paesi in via di sviluppo", concludono i ricercatori.

LM Carrasco, L. Narvarte, E. Lorenzo, Costi operativi di un programma di elettrificazione rurale con 13.000 sistemi solari domestici, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 20, 2013, Pagine 1-7, ISSN 1364-0321
L.M. Carrasco, L. Narvarte, E. Lorenzo, Costi operativi di un programma di elettrificazione rurale con 13.000 sistemi solari domestici, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 20, 2013, Pagine 1-7, ISSN 1364-0321
Alfonso Gago Calderón, Luis Narvarte Fernández, Luis Miguel Carrasco Moreno, Javier Serón Barba, Specifiche tecniche e procedura di prova delle lampadine a LED per sistemi solari domestici, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 41, 2015, Pagine 506-520, ISSN 1364-0321
L.M. Carrasco, FJ Martín-Campo, L. Narvarte, MT Ortuño, B. Vitoriano, Progettazione di strutture di manutenzione per l'elettrificazione rurale con sistemi solari domestici. Il caso del programma marocchino, Energia, Volume 117, Parte 1, 2016, Pagine 47-57, ISSN 0360-5442
L. Narvarte, J. Fernández-Ramos, F. Martínez-Moreno, LM Carrasco, RH Almeida, IB Carrêlo, Soluzioni per adattare il fotovoltaico ai grandi sistemi di irrigazione per l'agricoltura, Tecnologie e valutazioni energetiche sostenibili, Volume 29, 2018, Pagine 119-130, ISSN 2213-1388
C. Lorenzo, RH Almeida, M. Martínez-Núñez, L. Narvarte, LM Carrasco, Valutazione economica dei grandi sistemi di irrigazione fotovoltaici nella regione ECOWAS, Energia, Vol. 155, 2018, Pagine 992-1003, ISSN 0360-5442