Valutazione del bilancio energetico nella produzione di energia da fonti rinnovabili - Cap 3 Fotovoltaico - tesi di laurea Elisa Samori

In questo capitolo verrà esposta la tecnologia del fotovoltaico e, oltre al funzionamento, sarà evidenziata la superficie necessaria per soddisfare una determinata richiesta energetica per fare quindi una stima dell’energia prodotta in relazione alla richiesta.

Ovviamente non saranno trascurate le problematiche che in qualche modo possono condizionare l’assorbimento, come il ciclo solare, ed accanto a queste verrà illustrata la migliore soluzione presente attualmente ovvero i moduli ad accumulazione di idrogeno.

3.1 Caratteristiche

Tra le fonti di energia considerate rinnovabili e pulite, l’energia solare ricopre un ruolo fondamentale, e la possibilità di utilizzarla grazie agli impianti fotovoltaici di conversione è la diretta conseguenza di alcuni indubbi vantaggi dovuti all’utilizzo di questa fonte.

Il vantaggio principale che questa tecnologia fornisce risiede nelle caratteristiche intrinseche della radiazione solare: essa ha infatti reperibilità illimitata e, grazie alle moderne tecnologie, è possibile incamerare l’energia in eccesso, per poi utilizzarla nei momenti in cui le ore di luce e l’intensità della radiazione non sono a livelli ottimali, ad esempio durante il periodo invernale.

Accanto a questi vantaggi esistono in ogni caso anche svantaggi, come il basso rendimento o l’impatto visivo e di occupazione del territorio, anche se la vastità dei territori occupati non è paragonabile alla quantità di territori da utilizza per la coltivazione della biomassa, come verrà dimostrato in seguito.

Un altro svantaggio potrebbe essere rappresentato dai costi di produzione, i quali però possono essere ammortizzati dal cliente nell’arco di qualche anno, in oltre anche in Italia vengono ora concessi i finanziamenti in conto energia: questo significa che è possibile rivendere l’energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici, anche di piccole o medie dimensioni.

3.1.1 Funzionamento

La tecnologia fotovoltaica permette di convertire l’energia solare che incide sul pannello, in energia elettrica: questo processo avviene grazie a quella che viene chiamata cella fotovoltaica la quale è formata da una lastra sottile di materiale semiconduttore, in genere silicio, la quale prima dell’utilizzo viene opportunamente trattata mediante processi chimici riconosciuti come drogaggi, ovvero l’inserimento nella struttura cristallina del silicio, di atomi di Fosforo oppure Boro i quali sono utili per determinare la formazione di un campo elettrico rendendo anche disponibili alcune cariche per formare corrente elettrica.

La corrente elettrica si formerà quindo la cella (le cui facce sono collegate ad un utilizzatore) viene esposta alla luce in seguito all’effetto fotoelettrico.

Alla base dell’effetto fotovoltaico ci sono quindi alcuni materiali formati da atomi di silicio, il quale presenta determinate caratteristiche: se consideriamo solo atomi isolati questi avranno una determinata configurazione elettronica e livelli energetici, ma quando ne avviciniamo quattro per formare una struttura cristallina, gli elettroni di valenza ora raggiungono diversi livelli energetici.

In un monocristallino di silicio ogni atomo forma legami covalenti con altri quattro atomi e questo legame può essere spezzato con una quantità di energia tale da liberare l’elettrone dal legame covalente per passare dalla banda di valenza a quella di conduzione dove sarà in grado di contribuire al flusso di elettricità.

Una volta che la cella fotovoltaica è esposta alla luce, il flusso di fotoni che la colpisce sarà in grado di fornire energia a sufficienza per liberare gli elettroni del reticolo cristallino del silicio.

Per creare corrente sarà necessario creare una corrente continua di questi elettroni, formando quindi un campo elettrico. Si utilizzano il boro ed il fosforo per una ragione particolare: questi due atomi appartengono rispettivamente al terzo e quinto gruppo, per cui dal momento in cui questi sono inseriti nella struttura, si crea una zona con un numero di elettroni insufficienti ed un’altra con un numero di elettroni in eccesso, queste zone sono chiamate p ed n.

Le diverse concentrazioni di carica sono in grado di creare quindi un flusso elettronico.

L’efficienza di conversione per le celle a silicio viene stimata tra il 10% ed il 20%, per cui non un valore altissimo [34].

In genere le celle fotovoltaiche sono di forma quadrata e possono essere connesse tra di loro in serie o in parallelo e possono essere incapsulate all’interno di uno spessore di EVA (Etil Vinil Acetato), un isolante nei confronti della cella.

La cella fotovoltaica si comporta quindi come una piccola batteria che può produrre fino a 3 A di corrente con una tensione di 0,5 V ed una potenza di 1,5 W per ogni dm² (questi valore fanno riferimento a condizioni di soleggiamento di 1000 W/m² di intensità luminosa e 25 oC di temperatura).

Per quanto riguarda i materiali, accanto al silicio monocristallino il cui funzionamento nella cella è stato appena descritto, esiste anche la possibilità di utilizzare il silicio policristallino: questi due scelte rappresentano la maggior parte del mercato e sono tecnologie simili dal punto di vista della costruzione poichè prevedono che la cella sia cablata in superficie con una griglia di materiale conduttori per catalizzare gli elettroni.

Accanto a questi esistono anche i moduli a film sottile, ovvero silicio amorfo con struttura disorganizzata, i quali mostrano però un’efficienza inferiore.

3.2 Superficie produzione tradizionale

In generale quando si parla di un impianto fotovoltaico se ne riporta la potenza elettrica di picco, ossia la potenza elettrica sviluppata in condizioni di irraggiamento standard.

La potenza di picco è un dettaglio tecnico caratteristico di ogni impianto, ma non fornisce una stima diretta di quanta energia elettrica un certo impianto può produrre, per esempio, nell’arco di un anno.

E' evidente che la quantità di energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico dipende dal ciclo solare, dalle condizioni atmosferiche, dal periodo dell’anno e in generale da tutti quei fenomeni che condizionano la frazione di radiazione solare che incide sulle celle. Tutte queste variabili, essendo soprattutto di natura meteorologica, fanno sì che si possano ricavare solo delle stime sulla quantità di energia prodotta da un impianto fotovoltaico.

In questa sezione ci proponiamo anzitutto di valutare una stima dell’energia elettrica prodotta per unità di superficie (1 m²) da un sistema fotovoltaico nell’arco di un anno.

In secondo luogo valuteremo la superficie di fotovoltaico necessaria per soddisfare il fabbisogno energetico di una ipotetica comunità.

3.2.1 Stima dell’energia prodotta da un impianto fotovoltaico

Per stimare l’energia prodotta da un impianto fotovoltaico prendiamo in considerazione un ipotetico pannello di celle solari di superficie S_F = 1m² disposto, per semplicità, orizzontalmente e assumiamo che questo abbia un’efficienza di conversione di energia luminosa in energia elettrica ∈_F = 10%.

Tale valore di efficienza è ragionevole se si considera il fatto che attualmente alcuni impianti raggiungono anche efficienze del 20%, ma ovviamente i fattori che causano decremo di efficienza possono essere vari. Conoscendo quindi la radiazione visibile (RV) incidente si può calcolare la potenza elettrica sviluppata dal sistema.

L’entità della radiazione visibile incidente dipende da molti fattori.

Il fenomeno che maggiormente influisce è sicuramente il ciclo solare giornaliero, in quanto durante la notte la luce è praticamente nulla, poi vi sarà un graduale aumento seguito da una graduale diminuzione. Il secondo contributo è dovuto al periodo dell’anno che si considera, l’inverno è infatti caratterizzato da un valor medio inferiore ai valori estivi.

Gli altri fenomeni non trascurabili sono la situazione meteorologica, giornate nuvolose, nebbia, umidità etc etc.

Per poter stimare la produzione di energia media giornaliera del sistema in esame dobbiamo quindi conoscere la variazione della radiazione nell’arco del giorno, nel corso dell’anno e dobbiamo anche tenere in considerazione quanto mediamente la situazione meteorologica la riduce.

Anziché fare previsioni di tipo meteorologico, che sarebbe impensabile da realizzare per una stima, analizziamo i valori di radiazione visibile media oraria misurati negli ultimi cinque anni da una stazione ARPA Emilia Romagna [49] installata a Ferrara.

I dati sono resi pubblici da ARPA presso il servizio web Dexter [49]. usando questo campione di cinque anni di dati dovremmo mediamente essere in grado di tenere in considerazione una serie di parametri, difficilmente valutabili in altro modo.

I valori misurati da ARPA riportano la radiazione visibile media oraria (RVMO) incidente su una superficie orizzontale di 1 m².

Abbiamo quindi valutato, per ogni ora del giorno, il valor medio della radiazione visibile (RVM) mediando su tutti i valori corrispondenti a quell’ora nell’arco degli ultimi cinque anni.

Al fine ti tenere conto delle variazioni che si verificano nel corso dell’anno, indichiamo un intervallo di variabilità, per ogni ora del giorno, i cui estremi sono rispettivamente il valori medi della RVM invernale ed estiva¹. Riportiamo in Fig.3.1 l’andamento della RVM nell’arco della giornata.

Figura 3.1: Andamento giornaliero medio della Radiazione Visibile Media determinati con i dati ARPA misurati dal 2005 al 2009 nella città di Ferrara. L’intervallo di variabilità è rappresentato dai valori medi della RVM invernale ed estiva.

Da questo andamento medio, nell’arco di un giorno risulta una energia luminosa incidente su un metro quadro orizzontale pari a circa 4 kWh, che nell’arco di un anno corrisponde a circa 1.4 MWh. Questo valore è confrontabile con i valori che fornisce il servizio web Atlante Italiano della Radiazione Solare di previsione della radiazione visibile media messo a disposizione da ENEA [50], il quale fornisce una previsione alle coordinate di Ferrara pari a circa 1.4 MWh annui.

Da questi valori medi qui determinati, possiamo quindi stimare la potenza media oraria

P_oraria.

sviluppata dal sistema fotovoltaico qui considerato per ogni ora della giornata, con la seguente relazione (3.1):

P_oraria = ∈F • RVM

Conoscendo quindi la P_oraria, che si suppone essere costante nell’arco dell’ora (Δt = 1h) corrispondente, possiamo stimare l’energia media giornaliera prodotta dal sistema fotovoltaico in esame con la seguente relazione:

(3.2)

un metro quadrato di fotovoltaico produce quindi mediamente 0.4 kWh ogni giorno, che nell’arco dell’anno corrispondono circa 150 kWh.

È ovvio che vi saranno giornate in cui la produzione sarà maggiore e altre in cui la produzione sarà minore, ma la valutazione media che qui abbiamo proposto tiene in considerazione proprio questa variabilità e ci fornisce un parametro con il quale poter valutare la superficie necessaria per soddisfare certi fabbisogni energetici come analizziamo nel paragrafo che segue.

3.2.2 Superfici fotovoltaico e fabbisogno energetico

Per concretizzare sull’utilizzo dei sistemi fotovoltaici e per poterli confrontare con la altre tecnologie affrontate in questa tesi, determiniamo quanta superficie di pannelli fotovoltaici è necessaria per soddisfare il fabbisogno energetico di una ipotetica comunità che necessita di un fabbisogno energetico giornaliero di E_fabb = 24 MWh ².

Conoscendo l’energia media giornaliera per m² stimata nel precedente paragrafo determiniamo la superficie di fotovoltaico necessaria a soddisfare il fabbisgno di 24MWh giornalieri con la seguente relazione:

S_foto = E_fabb / (E_giornaliera / m²) = 58429 m² ≈ 6 ha

(3.3)

Approssimativamente 6 ettari di fotovoltaico forniscono una quantità di energia integrata nell’arco del giorno sufficiente a soddisfare un’ipotetica comunità che potrebbe essere servita da una centrale a biomassa da 1 MW di potenza, la quale necessita approssimativamente di circa 400 ettari per il fabbisogno di materia prima.

Le stime ottenute da queste considerazioni sono sicuramente conservative, in quanto abbiamo considerato bassa efficienza delle celle solari e una dispozione orizzontale dell’impianto, che sicuramente non è la configurazione più efficiente.

Nonostante le stime diano forti indicazioni delle grandi potenzialità del fotovoltaico (6 ettari contro i 400 per la biomassa), da un’analisi che rispecchi il reale andamento del consumo energetico nell’arco della giornata si possono evidenziare alcune difficoltà pratiche.

Per capire questo abbiamo bisogno di conoscere l’andamento del fabbisogno energetico della comunità nell’arco della giornata. Queste informazioni le possiamo estrarre dai dati pubblicati da Terna [33] riferiti all’andamento della richiesta di energia in Italia.

Lo stesso andamento lo possiamo adottare per l’ipotetica comunità del nostro esempio, riscalando i valori in modo da ottenere una energia integrata nella giornata pari a quella richiesta dalla comunità, quindi pari a 24 MWh

Nota ²: Questo valore è stato scelto in modo da poter confrontare i risultati direttamente con la produzione energetica di una centrale a biomassa da 1 MW di potenza, la quale genera nell’arco delle 24 ore 24MWh.

Figura 3.2: (a) Andamento medio giornaliero della richiesta di energia in Italia, valutato per l’anno 2009 dai dati rilevati da Terna in corrispondenza del terzo Mercoledì di ogni mese. L’intervallo di variabilità è determinato dal valore minimo e massimo di richiesta energetica per l’ora corrispondente. (b) Confronto fra l’andamento della produzione di energia dell’impianto fotovoltaico da 24MWh(integrati nel giorno) e l’andamento della richiesta di energia riscalato per una energia integrata nella giornata pari a 24 MWh.

Riportiamo in Fig.3.2(a) l’andamento medio della richiesta di energia in Italia, valutato per l’anno 2009 dai dati rilevati da Terna in corrispondenza del terzo Mercoledì di ogni mese. L’intervallo di variabilità è determinato dal valore minimo e massimo di richiesta energetica per l’ora corrispondente.

Confrontiamo quindi in Fig.3.2(b) l’andamento della produzione di energia dell’impianto fotovoltaico e l’andamento della richiesta di energia riscalato per una energia integrata nella giornata pari a 24 MWh.

Le problematiche che emergono da questo confronto sono sostanzialmente due:

• Anzitutto si può notare dalla Fig.3.2(b) che nell’orario serale-notturno (dalle 17 alle 8 circa) l’impianto fotovoltaico non è in grado di soddisfare il fabbisogno energetico della comunità.
• Diversamente nelle ore di luce (dalle 8 alle 17 circa) l’impianto produce piu energia di quella richiesta.

La prima osservazione risulta un serio problema per la comunità, mentre il secondo potrebbe essere un problema per l’impianto stesso. Queste difficoltà in linea di principio non si verificano con la produzione di energia da biogas o bioDiesel, in quanto i motori possono regolarsi per adattarsi alla richiesta di energia 3.

Un ulteriore fattore da tenere in considerazione in questo studio è il fatto che la produzione di energia da fotovoltaico varia non solo nell’arco del giorno, ma anche nell’arco dell’anno.

In aggiunta anche il fabbisogno energetico varia nell’arco dell’anno, ma questa variazione non concorde alla variazione del ciclo solare. Questa affermazione risulta evidente dagli andamenti riportati in Fig.3.3, che mostrano, per ogni mese, il valore integrato in un giorno della fabbisogno energetico e dell’energia prodotta da fotovoltaico, rinormalizzato alla media di 24 MWh integrati nelle 24 ore.

Per il fabbisogno energetico abbiamo considerato i valori di riferimento riportati da Terna per ogni mese.

Dalla Fig.3.3 risulta che nei mesi invernale (da ottobre a marzo) l’impianto fotovoltaico qui

Zoom + Fig. 3.3

Figura 3.3: Andamento annuale dei valori di fabbisogno energetico e energia da fotovoltaico integrati in un giorno e rinormalizzati con il valor medio di 24 MWh.

dimensionato, nell’arco del giorno, non produce una quantità di energia elettrica sufficiente a soddisfare il fabbisogno della comunità di riferimento. Diversamente nei mesi estivi (da aprile a settembre) produce più energia del necessario. Anche le variazioni annuali quindi conducono a problemi analoghi a quelli dovuti alla variazione giornaliera.

Nota: ³ è chiaro che la centrale deve essere dimensionata in modo da poter fornire la massima potenza richiesta, ma è anche vero che non funzionando sempre al massimo, può essere considerata equivalente ad una centrale di dimensioni più ridotte.

Per ovviare a questi problemi con un sistema fotovoltaico proponiamo una soluzione nel paragrafo seguente.

3.3 Modello fotovoltaico con accumulazione di idrogeno

Per ovviare al problema della non controllabilità della produzione di energia di un impianto fotovoltaico possiamo pensare ad un sistema in grado di accumulare l’energia in eccesso e in grado di restituirla per compensare quando l’impianto non riesce a soddisfare la richiesta.

A titolo di esempio proponiamo di studiare in questa sezione un sistema composito formato da un impianto fotovoltaico e un accumulatore ad idrogeno, come l’impianto prototipo in un articolo di un gruppo di ricerca dell’università di Bologna[43]. In pratica l’energia elettrica in eccesso viene utilizzata per produrre e accumulare idrogeno, il quale viene riutilizzato in una cella a combustibile per produrre nuovamente energia elettrica. E' evidente che un tale sistema risulta essere meno efficiente di un singolo fotovoltaico, in quanto il processo di trasformazione Energia -> Idrogeno -> Energia è caratterizzato da un’efficienza ∈H ≈ 20% ⁴.

Rispetto all’impianto fotovoltaico singolo visto nel paragrafo precedente, questo modello sarà caratterizzato da una superficie maggiore, in quanto la presenza del ciclo dell’idrogeno introduce una efficienza di conversione in piu per la frazione di energia prodotta in eccesso dal fotovoltaico.

Quantitativamente solo il 20% dell’energia prodotta in eccesso potrà essere riutilizzata come energia elettrica utile.

Per determinare la superficie di fotovoltaico per il modello proposto dobbiamo prima identificare quali sono gli intervalli di tempo in cui il fotovoltaico produce in eccesso o in difetto rispetto al fabbisogno.

Per una stima che tenga conto delle variazioni giornaliere e invernali, come evidenziato nel paragrafo precedente, non basta considerare l’andamento medio giornaliero, ma dobbiamo anche considerare come variano nell’arco dell’anno gli andamenti giornalieri di produzione da fotovoltaico e di fabbisogno energetico.

A questo scopo consideriamo le variazioni annuali osservando come cambiano mensilmente gli andamenti, quindi per ogni mese valutiamo i seguenti andamenti:

1. Andamento medio giornaliero della radiazione visibile media solare, ottenuto calcolando per ogni ora del giorno la media sui giorni del mese considerato dal 2005 al 2009.
2. Andamento giornaliero del fabbisogno energetico, ottenuto dall’andamento del giorno di riferimento usato da Terna per il mese considerato, dati del 2009.

Riportiamo in Fig.3.4 gli andamento appena descritti per un impianto fotovoltaico opportunamente dimensionato e per un fabbisogno energetico normalizzato ad un valor medio di 24 MWh integrati nel giorno. In Fig.3.4 riportiamo gli andamenti giornalieri che caratterizzano ciascun mese dell’anno. Dagli andamenti di produzione da fotovoltaico e di fabbisogno energetico riportati

Figura 3.4: (Linea continua) Andamento medio giornaliero e variazione mensile dell’energia prodotta da fotovoltaico. (Linea tratteggiata) Andamento medio giornaliero e variazione mensile del fabbisogno energetico, normalizzato con il valore medio di 24 MWh integrati nel giorno. L’impianto fotovoltaico è dimensionato per essere associato ad un accumulatore ad idrogeno come descritto in dettaglio nel paragrafo. Confronto dell’energia da fotovoltaico in eccesso, indicata dall’area con linea continua, ed energia in difetto, indicata dall’area con linea tratteggiata.

Zoom + Fig.3.4

Nota ⁴ Il valore del 20% è ottenuto approssimando per difetto l’efficienza pari al 24% del ciclo completo dell’idrogeno che si ottiene dal prodotto dell’efficienza di elettrolizzazione e dell’efficienza della cella a combustibile, che sono rispettivamente 60% e 40%, come riportato in [44].

in Fig.3.4 possiamo distinguere i seguenti intervalli di tempo nel corso del giorno:

1. Periodo in difetto: nelle ore di buio, o serale-notturno, (dalle 17 alle 8 circa) l’energia prodotta dal fotovoltaico è in difetto rispetto al fabbisogno. Questa energia in difetto dovrà essere fornita dall’idrogeno accumulato con l’energia in eccesso del periodo che segue;
2. Periodo in eccesso: nelle ore di luce (dalle 8 alle 17 circa) il fotovoltaico produce energia in eccesso rispetto al fabbisogno. Questa energia in eccesso sarà utilizzata per produrre e accumulare idrogeno che sarà riutilizzato nelle ore di buio.

I due periodi appena definiti cambiano da mese a mese, come dimostrano gli andamenti di Fig.3.4, quindi il modello di impianto qui presentato non deve essere dimensionato per accumulare in idrogeno e ricedere energia con un ciclo giornaliero, ma deve essere pensato per un accumulo e una successiva cessione di energia dilatata nell’arco dell’anno. Il periodo estivo più incisivo dal punto di vista della produzione in eccesso dovrà permettere l’accumulo di energia sia per il ciclo giornaliero sia per una riserva invernale.

Per dimensionare la superficie di un tale impianto fotovoltaico è necessario quindi impostare questo vincolo analizzando l’andamento annuale come riportato in Fig.3.4. Da questi andamenti definiamo quindi l’energia in eccesso (E_ecc), la somma di tutti i contributi in eccesso che derivano da tutti i mesi, e l’energia in difetto (E_dif), la somma di tutti i contributi in difetto che derivano da tutti i mesi. L’energia in eccesso servirà per produrre e accumulare idrogeno, e nel momento del bisogno questo sarà riconvertito in energia per colmare l’energia in difetto⁵.

L’energia in difetto ottenuta dall’idrogeno sarà inferiore all’energia in eccesso per effetto dell’efficienza del ciclo energia -> idrogeno -> energia, quindi le due energia saranno legate dalla seguente relazione:

E_diff = ∈_H • E_ecc (3.4)

Questa relazione dovrà essere rispettata per il dimensionamento della superficie dell’impianto fotovoltaico. Per il calcolo di questa, osserviamo che al variare della superficie varia la produzione da fotovoltaico, quindi potrebbe variare l’intersezione fra gli andamento energia prodotta e fabbisogno.

Inoltre, siccome stiamo valutando una stima, non ci siamo preoccupati di ottenere una forma funzionale per i due andamenti, quindi un calcolo analitico non è possibile.

Da queste osservazioni possiamo concludere che il miglior modo per stimare la superficie che soddisfi la relazione 3.4 si può ottenere da un semplice calcolo iterativo che incrementa la superficie di piccole quantità fino ad ottenere il valore S_foto+H che soddisfa il vincolo energetico. A tale proposito abbiamo impostato come superficie iniziale pari a S_foto, quella dell’impianto fotovoltaico singolo studiato nel paragrafo precedente, quindi abbiamo eseguito incrementi successivi inserendo un fattore di superficie (fS) tale da incrementare la superficie dell’1% ad ogni iterazione secondo la relazione:

S_foto+H = fS • S_foto

(3.5)

Il calcolo iterativo fornisce i seguenti risultati⁶

fS = 2.5

(3.6)

S_foto+H = 14.5 ha

(3.7)

La Fig.3.4 riporta l’andamento della produzione da un impianto fotovoltaico dimensionato con questa superficie, quindi l’area complessiva dell’energia in difetto è pari al 20% dell’area complessiva dell’energia in eccesso.

Rispetto ad un impianto fotovoltaico tradizionale il modello associato all’accumulazione all’idrogeno necessita di una superficie maggiore di circa due volte e mezzo, ma notiamo che l’estensione rimane comunque sempre molto limitata rispetto all’estensione occupata dalle coltivazioni necessarie per alimentare una equivalente centrale a biomassa.

Nota ⁵ Per l’impianto fotovoltaico abbiamo considerato, per il funzionamento utile alla produzione di energia, un irraggiamento minimo di 100 W / m². Al di sotto di questo valore l’energia prodotta viene considerata nulla.

Nota ⁶ Assumendo costante l’orario di intersezione fra i due andamenti si può ottenere un valore approssimato del fattore di superficie considerando il seguente bilancio energetico fra gli intervalli di eccesso e difetto:

E_fabb1 = E_foto1 + E_diff = E_foto1 + ∈_H • E_ecc; E_fabb2 = E_foto2 - E_ecc.

Essendo E_foto1 = fS • E^24MWh_foto1 e E_foto2 = fS • E^24MWh_foto2 insieme alle precedenti relazioni otteniamo la seguente espressione per il fattore di superficie

3.4 Problematiche

Affrontiamo ora le problematiche principali connesse alla tecnologia fotovoltaica, ovvero il ciclo solare (il quale condiziona l’assorbimento dei pannelli), l’albedo e la possibilità che l’utilizzo di determinati materiali possa essere causa di inquinamento. In fine sarà preso in considerazione il riciclo, una pratica ancora poco affermata.

3.4.1 Ciclo solare

La produzione di energia elettrica da alcune fonti rinnovabili è caratterizzata da disponibilità energetica variabile e a volte non prevedibile nel tempo, per cui è necessario trovare soluzioni che permettano di accumulare l’energia prodotta in eccesso nei momenti di massima disponibilità delle risorse, in modo tale da poterla utilizzare al momento opportuno. Come stato visto, la soluzione rappresentata dai moduli con accumulo di idrogeno.

3.4.2 Albedo

Una delle problematiche che l’uso del fotovoltaico potrebbe introdurre, riguarda il caso particolare dell’albedo. Per albedo di una superficie intendiamo la frazione di luce o piu in specifico di radiazione incidente che può essere riflessa indietro in tutte le direzioni: il valore dipende sia dal materiale incontrato prima della riflessione, sia dalla lunghezza d’onda della radiazione considerata.

In genere si assegna il valore 1 quando tutta la luce incidente viene riflessa, mentre il valore 0 è associato in presenza di nessuna riflessione, parlando invece in termini di percentuali, se l’albedo massima ha valore 100%, la Terra presenta un valore medio che oscilla dal 37 al 40%.

Questo effetto può essere correlato alla temperatura poiché, se siamo in presenza di piccole percentuali di albedo, significa che abbiamo maggiore assorbimento della radiazione solare per cui maggiore temperatura. In virtù di queste considerazioni potrebbe essere lecito chiedersi se il moltiplicarsi di questi impianti, a partire dai tetti delle abitazioni ad impianti industriali di dimensioni maggiori, possa in qualche modo provocare delle variazioni nel bilancio atmosferico energetico e comportare un aumento della temperatura media.

L’istallazione dei pannelli fotovoltaici, potrebbero variare l’albedo di quel luogo, perché cambia la quantità di energia riflessa e, recenti studi (Net Radiative Forcing from Widespread Deployment of Photovoltaics, Nemet Gregory F., Environmental science e technology 2009) [45] hanno dimostrato che effettivamente si determina un piccolo aumento delle temperature: allo stesso modo potremmo chiederci cosa accadrebbe se la medesima quantità di energia elettrica prodotta dai pannelli solari, fosse prodotta da una centrale convenzionale, visto che la combustione di combustibili fossili ha come conseguenza l’emissione di CO₂ in atmosfera, il quale determina un innalzamento delle temperature.

Mettendo a confronto le modificazioni in termini di temperature emerge che, a parità di energia prodotta, i pannelli fotovoltaici causano un effetto che è mediamente 30 volte minore rispetto all’effetto dei gas serra.

Questo studio riguarda gli effetti su larga scala, altri studi sono stati condotti per valutare invece gli effetti nelle città: uno di questi è rappresentato da Solar energy and global heat balance of a city, Claude-Alain Roulet, Solar Energy [46].

Questo lavoro prende in considerazione il calore urbano della città di Tokyo, valuta l’effetto che hanno i pannelli solari come trascurabile, ovvero determinano un piccolo aumento di temperatura ma questo rappresenta un incremento trascurabile rispetto al flusso di calore che deriva dalle altre attività come l’utilizzo di energia elettrica o anche le semplici automobili.

Per ovviare completamente a questo problema bisognerebbe cercare di installare i pannelli dove l’albedo è già stato inevitabilmente modificato, cercare quindi istallazioni mirate: in questo senso si potrebbe procedere con l’installazione di pannelli prevalentemente sui tetti degli edifici, in parcheggi ed altre strutture in cui l’introduzione di questa tecnologia non comporterebbe variazioni significative in fatto di albedo.

3.4.3 Tellururo di Cadmio

Tra i diversi vantaggi che il fotovoltaico propone, si può sicuramente ricordare la mancanza di emissioni derivanti da combustibili fossili, i quali non vengono impiegati nel processo di produzione dell’energia.

Accanto a questo indubbio vantaggio, la diffusione degli economici moduli a film sottile in Tellururo di Cadmio, potrebbe far insorgere qualche dubbio in merito all’impatto ambientale determinato dall’istallazione di questi e in situazioni particolari, che ad esempio possono coinvolgere lo smaltimento del materiale con conseguente liberazione di CdTe.

Il Tellururo di Cadmio è stato inserito nella struttura fotovoltaica perché il proprio uso determina processi produttivi particolarmente efficienti e soprattutto la quantità di semiconduttore utilizzata è inferiore di circa cento volte rispetto a quella necessaria nella realizzazione dei moduli in Silicio Cristallino: inoltre il CdTe presenta il grande vantaggio di essere piu facilmente riproducibile e soprattutto adatto alla produzione industriale per i costi decisamente ridotti.

Ciò che rende l’uso di questo semiconduttore particolarmente conveniente è un gap di energia tra la banda di conduzione e quella di valenza di 1.5 eV, il che lo rende particolarmente adatto ad assorbire energia, portando l’assorbimento dei fotoni incidenti a valori prossimi al 90%.

Il sospetto che questo composto possa essere tossico deriva dalle caratteristiche intrinseche di un suo componente, ovvero il Cadmio, la cui tossicità risulta dimostrata ed è per questo che l’unione europea ha fissato il limite massimo di presenza all’interno delle batterie su valori prossimi allo 0.002%.

Inserito in questo contesto, l’unica possibilità di immettere CdTe nell’ambiente è rappresentata dalla decomposizione delle stesso, il quale si può manifestare in presenza di temperature prossime a 1000°C, raggiungibili quindi solo in caso di incendio.

In questo caso è necessaria una precisazione, essendo in CdTe incapsulato all’interno del modulo fotovoltaico, la possibilità di rilascio è molto remota anche in caso di incendio.

In merito a questa problematica il Brookhaven National Laboratory presso il National Photovoltaic Environmental Health and Safety Assistance Center, ha effettuato test per valutare il rischio in merito all’insorgenza di un incendio, riscontrando che il CdTe cominciava a fondere e volatilizzare in modo graduale già ad 800°C di temperatura.

Il rilascio riscontrato è stato minimo, appena dello 0.6% ma non avviene emissione in atmosfera perché, come già accennato, il CdTe rimane intrappolato all’interno della protezione di vetro della struttura fotovoltaica.

Va inoltre sottolineato che durante un incendio le sostanze che vengono liberate in atmosfera sono molto più dannose della sostanza volatile che deriva dalla fusione del CdTe, soprattutto in quantità estremamente maggiori.

Oltre alla possibilità di una dispersione per volatilizzazione, altri test scartano l’ipotesi di contaminazione di falde idriche inseguito a dilavamento ⁷, per cui si può affermare che è possibile smaltire i moduli in CdTe come normali rifiuti solidi urbani: è per questo motivo che la normativa che regola in Italia lo smaltimento dei pannelli fotovoltaici (ovvero il D.ls 151/2005), assimila questi ai rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche ⁸.

Nota ⁷ per valutare la contaminazione di falde idriche in seguito a dilavamento, i moduli con CdTe sono stati immersi in soluzione ed il monitoraggio del metalli disciolti non ha mostrato cambiamenti quantitativi rilevanti

Nota ⁸ I dati riportati derivano da studi sperimentali effettuati su pannelli fotovoltaici [47] [48]

3.4.4 Riciclo

Un particolare da sottolineare è che gli impianti che di fatto riciclano i moduli fotovoltaici sono davvero pochi, i più importanti sono rappresentati dalla statunitense First Solar [40] e la tedesca Deutsche Solar AG quest’ultima nel 2003 ha ultimato un impianto pilota di riciclaggio in grado di recuperare completamente l’alluminio ed il 90% del Silicio e del vetro dei pannelli.

L’utilità del riciclo dei pannelli si riscontra inoltre nel risparmio dei costi di produzione futuri, per cui il tempo necessario affinché i moduli generino una quantità di energia pari a quella spesa per produrli sarà ridotto di un terzo rispetto a quello attuale.

Sempre parlando di riciclo di pannelli, nel 2007 è nata la PV Cycle, la quale si occupa dello sviluppo di soluzioni per il riciclo di pannelli fotovoltaici in Europa, il cui peso attuale è stimato attorno alle 3500 tonnellate: a questa associazione hanno aderito le industrie di 31 Paesi Europei e l’obiettivo sarebbe quello di recuperare dal 65% al 85% del materiale utilizzato fin’ora.