di Franco Roca, Enea, e Agnese Bertello

Il nostro pianeta è figlio del sole. Da circa cinque miliardi di anni, la terra viene "nutrita" dall'energia luminosa del sole.

NUMERI STELLARI All'interno del sole circa 7 x 1011 kg di idrogeno ogni secondo si fondono in elio sprigionando una quantità di energia spaventosamente elevata. Una potenza di circa 1.6 x 107 watt/m2 di potenza radiativa è emessa dalla superficie solare in un ampio range di lunghezze d'onda che spazia la quasi totalità dello spettro elettromagnetico dalle radio onde fino ai raggi gamma, seppure la maggior parte dei fotoni (e quindi dell'irradianza) è concentrata tra i 200 nm e i 2500 nm. (fig. 1).

A causa della distanza tra la terra e il sole, dopo un percorso di 150 milioni di chilometri, la luce incide sugli strati alti dell'atmosfera del nostro pianeta con una potenza complessiva di circa 1336 W/m2 (AM0) che, considerando l'ampia sezione del pianeta esposta all'irraggiamento, corrisponde a una potenza complessiva pari a 174 PW: una quantità di energia decine di migliaia di volte superiore alle esigenze energetiche per lo svolgimento delle attività umane. La luce viene per prima cosa riflessa dall'atmosfera e dalle nuvole (circa il 25%) mentre circa il 19% dell'energia incidente viene assorbita dalla stessa atmosfera che riscaldandosi cede nuovamente energia allo spazio per irraggiamento. Il 55% dell'energia giunge sulla superficie terrestre per poi essere parzialmente riflessa (4% del totale incidente) e la restante parte subisce una moltitudine molto complessa di trasformazioni chimico-fisiche sia sulla superficie terrestre che nell'atmosfera stessa. L'energia assorbita dalla terra viene nuovamente irraggiata nello spazio a più bassa lunghezza d'onda (IR) e fornisce anche il calore per i processi evaporativi delle masse d'acqua responsabili delle piogge e dell'umidità atmosferica e per la creazione dei gradienti termici responsabili dei moti convettivi terrestri dell'atmosfera (venti). La radiazione produce sulla superficie terrestre anche importanti reazioni chimiche quali la fotosintesi clorofilliana, l'insieme delle reazioni durante le quali le piante producono in presenza di luce sostanze organiche a partire da sostanze inorganiche quali CO2 e acqua.

Ad eccezione dell'energia prodotta dalle maree e dall'energia geotermica, il sole è la sorgente responsabile di ogni altra energia rinnovabile e tramite la fotosintesi clorofilliana è la fonte primaria di energia per lo sviluppo biologico dei vegetali terrestri e/o acquatici, che a loro volta, nella catena biologica, permettono la sopravvivenza delle altre specie viventi, compreso l'uomo. Numeri e dati scientifici che spiegano naturalmente anche elementi culturali profondi. Non meraviglia, alla luce di tutto questo, che il sole abbia assunto anche importanza religiosa e sociale in ogni parte del pianeta ed ogni epoca, dalla preistoria fino ai giorni nostri, passando attraverso civiltà, epoche e culture di ogni angolo del pianeta, dalla Grecia, al Messico, dal Perù a Roma, all'Inghilterra dei Druidi.

I CICLI DI CONVERSIONE ENERGETICA
Se guardiamo al sole con l'occhio dell'uomo tecnologico moderno che cerca, a torto o ragione, di adattare la natura alle proprie necessità di sviluppo, ci rendiamo conto di quanto il sole sia stato importante anche per la nostra organizzazione sociale. È alla base di cicli energetici saggiamente sfruttati nel tempo (fig. 3) ed è responsabile anche della stessa produzione delle principali fonti fossili non rinnovabili attualmente usate dall'uomo - petrolio, carbone, metano - generate dalla trasformazione geologica di imponenti masse di vegetazione convertite in energia fotochimicamente milioni e milioni di anni or sono.

Nel tempo, con l'avvento della società industriale, l'uomo tecnologico ha fortemente influenzato questo rapporto "naturale" e "filiale" con il nostro astro, non solo perché i nostri tempi non sono più scanditi dall'alternarsi del giorno/notte, ma soprattutto perché è stato alterato il rapporto con l'energia solare "istantanea" o quella prodotta nel breve medio termine direttamente dal sole (eolica ed idrica) a favore di altre forme di energia disponibili in quantità notevoli, facilmente estraibili e trasportabili quali le fonti fossili, ed in funzione dell'aumento della richiesta, la fame di energia ha anche spinto verso fonti aventi densità energetica via via crescente.

Nel corso dei decenni, l'uomo ha risposto alle nuove esigenze sociali ed economiche con lo sfruttamento di nuovi cicli energetici basati su nuove offerte tecnologiche. Non avremmo la società che conosciamo, senza l'offerta energetica assicurata dalle nuove forme di energia individuate dopo la rivoluzione industriale. Oggi anche il semplice gesto di accendere con un dito una lampada ad incandescenza da 100 W, richiederebbe, per la produzione diretta tramite sforzo umano, un impegno ben più significativo per azionare un alternatore mediante l'utilizzo di un atleta ciclista professionista - la cui potenza di picco non supera i 300-350W. È quello che definiamo il paradosso energetico: una famiglia moderna "brucia" per "procacciarsi il cibo" al supermercato, o per i spostarsi, una quantità di energia superiore di svariati diversi ordini di grandezza (~100-150 volte) all'energia usata da una tribù primitiva per il proprio faticoso sostentamento e per le cruente lotte che doveva affrontare con le altre specie animali per la propria sopravvivenza e per procacciarsi il cibo. Questa visione "paradisiaca" della disponibilità di fonti energetiche a "buon mercato" ha profondamente trasformato in pochi anni il mondo agricolo-artigianale-commerciale poggiato sull'uso naturale e ragionato dell'energia solare in un sistema industriale moderno caratterizzato dall'uso generalizzato di macchine azionate da energia meccanica e dall'utilizzo di nuove inanimate fonti energetiche basate sull'uso di combustibili fossili.

L'ESIGENZA DI CICLI ENERGETICI DI CONVERSIONE ECOSOSTENIBILI
Quando nei primi anni cinquanta D.M. Chapin, C.S. Fuller e G.L. Pearson dei Bell Telephone Laboratories trasformarono una curiosità di laboratorio in un dispositivo fotovoltaico innovativo in grado di convertire il 6% della luce solare in energia elettrica, ponendo le basi per quello che è stato poi lo sviluppo del fotovoltaico, il "New York Times" aprì con un titolo di forte impatto: "Una potenza enorme verrà fornita da una batteria che usa l'ingrediente principale della sabbia" (silicio). Era il 16 aprile 1954. Questa scoperta fu accolta come una vera rivoluzione, pari a quella dell'atomo, che avrebbe marcato l'inizio di una nuova era permettendo all'umanità la realizzazione di un sogno: usare una quantità illimitata di energia proveniente dal sole.
Tuttavia, gli elevati costi iniziali, e soprattutto la possibilità di fornire solo quantitativi limitati di energia rispetto le attese dell'uomo tecnologico, ne limitarono originariamente l'utilizzo alle applicazioni spaziali, ove il favorevole rapporto energia prodotta/peso ha subito imposto il fotovoltaico come la fonte energetica per eccellenza per l'alimentazione dei servizi di bordo. Sono gli eventi politici degli anni Settanta - Ottanta - a partire dall'embargo petrolifero del 1973 dei paesi arabi Opec con Siria ed Egitto, alla rivoluzione iraniana, fino alla guerra Iran-Iraq e la nuova crisi petrolifera del 1989 con l'invasione dell'Iraq del Kuwait - a rendere sempre più impellente l'individuazione di una valida alternativa al petrolio e a costringere la ricerca scientifica e tecnologica ad aumentare gli sforzi nel settore e ad accelerare i tempi.

La consapevolezza della forte vulnerabilità geopolitica dell'approvvigionamento rispetto ai paesi produttori ha negli anni continuato a crescere, e a questa si è aggiunta nell'ultimo decennio la preoccupazione per i cambiamenti climatici globali e la necessità di trovare una via che garantisca uno "sviluppo sostenibile, all'impronta del basso impatto ambientale, ovvero l'unico in grado di soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni" (rapporto rapporto Brundtland - "Our Common Future" (WCED-1987).

La domanda che molti si pongono è se l'uomo tecnologico saprà sfruttare sapientemente le proprie conoscenze proprio per ritrovare un rinato rapporto con le fonti rinnovabili per garantire una produzione ed un uso ecologico dell' energia e se questa può essere identificata nel sole, la fonte naturale per antonomasia più legata al nostro pianeta e per molti versi all'uomo.

LE POTENZIALITà DEI NUOVI CICLI ENERGETICI DI CONVERSIONE SOLARE
Guardando attendibili stime sul potenziale tecnico dell'energia solare - da considerasi conservative perché antecedenti la nuova politica statunitense di investimento sule rinnovabili - il potenziale tecnico per l'energia solare è stato posto pari a 440 x 103 TWh che è una grandezza di almeno un fattore 15 maggiore dei consumi energetici previsti a livello mondiale non ora, ma addirittura nel 2030 (fig.7).

Anche nel caso del solare termodinamico, gli attesi sviluppi dei prossimi 4-5 anni renderanno competitiva tale fonte energetica anche in tempi più rapidi (fig. 8). Una prospettiva particolarmente realistica in Paesi quali l'Italia, dove l'elevato costo dell'energia massiva, basata quasi esclusivamente sulla conversione dei combustibili fossili, rende più alla portata di mano il raggiungimento della competività (grid parity) in tempi estremamenti brevi (2011-2013), come recentemente riportato in occasione del PV Italian Summit di Verona (maggio 2009) specie per le aree a maggiore insolazione (Sicilia, ed altre aree mediterranee).

Tuttavia il FV è già oggi economicamente competitivo rispetto all'energia convenzionale prodotta durante i picchi di richiesta di energia dalla rete elettrica ("peak utility", figura 8). Con un'adeguata politica di sostegno, sia tecnica sia finanziaria, si stima che il solare fotovoltaico arriverà a coprire almeno il 3-4% del fabbisogno elettrico europeo entro il 2020, con circa 100 GWp installati. Entro tale data dovrebbe raggiungere nella maggior parte dell'Europa, e quindi a maggior ragione nelle aree mediterranee più soleggiate, la cosiddetta "grid parity", ovvero la parità di costo con l'energia "ordinaria" ("bulk") immessa in rete.
Il fotovoltaico potrebbe arrivare a un totale di potenza installata in Europa pari a 200-400GWp entro il 2020, una quantità che corrisponde al 6-12% dell'energia elettrica europea prodotta (Final note Technical Programme Chairman speech.- 23rd European PV Conference).

I LIMITI DEI NUOVI CICLI ENERGETICI DI CONVERSIONE SOLARE
Per rendere possibile per l'energia solare questo scenario energetico bisogna agire sugli elementi che rappresentano l'attuale limite tecnologico. Ma bisogna anche preliminarmente sfatare un mito negativo, quello secondo cui sarebbe necessario avere distese immense di territorio per garantire quote significative di energia.

Guardando la mappa dell'irradianza solare annuale (KWh/m2), riferite ad un piano fisso opportunamente inclinato, ovvero quello sfruttato per massimizzare la collezione dell'energia (figura 10) anche in un paese come l'Italia, ci sono ampie zone che arrivano a garantire incidenze medie dell'ordine di 1500-2000 kWh/anno). Se si disponesse di sistemi di conversione con efficienza del 30-35%, basterebbero pochi metri quadri per consentire ad una famiglia di diventare auto produttrice di energia elettrica. Tuttavia anche considerando le attuali efficienze di conversione di sistema, nel caso del fotovoltaico pari al 12-14%, si otterrebbe lo stesso scopo con una superficie comunque molto limitata pari a circa 20 m2.
Così, come riportato nell'IEA Key Word Energy Statistic 2008, negli Stati Uniti, paese energivoro per eccellenza, nonostante un consumo pro capite annuo di 13.515, KWh (2,4 volte superiore a quello stimato in Italia), e una popolazione di ben 299 milioni di cittadini, basterebbe realizzare, con l'attuale tecnologia a più alta efficienza, l'equivalente di quadrato complessivo di 100 miglia di lato, o la stessa area distribuita lungo il paese, per assicurare la produzione di energia elettrica, esclusivamente con il fotovoltaico.

Il primo vero limite concreto su cui intervenire è invece il costo. Oggi, per il solare termico, si attesta (stime 2003) a 12-18 c€/kWh e il costo sale a 25-65c€/kWh per il fotovoltaico. Tuttavia, un impianto fotovoltaico non costa più di una autovettura media (15-16 keuro) ma la sua durata è decisamente superiore, dell'ordine anche di 20-25 anni. Il problema insomma è anche culturale.
La politica di incentivo, feed tariff o conto capitale (ma il primo essendo più remunerativo per chi produce di più si è sempre mostrato anche più efficace), opera proprio per stimolare questo senso civico "assopito" della società perché rendendo interessante l'investimento anche dal punto di vista economico aumenta anche la domanda. Nel caso del fotovoltaico ogni raddoppio della produzione apporta una riduzione del 20% dei costi (learning curve). Un meccanismo analogo si osserverà per il solare termico.
A quello del costo si aggiunge il problema della reale capacità delle industrie di stare dietro a una domanda fortemente in crescita, assicurando una produzione annua proporzionata alle esigenze del mercato. I numeri relativi alla produzione sono già oggi veramente impressionanti - si sfiora 6 GWp (dati 2008) per il fotovoltaico, con un rato di crescita del 30-40% annuo, mentre per il solare termico ad alta temperatura si punta a raggiungere a breve produzioni di tubi riceventi per il solare termico superiori a 1 GWp - ma rimangono comunque limitate rispetto alle esigenze del mercato.

FOTOVOLTAICO E SOLARE A CONCENTRAZIONE: LE PROSPETTIVE TECNOLOGICHE
Per sopperire a questa oggettiva difficoltà, nel caso del fotovoltaico, si può ipotizzare che nei prossimi anni si assisterà su più fronti allo sviluppo della tecnologia.

Celle e moduli
a. Sviluppo di materiali stabili e di basso costo convenzionali e innovativi per la fotogenerazione e per la raccolta delle cariche (griglie e ossidi trasparenti conduttori) nelle architetture più convenzionali (I e II generazione).
b. Tecnologie innovative per aumentare l'efficienza, che verranno rapidamente condotte alla industrializzazione e commercializzazione, inclusa la concentrazione fv.
c. Sviluppo di nuovi processi realizzativi e di assemblaggio, anche ai fini della sigillatura, più economici, con bassi consumi energetici, con elevato "throughput and yield" e con basso impatto ambientale
d. Standardizzazione e armonizzazione delle misure e delle proprietà ottiche ed elettriche.

Balance of system (Bos)
a. Abbattimento dei costi e incremento dei prestazioni e del "lifetime" dei circuiti di controllo della potenza e degli inverter.
b. Sviluppo di sistemi semplici ed efficaci e cost effective per i montaggi. Incremento della modularità e armonizzazione delle dimensioni e della componentistica.

Altri sviluppi riguarderanno tematiche non strettamente tecniche. Dovranno essere definiti standard qualitativi e di sicurezza, dovranno venire identificati e quantificati con maggior precisione gli aspetti sociali ed economici della tecnologia, e bisognerà sviluppare le necessarie procedure di raccordo e di standardizzazione. Un pensiero particolare, infine, deve essere rivolto, soprattutto di fronte a una produzione massiva, al riciclaggio dei componenti, al fine di ridurre l'impatto ambientale e limitare il ricorso alle materie prime.

Dal punto di vista tecnologico, la situazione del solare a concentrazione ad alta temperatura è decisamente migliore: molti dei limiti tecnologici sono stati già superati grazie a diverse brillanti soluzioni individuate dell'ENEA nello sviluppo del progetto Archimede. Questo progetto punta alla realizzazione di un prototipo di collettore solare adatto all'impiego in centrali solari di potenza. Il collettore di Archimede è basato su specchi di semplice produzione e basso consumo energetico, realizzazione di un efficace rivestimento, otticamente selettivo, con tecnologia CERMET brevettato da ENEA, molto efficiente e in grado di operare fino a 550 °C. L'elemento più significativo però è che in questo caso si ricorre a fluidi termovettori di bassissimo costo e privi di tossicità, i sali fusi (nitrado di ammonio e di potassio), cui si deve anche la possibilità di accumulare dell'energia nelle ore notturne e di scarsa insolazione.

L'ESIGENZA DELL'ACCUMULO
L'altro importante limite delle fonti solari - e in genere di tutte le fonti rinnovabili - è la discontinuità della fonte legata ai cicli giorno/notte e alle variazioni climatiche nell'arco della giornata e delle stagioni. Questo è forse ancora a tutt'oggi uno dei più complessi problemi da risolvere, ma anche su questo fronte importanti sviluppi sono attesi grazie ai progressi nelle tecniche innovative di immagazzinamento e dispacciamento intelligente dell'energia.

Tra le soluzioni oggi sul tavolo, quelle più promettenti sono probabilmente tre.
a. L'uso della stessa rete come mezzo di accumulo.
b. La trasformazione dell'energia solare in altre forme di energia
c. Sistemi fisici (magneti superconduttori) e chimici (batterie) di accumulo

Nel primo caso, l'energia viene immessa in rete e la rete stessa trasferisce l'energia prodotta in eccesso (offerta) in funzione del richiesta (consumo). Vale la pena ricordare che è già allo studio la realizzazione del cosiddetto "anello elettrico mediterraneo" (MEDRING Project - TASK 2.3 Regional steady-state analysis), che dovrebbe permettere la completa interconnessione elettrica dei paesi Mediterranei alla rete elettrica europea. Inoltre, l'introduzione delle reti ad elevata tensione in corrente continua (HVDC: High Voltage Direct Current) dovrebbe anche mitigare gli effetti legati alla dispersione ed irraggiamento dell'energia causata dalle grandi distanze.
Nel secondo, si tratterebbe di trasformare l'energia solare in forme di energia più agevolmente accumulabili da usare come vettori energetici (ad esempio idrogeno); nel caso del solare termico, l'accumulo potrebbe avvenire all'interno di grossi serbatoi riempiti di materiali con alta capacità termica.

Nell'ultimo caso gli attesi progressi dell'auto elettrica sicuramente faranno da volano anche per lo sviluppo di compatti sistemi di accumulo per le autoproduzioni e per le piccole reti alimentate da sistemi energetici solari, il settore dove già oggi, specie guardando ai paesi in via di sviluppo, il fotovoltaico è la fonte energetica per antonomasia più competitiva.