Cos’è l’energia solare e fotovoltaica e come funziona

Principi di Funzionamento dell’Energia Solare

L’energia fotovoltaica trasforma direttamente l’irradiazione solare in elettricità. Il solare termico capta il suo calore. Diverse tecnologie permettono di utilizzare l’energia del sole, a livello locale come in grandi strutture industriali.

Come l’acqua e l’aria, il sole è alla base della vita sulla terra a cui regala calore e luce. Inesauribile, disponibile, non inquinate, l’energia solare fornisce ogni 50 minuti l’energia sufficiente agli abitanti della terra per coprire il loro fabbisogno energetico annuo. La sfida sta nel raccogliere una parte, seppur infima, di questa energia calorica e irradiante.

Due tecnologie sono state sviluppate per fruirne al meglio:

1. Il fotovoltaico trasforma direttamente la luce del sole in elettricità grazie a pannelli formati da cellule di semi-conduttori;
2. Il solare termico che intercetta il calore del sole. Il calore collettato è utilizzato come tale o trasformato in energia meccanica prima, in elettricità poi. In questo caso si parla di solare termodinamico.

Ne derivano due tipi di impianti, molto diversi tra loro:
– Gli impianti individuali per privati o piccole collettività. I pannelli fotovoltaici permettono di alimentare impianti elettrici mentre captatori termici scaldano la casa o l’acqua di bagni e cucina.
– Grandi complessi o “centrali solari”, che siano fotovoltaici o termodinamiche che si dispiegano su centinaia di ettari e producono a larga scala un’elettricità che può alimentare la rete elettrica.
La notevole duttilità dell’energia solare, ovvero la grande potenza capace di fornire elettricità a città ed industrie, ma anche l’offrire autonomia a zone rurali o di difficile accesso sono una delle sue principali attrattive tra le altre energie rinnovabili.

Il fotovoltaico

L’effetto fotovoltaico (o fotoelettrico) consiste nel convertire la luce in elettricità. È stato scoperto dal fisico Edmond Becquerel (1839) e trova un’applicazione industriale nel 1954. Il principio? La corrente elettrica nasce dallo spostamento degli elettroni . Per provocare questo spostamento, i fotoni (particelle costitutive della luce, che impiegano 1 milione di anni per nascere ed 8 mn per arrivare sulla terra!) vanno ad eccitare gli elettroni periferici di alcuni atomi di elementi semiconduttori, prevalentemente il silicio.

In pratica, una cellula fotovoltaica riceve la luce solare e la trasforma in elettricità per via di un semiconduttore (ovvero di un materiale la cui capacità a condurre elettricità, la cosiddetta conduttività), inizialmente debole, può aumentare in virtù di alcuni fattori: temperatura, luminosità, presenza di impurità… Il silicio utilizzato nelle cellule dei pannelli fotovoltaici è un semiconduttore: l’esposizione alla luce lo rende conduttore di elettricità. Varie cellule costituiscono un modulo fotovoltaico che produce corrente continua, poi trasformata in corrente alternativa, da un ondulatore. I moduli possono essere utilizzati in piccoli impianti o in grandi centrali.

Il solare termico

Il solare termico consiste nel produrre calore a partire dai raggi del sole e ad utilizzarla direttamente. Sono dispositivi che operano a bassa temperatura (meno di 100°C) per gli usi abitativi o del settore terziario (acqua calda e riscaldamento), così come per coprire il fabbisogno industriale.

I captatori termici servono ad assorbire il calore solare ed a restituirlo ad un liquido caloportatore (un liquido o un gas che trasporta il calore) che circola verso i luoghi di utilizzo. I captatori possono essere semplici (uso domestico) o molto sofisticati (usi industriali).

In genere (usi comuni), sono captatori piani, composti da un corpo nero che assorbe l’irradiazione solare, da un isolante termico e da un vetro che funge da “effetto serra ”. L’innalzamento della temperatura rispetto all’ambiente circostante può andare fino a +70°C.

Il solare termodinamico

Consiste nel concentrare la radiazione solare (si parla di energia solare a concentrazione o CSP) grazie a collettori che scaldano un fluido caloportatore (gas, oli, sali fusi…) ad alta temperatura. Scambia il proprio calore con una rete idrica, il cui vapore fa girare una turbina (energia meccanica) che produce elettricità.

La raccolta dell’irraggiamento solare viene effettuata in grandi centrali fatte da specchi piani o parabolici, disposti in ampi spazi. Questa tecnologia è adatta ai paesi in cui l’irraggiamento è forte, per esempio il sud dell’Europa o i deserti. Questi sistemi non funzionano in condizioni di cielo coperto o forte foschia: è necessario un sistema meccanico che orienti continuamente e in modo automatico gli specchi verso il sole.

La Peroskvite: cos’è questo pigmento che potrebbe cambiarci il futuro?

Le più recenti ricerche in materia di sviluppo tecnologico nel campo dell’energia solare hanno cercato di ovviare ai costi di produzione (ed ai costi energetici) delle cellule in silicio. L’idea madre è stata di cercare di fabbricare cellule fotovoltaiche con un materiale paragonabile al silicio, ma i cui costi sarebbero stati nettamente minori.
I primi tentativi si sono orientati verso materiali chimici complessi in grado di assorbire la luce. Successivamente però, la perovskite, un pigmento, ha permesso di lavorare con tecnologie semplici, a basse temperature (non oltre 100°C, contro 1400 C° per il silicio) e dai costi decisamente accessibili. Ci vorranno ancora circa tre anni e test in esterno (in condizioni di grande caldo e di grande freddo) perché si possa commercializzare questa tecnologia, il cui sviluppo si annuncia straordinario, non solo perché sono in molti i paesi che ci stanno lavorando (Stati Uniti, Cina, India, Giappone, Corea, paesi europei), ma perché i costi saranno notevolmente più accessibili.
Per produrre un watt, ci vogliono 6 grammi di silicio, mentre 0.006 grammi di peroskvite bastano (1 grammo di questo materiale è sufficiente per un pannello di 1m2). In termini di produzione, le cellule in silicio costano 8 centesimi per kilowattora. Con la peroskvite, il costo stimato si aggirerà intorno ai 3 centesimi, ma soprattutto, l’ammortamento energetico sarà molto più veloce: 6 mesi contro i 2.5 anni del pannello in silicio.
Se le prospettive sono rosee e si possa immaginare che la peroskvite, trasparente come il vetro, possa essere addirittura integrata nell’architettura degli edifici, la sua tossicità rimane un problema da risolvere. Composta di piombo, materiale che crea disagi neurologici, alcune precauzioni andranno intanto prese, sperando in una risoluzione totale in futuro, per evitare qualsiasi contatto con il suolo e l’acqua.

Incentivi e Sostegni per chi installa il fotovoltaico

Il fotovoltaico non è solo una scelta eco-sostenibile, ma grazie ad incentivi statali e, talvolta, aziendali, permette alle famiglie di conseguire un vantaggio economico.

Detrazioni fiscali: eco-bonus

L’attuale normativa prevede la possibilità per chi installa un impianto fotovoltaico in casa di poter detrarre il 50% della spesa sostenuta che verrà rimborsata nell’arco dei successivi dieci anni. La percentuale di detrazione è così interessante da consentire a tutti l’installazione di un impianto fotovoltaico in casa. Oltretutto, le detrazioni coprono anche le spese per l’acquisto di accessori, come le batterie in cui immagazzinare l’energia prodotta (tetto massimo: 96 mila Euro).
Oggi, il mercato dell’energia propone soluzioni “chiavi in mano” per il fotovoltaico; molti gli operatori , a volte impegnati nel ruolo di fornitori di energia, in grado di presentare soluzioni complete per la realizzazione di impianti fotovoltaici domestici da collegare all’impianto di casa ed alla rete elettrica al fine di ridurre al minimo l’effettiva spesa per l’energia in casa.

La Storia dell’ Energia Solare

Il Sole è stato per numerose civiltà una divinità da adorare ed onorare. Più di 3000 anni avanti Cristo, gli Egizi lo veneravano; altre civiltà come gli Indiani, la Persia, i Greci o ancora gli Inca e gli Aztechi ne saranno altrettanto affascinati (per gli Aztechi l’oro è teo cuitabl, sangue e fluido fisico del dio solare, sostanza che garantisce l’eternità del mondo).
Nulla di strano se si considera che il sole è uno degli elementi necessari allo sviluppo della vita: responsabile del ciclo dell’acqua (evaporazione > nuvole > pioggia / neve > fiumi) e della fotosintesi, la sua energia si declina in luce e calore.
Furono lo stesso principio e la stessa energia a consentire nel 776 a.C. di accendere la fiamma dei primi giochi olimpici e che verranno riutilizzati da Archimede 5 secoli dopo per distruggere la flotta romana che voleva assediare Siracusa: per mezzo di scudi di bronzo che riflettevano la luce del sole (come specchi) fu possibile concentrare l’energia sulle vele del nemico e appiccare il fuoco alle imbarcazioni a distanza.

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