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30 Aprile 2013
Riportiamo la lezione tenuta il 22 aprile 2013, dal Sig. Romolo Maddaleni, sull'argomento di interesse generale: "L'Energia del sole".
Verranno trattati i seguenti argomenti:
- L’Energia del Sole
- La stella «Sole»
- L’energia solare fonte di vita
- Utilizzazione dell’energia solare
- Il pannello solare
- Il pannello solare fotovoltaico
- Il pannello solare a concentrazione
- La Centrale «Archimede» di Priolo Gargallo
- L’autoproduzione di energia elettrica
- Il fotovoltaico conviene ancora ?
- Il futuro.
La stella «Sole»
Il Sole è una stella composta da un nucleo di elio (19%) e un grande strato d'idrogeno (80%) in cui avvengono continuamente reazioni di fusione nucleare tra gli atomi di idrogeno a causa della grande pressione a cui sono sottoposti.
Durante la fusione tra gli atomi, una parte della materia si fonde in un unico atomo e un'altra parte si trasforma in energia che risale sino alla superficie e si disperde nello spazio sotto forma di raggi solari (radiazioni visibili, infrarosse, ultraviolette, onde radio, raggi X).
Questo processo non è però perpetuo, ha avuto un inizio ben preciso, circa 4,5 miliardi di anni fa, e avrà una fine nel momento in cui finirà la quantità di idrogeno.
In altre parole il sole diventa ogni minuto più piccolo, come un serbatoio di un'automobile durante un lungo viaggio.
Gli scienziati stimano per il sole ancora 4,5 miliardi di anni, trascorsi i quali la stella resterà "a secco" trasformandosi in una gigante rossa.
L’energia del sole fonte di vita
L'energia solare prodotta dal Sole si disperde in tutte le direzioni verso lo spazio e in minima parte giunge sul pianeta Terra.
Le piante trasformano l'energia solare in energia chimica tramite la clorofilla contenuta nelle foglie e nei tessuti. L'energia chimica permette così al mondo vegetale di vivere, crescere e riprodursi.
A loro volta gli animali erbivori si cibano delle piante per trarre l'energia chimica stoccata nei vegetali e assorbirla nei propri organismi, per crescere e riprodursi.
Grazie all'energia chimica delle piante (e quindi al sole) esiste l'intero mondo vegetale e animale, quest'ultimo composto da erbivori, onnivori e carnivori... tra cui l'uomo.
Utilizzazione dell’energia solare
Nel nostro Paese, l’irraggiamento medio annuo va dai 3,6 kW per mq della Pianura Padana ai 4,7 kW per mq del Centro-Sud, ai 5,4 kW per mq della Sicilia.
Ne deriva che alcune regioni hanno un potenziale produttivo molto elevato, anche se l’intero territorio nazionale, in realtà, gode comunque di condizioni molto favorevoli all’installazione di impianti di produzione solare.
L’Italia è uno dei maggiori Paesi produttori di energia solare ed è all’avanguardia anche nel settore della ricerca e delle innovazioni tecnologiche.
Mediamente il Sole irradia alle soglie dell’atmosfera terrestre 1367 W/mq, nota come costante solare 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/mq.
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. 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.
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
I pannelli solari
Con i pannelli solari termici si produce acqua calda dal sole.
Per solare termico s'intende la trasformazione dell'irraggiamento solare in calore. Quest'ultimo viene utilizzato per riscaldare l'acqua e può costituire altresì un supporto per l'impianto di riscaldamento. Il solare termico rappresenta un investimento intelligente, poiché gas e petrolio scarseggiano sempre più, ed il crescente consumo a livello planetario si traduce in un incremento del prezzo dei combustibili fossili.
Solitamente si distinguono due tipologie di impianti solari termici:
- Impianti solari termici a circolazione naturale con serbatoio sul tetto.
- Impianti solari termici a circolazione forzata con serbatoio posizionato all’interno dell’edificio
Nell’impianto a circolazione naturale il liquido solare, scaldandosi, sale fino al serbatoio posto sopra il collettore. Quando perde calore, il liquido diventa più pesante e scende naturalmente nel circuito del pannello per un nuovo ciclo. Questo sistema non necessita di pompe e comporta quindi una spesa minore.
La tecnologia della circolazione naturale è più economica nei costi di gestione in quanto non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa e non richiede sistemi elettronici di controllo; questa tecnologia impone di porre il serbatoio ad un'altezza maggiore di quella dei pannelli, con maggiori costi per la realizzazione di adeguate strutture di sostegno dei serbatoi stessi.
Nell’impianto a circolazione forzata il liquido solare circola all’interno del pannello grazie ad una pompa ausiliaria. Perciò non è necessario disporre il serbatoio sopra al collettore. Il sistema è più efficiente perché una centralina regola i flussi del liquido solare attivando in maniera precisa e ottimale il processo di scambio tra collettore e serbatoio
I pannelli solari fotovoltaici
La tecnologia del pannello solare fotovoltaico si fonda sulla proprietà di alcuni materiali semiconduttori, come il silicio, di convertire direttamente l’energia delle radiazioni solari in energia elettrica.
I pannelli solari fotovoltaici 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 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.
La tecnologia solare fotovoltaica
L’elemento base di un impianto solare fotovoltaico è la cosiddetta cella fotovoltaica, una sottilissima lamina di silicio (da 0,3 a 0,5 mm), di forma circolare, rettangolare oppure ottagonale. Quando la luce del Sole colpisce la cella, si genera una corrente elettrica continua, paragonabile a una debole pila. Una cella quadrata di 156 mm di lato genera 3,5 W in condizioni standard, vale a dire a una temperatura di 25 °C e con una radiazione solare di potenza pari a 1.000 W/mq.
Più celle assemblate e collegate tra loro in serie formano un’unica struttura, il modulo fotovoltaico, elemento base del pannello fotovoltaico.
Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, costituiscono una stringa; più stringhe, collegate a loro volta (generalmente in parallelo), costituiscono un generatore fotovoltaico.
Il pannello solare a concentrazione
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.
Gli specchi quindi concentrano i raggi solari sul tubo centrale termovettore per il successivo accumulo di energia in appositi serbatoi.
Il vettore classico è costituito da olii minerali- 1^ generazione (sali fusi-2^ generazione) in grado di mantenere alte temperature.
L’energia solare è la fonte rinnovabile per eccellenza: inesauribile, sempre disponibile, pulita.
Un impianto solare per la produzione di energia è una testimonianza di sensibilità ambientale, a maggior ragione in Italia, dove possiamo contare su un’insolazione ottimale.
La produzione di elettricità con una tecnologia solare, infatti, utilizza come fonte primaria la luce del sole e non genera alcuna forma di emissione inquinante, prima fra tutte l’anidride carbonica.
A partire dal 2005, dopo l’introduzione del “1°Conto Energia” per l’incentivazione degli impianti solari, l’Italia si è affermata come uno dei Paesi più propensi alla generazione di energia da fonte solare. Si è così creata una vera e propria “filiera italiana del fotovoltaico”, con l’affermazione di nuove figure professionali altamente qualificate e di nuove aziende che impiegano diverse decine di migliaia di persone.
Perché installare un impianto fotovoltaico?
Sempre più spesso grandi industrie, medie imprese, professionisti e privati cittadini avvertono l’esigenza di un nuovo modo di produrre la propria energia.
Se il primo obiettivo è abbassare la spesa energetica complessiva, altrettanto sentito è anche il desiderio di salvaguardare l’ambiente e di ridurre la propria dipendenza dai combustibili fossili.
Un impianto fotovoltaico rappresenta la soluzione ideale per autoprodurre l’energia necessaria ai propri fabbisogni, risparmiare sui costi energetici e tutelare l’ambiente.
Un impianto fotovoltaico è semplice da installare, assolutamente silenzioso e di facile manutenzione.
Scambio sul posto:
Un ulteriore vantaggio per il produttore di energia solare che possiede un impianto con potenza inferiore a 200 kWp è quello di poter sfruttare il servizio di “scambio sul posto”, erogato direttamente dal Gestore dei Servizi Energetici (GSE).
Grazie a questo meccanismo di scambio il produttore, ad esempio il privato che ha installato un impianto fotovoltaico sul proprio tetto, può utilizzare l’energia solare prodotta ogni volta che ne ha la necessità.
L’energia elettrica prodotta e non utilizzata viene immessa sulla rete elettrica, mentre quella necessaria nei momenti in cui il suo impianto non ne genera a sufficienza continua ad essere fornita dalla rete di distribuzione locale.
Il modello di scambio sul posto oggi in vigore prevede che al cliente vengano rimborsati dalla propria spesa energetica sia il valore dell’energia che ha immesso in rete, sia i costi relativi all’utilizzo della rete (servizi di trasporto e dispacciamento) nella quota riferita all’energia che ha scambiato.
Il risparmio, quindi, non deriva solo dalla vendita o dal “mancato acquisto” di energia, ma anche dalla riduzione degli oneri variabili per il trasporto e il dispacciamento che pesano sulla bolletta di tutti i consumatori italiani.
Il fotovoltaico conviene ancora ?
- Detrazione IRPEF al 50%fino al 30.06.2013 per impianti fino a 20KW.
- Incentivi più alti se si installano pannelli di produzione europea.
- Per una installazione che prevede una rimozione di amianto incentivi più alti.
- Il costo medio di acquisto di un impianto da 3 KW si è ridotto drasticamente, attestandosi a circa 6000€.
- Con il V° Conto Energia (Il Conto energia è il programma che incentiva l'energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica), il costo dell’impianto si recupera in 4-8 anni circa.
- Gli incentivi sono garantiti per oltre 20 anni.
La convenienza per un privato a installare un impianto fotovoltaico dipende da vari fattori:
- entità della tariffa incentivante
- consumi elettrici del nucleo familiare
- posizione, orientamento e inclinazione dell’impianto
- ombreggiamento dei moduli
- orari di consumo dell’elettricità (possibilità di utilizzo diretto dell’energia FV autoprodotta), ecc.
A causa delle decurtazioni introdotte dal nuovo conto energia (V°), la convenienza degli impianti piccoli è calata di molto. Ad es., per una produzione di energia fotovoltaica di 3.168 kWh all’anno, e con un consumo annuale di 2.700 kWh, si registra un “deficit” riguardo al vecchio IV° Conto Energia, di ca. 7.000 euro. L’ammortamento degli impianti piccoli pertanto si allunga di ben 5 anni.
Con il “quinto conto energia”, per un impianto di 2,88 kWp (ca. 20 m²),l’utile dopo vent’anni si è abbassato a ca. 3.600 euro. Considerando che tale impianto costa all’incirca 8.000 euro, esso si ammortizza in oltre 10 anni.
……… e ancora si deve fare chiarezza sui costi per il futuro smaltimento dell’impianto.
A differenza del passato, in cui l'incentivazione all'utilizzo delle fonti rinnovabili avveniva mediante assegnazioni di somme a fondo perduto, grazie alle quali il privato poteva limitare il capitale investito, il meccanismo del conto energia è assimilabile ad un finanziamento in conto esercizio, in quanto non prevede alcuna facilitazione particolare da parte dello Stato per la messa in servizio dell'impianto.
Il principio che regge il meccanismo del conto energia consiste nell'incentivazione della produzione elettrica, e non dell'investimento necessario per ottenerla. Il privato proprietario dell'impianto fotovoltaico percepisce somme in modo continuativo, con cadenza tipicamente mensile, per i primi 20 anni di vita dell'impianto. Condizione indispensabile all'ottenimento delle tariffe incentivanti è che l'impianto sia connesso alla rete elettrica (grid connected). La dimensione nominale dell'impianto fotovoltaico deve essere superiore a 1 KWp. Non sono incentivati dal conto energia quegli impianti fotovoltaici destinati ad utenze isolate e non raggiunte dalla rete elettrica.
Lo scambio sul posto, disciplinato dalla deliberazione dell’Autorità per l’energia elettrica ed il gas definisce la regolamentazione del meccanismo che consente di immettere in rete l’energia elettrica prodotta ma non immediatamente autoconsumata, per poi prelevarla in un momento successivo per soddisfare i propri consumi. Il servizio di scambio sul posto è regolato su base economica dal Gestore Servizi Energetici (GSE) in forma di contributo associato alla valorizzazione, a prezzi di mercato, dell’energia scambiata con la rete.
Il futuro
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 orbitali. 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 per sfruttare l'energia del sole allo scopo di creare le prime vere grandi centrali solari.
Nota: A conclusione dell'incontro, il Sig. Romolo Maddaleni ha proposto, ai soci Unitre, una visita alla Centrale Elettrica ENEL "Archimede" di Priolo Gargallo dove il 14 luglio 2010 è stato inaugurato un impianto Solare a concentrazione. La visita alla centrale verrà effettuata nella prima settimana di giugno 2013.
