11 Cfr note 2 e
1 Sistemi a guadagno diretto
2.3. Le componenti solari attive dell’involucro
2.3.1 Il solare fotovoltaico
È ben noto che il primo studioso a scoprire l’effetto fotovoltaico, la trasformazione cioè di una certa quantità di radiazione solare in elettricità, fu il fisico francese Alexandre
Parigi, con la trattazione “Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l’influenza dei raggi solari”.
L’antenato delle moderne celle fotovoltaiche (FV) si fa risalire invece al 1863, quan
in missioni prolungate. Grazie ad un finanziatore “generoso” come la NASA americana, la ricerca e lo sviluppo si affinarono considerevolmente, e, dopo la grande crisi energetica del 1973, si cominciarono a sperimentare le prime applicazioni altro esempio di tranfer virtuoso d’innovazione cnologica proveniente da un diverso settore di ricerca e produzione, del quale l’edilizia,
e corrispondono a sistemi fotovoltaici di prima e seconda generazione, in genere class
oi tecnologie fotovoltaiche emergenti come le celle a colorante (dye-
sensitized cells), le celle organiche e inorganiche, le quantum dot cells; l’efficienza di
do Charles Fritts mise a punto un dispositivo di generazione elettrica con una efficienza di conversione (rapporto tra radiazione incidente e corrente generata) di
appena l’1%64. Dovranno trascorrere quasi cent’anni (1954) per ritrovare uno sviluppo
significativo di questa tecnologia, grazie a Gerald Pearson che ideò la prima cella FV commercializzabile, con un rendimento del 6%; questa innovazione trovò ben presto la sua naturale applicazione, visti i costi di produzione ancora molto onerosi, nel nascente settore aerospaziale, con lo scopo di alimentare le batterie di navicelle e satelliti impegnati nello spazio
nell’architettura. Ecco perciò un te
nei suoi ritmi lenti di assorbimento e stratificazione dell’innovazione, si è giovata
pienamente65.
È possibile operare una classificazione dei sistemi fotovoltaici basandosi sul materiale che compone la cella e sul procedimento produttivo. Si distinguono tre grandi classi, ch
ificate in rapporto all’efficienza, parametro prioritario nello sviluppo della ricerca:
celle di silicio cristallino: monocristallino, policristallino, film spessi di silicio, eterostrutture in silicio (HIT), cristalli a film sottile; l’efficienza è arrivata da alcuni anni intorno al 20%;
tecnologie a film sottile: Cu (In, Ga)Se2, CdTe, silicio amorfo (a-Si), nano-micro-
poli-silicio, policristallino a multigiunzione; l’efficienza è di 4-5 punti inferiore a quella del cristallino;
celle multi giunzione, in genere non utilizzate in campo edilizio, con efficienza che può arrivare sopra il 40%.
Queste tecnologie hanno più di trent’anni di sperimentazione. Nella successiva figura 2.21 si nota l’incremento di efficienza negli anni, che ormai appare stabilizzato per le vecchie generazioni di FV.
Vi sono p
64 Cfr. Aste N., Il fotovoltaico in architettura, SE, Napoli, 2008, p. 13
65 Nardi G., Le nuove radici antiche: saggio sulla questione delle tecniche esecutive in architettura, Milano,
quest
un processo detto di melting a partire da cristalli di silicio di elevata purezza che, una volta
n una lunghezza che può raggiungere i 200 i sistemi è ancora molto bassa (sotto il 10%), ma il trend evidente è quello della crescita di rendimento nel breve-medio periodo.
Le “vecchie” generazioni di fotovoltaico si distinguono quindi per lo spessore (o rigidezza) della cella. Le tradizionali celle in silicio monocristallino sono ottenute da
fusi, vengono fatti solidificare a contatto con un seme di cristallo. Durante il raffreddamento, il silicio gradualmente si solidifica nella forma di un lingotto cilindrico di monocristallo del diametro di 13-20 cm, co
cm. In un momento successivo, il lingotto viene tagliato con speciali seghe a filo, in fettine dette wafers con spessore di 250-350 mm.
Fig. 2.21 Cronologia delle massime efficienze raggiungib
si evidenzia la massima resa oggi disponibile (44%ili in rapporto alle tipologie di fotovoltaico: ) ottenibile con celle multi giunzione e concentratore
Nel caso del silicio policristallino, che ha costi di produzione inferiori e consente di realizzare celle con prestazioni elettriche di qualche punto percentuale inferiore rispetto a quelle del monocristallino, i cristalli si presentano ancora aggregati tra loro, ma con forme e orientamenti differenti (texture). La texture modifica la percezione cromatica dei pannelli.
A differenza della tecnologia cristallina, nella quale il materiale semiconduttore si presenta solido in forma di wafer con spessore di qualche centinaio di micron, nel caso delle celle fotovoltaiche in silicio amorfo la materia attiva può essere ottenuta in forma di
gas con il vantaggio di poter essere depositata in strati spessi pochi micron e su di una grande varietà di superfici di appoggio (film sottile).
La strategia industriale dell’amorfo è stata dunque quella di contenere l’utilizzo di silicio rispetto al cristallino, in rapporto alla limitata disponibilità di materiale attivo ottenuto come scarto dell'industria elettronica. Una delle ricadute dell’uso dell’amorfo è il fatto di ottenere film di spessore totale pari a 1-2 millimetri, quindi flessibili e leggerissimi (per esempio, silicio amorfo depositato su una lastra di 0,5 millimetri di alluminio). Il silicio amorfo può anche essere depositato a temperature basse, fino a 75°C, che ne permettono la deposizione non solo su vetro, ma anche su materiale plastico, rendendolo utilizzabile su nastri arrotolati (roll-to-roll). La flessibilità del materiale ne ha spinto lo sviluppo in ambito architettonico. In tale senso si è cominciato a parlare di “smaterializzazione dell’involucro”; la riduzione dello spessore della cella ha portato alla produzione di componenti attivi (pelli di involucro attive) in cui viene a perdersi la terza dimensione. Il colore dell’amorfo non costituisce dunque la reale differenza rispetto alle superfici derivate dai wafer, ma la riduzione del materiale silicio, accompagnata da una riduzione del rendimento.
Alcuni ricercatori della Aalto University hanno portato a termine uno studio su
dell’irradiazione solare, quindi di aumentare la produzione di energia. Il licio nero, infatti, riduce un fenomeno tipico delle celle fotovoltaiche: la riflessione dei raggi
era in grado di ridurre sino a valori minori dell’1% la riflessione della luce. Il motiv
lorazione è simile a quella del silicio. Ques
pannelli fotovoltaici al silicio nero, dimostrando che ha la capacità di ottimizzare l’assorbimento
si
del sole per ogni lunghezza d’onda dello spettro solare. Grazie al silicio le celle assorbono una quantità elevata di fotoni che poi diverranno energia elettrica. Il potenziale della cella solare in silicio nero era già stato individuato dai ricercatori del
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems. Gli studiosi avevano già rilevato che il
materiale
o per cui quest’innovativa tecnologia non viene lanciata nel mercato del fotovoltaico è che ci sono ancora dei dettagli irrisolti, fra cui soprattutto la scarsa risposta spettrale nelle lunghezze d’onda più corte.
Le celle CIS (Copper Indium Diselinide) e CIGS (Copper Indium Gallium Diselinide) appartengono alla categoria dei film sottili. La loro co
te celle utilizzano substrati di basso costo e processi di produzione facilmente automatizzabili e quindi idonei a produzioni di grandi volumi, dimostrando affidabilità e stabile efficienza nel tempo. I moduli CIS sono già presenti commercialmente. Il CIGS, e ancora più recentemente il CIGSS (con l’aggiunta di zolfo) è un derivato che consente di aumentare l'efficienza elettrica di conversione. Nonostante la più intuitiva complessità di realizzazione, fortunatamente l'aggiunta di un composto nel mix di produzione ha consentito una maggior flessibilità del processo non gravando sui costi totali. Contrariamente a quanto accade per il silicio amorfo, la stabilità delle prestazioni in
esterno del CIS-CIGS è notevole. Viceversa lo stato di maturità della tecnologia sul piano della uniformità di produzione (celle o moduli di simili caratteristiche elettriche, quindi anche cromatiche) è ancora insufficiente. L'ingegneria chimico-fisica dei dispositivi CIS e CIGS è prevista con l’utilizzo di materiali di base piuttosto costosi anche se si ottengono buone prestazioni anche con materiali di qualità intermedia. La peculiarità di poter essere realiz
gia delle celle solari non emergenti, cioè non di ultima gene
sistema integrato edificio-FV, evidenziati nella tabella sottostante:
zate su substrati anche flessibili le rendono tuttavia attraenti anche per gli usi architettonici.
I moduli a film sottile in CdTe (Telloruro di Cadmio) sono un’altra tecnologia sulla via della commercializzazione. Il materiale è un semiconduttore con caratteristiche vicine a quelle delle efficienti ma costose celle all'arseniuro di gallio (GaAs) realizzate per le applicazioni spaziali. Il processo costruttivo è tecnologicamente semplice e produce una cella con buone caratteristiche meccaniche di resistenza e reazione agli stress termici. Il processo tipico è definito sublimazione in spazio chiuso e permette la costruzione di celle con efficienze maggiori del 15%. Sino al 1999 le migliori prestazioni erano state raggiunte con celle caratterizzate da uno strato attivo di soli 3.5 micron, ma attualmente spessori di 5-10 micron sono alla portata delle nuove tecniche di produzione.
La classificazione della tecnolo
razione, diventa più complessa quando si considera la cella in rapporto ad altri
layers o coatings, sovrapposti per ottenere prestazioni in termini di controllo
dell’efficienza energetica, controllo dell’illuminazione interna degli spazi, controllo delle qualità meccaniche. Di fatto, la ricerca si è andata finora sviluppando nell’ottimizzazione della resa energetica in rapporto ai costi del materiale.
Nell’ambito delle applicazioni integrate nell’architettura, in base alla classificazione indicata, possiamo per semplificazione ricondurre i sistemi FV in due grandi famiglie: i sistemi rigidi (pannelli e vetrazioni attive) e i sistemi flessibili. I prodotti in commercio della prima categoria, pannelli sostanzialmente a base silicea mono o policristallina, possono essere concettualmente assimilati a sistemi di finitura, o pelle attiva dell’edificio, e solamente in pochi casi a componenti veri e propri dell’involucro (sistemi innovativi), cioè sostitutivi delle chiusure tradizionalmente intese (pareti, coperture, infissi e vetri). La seconda categoria comprende sostanzialmente i film sottili, cioè strutture flessibili monodirezionali spesse pochi mm, che accoppiati a guaine bituminose, per esempio, possono sostituire lo strato di tenuta all’acqua (impermeabilizzazione). Esistono comunque una serie di aspetti importanti da considerare a priori nella concezione progettuale del
categorie prodotti applicazioni vantaggi svantaggi
Sistema rigido Pannello Tegola Vetrazione Pareti ventilate Curtain wall Coperture semi- trasparenti Maggiore resa prestazionale assoluta 14- 22% Elemento di linguaggio architettonico Decadimento
prestazionale alle alte temperature Necessità di retro ventilazione Schermature fisse o mobili Manti di copertura (inclinati) Variabilità cromatica Tenuta all’aria e all’acqua Tenuta ai carichi
Bassa capacità isolante sia acustica che termica Decadimento in situazioni di ombreggiamento anche localizzato (alberi, pali, ecc.)
Sistema
flessibile Film sottile a rotoli Tegola tipo
Coperture piane ed inclinate (anche volte) Edifici industriali
Può essere accoppiato con materiali isolanti Buona efficienza
Minore resa prestazionale
canadese temperature
Maggiore efficienza in condizioni di luce diffusa Tenuta all’aria e all’acqua
Nessuna tenuta ai carichi alle alte Necessità di maggiore superficie di posa
Tab. 2.2 Vantaggi e svantaggi dell’applicazione in architettura delle due principali tipologie produttive FV
Sistema FV a basso spessore (8 mm) su supporto ceramico (Laminam) per sistemi di facciata (fig. 2.22) e di copertura (fig. 2.23)
zi ma att a architet neva
solu incol ra i nza
porre nessun ti nima integrazi tra i due
sistemi. In Ita a an onto
Energia”66, si sono cominci ffondere nte le so te
Inizialmente l’interse one tra il siste ivo e la form tonica, propo
zioni di semplice “ laggio” o sov pposizione dei pannell
ché mi
FV sull’edificio, se ne o mimesi
po di attenzione verso una ben o
lia, grazie ll’introduzione del sistema incentiv te denominato “C
ate a di maggiorme luzioni cosiddet
66 CONTO ENERGIA: In Italia dal terzo “Conto Energia” in poi è stato introdotto il concetto di impianto fotovoltaico integrato con caratteristiche innovative, che utilizza moduli non convenzionali e componenti speciali, sviluppati per sostituire elementi architettonici, e risponde ad alcuni requisiti costruttivi e modalità di installazione specifici. Oltre alla produzione d’energia, i moduli devono svolgere le funzioni di regolazione termica dell’edificio, di tenuta all’acqua e di tenuta meccanica. L’inserimento può avvenire come parte costitutiva del componente d’involucro, dalla copertura alla facciata e l’integrazione si ha per colore, per forma e per dimensione.Il Conto Energia è stato introdotto in Italia con la Direttiva comunitaria per le fonti rinnovabili (Direttiva 2001/77/CE), recepita con l’approvazione del Decreto legislativo 387 del 2003. Questo meccanismo, che premia con tariffe incentivanti l’energia prodotta dagli impianti fotovoltaici per un periodo di 20 anni.
“ ive”; a u io ato
produzione e la progettazio uzio i sempre più integrat alità
estetica nell’ar . L de i Conto
Energia, ha registrato volumi di crescita no pian o
dopo il 201067. Questo fenomeno abbracc uppo del
mercato dei produttori, sempre più conco orito l’abbattimento dei
estremo oriente; dall’altro il fenomeno socio-culturale della “presa di coscienza” collettiva che, grazie anche ad una efficace comunicazione mass-mediatica, stimola le sensibilità ambientaliste e l’interesse verso le risorse rinnovabili e il risparmio energetico.
Il costo di installazione di un sistema FV residenziale prefigura oramai tempi di ammortamento (piccoli impianti di taglia fino ai 3 kWp) che vanno dai 4 agli 8 anni, contribuend alla loro diffusione. Se da un lato è indubbio che senza il sistema incentivante, che riscontra però costi sociali aggiuntivi nelle bollette di tutti gli utenti, la
diffusione del fotovoltaico sarebbe stata im o che le dinamiche
innovat ttraverso na incentivaz
ne verso sol
ne maggiore è st possibile orientare la
n e e di maggiore qu
roduzione del
chitettura a diffusione i sistemi FV, dopo l’ nt
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aspetti: da un lato lo svil
ti installati, soprattutt ia diversi
rrenziale, che ha fav
costi d’impianto dovuto in parte anche alle politiche molto aggressive dei paesi sportatori dall’
e
possibile, è anche ver
Primo Conto Energia (Decreti attuativi del 28 luglio 2005 e del 6 febbraio 2006): ha introdotto il sistema di
finanziamento in conto esercizio della produzione elettrica, sostituendo i precedenti contributi statali a fondo perduto destinati alla messa in servizio dell’impianto. Con il , cosiddetto
Secondo Conto Energia (D.M. del 19 febbraio 2007): ha fissato nuovi criteri per incentivare la produzione
elettrica degli impianti fotovoltaici entrati in esercizio fino al 31 dicembre 2010. Tra le principali novità introdotte c’è stat l’applicazione della tariffa incentivante su tutta l'energia prodotta e non solamente su quella prodotta e consumata in loco, lo snellimento delle pratiche burocratiche per l’ottenimento delle tariffe incentivanti e la differenziazione delle tariffe sulla base del tipo di integrazione architettonica, oltre che della taglia dell’impianto.
Terzo Conto Energia (D.M. 6 agosto 2010): applicabile agli impianti entrati in esercizio a partire dal primo
gennaio 2011 e fino al 31 maggio 2011; ha definito le seguenti categorie di impianti: 1. impianti fotovoltaici (suddivisi in “impianti su edifici” o “altri impianti fotovoltaici”); 2. impianti fotovoltaici integrati con
caratteristiche innovative; 3. impianti fotovoltaici a concentrazione; 4. impianti fotovoltaici con innovazione tecnologica.
Quarto Conto Energia (D.M. 05/05/2011): ha definito il meccanismo di incentivazione della produzione di
energia elettrica da impianti fotovoltaici riguardante gli impianti che entrano in esercizio dopo il 31 maggio 2011.
Quinto Conto Energia (D.M. 5 luglio 2012): ridefinisce le modalità di incentivazione per la produzione di
energia elettrica da fonte fotovoltaica.Il Quinto Conto Energia cesserà di applicarsi decorsi 30 giorni solari dalla data in cui si raggiungerà un costo indicativo cumulato degli incentivi di 6,7 miliardi di euro l’anno, che sarà comunicata dall’AEEG, sulla base degli elementi forniti dal GSE attraverso il proprio Contatore fotovoltaico con un’apposita deliberazione. (fonte: GSE, Gestore dei Servizi Energetici)
67 A fine 2012 in Italia risultano in esercizio 478.331 impianti fotovoltaici, per una potenza installata di 16.420 MW e 18.862 GWh di energia prodotta nell’anno. Nel solo 2012 stato installato quanto presente in Italia alla fine del 2010: oltre 148.000 impianti per una potenza addizionale di 3.646 MW. Il meccanismo del Conto Energia – evidenzia il Gse - ha rappresentato il motore di questa crescita. I 475.851 impianti che ne usufruiscono hanno contribuito al 96% della produzione fotovoltaica dell'anno e ricevuto un incentivo di circa 6
talia. Al primo posto la Germania con 32.278 MW, l'Italia si conferma al secondo posto con un to Statistico 2012
miliardi di euro nel solo 2012. Almeno un impianto è presente nel 97% dei Comuni italiani (era l'11% nel 2006) e il 96% degli impianti esistenti è collegato in bassa tensione con una taglia media di 11 kW. La maggior parte degli impianti è entrata in esercizio durante il periodo estivo anticipando il passaggio normativo tra il Quarto e il Quinto Conto Energia. I Paesi che a livello mondiale hanno maggiormente investito sulla fonte fotovoltaica sono Germania e I
totale in esercizio di 16.420 MW. Quanto al futuro del fotovoltaico, in Italia la Strategia Energetica Nazionale (SEN) prevede che fino al 2020 la potenza aggiuntiva installata sarà pari a circa 1.000 MW all'anno; cfr. GSE, Rappor
economiche che si sono attivate porteranno entro il medio periodo il sistema all’autosostentamento68.
Sotto l’aspetto etico è indubbio che ogni forma di sostegno alla produzione energetica da fonte non fossile è giusta e corretta; fino al momento in cui produce benefici per tutta la collettività (minor inquinamento ambientale e decremento delle importazioni energetiche da risorse non rinnovabili). È altresì importante che essa sia indirizzata secondo una politica nazionale di sviluppo sostenibile, prefigurando risorse energetiche locali, rinnovabili e già attive a disposizione delle generazioni future.
Secondo un recente studio realizzato da Micheal Dale69 borsista post-dottorato
presso il Global Climate & Energy Project (GCEP) dalla Stanford University e pubblicato su Environmental Science & Technology, il fotovoltaico sarà in grado di ripagare il proprio "debi
quantità di energia; tuttavia tecnologie sempre più efficaci hann
% della capacità elettrica mondiale consumandone per la produzione circa il 9%; tuttavia i ricercatori prevedono che se, come sta avvenendo, il fabbisogno energetico necessario
to" energetico globale, rappresentato dall’energia necessaria per produrlo e installarlo, approssimativamente entro il 2015 e sicuramente non oltre il 2020. La ricerca evidenzia l'importanza avuta dalla drastica diminuzione dell'energia necessaria nella realizzazione e nell'installazione dei pannelli, oltre che dalla costante crescita che ha vissuto negli ultimi anni il settore, che nel 2012 ha superato a livello mondiale i 100 GW di potenza installata. La produzione dei pannelli solari, soprattutto nelle tecnologie legate al silicio, richiede grandi
o permesso di diminuire a tal punto il peso dell'energia utilizzata, tanto da renderla inferiore a quella prodotta, producendo così un pay-back time positivo. I dati di questa ricerca, frutto di meta-analisi comparative sulle tendenze dei costi effettivi di produzione in rapporto alla diffusione dei sistemi FV, rappresentano un punto di svolta importante nel bilancio energetico globale del fotovoltaico.
Sempre secondo lo stesso studio, nel 2020 il fotovoltaico produrrà circa il 10
nella produzione dovesse continuare a diminuire, questa cifra possa essere anche notevolmente inferiore, attestando la percentuale ad appena il 2% della produttività FV globale.
68 In Italia lo spin-off dell’incentivo è previsto presumibilmente entro il 2016, mentre in Germania è già avvenuto
69 Dale B., Benson S., “Energy Balance of the Global Photovoltaic (PV) Industry: is the PV Industry a Net Electricity Producer?”, in Environmental science & technology, American Chemical Society”, vol. 47, is. 7 (2013), pp. 3482-3489
Fig. 2.24 Produzione energetica mondiale FV lorda (linea continua) e al netto dei consumi per produzione ed installazione (tratteggiata). Tra il 2015 e il 2020 si prevede l’anno di pareggio (breakeven year) (fonte: op. cit. in nota 29)
In conclusione si può affermare che il fotovoltaico, tra i sistemi attivi, è quello che possiede attualmente le maggiori possibilità di
finaliz
sviluppo e di crescita, sia nella ricerca
sono più essere considerati alla stregua di semplici vestiti da sovrapporre all’architettura, adattati più o meno bene a seconda dell’abilità o del talento del singolo progettista, ma vanno riconsiderati come elementi primari, alla pari di tutti gli altri materiali e componenti che caratterizzano la costruzione del manufatto architettonico, contemporanei o della tradizione storica.