Energia solare

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Risorse globali di energia solare. I colori sulla mappa indicano la potenza media che raggiunge la Terra, in un periodo di tre anni dal 1991 al 1993 (24 ore al giorno, tenendo conto anche della copertura nuvolosa indicata dai satelliti meteorologici). La scala è in watt per metro quadrato. L'area necessaria per fornire l'energia equivalente alla richiesta primaria di energia attuale è indicata dai dischetti scuri.
Insolazione Italia

L'energia solare è l'energia associata alla radiazione solare e rappresenta la fonte primaria di energia sulla Terra.

L'energia solare, infatti, è quella normalmente utilizzata dagli organismi autotrofi, cioè quelli che eseguono la fotosintesi, comunemente indicati come "vegetali" (da cui si originano anche i combustibili fossili); gli altri organismi viventi sfruttano invece l'energia chimica ricavata dai vegetali o da altri organismi che a loro volta si nutrono di vegetali e quindi in ultima analisi sfruttano anch'essi l'energia solare, seppur indirettamente.

Da questa energia derivano più o meno direttamente quasi tutte le altre fonti energetiche disponibili all'uomo quali i combustibili fossili, l'energia eolica, l'energia del moto ondoso, l'energia idroelettrica, l'energia da biomassa con le sole eccezioni dell'energia nucleare, dell'energia geotermica e dell'energia delle maree. Può essere utilizzata direttamente a scopi energetici per produrre calore o energia elettrica con varie tipologie di impianto.

Sulla Terra il valore di tale energia (a livello locale o globale, giornaliera, mensile o annuale) si può calcolare come il prodotto tra l'insolazione media, l'eliofania nell'intervallo di tempo considerato e la superficie incidente considerata.

L'irraggiamento solare

Il valore dell'irraggiamento solare si può ottenere utilizzando la legge di Stefan-Boltzmann per il corpo nero (a cui si può assimilare una stella):

I=\sigma T^4\

dove

\sigma=5{,}67 \cdot 10^{-8} \mathrm{ \ W/(m^{2} \cdot K^{4}} )

e T è la temperatura assoluta (media) della superficie solare che è di circa 5780 K. Il calcolo fornisce il valore di I=6{,}33 \cdot 10^{7} \mathrm{ \ W/m^{2}} per la potenza termica specifica emessa dal sole.

Quella che arriva sulla superficie della Terra è solo una minima parte di questa e si può ottenere utilizzando la legge dell'irradiazione sferica cioè moltiplicando il precedente valore per il rapporto al quadrato tra il raggio solare medio che è di circa

6{,}95 \cdot 10^{8} \mathrm{ \ m}

e la distanza media Sole-Terra che è di circa

1{,}49 \cdot 10^{11} \mathrm{ \ m}

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Dal punto di vista energetico si tratta di un'energia alternativa ai classici combustibili fossili, rinnovabile e pulita (energia verde) nonché una delle energie a sostegno della cosiddetta economia verde nella società moderna. Può essere opportunamente sfruttata attraverso diverse tecnologie e a diversi fini anche se in diverse sue tecnologie di sfruttamento soffre di variabilità e intermittenza di produzione ovvero non piena programmabilità dovuta ai cicli giorno-notte e alla copertura nuvolosa.

Mediamente il Sole irradia alle soglie dell'atmosfera terrestre 1367 W/, nota come costante solare e distribuita secondo lo spettro solare. Tenendo conto del fatto che la Terra è una sfera che oltretutto ruota, l'irraggiamento solare medio o insolazione è, alle latitudini europee, di circa 200 W/. Moltiplicando il valore della costante solare per quello della superficie perpendicolare all'emisfero terrestre esposto al Sole in un determinato istante, si ottiene una potenza superiore ai 50 milioni di GW (per poter fare un paragone, si tenga presente che la potenza media di una grande centrale elettrica si aggira attorno ad 1 GW).

La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è quindi enorme, circa diecimila volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità nel suo complesso, ma poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne quantità significative, e piuttosto difficile da convertire in energia facilmente sfruttabile con efficienze accettabili. Per il suo sfruttamento occorrono prodotti tecnologici in genere di costo elevato che rendono attualmente l'energia solare notevolmente costosa rispetto ad altri metodi di produzione dell'energia. Lo sviluppo di tecnologie che possano rendere economico l'uso dell'energia solare è un settore della ricerca molto attivo ma che, per il momento, non ha avuto ancora risultati rivoluzionari.

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Centrale solare.

Tecnologie[modifica | modifica sorgente]

L'energia solare può essere utilizzata per generare elettricità (fotovoltaico) o per generare calore (solare termico). Sono tre le tecnologie principali per trasformare in energia sfruttabile l'energia del sole:

  • il pannello solare termico sfrutta i raggi solari per scaldare un liquido con speciali caratteristiche, contenuto nel suo interno, che cede calore, tramite uno scambiatore di calore, all'acqua contenuta in un serbatoio di accumulo.
  • il pannello fotovoltaico sfrutta le proprietà di particolari elementi semiconduttori per produrre energia elettrica quando sollecitati dalla luce.
  • il pannello solare a concentrazione sfrutta una serie di specchi parabolici a struttura lineare per convogliare i raggi solari su un tubo ricevitore in cui scorre un fluido termovettore o una serie di specchi piani che concentrano i raggi all'estremità di una torre in cui è posta una caldaia riempita di sali che per il calore fondono. In entrambi i casi "l'apparato ricevente" si riscalda a temperature molto elevate (400 °C ~ 600 °C) (solare termodinamico)

Pannello solare termico[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Pannello solare termico.
Pannello solare termico

I collettori termici possono essere a circolazione naturale o a circolazione forzata; i primi utilizzano del liquido contenuto nei pannelli per consentirne la circolazione all'interno del sistema pannello di calore. In questo caso il serbatoio di accumulo che contiene lo scambiatore di calore deve trovarsi più in alto del pannello.

I sistemi a circolazione forzata utilizzano una pompa che fa circolare il fluido all'interno di scambiatore e pannello quando la temperatura del fluido all'interno del pannello è più alta di quella all'interno del serbatoio di accumulo, che, in questo caso, si trova più in basso dei pannelli. Sistemi di questo tipo sono più complessi dal punto di vista dei controlli e delle apparecchiature impiegate (pompe, sensori di temperatura, valvole a tre vie, centraline di controllo), ma consentono di posizionare il serbatoio di accumulo, anche di grandi dimensioni, praticamente dove si vuole, ad esempio a terra e non sul tetto dove problemi di peso ne renderebbero difficile la collocazione.

Pannello fotovoltaico[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Pannello fotovoltaico.
Modulo fotovoltaico cristallino

I pannelli solari fotovoltaici, usando apposite celle fotovoltaiche, convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Questi pannelli sfruttano l'effetto fotoelettrico e hanno una efficienza di conversione che arriva fino al 32,5% nelle celle da laboratorio. In pratica, una volta ottenuti i pannelli dalle celle e una volta montati in sede, l'efficienza è in genere del 13-15% per pannelli in silicio cristallino e non raggiunge il 12% per pannelli in film sottile. I prodotti commerciali più efficienti, utilizzando celle a multipla giunzione o tecniche di posizionamento dei contatti elettrici sul retro della cella (backcontact) raggiungono il 19-20%. Questi pannelli, non avendo parti mobili o altro, necessitano di pochissima manutenzione: in sostanza vanno solo puliti periodicamente. La durata operativa stimata dei pannelli fotovoltaici è di circa 30 anni. I difetti principali di questi impianti sono il costo dei pannelli.

Il secondo ovvio problema di questo genere di impianto è che l'energia viene prodotta solo durante le ore di luce e quindi non è adatta per qualunque situazione, essendo l'elettricità una forma di energia difficilmente accumulabile in grandi quantità. Va rilevato che tuttavia la produzione da solare è maggiore proprio nei momenti di maggior richiesta, cioè durante il giorno e nelle stagioni calde, durante le quali può sopperire all'aumento di consumi dovuto agli impianti di ventilazione e condizionamento.

Grazie a una legislazione che prevede incentivi economici all'installazione di impianti fotovoltaici e la possibilità di vendere l'energia prodotta in eccesso al gestore della rete di trasmissione, la Germania è al primo posto in Europa per la potenza elettrica prodotta da energia solare: tale quantità rappresenta l'1,0% della produzione energetica tedesca e pertanto è attualmente del tutto insufficiente a sostenere il trend crescente della domanda energetica (in Germania la prima fonte di produzione di energia elettrica è il carbone, che copre circa il 43%, mentre al secondo posto c'è il nucleare con quasi il 23%).

Analoghe iniziative, comunemente note come Conto Energia o Feed-in tariff, sono state intraprese da diversi stati europei ratificanti il Protocollo di Kyoto, tra cui anche l'Italia, mediante il Decreto Interministeriale 28/07/2005 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n. 181 del 05/08/2005 e successivi aggiornamenti, comunemente noto come Decreto Conto Energia.

Pannello solare a concentrazione[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Pannello solare a concentrazione.
Gli specchi concentrano la luce sul tubo centrale termovettore

Il pannello solare a concentrazione concentra i raggi solari su un opportuno ricevitore; attualmente il tipo più usato è quello a specchi parabolici a struttura lineare che consente un orientamento monodimensionale, più economico, verso il sole, e l'utilizzo di un tubo ricevitore in cui è fatto scorrere un fluido termovettore per il successivo accumulo di energia in appositi serbatoi. Il vettore classico è costituito da oli minerali in grado di sopportare alte temperature.

Nel 2001 l'ENEA ha avviato lo sviluppo del progetto Archimede, volto all'utilizzo di sali fusi anche negli impianti a specchi parabolici a struttura lineare. Essendo necessaria una temperatura molto più alta di quella consentita dagli oli, si è provveduto a progettare e realizzare tubi ricevitori in grado di sopportare temperature maggiori di 600 °C (contro quelle di 400 °C massimi dei tubi in commercio), ricoperti di un doppio strato CERMET (ceramica/metallo) depositato con procedimento di sputtering.

I sali fusi vengono accumulati in un grande serbatoio coibentato alla temperatura di 550 °C. A tale temperatura è possibile immagazzinare energia per 1 kWh equivalente con appena 5 litri di sali fusi. Da tale serbatoio, i sali (un comune fertilizzante per agricoltura costituito da un 60% di nitrato di sodio (NaNO3) e un 40% di nitrato di potassio (KNO3)) vengono estratti e utilizzati per produrre vapore surriscaldato. I sali utilizzati vengono accumulati in un secondo serbatoio a temperatura più bassa (290 °C). Ciò consente la generazione di vapore in modo svincolato dalla captazione dell'energia solare (di notte o con scarsa insolazione). L'impianto, lavorando a una temperatura di regime di 550 °C, consente la produzione di vapore alla stessa temperatura e pressione di quello utilizzato nelle centrali elettriche a coproduzione (turbina a gas e riutilizzo dei gas di scarico per produrre vapore), consentendo consistenti riduzioni di costi e sinergie con le stesse. Attualmente è stato realizzato un impianto con tali caratteristiche in Spagna e un impianto dimostrativo, su scala industriale, presso la centrale termoelettrica ENEL ubicata a Priolo Gargallo (Siracusa).

Utilizzi[modifica | modifica sorgente]

Pannelli solari della Stazione Spaziale Internazionale

Attualmente i pannelli solari vengono utilizzati per fornire acqua calda (solare termico) e riscaldamento ad abitazioni e piccoli complessi edilizi. Sono state realizzate centrali solari che, utilizzando turbine, convertono il calore immagazzinato in energia elettrica (solare termodinamico) ma questi prototipi non hanno trovato larga applicazione per la bassa resa di queste centrali rapportate con gli alti costi di gestione e con la discontinuità della fornitura elettrica.

I pannelli fotovoltaici vengono utilizzati in impianti isolati per alimentare dispositivi distanti dalle reti elettriche (sonde spaziali, ripetitori telefonici in alta montagna, ecc) o con richieste energetiche talmente ridotte che un allacciamento alla rete elettrica risulterebbe antieconomico (segnaletica stradale luminosa, parchimetri, ecc) e sconveniente dal punto di vista organizzativo. Ovviamente questi dispositivi devono essere dotati di accumulatori in grado di accumulare la corrente elettrica prodotta in eccesso durante la giornata per alimentare le apparecchiature durante le ore notturne e durante i periodi nuvolosi.

Vengono utilizzati anche in grandi impianti connessi in rete, sebbene la quantità d'energia erogata risulti variabile sia in ambito giornaliero che stagionale e quindi difficilmente prevedibile nonché non programmabile; tale discontinuità rende difficile soddisfare in ogni momento la domanda di corrente, a meno di una produzione con un largo margine di sicurezza al di sopra dei picchi annuali di domanda. Tuttavia, essendo però il picco di produzione degli impianti ad energia solare in estate esso riesce a controbilanciare la maggiore domanda domestica dovuta ai condizionatori.

L'installazione di pannelli fotovoltaici ha avuto il suo massimo sviluppo in Germania, grazie ad una legislazione favorevole per la quale chi produce energia in eccesso la rivende al fornitore elettrico, che l'acquista allo stesso prezzo per kWh. In pratica il cittadino paga in bolletta la differenza fra quanto consuma e quanto eroga all'ente elettrico. Se il saldo è positivo ottiene un accredito. Analoga legislazione è stata introdotta anche in Italia: il 19 settembre 2005 è entrato in vigore il cosiddetto "conto energia", DL 387/2003 (che recepisce la direttiva europea 2001/77/CE), giunto nel 2012 alla sua quinta riedizione.

Nel 2011 il solare ha fornito il 3,2% dell'energia elettrica prodotta in Italia[1] (il 3% circa in Germania) e pertanto tale è da considerarsi non più trascurabile.

L'8 aprile 2010 è decollato in Svizzera il Solar-Impulse HB-SIA, il secondo aereo ad energia solare.[2]

Critiche[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Energie_rinnovabili#Valutazioni.

Le principali critiche all'utilizzo di energia solare sono imputabili ai costi, all'efficienza e alla caratteristica intrinseca di intermittenza o non programmabilità di tale fonte energetica rispetto alle fonti energetiche convenzionali in quanto risente direttamente della copertura nuvolosa e della completa assenza durante la notte. Inoltre, per produrre i pannelli fotovoltaici occorre una grande quantità di energia, generata utilizzando spesso fonti non rinnovabili come il carbone, ed è stato calcolato che il settore del fotovoltaico inizierà a produrre più energia di quella consumata solo a partire dal 2015[3].

I sostenitori dell'energia solare sostengono invece un ridimensionamento dei costi ed un aumento dell'efficienza nel futuro prossimo in virtù delle economie di scala e del miglioramento tecnologico dei futuri sistemi solari. Riguardo l'assenza di tale fonte energetica durante la notte fanno altresì notare che il picco massimo di consumo elettrico si raggiunge in realtà durante il giorno, cioè proprio durante il massimo di produzione di energia da solare, in virtù dell'utilizzo di energia elettrica da parte dei processi produttivi industriali e quindi il problema sarebbe meno gravoso e risolvibile tramite ricorso alla tecnologia del solare termodinamico e/o all'integrazione delle fonti energetiche rinnovabili quale ad esempio l'energia eolica, mentre eventuali surplus energetici verrebbero smaltiti tramite ricorso a infrastrutture elettriche di distribuzione tipiche come le smart grid.

Futuro[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione ipotetica di una centrale solare orbitale

Attualmente la maggior parte degli studi si concentra su nuove generazioni di celle fotovoltaiche dotate di una maggior efficienza di quelle attuali o su celle fotovoltaiche dotate di un'efficienza simile a quella delle celle attuali ma molto più economiche. Studi più ambiziosi puntano alla realizzazione di centrali solari orbitanti. Queste centrali dovrebbero raccogliere i raggi solari direttamente nello spazio e trasmettere la potenza assorbita sulla Terra per mezzo di microonde o raggi laser.

Sono in fase di sperimentazione prototipi di sistemi di cogenerazione fotovoltaica in cui si realizza la produzione simultanea di energia elettrica e termica.

In tutto il mondo, sono attualmente allo studio nuove tecnologie e nuovi sistemi avanzati per sfruttare l'energia del sole allo scopo di creare le prime vere centrali solari; citiamo ad esempio le centrali CRS (Central Receiver System) (es progetto PS10) e la torre solare australiana realizzata dall'EnviroMission Ltd di Melbourne.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Dati Provvisori di Esercizio
  2. ^ volo aereo solare (contiene svarioni), ANSA, 7 aprile 2010. URL consultato l'8 aprile 2010.
  3. ^ Global solar photovoltaic industry is likely now a net energy producer, Stanford researchers find (il concetto di energy deficit di cui tratta l'articolo non è da confondere con quello di grid parity)

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

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