Che cos’è l’energia solare?

L’energia solare è quell’energia di cui ogni forma di vita sulla Terra non può fare a meno.

L’energia solare, infatti, è l’energia utilizzata dagli organismi vegetali per sostenersi attraverso la fotosintesi.

Dal momento che tutti gli altri organismi viventi sfruttano per il proprio sostentamento l’energia chimica ricavata da questi stessi vegetali, si può dire che, direttamente o indirettamente, l’energia solare è il motore necessario di ogni essere vivente sul nostro Pianeta.

D’altronde anche altre fonti energetiche quali i combustibili fossili, l’energia da biomassa, l’energia idroelettrica e quella eolica, così come l’energia del moto ondoso; ebbene tutte questi tipi di energia derivano dall’energia solare.

Questa può essere utilizzata direttamente per scopi energetici e il suo impiego è in costante crescita grazie alle sempre più adatte tecnologie in grado di sfruttare efficientemente quel grande fornitore di energia solare che è il Sole.

Il Sole

L’energia solare è l’energia raggiante sprigionata dal Sole per effetto di reazioni nucleari e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica.

I fotoni, che sono i costituenti delle radiazioni, sono particelle che si propagano nel vuoto alla velocità della luce, cioè a circa 300.000 chilometri al secondo, con un’energia che dipende dalla frequenza e massa ridottissima (nulla quando il fotone è a riposo).

Le radiazioni vengono assorbite dall’atmosfera e dalla superficie terrestre e l’energia solare si trasforma, come dicevamo prima, in energia eolica, idraulica o chimica.

Pensate che l’intensità delle radiazioni solari equivale annualmente a 80 mila miliardi di TEP (tonnellate di petrolio equivalente), ma la domanda globale di energia non supera gli 8 miliardi di TEP annui.

E d’altronde gli 80 mila miliardi di TEP che arrivano fino alla Terra non sono che una quantità infinitesimale rispetto alla produzione di energia che avviene nel Sole attraverso le reazioni nucleari.

Il Sole, lo ricordiamo per i più sbadati, è la stella che consente la vita sul nostro pianeta, quella attorno a cui gravita l’intero sistema solare.

Ha una massa enorme, pari a circa 300.000 volte la Terra, ed è composto per il 75% da idrogeno e per il 23% da elio – il 2% restante sono elementi pesanti.

Attraverso la fusione nucleare, 4 atomi di idrogeno si fondono per formare un nucleo di elio.

L’energia liberata da questa fusione si propaga nello spazio sotto forma di fotoni: quegli stessi fotoni che arrivano sulla Terra, illuminandola, scaldandola e consentendone la vita sulla superficie.

 

Il bilancio energetico sulla Terra

Il fotone viaggia a 300.000 km al secondo e ci mette circa 8 minuti a percorrere quei 150 milioni di chilometri che separano la Terra dal Sole.

Avete presente, al tramonto, quell’ultima striscia di sole che poi sprofonda nel mare? E’ vecchia di otto minuti: il Sole è già caduto oltre l’orizzonte mentre scattate quella foto copertina.

Ad ogni modo, grazie a tutti i fotoni irradiati dalla nostra stella preferita, sulla Terra arrivano circa 170.000 terawatt, una quantità di energia che come già sottolineato è migliaia e migliaia di volte superiore a quella generata nel complesso dall’umanità.

Ovviamente la Terra è investita da una frazione dell’energia irradiata dal Sole: questo emette in tutte le direzioni dello spazio un flusso energetico la cui potenza è di circa 64 milioni di watt per metro quadrato.

Dei 170 mila terawatt che giungono sulla terra, circa 50 mila sono riflessi dagli strati superiori dell’atmosfera; 30 mila sono assorbiti dalla stessa atmosfera; e 90 mila raggiungono la superficie terrestre.

La maggior parte di quest’ultimi è quella utilizzata dagli organismi viventi direttamente, per esempio con la fotosintesi; una piccola parte invece si trasforma nei vari tipi di energia che avevamo già elencato: 400 terawatt fanno evaporare l’acqua dei mari, mettendo in moto il ciclo dell’acqua: il vapore diventa nuvola, la nuvola fa piovere in mare, il mare grazie al sole evapora di nuovo; 370 terawatt muovono il vento, si trasformano in energia eolica; 80 terawatt divengono energia chimica.

Ma tutte le altre migliaia di terawatt che stazionano tra l’atmosfera e la superficia della Terra? Beh, vengono irraggiati verso lo spazio sotto forma di radiazione infrarossa: in questo modo il bilancio energetico della Terra resta costante, così come la temperatura dell’atmosfera e della superficie terrestre.

Un gran bel meccanismo, questo sistema solare!

 

La radiazione utile

Certo di radiazioni ne arrivano tante, tantissime; ma soltanto una piccolissima quantità può essere considerata utile all’uomo, perché soltanto poca parte dell’energia solare può essere raccolta e trasformata.

Tutto dipende dall’irraggiamento del luogo in cui si desidera “raccogliere” l’energia solare.

L’irraggiamento è la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo. L’irraggiamento dipende quindi dalle condizioni climatiche locali, ma soprattutto dalla latitudine del luogo interessato: più ci si avvicina all’equatore, più c’è irraggiamento.

Ora: è proprio dall’irraggiamento che dipende il rendimento dell’energia solare in quanto fonte energetica.

 

Perché sfruttare l’energia solare

energia solare

Una volta chiarito quanta energia solare è sfruttata e sarebbe sfruttabile, è bene specificare che l’energia solare è, ovviamente, l’energia rinnovabile per eccellenza. O meglio: il Sole illuminerà scaldandola la Terra fino a quando avrà ancora idrogeno da trasformare in elio – ovvero, secondo le stime, tra circa 5 miliardi di anni.

Perciò di tempo per usufruirne ne abbiamo. Inoltre l’energia solare è silenziosa, non inquinante e comporta benefici ambientali rilevanti. Per di più è una fonte di energia che è diffusa su tutto il pianeta, nonostante le differenze di irraggiamento dipendenti dalla latitudine.

Tenendo conto di quanto detto finora, è chiaro che l’impiego di energia solare, soprattutto in quelle zone del mondo abbandonate a se stesse come alcune regioni d’Africa – tra l’altro particolarmente adatte alla ricezione dell’energia solare –, è auspicabile e, a dirla tutta, difficilmente si può sostenere il contrario.

L’unico problema legato ad essa è l’intermittenza su scala locale, dovuta sia all’alternanza del giorno e della notte, sia alla variabilità delle condizioni meteorologiche.

E alla risoluzione di questo naturale inconveniente che lavorano le migliaia di aziende energetiche del mondo: imprese come Solar City, di Elon Musk, stanno immettendo sul mercato batterie solari in grado di raccogliere l’energia solare catturata dagli impianti fotovoltaici di giorno, per rilasciarla quando cala la notte.

 

Una breve storia sulle tecnologie per il raccoglimento di energia solare

Prima di capire nel dettaglio come si sfrutta l’energia solare, facciamo una piccola digressione storica.

Torniamo indietro al 1767, quando lo svizzero Horace de Saussurre inventò il primo collettore solare. Ad essere sinceri, nonostante il nome altisonante, il collettore di Horace era una “pentola nera” impiegabile per scaldare l’acqua e cucinare in assenza del fuoco.

E’ del 1891 il primo brevetto vero e proprio sullo scaldatore d’acqua ad energia solare. C’erano, ai tempi, altri metodi più rapidi, economici e semplici per riscaldare l’acqua: perciò l’invenzione di Clarence Kemp non ebbe molta fortuna.

Ma quando nel 1973 il mondo entrò in quella che è oggi si ricorda come una delle più gravi crisi energetiche dei tempi moderni, perché aumentò vertiginosamente il prezzo del petrolio su cui si faceva abbondante affidamento, i governi occidentali furono costretti a cercare altre fonti di energia sfruttabile e tornò di moda, in versione aggiornata, lo scaldatore di Kemp, più conosciuto come pannello solare.

Il pannello solare, come vedremo, sfrutta l’energia termica delle radiazioni solari; ma in tempi più recenti l’uomo ha imparato a far fruttare anche l’effetto elettromagnetico delle stesse radiazioni.

Convertendo i raggi del Sole in energia elettrica mediante appositi dispositivi, si ha quello che chiamiamo effetto fotovoltaico, scoperto per la prima volta nel 1839 dal fisico Becquerel ma, come dicevamo, le prime vere e proprie applicazioni commerciali si ebbero verso la fine degli anni 50, grazie all’industria dei semiconduttori e dell’informatica: nei laboratori Bell si realizzò la prima cella fotovoltaica in silicio monocristallino, dando l’imput ad una ricerca che si spinge fino ai giorni nostri in cerca del migliore rendimento possibile.

Fate conto che siamo passati da un rendimento pari al 6%, nei laboratori Bell, al 15% dei giorni nostri.

 

La sfruttamento dell’energia solare

Innanzitutto bisogna fare una distinzione fra i sistemi con cui si può impiegare l’energia solare.

Ci sono i sistemi solari passivi, in cui l’energia del Sole viene utilizzata direttamente, e i sistemi solari attivi, in cui l’energia solare viene raccolta prima di essere convertita e trasformata nell’energia desiderata, sia essa termica o elettrica.

Un sistema solare passivo è ad esempio la tipica serra da orto, la quale permettendo il passaggio delle radiazioni solari all’interno della struttura e impedendone la fuoriuscita, fa in modo che la temperatura all’interno della serra sia maggiore di quella esterna.

I due esempi per quanto riguarda i sistemi solari attivi sono il pannello solare termico e il pannello solare fotovoltaico i quali, nonostante la forma esteticamente simile, hanno scopi e funzionamenti molto diversi.

 

Pannelli solari termici

Non esiste un unico tipo di pannello solare, ma chiamiamo in generale “pannello solare termico” un dispositivo in grado di catturare l’energia del Sole per riscaldare l’acqua; questa, una volta accumulata in un serbatoio atto all’uso, viene conseguentemente utilizzata per riscaldare l’abitazione o fornire acqua calda.

I pannelli solari termici più diffusi sono i pannelli a piastra, composti da pannello solare e serbatoio d’accumulo; i collettori a concentrazione, che sono pannelli solari che attraverso un sistema di specchi riflettono i raggi del Sole per convergerli su un ricevitore, producendo energia termica; e i collettori a tubi sottovuoto, più complessi da produrre ma dall’efficienza più elevata dei classici pannelli a piastra.

 

Pannelli solari fotovoltaici

Un pannello fotovoltaico solare è un dispositivo in grado di convertire l’energia solare incidente sul pannello in energia elettrica mediante l’effetto fotovoltaico – quello scoperto nel lontano 1838 da Becquerel.

L’elemento base del pannello solare è la cella fotovoltaica, anche detta cella solare: la cella, in silicio, è la responsabile della conversione energetica grazie all’effetto fotovoltaico. Ma di preciso, quest’effetto, cos’è?

L’effetto fotovoltaico è dovuto alla proprietà che hanno materiali semiconduttori come il silicio, i quali, se opportunamente trattati, generano energia elettrica quando i raggi solari colpiscono, nel caso del pannello, il modulo composto di celle in silicio.

Ogni cella, ad oggi, in condizioni standard, cioè quando si trova ad una temperatura di 25 gradi centigradi, è in grado di produrre 1,5 watt di potenza.

Tenendo conto che il modulo tradizionale è formato da una serie di 36 celle, un pannello fotovoltaico in condizioni standard è in grado di produrre una potenza di circa 50 watt.

 

energia solare mondoLa situazione del solare nel mondo

La domanda di fotovoltaico nel mondo è in costante crescita da diversi anni.

Le tecnologie sviluppate grazie agli inventivi alle ricerche permettono al settore relativo all’energia solare di migliorare i propri prodotti, sulla scia di una congiuntura favorevole per quanto riguarda le energie rinnovabili.

Ora: tenendo conto che l’energia solare è, come già affermato, una risorsa presente in tutte le zone del pianeta, il raggiungimento di nuove tecniche di sfruttamento in grado di migliorare le prestazioni e il rendimento degli impianti non può che favorire il passaggio dall’insostenibilità del nostro modello energetico basato sullo sfruttamento dei combustibili fossili, alla sostenibilità ambientale derivante dall’uso dell’energia solare.

Guardiamo ai numeri: per quanto riguarda il fotovoltaico, la capacità totale installata nel mondo ha raggiunto i 177 GW (dati 2014).

Sono numeri sorprendenti, considerando che nel 2009 si superavano a malapena i 20GW di capacità globale.

La Germania è in testa alla classifica dei paesi con più capacità installata, con i loro 38 GW; segue la Cina, a 28 GW; il Giappone, uno dei paesi emergenti per quanto riguarda lo sfruttamento del solare; l’Italia; e gli Stati Uniti, con 18,3 GW.

Questi cinque paesi staccano di gran lunga i successivi: la Francia, al sesto posto, ha solamente 5,7 GW di potenza installata in impianti fotovoltaici sul suo territorio.

E’ curioso notare che, se nel 2012 l’Europa pesava per il 59% nelle nuove installazioni effettuate in un anno, nel 2014 vi è stato un ribaltamento geografico: due anni fa il 60% della nuova potenza è stato installato in Asia (buona parte in Giappone e in Cina), mentre soltanto il 18% del mercato spettava al vecchio continente.

D’altronde sono cinesi tre delle cinque società che si spartiscono una gran parte del mercato di moduli e celle fotovoltaiche (Trina Solar, JinkoSolar, JA Solar).

Per quanto riguarda il termico, nel 2012 vi era una potenza di 326 GW termici in tutto il mondo: come anche per il fotovoltaico, la Cina domina il settore.

Basti pensare che, sempre facendo riferimento ai report del 2012, in Cina si era incrementata la capacità del solare termico del 44,7% rispetto all’anno precedente.

 

La situazione del solare in Italia

 

Come già detto, l’energia solare è una risorsa locale in tutto il mondo, cioè è sfruttabile in ogni punto del pianeta. Ma: il rendimento dipende dalla latitudine in cui si l’energia è raccolta, perché dipende dall’incidenza dei raggi solari rispetto alla conformazione sferica della Terra.

Così è spiegabile la grande capacità fotovoltaica italiana, il Paese del Sole. Qui, l’irraggiamento medio annuo va dai 3,6 kWh per m2 al giorno della Pianura Padana ai 5,4 kWh per m2 al giorno della Sicilia.

Perciò l’Italia è uno dei maggiori produttori di energia solare al mondo ed è tra i pionieri nelle ricerche relative alle innovazioni tecnologiche del settore.

Dal 2007 ad oggi la domanda di energia solare in Italia è in crescita esponenziale: nel 2012 si è registrato un incremento dell’8,2% della potenza installata rispetto al 2013 e secondo il GSE (Gestore dei Servizi Energetici) gli impianti da fonte solare in esercizio erano 591.029 (+22% rispetto all’anno precedente).

Nel report “Snapshot of Global PV Markets 2014” della International Energy Agency (IEA) si conferma che l’Italia è il paese nel quale il solare contribuisce di più alla domanda elettrica nazionale, con il 7,9% rispetto ad una media europea del 3,5%. Sembra poco? Nel 2009 il fotovoltaico contribuiva appena allo 0,21% della domanda elettrica.

(I dati provengono dal fascicolo riguardante l’energia solare prodotto da eniscuola.net con il patrocinio del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca e Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare).

 

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