Fotovoltaico – Ecco Cosa Devi Sapere

di Juanne Pili.

Tutto quello che avresti voluto sapere, ma non ha mai osato chiedere, riguardo il Fotovoltaico.

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Recenti studi hanno permesso di osservare per la prima volta cosa succede nelle razioni chimiche – di una rapidità inimmaginabile – tutto questo a giovamento della tecnologia del fotovoltaico. I risultati sono stati pubblicati su Nature, frutto del lavoro di 21 ricercatori operanti in 11 centri di ricerca, coordinati dal Helmholtz Virtual Institute.

In sostanza, è stato osservato come un fotone possa innescare la trasformazione di un composto metallico. Prima d’ora nessuno era riuscito a “fotografare” l’istante infinitesimo in cui questo fenomeno avviene. Ciò significa che dalla chimica, questo meccanismo, viene sdoganato per approdare nella quantistica. In questo modo sarà possibile produrre celle fotovoltaiche sempre più efficienti. Stiamo assistendo agli albori di una nuova scienza: La chimica quantistica.

Philippe Wernet, coordinatore di questo studio, è entusiasta:

«l risultato potrà aiutare a utilizzare questi processi per ottenere una conversione più efficiente dell’energia solare in energia chimica».

Non di meno la ricerca nel campo del fotovoltaico ha già compiuto balzi da gigante. L’esistenza di questa tecnologia, del resto – come forse pochi sanno – risale a ben due secoli fa.

Fotovoltaico – Un Futuro Possibile

Già nel 1839 Edmund Becquerelle parla di “effetto fotovoltaico”, nel 1883 Charles Fritts brevetta la prima “cella solare”. Dovremo aspettare gli anni ’30 per avere le prime celle al silicio, scoperte da un ricercatore dei laboratori Bell, Russell OhlSarà la corsa allo spazio a dare concretezza a questi primi passi.

Tecnologia delle celle fotovoltaiche

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Le celle fotovoltaiche vanno a costituire moduli e pannelli; la struttura chimica dei cristalli di silicio è tale, che “drogandoli” con altre sostanze si ottengono i cosiddetti “transistor”, i quali formano i chip dei computer. Lo stesso principio viene applicato utilizzando la luce solare. In modo da produrre corrente elettrica. Sono ancora costosi tenendo conto della rete tradizionale, occorre poi convertire l’energia prodotta da continua ad alternata. Per questo è sufficiente applicare un apposito “invertitore”. A dispetto dei costi, si può vendere il surplus di energia alla rete, infatti gran parte dell’energia prodotta non viene consumata nei normali usi domestici. Questo è possibile, normalizzando l’erogazione discontinua attraverso le celle a idrogeno, ed un nuovo modo di pensare, tanto gli elettrodomestici, quanto l’archittettura delle nostre case.

Ripensare i nostri elettrodomestici

Eco-cucina

Attraverso collettori a pannello e un sistema di tubi sotto vuoto è possibile scaldare l’acqua senza ricorrere ai tradizionali boiler. Certo che la luce solare non è sempre presente, ma questo è un problema tutt’al più per gli Eschimesi, non per chi vive alle normali latitudini. Non essendo prevista una nuova glaciazione, si suppone che si possa fare a meno della rete tradizionale per lunghi lassi di tempo, riducendo così a livelli ottimali il carico che le energie alternative impiegate nella rete, dovranno sopportare.

Gli helidon (simulatori solari) sono un sistema in grado di ottimizzare la radiazione solare, concentrandola, si basa su un tipo di tecnologia già nota agli antichi, come Archimede, per esempio. Idem dicasi per i collettori solari.

Condizionatori solari. Sfruttando gli stessi principi termodinamici che vengono impiegati nei frigoriferi, applicati all’aria, all’acqua e all’umidita, è possibile installare dei sistemi di aria condizionata ad energia solare. Si tratta di raffreddare (non riscaldare) gli ambienti! Pareti trombe, vaporizzatori da tetto, roof pond (tetto ad acqua), raffreddamento solare attivo; sono tutte parole chiave di cui invitiamo all’approfondimento attraverso i motori di ricerca, altrimenti ci vorrebbe un libro a parte per approfondire l’argomento.

Cucine ad energia solare. Fornelli, piastre, friggitrici, eccetera. Gavin Harper, autore di diversi studi pubblicati anche da riviste autorevoli come Sciense, ha scritto diversi manuali su come produrre da sé questo tipo di tecnologie riciclando gli elettrodomestici tradizionali. Questo significa che non ci sono scuse riguardo ai costi, come nel caso degli accumulatori elettrici.

Sistemi idrici. Addirittura è possibile sfruttare la radiazione solare per distillare l’acqua, renderla cioè potabile. Immaginate cosa significherebbe questo per le popolazioni dell’Africa, per esempio. Esistono anche tecnologie basate sul solare, in grado di eseguire il pompaggio idrico. Si auspica quindi un controllo popolare delle risorse idriche e dei consumi, strappandolo alle multinazionali dell’acqua.

Un mercato in mano alla Cina

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Condizionatore solare

Dispiace a questo punto scoprire che i pannelli fotovoltaici che oggi già in pochi cominciano a montare nei propri tetti, vengono dalla Cina, che ne è il massimo esportatore. L’Europa sta perdendo terreno nel campo del solare rispetto alla Cina, che a sua volta produce il 65% dell’energia con la combustione del carbone. Significa che stiamo delocalizzando persino l’inquinamento. Evidentemente non si finanzia ancora abbastanza questo settore, di vitale importanza, anch’esso vittima della crisi cominciata nel 2008. Importante citare il monito del prof. Luigi Paganetto, ex presidente dell’Enea, prof. all’Università di Tor Vergata:

Insomma, gli incentivi devono andare all’innovazione. Altrimenti stimoli solo l’industria che importa pannelli dalla Cina … La Nokia, in Finlandia, è nata con gli incentivi all’innovazione, non all’uso del telefonino.

Incoraggiante l’iniziativa delle Smart City, dove le tecnologie rinnovabili si uniscono alla ICT; in piena sintonia con le tesi di Rifkin. Genova è tra le 15 città candidate. Ci sono in mezzo finanziatori come IBM ed Enel. L’importante è che le politiche locali non si prostrino alle istanze delle multinazionali, vacendo valere la sovranità popolare. Il cittadino deve essere correttamente informato del suo ruolo di produttore oltre che di utente energetico; altrimenti si perde un’occasione d’oro. La stessa che persero i costruttori dei primi mulini a vento, ribellandosi al potere feudale dei mulini ad acqua. La Sardegna, in particolare la zona tra Cagliari e Pt. Torres è ad alto interesse per eolico, solare termico e fotovoltaico; senza contare le potenzialità del lago artificiale Omodeo come ottimizzatore del rilascio dei surplus nella rete. Quest’isola potrebbe diventare la prima smart nation, se solo ci fosse la volontà politica ed un popolo più sveglio e consapevole.

Sviluppi futuri

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Celle Graetzel

A questo proposito vale la pena citare diverse alternative possibili, a cominciare dalle celle solari fotochimiche. Dette anche Celle Graetzel, in onore del loro inventore. Per migliorare il rendimento sono in studio materiali alternativi e a basso costo rispetto al silicio, che sono costose, in quanto richiedono una grande pulizia dei suoi componenti, (è lo stesso problema che i produttori di computer hanno dovuto affrontare). Scrive Varvelli:

E’ ciò che si sta facendo sostituendo il silicio con dei nanocristalli, utilizzando i polimeri, per la produzione di celle in plastica, eliminando il ricorso a materiali costosi … costruendo nanosuperfici ad alto assorbimento.

Il biossido di titanio può venire in nostro aiuto, infatti, spiega Harper:

Non è una sostanza chimica rara né richiede un dispendioso processo di lavorazione: se ne produce una grande quantità ed è di uso comune.

Ripensare l’architettura

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Ovviamente ha le stesse qualità fotovoltaiche del silicio e ne occorre una quantità minima: 10g x mq e costa pochi centesimi. Come si lega questo col ripensamento dell’architettura? Tutto gira attorno ad un concetto: biomimetismo. Il biossido di titanio ha una grande capacità di assorbire luce ultravioletta. Funziona in modo analogo ai mitocondri. Quindi, prosegue Harper:

Anziché spendere per tegole e celle solari, si possono costruire direttamente elementi di copertura.

Si potrebbero utilizzate le finestre come pannelli, (la trasparenza non ostacola minimamente il processo). C’è un problema che impedisce tutt’oggi l’applicazione di questa tecnologia, legato al contenimento del liquido (il biossido di titanio) il quale è tossico se inalato: Pensate a che pericoli si potrebbe incorrere rompendo un vetro.

Contro gli ostacoli all’innovazione una sola medicina: La ricerca

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Difficile credere che adeguati investimenti sulla ricerca non portino a breve al superamento di questo ostacolo.

Del resto quando Edison cominciò a produrre energia continua su scala industriale, vi era il problema apparentemente invalicabile dell’attenuazione dell’intensità di corrente sulle lunghe distanze, poi un giorno arrivò ai suoi laboratori un certo Nicola Tesla, il quale risolse il problema inventando la corrente alternata, applicando il fenomeno già noto ad Hertz della induzione elettrica. Incedibile a dirsi; Edison era scettico riguardo alla sua applicazione
.

Senza Hertz e Tesla oggi non potremmo avere i computer, né di conseguenza, conosceremmo le celle fotovoltaiche. Per ogni problema si aprono molte più porte di quante si possano immaginare. Porte molto remunerative. Affermare che con la cultura non si mangia, in quest’ottica, rivela tutta l’ignoranza e la miopia di chi preferisce investire sulle bombe.

Efficienza Energetica degli Edifici


Da sei anni un gruppo di robot ha vissuto in tre abitazioni differenti lungo una via di Campbell Creek, nel Tennessee, nella totale assenza di esseri umani. Anche perché hanno avuto il compito di simularne la presenza, con tanto di macchine“sudoripare”.

immagine di repertorio
immagine di repertorio

Dal 2009 questi congegni sono stati attivati ciclicamente ogni giorno, simulando l’impatto energetico di una normale famiglia. L’esperimento si deve al gruppo di ricercatori coordinato da Patrick Hughes, direttore del Building Technologies Research di Oak Ridge. I risultati sono stati pubblicati su Popular Science.

Si tratta quindi di veri e propri impianti domotici, collegati ai vari elettrodomestici, regolati per ogni casa in modo differente. Utilizzare delle famiglie reali avrebbe comportato il problema di dover monitorare minuto per minuto ogni loro operazione, cosa che evidentemente con dei robot può avvenire con grande efficienza. Questo non di meno crea altri problemi – che rendono pericolanti i risultati dello studio – certamente i dati sono stati raccolti con efficienza, ma fino a che punto sono paragonabili al reale impatto di una famiglia umana? Un robot può riprodurre un modello, per altro molto stilizzato, difficilmente può essere in grado di replicare fedelmente la famiglia media.

Non di meno i dati raccolti possono essere utili per studiare meglio le future tecnologie domotiche, l’architettura e l’ingegneria degli edifici, in modo da renderli sempre più efficienti dal punto di vista energetico. Il mese scorso i robot sono stati congedati e le case messe in vendita. Non ci resta che attendere gli eventuali benefici di questo studio, se ce ne saranno.

Pannelli Fotovoltaici Quantistici


I Pannelli Fotovoltaici Quantistici utilizzano lo spin degli elettroni, in luogo della loro carica, sono stati realizzati dai ricercatori del Politecnico di Milano ed i risultati pubblicati su Nature Materials.

Credit: Politecnico di Milano.
Credit: Politecnico di Milano.

Una nuova frontiera è stata varcata nel campo dei nuovi materiali e probabilmente avrà implicazioni notevoli nell’informatica e nello sviluppo dei computer quantistici. A differenza delle celle fotovoltaiche tradizionali, che attraverso i semiconduttori sfruttano una differenza di carica stimolata dai fotoni, questa nuova tecnologia manipola lo spin degli elettroni, ovvero l’orientamento del loro polo magnetico. Non è una novità, nella stanza dei bottoni ci si era già entrati, riguardo la creazione di particelle monopoli, che apre la strada allo studio della magnetricità; ovvero – detto a grandi linee – l’uso delle proprietà elettromagnetiche in luogo di quelle elettriche.

Tornando a bomba, lo sviluppo di questo nuovo tipo di celle permetterà di realizzare una nuova generazione di transistor, in quanto verrebbero applicati anche alcuni principi della meccanica quantistica, rendendo i dispositivi del futuro molto più efficaci e funzionali, aumentando esponenzialmente le loro capacità di calcolo, già spinte a livelli notevoli.

Celle Fotovoltaiche Organiche


E’ stato possibile “fotografare la conversione della luce in energia”, grazie ad una ricerca condotta dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, dall’Istituto di Nanoscienze e dall’Istituto di fotonica e nanotecnologie. Tutto questo si deve alle celle fotovoltaiche organiche.

Credit: NANO-CNR
Credit: NANO-CNR

Si tratta di nano-strutture costituite da particolari polimeri in grado di convertire la radiazione solare in corrente elettrica, attraverso un processo analogo a quello utilizzato attualmente dai cristalli di silicio e germanio appositamente drogati, come illustra Carlo Andrea Rozzi, uno dei protagonisti di questo studio pubblicato su Scienze, denominato Big Bang della Luce:

«Al loro interno sono presenti dei polimeri che assorbono la luce mettendo in movimento elettroni, e delle macro-molecole formate da 60 atomi di carbonio, note come Fullereni, che raccolgono la carica elettrica. Vogliamo capire come si innesca tra le due molecole il trasferimento di elettroni che dà luogo alla corrente».

Studiare questo fenomeno sembrava impossibile. Accade in poche decine di femtosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondo); per poterlo immortalare sono stati utilizzati dei laser ultraveloci e la capacità di elaborazione del computer, come spiega Elisa Molinari, altra protagonista di questa ricerca:

«Il filmato ottenuto è sorprendente … Il big-bang dell’intero processo di conversione avviene grazie all’oscillazione coordinata di elettroni e nuclei atomici, un comportamento che i fisici chiamano coerenza quantistica, senza il quale non si darebbe avvio al trasferimento di carica e non si otterrebbe nessuna corrente elettrica».

Va da sé che questa scoperta potrà risultare molto utile al fine di studiare nuove tecnologie fotovoltaiche, sempre più efficienti nel convertire la luce in energia. Parliamo di un futuro sempre più alla nostra portata.

Celle Fotovoltaiche Stampabili


All’Università di Tor Vergata si stanno “stampando” le prime celle fotovoltaiche a cristalli perovskiti, dotati di una elevata capacità di assorbire la radiazione solare. I risultati del team romano sono stati pubblicati su Physical Chemistry Chemical Physics.

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Photocredit: ANSA

I moduli (strutture formate da insiemi di celle) sono degli ibridi realizzati anche con sostanze organiche. Un risultato notevole, visto che prima d’ora si era riusciti a realizzare solo campioni di piccole dimensioni. La possibilità di stampare questi materiali a più strati condizionerà non poco i costi di produzione, riducendoli. Se permettete il paragone è un po’ come quando Gutenberg coi suoi caratteri mobili permise la diffusione dei libri a prezzi decisamente più accessibili. Infatti, per la loro produzione vengono usate proprio le più convenzionali tecniche di stampa. I ricercatori prevedono di perfezionare il loro prototipo in modo da fargli raggiungere una resa del 20%.

Questa nuova tecnologia ha una composizione chimica tale da permettere alla radiazione luminosa di generare cariche elettriche dalla permanenza prolungata, in modo tale da permettere l’accumulo di energia. Com’è noto infatti, uno dei problemi nell’impiego delle energie rinnovabili nelle reti tradizionali, sta nella loro discontinuità. In attesa che costi e rendimento migliorino possiamo dedicarci ad abbassare il livello di fabbisogno e creare la volontà politica di adeguare la tecnologia a questo nuovo modo di pensare le risorse.

Fotovoltaico e Case del Futuro


Si studiava già da tempo il modo di considerare tutto l’edificio come veicolo per l’immagazzinamento di energia solare e la sua conversione in calore ed energia fotovoltaica.

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Immagine di repertorio

Per i vetri delle finestre, per esempio, sono stati sperimentati dei polimeri, che però sono tossici (un bel problema se si rompe un vetro); un’altra strada si ispira più propriamente ai semiconduttori, ed è quella intrapresa dai ricercatori dell’Università Bicocca di Milano, in collaborazione coi colleghi americani dei lavoratori di Los Alamos.

Non c’entra niente il nucleare stavolta, bensì il plexiglass, le cui proprietà permettono di drogarlo, esattamente come si fa col silicio o il germanio – nei transistor come nelle celle fotovoltaiche – al fine di creare uno squilibrio di elettroni, tale da generare tramite radiazione solare un potenziale elettrico. In questo caso il drogaggio avviene soprattutto per convogliare la radiazione solare e concentrarla in punti specifici.

In sostanza i ricercatori hanno pensato a edifici le cui pareti verranno rivestite in plexiglass, drogato con nanoparticelle fluorescenti. Questi innesti otticamente attivi, denominati cromofori, convoglieranno la radiazione solare verso i bordi delle pareti, dove verrà convertita in energia elettrica mediante apposite celle fotovoltaiche situate negli spigoli. Per quanto riguarda le finestre, sarà possibile regolarne la trasparenza in modo tale da trasformarle in veri e propri pannelli fotovoltaici, senza i rischi citati all’inizio.

Secondo Sergio Brovelli, uno dei ricercatori coinvolti, per quanto questa tecnica vada ancora sperimentata, sarà presto molto appetibile, specialmente nelle nuove frontiere dell’industria immobiliare:

«Questa tecnologia, di cui noi abbiamo fornito la prova di principio è immediatamente scalabile per l’industria e può essere utilizzata nella green architecture e nella building sustainability. Inoltre, la possibilità di realizzare dispositivi di qualsiasi forma e colore offre nuove eccitanti opportunità nel design di elementi architettonici intelligenti».

Una domanda sorge spontanea: Quanto ci costerà costruirle? La differenza tra un progetto suggestivo e la sua effettiva realizzazione sta tutta nella risposta. Restiamo fiduciosi.

Programmare il Consumo con Tecnologia SmartCharge


Prossimamente: le prime lampadine SmartCharge, programmabili, a risparmio energetico.

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Il segreto di questa lampadina è il bulbo, che ospita al suo interno una CPU (processore, come quelli che fanno funzionare i nostri computer), un memoria e una sorta di “scheda madre”, questo rende l’accessorio “programmabile”. Così in caso di blackout può rimanere accesa per quattro ore e può essere quindi usata ovunque. Non è richiesto nessun tipo di cablaggio aggiuntivo, tutto quel che si deve fare è cambiare la lampadina tradizionale con questa.

Il suo inventore, Shailendra Suman, sta raccogliendo fondi per la sua fabbricazione in serie. L’ha definita lampadina SmartCharge, per chi fosse interessato questo è il suo sito. La rivoluzione stand-by e stand-alone è iniziata, non saremo certo noi a fermarla.

Ottimizzare la Resa del Fotovoltaico con Megaris


Uno dei problemi legati alle energie rinnovabili è che prese singolarmente non riescono a coprire tutto il fabbisogno, anche a causa del modo in cui è strutturata la rete principale.

Che succede invece se vengono combinate assieme? E’ la domanda che si sono posti i ricercatori dell’ Università del Sannio.

La risposta a questa domanda potrebbe chiamarsi Megaris (Micro Electric Generator from Alternative Renewable energy Innovative Stirling engine) che unisce assieme l’energia termica prodotta attraverso biomasse e radiazione solare, utilizzando un motore ad aria. Al progetto hanno partecipato anche il Cnr e la società Aerosoft.

Il primo impiego di Megaris sarà un piccolo condominio di quattro appartamenti. Nulla vieta in futuro di installarlo anche in edifici più complessi. Gaetano Contillo, uno dei responsabili di Megaris, è ottimista:

«E’ il primo progetto che unisce tre elementi: un combustore a letto fluido per le biomasse (costituito da sabbia sospesa da un flusso d’aria che ha la funzione di immagazzinare calore e distribuirlo al sistema), uno specchio parabolico per concentrare l’energia solare e un motore ad aria Stirling che genera energia dallo scambio termico».

La forza di Megaris è la possibilità di generare energia in totale autonomia, senza le discontinuità che si rimproverano alle rinnovabili. Effettivamente è proprio questo lo spirito delle Smart City: Sopperire alla discontinuità facendo “cooperare” tecnologie e risorse. Un principio che può benissimo esprimersi nelle singole tecnologie e che farà la differenza quando non potremo più affidarci alle risorse fossili.

Nel 2020 faremo il pieno col Fotovoltaico


I ricercatori del RSE (Ricerca Sistema Energetico) stimano al 2020 la data in cui le auto elettriche invaderanno le nostre strade con prezzi comparabili a quelli delle auto a combustibile attuali.

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Un passo fondamentale dovrà essere compiuto dallo studio di batterie innovativesu questo argomento potete approfondire in un nostro precedente articolo. La stima dei ricercatori si basa sui dati statistici attuali, che registrano rendimenti sempre maggiori dei motori elettrici con un calo di consumo pari all’1% annuo, senza contare che i costi di costruzione calano del 5-10% ogni anno.

L’impatto in tutto il sistema energetico sarà notevole, anche dal punto di vista delle emissioni nocive, che evidentemente subiranno un calo abbondante. Se da un lato il consumo della rete elettrica subirà un aumento, dall’altro questo verrà controbilanciato dall’impiego delle energie rinnovabili. In una rete come quelle teorizzate da Rifkin, per esempio, le auto elettriche risulterebbero funzionali alla produzione di energia, come già spiegato in un precedente articolo.

Il futuro delle energie rinnovabili si gioca tutto non solo nell’ottimizzare l’emissione ma anche nel ripensare gli strumenti della nostra quotidianità. Non si può pretendere di far funzionare una locomotiva a vapore con la benzina, né possiamo pensare di ottenere prestazioni eccellenti da un elettrodomestico pensato per la rete tradizionale, collegandolo ad un pannello fotovoltaico.

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