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L’energia solare è la fonte rinnovabile, insieme al vento, su cui il settore di produzione di energia elettrica a livello globale sta investendo maggiormente.
In un clima di crescente sfiducia verso i combustibili fossili utilizzati nelle centrali di produzione energetica (principalmente carbone e gas naturale) e quelli per il settore dei trasporti (derivati del petrolio), le risorse rinnovabili stanno conquistando sempre più terreno.
Costantemente un numero sempre maggiore di enti pubblici e privati si stanno dotando di tecnologie come i pannelli solari o i collettori solari termici.
Ma che cosa sono i pannelli solari?
I pannelli solari sono dei moduli rettangolari che trasformano l’energia proveniente dal sole in elettricità.
Nei prossimi paragrafi verrà spiegata la procedura con cui si ottengono pannelli in silicio cristallino, ad oggi la tecnologia più utilizzata in ambito solare (dividendo tra poli e mono cristallino).
Il componente di base dei pannelli solari è il silicio puro, elemento che allo stato naturale non lo è, e quindi necessita di un processo di purificazione per essere utilizzato nella fabbricazione dei moduli.
Viene principalmente derivato dal quarzo, sia dall’elemento ghiaioso che da quello polverizzato e cioè sabbia (quartzite gravel e crushed quartz, i termini inglesi). Il silicio è infatti uno degli elementi più abbondanti in natura.
L’estrazione riguarda il diossido di silicio (SO2), che viene poi inserito in un forno elettrico ad arco, dal quale escono anidride carbonica e silicio fuso puro al 99%, non ancora utilizzabile per la produzione della cella fotovoltaica. L’ulteriore raffinazione avviene tramite drogaggio del materiale. Con il cosiddetto processo di Czochralski, dal silicio fuso e con una procedura meccanica che include cristalli di silicio puro, dei lingotti cilindrici vengono manufatti e utilizzati successivamente per produrre le celle che sono parte fondamentale del pannello.
Una cella fotovoltaica in silicio cristallino ha solitamente un’area di circa 15 x 15 cm (225 cm2) e nelle condizioni di funzionamento standard sviluppa una potenza di 3.5-4 watt di picco (presupponendo un voltaggio di 0,5 volt e una corrente di 8 ampere).
In commercio si trovano moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di celle, con una superficie che è, in media, un metro quadrato.
Collegando in serie più celle si ottengono valori di tensione più alti, mentre collegandole in parallelo aumenta la corrente. In genere si hanno dalle 36 alle 72 celle e una tensione maggiore a 12 V, che risulta in una potenza approssimativa tra i 100 e i 200 V per modulo. Più celle formano un modulo. Più moduli collegati tra loro meccanicamente ed elettricamente formano un pannello, ossia una struttura comune ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli formano una stringa e più stringhe formano un generatore.
Come funzionano?
Ma quali sono i principi fisici legati alla produzione di energia elettrica dal sole? Bisogna partire dalle basi per comprenderlo.
In un atomo sono presenti dei portatori di carica elettrica, gli elettroni, che vengono sostanzialmente divisi in elettroni di valenza e di conduzione. I primi sono “attaccati” al nucleo fisico dell’atomo mentre i secondi sono liberi di muoversi e quindi di trasportare carica elettrica.
In fisica, i materiali semiconduttori si definiscono come materiali nei quali la differenza energetica tra la banda di valenza e quella di conduzione è ridotta e quindi con una minima, ma sufficiente energia proveniente dall’esterno, gli elettroni possono saltare dall’una all’altra, portandosi dietro carica elettrica. Quando un elettrone salta da una banda all’altra, lascia una lacuna dietro di se che, combinandosi con un altro elettrone, può produrre corrente elettrica.
Ogni materiale semiconduttore ha la sua energia minima che permette di liberare gli elettroni nella banda di valenza. Chiaramente, più quest’ultima è bassa, più l’energia solare fa smuovere gli elettroni nel semiconduttore e maggiore è la corrente. Chiaramente, il silicio è tra i semiconduttori con le migliori caratteristiche per questo procedimento.
In ogni caso, l’efficienza totale della cella è data dal suo bilancio energetico, poiché chiaramente non tutta l’energia solare viene direttamente trasformata in elettricità. Se ad esempio, prendiamo pari a 100 l’energia proveniente dal sole, le perdite riguardano diversi fattori, tra cui i più importanti sono:
- 20% dell’energia in entrata serve a mantenere il campo elettrico stabile nella regione di transizione (valenza-conduzione per gli elettroni) della cella
- 23% sono i fotoni con lunghezza d’onda elevata che hanno insufficiente energia per liberare gli elettroni dalla banda di valenza
- 45% sono i fotoni con piccola lunghezza d’onda che vengono assorbiti, ma il cui 32% è energia in eccesso che viene trasformata in calore
Alla fine, solo il 13% dell’energia solare viene assorbito e trasformato in energia elettrica.
Tipologie di pannelli fotovoltaici
Precedentemente si è discusso del processo di produzione delle celle fotovoltaiche in silicio cristallino, ma queste non sono le uniche producibili.
Tra mono e policristallino la percentuale globale di produzione si attesta sul 89%. La seconda tipologia di modulo fotovoltaico per estensione del mercato (4%) è quella del silicio amorfo.
Amorfo significa che la struttura del silicio è irregolare e solitamente i pannelli solari prodotti sono a film sottili, flessibili ma resistenti e quindi applicabili su superfici inadatte ad accogliere un normale modulo fotovoltaico, come ad esempio la vela di una barca.
Il costo rispetto alla tecnologia tradizionale è molto inferiore e si possono fabbricare moduli di grandi dimensioni. L’altro lato della medaglia riguarda le basse efficienze e la rapida degradazione luminosa del modulo fino al 30/40% dell’efficienza normale.
Altri materiali usati per questo tipo di applicazioni sono il telluluro di cadmio (1%) e il diseleniuro di rame e indio (0,25%). Il restante 5,75% è coperto dal mix tecnologico silicio amorfo su cristallino.
Esistono diverse generazioni di pannelli fotovoltaici, che vengono classificate in base alla produttività e all’efficienza.
- La prima generazione consiste di celle in silicio cristallino, di spessore compreso tra i 100 e 150 micrometri. Altre caratteristiche riguardano l’alta qualità di materiali, che però richiedono un alto fabbisogno energetico per essere lavorati ma le celle quasi raggiungono il limite teorico di efficienza del 33% (da non confondere con quello dei moduli che si attesta tra il 10 e il 20%).
- La seconda generazione è quella dei film sottili (thin-film in inglese). Hanno bassi fabbisogni energetici e bassi costi di produzione perché le temperature raggiunte nel processo di fabbricazione sono molto inferiori comparate con quelle della prima generazione. La terza generazione si riferisce a tecnologie non ancora pienamente sviluppate né presenti sul mercato. Si tratta di tecnologie come le celle a multi-giunzione, i pannelli a concentrazione, l’uso della generazione di calore in eccesso per aumentare tensione e corrente ed i polimeri semiconduttori. Si spera che queste tecnologie possano fare abbassare ulteriormente il prezzo del chilowattora, dagli attuali 1/2 $ all’ora fino a 0.2 $, aumentando allo stesso tempo l’efficienza del pannello sino a raggiungere il 40% e abbassando il prezzo di fabbricazione al metro quadro.
Perché installare un pannello solare?
Se si ha la possibilità, installare dei pannelli fotovoltaici è un’idea eccellente dal punto di vista ambientale ed economico. La grande affidabilità dei moduli, li rende resistenti alle intemperie e allo scorrere del tempo (i test sono condotti tra -40 e +80 °C, ad alti gradi di umidità e prove elettriche degradanti).
Sono infatti solitamente venduti con una garanzia dell’80% delle prestazioni iniziali dopo 25 anni. Questo perché sono una tecnologia che viene utilizzata in situazioni in cui l’affidabilità è una delle priorità, come l’alimentazione dei satelliti aerospaziali e per applicazioni di sicurezza come i segnali luminosi che incontriamo sulle nostre strade. Il tasso di degrado dell’efficienza si aggira intorno allo 0,5% all’anno per gli ultimi modelli.
Come Installarli
Ci sono due diversi possibili tipi d’installazione dei pannelli solari: collegati alla rete o stand-alone.
Gli impianti connessi alla rete utilizzano strutture e collegamenti ampiamente diffusi e realizzati con materiali e tecnologie di alta affidabilità. Tra questi, ad esempio, l’inverter è lo strumento che permette di trasformare l’energia elettrica prodotta dai panelli solari in corrente continua (DC) e renderla disponibile per uso pratico in corrente alternata (AC).
L’inverter è poi collegato al quadro elettrico di casa che a sua volta è connesso alle apparecchiature domestiche e a un contatore a doppia entrata che lega l’impianto alla rete elettrica per acquisire e vendere elettricità. Questo tipo di installazione avviene solitamente sui tetti di villette e condomini ma anche sulle facciate degli edifici e più in generale come BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics).
L’impiego stand-alone non richiede invece nessuna connessione alla rete. Fino all’introduzione dei primi incentivi per l’integrazione alla rete erano gli impianti più diffusi.
Oggigiorno si vedono per lo più in zone difficilmente raggiungibili dalla rete elettrica. Hanno bisogno di 2 ulteriori elementi come una batteria per stoccare l’energia prodotta ed eventualmente non utilizzata e un generatore ausiliario che copra il fabbisogno energetico quando non c’è il sole.
Con il decrescere dei prezzi delle batterie sarà sempre più facile incontrare il mix di questi due installazioni: un impianto collegato alla rete che disponga di una batteria per stoccare l’energia prodotta in eccesso servirà ad aumentare l’indipendenza del produttore-consumatore dalla rete elettrica nazionale. In questo modo un numero sempre maggiore di individui vorrà usufruire dei pannelli solari per abbassare la propria bolletta e l’impatto ambientare del proprio consumo energetico.
Dal punto di vista pratico, l’installazione dei pannelli fotovoltaici è sempre affidata a ditte specializzate. I requisiti d’installazione devono dapprima essere visionati a tavolino, capendo se i propri consumi energetici giustificano un investimento comunque importante, basato sul lungo termine. Solitamente la spesa è motivata se i consumi superano i 2200 kWh per anno.
Dopodiché, bisogna valutare l’effettivo spazio disponibile per l’installazione, l’orientazione del tetto, la presenza di ombre e il valore della radiazione solare nel comune interessato. Ecco perché solitamente il processo relativo a questo tipo di installazione dev’essere discusso con l’aiuto degli esperti del settore.
Benefici
L’installazione dei pannelli solari include una serie di effetti positivi che però si riscontrano solitamente nel lungo periodo.
Dal punto di vista economico, l’effettivo tempo di ritorno dell’investimento dipende da una serie di fattori tra cui principalmente il costo iniziale, i kW installati e l’effettiva produzione dell’impianto.
Facendo un semplice esempio in cui venga installato un impianto da 3 kW nel nord Italia, per un costo che si aggira tra i 4000 e i 7000 €, il capitale investito viene recuperato nell’arco di 5-7 anni, quando la vita media effettiva dei pannelli è di 20-25 anni.
Al sud, ci si mette ancora meno a rientrare dei soldi spesi (circa 3 anni), perché la produzione è favorita dalle ottime condizioni climatiche. Il che vuol dire che dopo 3 anni per il cliente è tutto di guadagnato, o risparmiato, dipende dalle filosofie.
Parlando di un impianto collegato alla rete elettrica, la possibilità di rivendere l’energia prodotta in eccesso al Gestore dei Servizi Energetici (GSE) è un vantaggio interessante che però solitamente non soddisfa l’utente detentore dell’impianto solare.
Il prezzo pagato dal GSE per l’energia prodotta dai pannelli solari dei privati dipende essenzialmente dal prezzo di acquisto della stessa dal retailer di competenza (es. Enel) e dal rapporto potenza installata/fabbisogno energetico proprio.
Se per esempio, l’impianto è equilibrato e cioè il numero di pannelli solari installati è proporzionato a quanto viene consumato all’interno dell’abitazione, ad un utente che paga la propria elettricità 0,24 €/kWh, il GSE propone un prezzo di vendita di circa 0,16€/kWh. Se invece l’impianto è sovra proporzionato, è quindi l’energia prodotta super di gran lungo l’effettivo bisogno, il GSE paga l’utente di meno (circa 0,09 €/kWh).
L’impatto ambientale della produzione di elettricità dai pannelli solari rispetto alle tradizionali fonti di energia (carbone e gas naturale ad esempio) è indubbio.
Considerando diversi fattori, come la vita utile degli impianti, la filiera di produzione, l’effettiva produttività, ecc, una centrale a carbone in Italia emette, solo per fare un esempio di una sostanza ben nota, circa 900 g di anidride carbonica, mentre un impianto solare meno di 40.
Includendo altre emissioni dannose e relative all’inquinamento della superficie terreste, dell’acqua ma anche l’utilizzo di risorse e l’uso del terreno, si fa in fretta a comprendere i benefici della transizione energetica a fonti pulite.
Conclusioni finali: situazione attuale nel mondo e in Italia e cosa si prospetta per il futuro
L’energia solare copre ormai più dell’1% della domanda di elettricità mondiale. In generale, la capacità globale accumulata nel mondo è in constante crescita, ma negli ultimi anni il ritmo è leggermente rallentato.
Cina e India guidano la classifica con il maggior numero di GW installati nel 2017 (30 e 18 GW rispettivamente). In uno scenario che necessita forzatamente di un massiccio investimento nelle fonti rinnovabili, del solare non si può fare a meno ed il suo contributo nel mix energetico mondiale è destinato a crescere, anche perché il prezzo del silicio e della fabbricazione degli impianti in generale è in continua diminuzione.
In Italia si ha molto potenziale. La Puglia la fa da padrona, davanti ad Emilia Romagna e Lombardia per produzione energetica da impianti fotovoltaici. Anche se in Lombardia ci sono più impianti, l’irradianza solare è più alta in Emilia Romagna.
Questo è un fattore da non sottovalutare. Le regioni del sud Italia hanno una possibilità di produzione più alta che nel centro-nord, perché il quantitativo di ore in cui c’è il sole e l’intensità con qui i suoi raggi colpiscono i pannelli è maggiore. Se le migliori regioni in cui installare i pannelli fotovoltaici, sono Sicilia (soprattutto al sud), la Calabria, alcune zone della Sardegna e la Puglia, solo quest’ultima è nella top cinque delle regioni con la più alta capacità installata. Molto può essere ancora fatto.
Questo vale sia per installazioni industriali che quelle commerciali e residenziali. In Italia quest’ultime sono solo il 15% del totale. Con un aumento degli incentivi sull’installazione di pannelli solari, sicuramente molti privati prenderebbero al volo l’occasione di costruirsi il proprio impianto.