Buona lettura.
La formica e la cicala
I sistemi fotovoltaici sono in grado di convertire direttamente le radiazioni solari in energia elettrica e rappresentano una delle soluzioni per affrontare la crisi energetica che si è manifestata con l'aumento dei prezzi dei combustibili. Nonostante la tecnologia fotovoltaica produce energia in modo ideale, non inquina e non ha bisogno di manutenzione perché sfrutta una fonte energetica praticamente inesauribile quale è il sole, essa si sta diffondendo molto lentamente. Quali sono i motivi? Il fotovoltaico era un'illusione o qualcosa è andato storto? In futuro parcheggeremo la nostra automobile all'ombra di un tetto ricoperto da pannelli fotovoltaici?
Il principio di funzionamento dei pannelli fotovoltaici risale a quasi due secoli fa, esattamente al 1839, quando il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel osservò che in determinate condizioni un fotone incidente su un materiale cede la sua energia agli elettroni più esterni degli atomi permettendo ai primi di allontanarsi e generare una corrente elettrica. La quantità di corrente generata a parità di radiazione incidente ovvero l'efficienza del processo di fotoemissione, dipende dall'energia dei fotoni incidenti e dal tipo di materiale su cui essi incidono.
Molti di voi rimarranno ora delusi leggendo che un pannello fotovoltaico oggi è in grado di convertire in energia elettrica solo circa il 14% dell'energia luminosa che giunge dal sole. E il rimanente 85%? Buttato! Anzi, peggio, aumenta la temperatura del pannello peggiorandone ancora di più l'efficienza. Cerchiamo di capire in modo semplice il motivo di un rendimento tanto misero.
Per allontanare gli elettroni dai propri atomi e generare corrente elettrica dobbiamo colpire il pannello con fotoni aventi più di un determinato valore di energia. La maggior parte dei materiali con cui sono costruiti gli attuali pannelli fotovoltaici generano corrente in presenza di luce visibile e ultravioletta, che costituiscono una frazione dell’energia dello spettro solare. Le radiazioni infrarosse detengono la maggior parte dell'energia contenuta nello spettro solare ma i suoi fotoni singolarmente non hanno l'energia sufficiente per provocare un salto quantico nel pannello fotovoltaico e quindi generare corrente. In realtà esistono anche materiali in grado di utilizzare la radiazione infrarossa ma i loro rendimenti sono addirittura minori degli altri quindi essi rientrano nelle riflessioni di carattere generale che si stanno facendo.
La ricerca volta a scoprire materiali a maggiore fotoemissione ovvero a miglior rendimento con cui costruire i pannelli fotovoltaici, sembra procedere molto lentamente e l'attuale valore di rendimento di circa il 14% appare ancora piuttosto basso in relazione al costo dei pannelli. Ora ci si potrebbe chiedere: perché ci troviamo impreparati ad affrontare la crisi energetica? Nel passato abbiamo investito troppo poco nella ricerca scientifica e tecnologica applicata alle fonti di energia alternativa imitando la cicala anziché comportarci come la formica? La crisi energetica è giunta prima del previsto e ci ha colto impreparati? Qualunque cosa si voglia credere, sembrerebbe che siano stati commessi errori di valutazione e ci sia stata scarsa lungimiranza. La terza possibilità è che chi estrae i combustibili, detiene la produzione di energia e costruisce macchine funzionanti a combustibili fossili possano aver agito per rallentare lo svezzamento mondiale dalle fonti energetiche classiche al fine di mantenere le proprie posizioni di monopolio.
Vediamo ora una questione non strettamente legata al pannello fotovoltaico ma al sistema in cui esso andrebbe integrato. I pannelli fotovoltaici potrebbero produrre la massima energia se fossero continuamente ruotati in modo da rimanere sempre perpendicolari rispetto ai raggi solari. Se questo è vero, perché quasi tutti i pannelli sono montati in modo da avere un'angolazione fissa? Per permettere ai pannelli di seguire il movimento del sole c'è bisogno di costruire un apposito impianto in cui i pannelli vanno montati su supporti mossi da motori. Ora consideriamo che le continue sollecitazioni dovute alle raffiche di vento che agiscono su una superficie ampia quale quella dei pannelli, vengono trasmesse agli ingranaggi del motore i quali prima o poi iniziano a logorarsi e si originano giochi di entità sempre maggiore che possono portare alla rottura delle parti meccaniche. Consideriamo inoltre la normale ossidazione e corrosione a cui sono soggetti i componenti dell'impianto a causa degli eventi atmosferici e inizieremo a capire che non solo la realizzazione di tale struttura implicherebbe costi iniziali elevati ma ulteriori costi devono essere messi in conto per garantire la regolare manutenzione. Poiché gli aumenti di produzione di energia dei pannelli fotovoltaici mobili non compensano i maggiori costi degli impianti, oggi è più conveniente usare il sistema fotovoltaico ad orientazione fissa. Queste considerazioni sono comuni nell’ingegneria dove è noto che più un sistema è complesso cioè maggiori sono i suoi componenti e sopratutto le parti mobili, maggiori sono le probabilità di guasti, i costi di manutenzione e le interruzioni del servizio, per cui a volte la soluzione migliore è quella più semplice. Effettivamente i pannelli fotovoltaici ad angolazione fissa pur non fornendo la massima energia possibile, sono nel complesso più vantaggiosi perché non richiedono manutenzione salvo periodiche ispezioni.
Vediamo ora una complicazione di cui va tenuto conto quando si calcolano i costi di un impianto fotovoltaico. A differenza delle centrali convenzionali dove il combustibile può essere regolato in funzione delle necessità ovvero della richiesta di corrente, la quantità di energia che deriva dal fotovoltaico è funzione dell’orario della giornata, del periodo dell’anno e delle condizioni meteorologiche. Per questi motivi è spesso necessario accumulare l'energia elettrica prodotta durante le ore di luce e non interamente utilizzata, per poterla aver disponibile durante le ore di buio quando i pannelli non forniscono energia. Tale accumulo implica l'impiego di batterie al piombo che sono caricate durante il giorno e utilizzate durante la notte. Come ben sa chi esegue la manutenzione dei gruppi di continuità o chi ha avuto la spiacevole sorpresa di provare a mettere in moto l'automobile e non ha sentito il rumore del motorino di avviamento, le batterie hanno un numero di cicli di carica-scarica limitato, dopo il quale devono essere sostituite. Quindi in un impianto fotovoltaico che prevede l'accumulo di energia devono essere considerati i costi di sostituzione periodica delle batterie da sostenere circa ogni quattro o cinque anni. La stima del tempo di vita di una batteria dipende molto dalle sue caratteristiche (elettrolita a liquido o a gel, qualità dei materiali) e dalle condizioni di impiego (temperatura ambiente, corrente di carica e scarica). Chi sceglie di utilizzare un sistema fotovoltaico con accumulo deve inoltre, tener conto dello smaltimento delle batterie perché il piombo in esse contenuto è altamente inquinante. Naturalmente si possono evitare questi problemi immettendo istantaneamente nella rete del gestore dell'energia elettrica la corrente prodotta in eccesso.
Ricordiate la grandinata eccezionale che colpì la provincia di Ancona a metà agosto 2005? Oltre alle automobili rovinate, alcuni vetri infranti e le persone ferite, furono danneggiati alcuni pannelli fotovoltaici. Quando si pensa a un impianto fotovoltaico bisogna considerare anche i costi per l’assicurazione in caso di danni causati da eventi atmosferici.
Ora proviamo a calcolare l'energia che possiamo produrre nel centro-sud Italia con 1 m2 di pannello fotovoltaico. Stimando un irraggiamento medio annuale di 4.7 KW∙h/m2/giorno e considerando il rendimento del pannello, produciamo tra 0.6 e 0.8 KW∙h/giorno di energia elettrica nel periodo estivo e tra 0.3 e 0.4 KW∙h in quello invernale. Una famiglia di 4 persone che vive in Italia centrale ha un consumo medio annuo di 2500 KW∙h e sarebbero necessari 16 m2 di pannelli fotovoltaici per coprire questo fabbisogno con una spesa di 15 mila Euro IVA esclusa. Considerati una durata dell’impianto di 30 anni e i costi di installazione e manutenzione, 1 KW∙h prodotto con il fotovoltaico costa 0.34€ IVA esclusa cioè il doppio di quello prodotto con i combustibili fossili. Naturalmente non si tiene conto che la produzione di energia elettrica tradizionale ha un costo nascosto dovuto ai danni sociali e ambientali. (fonte dei dati: ENEA, Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente)
A causa degli elevati costi e dei bassi rendimenti, oggi è vantaggioso impiegare la tecnologia fotovoltaica per produrre elettricità principalmente in zone isolate dove non esiste la rete elettrica e non si potrebbe garantire un’alta frequenza di manutenzione. Tali impieghi riguardano il pompaggio dell’acqua, l’irrigazione, l’alimentazione di ripetitori radio per telecomunicazioni, di stazioni di rilevamento e trasmissione segnali (Es. meteorologici, sismici e ambientali), di boe marine, fari costieri, illuminazione segnaletica, baite e satelliti.
L’energia fotovoltaica è sicuramente promettente poiché essa non inquina, è inesauribile, ha bisogno di pochissima manutenzione e i pannelli potranno essere integrati negli edifici utilizzandoli come rivestimenti esterni. Il vantaggio in termini ambientali è indiscutibile, si pensi che per ogni KW∙h prodotto con il fotovoltaico anziché con le fonti fossili, si risparmia la combustione di 250 grammi di petrolio e l'emissione di 700 grammi di CO2.
Un altro vantaggio del fotovoltaico? Ognuno potrà produrre la propria energia diventando energeticamente autosufficiente o addirittura guadagnare rivendendo quella prodotta in eccesso. Una preoccupazione non da poco per gli attuali monopolisti dell’energia.
Purtroppo a causa degli elevati costi dei pannelli fotovoltaici relativamente al loro basso rendimento, l’energia fotovoltaica non è ancora una valida alternativa alle fonti energetiche tradizionali. Ci auguriamo che si investa di più in questo settore della ricerca per ottenere materiali con migliori rendimenti e/o più economici rispetto agli attuali. Sopratutto ci auguriamo che si investa di più nella ricerca e non che i fondi siano utilizzati ogni volta per accontentare la categoria di lavoratori in sciopero.
Il principio di funzionamento dei pannelli fotovoltaici risale a quasi due secoli fa, esattamente al 1839, quando il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel osservò che in determinate condizioni un fotone incidente su un materiale cede la sua energia agli elettroni più esterni degli atomi permettendo ai primi di allontanarsi e generare una corrente elettrica. La quantità di corrente generata a parità di radiazione incidente ovvero l'efficienza del processo di fotoemissione, dipende dall'energia dei fotoni incidenti e dal tipo di materiale su cui essi incidono.
Molti di voi rimarranno ora delusi leggendo che un pannello fotovoltaico oggi è in grado di convertire in energia elettrica solo circa il 14% dell'energia luminosa che giunge dal sole. E il rimanente 85%? Buttato! Anzi, peggio, aumenta la temperatura del pannello peggiorandone ancora di più l'efficienza. Cerchiamo di capire in modo semplice il motivo di un rendimento tanto misero.
Per allontanare gli elettroni dai propri atomi e generare corrente elettrica dobbiamo colpire il pannello con fotoni aventi più di un determinato valore di energia. La maggior parte dei materiali con cui sono costruiti gli attuali pannelli fotovoltaici generano corrente in presenza di luce visibile e ultravioletta, che costituiscono una frazione dell’energia dello spettro solare. Le radiazioni infrarosse detengono la maggior parte dell'energia contenuta nello spettro solare ma i suoi fotoni singolarmente non hanno l'energia sufficiente per provocare un salto quantico nel pannello fotovoltaico e quindi generare corrente. In realtà esistono anche materiali in grado di utilizzare la radiazione infrarossa ma i loro rendimenti sono addirittura minori degli altri quindi essi rientrano nelle riflessioni di carattere generale che si stanno facendo.
La ricerca volta a scoprire materiali a maggiore fotoemissione ovvero a miglior rendimento con cui costruire i pannelli fotovoltaici, sembra procedere molto lentamente e l'attuale valore di rendimento di circa il 14% appare ancora piuttosto basso in relazione al costo dei pannelli. Ora ci si potrebbe chiedere: perché ci troviamo impreparati ad affrontare la crisi energetica? Nel passato abbiamo investito troppo poco nella ricerca scientifica e tecnologica applicata alle fonti di energia alternativa imitando la cicala anziché comportarci come la formica? La crisi energetica è giunta prima del previsto e ci ha colto impreparati? Qualunque cosa si voglia credere, sembrerebbe che siano stati commessi errori di valutazione e ci sia stata scarsa lungimiranza. La terza possibilità è che chi estrae i combustibili, detiene la produzione di energia e costruisce macchine funzionanti a combustibili fossili possano aver agito per rallentare lo svezzamento mondiale dalle fonti energetiche classiche al fine di mantenere le proprie posizioni di monopolio.
Vediamo ora una questione non strettamente legata al pannello fotovoltaico ma al sistema in cui esso andrebbe integrato. I pannelli fotovoltaici potrebbero produrre la massima energia se fossero continuamente ruotati in modo da rimanere sempre perpendicolari rispetto ai raggi solari. Se questo è vero, perché quasi tutti i pannelli sono montati in modo da avere un'angolazione fissa? Per permettere ai pannelli di seguire il movimento del sole c'è bisogno di costruire un apposito impianto in cui i pannelli vanno montati su supporti mossi da motori. Ora consideriamo che le continue sollecitazioni dovute alle raffiche di vento che agiscono su una superficie ampia quale quella dei pannelli, vengono trasmesse agli ingranaggi del motore i quali prima o poi iniziano a logorarsi e si originano giochi di entità sempre maggiore che possono portare alla rottura delle parti meccaniche. Consideriamo inoltre la normale ossidazione e corrosione a cui sono soggetti i componenti dell'impianto a causa degli eventi atmosferici e inizieremo a capire che non solo la realizzazione di tale struttura implicherebbe costi iniziali elevati ma ulteriori costi devono essere messi in conto per garantire la regolare manutenzione. Poiché gli aumenti di produzione di energia dei pannelli fotovoltaici mobili non compensano i maggiori costi degli impianti, oggi è più conveniente usare il sistema fotovoltaico ad orientazione fissa. Queste considerazioni sono comuni nell’ingegneria dove è noto che più un sistema è complesso cioè maggiori sono i suoi componenti e sopratutto le parti mobili, maggiori sono le probabilità di guasti, i costi di manutenzione e le interruzioni del servizio, per cui a volte la soluzione migliore è quella più semplice. Effettivamente i pannelli fotovoltaici ad angolazione fissa pur non fornendo la massima energia possibile, sono nel complesso più vantaggiosi perché non richiedono manutenzione salvo periodiche ispezioni.
Vediamo ora una complicazione di cui va tenuto conto quando si calcolano i costi di un impianto fotovoltaico. A differenza delle centrali convenzionali dove il combustibile può essere regolato in funzione delle necessità ovvero della richiesta di corrente, la quantità di energia che deriva dal fotovoltaico è funzione dell’orario della giornata, del periodo dell’anno e delle condizioni meteorologiche. Per questi motivi è spesso necessario accumulare l'energia elettrica prodotta durante le ore di luce e non interamente utilizzata, per poterla aver disponibile durante le ore di buio quando i pannelli non forniscono energia. Tale accumulo implica l'impiego di batterie al piombo che sono caricate durante il giorno e utilizzate durante la notte. Come ben sa chi esegue la manutenzione dei gruppi di continuità o chi ha avuto la spiacevole sorpresa di provare a mettere in moto l'automobile e non ha sentito il rumore del motorino di avviamento, le batterie hanno un numero di cicli di carica-scarica limitato, dopo il quale devono essere sostituite. Quindi in un impianto fotovoltaico che prevede l'accumulo di energia devono essere considerati i costi di sostituzione periodica delle batterie da sostenere circa ogni quattro o cinque anni. La stima del tempo di vita di una batteria dipende molto dalle sue caratteristiche (elettrolita a liquido o a gel, qualità dei materiali) e dalle condizioni di impiego (temperatura ambiente, corrente di carica e scarica). Chi sceglie di utilizzare un sistema fotovoltaico con accumulo deve inoltre, tener conto dello smaltimento delle batterie perché il piombo in esse contenuto è altamente inquinante. Naturalmente si possono evitare questi problemi immettendo istantaneamente nella rete del gestore dell'energia elettrica la corrente prodotta in eccesso.
Ricordiate la grandinata eccezionale che colpì la provincia di Ancona a metà agosto 2005? Oltre alle automobili rovinate, alcuni vetri infranti e le persone ferite, furono danneggiati alcuni pannelli fotovoltaici. Quando si pensa a un impianto fotovoltaico bisogna considerare anche i costi per l’assicurazione in caso di danni causati da eventi atmosferici.
Ora proviamo a calcolare l'energia che possiamo produrre nel centro-sud Italia con 1 m2 di pannello fotovoltaico. Stimando un irraggiamento medio annuale di 4.7 KW∙h/m2/giorno e considerando il rendimento del pannello, produciamo tra 0.6 e 0.8 KW∙h/giorno di energia elettrica nel periodo estivo e tra 0.3 e 0.4 KW∙h in quello invernale. Una famiglia di 4 persone che vive in Italia centrale ha un consumo medio annuo di 2500 KW∙h e sarebbero necessari 16 m2 di pannelli fotovoltaici per coprire questo fabbisogno con una spesa di 15 mila Euro IVA esclusa. Considerati una durata dell’impianto di 30 anni e i costi di installazione e manutenzione, 1 KW∙h prodotto con il fotovoltaico costa 0.34€ IVA esclusa cioè il doppio di quello prodotto con i combustibili fossili. Naturalmente non si tiene conto che la produzione di energia elettrica tradizionale ha un costo nascosto dovuto ai danni sociali e ambientali. (fonte dei dati: ENEA, Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente)
A causa degli elevati costi e dei bassi rendimenti, oggi è vantaggioso impiegare la tecnologia fotovoltaica per produrre elettricità principalmente in zone isolate dove non esiste la rete elettrica e non si potrebbe garantire un’alta frequenza di manutenzione. Tali impieghi riguardano il pompaggio dell’acqua, l’irrigazione, l’alimentazione di ripetitori radio per telecomunicazioni, di stazioni di rilevamento e trasmissione segnali (Es. meteorologici, sismici e ambientali), di boe marine, fari costieri, illuminazione segnaletica, baite e satelliti.
L’energia fotovoltaica è sicuramente promettente poiché essa non inquina, è inesauribile, ha bisogno di pochissima manutenzione e i pannelli potranno essere integrati negli edifici utilizzandoli come rivestimenti esterni. Il vantaggio in termini ambientali è indiscutibile, si pensi che per ogni KW∙h prodotto con il fotovoltaico anziché con le fonti fossili, si risparmia la combustione di 250 grammi di petrolio e l'emissione di 700 grammi di CO2.
Un altro vantaggio del fotovoltaico? Ognuno potrà produrre la propria energia diventando energeticamente autosufficiente o addirittura guadagnare rivendendo quella prodotta in eccesso. Una preoccupazione non da poco per gli attuali monopolisti dell’energia.
Purtroppo a causa degli elevati costi dei pannelli fotovoltaici relativamente al loro basso rendimento, l’energia fotovoltaica non è ancora una valida alternativa alle fonti energetiche tradizionali. Ci auguriamo che si investa di più in questo settore della ricerca per ottenere materiali con migliori rendimenti e/o più economici rispetto agli attuali. Sopratutto ci auguriamo che si investa di più nella ricerca e non che i fondi siano utilizzati ogni volta per accontentare la categoria di lavoratori in sciopero.
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