3 Le energie rinnovabili

Sono energie rinnovabili quelle che non compromettono e non danneggiano le risorse che la natura mette a disposizione dell’uomo; dopo ogni utilizzo, queste energie si rigenerano e sono quindi inesauribili. L’esempio tipico è quello dell’energia solare: la Terra è continuamente irradiata dall’energia prodotta dal Sole e noi possiamo utilizzarla o no.

3. 1 L’ENERGIA SOLARE

L’energia solare è l’energia, termica o elettrica, che si produce sfruttando le radiazioni solari che raggiungono la Terra.

Le radiazioni solari dirette verso la Terra non arrivano tutte sul nostro pianeta:

-    il 35% viene riflesso verso lo spazio dalle nuvole, dall’atmosfera, dalla superficie terrestre;

-    il 14% è assorbito dalla stessa atmosfera, che riduce la quantità della radiazione solare ma ne trasforma anche la qualità, agendo da filtro;

-    il restante 51% viene assorbito dalla Terra e dagli oceani.

Il Sole invia, alle nostre latitudini, un’energia pari a circa 200 watt per metro quadrato all’anno. Moltiplicando questo numero per l’intera superficie terrestre, otteniamo una cifra che rappresenta una fornitura di energia 10 000 volte superiore a quella attualmente utilizzata dall’intera umanità.

Anche l’energia solare ha un limite: poiché non è molto concentrata, non è facilissimo trasformarla in energia utile. I sistemi per trasformare l’energia solare in energia utilizzabile sono tre: il pannello solare termico, il pannello fotovoltaico e il pannello solare a concentrazione. Analizziamo ora di seguito i tre pannelli.

Il pannello solare termico. Sfruttando i raggi solari per riscaldare un liquido dalle particolari proprietà, contenuto nell’interno del pannello, rilascia calore all’acqua che si trova in un serbatoio di accumulo tramite uno scambiatore; viene anche chiamato collettore solare e non va confuso con il pannello fotovoltaico. Può essere di due tipi:

1. a circolazione naturale, che è un sistema che funziona senza la presenza di pompe o di componenti elettrici. È costituito dal pannello o collettore solare, formato da una serie di tubi sottovuoto affiancati (per limitare al minimo la dispersione del calore), e da un serbatoio ben isolato posto sul lato superiore dei tubi FIG. 4. Il pannello si posiziona cercando la migliore esposizione ai raggi solari; al suo interno l’acqua si scalda e sale nei tubi per convezione, raggiungendo il serbatoio che alimenta il circuito domestico;

2. a circolazione forzata, che è un sistema in cui il serbatoio può essere montato separatamente rispetto al pannello (per esempio, nel sottotetto o nel locale caldaia) e il liquido nel circuito viene spinto da una pompa. Il sistema di pompaggio viene messo in moto da una centralina elettronica: questa confronta con speciali sonde le temperature del pannello e dell’acqua contenuta nel serbatoio e spinge l’acqua riscaldata del collettore verso il serbatoio. È possibile aggiungere una resistenza elettrica per ottenere l’acqua calda anche nelle ore notturne o nelle giornate molto nuvolose: in questo caso il pannello funziona come uno scaldabagno.

Il pannello fotovoltaico. Sfrutta le caratteristiche di certi semiconduttori che producono energia elettrica se sono colpiti dalla luce; il principio di funzionamento del pannello fotovoltaico si basa sull’effetto fotoelettrico osservato dal fisico francese Alexandre Becquerel nel 1839. Questo effetto esprime la proprietà di alcuni materiali semiconduttori (per esempio il silicio) di generare energia elettrica quando vengono raggiunti dalle radiazioni solari.

L’elemento base del sistema fotovoltaico è la cella fotovoltaica: ha le dimensioni di 10 x 10 cm e si comporta come una piccola batteria che, in Italia, nelle normali condizioni di soleggiamento (cioè le ore in cui normalmente un’area geografica è colpita dalle radiazioni solari), produce una potenza media di 1,5 watt all’anno.

Un insieme di celle fotovoltaiche collegate fra loro in modo da produrre una potenza elettrica tra i 50 e i 100 watt forma il modulo fotovoltaico; più moduli collegati costituiscono il pannello.

Il pannello ha una forma piatta e rettangolare ed è inclinato in modo da farsi colpire dalla maggiore quantità di luce possibile; ma è solo una parte dell’impianto, che è costituito dall’insieme di componenti elettrici, elettronici e meccanici che catturano l’energia del Sole, la trasformano in energia elettrica e la rendono infine disponibile all’uso.

Il pannello solare a concentrazione sfrutta l’azione di una serie di specchi parabolici disposti in modo lineare che concentrano i raggi solari in un punto. In questo punto c’è un tubo, o un serbatoio, dove scorre un liquido, di solito olio minerale, che può raggiungere una temperatura compresa tra i 400 e i 600 oC. Per questo motivo, le centrali solari che funzionano in base a questo principio vengono chiamate centrali ad alta temperatura. D calore così generato può quindi essere impiegato per produrre vapore e quindi elettricità.

Il principio di generare calore concentrando la luce del Sole era già noto ai tempi di Archimede di Siracusa (287-212 a.C.) che lo applicò puntando i raggi concentrati da specchi parabolici contro le navi romane che assediavano la Sicilia, incendiandole.

Dal 2010 l’Enel ha messo in funzione a Priolo (Siracusa) una centrale solare a concentrazione, che è in grado di fornire energia a circa 4000 famiglie.

Questo tipo di centrale ha il vantaggio, rispetto al fotovoltaico, di avere un costo inferiore e maggiori rendimenti.

Gli impianti possono essere isolati o connessi a una rete elettrica. Gli impianti isolati generano dell’energia che passa direttamente al consumo: quella eventualmente generata in eccesso viene accumulata nelle batterie, dalle quali gli utilizzatori (radio, tv, frigoriferi, illuminazione, ecc.) attingono nel periodo in cui l’impianto non è in grado di fornire corrente. L’impianto è corredato di un inverter (convertitore) che trasforma la corrente a 12 volt che proviene dai moduli in corrente a 220 volt. Inoltre è presente anche un regolatore di carica che impedisce il sovraccarico delle batterie. Questo tipo di impianti è utilizzato per le baite di montagna, per le barche e per le situazioni di particolare isolamento (osservatori, laboratori, scavi archeologici).

Negli impianti connessi alla rete, quando l’impianto non riesce a coprire i consumi di elettricità, la rete pubblica fornisce l’energia necessaria.

Anche l’energia solare riceve critiche per il costo e per la mancanza di continuità in caso di copertura nuvolosa o per l’assenza di funzionamento notturno.

I difensori di questo tipo di energia sostengono che, grazie ai miglioramenti tecnologici, costerà meno e che il maggior consumo energetico per quanto riguarda le attività industriali si ha nelle ore diurne.

Per un’utilizzazione futura si stanno progettando delle centrali solari in orbita nello spazio che potrebbero trasmettere sulla Terra la potenza assorbita con microonde o raggi laser.

Pannelli solari a concentrazione: gli specchi concentrano la luce sul tubo centrale.