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1. Introduzione
1.1 L’uso dell’energia
Per accendere una lampadina da 75 W per cinque ore servono
0,375 kWh. Considerando un rendimento del 40% di una centrale
termoelettrica a petrolio e il potere calorifero di 8,59
kWh/kg, questa energia corrisponde a bruciare circa mezzo
bicchiere di petrolio.
La stessa energia potrebbe essere prodotta da tre metri
quadrati di un pannello fotovoltaico per un’ora in condizioni
ottimali di insolazione, oppure da un metro quadro di
superficie spazzata da una turbina eolica per un’ora in
condizioni di vento ottimali.
Il volume occupato nel secondo caso aumenta radicalmente,
infatti la densità energetica dell’irraggiamento e del vento è
molto più bassa di quella del petrolio o del carbone. Questo è
il motivo per cui i mezzi per raccogliere le energie
rinnovabili e trasformarle sono molto più ingombranti e costosi
dei mezzi usati per trasformare il petrolio e il carbone.
Esiste però il caso dell’idroelettrico, in cui pur essendo
un’energia poco densa, un metro quadro di superficie del bacino
imbrifero produce meno di un metro quadro di pannello
fotovoltaico, si ottiene un prezzo finale dell’energia
elettrica molto più basso rispetto ai concorrenti. È la
dimostrazione che l’energia rinnovabile può essere molto più
conveniente dell’energia tradizionale se la tecnologia è
evoluta.
L’Italia non ha rilevanti riserve di energia primaria
tradizionale (petrolio, carbone, gas), ha invece una importante
produzione di energia rinnovabile costituita da gli impianti
idroelettrici. Per il resto si ricorre all’importazione: il
petrolio dalla Libia, il gas da Russia , Algeria e Nord Europa,
il carbone dalla Cina e un po’ di energia elettrica (nucleare)
dalla Francia.
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L’energia primaria nel 2004 è stata usata o convertita in forma
di energia elettrica per il 26,7%. Il resto è stato
distribuito, per il 22,7%, in forma chimica come carburante per
trasporti, o principalmente gas per usi civili 22,1% o in forme
diverse per usi industriali per il 21,2%, il restante 7,3% tra
agricoltura e usi non energetici.
I principali consumatori di energia elettrica in Italia sono il
sistema produttivo, il sistema dei trasporto e il consumo
domestico. Dalla tabella 1 si deduce facilmente il consumo
procapite annuo, che è 4983 kWh/persona che corrisponde a
299,915 TWh per l’intera popolazione, con una potenza massima
impiegata di 56,82 GW raggiunta nel 2007.
L’ammontare dei consumi è cresciuto fino al 2008 per poi
diminuire negli ultimi anni dovuto all’utilizzo di
apparecchiature a risparmio energetico, ma potrebbe
stabilizzarsi verso la fine del secolo a 437 Twh .
Anno Agricoltura Industria Terziario Domestico Totale
2009 5,649 130,505 94,834 68,924 299,915
2008 5,669 151,366 93,612 68,388 319,037
2007 5,659 155,804 90,268 67,220 318,952
2006 5,503 156,150 88,276 67,602 317,533
2005 5,364 153,726 83,793 66,932 309,816
2004 5,184 153,155 79,557 66,592 304,489
2003 5,162 152,720 76,889 65,015 299,788
2002 4,890 151,314 71,797 62,957 290,959
Tabella 1 - Consumi di energia elettrica in Italia [15].
L’andamento del consumo di energia elettrica ha una forte
variazione durante la giornata, con un andamento abbastanza
prevedibile dipendente dalle nostre abitudini, il quale guida
la regolazione degli impianti di produzione.
Gli impianti termoelettrici che generano gran parte
dell’energia hanno tempi di accensione e spegnimento lenti come
il petrolio e il carbone, o lentissimi come i nucleari chiamati
di carco base. La regolazione di breve periodo della rete si
esegue con gli impianti più flessibili a cambi di potenza
richiesta: idroelettrico e turbogas. Se tale regolazione non è
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eseguita la potenza generata sarà o troppo bassa o troppo alta
rispetto alla richiesta e ciò farebbe variare le
caratteristiche della corrente (230 V, 50 Hz) recando
inevitabili danni. Questo fatto influenza il successo e la
quantità producibile di alcune energie rinnovabili poco
prevedibili: eolico, solare e maree.
Un parametro da considerare con attenzione per capire il
consumo di energia è la qualità che possiamo declinare in tre
caratteristiche: trasportabilità, disponibilità e
trasformabilità. La prima si riferisce alla possibilità di
trasportare facilmente l’energia con mezzi economici senza
disperderla.
La disponibilità si riferisce alla possibilità di usarla in
qualsiasi momento e in qualsiasi quantità e la trasformabilità
comprende la possibilità di cambiare facilmente la forma
dell’energia per usarla a scopi diversi. Analizzando queste
caratteristiche risulta evidente come l’energia elettrica sia
la forma più pregiata, ma occorre considerare anche un’altra
qualità dell’energia più difficile da valutare ed apprezzare
perché evidente solo a livello di sistema energetico: l’impatto
ambientale. Questo consiste nel valutare quali ripercussioni ci
sono nell’ambiente a causa dell’utilizzo di una certa energia,
e quali conseguenze ne derivano.
Le problematiche delle tecnologie attuali sono: effetto serra,
inquinamento e problemi sanitari, esaurimento delle scorte,
problemi politici, instabilità economica.
1.2 L’energia solare
Il sole è la principale fonte di energia disponibile sulla
terra. È formato da idrogeno (75%) ed elio (25%) che permettono
l’instaurarsi di reazioni nucleari che convertono massa in
energia.
La reazione coinvolge quattro atomi di idrogeno che vengono
fusi creando, oltre ad elio e altre particelle, energia in
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forma di radiazioni gamma. Attraverso la relazione di Einstein
si può calcolare l’energia prodotta da questa reazione.
Massa idrogeno
Raggio del sole
Massa elio
Distanza terra sole(min)
Velocità luce
Distanza terra sole(max)
Tabella 2 - Dati per il calcolo della costante solare [2]
La riduzione della massa sarà
La massa perduta si trasforma in energia
Il sole perde
, il che significa che la reazione
avviene
volte a secondo che porta a sviluppare una potenza
totale di
MW. Dividendo tale potenza per la superficie
solare (
) si ricava l’irraggiamento alla
superficie solare
Considerando che questa potenza, una volta raggiunta la terra,
è distribuita sull’area di una sfera avente per raggio la
distanza terra-sole (
), possiamo apllicare la conservazione
dell’energia e dire che l’irraggiamento moltiplicato per l’area
è costante e ne ricaviamo
ossia l’irraggiamento solare che raggiunge la terra sopra
l’atmosfera chiamata costante solare e la variazione dipende
soprattutto dalla distanza tra terra e sole. [2]
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Figura 1 – Calcolo costante solare [2]
La luce solare è una forma di radiazione elettromagnetica della
medesima natura di un segnale radio o televisivo, la sola
differenza è rappresentata dalla lunghezza d’onda che nel caso
della luce è assai più breve.
La lunghezza d’onda determina il colore della luce ed essa è
visibile solo per alcune lunghezze (λ=0,4÷0,8 μm), ma al di
fuori delle quali vi sono altre forme di onde elettromagnetiche
non visibili (Figura 2).
Figura 2 – Nomi delle onde elettromagnetiche per range di lunghezze d’onda λ [m]
[2]
Per la relazione di Planck, l’energia contenuta è inversamente
proporzionale alla lunghezza d’onda. Una volta che la luce
attraversa l’atmosfera terrestre subisce una attenuazione della
sua energia facendo da filtro per alcune lunghezze d’onda.
Inoltre il taglio delle frequenze dipende dall’inclinazione con
cui arrivano i raggi solari sulla terra. Al crescere della
porzione di atmosfera attraversata diminuisce l’energia
contenuta dalla luce. La condizione migliore si ha tra i
tropici dove la direzione dei raggi solari sono perpendicolari
alla terra e non in Italia.
In figura 3 si può notare l’abbassamento dello spettro di
frequenza una volta che la luce attraversa l’atmosfera e in
12
particolare i gas che assorbono alcune frequenze d’onda
riducendo la loro intensità.
Per misurare la quantità di luce disponibile un sito è necessario
consultare misurazioni storiche. Nella figura 4 e nella tabella 2
([13],[14]) sono riportati i dati elaborati dalla IES (Institute
for Environment and Sustainability) e dall’ENEA dell’insolazione in
Italia.
La variazione di anno in anno può essere causata dalla presenza
di nuvole, della pulizia dell’aria e dai cicli solari ma in
generale giocano un ruolo importante i cicli del movimento tra
terra e sole.
Approssimativamente si può considerare l’insolazione media
annuale per calcolare la potenza di un impianto solare.
Figura 3 – Spettro solare fuori dall’atmosfera e sulla superficie terrestre con
indicati i gas che assorbono la radiazione per diverse lunghezze d’onda
13
Figura 4 - Mappa dell'insolazione in Italia (Fonte IES) [14]
Città 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Media
Torino 1341 1350 1333 1401 1410 1393 1376
Milano 1367 1367 1341 1418 1435 1410 1393
Roma 1529 1495 1470 1529 1538 1538 1512
Bari 1572 1512 1487 1564 1555 1555 1538
Palermo 1649 1615 1581 1623 1649 1658 1632
Venezia 1384 1367 1350 1410 1427 1401 1393
Bolzano 1247 1247 1265 1316 1307 1299 1282
Napoli 1555 1521 1487 1555 1555 1564 1538
Ancona 1461 1410 1418 1461 1478 1478 1452
Cagliari 1615 1615 1564 1598 1632 1632 1606
Genova 1401 1401 1350 1435 1444 1435 1410
Tabella 1 - Irraggiamento annuale di alcune località italiane. Dati in kWh/
(Fonte ENEA)
L’effettivo irraggiamento che colpisce il ricevitore solare è
un importante parametro da considerare. Se il ricevitore è
fisso e inclinato di un angolo θ tra la normale al piano e il
raggio solare l’irraggiamento sarà
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Inoltre l’irraggiamento che raggiunge il ricevitore non è solo
quello che arriva direttamente dal sole ma anche da punti
diversi, si classificano in:
- Irraggiamento diretto: quando il fotone arriva dalla
direzione dei raggi solari e è proporzionale all’irraggiamento
del sole, decurtato della parte che viene filtrata
dall’atmosfera e dalle nuvole.
- Irraggiamento diffuso: quando il fotone cambia direzione dopo
un impatto con una molecola dell’atmosfera, con nuvole e
particelle sospese.
- Irraggiamento riflesso: quando l’onda elettromagnetica si
diretta che diffusa tocca la superficie terrestre e è
influenzata dalla riflettenza della superficie.
L’irraggiamento totale per un ricevitore fisso è la somma di
tutti i contributi ma occorre fare attenzione perché l’impianto
fotovoltaico converte sia la radiazione diretta che indiretta.
In zone molto nuvolose l’irraggiamento diffuso è più rilevante,
il 60% o anche maggiore, mentre in zone dove il cielo è limpido
e con poca umidità il contributo dell’irraggiamento diretto può
arrivare al 90%.
Per un ricevitore mobile ad inseguimento solare, invece, il
contributo dell’irraggiamento diffuso e riflesso è nullo. In
Italia dove la radiazione diretta è del 60-70% un impianto a
concentrazione solare perde il 30-40% di energia solare.
1.3 L’effetto fotovoltaico
Il termine fotovoltaico significa conversione diretta della
luce solare in energia elettrica. Il fenomeno fisico alla base
della generazione di corrente elettrica è l’effetto
fotoelettrico. Questo fenomeno spiega come si può creare un
flusso di elettroni all’interno di un materiale irradiato dalla
luce il quale viene sfruttato in molte tecnologie oltre al
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fotovoltaico, come nelle fotoresistenze (LED) e fotosensori.
Brevemente si può spiegare il fenomeno dicendo che il fotone,
il quale è un pacchetto di energia di cui è composta la luce,
una volta raggiunto l’atomo colpisce un elettrone al suo
interno in modo da farlo uscire dalla sua orbita atomica e
renderlo disponibile a trasportare energia elettrica.
Il modello fisico dell’atomo, spiegato da Bohr e Planck, è
costituito da orbite dove si muovono gli elettroni, i quali
sono in equilibrio con il nucleo. L’equilibro è dato dalle
forze elettrostatiche di attrazione tra nucleo ed elettrone e
quelle centrifughe dovute alla velocità di rotazione
dell’elettrone. Ad ogni orbita corrisponde un livello di
energia che aumenta passando ad un orbita più lontana dal
nucleo.
Per i singoli atomi questi livelli di energia possono assumere
livelli discreti, mentre per gli atomi riuniti a formare un
reticolo cristallino, le orbite di atomi vicini si influenzano
e creano al crescere del numero di atomi delle bande composte
da molti livelli energetici su cui possono stare gli elettroni.
Poiché una banda è formata da un numero grande ma finito di
livelli, ciò significa che le bande vengono riempite di
elettroni da quella più vicina al nucleo a salire. La banda più
esterna piena di elettroni, quella con il livello energetico
più alto, viene chiamata banda di valenza ed essendoci
elettroni di atomi vicini costituisce il legame tra atomi. [3]
Figura 5 – Origine della banda di conduzione e banda di valenza e la loro distanza
energetica a partire dai livelli energetici nei materiali [2]
La prima banda vuota all’esterno di quella di valenza è
chiamata banda di conduzione dove gli elettroni liberi
Banda di
conduzione
Bande di valenza
Intervalli
o
Energy gap
E
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