L’energia fotovoltaica è una forma di energia che deriva dalla trasformazione dell’energia che proviene dalle radiazioni solari (energia solare, in parole povere: la luce) in energia elettrica. L’energia fotovoltaica è, così come l’energia eolica, l’energia marina, l’energia da biomasse ecc., una forma di energia che fa parte della categoria delle cosiddette energie rinnovabili. L’energia fotovoltaica viene sfruttata attraverso la tecnologia fotovoltaica. Si parla di tecnologia fotovoltaica riferendosi a quei mezzi che permettono di sfruttare il cosiddetto effetto fotovoltaico, effetto che si basa sulle proprietà di determinati materiali semiconduttori di convertire l’energia proveniente dalle radiazioni solari in energia elettrica. Tale conversione viene effettuata senza l’ausilio di macchinari in movimento e senza utilizzare combustibili. L’effetto fotovoltaico varia in funzione della purezza del materiale semiconduttore. L’effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta nel 1839 da un fisico francese, Alexandre-Edmond Becquerel.
Energia fotovoltaica: come funziona?
Lo sfruttamento dell’energia fotovoltaica avviene tramite gli impianti fotovoltaici (anche sistemi fotovoltaici). Un impianto fotovoltaico è sostanzialmente un impianto che produce energia elettrica sfruttando l’energia solare mediante l’effetto fotovoltaico.
Un impianto fotovoltaico è costituito da un determinato numero di pannelli fotovoltaici, pannelli costituiti a loro volta da moduli fotovoltaici. L’elemento base di un modulo fotovoltaico è la cosiddetta cella fotovoltaica.
Contrariamente a quanto spesso riportato, modulo fotovoltaico non è sinonimo di pannello fotovoltaico.
Possiamo suddividere gli impianti fotovoltaici in due grandi categorie:
- impianti fotovoltaici a isola (anche isolati dalla rete, off grid o stand alone)
- impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica (grid connected).
Tipicamente gli impianti stand alone sono utilizzati per utenze isolate (il tipico caso è quello delle baite alpine) o per l’alimentazione di servizi (ripetitori telefonici, ripetitori radio, lampioni ecc.). Gli impianti stand alone sono dotati di batterie che accumulano l’energia prodotta in eccesso che fungerà da scorta nei momenti in cui l’insolazione è bassa oppure nei momenti in cui non si ha luce solare.
Gli impianti grid connected invece vengono di solito utilizzati per impianti di piccole o medie dimensioni installati su tetti o facciate di edifici e anche nel caso di centrali fotovoltaiche di notevole estensione.
A seconda della loro potenza nominale (1) si parla di impianti fotovoltaici piccoli (potenza nominale inferiore a 20 kWp), medi (potenza nominale compresa tra 20 e 50 kWp) e grandi (potenza nominale superiore a 50 kWp).
I componenti fondamentali di un impianto fotovoltaico stand alone sono i seguenti:
- pannelli fotovoltaici
- accumulatori
- centralina di regolazione (per effettuare la disconnessione dei moduli quando le batterie sono a pieno carico)
- inverter (per convertire la corrente continua generata dal modulo in corrente alternata)
- utilizzatori di corrente continua o alternata.
I componenti fondamentali di un impianto fotovoltaico grid connected sono i seguenti:
- pannelli fotovoltaici
- inverter (per convertire la corrente continua generata dal modulo in corrente alternata)
- doppio contatore per gestire sia la corrente in entrata sia la corrente in uscita.
La funzione dell’inverter è oltremodo importante. I moduli infatti generano energia elettrica a corrente continua la quale non può essere immediatamente sfruttata né per usi a livello civile né per usi industriali. È infatti necessario trasformarla in corrente alternata affinché possa venire immessa nella rete elettrica.
Il materiale semiconduttore utilizzato nei pannelli fotovoltaici è generalmente il silicio (più raramente sono utilizzati altri materiali quali, per esempio, l’arsenurio di gallio, il telloruro di cadmio ecc.).
Sono tre le tipologie principali di pannelli fotovoltaici che utilizzano il silicio; la prima utilizza il silicio monocristallino.
Le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino, grazie alla notevole purezza di questo materiale, sono quelle che garantiscono la più alta efficienza (il rendimento energetico va dal 16 al 21% circa); le celle in silicio policristallino, data la minor purezza di quest’ultimo, hanno rendimenti energetici minori (dal 15 al 16% circa); visivamente è possibile distinguere le celle realizzate in silicio monocristallino da quelle in silicio policristallino osservandone gli angoli; le prime si presentano con gli angoli tagliati, mentre le altre hanno angoli a 90 gradi.
La terza tipologia di pannelli utilizza il silicio amorfo; il rendimento energetico di questi pannelli è notevolmente inferiore rispetto a quello relativo a impianti in silicio mono- o policristallino, attestandosi su valori che variano dal 6 all’8% circa. Pur essendo meno efficienti dal punto di vista energetico, i moduli in silicio amorfo sono caratterizzati da una superiore versatilità e possono essere sfruttati, per esempio, per utilizzi di tipo architettonico.
I rendimenti delle celle fotovoltaiche non dipendono soltanto dal materiale da cui esse sono costituite, ma sono influenzati anche da altri fenomeni (riflessione della radiazione incidente, temperatura, tempo di esposizione ecc.). In linea generale i rendimenti dei moduli fotovoltaici sono di poco inferiori (parliamo a livello percentuale) a quello di ogni singola cella; dal momento che le celle di ogni stringa del modulo sono collegate in serie, il malfunzionamento di una sola cella abbassa il rendimento di tutta la stringa. Il rendimento teorico ottenibile si aggira attorno al 40%, ma la tecnologia attuale non consente di arrivare a questi livelli e, come abbiamo visto poco sopra, i rendimenti ottenibili attualmente sono decisamente inferiori (molto meno della metà).
I moduli fotovoltaici in silicio hanno dimensioni che variano da un minimo di 0,5 m² a 1,5 m². In impianti di grandi dimensioni è possibile avere moduli più grandi (di 2,5 m² ).
Come progettare un impianto fotovoltaico
Uno dei fattori principali da tenere in considerazione nella progettazione di impianto fotovoltaico è senz’altro il suo dimensionamento. Una valutazione corretta di quest’ultimo si basa sostanzialmente su due parametri:
- periodo di utilizzo
- consumi energetici relativi alla sede da approvvigionare.
Qualora si preveda di utilizzare l’impianto con continuità, per dimensionarlo si dovranno considerare le curve di irradiazione solare tenendo conto dei periodi in cui si hanno le condizioni meno favorevoli.
La valutazione dei consumi energetici (e conseguentemente del fabbisogno energetico) è un fattore decisamente importante per quanto riguarda gli impianti fotovoltaici off grid dal momento che non esiste la possibilità di sfruttare, in caso di bisogno, un’integrazione energetica proveniente dalla normale rete elettrica.
Una volta che siano noti i quantitativi di irradiazione solare, il fabbisogno di energia e il rendimento medio dell’impianto è possibile valutare il numero di moduli fotovoltaici occorrenti. Dal quantitativo dei moduli necessari è poi possibile quantificare il numero di batterie occorrenti.
Il rendimento dei pannelli solari è influenzato da diverse variabili; due di queste sono la loro inclinazione e il loro orientamento. Il massimo rendimento viene ottenuto quando le radiazioni solari giungono sul pannello direttamente e perpendicolarmente. L’inclinazione dei raggi solari varia sia al variare della latitudine sia in base al periodo dell’anno. Ne consegue che per ottenere rendimenti migliori si dovrebbe periodicamente variare l’inclinazione dei pannelli. Nel caso di impianti di piccole dimensioni generalmente l’inclinazione è di tipo fisso e viene calcolata e regolata in modo massimizzare il rendimento medio dei pannelli. Gli impianti di maggiori dimensioni sono invece generalmente dotati di servo-meccanismi (decisamente costosi e quindi sconvenienti nel caso di impianti di piccole dimensioni) che consentono la variazione dell’inclinazione dei pannelli all’occorrenza. Solitamente l’inclinazione dei pannelli coincide con la latitudine del luogo. Per quanto riguarda l’orientamento dei pannelli la regola generale è ovviamente quella di rivolgerli verso il sole. Nel nostro emisfero (quello boreale) il sole percorre il cielo nella zona sud; conseguentemente i pannelli solari vengono in genere montati orientandoli verso sud. A questa regola esistono alcune eccezioni dovute al fatto che in determinate zone sono presenti alcune “regolarità meteorologiche” come, per esempio, la foschia mattutina e le piogge pomeridiane; in presenza di tali condizioni può essere più conveniente orientare diversamente i pannelli solari. Vediamo come. Orientando i pannelli solari verso sud-ovest si sfruttano le radiazioni solari pomeridiane sacrificando quelle mattutine (questa scelta viene fatta in zone in cui la foschia mattutina è spesso presente). Orientando i pannelli solari verso sud-est (può essere il caso di quelle zone costiere e montane caratterizzate da regolari piogge pomeridiane) si sfruttano maggiormente le ore mattutine sacrificando quelle del pomeriggio.
Un altro fattore di cui si deve tener conto nell’orientamento dei pannelli fotovoltaici è l’eventuale presenza di ostacoli permanenti siano essi naturali o artificiali (alberi, edifici, piloni ecc).
Dato importante: l’efficienza di un impianto tende ad aumentare quanto più scendiamo verso sud.
Per quanto riguarda la scelta dei pannelli fotovoltaici vanno tenuti in considerazione anche fattori quali l’estetica (i moduli realizzati con combinazioni di silicio cristallino e amorfo sono in genere più apprezzati dal punto di vista puramente estetico dal momento che la loro colorazione è caratterizzata da una notevole uniformità), gli spazi che si hanno a disposizione (se lo spazio a disposizione è limitato, di solito ci si orienta su moduli in silicio monocristallino, dotati di maggiore efficienza; quando il problema dello spazio non si pone si può ricorrere al silicio amorfo, sì meno efficiente, ma decisamente meno costoso) e la produttività energetica (in luoghi dal clima particolarmente caldo è consigliabile realizzare impianti in silicio amorfo oppure in materiali a film sottile considerando che, in tali condizioni climatiche, essi hanno una resa energetica superiore).
Impianto fotovoltaico: le tipologie di installazione
Possiamo suddividere le installazione dei pannelli fotovoltaici in tre tipologie:
- installazione retrofit
- installazione integrata
- installazione a inseguimento.
Si parla di impianti retrofit riferendosi a installazioni su edifici già esistenti; sono gli impianti fotovoltaici “non integrati” (genericamente il termine retrofit indica l’installazione di dispositivi o componenti in sistemi il cui progetto originario non prevedeva il loro utilizzo). Le installazioni retrofit sono quelle attualmente più diffuse per gli impianti domestici. I moduli fotovoltaici vengono applicati, tramite appositi supporti, su superfici esistenti senza che vi sia la necessità di opere murarie supplementari.
Si parla invece di installazione integrata quando, sin dal momento della progettazione di un edificio, è previsto l’inserimento dei pannelli fotovoltaici. Generalmente tale inserimento prende il posto dei rivestimenti delle facciate, delle schermature solari che vengono solitamente applicate ai lucernari, delle pensiline ecc. Uno dei vantaggi dei sistemi integrati è che, essendo la loro presenza prevista sin dal momento della progettazione, è possibile ottimizzarne il rendimento predisponendo le aree destinate a riceverli con inclinazione ed esposizione adeguate.
Le installazioni a inseguimento (anche installazioni a girasole) prevedono moduli fotovoltaici montati su apposite strutture predisposte per essere sempre orientate verso il sole. Basandosi sulle rilevazioni di appositi sensori, una centralina aziona il movimento dei sistemi a girasole gestendo opportunamente inclinazione e orientamento. L’ottimizzazione della ricezione delle radiazioni solari può aumentare il rendimento fino al 50% rispetto a quello ottenibile con sistema fisso orientato in modo ottimale. Un lato negativo di questo tipo di impianti, rispetto ad altri tipi di installazione, è una maggior frequenza di problemi di tipo meccanico. L’impiego più proficuo per gli impianti fotovoltaici a girasole è quello dei grandi impianti a terra.
Impianto fotovoltaico: conviene?
Fra i principali vantaggi dei sistemi che sfruttano l’energia fotovoltaica si possono senz’altro citare l’affidabilità e la durata, quest’ultima si aggira mediamente sui 25-30 anni; la manutenzione dei pannelli inoltre non è particolarmente costosa dal momento che, fatta eccezione per i cosiddetti sistemi fotovoltaici a inseguimento, non esistendo parti meccaniche in movimento, l’usura dei componenti è pressoché nulla.
Un altro vantaggio è la facilità di installazione dei moduli, sia che si tratti di impianti fotovoltaici retrofit sia che si tratti di impianti fotovoltaici integrati.
Tra le caratteristiche positive possiamo citare poi la modularità; questa caratteristica è decisamente importante in quanto consente notevoli flessibilità e adattabilità dei sistemi a seconda delle esigenze dell’utente finale (le esigenze di un privato cittadino non sono, ovviamente, quelle di una piccola o media impresa).
Altri eventuali vantaggi possono derivare dagli incentivi regionali o statali per coloro che decidono di sostenere la spesa di un impianto a energia fotovoltaica.
I contro – Gli impianti fotovoltaici sono molto costosi. Il problema non è tanto legato alla materia prima (il silicio non è un materiale raro) quanto a tutte le lavorazioni, notevolmente complesse e onerose, relative alla costruzione delle celle fotovoltaiche. I tempi di ammortamento possono essere lunghi.
Un altro problema è legato al basso rendimento; come abbiamo visto nei paragrafi precedenti il rendimento massimo si aggira sul 15% (decisamente più basso di quello ottenibile, tanto per fare un esempio, dagli impianti a energia eolica).
L’energia fotovoltaica è sostenibile? Gli svantaggi
L’energia fotovoltaica è a impatto zero? È veramente sostenibile?
Per rispondere alla domanda si deve definire un fotovoltaico sostenibile (quello realizzato su costruzioni esistenti) e un fotovoltaico non sostenibile (quello che consuma il suolo, realizzato su porzioni di ambiente non ancora antropizzato).
Un primo problema ambientale sono le fasi di produzione e smaltimento degli impianti. La fase di produzione è un momento decisamente critico a livello di impatto ambientale. La lavorazione dei pannelli fotovoltaici richiede l’utilizzo di materiali di notevole tossicità sia che si tratti di pannelli al silicio, al telloruro di cadmio, all’arseniuro di gallio ecc. La vita media di un pannello fotovoltaico è decisamente elevata (25-30 anni); finito il suo ciclo però il pannello deve essere trattato come rifiuto speciale dal momento che contiene numerose sostanze a elevata tossicità (cadmio, tellurio, piombo, rame, selenio ecc.), sostanze il cui smaltimento richiede procedure complesse e costose.
Il vero problema che riguarda la sostenibilità è però il consumo di suolo di impianti che dovrebbero sostituire energie non rinnovabili e che vengono realizzati su suolo non antropizzato. A causa della scarsa efficienza dell’energia fotovoltaica le superfici richieste sono enormi, in relazione alla reale resa del progetto. Questo fotovoltaico non può essere considerato sostenibile.
Impianti fotovoltaici: quanto costano?
Il costo di un impianto fotovoltaico dipende da diversi parametri fra i quali i più importanti sono tipologia dei pannelli e il tipo di materiale che è stato utilizzato per la loro realizzazione; si devono altresì considerare le eventuali problematiche e difficoltà legate alla realizzazione, la distanza che deve essere coperta per effettuare la connessione e, infine, le spese relative alla manutenzione. Generalmente, più grande è l’impianto, minore è il prezzo per kWp (sugli impianti piccoli le spese di installazione e progettazione pesano molto di più che negli impianti di media e grossa taglia).
Com’è facilmente comprensibile, la voce di costo più importante è quella relativa ai moduli fotovoltaici che, a seconda della potenza dell’impianto, pesano per il 54-65% sul totale; fortunatamente i moduli sono la componente più duratura di un impianto fotovoltaico. Altre voci importanti sono quelle relative alle spese di installazione e progettazione (dal 10 al 20%); seguono poi i costi di cavi e quadri (dal 7 al 10%), i costi delle strutture di supporto (dall’8 al 9%) e i costi relativi agli inverter (dal 7 al 10%). I prezzi medi (ricordiamo che minore è la potenza dell’impianto, maggiore è il prezzo per kWp) possono essere stimati come segue:
- moduli in silicio monocristallino: da euro 4.900 a euro 7.000 per kWp
- moduli in silicio policristallino: da euro 4.600 a euro 7.000 per kWp
- moduli in altro materiale (film sottile): da euro 4.000 a euro 6.200 per kWp.
Vogliamo però ricordare che i prezzi sono puramente indicativi e, da zona a zona, e da fornitore a fornitore possono esserci notevoli variazioni in più o in meno.
Per quanto riguarda le spese relative alla manutenzione, come già accennato nel paragrafo relativo ai pro e ai contro, si deve rilevare che esse sono praticamente irrisorie. La ragione è da ricercarsi soprattutto nel fatto che non si ha usura dei componenti. Per quanto riguarda poi eventuali problematiche relative agli agenti atmosferici (in particolar modo la grandine) si deve notare che solitamente i pannelli fotovoltaici vengono testati con chicchi di grandine simulata del diametro di 2,5 cm che cadono perpendicolarmente alla velocità di circa 80 km/h.
Fra i costi vanno segnalate le operazioni di pulizia periodica e la sostituzione dell’inverter (un inverter ha una vita media di circa 10 anni).
Agevolazioni per il fotovoltaico
Si deve poi tenere conto che il mercato dell’energia fotovoltaica prevede attualmente diverse modalità incentivanti (per esempio agevolazioni fiscali e scambio sul posto ecc.).
Per quanto riguarda le agevolazioni fiscali, trattandosi di incentivi che possono variare con l’emissione della legge di stabilità (ex legge finanziaria) si rimanda al sito dell’Agenzia delle Entrate (Agevolazioni fiscali).
Il meccanismo dello scambio sul posto consente all’utente di immettere nelle rete elettrica l’energia prodotta dall’impianto che non viene immediatamente utilizzata, permettendogli di prelevarla successivamente nel momento in cui ne avrà bisogno nel caso il suo impianto non sia temporaneamente in grado di produrla (giornate di pioggia o particolarmente buie).
Esistono poi incentivi a fondo perduto messi periodicamente a disposizione con bandi regionali o statali; tali contributi permettono di coprire parzialmente i costi che si devono sostenere per la realizzazione degli impianti.
(1) La potenza nominale (o potenza di picco) di un impianto fotovoltaico viene espressa in kWp (kilowatt di picco) e indica la potenza elettrica che detto impianto può produrre nelle seguenti condizioni assunte internazionalmente come standard (Standard Test Conditions, STC):
- radiazione solare incidente = 1.000 W/m²
- temperatura dei moduli = 25 °C
- spettro = 1,5 AM (Massa Atmosferica)
- vento = 0 m/s.
