G LI IMPIANTI FOTOVOLTAICI GALLEGGIANT
2.2. Vantaggi e criticità del fotovoltaico galleggiante
Il primo vantaggio del fotovoltaico galleggiante, come detto, è indubbiamente il risparmio di suolo agricolo: l’installazione delle piattaforme galleggianti non preclude la possibilità di sfruttare i bacini anche per altri scopi. Anzi, come visto al paragrafo precedente, permette di sfruttare sinergie laddove venga realizzato su bacini idroelettrici e non solo. Un secondo importante vantaggio di questa tecnologia è infatti la riduzione dell’evaporazione dell’acqua, che spinge quindi a pensare alla realizzazione di impianti anche su bacini sfruttati per l’irrigazione o per l’approvvigionamento idrico degli acquedotti.
Basti pensare che nel 2015 in California la lotta alla siccità è stata condotta mediante sfere nere in HDPE, note come “Shade Balls”, gettate in massa nei bacini idrici delle città: nel serbatoio di Van Norman a Los Angeles ne sono state versate ben 96 milioni, con lo scopo di preservare oltre un milione di litri d’acqua, volume sufficiente a garantire acqua potabile a oltre 8'000 persone [22].
Figura 18: (a) Scarico delle Shade Balls nel bacino di Van Norman, L.A.; (b) Bacino di Van Norman
27
Ancora non sono stati divulgati dati riguardanti l’effettiva riduzione dell’evaporazione riscontrata nell’applicazione californiana o in altre applicazioni; per questo M. Aminzadeh et al. hanno condotto uno studio teorico – sperimentale con lo scopo di quantificare suddetta efficienza [23].
Lo studio è stato condotto adottando un modello monodimensionale, che tiene conto cioè della variazione di temperatura dell’acqua del bacino solo con la profondità. Il modello costruito è stato validato dagli autori confrontando i risultati ottenuti considerando la superficie del lago scoperta con i dati rilevati per il lago di Mead (Stati Uniti), ed è stato ritenuto sufficientemente attendibile ai fini del lavoro di ricerca svolto. La condizione di superficie coperta da elementi galleggianti è stata poi simulata in piccola scala in laboratorio, ed estesa alla reale scala di un lago ipoteticamente situato a Majadas (Spagna) mediante il modello teorico validato.
Figura 19:(a) Andamento della temperatura previsto dal modello e valori puntuali ottenuti da misurazioni
effettuate nel lago di Mead; (b) Dischi galleggianti usati in laboratorio per la copertura della superficie
Lo studio teorico – sperimentale, condotto considerando varie condizioni di vento e radiazione, ha mostrato che coprendo il 91% della superficie del lago si verifica una notevole riduzione della temperatura dell’acqua, specie in estate, che porta a una riduzione del volume d’acqua evaporato prossima all’80% [23].
Figura 20: Andamento della temperatura dell’acqua con la profondità in caso di superficie scoperta e
28
Per quanto visto, dunque, la realizzazione di piattaforme fotovoltaiche galleggia nti unisce la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile al risparmio di un bene prezioso quale l’acqua. L’efficienza di riduzione dell’evaporazione sarà ovviamente funzione del sito d’installazione e dell’estensione della piattaforma, rapportata a quella della superficie del bacino.
L’effetto schermo prodotto dall’isola fotovoltaica influenza anche la vita della flora e della fauna presenti nel bacino, in quando altera la temperatura dell’acqua, la penetrazione della radiazione solare e l’areazione dell’acqua.
Questo può risultare vantaggioso in quanto una riduzione di ossigeno disciolto nell’acqua si traduce in una riduzione della crescita di alghe potenzialmente tossiche, che costituiscono un problema nei bacini sfruttati per l’approvvigionamento idrico. Al contempo, però, crea problemi a organismi aerobici come pesci e altri microrganismi acquatici che consumano proprio l’ossigeno disciolto in acqua: per questo in alcuni casi vengono previsti aeratori che ossigenano l’acqua artificialmente e, in genere, nel caso di installazioni su laghi naturali la percentuale di superficie coperta è mantenuta intorno al 5%, mentre i bacini industriali possono essere coperti anche per il 95% [20].
Un ulteriore punto di forza del fotovoltaico galleggiante è l’aumento della produzione dei moduli, imputabile all’effetto refrigerante dell’acqua. Dalla curva potenza – tensione di una cella fotovoltaica riportata in Figura 21 si osserva che la potenza di picco della cella diminuisce all’aumentare della temperatura operativa della cella stessa.
Figura 21: Curva potenza-tensione di una cella fotovoltaica per diverse temperature
È ragionevole ipotizzare che i corpi idrici su cui poggiano le piattaforme fotovoltaiche galleggianti abbaino un effetto refrigerante sui moduli, riducendone dunque la temperatura operativa, con conseguente incremento della potenza prodotta.
29
A conferma dell’affermazione di cui sopra, si riportano i risultati ottenuti da L. Liu et al. i quali, per esaminare l’effetto del raffreddamento dell’acqua sui moduli, hanno condotto una simulazione 3D agli elementi finiti, ipotizzando di adottare moduli in silicio policristallino [21]. Si osservi in figura la distribuzione di temperatura ottenuta per celle fotovoltaiche di impianti a terra e galleggianti:
Figura 22: (a) Distribuzione di temperatura in celle di impianti fotovoltaici a terra; (b) Distribuzione di
temperatura in celle di impianti fotovoltaici galleggianti
Le due temperature massime, che si verificano nel centro della cella, s ono rispettivamente 57,465°C e 53,985°C; le minime risultano invece 53,972°C e 50,449°C. Gli autori hanno considerato una differenza di temperatura in media di 3,5°C [21].
La dipendenza dell’efficienza delle celle fotovoltaiche dalla loro temperatura operativa è espressa dalla seguente relazione:
ɳ = ɳ𝑟𝑒𝑓[1 − 𝛽 ∙ (𝑇𝑐− 𝑇𝑟𝑒𝑓)]
dove ɳ𝑟𝑒𝑓 è l’efficienza di generazione della cella nel caso in cui la sua temperatura operativa sia pari a 25°C (𝑇𝑟𝑒𝑓), mentre 𝛽 è il coefficiente di temperatura e dipende dal materiale costituente le celle fotovoltaiche: per il silicio policristallino si assume −0,0045 [𝑊°𝐶].
Con la differenza di temperatura rilevata, l’efficienza media di generazione dei sistemi fotovoltaici galleggianti è risultata superiore rispetto a quella dei sistemi a terra circa dell’1,58%.
Per quanto emerso dal presente paragrafo, i vantaggi di questa tecnologia sembrano superare di gran lunga i punti a sfavore, consistenti essenzialmente in danni per gli
30
organismi acquatici; tuttavia, non si è finora preso in considerazione il costo di realizzazione delle piattaforme galleggianti.
Il costo d’acquisto della struttura di supporto dei moduli, dei moduli stessi e degli inverter è del tutto analogo a quello degli impianti a terra, ed anche l’incidenza del costo di assemblaggio di questi elementi lo è, considerando che il montaggio viene effettuato sulle rive del lago e dunque può essere considerato un montaggio a terra.
Ciò di cui bisogna tener conto, però, è il costo d’acquisto e di assemblaggio degli elementi galleggianti, parte fondamentale di questi impianti: proprio per valutare l’incidenza del costo della piattaforma galleggiante sul costo totale di realizzazione, nel terzo ed ultimo capitolo del presente lavoro di tesi si provvederà alla progettazione di due possibili piattaforme e a una stima del costo necessario alla loro realizzazione.
Prima di fare ciò, tuttavia, verranno passate in rassegna le principali soluzioni di strutture galleggianti ad oggi brevettate e commercializzate a livello mondiale.