Già in passato abbiamo raccontato della necessità di una vera e propria transizione energetica, un passaggio che si fonda ovviamente sull’utilizzo di fonti di energia rinnovabili. Proviamo a fare un recap sulla produzione di energia elettrica, per soffermarci poi sulle fonti rinnovabili, veri veicoli della transizione energetica. Fra queste ultime analizzeremo quelle che più facilmente possono essere realizzate dagli utenti finali (singoli o associati) del servizio elettrico per soddisfare i propri fabbisogni energetici (autoconsumo locale o individuale) o per la condivisione (autoconsumo diffuso o virtuale).
Come sappiamo, l’energia è “la grandezza fisica che fornisce la misura dell’attitudine di un sistema qualunque a trasformarsi e a cambiare di stato compiendo un lavoro”. Nel caso dell’energia, quindi, parliamo sempre di una trasformazione da una fonte a un’altra. A seconda della forma che può assumere l’energia, si parla di:
- energia meccanica, associata all’energia potenziale (posizione) e all’energia cinetica (movimento) esercitata da un corpo;
- energia termica, come quantità di calore posseduta da un corpo (agitazione termica molecolare);
- energia radiante, associata ai processi di radiazione;
- energia elettromagnetica, che si propaga con onde elettromagnetiche (come, ad esempio le onde radio e i raggi X);
- energia elettromagnetica, connessa al movimento delle cariche elettriche,
- energia chimica, connessa alle reazioni chimiche, come la fotosintesi clorofilliana;
- energia nucleare, relativa alle reazioni che avvengono nel nucleo dell’atomo attraverso la fusione o la fissione di protoni e neutroni.
Quando parliamo di fonti di energia, la prima grande distinzione è fra fonti primarie di energia e fonti secondarie di energia. Appartengono al primo gruppo, le fonti che possono essere utilizzate direttamente, mentre appartengono al gruppo delle fonti secondarie le fonti di energia che devono essere trasformate per poter essere utilizzate. L’energia elettrica, fondamentale per gli usi quotidiani e indispensabile per la transizione energetica, è una fonte di energia secondaria.
Le fonti di energia possono, inoltre, essere definite rinnovabili o non rinnovabili. Le fonti rinnovabili comprendono le fonti inesauribili di energia prodotte mediante trasformazioni chimiche o processi fisici. Le fonti non rinnovabili comprendono fonti di energia (in una quantità limitata) esauribili o con tempi di rigenerazione espresse in milioni di anni.+Le fonti rinnovabili comprendono l’energia solare, l’energia eolica, l’energia idraulica, l’energia geotermica, l’energia mareomotrice, l’energia da biomassa rinnovabile. Le fonti non rinnovabili comprendono i combustibili fossili (legno, carbone, petrolio, gas naturale).
L’energia nucleare (di fusione o di fissione) è una fonte assimilata alle fonti rinnovabili.
Ai fini della produzione di energia elettrica si ricorre a:
- centrali idroelettriche, che sfruttano l’energia potenziale dell’acqua;
- centrali termoelettriche, che sfruttano principalmente l’energia chimica dei combustibili fossili o l’energia nucleare;
- centrali solari e centrali termodinamiche che sfruttano il calore prodotto dalla radiazione solare;
- centrali fotovoltaiche che convertono direttamente la radiazione solare in energia elettrica;
- centrali eoliche che sfruttano la forza del vento;
- centrali mareomotrici, che sfruttano la forza delle maree;
- centrali geotermiche che sfruttano il fluido geotermico terrestre.
Energia solare
L’energia prodotta dal Sole è la principale fonte rinnovabile, anche se in realtà, ad eccezione dell’energia delle maree, dell’energia geotermica e dell’energia nucleare, tutte le fonti di energia (rinnovabili e non rinnovabili) derivano direttamente o indirettamente dal Sole. Il Sole (dal latino Sol, Solis), stella madre del Sistema solare attorno al quale orbitano la Terra, gli altri pianeti principali e innumerevoli corpi minori come asteroidi, meteoriti, comete, polvere sparsa per lo spazio, è una straordinaria fonte energetica, la più importante, inesauribile e pulita.
Detto anche carbone d’oro, il Sole presenta un diametro medio di 1.392.000 km; è una stella nana con classe spettrale tipo G2, situata ad una distanza media dalla Terra di circa 150 milioni di chilometri, con una temperatura efficace di 5.780 K (gradi Kelvin). Sulla Terra ogni cosa trae energia dalla radiazione elettromagnetica emessa dal Sole. L’esempio forse più noto è quello della fotosintesi clorofilliana attraverso la quale la luce del Sole è trasformata in energia chimica. Dal Sole hanno origine molte trasformazioni energetiche, comprese quelle ottenute dai combustibili fossili (legna, carbone, gas naturale e petrolio) classificate come risorse non rinnovabili.
Per quanto riguarda il genere umano, si stima che l’energia liberata dai processi di fusione nucleare ovvero nella trasformazione dell’idrogeno in elio con la liberazione di energia, sia migliaia di volte superiore ai nostri fabbisogni (circa 10.000 volte). Fin dalla Preistoria (da 2 milioni di anni fa a circa 5.000 anni fa) il Sole è stato considerato un’entità speciale. In molte culture antiche era sviluppato il culto del Sole: lo adoravano riconoscendogli importanza nel ciclo della vita. Troviamo esempi fra le civiltà antiche degli Inca del Sud America e degli Aztechi in Messico; in Europa troviamo ancora oggi testimonianze del culto del Sole nelle sculture di Stonehenge in Inghilterra e nei Menhir del Carnai nella Bretagna (tutte rivolte verso il Sole levante).
La prima testimonianza dello sfruttamento dell’energia solare per produrre calore lo dobbiamo ad Archimede (in greco Archimédēs, matematico e fisico greco – 287 ÷ 212 a.C.) e ai suoi specchi ustori. I primi tentativi di captare le onde radio risalgono, invece, alla fine del secolo XIX ad opera di (sir) Oliver Joseph Lodge (1851-1940). La spiegazione dell’effetto fotoelettrico, invece, avviene nel 1905 ad opera del premio nobel per la fisica Albert Einstein. Dal punto di vista fisico, la struttura del Sole è molto complessa. La stella è costituita da regioni concentriche differenziate soprattutto a causa dei processi fisici che si svolgono, in cui è prevalente la presenza di idrogeno (71%) e elio (27%) allo stato di plasma (stato gassoso della materia caratterizzato dalla presenza di atomi o molecole ionizzati).
Le regioni che costituiscono il Sole sono:
1) Il nucleo, sede delle reazioni termonucleari, ovvero delle reazioni di fusione dell’idrogeno in elio. In questa regione la densità dei gas è circa 150 volte superiore a quella dell’acqua. Il nucleo ha un raggio di circa 150.000 km e la temperatura raggiunge i 14/16.000.000 K. L’energia prodotta nel nucleo è trasmessa verso l’esterno per irraggiamento;
2) La zona radiativa, che assorbe l’energia prodotta nel nucleo e la trasferisce (sotto forma di fotoni) verso lo strato superficiale per irraggiamento;
3) La Tachocline (o zona di transizione), regione situata tra la zona radiativa e la zona convettiva il cui ruolo è quello di generare il campo magnetico solare;
4) La zona convettiva, sede di moti convettivi tra energia e calore. La materia più calda e meno densa è trasferita in superficie e qui cede il suo calore. Raffreddandosi ritorna verso la zona radiativa da cui riceve nuovamente calore;
5) La fotosfera è la superficie visibile del Sole e si trova ad una temperatura di 4/6.000 K. In questa zona l’energia proveniente dall’interno è libera di propagarsi nello spazio. La fotosfera è sede di alcuni fenomeni, tra cui le macchie solari, regioni ad intensa attività magnetica;
6) L’Atmosfera solare, suddivisa in:
- Cromosfera, strato costituito da gas rarefatto interessata da diversi fenomeni magnetici. In questa zona la temperatura può raggiungere i 100.000 K (strati più interni);
- Zona di transizione, zona superiore della cromosfera in cui la temperatura cresce dai 100.000 K fino al milione di K della corona. In questa zona l’elio è completamente ionizzato;
- Corona solare, è la parte più esterna del Sole e non ha confini, si estende cioè nello spazio per decine di milioni di chilometri. È costituita da plasma con temperature superiori al milione di K, composto da gas tenui (idrogeno) e polveri.
Si parla di vento solare per descrivere il flusso di particelle emesse dall’atmosfera solare nello spazio. Il vento solare è formato principalmente da idrogeno ed elio e porta con sé il campo magnetico del Sole in tutto lo spazio interstellare. L’eliosfera è, invece, quella regione dello spazio nella quale la densità del vento solare è maggiore rispetto alla materia interstellare (insieme di gas e polveri che occupano gli spazi tra le stelle di una galassia e tra le galassie stesse), cioè una sorta di gigantesca bolla magnetica che contiene il Sistema Solare, il campo magnetico solare ed il vento solare, in grado di assorbire i raggi cosmici (fasci di particelle elementari ad alta energia provenienti dallo spazio interstellare). Ai fini energetici, si parla di energia solare per indicare l’energia prodotta sfruttando direttamente l’energia irraggiata dal Sole verso la Terra ovvero l’energia prodotta dal Sole per effetto di reazioni nucleari e trasmessa con continuità alla Terra sotto forma di energia raggiante (energia emessa, trasportata o ricevuta in forma di onde elettromagnetiche).
Il Sole irraggia nello spazio, con simmetria sferica, energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche (onde) che vanno dal campo delle radiazioni visibili comprese fra 0,38 μm (luce blu) e 0,76 μm (luce rossa), la cui intensità corrisponde a circa la metà dell’intensità energetica totale, al campo delle radiazioni infrarosse (1 ÷ 3 μm).
La propagazione del calore può avvenire, anche contemporaneamente, in tre modi:
• Per conduzione, cioè per contatto nella massa interna di un corpo non egualmente riscaldato, come ad esempio in una barra di ferro, una estremità della quale è esposta al fuoco. È una caratteristica tipica dei corpi solidi.
• Per convezione, cioè per movimento interno delle particelle del corpo le quali, trasportando con sé il calore che possiede, lo trasmettono per contatto alle particelle più fredde che incontrano nel loro movimento. È una caratteristica tipica dei fluidi.
• Per irraggiamento, cioè per onde elettromagnetiche attraverso lo spazio. L’energia che, per irraggiamento, incide sopra un corpo ideale può essere completamente assorbita (corpo nero), riflessa (specchio) o può attraversarlo interamente (corpo trasparente). In realtà le superfici sulle quali vengono ad incidere tali radiazioni non si comportano secondo questi schemi ideali e quindi si hanno combinazioni dei tre tipi di comportamento. Riassumendo, quindi, l’irraggiamento è una forma di trasmissione dell’energia che, al contrario della conduzione (trasporto per contatto) e della convezione (trasferimento di materia da una parte all’altra del corpo), non prevede contatto diretto tra gli scambiatori e non necessita di un mezzo per propagarsi; nell’irraggiamento la trasmissione di energia avviene attraverso l’emissione e l’assorbimento di onde elettromagnetiche. L’esempio più importante di irraggiamento è appunto il trasferimento di energia che avviene tra il Sole e la Terra.
Secondo quanto riporta la Guida CEI 82-25/1 l’irraggiamento solare è l’«intensità della radiazione elettromagnetica solare incidente su una superficie di area unitaria […] pari all’integrale della potenza associata a ciascun valore di frequenza dello spettro solare». L’unità di misura è W/m2. La potenza irraggiata dalla superficie esterna del Sole – fotosfera – è stimata in circa 63.000 kW/m².
L’irraggiamento solare al di fuori dell’atmosfera terrestre (quando la Terra si trova alla distanza media dal sole di 149,5 × 106 km) è definito «costante solare» (simbolo GSC) e vale 1.367 W/m² ± 7 W/m². Rappresenta l’energia della radiazione solare prima delle modificazioni da parte dell’atmosfera terrestre ovvero l’energia irradiata dal Sole che raggiunge la fascia esterna dell’atmosfera terrestre.
Per tenere conto degli effetti dell’atmosfera, a livello normativo è stata definita la massa d’aria unitaria AM1 (Air Mass one) come spessore dell’atmosfera standard attraversato in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato al livello del mare. Lo spettro della radiazione solare fuori dall’atmosfera terrestre, quindi, è definito AM0 (Air Mass zero).
Secondo la definizione che troviamo nella Guida CEI 82-25/1, con il termine AIR MASS si intende la «lunghezza del cammino percorso da un raggio solare diretto entro l’atmosfera terrestre, espresso come multiplo del cammino percorso da un raggio proveniente dal sole allo zenit per giungere al livello del mare».
Per effetto della diffusione e dell’assorbimento ad opera dell’atmosfera terrestre l’energia trasferita dal Sole alla Terra non raggiunge totalmente la superficie terrestre. Questo a causa di una serie di fattori quali la latitudine (la radiazione è massima all’equatore e minima ai poli), la stagionalità e l’ora del giorno. Inoltre, la quantità di energia può mutare rapidamente e in modo discontinuo in seguito alle variazioni delle condizioni meteorologiche locali. In altre parole, l’energia irraggiata dal Sole raggiunge il suolo in funzione della:
• Posizione della Terra rispetto al Sole;
• Angolo di irradiazione. Nel nostro emisfero durante l’inverno i raggi del Sole arrivano con un angolo basso rispetto all’orizzonte e pertanto risultano irraggiate con scarsità le superfici orizzontali, mentre sono irradiate intensamente le superfici verticali esposte a Est, Sud ed Ovest, in quanto investite secondo angoli vicini a 90°;
• Rotazione della Terra attorno al suo asse.
L’irraggiamento solare globale comprende l’irraggiamento diretto, l’irraggiamento diffuso e l’irraggiamento riflesso (Figura 6). Una parte dell’irraggiamento solare, infatti, è riflessa verso lo spazio ad opera delle nubi; una parte è diffusa in tutte le direzioni (incontro con molecole di azoto, ossigeno, vapore d’acqua, anidride carbonica, ozono); una parte è assorbita dall’atmosfera (le molecole si riscaldano ed emettono radiazione infrarossa); una parte raggiunge la superficie della Terra (radiazione diretta).
La radiazione diretta colpisce una superficie con un unico angolo di incidenza; la radiazione diffusa incide su tale superficie con vari angoli. Pertanto, quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l’area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa. Una superficie inclinata, inoltre, può ricevere, la radiazione riflessa dal terreno, dall’acqua o da altre superfici orizzontali.
Le proporzioni con cui le radiazioni diretta, diffusa e riflessa colpiscono una superficie dipendono principalmente da:
• condizioni meteorologiche
• inclinazione delle superfici rispetto al piano orizzontale (per questo motivo negli impianti fotovoltaici la superficie di captazione è spesso inclinata rispetto all’orizzontale).
• presenza di superfici riflettenti
A causa di queste variazioni è difficile stabilire con precisione quanta sarà l’energia solare disponibile in un luogo e, quindi, calcolare l’energia solare trasformata. Mediamente la potenza trasmessa ogni istante dal Sole sulla superficie terrestre alle latitudini europee è pari a circa 0,2 kW/m². Questo significa che in Italia l’energia trasmessa annualmente per effetto della radiazione diretta e di quella diffusa sul piano orizzontale varia fra i 1.400 kWh/m2 delle regioni settentrionali e i 1.700 kWh/m2 nelle regioni meridionali.
Per valutare le prestazioni e la convenienza dei dispositivi a energia solare è dunque necessario conoscere la radiazione solare (o irraggiamento globale) disponibile localmente, valori disponibili in formato tabellare o per mezzo di mappe. Il sito della Commissione europea PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) fornisce una serie di tools online per calcolare il rendimento di un impianto fotovoltaico collegato alla rete, i valori della radiazione mensile e le condizioni meteorologiche annuali come umidità, irraggiamento, pressione atmosferica, velocità e direzione dei venti.
Il tool per valutare il rendimento di un impianto fotovoltaico collegato alla rete in una località è disponibile all’indirizzo: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/it/
In letteratura sono disponibili anche le carte dei percorsi solari, grafici che rappresentano il movimento apparente del Sole, la cui posizione è individuata mediante la misura degli angoli di azimuth e di elevazione solare, che determinano gli effetti di ombreggiamento degli ostacoli (edifici, alberi, montagne ecc.).
Ai fini energetici, le radiazioni emesse dal Sole possono essere utilizzate per produrre calore a bassa temperatura (0o ÷ 200o C) o ad alta temperatura (500o ÷ 3.500o C), oppure essere trasformate direttamente in energia elettrica.
Lo sfruttamento diretto dell’energia irraggiata dal Sole sulla Terra è chiamato energia solare, i cui principali impieghi energetici sono:
- la produzione di calore (processo termodinamico o solare termico);
- la produzione di energia elettrica (processo fotovoltaico o solare elettrico);
- la produzione di calore e raffrescamento (sistemi bioclimatici o sistemi solari passivi)
Con il processo termodinamico, l’energia solare è utilizzata per produrre acqua calda sanitaria o per il riscaldamento di ambienti (mediante pannelli solari per la produzione di calore a bassa temperatura), o per la produzione indiretta di energia elettrica, ovvero la produzione di calore ad alta temperatura, da utilizzare in una centrale termoelettrica. Ne è un esempio la centrale solare termodinamica Archimede inaugurata nel 2010 a Priolo Gargallo (SR).
Nel processo fotovoltaico, l’energia solare è utilizzata per la produzione diretta di energia elettrica mediante moduli fotovoltaici.
Nei sistemi solari passivi, l’energia solare è utilizzata per riscaldare o rinfrescare un ambiente senza l’ausilio di dispositivi meccanici. Un esempio sono le serre bioclimatiche.
Per quanto riguarda, invece, gli angoli di inclinazione (tilt) e di orientamento (azimut), la Guida CEI 82-25/1 definisce:
- angolo di inclinazione (o di tilt), «l’angolo ß compreso fra il piano orizzontale e il piano del modulo fotovoltaico»;
- angolo di orientazione (o di azimut), l’«angolo α compreso fra la proiezione sul piano orizzontale di una linea retta, che passa tra la posizione apparente del sole e il punto di osservazione, e una linea orizzontale normale all’equatore».
