Energia-Solare

L'energia solare è la forma di energia rinnovabile più abbondante sulla Terra. Come tutte le fonti rinnovabili, per definizione, quella solare la otteniamo da una fonte naturale e inesauribile…il Sole!
Il Sole produce energia ormai da miliardi di anni e abbiamo imparato ad utilizzarla fin dagli albori dell'umanità per riscaldarci, per essiccare frutta, cereali e carne. Con il passare del tempo e con lo sviluppo di nuove tecnologie siamo riusciti a raccogliere e convertire l'energia solare per la produzione di calore ed elettricità.
Il Sole emette radiazione elettromagnetica in misura pari a circa 1360 W/m2 (watt su metro quadro), ma solo una parte di essa raggiunge la Terra perché viene riflessa, deviata, assorbita e diffusa prima ancora di toccare il suolo. Quella che arriva sulla superficie, con le giuste tecnologie, possiamo utilizzarla per generare calore ed elettricità.

Ma quindi, vista l'enorme quantità di energia irradiata dal Sole, possiamo ottenere energia quasi infinita? Purtroppo no, perché la maggior parte dei pannelli commerciali permette di ottenere un'efficienza media del 15-20% – sebbene in alcune ricerche sperimentali si possano raggiungere efficienze che sfiorano il 40-50%.

Come si sfrutta l'energia solare?

Gli impianti in grado di convertire energia solare in elettricità e calore sono chiamati anche solar farms e si dividono principalmente in sistemi solari fotovoltaici e sistemi solari termici. Analizziamoli brevemente.

Sistemi fotovoltaici

I sistemi solari fotovoltaici – chiamati anche celle solari o PV ovvero photovoltaic panelsconvertono la luce solare in elettricità tramite un processo elettronico e può essere utilizzato per alimentare numerosi dispositivi, sistemi e infrastrutture: da piccoli dispositivi elettronici come calcolatrici e segnali stradali fino a case e grandi attività commerciali.

pannelli fotovoltaici

Le celle di cui sono formati i pannelli sono un'insieme di strati di materiale semiconduttore cristallizzato (come il silicio), avvolti da materiale conduttivo.
La luce del Sole colpisce il pannello con un'energia sufficiente da reagire con i cristalli in silicio, che liberano elettroni generando una corrente elettrica. Per aumentare la potenza delle singole celle, queste sono connesse assieme in modo da formare un complesso modulare.
Piccole celle possono alimentare calcolatrici, orologi e altri piccoli dispositivi elettronici mentre più pannelli in linea possono produrre elettricità per migliaia di case. Il loro utilizzo è inoltre fondamentale per l'industria spaziale, essendo un metodo di produzione di energia applicabile anche nello spazio.

Sistemi termici

Per produrre energia termica la radiazione solare viene convogliata e raccolta in un dispositivo chiamato "accumulatore termico" che riscalda l'acqua contenuta in grandi serbatoi. Il calore ottenuto può essere poi utilizzato sia a livello domestico che industriale per riscaldare case, piscine, serre ed edifici. Anche in questo caso si utilizzano pannelli, che però non producono energia ma accumulano calore. Questo può essere mantenuto in serbatoi termicamente isolati per essere utilizzato durante la notte o in assenza di luce solare sufficiente.

pannelli solari
in foto: Pannelli solari e termici di un’impianto visti dall’alto.

Altre tecniche

Una via di mezzo tra termico e fotovoltaico è il solare termoelettrico. Questo sistema riesce innanzitutto a generare calore sfruttando la radiazione solare (come con il solare termico) ma è anche in grado di generare energia elettrica. In che modo? Per spiegarla in modo semplice possiamo dire che al suo interno contiene dei conduttori elettrici di materiali diversi. La differenza di temperatura tra l'uno e l'altro è in grado di generare corrente elettrica grazie ad un fenomeno fisico conosciuto come effetto Seebeck.

Questa viene prodotta da un sistema che prima accumula calore, e poi produce elettricità sfruttando il movimento di una turbina. Questa si muove perché viene alimentata dal movimento dell'acqua calda nel boiler.
Nuove tecnologie stanno sperimentando materiali in grado di produrre energia anche nei luoghi più "strani" e per gli scopi più disparati. La luce solare può essere utilizzata anche per la desalinizzazione delle acque sfruttando il principio di evaporazione dell'acqua. Un ottimo metodo che permette di ottenere acqua dolce in luoghi molto aridi dove però l'irraggiamento è elevato. Due piccioni con una fava!
Non dimentichiamoci che i pannelli solari sono utilizzati anche nell'industria aerospaziale per ottenere energia anche…nello spazio!

satellite
in foto: Illustrazione 3D di un satellite spaziale coperto da pannelli solari.

Un altro esempio sono le "finestre solari" , che permettono di far passare la luce ma allo stesso tempo di produrre energia elettrica. Questa tecnologia in pratica potrebbe permettere di produrre energia da finestre di case ed edifici! Un'altra idea è quella di utilizzare i tettucci delle auto come luoghi su cui installare i pannelli fotovoltaici, così come creare piattaforme estese nell'oceano su cui posizionare grossi impianti solari, ma anche piccole celle direttamente sui lampioni per permettere la produzione di luce per illuminare le strade. Insomma, il concetto è quello di sfruttare tutte le superfici possibili per recepire al meglio la luce.

Vantaggi e svantaggi dell'energia solare

L'energia solare, come tute le fonti energetiche, possiede sia vantaggi che svantaggi.

Partiamo con i vantaggi. Questi sono legati principalmente alla natura rinnovabile di questa energia, essendo il Sole una fonte inesauribile. Inoltre la produzione di energia solare di per sé non emette gas serra né CO2 e permette la transizione verso forme di energia indipendenti dal fossile.
Il solare fotovoltaico si presta ad un'elevata serie di applicazioni, da sistemi su piccola scala come elettronica di uso comune fino ad impianti energetici su grande scala. Questo permette di utilizzare questa forma di energia anche in contesti privati e di piccole aziende, permettendo un risparmio energetico ed economico.

sole

Passiamo ora agli svantaggi. La quantità di luce solare che arriva sulla superficie terrestre è mutevole poiché varia a seconda della posizione, dell'ora del giorno, della stagione dell'anno e delle condizioni meteorologiche. Per l'appunto, non tutti i luoghi sulla Terra sono adatti alla produzione di energia solare, questo perché la radiazione solare raggiunge la superficie terrestre con un'inclinazione non sempre favorevole. Se i raggi arrivano perpendicolari alla superficie allora l'energia che si può ottenere è massima, mentre se l'inclinazione è molto accentuata i raggi di luce saranno piuttosto deboli. Non che non sia possibile ottenere energia solare in questi casi, ma potrebbe non valerne la pena da un punto di vista economico.
È inoltre necessaria un'ampia superficie per assorbire o raccogliere una quantità di energia tale da rendere il processo proficuo in termini energetici ed economici. Questo è un aspetto non di poco conto per quanto riguarda l'uso del suolo. Da un punto di vista economico inoltre, sia i costi d'installazione che gli interventi di manutenzione dell'impianto necessitano un investimento piuttosto elevato e costante. Un altro problema – legato al fotovoltaico nello specifico – è la produzione e lo smaltimento dei pannelli e delle batterie, che hanno un impatto ambientale importante poiché contengono al loro interno sostanze chimiche che necessitano di processi di smaltimento specifico. Se consideriamo l'intero ciclo di vita dei pannelli e degli impianti (quello che viene chiamato LCA o Life Cycle Assessment) vediamo come la produzione, il trasporto, l'installazione e lo smaltimento di questi prodotti portino ad un impatto ambientale non trascurabile.

L'energia solare nel mondo e in Italia

A partire dagli anni '90 la produzione di energia solare è aumentata, grazie allo sviluppo di tecnologie sempre più efficienti e ai costi sempre più accessibili. Dalla mappa sottostante è possibile notare come i maggiori produttori di energia solare siano Cina e USA, seguiti da India, Spagna, Australia e SudAfrica. Nel mondo nel 2020 sono stati prodotti qualcosa come 800 TWh (terawatt-ora) da energia solare (OWID 2020).
I dati 2019 da GSE & TERNA (che trovate qui) indicano che il settore elettrico in Italia ha subito un incremento generale nell'ultimo decennio, in parte dovuto ad un aumento della produzione di energia elettrica solare. Nel 2019 il consumo di energia da solare fotovoltaico è stato del 9% circa, mentre quello da solare termico inferiore al 2% (dati GSE in collaborazione con TERNA).

pproduzione-energia-solare
in foto: Produzione di elettricità da solare, misurata in terawatt–ora (TWh) all’anno (Credit: Our World in Data su dati World Energy & Ember 2020).

Bibliografia
EIA – U.S. Energy Information Administration
Energia rinnovabile – EPA
Ioan Sarbu, Calin Sebarchievici – Solar Heating and Cooling Systems, 2017
U.S. Department of Energy – Solar Energy Technologies Office

Articolo a cura di
Nicole Pillepich