Il fotovoltaico è uno dei settori dove l’innovazione tecnologica sta facendo sentire anno dopo anno tutto il suo peso, permettendo anche a chi non ha mai pensato all’energia solare di dotarsi di impianti economici ed efficienti, con un consistente risparmio energetico, fino alla totale autosufficienza nel caso dei pannelli con batterie di ultima generazione.
I pannelli fotovoltaici più moderni possono riassumersi in una semplice formula: basso costo e alta efficienza. Qualche anno fa, coprire il tetto della propria casa con i pannelli solari era molto costoso, e in più era richiesta una costante manutenzione; solo chi poteva vantare superfici molto estese e orientate nel modo giusto aveva reali vantaggi dal punto di vista economico, ma ora la situazione è molto cambiata: vediamo come.
I prezzi dei pannelli solari sono letteralmente crollati negli ultimi anni, con una diminuzione intorno al 10% ogni anno. Tutto merito delle economie di scala, che consentono oggi una produzione cospicua a costi molto più bassi per le imprese del settore, che in più hanno potuto avvalersi (e ancora lo fanno, in molti Paesi) di particolari agevolazioni e incentivi statali.
Per quanto riguarda i rendimenti, la crescita è stata più lenta, ma comunque degna di nota: oggi, i pannelli fotovoltaici commerciali di ultima generazione possono raggiungere rendimenti intorno al 20%, ricordando che il rendimento rappresenta il rapporto tra luce solare che colpisce le cellule e porzione di questa che viene convertita in energia elettrica.
In laboratorio, il rendimento è molto più alto. All’Institute for Solar Energy Research di Hamelin, in Germania, l’utilizzo della tecnologia a contatti “passivati” (con due strati sottili di silicio ossidato e cristallizzato inseriti tra una cella solare e il suo contatto metallico) ha portato a risultati eccellenti, riducendo il rischio dell’”intrappolamento” delle cariche elettriche e quindi di una loro mancata conversione in elettricità utilizzabile: il record ha fatto sfiorare addirittura un’efficienza del 33%.
Ma come funziona un pannello solare di ultima generazione?
Il funzionamento di un pannello fotovoltaico è, in realtà, piuttosto lineare. I pannelli o moduli fotovoltaici sono costituiti da celle di silicio (per l’esattezza “silicio di grado solare”, ovvero purissimo) con due strati, uno drogato negativamente e uno drogato positivamente; quando il pannello è colpito dai fotoni, le differenze di cariche provocano una reazione fisica che crea un campo elettrico in corrente continua.
Com’è noto, la corrente continua non può essere utilizzata così com’è nelle case; è necessario quindi un inverter in grado di trasformarla in corrente alternata.
Il resto della struttura di un impianto a energia solare è costituito da vari altri elementi, come i quadri elettrici, i cavi solari, le strutture di supporto, le centraline e così via, tutte con lo scopo di rendere utilizzabile per i bisogni di casa l’energia “rubata” al sole.
I pannelli fotovoltaici sono di norma di tre tipi: monocristallino, policristallino e a film sottile, in ordine dal più costoso (e in grado di assicurare il maggiore rendimento) al meno caro.
I pannelli in monocristallino vantano celle con un particolare grado di purezza del silicio, e sono quindi quelli che assicurano i rendimenti più alti; si tratta però di pannelli piuttosto costosi, e il loro uso è comune soprattutto quando si ha poco spazio a disposizione e diventa obbligatorio massimizzare.
I pannelli in policristallino, invece, hanno un costo leggermente minore e anche il loro rendimento è più basso (intorno al 10-12%); attualmente sono i più utilizzati, in particolare da chi possiede una villetta e quindi ha tutto il tetto a disposizione (a patto ovviamente che sia ben orientato) per il proprio impianto fotovoltaico.
Va detto che la tecnologia ha fatto passi da gigante per i pannelli policristallini, che vengono prodotti fondendo gli scarti dei moduli monocristallini; la distanza con la tecnologia superiore è sempre minore.
Infine ci sono i pannelli solari a film sottile, che sono realizzati con una pellicola sottile di materiale fotovoltaico. Si tratta della soluzione in assoluto meno costosa, ma il rendimento raramente supera l’8%.
Un grande vantaggio del film sottile è però la sua flessibilità, grazie allo scarso spessore: questo tipo di pannello infatti può essere utilizzato non solo sul tetto o in strutture orizzontali o inclinate, ma anche per ricoprire diverse tipologie di strutture architettoniche, che normalmente non potrebbero essere sfruttate.
Basta ricordare che, allo stato attuale delle cose, per genere 1 kW utilizzando la tecnologia del film sottile sono necessari il doppio dei metri quadri rispetto al monocristallino. Tra le tecnologie più utilizzate per il film sottile c’è il cosiddetto silicio amorfo (A-Si) oppure il CIGS (seleniuro di rame, indio e gallio), il CIS (diseleniuro di rame e indio) e la GaAs (arseniuro di gallio), senza dimenticare il CdTe (telluro di cadmio) che però presenta serie problematiche ambientali e di smaltimento.
In molti sono convinti che il pannello solare tradizionale abbia pochi margini di miglioramento, mentre il cosiddetto “thin film”, pur potendo vantare oggi una mera percentuale del 3% del mercato, sia molto pi promettente.
Oltre a essere meno costoso (allo stato attuale, circa 50 centesimi a watt), il pannello a film sottile funziona in modo soddisfacente anche quando la luminosità è poca e l’inclinazione non è ottimale. In USA si sta diffondendo anche il fotovoltaico a film sottile trasparente e senza cornice, per un impianto solare potenzialmente esteso a tutte le pareti; quindi, anche se il rendimento è minore, la superficie di gran lunga superiore può ovviare in modo efficace al problema.
Il thin film è considerato la tecnologia più promettente nel campo del solare a tal punto che i risultati in laboratorio hanno portato a un’efficienza di conversione pari quasi al 19%, a pochissima distanza dai risultati dei pannelli cristallini, senza dimenticare altri miglioramenti come la vita più lunga degli elettroni fotogenerati o la diminuzione della velocità di ricombinazione interfacciale; e secondo gli esperti, arrivare fino a un rendimento del 25% non è impossibile, anche a breve termine.
I dati finora riportati a proposito del rendimento degli impianti solari sono “puri”, cioè non tengono conto di tutto ciò che può diminuire l’efficienza dei pannelli. Questi innanzitutto devono essere inclinati nel modo giusto e, idealmente, essere esposti a sud (già a ovest o a est hanno un rendimento minore, mentre a nord è assolutamente sconsigliata l’installazione). Ma ci sono anche altri fattori alla base di performance non propriamente entusiasmanti.
In primo luogo, la temperatura dei pannelli – che sono sottoposti all’azione dei raggi solari per molte ore consecutive – va controllata con attenzione, perché più la temperatura di funzionamento è elevata minore è l’efficienza.
Allo stesso modo, un fattore determinante è la sporcizia: foglie, sabbia, terra, inquinamento, escrementi di uccelli possono diminuire in modo drastico il rendimento delle celle solari, ed è per questo che, tra le spese necessarie per un impianto fotovoltaico, non bisogna mai tralasciare quelle per la sua manutenzione e pulizia.
Altri elementi che riducono l’efficienza dei pannelli solari sono gli ombreggiamenti, legati alla location in cui si trova l’edificio sul quale è stato installato l’impianto; se si è abbastanza vicini a un albero, ad esempio, è probabile che prima o poi nella giornata questo getti la sua ombra su una porzione di pannelli solari, che a quel punto non potranno più assorbire la luce.
Oltre a questi ombreggiamenti calcolabili ci sono quelli che dipendono dalle condizioni atmosferiche.
Al netto di altre variabili – le eventuali dispersioni termiche causate dai cavi solari, il “mismatch” ovvero la disomogeneità tra pannelli di tipi e marche diverse, l’efficienza dell’inverter – il fattore più importante nella definizione del rendimento è indubbiamente l’età dei pannelli fotovoltaici.
Va ricordato, infatti, che i pannelli solari non durano per sempre: durano un certo numero di anni – di solito tra i 20 e i 25 – e fin dalla prima installazione perdono efficienza, con un calo del rendimento che può essere stimato intorno allo 0,5% all’anno, dimezzandosi quindi quando arriva a fine vita.
Anche dal punto di vista dell’estetica gli ultimi anni hanno permesso di sviluppare importanti novità nell’ambito dei pannelli fotovoltaici. È il caso dei moduli acquistabili in varie colorazioni, tra i quali spiccano soprattutto quelli in “rosso coppo”, ideali per gli edifici sottoposti a vincoli storici, paesaggistici o ambientali, come ad esempio le case dei centri storici: grazie alla loro tinta possono adattarsi al meglio anche con i tetti più classici, mimetizzandosi e risultando praticamente invisibili.
L’utilizzo del film sottile trasparente, inoltre, potrebbe rendere ancora più “invisibile” un impianto fotovoltaico installato sulla superficie esterna di un edificio. In altre parole è possibile che in un futuro non troppo lontano gli ingombranti pannelli a tetto, visibili da chilometri, rimangano soltanto un lontano ricordo, in favore di soluzioni più discrete ed eleganti.
Non si può parlare di pannelli fotovoltaici di ultima generazione senza rimarcare l’importanza dei sistemi di stoccaggio più moderni. Le batterie, infatti, giocano un ruolo molto più importante per quanto riguarda l’uso efficiente dell’energia solare.
I sistemi fotovoltaici “classici” non comprendono batterie, il che significa che si può utilizzare soltanto l’energia che arriva dal sole in quello specifico momento, quindi durante il giorno e se si è in casa.
Il problema, però, è che la maggior richiesta di energia elettrica in una normale casa avviene durante la sera o in genere quando è buio (soprattutto in inverno), per l’accensione delle luci o per attivare gli elettrodomestici.
Pertanto il rischio è che quando serve davvero l’energia solare questa non ci sia, e che tutta quella ottenuta in più venga semplicemente sprecata (fortunatamente esiste il meccanismo del cosiddetto Scambio sul posto, che consente di “vendere” al sistema l’energia in più, ma a un prezzo molto inferiore rispetto a quello con cui di solito la si acquista).
È qui che le batterie e i sistemi di stoccaggio per l’energia elettrica entrano nell’equazione: questi dispositivi infatti sono in grado di immagazzinare l’energia che viene prodotta e consentono così di utilizzarla solo quando serve, senza sprechi e soprattutto senza doversi per forza affidare alla rete elettrica durante le ore di buio.
Fino a pochi anni fa, queste batterie erano estremamente costose, e potevano raddoppiare senza difficoltà il costo per un impianto solare completo; in più erano pesanti e inquinanti. Il materiale utilizzato era soprattutto il piombo (nelle tipologie AGM e GEL), mentre oggi a farla da padrone è il litio, o meglio gli ioni di litio: anche qui le varianti sono molte, come le batterie litio-nichel-manganese-cobalto, le litio-nichel-cobalto-alluminio o le litio-ferro-fosfato.
L’efficienza energetica per le vecchie batterie a piombo è di circa il 70-80%, mentre le batterie al litio arrivano anche fino al 95%; in più queste ultime sono molto più piccole e compatte, e inoltre garantiscono una vita molto più lunga (possono essere ricaricate circa 4000-5000 volte, durando così in media circa 12-15 anni, mentre le batterie al piombo sopportano 1500-2500 cicli di ricarica, con una durata di circa la metà). Infine, le batterie al litio non emettono gas nocivi come quelle al piombo; sono più costose, ma allo stesso tempo rappresentano un investimento migliore perché durano il doppio e ottimizzano il risparmio energetico offerto dai pannelli solari.
Infine, uno sguardo ai prezzi. Al giorno d’oggi, un impianto a energia solare dimensionato per una famiglia di 3-4 persone con un appartamento di 100 mq (quindi da 3 kw) ha un costo che si aggira intorno ai 9.000 euro nel caso dei pannelli in monocristallino e intorno ai 6.000 euro per il policristallino.
Se invece l’impianto è da 5 kw (quello che serve per una famiglia di 5-6 persone in un appartamento con una superficie pari a 150 mq) il costo è di circa 17.000 euro nel caso di pannelli in monoscritallino e di 9.000 euro nel caso di policristallino.
Tutto questo senza calcolare il costo della batterie, se si opta per uno sistema con soluzioni di stoccaggio, cioè il fotovoltaico con accumulo. Il prezzo, per le batterie al litio più moderne, è circa di 1.500-1.600 per kWh.
Infine, non va dimenticato il beneficio costituito dalle detrazioni fiscali: si possono infatti detrarre dalla dichiarazione dei redditi nella percentuale del 50% le spese sostenute fino al 31/12/2019 per la realizzazione dell’impianto fotovoltaico, con detrazione spalmata in 10 anni tramite 10 rate annuali uguali, e fino a un massimo di 96.000 euro.
