Il termine fotovoltaico significa “luce-elettricità”, infatti è composto da phos, in greco“luce”, e voltaico, dal nome dello scienziato italiano Alessandro Volta,che fu tra i primi a studiare i fenomeni elettrici.
Il solare fotovoltaico è la tecnologia che consente di trasformare l'energia luminosa del sole in energia elettrica: con la tecnologia fotovoltaica la radiazione solare viene convertita direttamente in energia elettrica. Elemento base del generatore fotovoltaico è la cella fotovoltaica, Il dispositivo base è "la cella fotovoltaica": una lastra di materiale semiconduttore (generalmente silicio) che, opportunamente trattata, genera una differenza di potenziale tra la superficie superiore (-) e quella inferiore (+). La radiazione solare incidente sulla cella è in grado di mettere in movimento gli elettroni interni al materiale, i quali si spostano dalla superficie negativa a quella positiva, generando una corrente continua.
La più piccola unità elementare di cui si compone un generatore fotovoltaico è dunque la cella. Più celle connesse elettricamente tra loro formano il modulo fotovoltaico. Più moduli fotovoltaici collegati elettricamente in serie compongono una stringa ( in inglese, string). Più stringhe formano il Generatore Fotovoltaico.
Il quadro di campo raccoglie l’energia elettrica prodotta dai moduli per condurla all’inverter, che converte la corrente continua in corrente alternata.
La prima ambiziosa applicazione delle celle fotovoltaiche si ebbe nel satellite Vanguard I (1958), il primo veicolo orbitante ad essere alimentato dall’energia solare. Le sue celle al silicio gli fornirono energia per quasi un decennio, finché venne disattivato. Un successo tale che le celle fotovoltaiche divennero parte integrante di ogni progetto spaziale.
Oggi ilsolare fotovoltaico(approfondimento scientifico) è una realtà consolidata e un esercito di moduli è pronto a rispondere
TAGLIA PICCOLA
Impianti fotovoltaici di piccola taglia possono essere considerati gli impianti installati sui tetti di singole case, o impianti che coprono un fabbisogno energetico circoscritto: pompe fotovoltaiche (curiosità) per estrarre l'acqua dai pozzi, auto elettriche,
imbarcazioni a energia ecologica, insegne luminose,alberi fotovoltaici(curiosità). Quanto agli impianti fotovoltaici delle case, non
sempre è necessario coprire ampie superfici con pannelli fotovoltaici: per una famiglia media sono sufficienti circa 20 metri quadri, infatti la superficie necessaria per erogare un chilowatt di potenza è solitamente compresa tra 7 e 10 metri quadrati. Ricordiamo che più moduli fotovoltaici collegati in serie costituiscono una stringa, più stringhe collegate in parallelo formano il campo fotovoltaico, che, unitamente ai cavi, agli interruttori, all'invertitore e alle batterie (ove presenti) costituisce l'impianto fotovoltaico. Un impianto fotovoltaico può essere autonomo (in inglese stand alone) oppure collegato alla rete elettrica (grid connected). Se l'impianto è autonomo, l'energia prodotta dai pannelli viene accumulata nelle batterie e da queste viene prelevata per essere utilizzata come corrente continua oppure come corrente alternata.
Una famiglia che realizzi un impianto fotovoltaico (ad esempio sul proprio tetto) ha i seguenti vantaggi: •risparmia sulla bolletta, perché consuma l'energia che produce
•contribuisce a diminuire l'emissione di gas serra in atmosfera. Infatti anche un piccolo impianto fotovoltaico domestico, nell'arco di venti o trent'anni, evita l'emissione di molte tonnellate di anidride carbonica.
venti o trent'anni, evita l'emissione di molte tonnellate di anidride carbonica.
Se invece l'impianto è collegato alla rete, il sistema non ha batterie di accumulo: i cavi provenienti dai pannelli convergono all'invertitore, che è collegato direttamente alla rete elettrica. In questo modo, se non si ha necessità di utilizzare energia elettrica, questa si riversa nella rete e costituisce un credito energetico.
I pannelli fotovoltaici possono essere installati sul tetto o su altre architetture delle case o a terra (dove ci sia il necessario spazio esterno). In genere il semiconduttore utilizzato è il silicio, ma si possono utilizzare anche moduli CIS, che utilizzano non il silicio ma una pellicola sottilissima (3-4 micron) di una lega di rame, indio e selenio.
E se si vuole una fonte alternativa di energia senza ricorrere ai moduli fotovoltaici tradizionali, c'è anche il gel fotovoltaico, che consente di trasformare qualunque vetro della propria casa in un pannello fotovoltaico. Il gel fotovoltaico è un gel trasparente amorfo, capace di trasformare i raggi solari in energia: applicandone un sottile strato alle finestre, si hanno finestre fotovoltaiche. Oltre alla versione gel, esiste la versione spray più liquida: il gel va iniettato all'interno dei doppi vetri, mentre lo spray può essere spruzzato su un vetro singolo. All'interno del gel viene innescata una struttura cristallina di silicio (il silicio, dopo l'ossigeno, è l'elemento più copioso sulla terra, in quanto si trova in sabbia, quarzo, argilla, granito). Il silicio, bombardato dai fotoni, ovvero le particelle che compongono i raggi del sole, provoca energia cinetica, e questa energia a sua volta può essere trasformata in
Il gel fotovoltaico non inquina e non è tossico. I suoi usi sono svariati: si può applicare sui vetri di abitazioni, edifici, aziende, luoghi pubblici, ma, essendo trasparente, anche su automobili. Il funzionamento dell'impianto del gel fotovoltaico si adegua a quello dell'impianto tradizionale. Sullo sviluppo del fotovoltaico nel mondo emergono previsioni incoraggianti dal quinto rapporto di Greenpeace e EPIA (European Photovoltaic Industry Association, curiosità). Carta vincente degli impianti fotovoltaici è sicuramente la possibilità di essere installati anche in assenza di una rete elettrica: questo significa avere energia elettrica anche in zone remote e povere, con un'utilizzazione esponenzialmente infinita, come nel caso del "fotovoltaico che disseta", in particolare della prima pompa fotovoltaica, messa in funzione nel 1977 in Mali, con la quale si poté azionare il primo pozzo per dissetare gli abitanti del luogo. Ma l'assenza di una rete elettrica può essere dovuta anche a calamità naturali, come uragani o terremoti: anche in questi casi il fotovoltaico può dare una mano. E' il caso del devastante terremoto che ha colpito Haiti nel 2010: una società americana ha inviato ai terremotati lampioni solari alimentati da pannelli fotovoltaici in grado di illuminare strade e strutture di assistenza installazioni di pronto soccorso e strutture di assistenza in situazioni di mancanza di energia elettrica dalla rete. In circostanze così drammatiche la disponibilità di illuminazione rende possibile prestare i soccorsi con continuità anche nelle ore notturne e far funzionare le strutture sanitarie 24 ore su 24, ma anche diminuire furti e saccheggi. I lampioni, della serie “Tropical”. Si tratta , come dice il nome stesso, di sistemi di illuminazione appositamente progettati per paesi tropicali, possono resistere infatti a situazioni meteo estreme come i forti venti degli uragani, sono a prova di corrosione, facili da installare (in meno di un’ora) e difficili da manomettere o trafugare. Sono dotate di lampade a LED per avere il massimo facili da installare (in meno di un’ora) e difficili da manomettere o trafugare. Sono dotate di lampade a LED per avere il massimo di luminosità con il minimo di consumo e sono dotate di batterie ricaricabili per immagazzinare l’energia durante le ore di insolazione ed erogarla quando si fa buio o nelle giornate senza sole (hanno autonomia fino a cinque notti consecutive). Lampioni dello stesso tipo, facili da installare (in meno di un’ora) e capaci di resistere a situazioni meteo estreme, sono stati utilizzati con successo in occasione degli uragani Katrina e Rita.
TAGLIA MEDIA
Impianti fotovoltaici di taglia media possono essere considerati gli impianti installati su condomini, grattacieli, singole fabbriche, centri commerciali, aerei, navi.
Anche per le taglie medie, come per le piccole, l'installazione può essere o integrata architettonicamente o a terra. La struttura dei moduli può essere fissa o mobile. La struttura mobile utilizza l'inseguitore, che si comporta come i girasoli: segue il sole dall'alba al tramonto. L'inseguimento del sole consente un guadagno giornaliero energetico almeno del 25% rispetto ai moduli su struttura fissa. La struttura mobile può essere installata su qualsiasi superficie, piana o inclinata, a terra o su coperture di edifici. L'inseguimento del sole avviene tramite una centralina elettronica che regola la posizione dei moduli sulla base dell'irraggiamento solare captato tramite sensori solari. L'inseguitore non è tempo-dipendente, quindi ottimizza l'energia del sole anche in condizioni critiche di cielo coperto e di ombreggiamento del campo fotovoltaico.
Tra gli esempi di edilizia sostenibile che utilizza il fotovoltaico, c'è il tetto fotovoltaico dell'azienda di stagionatura del Parmigiano Reggiano in Emilia Romagna: l'impianto, installato nel 2009, è formato da 672 moduli solari e copre una superficie di 2900 metri quadrati. La potenza è di oltre 100 kWh, per una produzione annua di 100.000 kWh.
quadrati. La potenza è di oltre 100 kWh, per una produzione annua di 100.000 kWh.
In una direzione più ecologica, per abbandonare per sempre il petrolio, si muovono anche alcuni progetti di eco-edilizia che hanno dell'incredibile e che affiancano l'energia del fotovoltaico , con altre energie verdi. Madrina di due progetti spettacolari è Milano, che proponegrattacieli fotovoltaici(curiosità) eboschi verticali(curiosità).
TAGLIA GRANDE
Impianti fotovoltaici di taglia grande possono essere considerati le centrali fotovoltaiche, capaci di generare i volumi che servono per lo sviluppo industriale, a tutto vantaggio della tutela dell'ambiente. Un esempio di taglia grande è l'impianto fotovoltaico più grande del Nord America: ben 70.000 inseguitori solari su una superficie di 60 ettari. Si trova alla base dell'Air Force, la celebre base aeronautica di Nellis, in Nevada. L'installazione da 15 MW, avvenuta nel 2007, consente di coprire un quarto del fabbisogno energetico della base, con un risparmio di 1 milione di dollari all'anno sulla bolletta energetica della base. Quanto al beneficio ambientale, si eviteranno 24.000 tonnellate di anidride carbonica ogni anno. L'impianto conferma la vocazione ambientalista degli USA, che promuove molte iniziative virtuose, che vanno alla riduzione dei gas serra al "going green" dell'esercito. Ad oggi, le centrali fotovoltaiche producono alcune decine di MW e sono installate nei paesi industrializzati, ma se installati in aree desertiche, i maxi impianti potrebbero portare energia dove questa oggi manca e soddisfare una parte del fabbisogno elettrico dei paesi industrializzati. Molti ritengono che la diffusione di centrali fotovoltaiche sia da incrementare in quelle zone dove l'irraggiamento solare e il deserto costituiscono potenti alleati del fotovoltaico. A riguardo, uno studio sui VLSPV (Very Large Scale PV) della IEA (International Energy Agency), nota come le fasce di territorio con più forte radiazione solare spesso coincidono con vastissime aree desertiche, come il Sahara, il Gobi, i deserti americani e australiani: un terzo della superficie terrestre consiste in deserti con clima secco, dove è presente una radiazione solare molto forte, fino a tre volte superiore a quella terrestre consiste in deserti con clima secco, dove è presente una radiazione solare molto forte, fino a tre volte superiore a quella presente nell'Europa centrale. Basterebbe costruire centrali fv che coprano solo il 4% delle superfici desertiche del pianeta per produrre una quantità di energia pari a quella consumata oggi nel mondo. Lo studio IEA propone di realizzare centrali modulari a partire da 10 MW su terreni abbandonati, marginali, desertici o aridi, non utilizzabili per usi agricoli, dove esiste una forte insolazione e poi aggregarli per raggiungere potenze intorno di 1 o più Gigawatt: da qui la definizione di impianti VLSPV. Impianti di grande e grandissima taglia già oggi sono in esercizio nei Paesi industrializzati e con una potenza di decine di MW, mentre nel mondo aumentano progetti e iniziative di impianti fotovoltaici di grandissima taglia, come nel caso di Spagna, Arizona e soprattuttoCina(curiosità).
Guardando a progetti ancora più avveniristici, si comprende come l'evoluzione dell'energia sia appena cominciata. Infatti il Giappone sta programmando l'installazione di un grande impianto fotovoltaico nello spazio che produrrà energia elettrica e la trasmetterà sulla Terra senza fili. Entro il 2040 quasi 300.000 abitazioni giapponesi potrebbero utilizzare la prima corrente elettrica prodotta nello spazio: secondo quanto riportato dall’agenzia di stampa Bloomberg il colosso dell’elettronica Mitsubishi e IHI Corp si sarebbero associate in un progetto da oltre 30 miliardi di euro finalizzato a costruire un gigantesco impianto fotovoltaico orbitante. La centrale avrà circa 4 km quadrati di pannelli solari che produrranno 1 GW di corrente. Verrà installata a 36.000 km di altezza e invierà l’energia sulla Terra senza bisogno di cavi, grazie ad una nuova tecnologia a microonde. Già nel 2015 il Governo del Sol Levante e l’Agenzia Spaziale Giapponese hanno in programma di lanciare un satellite con alcuni pannelli solari allo scopo di testare la trasmissione senza fili di energia dalla ionosfera alla Terra.
LA “SVOLTA” IDROGENO
L’interesse per l’ impiego dell’idrogeno come combustibile deriva dal fatto che l’inquinamento prodotto è quasi nullo; infatti, è un gas che brucia nell’aria secondo la semplice reazione: idrogeno più ossigeno uguale acqua e calore, dando quindi come unico prodotto di reazione acqua pura. L'idrogeno è indicato da molti come il combustibile del futuro, in grado di affiancarsi al petrolio e ai suoi derivati nel corso dei prossimi decenni e di arrivare a proporsi come sostitutivo durante il secolo in corso. L’idrogeno( H2) (approfondimento scientifico), l’elemento più leggero e abbondante dell’universo, è assai raro sulla Terra allo stato elementare a causa della sua estrema volatilità ( si trova, ad esempio, nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti
I come… Idrogeno
stato elementare a causa della sua estrema volatilità ( si trova, ad esempio, nelle emanazioni vulcaniche, nelle sorgenti petrolifere, nelle fumarole ) ma viceversa è molto diffuso sotto forma di composti (acqua, idrocarburi, sostanze minerali, organismi animali e vegetali) e può quindi essere prodotto sia da fonti fossili, sia da fonti rinnovabili, sia da fonte nucleare: per ricavarlo da tali sostanze vi è bisogno di energia elettrica. Il ciclo energetico dell'idrogeno è veramente "pulito" e totalmente compatibile con l'ambiente soltanto quando la sua produzione avviene grazie all'utilizzo di Energie Rinnovabili.
DALL’ACQUA ALL’ACQUA
Per quanto riguarda la produzione di idrogeno dall' acqua (elettrolisi) i processi proposti hanno raggiunto la maturità industriale. L’idrogeno prodotto dall’acqua segue la formula “dall’acqua all’acqua” e si ottiene scindendo la stessa nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno) attraverso diversi processi, tra i quali quello più consolidato è l’elettrolisi. Schematicamente questa è rappresentata dalla seguente reazione: acqua più energia elettrica uguale idrogeno più ossigeno. Come prodotto finale di scarto si genera una quantità di acqua pura pressappoco uguale a quella di partenza, chiudendo in tal modo il ciclo senza emissioni inquinanti. L’intero processo di produzione e consumo è ambientalmente sostenibile purché sia disponibile una corrispondente quantità di energia elettrica pulita in grado di alimentare il processo di elettrolisi. È immediato pensare al sole come sorgente di questa energia, sfruttabile attraverso l’utilizzo di impianti di conversione fotovoltaica, la cui tecnologia già
Infatti, mediante l’uso di energia solare fotovoltaica si può produrre idrogeno elettrolitico e ossigeno che poi possono essere fatti ricombinare nelle celle a combustibile per produrre l’energia elettrica di cui abbiamo bisogno. Infine, è evidente che le grandi distese oceaniche altro non sono che enormi riserve di idrogeno: ogni kg di acqua pura contiene 111 g di idrogeno che, una volta bruciato, potrebbe produrre 3.200 chilocalorie di energia termica. Pertanto dall’acqua, in linea di principio, sarebbe possibile estrarre tutto l’idrogeno necessario a soddisfare in modo pulito le esigenze energetiche dell’umanità. Fonti Rinnovabili e Idrogeno, quindi, delineano uno scenario energetico veramente eco-compatibile e particolarmente attraente. In questo scenario l'Italia può avere un ruolo di assoluta avanguardia in termini di risorse energetiche primarie, conoscenze scientifiche e capacità tecnologiche, come dimostra ilcolosso a idrogeno di Fusina(curiosità), la centrale a idrogeno dell’Enel decollata nel 2009.
LE POTENZIALITA’ DELL’IDROGENO IN ITALIA
Nella futura economia dell’idrogeno il 100% degli autoveicoli circolanti nel nostro Paese potrebbe essere rifornito con combustibile prodotto direttamente in Italia. E potrebbe essere italiano dal 20% al 93% del combustibile che alimenterà i veicoli europei. Sintesi dei risultati di Ricerca del Gruppo di Ricerca Energia e Ambiente del CIRPS (Centro Interuniversitario di Ricerca Per lo Sviluppo sostenibile) dell’ Università di Roma “La Sapienza”. L’Italia ha grandi risorse in termini di energie rinnovabili (irraggiamento solare, flusso delle acque, vento, biomasse); il potenziale globale è stimabile in:
•325.000 GWh/anno di energia elettrica producibile, con una potenza installabile di oltre 135.000 MW se si considera l’attuale livello tecnologico e di rendimento;
•540.000 GWh/anno di energia elettrica producibile, con una potenza installabile di oltre 200.000 MW se si considera un evoluto livello tecnologico e un "rendimento-obiettivo", quello ottenibile cioè con una consistente attività di ricerca.
Grazie a questo enorme potenziale di fonti rinnovabili è possibile produrre idrogeno in modo totalmente eco-compatibile, passando attraverso la generazione di energia elettrica ed il processo di elettrolisi (scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno grazie all'elettricità), oppure attraverso i processi di termolisi (scissione diretta dell'acqua in idrogeno e ossigeno nelle giuste condizioni di temperatura e pressione) o bio/termochimici per l'estrazione dell'idrogeno dalle biomasse.
Il potenziale di produzione di idrogeno da fonti rinnovabili è quindi stimabile in: 5.800.000 t/anno con tecnologia attuale di elettrolisi dell'acqua e dei processi bio/termochimici; 7.100.000 t/anno se si considera un livello tecnologico e di rendimento- obiettivo" per il sistema di elettrolisi e per i processi bio/termochimici, raggiungibile con un'adeguata attività di ricerca.
Il potenziale è così suddiviso per singola fonte:
3.000.000 t/anno da irraggiamento solare (2.200.000 t/anno con i rendimenti attuali); 280.000 t/anno da impianti mini e micro- idraulici a bassissimo impatto ambientale (200.000 t/anno con i rendimenti attuali); 460.000 t/anno da energia eolica (325.000 t/anno con i rendimenti attuali); 3.360.000 t/anno da biomasse (agricole, forestali, rifiuti), che sarebbero 3.075.000 t/anno con i rendimenti attuali.
Questo potenziale è stato messo in relazione con il possibile futuro mercato europeo di combustibile-idrogeno nel settore autotrasporti, valutando i seguenti scenari:
Scenario A: 20% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a idrogeno; Scenario B: 50% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a Scenario A: 20% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a idrogeno; Scenario B: 50% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a idrogeno; Scenario C: 100% dei veicoli europei sostituiti da veicoli a idrogeno. Nella scenario A, l’Italia può arrivare a fornire l’93% del mercato europeo con la propria produzione di idrogeno da rinnovabili (100% del mercato italiano).
Nella scenario B, l’Italia può arrivare a fornire il 40% del mercato europeo con la propria produzione di idrogeno da rinnovabili (100% del mercato italiano).Nella scenario C, l’Italia può arrivare a fornire l’20% del mercato europeo con la propria produzione di idrogeno da rinnovabili (100% del mercato italiano).
DALLA DE-INDUSTRIALIZZAZIONE ALLA RE-INDUSTRIALIZZAZIONE AMBIENTALE:
STIMA DELLE POTENZIALITÀ OCCUPAZIONALI.
Le attività legate alla produzione di idrogeno pulito sono un’opportunità da non perdere per passare dall’attuale fase di de- industrializzazione a quella di una “re-industrializzazione ambientale” del Paese. L’economia dell’idrogeno può creare in Italia oltre 100.000 nuovi posti di lavoro. In prospettiva, i posti di lavoro con il potenziale di risorse esistenti possono arrivare fino a 600.000 – 1.000.000 di unità. Dalla de-industrializzazione alla re-industrializzazione ambientale: questa è l’opportunità offerta dal futuro mercato dell’idrogeno, legato a tecnologie ormai "dimostrate", praticamente mature ma che richiedono un completamente dell'attività di sviluppo e l'avvio della fase di industrializzazione per l'intero sistema. La possibilità non è soltanto quella di creare nuovi posti di lavoro, quindi, ma di creare posti di lavoro da attività industriale, che pongono le base per solide premesse di sviluppo. Per giunta, si tratta di attività industriale ambientale, perfettamente in linea con la nuova richiesta sociale di Sviluppo Sostenibile. Utilizzando gli stessi parametri di proiezione occupazionale presenti nel Libro Bianco dell’Unione Europea, si può stimare che le sole attività di ricerca e sviluppo e di produzione dell’idrogeno da fonti rinnovabili (irraggiamento solare, flusso delle acque, vento, biomasse) con le tecnologie immediatamente applicabili possono creare in Italia oltre 70.000 nuovi posti di lavoro così suddivisi: 70% nel Mezzogiorno (isole maggiori comprese), 30% nel nord Italia. Lo sviluppo delle infrastrutture e dei sistemi di stoccaggio, trasporto e distribuzione può creare ulteriori 30.000 posti di lavoro che allo stato attuale di diffusione delle imprese e delle conoscenze sarebbero così suddivisi: 60% al nord, 40% al sud e isole maggiori. Le attività legate alla ricerca e sviluppo ed all’avvio della produzione, dello stoccaggio e della distribuzione dell’idrogeno da fonti rinnovabili offrono quindi lo scenario a breve termine (valutabile in un periodo di tre anni) di oltre 100.000 nuovi posti di lavoro, calcolati utilizzando i parametri occupazionali del Libro Bianco dell’UE, con un’interessantissima prevalenza al sud. Il livello di specializzazione richiesto, il contenuto tecnologico e le necessità di formazione continua caratterizzano l’elevata “qualità” di questo potenziale. In prospettiva, i posti di lavoro legati alla messa a regime di un sistema energetico basato sull'economia dell'idrogeno con produzione da fonti rinnovabili - con il potenziale di risorse esistenti - possono arrivare fino a 600.000 –