scienze

FOTOVOLTAICO: ENERGIA DELL'AVVENIRE
Roberto Vacca-(Newton- 13-02-2006)

LA STORIA

"L'energia solare immagazzinata nei cetrioli si può estrarre con il mio sistema per utilizzarla quando il tempo è inclemente."
Questo impiego invertito e assurdo del solare fu illustrato 300 anni fa all'Accademia di Lagado. La storia fa parte dei Viaggi di Lemuel Gulliver di Jonathan Swift. E' solo una curiosità fantascientifica.
Nel 1859 A.E. Becquerel fu il primo a descrivere gli effetti elettrici della radiazione solare su lastre metalliche. L'effetto foto-voltaico o trasformazione diretta di parte della radiazione solare incidente su zinco, potassio e altri metalli, in elettricità, fu studiata da molti fisici fra cui Philip von Lenard che vinse il premio Nobel nel 1905 per le sue scoperte relative alla penetrazione dei raggi catodici in vari materiali. Lenard non capì il meccanismo della foto-elettricità. Albert Einstein, invece, capì che il fenomeno fotoelettrico non si può spiegare se si suppone che la luce sia costituita da onde. E' necessario ritenere che la luce sia costituita da particelle individuali discontinue - da fotoni. Quando un fotone trasmette la propria energia al materiale che colpisce, si libera un elettrone. Einstein spiegò che l'energia E prodotta in certi materiali non dipende dalla intensità della luce che li colpisce, ma è proporzionale alla frequenza ( di essa.

E = h v

h è la costante di Planck (6,626 10-34 Watt secondo). Perché il fenomeno si verifichi, è necessario che la frequenza della luce sia superiore a un certo valore minimo
Einstein ebbe il premio Nobel nel 1921 per questa scoperta, non per quella, pur fondamentale, della teoria della relatività. Lenard doveva essere molto invidioso di Einstein e nel 1924 si iscrisse anche al partito nazista. Nel 1936 pubblicò il manuale "Deutsche Physik" (Fisica tedesca) È un documento curioso e tragico: mostra quanto le ideologie distorcano la mente anche a certi scienziati. Comincia così: "Fisica tedesca? Ma la scienza non è internazionale? No: questo è un errore. In effetti la scienza, come tutto quel che gli uomini producono è condizionata dalla razza e dal sangue." Poi osserva che si può parlare di una fisica giapponese, ma non si ha notizia di una fisica dei negri e continua: "Per caratterizzare la fisica ebrea va ricordata l'attività del suo rappresentante più famoso, il purosangue ebreo A. Einstein. Le sue "teorie della relatività" miravano a modificare e dominare tutta la fisica, ma hanno mostrato il loro netto contrasto con la realtà. Non pretendevano nemmeno di essere vere. All'ebreo manca in modo vistoso la comprensione della verità: afferra solo concordanze superficiali con la realtà oggettiva indipendente dal pensiero umano in contrapposizione con l'inflessibile volontà di verità dei ricercatori ariani".
Lenard critica poi l'uso eccessivo della matematica e riafferma il diritto dei tedeschi a una loro scienza realistica e adatta alle realizzazioni tecnologiche.

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L'energia solare è molto abbondante. Per soddisfare il fabbisogno mondiale di energia, basterebbe trasformare in elettricità anche solo col rendimento dell'1% la radiazione solare che incide sui deserti. Questi coprono il 5% della superficie terrestre: 25 milioni di km2. Perché, allora, non si risolvono tutti i problemi energetici sfruttando celle foto-voltaiche?

La ragione è che le celle foto-voltaiche sono costose, mentre il loro rendimento è basso. Attualmente le celle di silicio cristallino hanno un rendimento di circa il 15%: trasformano in elettricità solo un sesto dell'energia dei raggi solari. Il costo per installare 1 kiloWatt di potenza elettrica fotovoltaica è di circa 8.000 €. Quello per installare 1 kW idroelettrico o termoelettrico è poco più di 1.000 €.

Alle nostre latitudini la radiazione solare fa arrivare su ogni m2 di superficie terrestre una potenza di circa 1.300 W, al netto dell'assorbimento da parte dell'atmosfera. Con le celle fotovoltaiche al silicio di oggi la potenza elettrica prodotta è di 200 W/m2. Coprendo di celle 1 km2 produrremmo 200 MW per 2.000 ore l'anno: cioè 400 GWh. Gli impianti termoelettrici italiani hanno una potenza di 57 GW (equivalenti a 57 grandi centrali nucleari) che funzionano in media 4.000 ore l'anno producendo 230 TWh (TeraWattora = migliaia di GigaWattora). Per sostituirli col fotovoltaico la potenza richiesta sarebbe di 115 GW e l'area occupata di 575 km2 sarebbe poco meno del 2 per mille di quella del Paese: ingombrante, ma non impensabile. L'impresa, però, è impossibile allo stato attuale della tecnologia perché occorrerebbe un investimento di 920 G€: circa due terzi del PIL. Dobbiamo, dunque, essere pessimisti? No: le prospettive sono ottime. I rendimenti delle celle foto-voltaiche potrebbero crescere enormemente - come illustro più oltre.

Se il rendimento del fotovoltaico arrivasse al 75% basterebbe investire 190 G€ (accettabile ripartendolo su vari anni) e l'area occupata sarebbe di 115 km2. Questi occuperebbero in parte le aree liberate dagli impianti termoelettrici dismessi. Si può anche pensare, con maggior fantasia, a coprire la superficie dei bacini idroelettrici con zattere coperte da pannelli fotovoltaici. Ho fatto il conto sulle centrali abruzzesi di Provvidenza, S. Giacomo e Montoro (900 MW di potenza) alimentate dal lago artificiale di Campotosto che ha una superficie di 10 km2. Con la tecnologia attuale, le celle sul lago produrrebbero 2 GW e con un rendimento del 75%, ben 10 GW - oltre 10 volte di più della potenza idroelettrica. Una produzione massiccia di energia fotovoltaica imporrebbe di risolvere il problema dell'immagazzinamento dell'energia, prodotta solo nelle ore di sole. Abbiamo già oltre 7 GW di impianti di pompaggio dai bacini bassi ai laghi a quote alte degli Appennini e delle Alpi, accumulando energia. Ne andrebbero costruiti altri e andrebbero riprogrammate le attività industriali e civili per ripartire la potenza nel tempo. E' urgente anche investire in ricerca e sviluppo per realizzare celle fotovoltaiche ad alto rendimento.

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L'Università di California A Berkeley e la Konarka Technologies mirano a ridurre drasticamente il costo unitario delle celle fotovoltaiche ricorrendo a nanotubi di carbonio o a nanoparticelle di biossido di titanio, piuttosto che ad aumentarne i rendimenti.

Il rendimento massimo teorico è

µ = 1 - (T₂/T₁) = 1 - (300/6000) = 0,95

dove T₂ è la temperatura ambiente (300°K = 30°C) e T1 (6000°K) è la temperatura della superficie del sole. Però il fisico inglese P.T. Landsberg ha dimostrato nel 1977 che il rendimento massimo teorico è del 93,3 % - poco diverso [Photochemistry and Photobiology., Vol.6, p.313].

Gli sviluppi più promettenti sembrano quelli in corso all'University of New South Wales in Australia ad opera del Prof. Martin Green, basati sull'uso di materiali innovativi che ancora sono a uno stadio preliminare di definizione. I chip di silicio mono-cristallini tradizionale sono in corso di sostituzione con film sottili poli-cristallini di silicio depositati su vetro. I rendimenti, però, sono ancora abbastanza bassi. Green sta lavorando a una terza generazione basata sull'impiego di celle doppie (tandem) che suddividono lo spettro solare in strette bande di frequenza che vengono convertite in celle separate in modo appropriato per ciascuna banda.

Il processo è simile a quello che si verifica nelle rectenne - antenne che trasmettono la radiazione solare a diodi a tunnel. I fenomeni quantistici conseguenti producono correnti variabili,. la cui energia equivale a tutta quella della radiazione incidente - e la tensione generata nel circuito esterno aumenta linearmente con la frequenza dei fotoni incidenti. Il 44% della radiazione solare ha lunghezze d'onda comprese fra 0,4 e 0,7 (m. Per assorbirla tutta le rectenne dovranno funzionare fino a 600 THz.
La terza generazione di celle fotovoltaiche userà celle tandem, circolatori ottici o nanostrutture (fullereni C₆₀). La tabella seguente riporta valori di rendimento e costo per Watt installato tipici delle generazioni attuali e sperati per la terza.

Generazione	Rendimento	Costo €/Watt
I	0,15	1
II	0,15	0,50
III	0,8	0,20

Il diagramma seguente illustra i rapporti fra rendimento, costo a m² e costo per Watt installato secondo le proiezioni di Green.

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Sono in corso anche realizzazioni e ricerche importanti basate su solare non fotovoltaico. La Stirling Energy Systems ha concluso un contratto con la Southern California Edison (SEC), per installare un impianto costituito da 20.000 dischi riflettenti del diametro di 11 m, su un'area di 1.800 ettari per generare 500 MWe. Entrerà in funzione nel 2010 e sarà la più grande centrale solare del mondo. L'energia termica è trasformata in meccanica mediante motori Stirling. Questi (inventati in Scozia nel 1816) sono costituiti da due cilindri contenenti aria, disposti con assi a 90° uno dall'altro. Il primo assorbe calore solare e ha temperatura alta: muove un pistone che dà energia a un albero producendo lavoro utile e muovendo anche il secondo pistone, detto dislocatore, che pompa l'aria espansa dal primo al secondo cilindro freddo. Non ci sono gas di scarico e il rumore prodotto è minimo. La pressione va da 22 a 50 atmosfere, la temperatura da 650°C a 60°C. I rendimenti possono superare il 25%.

(Vedi http://www.stirlingenergy.com/).