Fotovoltaico

SISTEMI FOTOVOLTAICI

L'energia solare che raggiunge in un anno la superficie terrestre, alla latitudine dell'Italia, varia da 1.150 KWh/mq anno per le zone alpine ai 1.750 KWh/mq anno per zone meridionali della Sicilia e della costa occidentale della Sardegna. La resa media di un modulo fotovoltaico è circa 14%, per cui la capacità produttiva di media italiana di energia elettrica è di circa 200 kWh/anno. Il consumo medio di una famiglia italiana (media nazionale) è di 4.410 kWh/anno. Questo significa che la richiesta di una famiglia media verrebbe soddisfatta utilizzando un impianto di potenza pari a circa 3,3 KWp per una superficie impegnata, al massimo, di circa 26 mq, che possono ridursi utilizzando moduli ad alto potenziale. Nel caso di abitazioni realizzate con criteri a bassa dispersione termica ed a basso consumo energetico, si può tranquillamente dimezzare il fabbisogno energetico. Con soli 1,7 KWp (circa 12 mq d'impianto) con una spesa complessiva pari a circa 12.500,00 euro.

L' energia elettrica che genera il campo fotovoltaico risulta essere una corrente continua. Per poterla utilizzare con i normali elettrodomestici ed apparecchi in genere, dovrà essere convertita in corrente alternata tramite un "inverter". A questo punto la corrente alternata generata dal campo fotovoltaico che non viene utilizzata all'istante potrà essere immessa nella rete che, mediante un proprio contatore contabilizza l'energia elettrica prodotta e, quando previsto, conteggia gli eventuali conguagli.

Come funziona la tecnologia fotovoltaica

L’effetto fotovoltaico è stato scoperto da H. Becquerel nel 1839, ma bisogna arrivare al 1954 per vederne la realizzazione pratica: è la Bell Telephone che realizza le prime celle fotovoltaiche al silicio ad alto rendimento e le usa per alimentare un telefono militare da campo. Negli anni successivi l’intera produzione di celle fotovoltaiche viene assorbita da una nuova tecnologia: i satelliti spaziali. Uno dei più noti è lo Skylab, un vero laboratorio spaziale, messo in orbita nel 1973 dagli Stati Uniti; ricava 25 KW di energia da 500.000 celle fotovoltaiche montate su una superficie di 1250 m². I satelliti artificiali, civili e militari che oggi girano a migliaia intorno alla Terra, sono quasi sempre alimentati da celle fotovoltaiche. Queste hanno fornito elettricità ai veicoli spaziali fin dai loro primi voli e cominciano a essere utilizzate in certi prodotti commerciali, come le calcolatrici e gli orologi da polso. Questo dispositivo è stato costruito fino ad oggi con silicio cristallino.

Alla base del processo c'è l'effetto fotovoltaico che si fonda sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di generare direttamente energia elettrica, se colpiti dai raggi solari.

Uno dei materiali che ha questa proprietà fotovoltaica è il silicio, materiale molto diffuso in natura e il più utilizzato per la produzione di elementi generatori. La trasformazione della luce solare in energia elettrica avviene senza l'utilizzo di combustibili, non producendo alcun rumore o spreco né emissioni gassose o rifiuti, né dispersioni di calore. La luce solare è inoltre una fonte energetica inesauribile, ancora poco utilizzata, che attraverso un suo migliore sfruttamento, permetterebbe un uso più razionale delle altre risorse energetiche.

Pietra grezza di silicio

silicio lavorato

silicio

cubo_silicio

Negli ultimi anni la sensibilità nei confronti di questi argomenti ha portato alla nascita di una coscienza energetica anche nel settore edile. E' possibile oggi creare architetture che utilizzino intelligentemente l'energia o che addirittura la producano, attraverso, per esempio, l'integrazione al suo interno di dispositivi fotovoltaici.

I sistemi fotovoltaici vengono sfruttati in diversi contesti a seconda del tipo di applicazione. Una prima distinzione può essere fatta tra sistemi isolati (stand-alone) e sistemi collegati alla rete (grid connected). Questi ultimi, a loro volta, si suddividono in centrali fotovoltaiche e sistemi integrati negli edifici.

Il sistema fotovoltaico è costituito da un generatore e/o campo fotovoltaico costituito da un sistema di moduli collegati in modo da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati. I moduli sono costituiti da un insieme di celle.

celle_FV

I più diffusi sono quelli costituiti da 36 celle di silicio mono e policristallino, disposte su più file parallele, collegate in serie; hanno una superficie che varia da 0,5 ad 1 mq e una potenza in uscita pari a 50 Watt. Attualmente si mettono in commercio anche moduli con molte più celle tanto da arrivare ad ottenere una potenza pari a 300 Watt per ogni singolo modulo che occupa una superficie di circa 1,5 mq. L'orientamento dei moduli fotovoltaici deve essere il più possibile a Sud; per quanto riguarda l'inclinazione del modulo, generalmente si sceglie una inclinazione pari alla latitudine del luogo di installazione. Mediamente si installano ad un'inclinazione di 30°.

Caratteristiche del silicio

Il silicio, dopo l'ossigeno, è l'elemento più diffuso in natura; per essere sfruttato deve presentare una opportuna struttura molecolare e un elevato grado di purezza, delle caratteristiche non presenti nei minerali in cui ritrova allo stato naturale. Tenendo presente la diversa struttura, si può suddividere in tre tipi diversi:

Nella struttura monocristallina gli atomi sono orientati nello stesso verso e legati gli uni agli altri nello stesso modo; in quella policristallina gli atomi sono aggregati in piccoli grani monocristallini orientati in modo casuale; in quella amorfa gli atomi sono orientati in modo casuale, come in un liquido, pur conservando le caratteristiche dei corpi solidi. Il silicio di grado elettronico é impiegato nella costruzione di componenti elettronici, che deve essere estremamente puro e con struttura monocristallina; gli scarti di questo silicio vengono utilizzati per le celle solari.

La cella è il dispositivo più elementare, capace di operare una conversione dell'energia solare. La potenza in uscita da un dispositivo fotovoltaico, quando lavora prende il nome di potenza di picco (Wp) ed è un valore che viene usato come riferimento. Un insieme di moduli connessi elettricamente tra loro costituiscono il campo fotovoltaico che insieme ad altri componenti meccanici, elettrici ed elettronici, consente di realizzare i sistemi fotovoltaici. Più moduli assemblati meccanicamente costituiscono il pannello. Pannelli o moduli collegati elettricamente in serie formano la stringa. Le celle si possono costruire con silicio cristallino ma anche con diversi altri semiconduttori, fatti con leghe quali il diseleniuro di rame e indio, telleruro di cadmio, arseniuro di gallio (comunemente chiamato CIS); il meccanismo comunque è lo stesso, la differenza è sul prezzo del pannello che risulta essere inferiore.

Funzionamento della cella

Le celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia elettrica. Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è in genere il silicio. Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino), che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l'accostamento di più cristalli adiacenti (silicio policristallino). Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall'accostamento dei singoli cristalli.

Siamo soliti a riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla colorazione blu, più diminuisce la quantità di energia generabile.

ciclo_fv

Schema: la luce solare colpiscono il campo fotovoltaico che produce energia che viene immessa in rete

Rendimento

Il massimo rendimento teorico della conversione fotoelettrica di una cella di silicio è circa il 28%, a causa delle perdite dovute al calore, alla riflessione ed ai fotoni che non vengono assorbiti dal semiconduttore. Per aumentare il rendimento, molto importante è applicare alla superficie anteriore della cella un rivestimento antiriflettente, perché in una cella non rivestita, le perdite per riflessione possono raggiungere il 30%. Si cerca anche di impiegare la cosiddetta tecnologia del campo superficiale posteriore, che consiste nel creare un campo elettrico presso la superficie posteriore di un semiconduttore, in modo da respingere verso la giunzione p-n i portatori di carica liberi in movimento casuale e migliorare la separazione di elettroni e buche. Grazie a questi accorgimenti, il rendimento delle celle fotovoltaiche cristalline di serie ha raggiunto circa il 14%.

Negli ultimi anni si sono sperimentati molti materiali per celle fotovoltaiche: uno di questi materiali è il silicio amorfo, che non possiede la struttura reticolare regolare del silicio cristallino. La struttura amorfa accresce notevolmente la probabilità che la luce venga assorbita e che gli elettroni passino nella banda di conduzione. Per quanto riguarda l'assorbimento luminoso questo materiale presenta notevoli vantaggi rispetto al silicio cristallino, quindi si possono ricavare con questo materiale, semiconduttori a pellicola sottile, con uno spessore di 0,5 micrometri rispetto ai 300 micrometri del silicio cristallino. Dato che contengono una minore quantità di materiale, le celle a pellicola sottile sono più economiche. Un altro progresso compiuto nella tecnologia delle celle fotovoltaiche a pellicola sottile consiste nel sovrapporre più celle, per sfruttare meglio lo spettro solare. Le celle fotovoltaiche ad alto rendimento, sono per esempio, le celle a cristallo unico di arseniuro di gallio e silicio.

Poiché l'energia prodotta dal generatore F.V. è sottoforma di corrente continua e la maggior parte degli apparecchi elettrici funzionano a corrente alternata, è necessario introdurre nel sistema fotovoltaico un dispositivo che provveda a trasformare l'energia elettrica continua in alternata (CC in AC), questo dispositivo è l'inverter.

L'inverter è un elemento essenziale negli impianti collegati alla rete elettrica che è AC, a bassa tensione (BT), ma può non esserci se il sistema è isolato e tutte le apparecchiature funzionano in corrente continua.

Attualmente però si nota un forte aumento della richiesta di inverter da istallare negli impianti solari per l'alimentazione di utenze isolate; esistono inverter ad onda quadra, ad onda sinusoidale modificata, ad onda sinusoidale.

Nei sistemi collegati alla rete, l'inverter è sempre presente ma non è previsto il sistema di accumulo, in quanto l'energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa in rete; viceversa, nelle ore notturne, il carico locale viene alimentato dalla rete.

inverter_santerno

Elettronica Santerno

inverter_SMA

SMA

inverter_fronius

Fronius

I moduli fotovoltaici possono essere impiegati per:

v    coperture di tetti;

v    rivestimenti di facciate;

v    elementi di schermatura dal Sole quali pensiline poste davanti alle finestre;

v    schermatura solare per lucernari;

v    pensiline per parcheggi;

v    sistema di alimentazione per apparecchiature isolate, quali illuminazioni esterne, apparecchiature di controllo e segnalazione, cartelloni, ecc.;

Conto energia

La produzione di energia elettrica attraverso la tecnologia fotovoltaica è oggi incentivata attraverso il "conto energia" previsto, per ultimo, dal Decreto interministeriale del 19 febbraio 2007. Tale Decreto ha previsto, in relazione alla tipologia dell'impianto e della sua installazione, l'erogazione dei seguenti benefici:

Taglia di potenza dell'impianto

Tariffa incentivante riconosciuta in relazione al tipo di installazione eseguita:

Non integrata

Art. 2 comma 1, lettera b

Parzialmente integrata

Art. 2, comma1 lettera b2

Integrata

Art. 2comma 1, lettera b3

1 kW ≤P ≤3 kW

0.40

0.44

0.49

3 kW < P ≤20 kW

0.38

0.42

0.46

20 kW < P ≤1 MW

0.36

0.40

0.44

Esempio pratico (impianto da 2 kWp - circa 15 mq di superficie):

Installando un sistema fotovoltaico da 2 kWp si avrà una produzione di:

Nord Italia: 2.200 kWh/anno (considerando 1.100 kWh/kWp anno)

Centro Italia: 2.600 kWh/anno (considerando 1.300 kWh/kWp anno)

Sud Italia: 2.800 kWh/anno (considerando 1.400 kWh/kWp anno)

Il guadagno permesso dal "conto energia" sarà quindi pari alla moltiplicazione delle produzioni sopra riportate per i dati indicati nella tabella anzi riportata in relazione al tipo di installazione eseguita (non integrata, parzialmente integrata ed integrata). Il risparmio sarà invece calcolabile moltiplicando l'energia elettrica solare per il costo unitario (€/kWh) dell'energia elettrica consumata dall'utenza. Di solito se si tratta di un'utenza industriale o comunque caratterizzata da elevati consumi, il costo dell'energia elettrica è compreso tra 0,10 e 0,14 €/kWh. Se invece si tratta di un'utenza residenziale, allora il costo sale a 0,15 - 0,22 €/kWh. Ultimamente il costo medio dell'energia elettrica delle famiglie italiane è aumentato parecchio, soprattutto a causa del diffondersi dei condizionatori (all'aumentare dei consumi aumenta il costo dell'energia elettrica). Sulla base della nostra esperienza possiamo dire che molto spesso si superano anche gli 0,20 €/kWh.

Valutazione economica

Sappiamo che l'indicatore economico più utilizzato è il Tempo di Ritorno (costo del sistema e della sua eventuale manutenzione/risparmio annuale). Ricordiamo comunque che sarebbe anche corretto considerare:

1)      il costo dell'energia elettrica da fonte solare (per confrontarlo con quello dell'energia tradizionale), che si ottiene dividendo il costo del sistema (e della sua eventuale manutenzione) per la produzione energetica prevista per gli anni che s'intendono considerare come vita utile del sistema (che può essere di diversi decenni, ma che la sensibilità comune limita a 20 / 25 anni);

2)      il tasso interno di rendimento dell'investimento, ricavabile da complessi calcoli finanziari.

Per ora ci limitiamo comunque al Tempo di Ritorno. L'esempio considerato (2 kWp) porta al seguente risultato (considerando un costo del sistema di 14.000,00 euro, IVA inclusa):

Nord Italia: 10,6 anni

Centro Italia: 8,8 anni

Sud Italia: 8,15 anni

Se s'intende utilizzare la detrazione IRPEF (detrazione del 36% del costo dell'impianto dalle tasse da suddividere in 10 anni), il costo del sistema si ridurrebbe a 8.920,00 euro, ma il Conto Energia specifica che in tal caso la tariffa sarà ridotta del 30%. Lo stesso Decreto prevede una maggiorazione della tariffa incentivante fino ad un massimo del 30% qualora si eseguono interventi per ridurre il consumo energetico dell'immobile, nonché altra maggiorazione del 5% qualora il 70% della produzione viene auto-consumata, oppure si tratti di impianti integrati con sostituzione di coperture in eternit o comunque contenenti amianto. E' previsto un abbassamento del 2% della tariffa incentivante a decorrere dal 2009.

E' possibile, su richiesta del soggetto responsabile, optare per lo "scambio sul posto", cioè per eseguire un saldo annuo tra l'energia elettrica immessa in rete dall'impianto medesimo e l'energia elettrica prelevata dalla rete dall'utenza connessa a tale impianto. È possibile avvalersi dello scambio sul posto solo se il punto di immissione e di prelievo dell'energia elettrica scambiata con la rete coincidono. Possono richiedere di usufruire del servizio di scambio sul posto i clienti che hanno la disponibilità di impianti alimentati da fonti rinnovabili di potenza nominale non superiore a 20 kW.

Qui di seguito si riporta una previsione, puramente indicativa, di spesa per la realizzazione di un impianto fotovoltaico da 3 KWp, installato a Bologna, con scambio sul posto,

Previsione di spesa per realizzare un impianto da 3 KWp.

18.000,00€

6.000,00€

€/Kw

Energia prodotta annualmente

3.641

Kwh/anno, con decurtamento del 15% di produzione

Ritorno Economico

Recupero conto energia

0,40€

Art.2 B1 - Non integrati.

Recupero annuale

1.456,56€

Recupero complessivo 10 anni

14.565,60€

Recupero complessivo 20 anni

29.131,20€

Recupero conto energia

0,44€

Art.2 B2 - Parzialmente integrati.

Recupero annuale

1.602,22€

Recupero complessivo 10 anni

16.022,16€

Recupero complessivo 20 anni

32.044,32€

Recupero conto energia

0,49€

Art.2 B2 - Integrati.

Recupero annuale

1.784,29€

Recupero complessivo 10 anni

17.842,86€

Recupero complessivo 20 anni

35.685,72€

Beneficiando della detrazione fiscale 36%

Recupero in 10 Anni

6.480,00€

Recupuro annuale

648,00€

Recupero conto energia

0,28€

La tariffa da 0,40 viene scesa a 0,28 euro

Recupero annuale

1.019,59€

Recupero complessivo 10 anni

10.195,92€

Recupero complessivo 20 anni

20.391,84€

Recupero conto energia

0,30€

La tariffa da 0,40 viene scesa a 0,30 euro

Recupero annuale

1.092,42€

Recupero complessivo 10 anni

10.924,20€

Recupero complessivo 20 anni

21.848,40€

Recupero conto energia

0,34€

La tariffa da 0,40 viene scesa a 0,34€

Recupero annuale

1.238,08€

Recupero complessivo 10 anni

12.380,76€

Recupero complessivo 20 anni

24.761,52€

Beneficiando del 30% del risparmio energetico.

Recupero conto energia

0,49€

La tariffa da 0,38 viene aumentata a 0,49 euro

Recupero annuale

1.784,29€

Recupero complessivo 10 anni

17.842,86€

Recupero complessivo 20 anni

35.685,72€

Recupero conto energia

0,54€

La tariffa da 0,42 viene aumentata a 0,54euro

Recupero annuale

1.966,36€

Recupero complessivo 10 anni

19.663,56€

Recupero complessivo 20 anni

39.327,12€

Recupero conto energia

0,59€

La tariffa da 0,46 viene aumentata a 0,59euro

Recupero annuale

2.148,43€

Recupero complessivo 10 anni

21.484,26€

Recupero complessivo 20 anni

42.968,52€

Le installazioni di impianti fotovoltaici sono regolamentate dai seguenti provvedimenti (Decreti e Delibere dell'Autorità dell'Energia Elettrica e Gas):

Decreti:

Legislativo n. 387 del 29 dicembre 2003 - In attuazione della Direttiva 2001/77/CE relativa alla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili (dlg387_03.pdf);

Ministeriale del 28 Luglio 2005 - criteri per l'incentivazione della produzione di energia elettrica mediante la conversione fotovoltaica dalla fonte solare (Decreto.pdf );

Ministeriale del 6 febbraio 2006 - Conto Energia, modifiche ed integrazioni (Decreto6febb2006.pdf );

Ministeriale del 19 febbraio 2007 - Conto Energia 2007, modifiche e integrazioni (Decreto.pdf);

Delibere:

N. 188/05 del 14 settembre 2005 - Definizione del soggetto attuatore e delle modalità per l'erogazione delle tariffe incentivanti degli impianti fotovoltaici (Delibera.pdf);

N. 260/06 - Condizioni tecnico/economiche del servizio di Scambio sul posto dell'energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili di potenza nominale non superiore a 20 Kw (ai sensi dell'art.6 del Decreto Legislativo n. 387 del 29.12.2003 (Delibera_AEEG_260/06.pdf);

N. 40/06 del 24 febbraio 2006 - Modificazione e integrazione alla Deliberazione n. 188/05 del 14 settembre 2005 (Delibera_AEEG 40/06.pdf);

N. 88/07 dell'11 aprile 2007 - Condizioni tecnico economiche per la connessione di impianti di produzione di energia elettrica alle reti elettriche con obbligo di connessione di terzi a tensione nominale minore o uguale ad 1 kw (Delibera_AEEG_88/07.pdf);

N. 89/07 dell'11 aprile 2007 - Condizioni tecnico economiche per la connessione di impianti di produzione di energia elettrica alle reti elettriche con obbligo di connessione di terzi a tensione nominale minore o uguale ad 1 kw (Delibera_AEEG_89/07.pdf);

N. 90/07 dell'11 aprile 2007 - Attuazione Decreto Ministeriale del 19 febbraio 2007 (Delibera_AEEG_90/07.pdf);

N. 91/07 dell'11 aprile 2007 - avvio di procedimento ai fini dell'attuazione del decreto legislativo n. 20/07 in materia di cogenerazione ad alto rendimento (Delibera_AEEG_91/07.pdf).