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Energia solare: come funziona la conversione della radiazione del Sole in calore o elettricità e quali sono i vantaggi

Tra le fonti rinnovabili per eccellenza c’è l’energia solare, un’espressione che si riferisce all’energia proveniente dalla radiazione solare dalla quale si possono ottenere elettricità e calore grazie agli impianti fotovoltaici, termici o termodinamici. Vediamo come funziona la raccolta di questa energia pulita e quanto è utilizzata in Italia e nel mondo.
Alessandro Bai 25 Febbraio 2022

Si chiama energia solare quel tipo di energia che proviene dalla radiazione emessa dal Sole e che rappresenta la fonte energetica rinnovabile principale tra quelle presenti sulla Terra. Magari hai già sentito dire che si tratta di una fonte di energia completamente pulita, perché non provoca emissioni di CO2 e non rilascia polveri sottili, ma è anche inesauribile, dato che è praticamente sempre disponibile.

La sua importanza è legata anche al fatto che è proprio a partire dall'energia solare che derivano, in modo più o meno diretto, la maggior parte delle altri fonti energetiche che utilizziamo, dai combustibili fossi fino all'energia eolica o idroelettrica. Nell'immediato, invece, la radiazione solare viene convertita per ottenere elettricità e calore, grazie a tecnologie di diverso tipo che ti elencherò più avanti.

Vediamo allora nel dettaglio come si ricava l'energia solare, quali sono i principali vantaggi legati al suo utilizzo e che uso se ne fa oggi in Italia e nel resto del mondo.

Come funziona

Secondo una definizione molto semplice, l'energia solare è quell'energia emessa dal Sole in forma di radiazione solare. Come ti ho anticipato, si tratta di una fonte energetica rinnovabile, pulita ed inesauribile, dalla quale derivano quasi tutte le altre forme di energia, fatta eccezione per l'energia geotermica, quella nucleare e quella che si ottiene dal moto delle maree.

Ora che hai capito cos'è, bisogna però comprendere come funziona esattamente, o meglio com'è possibile ricavare energia elettrica o energia termica, da utilizzare per riscaldare o raffreddare gli ambienti, a partire dall'energia radiante emessa dal Sole. Sono state le tecnologie sviluppate nel corso degli anni a consentirci di convertire l'energia solare con sistemi diversi tra loro: ad esempio, la cella fotovoltaica (o cella solare) è l'elemento cruciale dell'impianto solare fotovoltaico, utilizzato per produrre elettricità, mentre il calore si ottiene con l'impianto solare termico, il cui funzionamento si basa sul collettore termico. Esiste poi anche il solare termodinamico, che abbina una pompa di calore all'impianto termico. Vediamo quali sono le principali caratteristiche di questi metodi.

Solare fotovoltaico

Gli impianti solari fotovoltaici permettono di trasformare l'energia solare in elettricità in modo diretto e istantaneo e senza l'uso di combustibili. La conversione della radiazione solare in energia elettrica avviene grazie ai pannelli fotovoltaici (o pannelli solari) che compongono questo tipo di impianto e che sono fatti di un materiale semiconduttore, solitamente il silicio, che dopo essere stato colpito dalla luce solare rilascia degli elettroni che si muovono e generano così elettricità.

Le celle solari ovviamente possono essere connesse l'una all'altra in modo da aumentare la potenza di un impianto fotovoltaico, una tecnologia in grado di alimentare sia gli edifici che dispositivi elettronici più piccoli, come orologi o calcolatrici.

Solare termico

Un impianto solare termico funziona in modo diverso rispetto al fotovoltaico e ha anche un obiettivo differente, cioè quello di riscaldare un liquido caloportatore, cioè che trasporta il calore ed è chiamato anche termovettore, che scorre all’interno dei suoi tubi fino ad arrivare ai luoghi di utilizzo. Il dispositivo fondamentale all'interno di questo sistema è il collettore termico (o collettore solare), che contiene il liquido stesso e lo fa spostare: oltre ai tubi, è dotato di una copertura trasparente che può essere attraversata dai raggi solari, una piastra in grado di catturarli e non disperderli e, infine, un isolante per evitare il riscaldamento del collettore stesso.

Ricordati che il solare termico, oltre che per riscaldare, può essere utilizzato anche per il raffreddamento degli ambienti presenti in una casa o in azienda. Inoltre, il calore può essere immagazzinato in appositi serbatoi per poi essere utilizzato in caso di necessità, anche se la luce solare non è abbastanza o se è totalmente assente, magari durante la notte.

Solare termodinamico

I sistemi termodinamici vengono chiamati anche impianti solari a concentrazione (Concentrated Solar Power) e sono utilizzati per generare elettricità a partire da un calore intenso. Al posto dei pannelli fotovoltaici, questi impianti sfruttano invece degli specchi per concentrare l'energia solare in un singolo punto, nel quale è contenuto un fluido termovettore che serve a immagazzinare e trasportare il calore. Sono proprio le alte temperature, poi, a causare la trasformazione del liquido in vapore acqueo, che viene indirizzato verso una turbina la quale, una volta azionata, produce l'energia meccanica che viene poi trasformata in elettricità grazie ad un trasformatore.

Gli impianti termodinamici sono quelli più avanzati, specialmente per quanto riguarda l'archiviazione dell'energia, e ci si aspetta che gli sviluppi tecnologici permettano di perfezionarli ulteriormente nei prossimi anni.

Vantaggi e svantaggi

Per darti l'idea delle potenzialità di questa fonte rinnovabile, considera che l'energia radiante che raggiunge la Terra grazie ai raggi solari è pari a 1,4 chilowatt per ciascun metro quadro di superficie, un dato che rimane stabile nel tempo. Tuttavia, raccogliere l'energia solare e trasformarla in calore o elettricità determina alcune sfide, legate inevitabilmente allo sviluppo tecnologico e che quindi presentano aspetti positivi e negativi.

Per cominciare, tra i vantaggi dell'energia solare ti posso citare:

  • È una fonte energetica rinnovabile proprio perché il Sole non è esauribile, dunque è sempre disponibile
  • È un'energia pulita, che non comporta emissioni di CO2 o altri gas serra
  • Garantisce un risparmio economico sul lungo periodo a causa del basso costo in bolletta e delle detrazioni previste
  • Si produce autonomamente con l'installazione di un impianto, senza dover ricorrere ad esempio all'estrazione di combustibili
  • Si tratta di una fonte energetica versatile, dalla quale possono essere ricavati sia elettricità che calore

Nel dibattito sul solare fotovoltaico e termico, però, a volte vengono sottolineati anche gli svantaggi, ad esempio:

  • I costi di installazione degli impianti fotovoltaici sono ancora piuttosto alti (seppur ridotti rispetto al passato), e necessitano di un importante investimento iniziale
  • L'energia solare non è costante, perché l'alternarsi del giorno e della notte o più semplicemente un cielo nuvoloso possono bloccare o interferire con la produzione di calore ed elettricità. La soluzione è data dagli impianti con accumulo, che garantiscono la disponibilità di energia anche in assenza della luce solare.
  • L'efficienza degli impianti fotovoltaici o termici è ancora ridotta rispetto al reale potenziale dell'energia solare, un aspetto destinato però a migliorare con gli sviluppi tecnologici
  • L'installazione di un impianto a energia solare richiede una grande disponibilità di spazio, poiché per captare al meglio le radiazioni solari sono necessarie superfici piuttosto ampie
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I costi significativi dell’installazione vengono spesso inseriti tra gli svantaggi del fotovoltaico, ma le spese possono essere ammortizzate sul lungo periodo.

In Italia e nel mondo

Avrai sentito nominare più volte il concetto di transizione energetica, un passaggio fondamentale per ridurre sempre di più la dipendenza dai combustibili fossili a favore delle energie rinnovabili, ma al momento quanta energia solare riusciamo a convertire in calore ed elettricità in Italia e nel resto del mondo?

Secondo il report pubblicato da GSE nel 2021, nel corso del 2020 in Italia sono stati installati circa 55mila nuovi impianti fotovoltaici, che insieme possiedono una capacità totale di 750 Megawatt (MW), portando così il numero dei sistemi di solare fotovoltaico a livello nazionale a circa 936mila, per una potenza complessiva pari a 21,65 Gigawatt (GW) e, a livello pro capite, equivalente a 365 Watt per abitante, ancora lontana dagli obiettivi che il Paese dovrebbe raggiungere entro il 2030. Sempre nel 2020, poi, l'energia elettrica prodotta grazie al fotovoltaico è stata vicina ai 25mila Gigawattora (GWh): la Regione con la maggiore produzione fotovoltaica in Italia si conferma la Puglia, che è stata responsabile del 15,4% dell'energia generata da impianti fotovoltaici a livello nazionale, seguita poi da Lombardia ed Emilia-Romagna, ma anche altre Regioni come Sardegna e Veneto hanno aumentato sensibilmente la loro produzione.

Già nel 2019, come segnalato da GSE e Terna, il nostro Paese era riuscito a coprire il 35% della produzione elettrica utilizzando fonti energetiche rinnovabili (FER), una percentuale che corrisponde invece al 18,2% se si considerano i consumi energetici di tutti i tipi e che fa dell'Italia la seconda nazione tra quelle dell'Unione Europea ad affidarsi maggiormente alle FER.

Più in generale, nel mondo, sono Cina e Stati Uniti a generare elettricità dall'energia solare, ma anche India, Giappone, Germania e Spagna rientrano tra i maggiori produttori a livello mondiale, tutti compresi all'interno di un range di potenza complessiva che va dai 26mila ai 261mila Terawattora (TWh).

(Pubblicato da Sara Del Dot il 29-10-2018
Modificato da Alessandro Bai il 25-2-2022)