FOTOVOLTAICO:
energia dal sole
a cura di:
Arch. Luca Fattambrini (e-mail:
[email protected])
Arch. Stefano Bassan (e-mail: [email protected])
CONSUMI ENERGETICI
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Tutti gli oggetti, per essere prodotti, e tutti i macchinari, per funzionare, hanno bisogno di energia. La combustione di ossidi di carbonio, zolfo, idrocarburi a fini energetici provoca modifiche ambientali e aumento delle malattie respiratorie. Le necessità e i consumi energetici della famiglia italiana di tre persone, negli ultimi vent’anni, sono raddoppiati arrivando a 3000 kWh/anno; pari ad un costo energetico medio di circa 1.000.000 di vecchie lire all’anno (3000 kWh x 340 Lire). |
ENERGIA SOLARE
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La terra riceve dal sole un flusso luminoso che attiva i processi vitali, produce i venti, fa crescere le piante, decompone i resti animali e vegetali. Questa energia che colpisce la terra potrebbe bastare e avanzare per produrre tutto il fabbisogno energetico del pianeta (ad esempio un metro-quadrato di terreno di Sicilia riceve energia solare pari all’energia contenuta in un barile di petrolio). |
PROTOCOLLO DI KYOTO
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I governi hanno stabilito di limitare la dipendenza dalle fonti energetiche non rinnovabili nel periodo tra 2001 e 2010. A questo scopo, i governi, si sono reciprocamente impegnati per ridurre la produzione di CO2 di un quinto. Per arrivarci, c’è una sola possibilità: è necessario aumentare la quota di energia derivante da fonti rinnovabili, raddoppiandola dalla quota attuale del 6% fino al 12%. |
CHE COS'E' IL FOTOVOLTAICO
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La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente la luce solare in energia elettrica senza necessità di meccanismi in movimento. Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico che è basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (ossia con caratteristiche sia di conduttore eletttrico sia di isolante elettrico come, ad esempio, il silicio) che sono in grado di generare elettricità quando vengono colpiti dalla radiazione solare. |
SILICIO
| Dopo l’ossigeno, il silicio, è l’elemento più diffuso sulla crosta terrestre (28%). Allo stato puro ha struttura cristallina simile a quella del diamante. Tutte le moderne tecnologie dei computer sono possibili grazie al silicio elettronico. I microchips, le schede integrate, i microcircuiti sono tutti realizzati con silicio elettronico. Per ottenere il silicio si parte da sabbia di rocce silicee e quarzose. Attraverso processi di riduzione, la silice, in fase di fusione perde atomi di carbonio che vengono assimilati da sostanze riducenti (sodio, carbone). Dopo varie fasi di fusione/cristallizzazione si ottiene silicio metallurgico, usato per le cellule FV, che è un prodotto di scarto del silicio elettronico perché meno puro. Il silicio utilizzato per le celle fotovoltaiche può essere: policristallino, monocristallino e amorfo (cioè che non ha struttura cristallina). |
COSTRUZIONE DELLA CELLULA
| Il silicio metallurgico fuso in lingotti (diametro 10-15 cm) viene affettato in sezioni di 0,25-0,35 mm di spessore. La cellula FV è costituita da due strati di silicio “drogato” (cioè silicio a differente potenziale elettrico) posti tra le due facce delle sezioni ricavate dai lingotti. La differenza di potenziale si ottiene attraverso la diffusione controllata, nei forni, di atomi di fosforo e di atomi di boro sui due strati opposti della cellula. I primi creano carenza di elettroni, quindi, i secondi creano esubero di elettroni. Dal primo si ottiene silicio tipo “p”, dall’altro silicio tipo “n”. Nella giunzione tra i due strati, per effetto del bombardamento di fotoni (esposizione alla luce solare), le cariche elettriche tendono a separarsi creando la circolazione di corrente elettrica tra le due facce della cellula, ossia, i due poli (negativo e positivo) della cella. Ovvero tra il contatto elettrico inferiore, ottenuto per serigrafia di una pasta d’argento, e il contatto elettrico superiore, costituito da una griglia frontale. |
FUNZIONAMENTO DELLA CELLULA FOTOVOLTAICA
| La cellula fotovoltaica è la giunzione di due sottili materiali semiconduttori (silicio tipo “p” e silicio di tipo “n”). Quando un raggio di luce colpisce la cellula le cariche positive si separano da quelle negative creando una differenza di potenziale. Tra i due semiconduttori si genera una piccola corrente elettrica. Una cellula ha una superficie di 100 mmq, alle condizioni di normale insolazione (25 °C – 1 kW/mq) produce corrente elettrica di 3 Ampere di intensità, 0,5 Volt di tensione e 1,5 Watt di potenza. Il silicio è praticamente una “macchina” che produce energia ma, come tutte le macchine, ha delle perdite di efficienza. I moderni motori a scoppio arrivano al 27%, le centrali elettriche arrivano al 50%. Così il silicio policristallino ha rendimenti bassi pari al 12-14%, il monocristallino ha rendimento del 18% e il silicio amorfo ha efficienza di conversione (7%) ancora più bassa del policristallino, costa meno ma ha un tempo di vita di 10 anni mentre, un modulo policristallino, ha garanzia di vita per 25-30 anni. |
MODULO FOTOVOLTAICO
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Il collegamento di più cellule consente di ottenere tensioni (Volts) più alte. Una volta connesse in serie/parallelo, le 36 cellule vengono incapsulate in uno spessore di EVA (Etil-Vinil-Acetato) e poi laminate su una lastra di vetro ad alta resistenza, trasparenza e antiriflesso per ottenere il modulo incorniciato da un telaio di alluminio. Così connesse le cellule formano il modulo di mezzo metro quadro che produce 50 Wp (per le perdite di accoppiamento), ad una tensione di 17V (Volts x Amps = Watts). Pesa circa 6 chilogrammi, ha uno spessore di 4 centimetri. Più moduli sono una stringa e, più stringhe insieme, sono un campo fotovoltaico. |
EVOLUZIONE STORICA
| La prima intuizione delle potenzialità dei materiali conduttori si fa risalire ad Alessandro Volta alla fine del ‘700. La possibilità di trasformare la luce in energia elettrica fu possibile dopo gli esperimenti di A. Bequerel nel 1839. Ma i periodi di maggior espansione furono gli anni ’50 e l’era dello sviluppo dei programmi spaziali per ottenere energia, in modo affidabile, in luoghi privi di risorse. Ormai la tecnologia fotovoltaica è disponibile dovunque: le minicalcolatrici, gli orologi, gli esposimetri delle macchinette fotografiche e le cellule fotoelettriche dei cancelli. Il primo impianto fotovoltaico per la produzione di energia elettrica è stato realizzato nel 1982 in Svizzera. |
PARADOSSO ITALIA
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Almeno due sono le forti contraddizioni del fotovoltaico in Italia:
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APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO
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Sistemi
autonomi (stand alone): Costituiti da pannelli, regolatori di carica e batterie di accumulo. Se gli impianti servono apparecchiature a corrente alternata è necessario anche un convertitore di carica. Le batterie (al piombo acido) hanno un costo di 300-350.000 al kWh e un tempo di vita di 2-5 anni. (Applicazioni: ripetitori radio – pompe e filtraggio acqua –monitoraggi ambientali – piattaforme off-shore). |
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| Sistemi
connessi alla rete (grid connected): Il surplus (mancato utilizzo o limitata richiesta) viene ceduto all’ente erogatore grazie ad un doppio contatore che registra i flussi di entrata e di uscita. Caratteristica esclusiva dell’impianto “grid connected” è l’inverter, ossia il “regolatore” che trasforma la corrente continua in alternata. |
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Consumi medi a confronto
| Calcolatori
– Orologi: da 0,001 a 0,1 W Stazioni meteo – Telemonitoraggio: da 0,1 a 10 W Ripetitori radio – Segnaletica stradale: da 1 a 10 W Televisori – Frigoriferi: da 10 a 100 W Case isolate – Pompaggio acqua: da 100 a 1k W Sistemi di irrigazione – Depurazione acque: da 1k a 100k W |
QUANTA ENERGIA PRODUCE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
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La quantità di energia prodotta
da un sistema fotovoltaico dipende da: a) Efficienza dei
moduli |
PRODUZIONE DEL MERCATO FOTOVOLTAICO
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Il
mercato mondiale di energia prodotta con tecnologie fotovoltaiche, in dieci
anni (1990-2000) e più che quintuplicato, passando da 45 MWp a 290 MWp.
Gli incrementi più elevati sono in Giappone, Stati Uniti e Germania che, non solo, incentivano con sussidi l’installazione degli impianti, ma comprano l’energia immessa in rete ad un prezzo superiore al prezzo di vendita. |
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ECOLOGIA DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
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L’impianto fotovoltaico può
essere utilizzato senza spreco del territorio (sopra i tetti) o su pannelli
con altre funzioni (barriere acustiche – pensiline frangisole). |
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| Ha
il grosso vantaggio di produrre energia lì dove c’è bisogno, evitando gli
sprechi delle dispersioni attraverso i cavi. Non produce nessun tipo di inquinamento durante il suo ciclo di vita e neanche per lo smaltimento dei suoi componenti (silicio, vetro, ferro, rame, plastica, alluminio). Infine, il suo utilizzo riduce la produzione di CO² delle caldaie o delle centrali termoelettriche. (1 kWh elettrico produce 0,53 kg di CO²). La tecnologia FV ha grosse potenzialità nel futuro più immediato: riduzione dei costi, miglioramenti dell’efficienza di conversione. |
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LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO: dati significativi
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(Casa isolata - 4 persone - Alto Adige) |
Parametri geografici: insolazione
(kWh/mq), temperatura |
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Incidenza
componenti
dovuto all’enel: 4300 - 3288 = 1012 kWh x 118 lire = 120.000 + 60.000
= 180.000 Lire |
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PROGRAMMA MINISTERIALE 10.000 TETTI FOTOVOLTAICI (Decreto Min. Amb. 29.03.01)
| OBIETTIVI : | Raddoppiare
la quota di energia da fonti rinnovabili tra 2001 e 2010. Ridurre di 1/5 la produzione di CO2. |
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| PRECEDENTI : | (Decreto Bersani, 1999): i produttori di energia elettrica sono obbligati a coprire almeno il 2% degli incrementi della propria capacità produttiva con fonti rinnovabili. E’ possibile vendere questo “credito” (certificati verdi) ai produttori che non forniscono il valore imposto. | |
| SOGGETTI : | Province - Capoluoghi di provincia - Università - Comuni che ricadono in aree protette - Enti di ricerca. | |
| TAGLIA: | 1 – 20 kW | |
| RISORSE: | 20 miliardi di lire | |
| POTENZA T.: | 2 Mwp | |
| CONTRIBUTO: | 75%
(IVA esclusa). Per edifici ad alta valenza architettonica, il contributo sale all’85%. |
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PROGRAMMA REGIONALE TETTI FOTOVOLTAICI (Regione Veneto - Bando del 1/12/2001)
| ATTUAZIONE: | Derivante dal Decreto del Ministero dell’Ambiente del 29.03.01 | |
| RISORSE: |
4.400 milioni di Lire (3.100 dallo Stato e 1.300 dalla Regione Veneto) |
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| SOGGETTI : | privati e pubblici (firma del titolare del contratto di fornitura) | |
| IMPIANTI e TAGLIA: | connessi alla rete e integrati negli edifici - Taglia: 1 – 20 kWp | |
| TEMPI: | 150 gg. dall’accoglimento (per iniziare) + 270 gg (per finire) | |
| COSTI: | accettabili progettazione - direzione lavori – collaudo – certificazione impianto – fornitura e posa- opere edili necessarie | |
CRITERI PREFERENZIALI: |
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| DOCUMENTAZIONE RICHIESTA: |
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| COSTI AMMISSIBILI: | 15,5 milioni di lire per 1 kWp | |
| EROGAZIONE: | Al termine dei lavori e al soggetto richiedente | |
| DIMENSIONAMENTO: | inferiore alla media fornita negli ultimi tre anni. | |
| CONTRIBUTO: | 75%
(IVA esclusa). Per edifici ad alta valenza architettonica, il contributo sale all’85%. |
FONTI
BIBLIOGRAFICHE
E.N.E.A., 2001, L'energia fotovoltaica, Roma. Fotovoltaici, 2000, Milano.
ISES ITALIA, 1995, Costruire con il sole, Roma.
V. Olgyay, 1981, Progettare con il clima, Padova. E.N.E.A., 1983, Architettura
bioclimatica, Roma.
