Il fotovoltaico, l'energia del sole

Inizio oggi la discussione relativa all’utilizzo della fonte solare per la produzione di energia elettrica. Preciso in anticipo, onde evitare fraintendimenti, che tratterò l’argomento esclusivamente da un punto di vista ingegneristico, cercando di offrire un quadro quanto più reale dello sviluppo della tecnologia fotovoltaica, analizzandone aspetti puramente impiantistici ed eventuali prospettive della tecnologia in generale.

Per troppo tempo si è assistito, soprattutto in Italia, al proliferare di quello che io definirei il “chiacchiericcio fotovoltaico”, vale a dire alla discussione delle potenzialità del fotovoltaico da parte di chi o non aveva alcuna conoscenza scientifica della risorsa e della tecnologia e riponeva, pertanto, ogni speranza di sostenibilità energetica di una nazione nella sola fonte solare (che ad oggi appare di gran lunga opinabile), oppure da parte di chi aveva percepito le limitate potenzialità della tecnologia ed intuito parimenti le grosse possibilità affaristiche che si nascondevano  dietro lo sviluppo della fonte solare per la produzione di energia elettrica (soprattutto a fronte del primo conto energia, e poi vedremo perché).

Mi inoltro, quindi, nella descrizione della risorsa con la consapevolezza di chi sa di camminare sulle uova e che, volente o nolente, è consapevole della possibilità che le sue parole potranno urtare la sensibilità di qualcuno.  Fatta questa breve ma necessaria introduzione, vi anticipo che intendo “spendere”, per le tematiche del fotovoltaico, almeno tre articoletti che avranno l’obiettivo di approfondire: la tecnologia fotovoltaica, lo sviluppo del fotovoltaico in Italia (ed in Puglia in particolare) ed una breve cronistoria dei 5 “Conti Energia” che si sono susseguiti negli anni. Spero, al termine di questi tre articoletti, di offrirvi un quadro più o meno oggettivo sulle potenzialità del fotovoltaico.

La speranza è che, al termine degli articoletti sul fotovoltaico , possiate avere la consapevolezza degli “ambientalisti maturi” vale a dire la consapevolezza di chi dice: “Valorizziamo l’uso razionale e coerente delle fonti rinnovabili” piuttosto che: “Tutto il fabbisogno energetico nazionale può essere garantito da fonte rinnovabile” (che ad oggi è impossibile).

Iniziamo allora con la descrizione dell’effetto fotovoltaico. Diremo che:

“l’effetto fotovoltaico è quel fenomeno per il quale un materiale semiconduttore opportunamente trattato, se colpito da radiazione elettromagnetica (come appunto la luce solare), è in grado di produrre energia elettrica”.

Il semiconduttore in questione è il silicio il quale, di suo, non è un buon conduttore ma una volta trattato (drogato, è questo il corretto termine scientifico) porta alla formazione del silicio drogato di tipo p (con lacune di elettroni) e ad un silicio drogato di tipo n (con eccesso di elettroni). La cella fotovoltaica non è altro che un’ unione di questi due strati a mezzo di una giunzione p-n di silicio.

La radiazione solare non fa altro che fornire quell’energia sufficiente a consentire la trasmigrazione di elettroni dalla giunzione n (con eccesso di elettroni) alla giunzione p (con lacune di elettroni), attivando quindi un flusso di corrente; quest’energia fornita dalla radiazione va sotto il nome di energia di gap.

Non posso non citare, per correttezza di informazione, il primo limite che sta proprio nel materiale utilizzato, vale a dire il silicio p-n. Per fare in modo che si possa “attivare” questa “trasmigrazione” di elettroni è necessario che i fotoni abbiano un potenziale non inferiore ad 1,12 eV (che rappresenta proprio l’energia di gap relativo al silicio dove eV sta per “elettron-volt”) e non superiore a 1,12 eV.

Nella fisica, così come nella vita, è primario l’equilibrio. Questo vuole dire che dei miliardi e miliardi di fotoni che la radiazione si porta dietro, solo una piccolissima parte (circa il 10%) ha il contenuto energetico sufficiente per attivare la “trasmigrazione” di elettroni; si parla di efficienza di conversione.

Quella indicata sopra è la schematizzazione di una cella fotovoltaica la quale produce una potenza variabile tra 1/1,5 W se investita da una radiazione di 1000 W/m² (che sarebbe la condizione ottimale di radianza); pochino per garantire l’autosufficienza di una casa.

Mediamente si collegano in serie 36 celle per ottenere una potenza variabile (cambia dai modelli di modulo fotovoltaico) tra 45-55 W ed una tensione nominale ai morsetti di 21 Volt. Tanti moduli fotovoltaici messi assieme costituiscono il nostro impianto fotovoltaico. Ce l’abbiamo fatta ad arrivare al nostro modulo fotovoltaico; che fatica!

Arrivati quindi a concepire cosa sia effettivamente un modulo fotovoltaico, e come esso funzioni, chiediamoci: “Lavora bene?”, “Che rendimenti ha?”. A questa domanda, purtroppo, rispondo che le prestazioni non sono elevatissime e, ad oggi, i rendimenti dei moduli sono mediamente pari a 15% anche se, ultimamente, ci si sta spingendo verso una tecnologia più efficiente e a più alte prestazioni (anche 35%).

La sopravvivenza del fotovoltaico si misurerà proprio con l’incremento, negli anni, dei suoi rendimenti; se arriverà a buoni rendimenti continuerà a vivere, altrimenti si estinguerà.

Concludo questo articoletto (spero siate ancora svegli) dandovi un esempio di come si possa eseguire un dimensionamento di massima di un impianto fotovoltaico. Questa applicazione del fotovoltaico, è quella che preferisco, dal momento che “spinge” verso un autoconsumo dell’energia prodotta. Approfondirò meglio questo aspetto nel prossimo articoletto.

Immaginiamo un’abitazione che abbia, come tutte le abitazioni, un carico massimo di 3 kW di potenza, vale a dire che immaginando di attaccare tutti gli elettrodomestici (lavastoviglie, lavatrice, phon, televisione dove non si parlerà mai dei morti di tumore a Taranto etc.) l’impianto reggerà sino a 3kW, dopo di che salterà il contatore. Fatta questa ipotesi, immaginiamo che il rendimento del modulo fotovoltaico sia 15% e che la radianza media sia 700 W/m².

Con questi dati, si evince che servirebbero 28,5 m² per garantire il soddisfacimento energetico di quell’abitazione. Poiché ogni modulo è grande circa 2 m², serviranno 15 moduli.

Dal momento che  Taranto è una dei siti messi meglio in Italia in termini di soleggiamento, non vedo perché non puntare su soluzioni intelligenti (e sottolineo intelligenti) del fotovoltaico; come la soluzione appena descritta.

Prossimamente vedremo qualche soluzione meno intelligente del fotovltaico per capire come sia stato possibile usare una risorsa pulita per arrichire qualche affarista (per non dire mafioso) dell’ultimo momento.

Per oggi credo di avervi annoiato abbastanza ma mi premava darvi un quadro più o meno esaustivo di cosa sia il fotovoltaico visto che se ne parla a dismisura e anche perché desidero che la mia gente di Taranto inizi ad avere una coscienza energetica critica e propositiva nei riguardi di queste tematiche perché le generazioni che verranno dovranno avere quella sensibilità ambientale che la generazione dei nostri genitori non ha avuto.