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Il Fotovoltaico PDF Stampa E-mail
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Scritto da Maria Rispoli   
Giovedì 17 Marzo 2011 21:45

1. Storia

La scoperta dell'effetto fotovoltaico è noto fin dal 1839, dalle esperienze del fisico francese Edmond Becquerel (1820-1891) che presentò alla Accademia delle Scienze di Parigi la sua "Memoria sugli effetti elettrici prodotti sotto l'influenza dei raggi solari", scoperta avvenuta casualmente mentre effettuava delle esperienze su una cella elettrolitica (quindi contenente una soluzione liquida) in cui erano immersi due elettrodi di platino.

  

Si deve aspettare il 1876 (Smith, Adams e Day) per avere una simile esperienza ripetuta con dispositivi allo stato solido (selenio). L'idea di sfruttare l'effetto fotovoltaico quale fonte energetica non ebbe modo di svilupparsi finché non si poté operare con materiali che avessero un miglior rendimento. Si deve aspettare fino al 1954 per avere la prima cella solare commerciale in silicio (Person, Fuller e Chapin) realizzata all'interno dei laboratori Bell. I costi iniziali di questa nuova tecnologia erano ingenti e ne restrinsero il campo d'azione a casi particolari, come l'alimentazione di satelliti artificiali.

 

  

Le sperimentazioni vennero quindi portati avanti per tale scopo e solo verso la metà degli anni settanta si iniziò a rivolgere l'attenzione verso utilizzi "terrestri". Le applicazioni concrete non sono mancate ed oggi esistono numerosi impianti fotovoltaici. Oggi la ricerca è volta soprattutto all'abbassamento dei costi di produzione ed al miglioramento dei rendimenti dei sistemi fotovoltaici

 

2. Principio di funzionamento

2.1. Captazione dell’energia solare

La tecnologia fotovoltaica (FV) consente di trasformare direttamente l'energia associata alla radiazione solare in energia elettrica. Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (fra cui il silicio, elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati ed interfacciati, sono in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare, senza quindi l'uso di alcun combustibile.

        

Gli elettroni che hanno il potenziale per creare una corrente elettrica sono normalmente collegati alla banda di valenza, ovvero, ad un basso livello di energia.

Una barriera di energia, chiamata energia a distanza tra bande, deve essere superata prima che essi possano diventare portatori di elettricità in questo materiale, saltando nella così detta banda di conduzione.

La radiazione solare, nella forma di particelle elementari chiamati fotoni, procura l’energia necessaria.

I fotoni colpiscono la superficie del semiconduttore ed alcuni degli elettroni di valenza sono emessi nella banda di conduzione.

Essi sono così liberati o resi disponibili per la conduzione dell’elettricità

 

Per la produzione dell’elettricità, l’effettivo sistema di cella fotovoltaica deve essere fatto da due differenti tipi di così detti semiconduttori eccitati.

In un normale cristallo di silicio, ci sono quattro elettroni di valenza per ogni atomo. Essi sono tenuti al loro posto mediante la carica positiva del nucleo degli atomi di silicone. Essi ritornano facilmente alla banda di valenza prima che possono abbandonare la loro energia in un circuito elettrico esterno. Comunque, se il silicio è rinforzato con una piccola quantità di un elemento che ha cinque elettroni di valenza e può adattarsi alla struttura di cristallo del silicio (come fosforo o arsenico), vengono creati alcuni elettroni addizionali.

Un tale materiale rinforzato viene chiamato semiconduttore di tipo n, perché gli elettroni addizionali portano una carica negativa. Alternativamente, se il semiconduttore è rinforzato con un elemento che ha solamente tre elettroni di valenza (come boro o gallium), invece di creare elettroni addizionali, si crea una mancanza di elettroni, o buchi positivi. Questo è un semiconduttore di tipo p.

Inoltre, ambo i materiali sono elettricamente neutrali quando vengono separati: nel materiale di tipo n la carica negativa degli elettroni addizionali viene bilanciata dalla più alta carica positiva dei nuclei dopanti (ad esempio il fosforo), e nel materiale di tipo p i buchi di elettroni addizionali sono bilanciati dalla più bassa carica positiva dei nuclei dopanti (ad esempio il boro).

Quando questi due tipi di materiale sono combinati, si forma un congiungimento di p/n.

Questo è ciò che rende possibile la produzione dell'elettricità, contrariamente alla semplice conduzione dell'elettricità di un semiconduttore illuminato dalla radiazione solare.

A causa dell’alta concentrazione di elettroni in un semiconduttore di tipo n, alcuni degli elettroni addizionali andranno nei buchi dei semiconduttori di tipo p.

Questo fa sì che il materiale di tipo n  venga caricato positivamente nella vicinanza del congiungimento.

Al contrario, il materiale di tipo p diviene  negativamente caricato, nella vicinanza del congiungimento (della giunzione).

Un campo di elettricità (interno) lungo la giunzione viene così creato. Normalmente comunque, c’è un flusso uguale di elettroni in entrambe le direzioni lungo la giunzione e nessuna elettricità può essere prodotta.

 

La distribuzione del carico nella regione di giunzione della cella solare

senza radiazione solare.

 Quando le radiazioni solari colpiscono la cella solare, gli elettroni in eccesso fluiscono dal materiale di tipo n al materiale di tipo p e i buchi in eccesso ‘fluiscono ' nella direzione opposta.

  

La distribuzione del carico nella regione di giunzione della cella solare

con radiazione solare.

 Questo, insieme all'esistenza del campo elettrico lungo la giunzione rende possibile il flusso di elettroni lontano dalla giunzione (cioè a carica separata) e attraverso un circuito esterno.

  

Rappresentazione schematica di una cella solare. Flusso di elettroni, semiconduttori di tipo n, giunzioni di tipo p/n, semiconduttori del tipo p, carico di resistenza

 Così, l’energia solare viene convertita in elettricità.

  

2.2. Rendimento

Di tutta l'energia solare che investe una cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica (energia utile). L'efficienza di conversione di celle commerciali al silicio monocristallino è in genere compresa tra il 10% e il 14%, mentre realizzazioni speciali hanno raggiunto valori del 23%. Questo significa che per 1kW di potenza che raggiunge un pannello si ha disponibile ai morsetti una potenza di 0,1-0,14 kW con pannelli commerciali e fino a 0,24 kW utilizzando pannelli speciali da laboratorio. Se la massima efficienza raggiungibile dal silicio monocristallino è intorno al 20%, per altri tipi di moduli questi valori si abbassano ulteriormente: al 17% per il silicio policristallino ed intorno al 10% per il silicio amorfo (che fa parte della tecnologia delle thin film cells o celle a film sottile).

  

Ogni nuovo aumento nell'efficienza di una cella solare attira molta attenzione nella stampa popolare. Mentre non ci sono limitazioni termodinamiche, come menzionato sopra, ci sono relative perdite di energia che limitano severamente la capacità di celle disponibili al momento. Queste includono perdite ottiche (per esempio, riflesso della radiazione dalla superficie della cella, prima di arrivare alla giunzione p-n) e (più seriamente) l’incapacità delle celle attualmente progettate di fornire uno spettro per la conversione dell’intera luce solare in elettricità.

Malgrado queste limitazioni l'efficienza di una cella solare individuale è stata aumenta dal 5% nei più recenti progetti, fino a circa il 35% dei progetti più avanzati.

 

Contributo di energia fotovoltaica negli Stati Uniti per settore economico in kW acquistati

 

2.3. Come si valuta un sito

Le condizioni di irraggiamento italiane sono molto favorevoli, anche se molto variabili lungo la penisola; si possono usare a tale scopo le mappe isoradiative esistenti oppure effettuare una valutazione diretta mediante delle misure dirette con gli appositi strumenti.

 

3. Tecnologia

3.1. Cella fotovoltaica

Il dispositivo più elementare capace di operare una conversione dell'energia solare è la cella fotovoltaica, che è in grado di produrre circa 1,5 Watt di potenza in condizioni standard, vale a dire quando essa si trova ad una temperatura di 25°C ed è sottoposta ad una potenza della radiazione pari a 1.000 W/m².

La potenza in uscita da un dispositivo FV quando esso lavora in condizioni standard prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento.

L’output elettrico reale in esercizio è in realtà minore del valore di picco a causa delle temperature più elevate e dei valori più bassi della radiazione.

                 

 

3.2. Energia producibile

Un modulo fotovoltaico tipo, formato da 36 celle, ha una superficie di circa mezzo metro quadrato ed eroga, in condizioni standard, circa 50W.

Un metro quadrato di moduli produce una energia media giornaliera tra 0,4 e 0,6 kWh, in funzione dell'efficienza di conversione e dell'intensità della radiazione solare

Un insieme di moduli, connessi elettricamente tra loro, costituisce il campo FV che, insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i sistemi FV.

                 

 

3.3. Impianti fotovoltaici

La bassa densità energetica, dell'energia solare necessita di grandi superfici per ottenere le alte energie oggi necessarie per far funzionare quelle complesse "macchine" che sono oggi le civili abitazioni.

Gli impianti possono avere una prima classificazione in base proprio alle loro dimensioni: si possono cioè avere le grandi "centrali fotovoltaiche" ed i piccoli impianti ad usi diretto degli utilizzatori (ad esempio impianti residenziali).

                

 

3.4. Campo fotovoltaico

Il campo fotovoltaico è un insieme di moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie e in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate.

Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello, mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa.

                                 

Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo.

Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico devono essere effettuate alcune scelte che ne condizionano il funzionamento.

Una scelta fondamentale è, sicuramente, quella della configurazione serie-parallelo dei moduli che compongono il campo fotovoltaico; tale scelta infatti determina le caratteristiche elettriche del campo fotovoltaico.

 

 

 

3.5. Sistemi fotovoltaici

La struttura del sistema fotovoltaico può essere molto varia a seconda del tipo di applicazione.

Una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid connected), questi ultimi a loro volta si dividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.

Le superfici necessarie per la realizzazione di una centrale fotovoltaica sono dell'ordine dei 12-20 m2 per ogni kWp installato. Ad esempio la centrale di Serre, a fronte di una potenza installata di 3300 kWp, ha una estensione di 55.000m2 circa.

                           

 

Nei sistemi isolati, in cui la sola energia è quella prodotta dal FV, occorre prevedere un sistema di accumulo (in genere costituito da batterie, tipo quelle delle automobili, e dal relativo apparecchio di controllo e regolazione della carica) che è reso necessario dal fatto che il generatore FV può fornire energia solo nelle ore diurne, mentre solitamente la richiesta energetica si ha durante tutte le ore del giorno.

E' opportuno prevedere quindi un dimensionamento del campo fotovoltaico in grado di permettere, durante le ore di insolazione, sia l'alimentazione del carico, sia la ricarica delle batterie di accumulo.

Nei sistemi fotovoltaici isolati l'immagazzinamento dell'energia avviene , in genere, mediante degli accumulatori elettrochimici (tipo le batterie delle automobili). Tali accumulatori permettono di far fronte a punte di carico, senza dover sovradimensionare i generatori, nonché di garantire la continuità dell'erogazione dell'energia anche in caso di basso (o nullo) irraggiamento o guasto temporaneo dei generatori.

  

Poiché l'energia prodotta dal generatore FV è sotto forma di corrente continua (CC), qualora si debbano alimentare apparecchi che funzionino con corrente alternata (AC), è necessario introdurre nel sistema un dispositivo elettronico, detto inverter, che provvede alla conversione da CC a AC.

L'inverter è un elemento essenziale negli impianti collegati alla rete elettrica (che è a AC a bassa tensione (BT)), ma può non esserci se il sistema è isolato ( in tal caso tutte le apparecchiature presenti dovranno funzionare in corrente continua).

 

 

 

3.5.1. I quadri di controllo

Il sistema di controllo di un sistema collegato alla rete avviene tramite un quadro di controllo: tra i morsetti del generatore e la linea si installano dispositivi che controllando il funzionamento della centrale, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di guasto.

Il controllo si realizza mediante apparati più o meno sofisticati che misurano la tensione, l'intensità e la frequenza della corrente in ognuna delle tre fasi, l'energia prodotta dal generatore, il fattore di potenza.

La tensione e l'intensità di corrente si misurano mediante trasformatori di misura.

 

3.6. Trasformatore

Il trasformatore è quell'elemento che si interpone tra la centrale e la rete elettrica; ha la funzione di variare la tensione della corrente in uscita dall'alternatore, in particolare di portare la corrente dalla tensione di uscita del generatore a quella (alta  o media tensione, ad esempio 132 kV), della linea elettrica.

Il trasporto della corrente elettrica avviene infatti ad alta tensione per ridurre le perdite per effetto Joule lungo la linea.

 

3.7. Meter

Strumento di misura dell'energia elettrica (contatore elettrico); viene usato per misurare la corrente elettrica che un impianto collegato alla rete immette in rete poiché prodotta in eccesso. Il meter serve per contabilizzare questa energia per poi detrarre il valore dell'energia immessa dalla future bollette dell'utente (contratto di "net-metering").

 

3.8. Fabbricazione di celle e moduli fotovoltaici

Il silicio, materiale maggiormente utilizzato dalle industrie per la fabbricazione delle celle fotovoltaiche, è l'elemento più diffuso in natura dopo l'ossigeno.

Per essere opportunamente sfruttato deve presentare una opportuna struttura molecolare (monocristallina, policristallina o amorfa) e un elevato grado di purezza, caratteristiche non riscontrabili nei minerali in cui si trova allo stato naturale.

  

3.8.1. Struttura del silicio

Nella struttura monocristallina gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati, gli uni agli altri, nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi sono orientati in modo casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi.

  

3.8.1.1. Tipi di silicio

Si distinguono diversi tipi di silicio in dipendenza del grado di purezza: silicio di grado elettronico (le impurezze sono circa 1 parte su 100 milioni), silicio di grado solare (impurezze di una parte su 10.000), silicio metallurgico (impurezze di 1 parte su 100).

Il silicio di grado elettronico, impiegato nella costruzione di componenti elettronici (circuiti integrati, transistor ecc.), deve essere estremamente puro e con struttura monocristallina.

Le tecnologie sviluppate permettono di ottenerlo partendo dal silicio metallurgico. Questo tipo di silicio è molto costoso, fortunatamente per le celle solari è suffiviente un grado inferiore di purezze e per questo vengono spesso usati gli scarti dell' industria elettronica.

Anche tra il silicio di grado solare esistono notevoli differenze di costi: quello monocristallino, a fronte di una alta efficenza energetica, ha dei costi di produzione maggiori e dei consumi energetici per la loro produzione molto più elevati rispetto al silicio amorfo.

 

3.9. Processi produttivi per la produzione di celle fotovoltaiche

Diversi tipi di processi produttivi sono impiegati per la produzione delle celle fotovoltaiche:

  • Metodo Czochralsky: consente di ottenere il silicio monocristallino a partire dal silicio policristallino di grado elettronico.
  • Metodo EFG: consiste nell'ottenere un nastro di silicio monocristallino mediante un processo di trafilatura.
  • Metodo Casting : consente di ottenere le celle fotovoltaiche a partire dal silicio scartato dalle industrie elettroniche

  

4. Mercato

Il mercato fotovoltaico mondiale ha conosciuto negli ultimi anni un notevole sviluppo, passando dai 45 MWp del 1990 ai 290 MWp del 2000. Questo grande risultato è stato possibile grazie al parallelo sviluppo di due tipologie di applicazioni: gli impianti isolati e quelli installati sugli edifici ed integrati alla rete elettrica. Gli incrementi più elevati nella potenza installata sono stati senza dubbio quelli del Giappone, degli Stati Uniti e della Germania, soprattutto grazie ai programmi di incentivazione da parte dello stato che, non solo hanno fornito sussidi per l’installazione di impianti FV, ma in alcuni casi (come in Germania) hanno comprato l’elettricità in eccesso prodotta da tali impianti e riversata in rete ad un prezzo molto maggiore di quello di vendita dell’elettricità tradizionale, come a voler “premiare” le caratteristiche ecologicamente compatibili di tale energia.

 

4.1. Paragone con le altre fonti

L'energia solare presenta caratteristiche molto interessanti: è molto diffusa (anche se ha una bassa densità), è "silenziosa", non è inquinante e permette di ottenere immediatamente energia elettrica direttamente sfruttabile, mentre con altre fonti si ottiene energia meccanica e poi energia elettrica.

 

4.2. Curiosità

Produzione in ITALIA di energia da fonti rinnovabili nel 2000:

Idroelettrica 42.404 GWh

Eolica 563 GWh

Fotovoltaico 6 GWh

Geotermico 4.705 GWh

Biomassa 1.906 GWh

 

4.3. In Italia

In Italia, dopo una fase di grande fermento della prima metà degli anni '90 in cui l'ENEL ha installato diverse centrali fotovoltaiche (la più grande delle quali la centrale di Serre Persano nel salernitano di 3,3 MWp), il mercato ha vissuto un forte rallentamento soprattutto per l'assenza di adeguati meccanismi di incentivazione.

  

Oggi la strada da perseguire è quella degli impianti fotovoltaici da inserire negli edifici, cioè per i singoli utenti. Il Programma "10000 Tetti Fotovoltaici" sarà in grado di dare a tutto il comparto fotovoltaico una forte accelerazione: per il 2001 sono previsti 2000 impianti fotovoltaici installati presso soggetti pubblici e privati.

Se questa prima fase di avvio del programma avrà successo si prevede la realizzazione di 50.000 impianti fotovoltaici entro il 2007.

I principali impianti di produzione e relative potenze installate in kiloWatt di punta (kWp) ed applicazione (1995):

 

  • SERRE PERSANO (SA) 3.300 kWp (in Rete)
  • VASTO (CH) 1.000 kWp (in Rete)
  • DELPHOS (FG) 600 kWp (in Rete)
  • CARLOFORTE (CA) 600 kWp (+900kW eolico) (in Rete)
  • LAMEZIA TERME (CZ) 600 kWp (+600kW eolico) (in Rete)
  • SALVE (LE) 600 kWp (+600kW eolico) (in Rete)
  • CASACCIA (RM) 100 kWp (in Rete)
  • ALTA NURRA (SS) 100 kWp (in Rete)
  • LAMPEDUSA 100 kWp (Dissalatore)
  • LIPARI 100 kWp (Dissalatore)
  • NETTUNO (RM) 100 kWp (Alimentazione villaggio)
  • VULCANO 80 kWp (Rete locale)
  • ZAMBELLI (VR) 70 kWp (Pompaggio)
  • TREMITI 65 kWp (Dissalatore)
  • GIGLIO 45 kWp (Refrigerazione)
  • CETONA/SOVANA (SI) 20+6 kWp (Sito archeologico)

 

La produzione di energia nel 2000 è stata pari a 6300 MWh, valore ancora basso per essere rilevante rispetto alle altre fonti rinnovabili (è infatti il valore di gran lunga più basso).

Il mercato italiano delle energie rinnovabili alla fine del 2000:

  

4.4. Nel Mondo

Nel mondo ci sono numerose installazioni, sia centrali fotovoltaiche che installazioni in complessi residenziali.

Per quanto riguarda le centrali fotovoltaiche le maggiori installazioni sono:

 

  • Carrisa (California) 6500 kWp (in Rete)
  • Sacramento (California) 2000 kWp (in Rete)
  • Lugo (California) 1000 kWp (in Rete)
  • Austin (Texas) 600 kWp (in Rete)
  • Davis (California) 1100 kWp (Sperimentazione)
  • Koben Gondorf (D) 340 kWp (in Rete)
  • Isola di Pellworm (D) 300 kWp (centro ricreativo)
  • Isola di Kythnos (GB) 100 kWp (in Rete con altre rinnovabili)

 

4.5. In America

Le figure, che seguono mostrano la crescita del mercato di celle fotovoltaiche negli Stati Uniti e nel mondo.

  

Mondo Stati uniti fornitura di celle solari in MW

Uso di celle solari negli stati uniti e nel mondo nei passati 2 decenni

 

Contributo di energia fotovoltaica negli Stati Uniti per settore economico in kW acquistati

 

Il contributo alla fornitura di energia è ancora basso ma la crescita è stata fenomenale.

È accaduto soprattutto nelle nazioni sviluppate (Stati Uniti, Giappone, Europa). La crescita negli Stati Uniti è stata più significativa nel settore residenziale. Le nazioni in via di sviluppo (come Brasile, India, e Cina) hanno anche esse contribuito alla crescita mondiale, perché uno dei vantaggi chiave della tecnologia fotovoltaica è la sua applicabilità rurale, in zone remote che mancano di accesso alle forniture di elettricità centrali.

La capacità mondiale cumulativa raggiunge ora 600 MW. E’ soprattutto usata per il consumo in momenti di picco. Si deve concludere, comunque che l’utilizzazione commerciale di questa tecnologia incontrerà problemi economici e di efficienza su larga scala.

Malgrado queste limitazioni l'efficienza di una cella solare individuale è stata aumenta dal 5% nei più recenti progetti, fino a circa il 35% dei progetti più avanzati.

Più importante del considerare l’efficienza è considerare il costo dopo tutto, l’energia solare è gratis e qui hanno avuto luogo cambiamenti enormi. Questo è illustrato in figura.

 

 

 

Storia e proiezioni dei costi dell’elettricità solare. [Le fonti: C.J. Weinberg e R.H. Williams, “Energia dal Sole,” americano Scientifico, settembre 1990, p. 154.]

L’istituto di controllo mondiale “Worldwatch Institute” non riporta alcuna diminuzione ulteriore nel prezzo dell'elettricità solare; oggi le celle solari costano 3.50-4.00 dollari per watt. In un recente articolo del New York Times sono dati i seguenti costi per un kilo watt ora di elettricità:

 

Gas naturale

3 centesimi

Vento

5 centesimi

Geotermali

5.5 centesimi

Termo solare

14 centesimi

 

Una simile tabella fu pubblicata nel numero di maggio 1994

 

Carbone

4-5 centesimi

Gas Naturale

4-5 centesimi

Vento

5-9 centesimi

Geotermale

5-8 centesimi

Potere idrico

4-7 centesimi

Biomassa

6-8 centesimi

Termo solare

10-12 centesimi

Fotovoltaica

30-40 centesimi

 

In queste circostanze, alcune società degli Stati Uniti hanno abbandonato l’energia solare, non essendo sicuri di quando essi saranno in grado di convertirla in elettricità con un profitto. Altri stanno usando materiali più convenienti ma efficienza più bassa (pellicole sottili di silicio amorfo) e stanno ancora lavorando sui miglioramenti dell’efficienza.

Durante l’amministrazione Bush, il Dipartimento dell’Energia ha anticipato, (nella sua Strategia dell’Energia Nazionale) che le applicazioni su scala di utilizzo dei fotovoltaici giungeranno a livello commerciale intorno all'anno 2015. Le attuali proiezioni ufficiali non sembrano essere così ottimistiche.

Nella Strategia dell'Energia Sostenibile, l'asserzione circa l’applicazione del programma circa il sistema fotovoltaico è più vaga quando si parla di utilizzazione su scala commerciale: “Questo Programma appoggia settori di ricerca privati per sviluppare materiali su tetti e finestre che possano incorporare materiali fotovoltaici e possano produrre elettricità.

Questi sforzi vengono perseguiti in stretta collaborazione con l’industria nel programma per Gruppo Fotovoltaico di Utilizzo.”

 

5. Sviluppi di mercato

5.1. In Italia

La fonte solare ha grandi possibilità di contribuire in misura significativa alla diminuzione dell'impiego delle fonti fossili. Possiede le caratteristiche adeguate per la produzione di energia elettrica su grande scala, soprattutto in Italia dove i livelli di insolazione sono elevati.

In particolare mediante la diffusione di piccoli impianti privati (1-3 kWp), la cosiddetta "microgenerazione", che possono abilmente sfruttare le coperture degli edifici esistenti ( si veda il programma 10.000 tetti fotovoltaivci). L'innovazione tecnologica, in particolare l'abbattimento dei costi di produzione, può risultare estremamente utile per una sua generalizzata promozione e sviluppo.

  

Il fotovoltaico appare, almeno nel lungo periodo, tra le più promettenti tecnologie "rinnovabili" . Il Piano Energetico Nazionale (PEN) del 1988, nell'intento di diversificare le fonti di produzione e di ridurre la percentuale di energia importata, attribuiva al FV un ruolo rilevante nell'ambito delle fonti rinnovabili definendo diverse azioni per il suo sviluppo.

Per quanto riguarda le applicazioni energetiche dei sistemi FV, al fine di valutare sul campo la loro fattibilità tecnica ed economica, era stato fissato l'ambizioso obiettivo di impianti per complessivi 25 MW installati entro il 1995. Pur se tale obiettivo non è stato raggiunto, sono attualmente installati sul nostro territorio ben 14 MW, che pongono l'Italia al primo posto tra i paesi europei. I principali operatori del settore sono l'Università, l'ENEA (che svolge ricerca sia sui materiali che sui sistemi), l'ENEL (ricerca sui sistemi ed applicazioni su larga scala) e l'industria.

Al fine di incoraggiare ed accelerare la diffusione del FV (e delle altre fonti di energia rinnovabile) è in vigore, in Italia, un sistema di regolamenti e sussidi. Già la legge 9 del 1991, consentiva agli investitori privati di produrre energia da fonti rinnovabili e di immetterla nella rete elettrica nazionale. Esiste oggi il programma "10000 Tetti fotovoltaici", promosso dal Ministero dell'Ambiente e dal Ministero dell'Industria, del Commercio e dell'Artigianato.

Il Programma pluriennale si propone la diffusione della tecnologia fotovoltaica mediante l'erogazione di contributi pubblici per la realizzazione di impianti fotovoltaici di piccola potenza (tra 1 e 50 kW) collegati alla rete elettrica e preferibilmente integrati nelle strutture edili, come tetti, terrazze, facciate, elementi di arredo urbano, ecc...

La prima fase prevede l'erogazione di contributi in conto capitale, nella misura massima del 75% del costo di investimento (IVA esclusa) dell'impianto.

 

5.2. Nel mondo

Il mercato mondiale del fotovoltaico nel 1997 ha visto un incremento del 42 % rispetto all’anno precedente. Si è trattato della maggiore crescita registrata nel settore da oltre 15 anni. I 126 MWp di celle fotovoltaiche vendute nel 1997 hanno permesso di raggiungere una potenza installata complessiva pari a 800 MWp.

Considerando quello che sta avvenendo in alcuni paesi (Giappone e Germania in testa) e i progetti in fase di realizzazione o preparazione (Italia compresa) si può affermare che l’industria del fotovoltaico è in una importantissima fase di transizione : il mercato, fino ad ora considerato di "nicchia", si sta decisamente allargando, dimostrando una maturità tale da convincere le industrie produttrici di moduli ad investire somme sempre più rilevanti. In Giappone, nel 1997, sono stati realizzati 9.400 tetti fotovoltaici, per una potenza complessiva di 35 MW.

Il programma giapponese prevede di raggiungere nel 2000 una potenza fotovoltaica installata pari a 400 MW (70.000 tetti), che salirà a 4.600 MW nel 2010. Il 30% del costo di questi impianti è coperto da incentivi statali in conto capitale.

  

In Germania si sono sfruttate differenti politiche d’incentivazione. Alcune compagnie elettriche hanno adottato la cosiddetta "green power" (utilizzata anche in altri stati europei), con la quale l’utente paga l’energia elettrica ad un prezzo superiore all’usuale, nella consapevolezza che i soldi offerti in più saranno utilizzati per la costruzione di impianti di produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile.

Altre società invece riconoscono all’autoproduttore un prezzo incentivato. In questo momento è in atto il piano "100000 tetti fotovoltaici" che prevede l'installazione di altrettanti impianti entro il 2003. Negli Stati Uniti si parla addirittura di un milione di tetti fotovoltaici, nell’ambito del PATH (Partnership for Advancing Technology in Housing), iniziativa promossa dal Presidente Clinton avente lo scopo di ridurre il consumo di energia del 50 % nelle nuove case e del 30 % in 15 milioni di case già esistenti.

 

5.3. In America

Ci si aspetta che la tecnologia si avvicini in realtà all'uso dell’idrogeno come fonte di energia. Il concetto è illustrato in figura.

  

Schema concettuale dell'uso delle celle solari per produrre idrogeno.

 

È un ciclo di acqua assistito dal Sole.

La radiazione solare viene convertita in elettricità che viene poi usata per dividere l’acqua in idrogeno (H2) ed ossigeno (O2). L’idrogeno è poi usato come combustibile gassoso pulito la cui combustione rigenera acqua, e produce molta energia (274 BTU/piede3) e non causa inquinamento. Ma non aspettatevi di vedere questa meravigliosa tecnologia al vostro centro di distribuzione elettrica molto presto, finché siete in vita.

 

6. Rapporto con l'ambiente

I sistemi fotovoltaici, specialmente se integrati negli edifici, non hanno praticamente impatto ambientale (se non per i processi industriali di produzione delle celle) e sono oggi particolarmente ben visti da tutta l'opinione pubblica.

La loro silenziosità, l'assenza di qualsiasi emissione, il loro sfruttare direttamente l'energia solare hanno giustamente contribuito alla creazione di quella immagine di energia "pulita" a cui sono associati i pannelli fotovoltaici.

Spesso infatti, quando si parla di energie rinnovabili, viene immediatamente fatta l'associazione con l'energia ottenibile direttamente dal sole mediante i pannelli fotovoltaici.

 

6.1. Benefici ambientali

I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi FV sono proporzionali alla quantità di energia prodotta, supponendo che questa vada a sostituire dell'energia altrimenti fornita da fonti convenzionali.

Per produrre un kWh elettrico vengono bruciati mediamente l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica (CO2) (fattore di emissione del mix elettrico italiano alla distribuzione). Si può dire quindi che ogni kWh prodotto dal sistema fotovoltaico evita l'emissione di 0,53 kg di anidride carbonica.

Questo ragionamento può essere ripetuto per tutte le tipologie di inquinanti. Per quantificare il beneficio che tale sostituzione ha sull'ambiente è opportuno riferirsi ad un esempio pratico. Si considerino degli impianti fotovoltaici installati sui tetti di abitazioni a Milano, Roma e Trapani con una potenza di picco di 1 kWp (orientati a Sud con inclinazione di 30° rispetto al piano orizzontale). L'emissione di anidride carbonica evitata in un anno si calcola moltiplicando il valore dell'energia elettrica prodotta dai sistemi per il fattore di emissione del mix elettrico.

Per stimare l'emissione evitata nel tempo di vita dall'impianto è sufficiente moltiplicare le emissioni evitate annue per i 30 anni di vita stimata degli impianti.

Emissioni evitate da un kWp di moduli nel tempo di vita degli impianti:

 

  • A Milano si possono produrre in un anno 1167.4 kWh per ogni kWp installato, quindi le emissioni risparmiate sono di 729kg di CO2 in un anno e di 18590kg di CO2 in 30anni.
  • A Roma a fronte di una produzione annua di 1477.4 kWh per ogni kWp installato, si evitano 922kg di CO2 all'anno e 23529 kg di CO2 in 30 anni.
  • A Trapani con 1669.7kWh prodotti per ogni kWp installato, si ha un risparmio di 1043kg di CO2 annui e di 26587kg di CO2 in 30 anni.

 

6.2. Impatto visivo

L'impatto visivo delle centrali fotovaltaici è sicuramente minore di quello delle centrali termoelettriche o di qualsiasi grosso impianto industriale; in particolare le installazioni hanno bassa altezza.

L'integrazione negli edifici privati permette addirittura di essere virtualmente invisibile se si sfrutta la copertura dell'edificio, oppure di ottenere notevoli soluzioni architettoniche con le facciate fotovoltaiche.

 

6.3. Vantaggi

I vantaggi dei sistemi fotovoltaici sono:

  • la modularità del sistema;
  • le esigenze di manutenzione ridotte (dovute all’assenza di parti in movimento);
  • la semplicità d'utilizzo;
  • un piccolo sistema isolato FV ha il vantaggio di produrre energia elettrica esattamente dove serve e nella quantità vicina alla effettiva domanda;
  • un impatto ambientale praticamente nullo: non contribuisce all'effetto serra, alle patologie respiratorie , alle piogge acide.

 

7. I numeri di Enel GreenPower

Potenza installata al 30 Settembre 2002: 3.6 MW

Impianti in esercizio: 4, tutti in Italia.

Enel GreenPower opera il più grande impianto fotovoltaico del mondo a Serre Persano (Salerno) la cui potenza installata è di 3.3 MW.

 

 

 

Ultimo aggiornamento Venerdì 18 Marzo 2011 01:12