AMBIENTE E RISPARMIO ENERGETICO AMBIENTE E RISPARMIO ENERGETICO. Sistemi fotovoltaici e loro applicazioni

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1 Progetto grafico: PRC Roma Questa guida è stata realizzata in collaborazione con SEETA Consulting Ltd - Servizi per Ingegneria Ecologica, Tecnologia ed Architettura, Londra. Suggerimenti per migliorare l utilità di queste guide e per indicare altri argomenti da approfondire sono più che benvenuti: toolkit@confindustria.it Sistemi fotovoltaici e loro applicazioni IMPRESE X INNOVAZIONE

2 IL FOTOVOLTAICO UN FATTORE IMPORTANTE La rapida diminuzione delle risorse naturali e il parallelo aumento dei consumi mondiali di energia, in combinazione con gli aumenti dei prezzi internazionali del petrolio, sono fattori importanti per l attuale situazione nel mondo e spingono a pensare come migliorare l uso delle fonti dell energia rinnovabile e sostenere fortemente la loro applicazione a livello mondiale. Le previsioni internazionali, il problema del mutamento climatico e le sue conseguenze sulla vita e sul pianeta mostrano che un cambiamento verso lo svi- luppo sostenibile è molto importante, se noi desideriamo creare un ambiente favorevole per la vita dei nostri figli e delle future generazioni. La comunità scientifica ha raggiunto una opinione concorde sulle ragioni delle alterazioni climatiche, poiché la temperatura del mondo, senza dubbio, sta aumentando. Questo aumento di temperatura è il risultato delle emissioni di ossido di carbonio ed altri gas serra prodotti dalle attività umane, compresi i processi industriali, la combustione di carburanti fossili, nonché i cambiamenti nell utilizzazione delle risorse della terra come la deforestazione. FIGURA 1 - QUOTA DELLE ENERGIE RINNOVABILI NELLA PRODUZIONE MONDIALE DI ELETTRICITÀ Fonte: European Renewable Energy Council (EREC),

3 2 Nella figura 1 è interessante notare la previsione per la fornitura di elettricità dalle energie rinnovabili per il 2040, come esse contribuiscano per più dell 80% alla fornitura globale di elettricità e con una buona parte fornita dai sistemi fotovoltaici. Il FOTOVOLTAICO: UN FATTORE IMPORTANTE Aumento del Prezzo del Petrolio (100$ al Barile/Gennaio 2008) Necessità di una politica energetica Incremento delle energie rinnovabili per un Mix Energetico Sviluppo tecnologico del Fotovoltaico OBIETTIVI: Minore costo dell impianto Maggiore efficienza Aumento delle applicazioni architettoniche PERCHÉ È CONVENIENTE USARE MAGGIORMENTE L ENERGIA SOLARE? L energia solare è un combustibile: Gratuito Rinnovabile, in quanto praticamente inesauribile Non inquinante, in quanto il suo utilizzo non determina alcuna emissione di sostanza inquinante e di anidride carbonica, principale responsabile dell effetto serra e del riscaldamento serra e del riscaldamento globale in atto Accessibile a tutti SITUAZIONE DEL FOTOVOLTAICO IN ITALIA Nel corso degli ultimi anni in molti paesi europei si è verificata una notevole crescita dell utilizzo di impianti fotovoltaici, come in Germania, Olanda e Svizzera mentre in Italia il mercato è sempre stato limitato ad un uso particolare da parte di utenze disagiate oppure da impianti sperimentali che sono stati realizzati con finanziamenti pubblici e prevalentemente utilizzati per lo studio di questa nuova tecnologia e per le sue applicazioni. Tra l altro va segnalato che da parte dei vari governi che si sono succeduti nel corso degli anni non è mai stata avviata una campagna di finanziamenti a fondo perduto per coprire i costi iniziali di acquisto ed installazione della tecnologia foto- FIGURA 2 - SCHEMA DEL FOTOVOLTAICO voltaica come invece è accaduto nei paesi europei sopra menzionati. Tuttavia dal Settembre del 2005 è attivo un sistema di incentivazione denominato Conto Energia per la produzione di Energia elettrica attraverso impianti fotovoltaici. In data molto recente, febbraio 2007, sono stati introdotti cambiamenti radicali allo schema originario. La caratteristica fondamentale di questo sistema di incentivazione è quella di dare un valore all energia prodotta dall impianto secondo una tariffa incentivante. In altre parole, se lo Stato riconoscesse ai cittadini ed alle aziende titolari di impianti fotovoltaici oltre ad un contributo sulla produzione di energia elettrica, anche un sistema di sgravi fiscali più vantaggiosi e finanziamenti di altra natura, ci sarebbe una maggior attrattiva verso questo tipo di tecnolo- Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney gia. Questa tariffa incentivante può essere concessa a tutti gli impianti fotovoltaici con potenza superiore ad 1 kwp, mentre l ente pubblico preposto a fornire questo incentivo è il GSE (Gestore dei Servizi Elettrici). Le modifiche introdotte a febbraio 2007 prevedono che la richiesta al GSE per la concessione della tariffa incentivante debba esser fatta immediatamente dopo l inizio del funziamento dell impianto fotovoltaico. BASE DEL FOTOVOLTAICO/ DATI/TECNOLOGIA L effetto fotovoltaico L effetto fotovoltaico converte la luce del sole direttamente in elettricità. Fu scoperto per la prima volta nel 1860 ed 3

4 4 è dovuto ad una caratteristica fisica dei materiali detti «semiconduttori», tra cui il silicio (usato anche nei componenti elettronici), il boro e il fosforo (questi ultimi servono per dare la positività e la negatività). Quando un raggio luminoso colpisce la cella solare alcuni fotoni (particelle di energia che lo compongono) trasferiscono la loro energia agli elettroni che, incominciando a muoversi in una direzione particolare, creano corrente elettrica continua. Facendo passare per fili metallici molto sottili la corrente ottenuta e aggiungendo altre correnti provenienti da altre cellule simili che compongono il pannello, si può raggiungere la potenza necessaria all uso desiderato (Figura 2). Le celle fotovoltaiche sono fatte di sottili fette di silicio, spesse da 0,3 a 0,5 mm, di for- FIGURA 3 - MODULO FOTOVOLTAICO Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney ma circolare, rettangolare o ottagonale. Le due superfici della cella vengono metallizzate per permettere il loro collegamento elettrico. Nella parte da esporre al sole, la metallizzazione assume la forma tipica di una griglia affinché la luce solare possa passare. Le celle fotovoltaiche cristalline sono usualmente disposte in strati sottili e piani collegati fra loro, oppure quelle a film sottile, possono essere ottenute creando una pellicola sottile ed uniforme ricavata distribuendo il materiale polverizzato direttamente su un supporto, grazie alle tecnologie del vuoto. Essendo la cella fotovoltaica costituita da un materiale molto delicato, viene protetta nella parte superiore da un vetro o da un altro materiale trasparente e specificamente trattato (Figura 3). Il dispositivo più utilizzato consiste in un pannello rettangolare, spesso pochi millimetri, con una superficie fra 0,1 e 3 m 2 del peso di qualche chilogrammo, con prestazioni differenti a seconda della qualità delle celle utilizzate della relativa tecnologia di fabbricazione. Sistemi fotovoltaici I sistemi fotovoltaici si dividono in due tipi: 1. Sistemi Stand Alone o con accumulo, quando l unica fonte di energia utilizzata per alimentare una utenza isolata è l energia solare fotovoltaica. 2. Sistemi Grid Connected o connessi in rete (Tetti Fotovoltaici), quando l energia elettrica prodotta con il sistema fotovoltaico viene immessa direttamente nella rete dell utente per effettuare lo scambio di energia elettrica con il proprio fornitore (Fonte: Tecnosolar). Elementi di un impianto fotovoltaico Un impianto fotovoltaico è costituito da una serie di pannelli fotovoltaici collegati fra loro ed appoggiati ad una struttura che li sorregge e provvede al loro orientamento, dando un inclinazione rispetto al piano orizzontale che in Italia è ottimale di circa 30. I pannelli fotovoltaici sono collegati ad un inverter che è un dispositivo elettronico che consente di adeguare l energia elettrica prodotta dai moduli alle necessità delle apparecchiature elettriche o alla rete, effettuando la trasformazione della corrente da continua ad alternata con una frequenza di 50 Hz. Successivamente sulla linea è installato un misuratore di energia che serve a misurare e conteggiare l energia prodotta dall impianto e quella immessa nella rete. Completano l impianto quadri, cavi, interruttori ed altri dispositivi di protezione. FIGURA 4 - SCHEMA DI UN PICCOLO IMPIANTO FOTOVOLTAICO CONNESSO ALLA RETE Fonte: Enel 5

5 6 Vantaggi della tecnologia La tecnologia fotovoltaica offre particolari vantaggi: Non produce alcun tipo di inquinamento ambientale. La manutenzione è minima. Può essere utilizzata ovunque quando ci sia luce solare. Non ci sono perdite nella linea elettrica essendo l impianto installato vicino agli apparecchi che lo utilizzano. Varie applicazioni, da pochi milliwatt a molti megawatt, e la potenza dell impianto può essere modificata senza problemi. Dati del fotovoltaico L energia solare globale che arriva sulla terraferma è superiore di oltre volte agli attuali consumi energetici mondiali. La produzione degli impianti fotovoltaici attualmente installati in Italia è stimabile in 120 milioni di kwh/anno. La produzione di energia è uguale alla potenza dell impianto per le ore equivalenti del suo sfruttamento (dipendenti dal sito). Producibilità = Potenza x ore-equivalenti (kwh/anno) = (kw) x (1.200 h/anno) Il consumo tipico di una famiglia di 4 persone in un anno = kwh. L area occupata dai moduli fotovoltaici di un impianto da 1 kw è circa 10 m 2. L area di un generatore fotovoltaico che può soddisfare la domanda di una famiglia tipo è di circa m 2 in una località dell Italia meridionale. L area occupata da un sistema fotovoltaico di 1 MW (1.000 kw) è di circa 1,5 ettari ( m 2 ). L impegno del territorio è dovuto per il 50% alle aree occupate dai moduli e dalle parti del sistema e per l altro 50% alle aree di rispetto, di fatto libere, ma necessarie per evitare l ombreggiamento reciproco delle file di moduli. Una centrale di 1 MW può fornire l energia necessaria a soddisfare la domanda di circa 500 utenti. Tecnologie del fotovoltaico sul mercato Le celle fotovoltaiche sono costituite in silicio di diverse tipologie: silicio monocristallino; silicio policristallino; silicio amorfo. Poiché il silicio monocristallino ha costi di produzione più elevati rispetto al policristallino, attualmente per costruire i pannelli solari si usa di più il silicio policristallino. Il pannello che viene usato maggiormente è quello a doppio vetro dove la cella fotovoltaica è incapsulata tra due strati di vetro ad alta resistenza e uniti con uno strato di silicone trasparente. FIGURA 5 - PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE DEL FOTOVOLTAICO Silicio Monocristallino Cristallino Silicio Policristallino CELLULE SOLARI Per fabbricare i moduli l industria del fotovoltaico usa il silicio cristallino oppure la tecnologia più avanzata del film sottile. Nel caso del cristallino vengono comunemente utilizzati wafer di silicio monocristallino (single-si) o policristallino (poli-si) mentre tecnologie emergenti prevedono l utilizzo di silicio deposto sotto forma di nastri (ribbon-si). In ogni caso, il processo di fabbricazione delle celle per la realizzazione dei moduli fotovoltaici è quello tipico dell industria dei semiconduttori. I fabbricanti di cellule solari poi assemblano le cellule nei moduli o vendono le stesse a fabbricanti di moduli per il loro montaggio. Poiché la prima applicazione importante del fotovoltaico è quella di ricaricare le batterie, molti moduli in vendita sul mercato sono progettati per dare corrente continua ad una intensità leggera ai 12 V. Silicio Amorfo Film sottile Diseleniuro di Indio e Rame (CIS) Tellurio di Cadmio (CdTe) Fonte: Prof. Silke Krawietz, Building Integration of Photovoltaics,

6 8 FIGURA 6 - DISTRIBUZIONE PER TECNOLOGIE DELLA PRODUZIONE MONDIALE DI CELLE FOTOVOLTAICHE Film sottili 7% Silicio policristallino 58% Altro 3% Silicio monocristallino 32% Fonte: European Commission, Directorate J Energy, A vision for Photovoltaic technology, 2005 Un tipico modulo al silicio cristallino consiste in una serie di circuiti di circa 36 cellule inserite in una protezione di vetro o plastica per prevenire danni all ambiente circostante ed atmosferico. Questa protezione è rinchiusa in una cornice e provvista di contatti elettrici o scatola di connessione (junction box). L efficienza della conversione normale da energia solare ad energia elettrica per un normale modulo di silicio cristallino varia dall 11% al 15%. Come si è visto, il materiale di cui è composta la cella, la sua struttura molecolare e la configurazione elettronica sono gli elementi che maggiormente influisco no sulle prestazioni del dispositivo. Attualmente, il mercato del fotovoltaico è dominato dalle tecnologie al silicio. Tecnologia fotovoltaica del film sottile Per la fabbricazione del film sottile esistono quattro tecnologie avanzate. I loro nomi derivano dal materiale utilizzato nelle cellule: tellurio di cadmio (CdTe), diseleniuro di indio e rame (copper indium diselenide CIS), silicio amorfo (a-si) e film sottile di silicio (thin film-si). Il silicio amorfo è l unico che ha una produzione commerciale, mentre le altre tre tecnologie si stanno progressivamente avvicinando al mercato. I moduli a film sottile sono fabbricati direttamente sul substrato, senza bisogno di processi intermedi di fabbricazione (Fonte: Retscreen). Il film sottile del fotovoltaico è una tecnologia a basso costo, a causa dei minori costi per il materiale e la produzione. Ci sono tre tecno logie di film sottili su base inorganica e tutte hanno realizzato moduli solari a grande FIGURA 7 - FILM-SOTTILE CON TRASPARENZA, ASITHRU MODULO Fonte: Schott Solar GmbH superficie e efficienza ed hanno in comune una serie di principi generali. In ognuna delle tecnologie del film sottile soltanto una piccolissima quantità di materiale semiconduttore è usato (in genere sono di spessore di 0,001 mm) ed il materiale utilizzato per la protezione come vetro o plastica è relativamente poco costoso. La disponibilità di un ampia scelta di attrezzature per la deposizione ed i relativi processi tecnologici, come anche le forti sinergie con l industria di vetri per l architettura e l industria di pannelli piatti offrono importanti opportunità per la fabbricazione su grande scala e a basso costo. L industria dei pannelli fotovoltaici a film sottile sta decollando e la sfida è adesso aumentare abbastanza velocemente per stabilire una presenza significativa nel mercato del fotovoltaico. La probabile evoluzione delle capacità produttive già è mostrata nella figura 8. FIGURA 8 - EVOLUZIONE DELLA CAPACITÀ PRODUTTIVA MONDIALE DEI FILM SOTTILI SU SCALA MONDIALE NEI PROSSIMI ANNI Production capacities in MW/a Year CdTe a-si/rel. CIS Total thin films Fonte: Tecnosolar.net 9

7 APPLICAZIONI DEL FOTOVOLTAICO Sistemi di utilizzo: l energia fotovoltaica La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente le radiazioni solari in energia nelle situazioni più diverse: dalle case o comunità isolate ai sistemi di segnalazione aerei, marittimi e terrestri, dagli impianti di telecomunicazione a quelli di dissalazione di acque marine, dosatori di cloro, protezione catodiche, dall illuminazione pubblica ai sistemi di refrigerazione, fino alle centrali di produzione collegate alla rete FIGURA 9 - FACCIATA CON PANNELLI FOTOVOLTAICI, SEDE CENTRALE AUDI DI INGOLSTADT, ASI OPAK MODULI Fonte: Schott Solar GmbH FIGURA 10 - COPERTURA SEMITRASPARENTE CON PANNELLI FOTOVOLTAICI. STILLWELL STAZIONE DI NEW YORK, INAUGURAZIONE 2005 elettrica e alle generazioni di energia elettrica integrata negli edifici (tetti fotovoltaici). Il grande interesse verso il fotovoltaico nasce dalle seguenti sue caratteristiche: disponibilità sul territorio della fonte solare, modularità, affidabilità, minime esigenze di manutenzione, assenza di emissioni inquinanti in loco (Fonte: Tecnosolar). Tetti fotovoltaici / Facciate fotovoltaiche Sono sistemi permanentemente collegati alla rete elettrica; nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l energia necessaria a coprire la domanda Fonte: Schott Solar GmbH di elettricità è la rete a fornire l energia richiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico produce più energia di quanta sia effettivamente richiesta dal carico, il surplus viene trasferito alla rete e contabilizzato. Questi sistemi ovviamente non hanno bisogno di batterie, perchè è la rete stessa che sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di scarsa o assente insolazione! L efficienza dell impianto fotovoltaico La produzione di energia tramite gli impianti fotovoltaici dipende da vari fattori: 10 11

8 12 Superficie dell impianto. L inclinazione ideale dei pannelli solari rispetto al terreno è di 30. Per le altre pendenze la perdita oscilla dal -10% per inclinazioni orizzontali (tetto piano) e -35% per inclinazioni completamente verticali (pareti esterne). Posizione dei pannelli rispetto al sole. I pannelli devono essere esposti a sud per ricevere il massimo irraggiamento solare. Orientando i pannelli verso sud-est o verso sud-ovest si ottiene una perdita del - 5%. È importante anche correggere l inclinazione in base alla propria latitudine. L inclinazione dei pannelli deve essere aggiustata con angolo di inclinazione pari alla latitudine locale sottratta di 10 circa. Potenza della radiazione solare. L energia solare irraggia diversamente una località del nord e del sud Italia. Basti considerare i diversi valori di insolazione media di Milano (1.372,4 kwh/m 2 anno), di Roma (1.737,4 kwh/m 2 anno) e di Trapani (1.963,7 kwh/m 2 anno). Anche le caratteristiche morfologiche e atmosferiche della zona hanno un ruolo importante nel determinare la potenza della radiazione solare e la raccolta di energia fotovoltaica. Efficienza dei moduli fotovoltaici. In condizioni standard d insolazione (1.000 W/m 2, temperatura del modulo di 25 C) si stima che l efficienza dei moduli fotovoltaici oscilli mediamente tra 13-15% (Fonte Ecoage). Aumento dell efficienza dei moduli e celle solari, allo scopo di renderle più vantaggiose (tra le altre ricerche in corso nel campo dello sviluppo delle nuove cellule solari e la loro riduzione di costi). Diminuzione e riduzione dei costi di produzione per i moduli del fotovoltaico ed i componenti del sistema. Una generale riduzione dei prezzi del fotovoltaico ed una più diffusa applicazione andranno di pari passo. Sono attese nuove forme architettoniche e variazioni del design con l integrazione di nuovi moduli e cellule fotovoltaiche negli edifici. La ricerca nel campo delle nuove forme della tecnologia fotovoltaica (ad esempio, la Terza Generazione delle cellule solari, etc.) sono in futuro molto promettenti e possono portare sicuramente profonde innovazioni, nel lungo termine, insieme ad una attesa maggiore efficienza ed a una riduzione di costi nello stesso tempo.