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Solare, tra ecologia e business “[…]2061[...] L’energia del Sole veniva ora immagazzinata, trasformata e utilizzata direttamente, su scala planetaria. La Terra intera poteva spegnere i suoi fuochi alimentati a carbone e le sue centrali nucleari per far scattare l’interruttore che connetteva il tutto a una piccola stazione, di un chilometro e mezzo di diametro, in orbita attorno alla Terra ... “ I. Asimov L’ultima domanda, 1956. di Elisabetta Gatti
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uasi a metà strada tra l’anno di pubblicazione del racconto di Isaac Asimov, L’ultima domanda e la sua ambientazione storica, 2061, in cui la Terra trae energia esclusivamente dalle stazioni solari spaziali, il cammino umano per l’affrancamento dai combustibili fossili e dal nucleare sembra ancora tutto in salita, sebbene ci sia un forte impulso al cambiamento. Infatti, il recente scenario energetico mondiale ha dimostrato tutti i limiti delle fonti energetiche tradizionali su cui si basa l’attuale sistema di sviluppo. La crisi del nucleare, vedi disastro di Fukushima, il costo del petrolio, sempre più salato sia in termini economici che ecologici, i cambiamenti climatici, hanno spinto molti paesi ad accelerare l’avvio dello sfruttamento delle fonti rinnovabili ed in particolare del solare, ma è veramente conveniente? L’energia solare che investe la Terra quotidianamente è 15.000 volte superiore al fabbisogno mondiale. Per avere un’idea concreta del potenziale a nostra disposizione, stando a quanto calcolato dall’Istituto Europeo per l’Energia, sarebbe sufficiente il 0,3 % dell’irraggiamento solare del Sahara per soddisfare la richiesta energetica dell’intera Europa. Di simile avviso è anche il fisico Carlo Rubbia, il
quale afferma che: “un ipotetico quadrato di specchi di 40.000 km² (200 km per ogni lato) basterebbe per sostituire tutta l’energia derivata dal petrolio prodotta oggi nel mondo”. E riguardo al nostro paese Rubbia dichiara: “… per alimentare un terzo dell’Italia basterebbe un’area vasta, in pratica, quanto il Grande Raccordo Anulare”. Almeno in teoria tutto sembra chiaro, conveniente, ecologico e accessibile. Tuttavia è necessario tenere presente le notevoli diversità degli impianti solari. Questi si distinguono principalmente in tre tipologie, solare termico, solare fotovoltaico, solare termodinamico, ognuna delle quali si differenzia per l’uso, l’efficienza e il costo. A questo proposito è bene sapere che il rapporto costi/benefici del solare, ad eccezione del solare termico, è ancora lontano da quanto raggiunto dagli idrocarburi. L’attuale tecnologia consente di trasformare l’energia solare in energia elettrica in misura percentuale ancora modesta rispetto ai costi elevati. Ad esempio i pannelli solari fotovoltaici hanno un rendimento del solo 15% circa e il solare termodinamico raggiunge il 40%. Solo il solare termico raggiunge un rendimento dell’80%, ma si tratta di
Irraggiamento solare globale annuale
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cultura e natura energia termica e non elettrica. stallata in esterno, è utilizzata soprattutto per piccoli imPer avere un quadro completo di questa fonte inesauribile pianti; che abbiamo a disposizione è utile conoscere, almeno per grandi linee i vari sistemi di sfruttamento dell’energia so- ● a circolazione forzata: lare.
IL SORALE TERMICO Il solare termico è la forma più efficiente ed economica che possiamo utilizzare anche a livello domestico. Grazie a questa fonte, nel 2009, ad esempio, abiamo potuto risparmiare 14,4 milioni di tonnellate di petrolio e 46,1 milioni di tonnellate di CO2. Nel 2010, gli impianti istallati nel mondo hanno prodotto 162 GWh, tuttavia il settore ha risentito della crisi economica e la sua diffusione ha subito uno stallo preoccupante nell’ultimo biennio, tanto che l’ESTIF (European Solar Thermal Industry Confederation) ha indetto ad ottobre 2011 una conferenza, proprio per rilanciare il settore. la circolazione è assicurata da una pompa di ricircolo del fluido che permette di svincolare completamente il posizionamento dei collettori, che sono sul tetto, dal sistema di accumulo. Questo tipo di impianto consente di distanziare il serbatoio dal pannello, che può essere collocato in un lo2010 - Stima della capacità cale a parte e quindi aver un minor impatto estetico ed ardi energia prodotta ed enerchitettonico. Prevalentemente si usa per impianti di potenza gia istallata medio-grande per un utilizzo annuale. Secondo il rapporto SOLAR HEAT WORLDWIDE 2011, i paesi che a livello mondiale hanno una maggiore diversificazione nell’utilizzo dell’energia solare sono la Spagna, la Germania e l’Austria. Oltre alla semplice acqua calda in questi paesi si sono sviluppati sistemi efficienti per il riscaldamento di case mono/plurifamiliari e hotel. Si sono istallati anche grandi impianti per il teleriscaldamento (quello distribuito attraverso una rete di tubazioni) e un numero crescente di sistemi per la climatizzazione e il rafIl suo funzionamento si basa sulla trasformazione del- freddamento industriale. l’energia solare in energia termica raccolta sotto forma di acqua calda. Le principali applicazioni sono la produzione IL FOTOVOLTAICO di acqua calda sanitaria, riscaldamento piscine e riscaldamento e/o climatizzazione degli ambienti. Questo categoria Utilizzato per la prima volta oltre 40 anni sugli apparati di impianti possono essere principalmente di due tipi: spaziali, il fotovoltaico sta conoscendo una grande espansione sul mercato energetico globale. Basti considerare che ● a circolazione naturale: dal 2008 al 2010 la potenza istallata del fotovoltaico è passata da circa 16 GW a quasi 40 GW arrivando a produrre qualcosa come 50 TWh di elettricità all’anno. Fonte: EPIA MWh di impianti fotovoltaici istallati dal 2000 al 2010
il serbatoio di accumulo, dotato al suo interno di scambiatore, viene posto al di sopra del collettore stesso. La circo- Il processo di conversione fotovoltaica si basa sulla di alcuni materiali semiconduttori lazione è garantita dalla differenza di densità del fluido tra proprietà il ramo freddo e caldo del circuito chiuso. Interamente in- opportunamente trattati - come ad esempio il silicio -
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L’insieme degli strati che compongono il pannello fotovoltaico è detto sandwich. Il cuore del modulo fotovoltaico di tipo classico è composto da fragili celle di silicio in forma cristallina, un semiconduttore che, se colpito da una fonte elettromagnetica, rilascia elettricità; più precisamente, i fotoni provenienti dal sole forniscono l’energia sufficiente a permettere il rilascio di elettroni: è l’effetto fotovoltaico, osservato da Becquerel già nel 1839. Sulle celle sono chiaramente visibili i conduttori elettrici, saldati direttamente sui wafer, ossia le sottilissime fette di silicio. Fonte: Energia Solare & Rinnovabili
di generare energia elettrica quando vengono esposti alla radiazione solare. La conversione della radiazione solare in energia elettrica avviene nella cella fotovoltaica (un sandwich costituito da due lamine di materiale semiconduttore). L’insieme delle celle collegate elettricamente in serie formano un modulo fotovoltaico, che è il componente base commercialmente disponibile. I fattori che possono influenzare la percentuale di rendimento di un impianto, sono ovviamene l’esposizione solare e l’ombreggiamento, ma anche l’umidità, il vento e la temperatura. In particolare, quest’ultima, se elevata fa diminuire il rendimento. Inoltre c’è da considerare che ogni pannello solare nei primi mesi di attività, perde subito il 20% di rendimento per poi stabilizzarsi lungo l’arco della sua vita Ai fini della scelta del tipo di modulo può essere utile sapere anche il costo energetico per la “Natura” del pannello fotovoltaico. Infatti, un effetto “paradosso” del fotovoltaico, è quello relativo al dispendio di risorse impiegato per la sua fabbricazione che, in alcuni casi, potrebbe essere maggiore di quello prodotto dall’impianto istallato. Tale rapporto viene definito come coefficiente EROEI, acronimo inglese di Energy Returned On Energy Invested, cioè il rapporto tra energia ricavata e energia consumata, che se inferiore a 1 indica una fonte energetica in perdita. Sull’EROEI influisce anche il tipo di silicio utilizzato, il quale determina in buona parte il grado di efficienza dell’impianto e di conseguenza anche il suo costo. Va detto che il silicio non si acquista a buon mercato e poiché è molto utilizzato anche dall’industria elettronica, è conteso dai due settori, anche se il fotovoltaico attinge soprattutto dal materiale di scarto di quest’ultima. In base al tipo di silicio possiamo distinguere diversi tipi di pannelli fotovoltaici:
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● in silicio monocristallino: dal silicio fuso vengono ottenuti dei lingotti cilindrici con forma esagonale. I lingotti sono quindi sezionati in fette sottili (wafer) da 200μ/300μ (il micro, μ, corrisponde a 1 milionesimo di metro) le quali presentano un color argento lucido. Queste, inoltre, vengono sagomate in forme più o meno squadrate al fine di diminuire gli spazi inutilizzati ed aumentare il numero di celle ospitate dal modulo. Il suo rendimento è del 13-17%; ● in silicio policristallino: il silicio viene versato in blocchi dalla forma quadrata. I blocchi raffreddati vengono tagliati in lingotti e quindi sezionati in wafer da 230μ/350μ. Durante la fase di solidificazione, i cristalli si dispongono in modo casuale ed è per questo che la superficie presenta i caratteristici riflessi cangianti. Il silicio policristallino ha una grana più grossa del silicio monocristallino. Il suo rendimento è del 12-14%; ● in silicio amorfo: questo tipo di silicio è caratterizzato dal modo disordinato in cui gli atomi o le molecole sono legati tra di loro. Il materiale viene applicato a strati sottili su superfici più grandi delle normali celle. Questo tipo di pannello ha un’efficienza bassa ma offre un rendimento maggiore rispetto al mono e poli-cristallino in situazione di scarsità di luce ( sera-mattina, nuvole, nebbia o zone d’ombra). Inoltre è quello che in tempi più rapidi (2-3 anni) restituisce l’energia utilizzata per la sua produzione. Il suo rendimento è dell’8%. Ultimamente sul mercato si stanno affermando dei nuovi pannelli fotovoltaici in film sottile che grazie alle caratteristiche di economicità e flessibilità, si adattano ad una vasta gamma di applicazioni.
In questo tipo di pannello, il materiale base viene vaporizzato e depositato su lastre di vetro o lamine di altro materiale con spessore di circa 2μ (micro) ovvero oltre 100 volte più sottile dello strato ottenuto con celle di silicio cristallino. La sua efficienza è di gran lunga inferiore a quella del monocristallino o del policristallino, tuttavia le celle a film sottile hanno il vantaggio di tollerare meglio gli ombreggiamenti e di essere meno influenzate dalla temperatura rispetto alle celle in silicio. A parte i vantaggi e le potenzialità del fotovoltaico, dal punto di vista tecnologico ci sono due nodi ancora irrisolti.
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Un problema è dato dallo smaltimento dei pannelli esauriti che risultano essere altamente inquinanti. Su questo fronte, la ricerca sta cercando soluzioni alternative al silicio e sta sperimentando altre sostanze di tipo organico (il succo d’arancia o di mirtillo, o la pigmentazione della melanzana), con lo scopo di riprodurre il processo della fotosintesi clorofilliana, ma i rendimenti energetici sono ancora troppo bassi per poter competere con l’efficienza del silicio. Un altro punto di criticità è data dall’ampiezza dello spazio e del terreno che un impianto fotovoltaico occupa e quindi sottrae - almeno potenzialmente - all’agricoltura o alla vegetazione. Gli sforzi della ricerca in questo campo sono rivolti ad aumentare la percentuale di rendimento.
IL TERMODINAMICO Definito anche CSP (Concentrated Solar Power), il termodinamico è una tecnologia che usando degli speciali specchi, concentra la radiazione solare su fluidi termo-vettori (olio diatermico - deriva dalla distillazione del petrolio ed evapora a 350°C. - e/o sali fusi) che raggiungono temperature oltre 500°. Il vapore così generato aziona il turboalternatore per la produzione di energia elettrica. Gli specchi quindi sostituiscono il silicio dei pannelli fotovoltaici e rendono questa tecnologia altamente efficiente ed economica. Infatti grazie alla possibilità di immagazzinare e conservare il fluido riscaldato, l’energia può essere prodotta anche di notte o in presenza di nuvolosità, riuscendo così ad ottenere il 40% del rendimento. In assenza di accumulo del liquido, il suo rendimento è piuttosto mediocre e scende al 25%. L’unico punto negativo è costituito dalla grande disponibilità di terreno che occorre per l’istallazione degli impianti. Ad esempio la centrale spagnola PS10, da 11 MW, occupa una superficie di circa 60 ettari mentre la centrale di Starwood Solar 1, in Arizona con una potenza di 290 MW, occupa una superficie di 760 ettari pari a 7,6 km2 (un rettangolo largo 2 km e lungo poco meno di 4). Attualmente nel mondo sono prodotti oltre 1292 MW di energia elettrica con questo sistema. La maggior produzione è concentrata in Spagna con circa il 60% seguita dagli USA con il 30% ma le previsioni di sviluppo sono enormi.
Studi condotti da Green Peace in collaborazione con EPIA (European Photovoltaic Industry Association), hanno calcolato che entro il 2020 questa forma di produzione raggiungerà i 46.000 MW con una media annuale di crescita pari al 38%, media che probabilmente è sottostimata essendo il settore in continua espansione. Anche per le centrali solari termodinamiche esistono diverse tecniche di realizzazione, le principali sono quattro: ● impianti a collettori parabolico-lineari (Parabolic Trough): sono composti da un sistema di specchi cilindro-parabolici (lunghi ciascuno anche 100 metri e mobili, per seguire il movimento apparente del Sole) che concentrano la radiazione solare su un ricettore lineare passante per i fuochi delle parabole. All’interno del ricettore scorre il fluido (olio minerale, sali fusi) che viene surriscaldato.
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cultura e natura Il sistema di specchi è modulabile, fino a raggiungere potenze molto elevate. Si tratta di una tecnologia che è già considerata commerciale nelle aree con buona insolazione e desertiche o che non prevedono altri usi. Il limite principale è infatti dovuto alla vastità del suolo occupato;
e oltre. I sistemi dish - Stirling sono destinati a funzionare o isolati, senza sorveglianza continua, oppure in cluster o solar farm da centinaia o migliaia di esemplari L’elevata efficienza di conversione, la facilità di installazione e la possibilità di riduzione dei costi con la produzione in grande serie, rendono questi sistemi applicabili alla generazione distribuita ed in prospettiva competitivi anche con i grandi impianti solari termodinamici. Tra gli svantaggi si segnalano comunque la complessità tecnologia e l’impossibilità di utilizzare l’accumulo termico;
Impianto CSP Parabolic Trough Albengoa - USA
● impianti a torre e campo specchi (Solar Tower): il sistema è formato da una platea di specchi attorno ad un ricettore posizionato su una torre. Gli specchi (eliostati) sono orientabili per seguire la posizione del Sole e ne concentrano la radiazione sul ricettore, riscaldando un fluido utilizzato per la produzione del vapore. La redditività di tali impianti è considerata inferiore rispetto a quelli dei collettori parabolici a causa della tecnologia più complessa e della minore taglia realizzabile. Questa tecnologia ha un notevole potenziale di riduzione dei costi, una buona efficienza, è ideale per l’accumulo termico;
Impianto CSP Solar Tower - Mojave Desert, California - USA
Impianto CSP Dish Stirling California - USA
● impianti a collettori lineari di Fresnel (Linear Fresnel Reflector): sono costituiti da una serie di specchi lineari (eliostati, mobili per seguire il sole), posti orizzontalmente in prossimità del suolo, che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricettore a forma di tubo, situato sopra di loro ad una opportuna distanza (una decina di metri) e nel cui interno circola il fluido termo-vettore destinato alla produzione di vapore. La tecnologia è ancora in una fase di sperimentazione e dimostrazione. Le prime valutazioni sembrano tuttavia indicare una buona redditività economica, dovuta alla maggiore semplicità strutturale e alla maggiore potenza di picco per unità di superficie impegnata rispetto agli altri sistemi termodinamici (essendo orizzontali al suolo, i collettori lineari di Fresnel non presentano il problema di fare ombra agli specchi limitrofi, e quindi necessitano di superfici meno estese per unità di potenza installata). Per contro, raggiungono temperature del fluido di lavoro inferiori a quelle delle altre tipologie, la tecnologia ha un’efficienza dell’impianto minore rispetto al parabolic through ed una minore adattabilità all’accumulo termico.
● impianti disco-Stirling (Dish Stirling): il concentratore disco-Stirling è costituito da una parabola specchiata,mobile per essere sempre orientata al Sole. In questi sistemi un paraboloide di alcuni metri di diametro concentra la radiazione sul ricevitore di un motore Stirling di alcuni kW, in grado di azionare un alternatore collegato direttamente alla rete elettrica. Sono in grado di funzionare in modo completamente automatico: si accendono al mattino, inseguono il Sole nel suo modo diurno e ritornano in posizione di alba a fine giornata, restando in condizioni di attesa durante la notte. Hanno rendimenti di conversione energia solare -elettrica dell’ordine del 20% medio giornaliero con punte del 25%
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Impianto CSP Fresnel, Ausra’s Kimberlina California - USA
cultura e natura ASPETTANDO IL 2061, IN ITALIA. Quarta nel mondo per gli investimenti nelle rinnovabili (14 miliardi di euro), e prima nel fotovoltaico per potenza istallata nel 2011 (10.000 MW), l’Italia, secondo l’EPIA, entro il 2013 sarà il primo paese in Europa a raggiungere la cosiddetta “grid parity”, cioè produrremo energia elettrica allo stesso costo dei combustibili fossili. Nel 2014 potremmo raggiungere addirittura la “generation value competitiveness”, o “competitività di generazione di valore”. In altre parole il solare offrirà tali vantaggi che un impianto fotovoltaico darà agli investitori un ritorno economico pari a quello di un altra fonte non rinnovabile. Per gli impianti familiari invece, i tempi sono un po’ più lunghi, in quanto sarà possibile raggiungere la grid parity solo nel 2015. Questo futuro dipinto a tinte rosee, non è privo di spine, stando almeno a quanto riferito al Parlamento dall’On. Elisabetta Zamparutti, componente della Commissione Ambiente, in un suo intervento del 27 marzo 2011. Nella suddetta relazione, viene sottolineato come i costi economici degli incentivi statali sembrano sproporzionati rispetto ai reali benefici: “l’onere annuo per gli impianti prenotati al 2011 (per 8.000 MW pari allo 0,5-1% dei consumi di energia elettrica) è di circa 3 miliardi di euro all’anno che vanno pagati per 20 anni per un totale di oltre 60 miliardi di euro”. La cifra apparentemente modesta assume la sua importanza se, ad esempio, la rapportiamo all’ammontare complessivo di 8 miliardi di euro che lo stato italiano ha stanziato nel 2010 per la ricerca scientifica. L’onorevole inoltre mette in luce come la crescita dell’occupazione nel settore sia da ridimensionare. L’impiego del personale nel solare in realtà va circoscritto alla sola istallazione e manutenzione degli impianti. L’Italia infatti, ad eccezione degli inverter (quei dispositivi che convertono l’energia continua dei pannelli in energia alternata per la nostra rete elettrica), non ha sviluppato una propria tecnologia e compra la maggior parte della componentistica da altri paesi, quali ad esempio la Germania o
la Cina. Infine, rispetto al fotovoltaico, è stato recentemente lanciato un allarme dal Sostituto Procuratore Nazionale Antimafia, Maurizio De Lucia, riguardo l’interesse delle cosche mafiose che, dopo l’eolico, si sta volgendo minacciosamente verso questo settore, producendo già notevoli danni
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cultura e natura sia economici che ambientali. Quindi seppur avviati su una strada giusta, sembra urgente rivedere la strategia energetica degli incentivi, in quanto rischiamo di sperperare enormi capitali in tecnologie che tra poco saranno obsolete, ipotecando così anche le risorse future che, invece, potrebbero sostenere l’eccellente ricerca sientifica nazionale. Al tempo stesso occorre vigilare sugli “appetiti” criminali che purtroppo imperversano anche nella green economy. In conclusione, investire nel solare oggi è una valida alternativa ma dobbiamo tenere lo sguardo volto sial al presente che al futuro, in modo da garantire alle prossime generazioni che popoleranno il Bel Paese, un’esistenza forse meno lussuosa, ma almeno dignitosa e certamente più in equilibrio con la Natura.
BIBLIOGRAFIA Gestore Servizi Energeti: www.gse.it Emerging Energy Research: www.emerging-energy.com Greenpeace International: www.greenpeace.org GIFI - Gruppo Imprese Fotovoltaiche Italiane: www.gifi-fv.it/ European Photovoltaic Industry Association: (EPIA) www.epia.org European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF ) http://blog.greenpointpartners.com/green-energy/solar-energy-greenenergy/whats-happening-in-the-global-solar-thermal-markets/ www.enel.it www.enelgreenpower.it www.anest-italia.it www.envent.it http://www.greenstyle.it/ http://www.certificazioni-energetiche.it http://www.radio24.ilsole24ore.com/blog/calandra/?tag=fotovoltaico Politecnico di Milano Dipartimento di Ingegneria Gestionale: www.energystrategy.it www.viadalvento.org National Renewable Energy Laboratory (NREL)-U.S. Department of Energy: http://www.nrel.gov/ European Space Agency: www.esa.int
ESA/NASA - SOHO/LASCO/EIT - Espulsione di massa coronale verso la Terra
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