Solare

Quell’energia che proviene dal Sole

Il Sole è una fonte di energia pulita, gratuita e inesauribile. Ogni anno l’energia irraggiata dal Sole alla Terra è pari a molte migliaia di volte il consumo di energia primaria del mondo. Dall’energia del Sole hanno origine gran parte delle fonti energetiche, rinnovabili (eolico, maree) e non rinnovabili. Tuttavia gli attuali sistemi permettono di captare e riutilizzare solo una parte minima dell’energia irraggiata dal Sole. Inoltre si tratta di una fonte intermittente e a intensità variabile, giornaliera e stagionale: per sfruttarne efficacemente l’energia occorre immagazzinare o produrre con altre fonti l’energia mancante nei periodi di oscuramento. Pertanto nel mondo solo una parte del tutto marginale dell’energia elettrica è prodotta dal solare (nel 2005 lo 0,04%).

Come catturare l’energia solare

Esistono principalmente due modi per catturare l’energia del sole. Il primo è il solare fotovoltaico, che trasforma direttamente la radiazione luminosa in energia elettrica. Il secondo è il solare termico che utilizza l’energia solare per riscaldare dei fluidi, come ad esempio acqua o oli minerali. I fluidi così riscaldati possono essere utilizzati in ambito domestico per il riscaldamento degli ambienti (solare termico a bassa temperatura) oppure in ambito industriale per la produzione di energia elettrica (solare termico ad alta temperatura o a concentrazione, CSP – Concentrated Solar Power).

Il solare fotovoltaico

Il componente base di un sistema fotovoltaico è la cella solare che permette la trasformazione della radiazione elettromagnetica in energia chimica e la successiva conversione di questa in energia elettrica. Più celle collegate elettricamente tra loro e assemblate fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico costituiscono un modulo. Più moduli collegati insieme formano un pannello.

Di che materiale sono costituite le celle?
La principale materia prima delle celle fotovoltaiche è il silicio cristallino (monocristallino – più efficiente e costoso – o multicristallino – più economico ma meno efficiente). Le celle sono nella gran parte dei casi realizzate tagliando il silicio in sottili fette di poco più di 2 decimi di millimetro (“wafer”). In alternativa possono essere realizzate colando silicio fuso in strati piani di silicio (“ribbon”): questa tecnica non richiede il taglio del lingotto di silicio (una delle operazioni più complesse dell’intera tecnologia fotovoltaica) e riduce al minimo lo spreco di materiale. Una terza soluzione, la meno diffusa, impiega il silicio amorfo o altri composti (es. telloruro di cadmio o diseleniuro di rame e indio) che possono essere utilizzati in film sottili (“thin film”) di pochi millesimi di millimetro, a basso costo ed efficienza. In funzione dei materiali impiegati e della tecnologia di realizzazione delle celle, i moduli commercialmente disponibili presentano valori di efficienza bassi (intorno al 15%). La scarsa efficienza dei moduli è attualmente uno dei limiti principali che rendono scarsamente competitiva la fonte solare rispetto le fonti fossili.
Quanti sistemi fotovoltaici esistono in commercio?
I sistemi fotovoltaici si distinguono in: sistemi senza accumulo di energia (più dell’80% delle installazioni nel 2005) e sistemi con accumulo, ovvero provvisti di batterie (generalmente al piombo/acido) per conservare l'energia elettrica da utilizzare durante la notte e quando il sole è coperto. Sono più costosi e sono impiegati nelle utenze isolate dove gli utilizzatori non sono collegati alla rete.

Il solare termico

Il solare termico più comune è quello a bassa temperatura, utilizzato in particolare nelle case per la produzione di acqua calda sanitaria, con temperature comprese tra 30°C e 120°C. La tecnologia è molto semplice: generalmente si utilizzano dei pannelli costituiti da una lastra d'acciaio o di rame, all'interno della quale passano i tubi in cui scorre il fluido che deve essere riscaldato. Il sistema è completato da un serbatoio di accumulo nel quale si realizza la trasmissione del calore dal liquido riscaldato all'acqua dell'impianto idraulico.

Sistemi termici a concentrazione

Diversi sono i sistemi termici a concentrazione (CSP) utilizzati per la produzione di energia elettrica. In questo caso la radiazione solare è convogliata tramite appositi concentratori (tipicamente specchi o lenti orientabili) su un fluido da riscaldare (acqua, olio o altri materiali chiamati termovettori). Il fluido ad alta temperatura – in un intervallo tra circa 300 e 600°C – può essere utilizzato localmente per generare elettricità usando speciali motori o trasportato verso l’applicazione finale dove viene utilizzato per la trasformazione di vapore in elettricità mediante turbina. Vi sono anche altri usi, attualmente in fase di sperimentazione, quali la produzione di idrogeno o di altri prodotti chimici nei sistemi a temperatura più elevata. A causa dell’intermittenza della fonte solare i sistemi CSP non vengono quasi mai realizzati come impianti isolati (“stand-alone”) ma generalmente sono integrati con impianti di generazione alimentati da combustibili fossili.
Per la parte solare (senza considerare cioè il rendimento del motore a turbina), gli impianti a concentrazione presentano un’efficienza potenziale molto elevata – superiore anche al 30% in condizioni di elevata radiazione diretta; tuttavia l’efficienza di conversione finale dei sistemi termodinamici sperimentati negli ultimi 25 anni (soprattutto negli Stati Uniti e in Spagna) è compresa nell’intervallo 5%-10%. I principali limiti di questi impianti sono connessi alle perdite ottiche degli specchi (che non riflettono il 100% della luce), agli errori di posizionamento del sistema ad inseguimento del sole, nonché alle perdite di energia nel trasferimento del calore al fluido termovettore e nel mantenimento della sua temperatura. Un ulteriore vincolo è costituito dalla massima temperatura raggiungibile dal fluido , che oltre a determinare il rendimento termodinamico del ciclo di trasformazione vapore-elettricità, ha un impatto notevole sui campi di applicazione, sulle complicazioni ingegneristiche ed infine sui costi.

Mercato

Solare fotovoltaico. Negli ultimi 10 anni la domanda di energia fotovoltaica è cresciuta a ritmo molto sostenuto e tra il 2004 e il 2006 la produzione di celle/moduli fotovoltaici è più che raddoppiata superando nel 2006 i 2,5 GW. Ciononostante la produzione di energia elettrica da solare fotovoltaico continuerà nei prossimi anni ad avere un peso modesto sul totale dell’elettricità prodotta nel mondo (0,1% nel 2015 e 0,4% nel 2030 secondo le stime dell’ International Energy Agency). La capacità installata cumulata mondiale sfiora attualmente i 5 GW ed è concentrata in Giappone, Germania e Stati Uniti. Anche la crescita della domanda degli ultimi anni si è concentrata in questi paesi, con il recente avvio di iniziative anche in altre regioni. In Italia a fine 2004 erano installati circa 30 MW da fotovoltaico. Alla stessa data in Germania i MW installati erano circa 795, più di 25 volte la potenza installata in Italia nonostante la penalizzazione climatica rispetto al nostro Paese. Tuttavia anche in Germania il peso del fotovoltaico sul totale dell’energia elettrica prodotta si attesta su valori prossimi allo 0,1% (mentre carbone e nucleare contribuiscono per più dell’80%).
Solare termico a bassa temperatura. Il mercato del solare termico a bassa temperatura è cresciuto sensibilmente negli ultimi anni, superando i 10 milioni di m2 installati all’anno. La Cina, con il 78% del mercato mondiale nel 2004, è il paese leader, seguito da Turchia e Israele. L’ Europa nel suo complesso raggiunge una quota di circa il 9%, grazie soprattutto al contributo di Germania, Austria e Grecia.
Solare termico a concentrazione. I pochi impianti CSP installati finora si trovano quasi tutti in California dove sono stati costruiti negli anni ’80. In Europa tra i paesi più attivi nel promuovere il CSP vi è la Spagna, che nel 2004 ha collegato alla rete il primo impianto CSP europeo. Il Piano energetico spagnolo 2005-2010 fissa a 500 MW l’obiettivo di capacità installata CSP al 2010.

Costi di produzione dell’energia elettrica

Gli elevati costi rappresentano il principale ostacolo alla diffusione dell’energia solare. Il costo dell’energia elettrica prodotta da fotovoltaico è 4-10 volte maggiore di quello dell’energia elettrica prodotto dai combustibili fossili; per il solare termodinamico la scarsa diffusione della tecnologia non rende possibile fornire valori accurati; tuttavia secondo stime di massima il costo di produzione sarebbe compreso attorno a 3-5 volte quello associato ai combustibili fossili. La variabilità all’interno dei range di costo è dovuta a vari fattori quali il costo dei componenti utilizzati nell’impianto solare, la dimensione e l’efficienza dell’impianto e il livello di insolazione del sito. Va inoltre ricordato che la produzione su larga scala di energia elettrica con il solare richiede la disponibilità di aree molto estese.

Possibili evoluzioni future

Nel campo dei sistemi fotovoltaici la sfida più impegnativa da affrontare per rendere competitiva la tecnologia riguardano la necessità di una innovazione radicale relativamente ai materiali utilizzati. A tal fine risultano promettenti le celle basate su materiali organici (come alcuni polimeri), in combinazione con l’ uso di nanotecnologie, e su materiali nanocompositi in genere. Per questo tipo di materiali le disponibilità sono infatti molto elevate, i costi potenzialmente contenuti e le tecnologie di fabbricazione già esistenti e simili a quelle di stampa su materiali plastici; tuttavia finora l’efficienza di conversione è limitata a circa il 5% e i dispositivi hanno problemi di stabilità.
Per i sistemi termici a concentrazione sono attesi miglioramenti tecnologici in grado di aumentare il fattore di concentrazione dei sistemi ottici e quindi le temperature di esercizio. Inoltre lo sviluppo delle tecnologie a più elevato fattore di concentrazione avrà l’effetto di aumentare i rendimenti e di rendere disponibile il calore generato per altri utilizzi, oltre alla conversione in elettricità.

La ricerca Eni

Nel campo del solare sono stati attivati due filoni principali di ricerca. Il primo punta allo sviluppo di semiconduttori organici e di nanotecnologie applicabili in sistemi fotovoltaici basati su tecnologie non convenzionali e nella produzione diretta di idrogeno da acqua. Il secondo intende sviluppare su scala industriale la tecnologia del solare termico a concentrazione o CSP (Concentrated Solar Power) per la generazione di energia elettrica. In particolare tra i piani di Eni rientra la realizzazione di uno studio di fattibilità di un impianto dimostrativo in una zona a elevata insolazione – ad esempio nel Mediterraneo – in cui la generazione di energia elettrica sia realizzata in parte con una centrale termosolare a concentrazione e in parte con un ciclo combinato a gas.