TECNOLOGIA

Sulla base delle caratteristiche della cella si parla di celle a silicio monocristallino (atomi di silicio disposti a costituire un unico cristallo), celle a silicio policristallino (atomi di silicio ordinati, ma a costituire molti cristalli uniti fra loro) e celle a film sottile o “thin film” (materiali semiconduttori “sottili” depositati direttamente su supporti rigidi o flessibili come plastica, lamiera o vetro).

Queste tre tipologie di celle si differenziano per svariate ragioni, fra le quali estetica ed efficienza (decrescente passando dalla tecnologia monocristallina a quelle a film sottile). A parità di potenza dell’impianto fotovoltaico, lo spazio occupato da un impianto a film sottile è quindi superiore rispetto a quello in silicio cristallino.

L’impianto fotovoltaico è composto essenzialmente da:

• Moduli fotovoltaici: convertono l’energia solare in energia elettrica (corrente continua). Le celle fotovoltaiche sono protette da un vetro con particolari caratteristiche di resistenza e trasparenza; il peso si aggira sui 15/20 kg. La potenzialità del modulo si esprime in “watt di picco” (Wp) il cui valore indica la quantità di energia che il modulo è in grado di produrre nell’unità di tempo in condizioni standard (radiazione solare di 1.000 W/mq, temperatura ambiente di 25°C e velocità del vento di 1 m/s). I moduli sono combinati insieme per costruire il “campo fotovoltaico”;
• Inverter: componente fondamentale dell’impianto, trasforma la corrente continua prodotta dai moduli, in corrente alternata, direttamente utilizzabile nella rete domestica o immessa nella rete elettrica. Oltre a svolgere le funzioni di trasformazione della corrente, l’inverter ha anche il compito di monitorare l’impianto e ottimizzare la resa;
• Quadri elettrici (quadro di campo “lato continua” e quadro AC “lato alternata”) e cavi di collegamento che trasportano l’energia dai moduli all’inverter (corrente continua) e dall’inverter ai contatori e all’utenza (corrente alternata);
• Misuratori di energia (contatori): sono dispositivi che servono a controllare e contabilizzare la quantità di energia elettrica prodotta e scambiata con la rete;
• Strutture di sostegno per i moduli (siano essi posizionati a terra, su tetto o su pensilina).

La quantità di energia elettrica prodotta da un impianto fotovoltaico non è costante, né durante il giorno né durante l’anno, per cui è necessario o collegare gli impianti alla rete elettrica pubblica (impianti fotovoltaici connessi alla rete o grid-connected), oppure utilizzare sistemi di accumulo dell’energia elettrica dimensionati per rendere l’energia disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente (impianti fotovoltaici ad isola o stand-alone).

Le condizioni ottimali per installare i moduli fotovoltaici sono: esposizione a Sud, inclinazione tra 30°. Sono comunque ammissibili deviazioni, anche significative, da queste condizioni mantenendo elevati livelli di producibilità.

Gli impianti per la produzione di energia elettrica mediante tecnologia fotovoltaica presentano diversi vantaggi:

• assenza di emissioni inquinanti;
• risparmio dei combustibili fossili;
• affidabilità (vita utile superiore a 25 anni);
• bassi costi di manutenzione;
• risparmio in bolletta;
• modularità del sistema.

Un impianto fotovoltaico necessita semplicemente di un luogo di installazione adeguato. È fondamentale che la superficie di installazione non sia ombreggiata; i moduli devono essere orientati il più possibile verso sud e presentare un angolo di inclinazione il possibile vicino a 30 °, compatibilmente con le caratteristiche del sito di installazione e di eventuali vincoli paesaggistici. Installazioni con esposizione verso sud-est o sud-ovest sono comunque ammesse, così come modifiche dell’angolo di tilt (inclinazione del modulo), che anzi possono essere utilizzate per incrementare la produzione in alcuni mesi specifici dell’anno.

L’accumulatore ha la funzione di immagazzinare l’energia termica al fine di poterla usare successivamente, al momento del bisogno. Un impianto solare termico è composto sempre almeno dalle seguenti unità:

– uno o più collettori che cedono il calore del sole al fluido (una semplice lastra di rame percorsa da una serpentina, un pannello selettivo trattato con biossido di titanio o un assorbitore sottovuoto);

– un serbatoio di accumulo.

I principali tipi di impianto sono:

– a circolazione naturale: il fluido riscaldandosi nel collettore sale per convezione nel serbatoio di accumulo (boiler), posto più in alto del pannello, e rilascia il calore all’acqua contenuta nel serbatoio, distribuita direttamente alle utenze domestiche. Questo impianto è molto semplice ma è caratterizzato da una elevata dispersione termica.

– a circolazione forzata: il fluido riscaldato nei collettori raggiunge il serbatoio di accumulo attraversando il circuito primario grazie alla spinta di una pompa, detta circolatore; il circuito primario è quindi composto dal pannello, dalla serpentina all’interno del boiler e dalle tubazioni. L’impianto è più complesso (prevede anche un sistema di controllo), ha un consumo elettrico, ma presenta un’efficienza termica più elevata.

Le macchine eoliche sono divisibili in due gruppi distinti in funzione del tipo di modulo base adoperato:

– Generatori eolici ad asse orizzontale, in cui il rotore si orienta parallelamente alla direzione di provenienza del vento;

– Generatori eolici ad asse verticale, il cui orientamento è indipendente dalla direzione di provenienza del vento.

Entrambe le tipologie di generatori richiedono una velocità minima del vento (cut-in), erogano la potenza nominale ad una velocità del vento intermedia (12–14 m/s), e ad elevate velocità (20–25 m/s, velocità di cut-off) vengono bloccati per ragioni di sicurezza.

Solitamente si definiscono “minieolici” gli impianti con una potenza nominale fra 20 kW e 200 kW, mentre per “microeolici” si intendono impianti con potenze inferiori ai 20 kW.

L’eolico ha grossi potenziali di crescita e ha già raggiunto dei bassi costi di produzione, se confrontati con quelli delle altre fonti di energia. Tuttavia esistono alcune resistenze al posizionamento delle turbine in alcune zone per ragioni estetiche o paesaggistiche.

E’ una fonte mediamente stabile di anno in anno, ma con una variazione significativa su scale di tempo più brevi.

Tutti questi materiali possono essere riutilizzati principalmente per tre finalità:

– la produzione diretta di carburanti biologici (biofuel);

– la generazione di energia elettrica e termica (biopower);

– la realizzazione di composti chimici (bioproduct).

I biofuel come bioetanolo, biodiesel o oli vegetali, possono essere ottenuti per fermentazione, spremitura o altri processi chimici.

L’energia termica ed elettrica può essere ricavata direttamente bruciando la biomassa legnosa (ciocchi di legna o pellet) in caldaie a elevato rendimento o impianti di cogenerazione (questi ultimi producono energia elettrica e termica).

Il biogas è ottenuto attraverso uno specifico processo di digestione anaerobica, e a sua volta il biogas viene impiegato per la generazione diretta di energia o come combustibile.

Le biomasse possono essere utilizzate in centrali a biomassa che ne estraggono l’energia attraverso diverse tecniche: combustione diretta delle biomasse, pirolisi o estrazione di gas di sintesi tramite gassificazione.

Il principale limite allo sfruttamento della biomassa come fonte di energia è legato alla carenza di spazi per la coltivazione. Per ragioni di convenienza economica sarebbe necessario produrre quantità di materiale molto elevate; in questo modo, però, si sottrarrebbero spazi alla coltivazione per uso alimentare e alle altre attività agricole. Inoltre la crescente richiesta di materie prime per la produzione energetica potrebbe far crescere i prezzi delle derrate alimentari. I vantaggi, invece, sono molteplici:

– non richiedono l’utilizzo di tecnologie dispendiose

– sfruttano in modo efficiente le risorse naturali, poiché i materiali di scarto utilizzati verrebbero altrimenti gettati o eliminati.

– generano una serie di sottoprodotti utili e remunerativi, tra cui fertilizzanti a basso prezzo.

– sono tra le fonti di energia più “pulite”: la loro produzione e trasformazione genera scarsissimi residui inquinanti.

Dall’interesse crescente per le applicazioni idrauliche di piccola e piccolissima taglia si apre una nuova epoca per l’idroelettrico. Le moderne turbine idrauliche presenti oggi in commercio, disponibili in una vastissima gamma di taglie e modelli, consentono di produrre energia elettrica utilizzando basse portate e dislivelli anche solo di pochi metri.

Le diverse tipologie impiantistiche dipendono dalle caratteristiche della risorsa idrica e dalle modalità con cui questa viene “catturata” e indirizzata alla turbina. La classificazione per taglie comunemente accettata e codificata a livello internazionale è la seguente:

– Micro idroelettrico (fino a 100 kW)

– Mini idroelettrico (da 100 kW a 1 MW)

– Piccolo idroelettrico (da 1 MW a 10 MW)

– Idroelettrico di grande taglia (oltre i 10 MW).

– sfrutta la temperatura costante del terreno (o della falda) negli strati più superficiali, una fonte di calore diffusa pressoché ovunque;

– integra o sostituisce efficacemente i tradizionali impianti domestici di climatizzazione: grazie alla pompa di calore produce caldo (anche l’acqua calda sanitaria) e freddo, consentendo notevoli risparmi sulle voci più onerose delle bollette;

– può dare un fondamentale contributo alla riduzione della dipendenza dai combustibili fossili;

– è una tecnologia consolidata e commercialmente matura.

Le pompe di calore geotermiche, che sono l’elemento fondamentale dell’impianto, permettono di convertire l’energia termica del sottosuolo in calore o freddo utile per l’edificio. La configurazione impiantistica più comune prevede, in abbinamento alla pompa di calore, l’installazione di sonde geotermiche verticali, interrate nel terreno a grandi profondità. Esistono tuttavia numerose opzioni impiantistiche adatte per diverse situazioni: dagli impianti con collettori orizzontali interrati appena sotto il livello del suolo, fino allo sfruttamento delle acque sotterranee o di superficie.

L’energia ricavabile dal mare può essere suddivisa in diverse tipologie, a cui corrispondono differenti soluzioni tecnologiche:

• energia maremotrice

• energia dal moto ondoso

• energia dal gradiente termico oceanico

• energia dalle correnti sottomarine

Energia maremotrice

La forza di attrazione gravitazionale della Luna è causa del fenomeno delle maree, che si manifesta con regolari e periodici abbassamenti e innalzamenti di enormi masse d’acqua.

Utilizzando i dislivelli tra alta e bassa marea, è possibile produrre energia elettrica.

Gli impianti maremotrici sono caratterizzati da grandi dimensioni, dalla presenza di importanti opere di sbarramento delle acque (dighe, chiuse) e di un bacino di accumulo. La produzione di energia elettrica avviene grazie a delle turbine idrauliche.

Il funzionamento di questi impianti si può dividere in due fasi:

• nella fase di alta marea, l’apertura delle chiuse permette il riempimento del bacino di accumulo.

• nella fase di bassa marea, il rilascio controllato dell’acqua contenuta nel bacino assicura l’erogazione di notevoli quantitativi di energia, in maniera simile a quanto accade nei grandi impianti idroelettrici.

Le turbine funzionano in entrambe le direzioni, sia con l’acqua in ingresso che con l’acqua in uscita.

I maggiori limiti delle centrali maremotrici sono: elevato impatto ambientale (in termini di realizzazione di infrastrutture di grandi dimensioni) e rischi per l’erosione delle coste.

Un modo meno impattante per utilizzare l’energia maremotrice consiste nello sfruttare le correnti sottomarine causate dalle maree. In questa maniera, è possibile realizzare impianti parzialmente o totalmente immersi in acqua e privi di opere di sbarramento.

Energia dal moto ondoso

Tra le varie forme di energia dal mare, quella dal moto ondoso è senza dubbio quella studiata da più tempo e che conosce il maggior numero di sperimentazioni, soluzioni e prototipi impiantistici.

Il moto ondoso, provocato dall’effetto del vento sulla superficie del mare, è caratterizzato da un’alta densità energetica. La potenza del moto ondoso viene misurata in kW per metro di fronte ondoso.

Rispetto a quella maremotrice, l’energia dal moto ondoso presenta il vantaggio di adottare soluzioni tecnologiche a basso impatto ambientale. Anche gli investimenti economici richiesti sembrano essere contenuti, nonostante manchi ancora una produzione serializzata dei principali componenti, e quindi un’economia di scala in grado di ridurre i costi specifici. Inoltre, ci sono difficoltà non pienamente risolte legate principalmente all’aleatorietà del moto ondoso, che in caso di eventi estremi può portare al danneggiamento degli impianti.

Esistono diverse tecnologie di sfruttamento del moto ondoso quali ad esempio:

– Sistemi con impianti sommersi: tecnologia off-shore che sfrutta il principio di Archimede. Consiste in una struttura sommersa e fissata al fondale marino. La parte superiore della struttura è un cilindro cavo che si muove in verticale, sfruttando il cambiamento di pressione idrostatica dovuto al passaggio delle onde; l’energia meccanica che ne deriva viene trasformata in energia elettrica grazie ad un generatore. La potenza ideale di questi impianti è di circa 2 MW.

– Sistemi con apparati galleggianti: si tratta del sistema Pelamis, formato da cilindri galleggianti che sfruttano l’ampiezza delle onde in mare aperto; il movimento delle onde mette in moto dei pistoni idraulici collegati ad un generatore elettrico. I prototipi finora realizzati sono composti normalmente da 5 grossi cilindri collegati tra loro, per una lunghezza complessiva superiore ai 100 metri. I maggiori problemi di questa tecnologia sono connessi all’impatto visivo e all’occupazione di superficie marina (pericolosa per la navigazione).

– Sistemi OWC: sfrutta il principio della colonna d’acqua oscillante: l’OWC (Oscillating Water Column) Questo tipo di impianti viene installato lungo la costa, con indubbi vantaggi rispetto alle installazioni in mare aperto, soprattutto per quanto riguarda i costi di realizzazione (non risulta necessaria la presenza di elettrodotti sottomarini o di sistemi di ancoraggio al fondale). I sistemi OWC sono formati da strutture in acciaio o calcestruzzo, in parte immerse in mare. L’energia elettrica si ottiene grazie a un processo di tipo pneumatico, abbinato al particolare principio di funzionamento delle turbine Wells; l’onda ascendente provoca una compressione d’aria all’interno della camera in cui è installata la turbina, mettendola in rotazione; l’onda discendente provoca invece una decompressione, che anch’essa mette in moto la turbina. La turbina Wells, pur funzionando con due flussi d’aria in direzioni opposte (compressione e decompressione), ha un unico senso di rotazione. Il funzionamento di tipo pneumatico presenta un grande vantaggio: la parte meccanica e la turbina non subiscono l’azione corrosiva dell’acqua marina. I principali svantaggi di questa tecnologia sono dati dall’impatto visivo e dalla rumorosità. Esistono diversi esempi di impianti OWC realizzati e perfettamente funzionanti; per questo motivo la tecnologia OWC costituisce oggi la soluzione più economica per produrre energia elettrica dal moto ondoso. Il range di potenza degli impianti esistenti va dai 60 kW ai 1000 kW.

Energia dal gradiente termico oceanico

Sfruttare il gradiente termico oceanico significa sfruttare la differenza di temperatura tra le acque marine superficiali e le acque marine profonde. Un gradiente termico di 20 °C è sufficiente per produrre energia elettrica in maniera economicamente conveniente, utilizzando la tecnologia OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). Il calore delle acque superficiali fa evaporare il liquido di lavoro (ammoniaca o acqua), fungendo così da sorgente calda per l’alimentazione di un ciclo a vapore, con turbina e generatore elettrico. Le acque di profondità aspirate dal fondo fungono da sorgente fredda, che raffredda i vapori e li fa tornare allo stato liquido, chiudendo così il ciclo. Esistono alcuni impianti operativi, caratterizzati però da basse potenze e da elevati costi di realizzazione. Possono essere realizzati lungo le coste oppure su piattaforme galleggianti.

Energia dalle correnti sottomarine

Tra tutte le forme di energia dal mare, quella dalle correnti sottomarine presenta le maggiori potenzialità nel medio-lungo termine. Secondo alcuni studi, le correnti sottomarine dello stretto di Messina presentano una potenzialità energetica di 15.000 MW.

Si possono utilizzare turbine ad asse verticale (per le correnti costanti) o ad asse orizzontale (per le correnti di marea).

In Irlanda del Nord è in funzione la prima centrale elettrica alimentata dall’energia cinetica delle correnti di marea. Dopo una prima fase sperimentale durata alcuni mesi, ora la centrale, con una potenza installata di 1,2 MW, può soddisfare il fabbisogno di energia di circa 1.000 abitazioni. L’assenza di sbarramenti e di infrastrutture impattanti, grazie alla parziale o totale immersione in acqua delle turbine, riducono al minimo l’impatto ambientale di questi impianti.