Fotovoltaico di nuova generazione: alta efficienza, basso costo

Pannelli Fotovoltaici ad Alta Efficienza e Basso Costo. Questo il fotovoltaico del futuro, ed in parte già del presente. Questa è la sfida del solare per affermarsi definitivamente come tecnologia definitivamente ed universalmente competitiva e conveniente.

Il fotovoltaico, nonostante il grande sviluppo che sta avendo a livello globale negli ultimi anni, ha ancora molti limiti e molte sfide da superare per diventare la tecnologia energetica pulita, efficiente ed economica del futuro.

Come sarà il fotovoltaico di nuova generazione?

Sicuramente ad alta efficienza e basso costo rispetto ai predecessori. Questo l’obiettivo di ogni attività in ambito di Ricerca e Sviluppo. Se sui costi siamo già a buon punto, sull’efficienza dei moduli siamo andati a rilento negli ultimi anni. In altri termini: il costo degli impianti, in Italia, è diminuito dell’80 per cento in 8 anni. L’efficienza della tecnologia, invece, è rimasta praticamente invariata con valori intorno al 19% per i moduli monocristallini e policristallini. I pannelli fotovoltaici ad alta efficienza più utilizzati raggiungono rendimenti intorno al 20%.

Nonostante ciò il fotovoltaico ha già fatto passi da gigante negli ultimi anni in termini di riduzione dei costi di produzione. I processi produttivi dei pannelli sono ormai totalmente automatizzati garantendo velocità di fabbricazione, qualità e maggiore economicità per via delle enormi economie di scala a livello globale. Il prezzo di vendita dei pannelli dai grossisti si aggira intorno ai 50 centesimi al Watt. Sono invece un po’ più costosi i pannelli fotovoltaici ad alta efficienza, che possono ancora trovarsi intorno all’Euro/Watt.

La ricerca per il Fotovoltaico ad Alta Efficienza

La possibilità di realizzare sistemi fotovoltaici a basso costo e ad alta efficienza rimane, ancora oggi, uno dei traguardi più ambiziosi per la ricerca scientifica in campo energetico, insieme a quella, del tutto nuova, sull’energy storage (i cd. “sistemi di accumulo”) che mira ad ottimizzare al meglio produzione e consumo da fonte rinnovabile.

In altre parole: non solo è importante produrre molta energia pulita sfruttando il picco produttivo del fotovoltaico, ma bisogna anche trovare il modo per utilizzarla in ogni fascia oraria del giorno e della notte. Ecco perchè, parallelamente alla ricerca per l’alta efficienza del fotovoltaico, va sviluppata la ricerca per l’alta efficienza dei sistemi di accumulo.

Tre ricercatori del Cnr e dell’ Università di Modena e Reggio Emilia hanno dimostrato come può essere possibile aumentare l’efficienza dei sistemi fotovoltaici sfruttando la “natura quantistica dell’interazione tra nanocristalli di silicio”. La tecnologia, quindi, entra sempre più nel piccolo, diventa “nanotecnologia” e sfrutta proprietà dell’infinitamente piccolo, il “quanto”, l’unità fisica indivisibile più piccola degli elettroni.

Sulla rivista internazionale Nature Photonics  i risultati dello studio che delinea quello che potrebbe diventare il fotovoltaico di nuova generazione.

La ricerca delinea nuove prospettive nell’impiego del silicio nanostrutturato per convertire la radiazione solare in corrente elettrica. Il silicio, e questo è noto, è l’elemento tra i più abbondanti sulla superficie del nostro Pianeta e per questo può e deve essere utilizzato in maniera più efficiente possibile per produrre energia pulita attraverso sistemi fotovoltaici. Energia abbondante, pulita, rinnovabile e soprattutto, a differenza del nucleare, sicura.

Il fotovoltaico, quindi, insieme alle altre tecnologie da fonti rinnovabili, può e deve rispondere alla questione energetica del futuro anche attraverso l’aumento della sua efficienza produttiva e la ulteriore diminuzione del costo per kilowattora generato.

Dai tre ricercatori arrivano nuove strategie di produzione da fotovoltaico, strategie che sfrutterebbero alcune proprietà del silicio in grado di aumentare il rapporto di conversione della luce solare in corrente elettrica.

Per i più tecnici, dalle parole dei tre ricercatori:

“I nostri calcoli mostrano la possibilità di sfruttare l’interazione tra elementi nanostrutturati di silicio per sviluppare nuovi dispositivi fotovoltaici. Abbiamo simulato sistemi costituiti da nanocristalli di silicio posti tra loro a distanze inferiori al nanometro: i risultati rivelano che la natura quantistica delle interazioni ha l’effetto complessivo di aumentare il numero di cariche generate per singolo fotone assorbito, e perciò migliorare le prestazioni del dispositivo solare”.

L’innovativa tecnologia fotovoltaica, potremmo definirla nano-tecnologia, è una buona prospettiva che delinea ed apre i battenti ad un fotovoltaico di nuova generazione, fotovoltaico ad alta efficienza e basso costo. E’ un risultato tutto italiano che inaugurerà celle fotovoltaiche di terza generazione.

Al di là della ricerca per l’alta efficienza e per l’energy storage già oggi il solare rappresenta a tutti gli effetti la reale alternativa energetica alle fonti fossili.

Le potenzialità del fotovoltaico e la sua alta efficienza anche sul mercato elettrico

Secondo uno studio condotto dai ricercatori dell’Istituto di Biometeorologia e dell’Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati del CNR già oggi il fotovoltaico globale vale circa 200 Gigawatt di potenza elettrica disponibile. Questo quantitativo è pari al fabbisogno elettrico annuo dell’Italia e al 10% del fabbisogno elettrico globale.

Il potenziale di questa tecnologia oggi è un potenziale immenso, considerando l’ulteriore evoluzione tecnologica, l’ulteriore ribassamento dei prezzi, i nuovi modelli di consumi verso l’elettrico, dalla mobilità alla domotica.

L’efficacia e l’efficienza della tecnologia, in poche parole, è dovuta al fatto che ogni pannello fotovoltaico restituisce, a seconda della tecnologia utilizzata, da 10 a 50 volte l’energia impiegata nella costruzione degli impianti.

E lo spazio necessario? Il fotovoltaico, per produrre il nostro fabbisogno, di quanto spazio ha bisogno? Una delle obiezioni più frequenti è proprio quella relativa alla superficie occupata dal fotovoltaico. Secondo gli stessi ricercatori del CNR una superficie inferiore allo 0,6 per cento del territorio europeo sarebbe sufficiente a garantire una produzione elettrica sufficiente all’intera Unione Europea. Su scala globale, si presume, non più dell’1 per cento del territorio potrebbe garantire la copertura del fabbisogno elettrico col fotovoltaico. Non più delle superfici già edificate.

Anche i costi sono ormai sotto gli occhi di tutti: l’energia fotovoltaica è già oggi venduta a prezzi inferiori a quella prodotta da fonti convenzionali. Stiamo parlando, ovviamente, di elettricità prodotta e “resa disponibile in tempo reale” sulle borse elettriche. Non parliamo, per ora, dell’energy storage per il quale bisogna fare un ragionamento a parte. Il fotovoltaico è già competitivo in parecchi paesi, anche in quelli che (come la Francia) hanno ancora il nucleare come fonte principale.

Qualche numero? Il prezzo medio di mercato dell’energia, grazie al fotovoltaico, è calato in Germania dai 5 a meno di 3 centesimi per kwh. In Italia, invece, è calato dagli 8 centesimi ai circa 4 centesimi per kwh dal 2006 ad oggi. L’introduzione della fonte solare nella produzione di energia su scala nazionale ha fatto abbassare “l’asticella dei costi medi” di circa il 50%. Questo in conseguenza del fatto che il solare produce e immette nel mercato, in alcuni periodi, molta energia a basso costo (potremmo dire: “a costo zero”).

L’Italia è stata tra i primi paesi al mondo a sperimentare il fotovoltaico come fonte energetica alternativa: nel 1984 ha installato il suo primo impianto fotovoltaico sull’Isola di Vulcano. Oggi, dopo oltre 30 anni, l’impianto registra solo il 6% di perdita di produzione.

La sfida per rendere il fotovoltaico più efficiente: l’energy storage

L’ultima sfida per lo sviluppo definitivo delle rinnovabili, per renderle utilizzabili senza limite alcuno e su scala globale, è quella dell’energy storage. Si tratta, di fatto, dell’ultima barriera da superare per scardinare definitivamente l’utilizzo del petrolio e dei combustibili fossili per la salvaguardia del Pianeta.

Integrato con l’accumulo elettrico il fotovoltaico è più efficiente perchè consente di sfruttare l’energia pulita a basso costo anche nei periodi invernali e nelle ore notturne. Dal momento che non è possibile adattare la “curva di consumo” alla “curva di produzione” degli impianti fotovoltaici è necessario stoccare l’energia in eccesso prodotta in alcuni momenti per renderla disponibile quando il solare non produce. In questo modo si ottimizza la produzione e si rende, di fatto, il fotovoltaico in una risorsa più efficiente perchè produce energia che viene consumata tutta e in qualsiasi momento.

Le applicazioni dell’energy storage sono veramente innumerevoli: dall’ambito domestico, all’ambito industriale, fino al settore della neonata mobilità elettrica. Dal momento in cui si utilizza il fotovoltaico per ricaricare sistemi di accumulo, i suoi ambiti di utilizzo aprono un immenso potenziale. Dall’utilizzo per la climatizzazione degli edifici con pompe di calore, all’uso per qualsiasi tipo di elettrodomestico, all’utilizzo in ambito industriale, fino all’utilizzo nei trasporti o nella domotica.

I principali limiti dello storage elettrico sono in via di superamento grazie allo sviluppo molto rapido della ricerca di settore e della sua produzione in larga scala. Si parla, in effetti, non solo di accumulatori elettrico-chimici (che hanno i propri limiti ambientali), ma anche di celle a idrogeno che, ricaricandosi con l’elettricità fotovoltaica, forniscono in qualsiasi momento un combustibile pulito a disposizione dei generatori elettrici.

Batterie ed accumulatori iniziano oggi il percorso che il fotovoltaico ha iniziato qualche anno fa: una riduzione costante e graduale dei prezzi accompagnerà il crescere graduale della domanda.

L’energia solare è l’alternativa ormai matura per una grande transizione energetica che consente di conciliare la crescita dell’economia globale con la necessità di ridurre le emissioni e preservare l’ambiente.