Lampioni solari vs. lampioni alimentati dalla rete: un'analisi completa del costo totale di proprietà (TCO) per gli appalti comunali

Introduzione

I budget per l'illuminazione comunale sono sotto pressione. Con l'espansione delle città in corridoi periurbani e rurali, i responsabili degli acquisti si trovano sempre più spesso di fronte a una decisione binaria: estendere la rete o implementare l'energia solare. Una scelta sbagliata può comportare sforamenti di costo superiori al 40% della stima iniziale di investimento nell'arco di 15 anni di vita dell'impianto. Questo articolo fornisce un quadro strutturato del Costo Totale di Proprietà (TCO), che copre spese in conto capitale, costi operativi, manutenzione e logica di ammortamento, per aiutare ingegneri e responsabili degli acquisti a prendere una decisione fondata sui dati prima che le specifiche vengano definite.

Il contesto decisionale: perché il TCO è più importante del prezzo di listino

L'estensione della rete e l'illuminazione stradale solare appaiono molto diverse in un ordine d'acquisto. Un lampione stradale a LED connesso alla rete può costare dai 150 ai 400 dollari l'unità; un lampione solare "tutto in uno" comparabile può costare dai 350 ai 900 dollari l'unità, a seconda della capacità della batteria, della potenza del pannello e del sistema di controllo. In un budget di spesa unitario, l'opzione solare appare spesso più costosa.

Tuttavia, i confronti dei prezzi unitari sono strutturalmente fuorvianti per le risorse infrastrutturali. L'Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA) osserva nel suo rapporto "Renewable Power Generation Costs 2023" che il costo iniziale del capitale rappresenta solo una frazione della spesa del ciclo di vita per i sistemi energetici off-grid: i costi operativi e di finanziamento spesso prevalgono su un orizzonte temporale di 10-20 anni.

Le vere variabili decisionali sono:

• Distanza dal punto di connessione alla rete più vicino — i costi civili e via cavo aumentano in modo non lineare oltre i 500 metri
• Andamento delle tariffe elettriche locali — Il World Energy Outlook 2023 dell'IEA prevede una continua volatilità dei prezzi dell'elettricità commerciale nel Sud-est asiatico, nell'Africa subsahariana e in America Latina
• Accesso per la manutenzione e costi di manodopera — per i corridoi stradali in aree a bassa densità o remote, la manutenzione correttiva per evento può costare dalle 3 alle 8 volte di più rispetto ai centri urbani (World Bank ESMAP, Off-Grid Solar Market Trends Report, 2022)
• Struttura di finanziamento del progetto — i progetti finanziati tramite sovvenzioni possono pesare il CAPEX in modo diverso rispetto a quelli finanziati tramite obbligazioni municipali

Un'analisi TCO corretta normalizza queste variabili in un arco di tempo comune, in genere 15 anni, in linea con le ipotesi di durata nominale delle batterie LED e LiFePO₄.

Confronto CAPEX: illuminazione stradale solare vs. illuminazione stradale collegata alla rete

Lampioni collegati alla rete: cosa va nel bilancio di capitale

Il prezzo dell'apparecchio è solo una voce di spesa. Un'installazione completa alimentata dalla rete elettrica in genere include:

• Scavo e condutture: $ 15–$ 60 al metro lineare a seconda delle condizioni del terreno e del tipo di superficie stradale
• Cavo MV/LV: $8–$25 al metro per cavo armato a 4 conduttori (prezzo di mercato, 2023–2024)
• Trasformatore e armadio di distribuzione: $ 3.000–$ 12.000 per zona di alimentazione (ammortizzata sui poli)
• Palo e fondazione: $ 200–$ 600 per punto a seconda dell'altezza e della classe di carico del vento
• Apparecchio (apparecchio di illuminazione a LED): $ 150–$ 400 per unità, 70W–150W tipici per le strade arteriose

Per un corridoio stradale di 1 chilometro con pali distanziati a intervalli di 35 metri (circa 29 pali), il CAPEX dell'infrastruttura di rete, escluso l'apparecchio di illuminazione, varia solitamente da Da $ 18.000 a $ 55.000 a seconda della distanza della trincea e dei costi civili locali. Questa cifra non compare nel costo unitario dell'impianto, ma è interamente attribuibile al progetto.

Lampione solare: struttura CAPEX in bundle

Un lampione solare "tutto in uno" integra pannello, batteria, controller e apparecchio di illuminazione in un unico sistema montato su palo. I costi di installazione per unità variano in genere:

• Entry-level (potenza equivalente 60–80 W, autonomia 1–2 notti): $400–$650 installati
• Gamma media (equivalente a 80–120 W, LiFePO₄, autonomia di 3 notti): $700–$1.100 installati
• Specifiche elevate (equivalente a 120 W+, autonomia di 5 notti, regolazione intelligente della luminosità): $ 1.100–$ 1.800 installati

In modo critico, non si sostengono costi per l'infrastruttura di reteI costi di fondazione e pali sono simili a quelli dei sistemi a rete. Il punto di pareggio CAPEX in cui il costo totale dell'impianto solare installato corrisponde al costo totale dell'impianto a rete installato (impianto + infrastruttura) si verifica in genere quando la distanza di estensione della rete supera 200–400 metri per palo, a seconda delle tariffe civili locali.

OPEX e manutenzione: dove i numeri divergono nel tempo

Costo dell'energia: sistemi alimentati dalla rete

I lampioni collegati alla rete consumano elettricità ininterrottamente, fatturata secondo le tariffe commerciali o di illuminazione pubblica. Utilizzando un apparecchio da 100 W in funzione per 11 ore a notte (4.015 ore/anno):

Consumo energetico annuo per punto: 100W × 4.015h = 401,5 kWh/anno

A una tariffa commerciale di 0,10 $/kWh (rappresentativa dei mercati con tariffe più basse nel Sud-est asiatico e in alcune parti dell'Africa), ciò equivale a $40,15/unità/anno. A 0,15 $/kWh (Europa orientale, America Latina), la cifra sale a $60,23/unità/anno.

In 15 anni, con un modesto aumento tariffario annuo del 3%, il costo energetico cumulativo per apparecchio di illuminazione varia da circa Da $ 740 a $ 1.120, a seconda del livello tariffario.

Costo energetico: lampioni solari

I lampioni solari generano energia autonomamente. Il costo energetico corrente è praticamente nullo, a condizione che le risorse solari siano adeguate. I dati NASA POWER confermano che la maggior parte delle regioni tropicali e subtropicali (fasce di latitudine 15°N–35°N, tra cui Nord Africa, Asia meridionale/sud-orientale e America centrale) ricevono 4,5–6,5 ore di sole di punta (PSH) al giorno su base media annua, il che è sufficiente a supportare l'illuminazione notturna con sistemi di batterie di dimensioni adeguate.

L'OPEX rilevante per gli impianti solari è sostituzione della batteria, che è la variabile di costo ricorrente più grande.

Costo di sostituzione della batteria

Le batterie LiFePO₄ (litio ferro fosfato), diventate lo standard del settore per l'illuminazione stradale solare, sono classificate per 2.000-3.000 cicli all'80% di profondità di scarica (DoD) in condizioni controllate, corrispondenti a una durata di servizio sul campo di circa 6-8 anni con modelli di ciclaggio tipici (riferimento IEEE: Analisi del ciclo di vita delle celle LiFePO₄ per applicazioni di accumulo stazionario, vari studi del 2019-2022). Ciò implica un ciclo di sostituzione della batteria entro un orizzonte temporale di progetto standard di 15 anni.

I costi di sostituzione del pacco batteria si aggirano in genere tra gli 80 e i 200 dollari per unità (costo di fabbrica), più la manodopera. In ambienti urbani accessibili, il costo totale di sostituzione può essere compreso tra i 120 e i 280 dollari per unità. Nelle aree remote con elevati costi di mobilitazione, questa cifra può raggiungere i 350-500 dollari per unità.

Manutenzione e risposta ai guasti

I sistemi connessi alla rete richiedono una diagnosi dei guasti elettrici che coinvolga sia l'apparecchio di illuminazione che il circuito di alimentazione a monte. In caso di guasti ai cavi, scatti dell'interruttore automatico o problemi al trasformatore, i tempi e i costi di riparazione sono sostanzialmente più elevati rispetto alle unità solari autonome.

Parametri di riferimento tipici dei costi di manutenzione correttiva (Banca Mondiale ESMAP, 2022):

Evento di manutenzione	Sistema a griglia (per evento)	Sistema solare (per evento)
Sostituzione lampada/driver	$30–$80	$30–$80
Riparazione guasti cavi	$200–$1.500+	N/D
Guasto del controller/sensore	$50–$150	$40–$120
Sostituzione della batteria	N/D	$ 120–$ 500
Ispezione annuale per palo	$15–$40	$10–$30

I sistemi solari eliminano completamente il rischio di guasti ai cavi e semplificano l'isolamento dei guasti a livello del singolo polo.

Periodo di ammortamento e calcolo del TCO a 15 anni

Esempio di calcolo del TCO strutturato

L'esempio seguente utilizza ipotesi pubblicamente difendibili per illustrare la metodologia TCO. I team di approvvigionamento dovrebbero sostituire i valori locali per ciascuna variabile.

Scenario: Progetto di illuminazione stradale a 50 pali, corridoio di 2 km, a 400 m dal punto di connessione alla rete. Ubicazione: regione tropicale, media di 5,2 PSH/giorno (NASA POWER, rappresentativa del Sud-est asiatico peninsulare). Tariffa elettrica locale: 0,12 $/kWh, con aumento del 3% annuo. Costo di mobilitazione della manodopera: moderato (strada asfaltata accessibile).

Le ipotesi sono esplicitamente dichiarate; i valori effettivi del progetto possono variare.

Opzione di connessione alla rete – TCO di 15 anni (50 poli)

Voce di costo	Costo unitario	Totale (50 pali)
Apparecchio di illuminazione (LED 100W)	$280	$ 14.000
Palo + fondazione	$400	$20.000
Scavo di trincee (400 m a 30 $/m)	—	$ 12.000
Cavo (400 m a $ 15/m)	—	$6.000
Armadio di distribuzione (ammortizzato)	$200/campo	$10.000
Subtotale CAPEX		$62.000
Energia (15 anni, incremento del 3%, $ 0,12/kWh)	~$860/campo	$43.000
Manutenzione programmata (15 anni)	$400/campo	$20.000
Stima della manutenzione correttiva	$250/campo	$ 12.500
Subtotale OPEX (15 anni)		$75.500
TCO totale a 15 anni		$ 137.500
Per-pole TCO		$2.750

Opzione di illuminazione stradale solare – TCO di 15 anni (50 pali)

Voce di costo	Costo unitario	Totale (50 pali)
Unità solare all-in-one (specifiche medie, LiFePO₄)	$850	$42.500
Palo + fondazione	$380	$ 19.000
Lavoro di installazione	$120/campo	$6.000
Subtotale CAPEX		$67.500
Costo energetico	$0	$0
Sostituzione della batteria (anno 7, stima)	$220/campo	$11.000
Manutenzione programmata (15 anni)	$280/campo	$ 14.000
Stima della manutenzione correttiva	$150/campo	$7.500
Subtotale OPEX (15 anni)		$32.500
TCO totale a 15 anni		$100.000
Per-pole TCO		$2.000

Risultato: In base a queste ipotesi, l'opzione solare offre un TCO inferiore del 27% a 15 anni ($ 100.000 contro $ 137.500) nonostante un prezzo di acquisto unitario più elevato. Il semplice rimborso del premio CAPEX rispetto al risparmio OPEX della rete si verifica a circa anno 5–6.

Quando la distanza di connessione alla rete scende al di sotto dei 100 metri e le tariffe elettriche locali sono inferiori a 0,08 dollari/kWh, l'opzione di connessione alla rete può mantenere un vantaggio in termini di costi del ciclo di vita. Gli ingegneri dovrebbero modellare entrambi gli scenari con input locali prima di finalizzare le specifiche.

Supporto alle decisioni: quadro comparativo e checklist per gli appalti

Confronto diretto: illuminazione stradale solare vs. illuminazione stradale a rete

Dimensione di valutazione	LED collegato alla rete	Lampada solare stradale (LiFePO₄)
Costo iniziale (solo apparecchio)	Inferiore	Più alto
CAPEX per infrastrutture	Alto (scavi, cavi, trasformatori)	Minimo
Costo energetico annuo	$40–$120/palo/anno	Effettivamente zero
Dipendenza dalla griglia	Completo	Non
Ciclo di sostituzione della batteria	N/D	Ogni 6–8 anni (LiFePO₄)
Isolamento dei guasti	Livello di circuito (complesso)	Livello a palo (semplice)
Adatto per aree remote/fuori rete	Non praticabile oltre i ~500 m	Molto adatto
Adatto per aree urbane ad alta densità	Economico	Il costo dipende dalla tariffa
Compatibilità con il controllo intelligente	Sì (DALI, Zhaga)	Sì (PIR integrato, oscuramento)
Riferimenti normativi applicabili	EN 13201, IEC 60598	IEC 62133, IEC 61427
Rimborso tipico del progetto rispetto alla baseline	—	4–8 anni (varia a seconda dello scenario)
TCO a 15 anni (scenario rappresentativo)	Più alto nei corridoi a bassa densità	Inferiore in ambienti fuori rete o remoti

Lista di controllo per l'approvvigionamento per la valutazione dell'illuminazione stradale solare

Prima di impegnarsi in una gara d'appalto pubblica per l'installazione di lampioni solari, i responsabili degli acquisti dovrebbero verificare:

1.  Adeguatezza delle risorse solari: Sono stati utilizzati i dati NASA POWER o PVGIS per confermare una media annua minima di 4,0 PSH/giorno per la posizione del progetto?
2.  Giorni di autonomia specificati: La specifica richiede un minimo di 2-3 giorni nuvolosi consecutivi di backup della batteria al 50% della potenza nominale?
3.  Chimica della batteria confermata: La composizione chimica della batteria LiFePO₄ è specificata esplicitamente? (Evitare piombo-acido o litio NMC per applicazioni ciclistiche all'aperto)
4.  Garanzia di durata della batteria: Il fornitore garantisce ≥2.000 cicli con una ritenzione di capacità ≥80%? Questo è documentato nell'offerta?
5.  Valutazioni IP e IK verificate: L'apparecchio di illuminazione e l'alloggiamento della batteria sono classificati almeno IP65 e IK08 secondo IEC 60529 e EN 62262?
6.  Efficienza del conducente: L'efficienza del driver LED è ≥92% a carico nominale, con fattore di potenza ≥0,95?
7.  Mantenimento del flusso luminoso: La specifica richiede L70 ≥50.000 ore secondo i dati IES LM-80?
8.  Definizione della logica di oscuramento intelligente: Il programma di oscuramento (ad esempio, 100% 18:00-23:00, 50% 23:00-05:00) è specificato nel contratto?
9.  Termini di garanzia: Le garanzie per il pannello (≥10 anni), la batteria (≥5 anni) e l'apparecchio di illuminazione (≥5 anni) sono indicate separatamente?
10.  Modello TCO inviato: L'offerente è tenuto a presentare un modello di costo del ciclo di vita di 15 anni come parte della proposta tecnica?

Conclusione

Quando un progetto coinvolge corridoi stradali distanti più di 300-500 metri da un punto di connessione alla rete esistente, o quando le tariffe elettriche locali superano 0,10 dollari/kWh con una tendenza al rialzo, l'illuminazione stradale solare in genere offre un costo totale di proprietà (CAPEX) inferiore a 15 anni rispetto alle alternative connesse alla rete, anche tenendo conto della sostituzione delle batterie. Il premio CAPEX degli impianti solari viene generalmente recuperato entro 5-8 anni grazie all'eliminazione dei costi energetici e infrastrutturali.

Per i progetti urbani ad alta densità con infrastrutture di rete già esistenti, l'analisi cambia: i sistemi connessi alla rete possono mantenere un vantaggio in termini di costi e la decisione dovrebbe essere guidata da un modello di TCO specifico per il sito piuttosto che da regole generali. Il framework presentato qui fornisce una metodologia replicabile che i responsabili degli acquisti possono adattare alle condizioni locali.

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Riferimenti

1. IRENA · Costi della produzione di energia rinnovabile 2023 · 2024 ·queen.org
2. AIE · ·Prospettive energetiche mondiali 2023 · 2023 · iea.org
3. Banca Mondiale ESMAP ·Rapporto sulle tendenze del mercato solare fuori rete 2022 · 2022 · esmap.org
4. POTERE DELLA NASA · Strumento di accesso ai dati di climatologia (radiazione solare superficiale, PSH per posizione) · power.larc.nasa.gov
5. PVGIS · Centro comune di ricerca della Commissione europea, Sistema informativo geografico fotovoltaico · re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools
6. IEEE / Direzione di riferimento accademico · Analisi del ciclo di vita della batteria LiFePO₄ per applicazioni fisse e all'aperto · Studi multipli, 2019-2022 (Google Scholar: "LiFePO4 cycle life outdoor storage")
7. IEC 62133 · Requisiti di sicurezza per celle e batterie secondarie sigillate portatili · Commissione elettrotecnica internazionale
8. IEC 61427 · Celle secondarie e batterie per sistemi di energia fotovoltaica · Commissione elettrotecnica internazionale
9. EN 13201 · Norma di illuminazione stradale · Comitato europeo di normazione
10. IEC 60598 / IEC 60529 · Costruzione dell'apparecchio di illuminazione e classificazione del grado di protezione IP · Commissione elettrotecnica internazionale