Il solare fotovoltaico è una fonte di energia che produce elettricità da fonti rinnovabili, quella ottenuta direttamente dalla radiazione solare mediante un dispositivo a semiconduttore chiamato cellula fotovoltaica. Questo tipo di energia viene utilizzata principalmente per produrre energia elettrica su larga scala attraverso reti di distribuzione, ma consente anche di alimentare innumerevoli applicazioni e dispositivi autonomi, nonché di fornire rifugi di montagna o case isolate dalla rete elettrica. A causa della crescente domanda di energia rinnovabile, la produzione di celle solari e impianti fotovoltaici è notevolmente migliorata negli ultimi anni. Hanno iniziato la produzione di massa dal 2000, quando gli ambientalisti tedeschi e l’organizzazione Eurosolar hanno ottenuto finanziamenti per la creazione di dieci milioni di tetti solari.
L’energia fotovoltaica non emette alcun tipo di inquinamento durante il suo funzionamento, contribuendo a evitare l’emissione di gas serra. Il suo principale svantaggio è che la sua produzione dipende dalla radiazione solare, quindi se la cella non è allineata perpendicolarmente al Sole, si perde tra il 10-25% dell’energia incidente. Di conseguenza, l’uso di inseguitori solari è stato reso popolare negli impianti di connessione di rete per massimizzare la produzione di energia. La produzione è anche influenzata da condizioni meteorologiche avverse, come la mancanza di sole, nuvole o sporco che si deposita sui pannelli. Ciò implica che per garantire la fornitura di energia elettrica è necessario integrare questa energia con altre fonti di energia gestibili come le centrali elettriche basate sulla combustione di combustibili fossili, energia idroelettrica o energia nucleare.
Grazie ai progressi tecnologici, alla sofisticazione e all’economia di scala, il costo dell’energia solare fotovoltaica è stato ridotto costantemente da quando sono state costruite le prime celle solari commerciali, aumentando l’efficienza e rendendo il costo medio della produzione di energia elettrica già competitivo con le fonti energetiche convenzionali numero crescente di regioni geografiche, raggiungendo la parità di rete. Attualmente il costo dell’elettricità prodotta negli impianti solari è compreso tra $ 0,05-0,10 / kWh in Europa, Cina, India, Sud Africa e Stati Uniti. Nel 2015 sono stati registrati nuovi record in progetti negli Emirati Arabi Uniti (0,0584 $ / kWh), Perù (0,048 $ / kWh) e Messico (0,048 $ / kWh). A maggio 2016, un’asta solare a Dubai ha raggiunto il prezzo di 0,03 $ / kWh.
Applicazioni di energia solare fotovoltaica
La produzione industriale su larga scala di pannelli fotovoltaici è decollata negli anni ’80 e tra i suoi numerosi usi si possono evidenziare:
Telecomunicazioni e segnalazioni
L’energia solare fotovoltaica è ideale per le applicazioni di telecomunicazione, comprese quelle che si trovano ad esempio per la telefonia delle stazioni locali, le antenne di radio e televisione, le stazioni di rilancio delle microonde e altri collegamenti di comunicazione elettronica. Ciò è dovuto al fatto che, nella maggior parte delle applicazioni di telecomunicazione, vengono utilizzate batterie di accumulo e l’installazione elettrica viene normalmente effettuata in corrente continua (CC). Sui terreni collinosi e montuosi, i segnali radio e televisivi possono essere disturbati o riflessi a causa del terreno ondulato. In queste posizioni, i trasmettitori a bassa potenza (LPT) sono installati per ricevere e ritrasmettere il segnale tra la popolazione locale.
Le celle fotovoltaiche sono utilizzate anche per alimentare i sistemi di comunicazione di emergenza, ad esempio su postazioni SOS (telefono di emergenza) su strade, segnalazioni ferroviarie, segnali di protezione aeronautica, stazioni meteorologiche o sistemi di monitoraggio di dati ambientali e di qualità. acqua.
Dispositivi isolati
La riduzione del consumo di energia dei circuiti integrati ha reso possibile alla fine degli anni ’70 l’uso di celle solari come fonte di elettricità nelle calcolatrici, come il Royal Solar, Sharp EL-8026 o Teal Photon.
Anche altri dispositivi fissi che utilizzano l’energia fotovoltaica hanno visto aumentare il loro utilizzo negli ultimi decenni, in luoghi in cui il costo della connessione alla rete elettrica o l’uso di batterie usa e getta è proibitivo. Queste applicazioni includono ad esempio lampade solari, pompe dell’acqua, parchimetri, telefoni di emergenza, compattatori di rifiuti, segnali stazioni di caricamento del traffico temporanee o permanenti o sistemi di monitoraggio remoto.
Elettrificazione rurale
In ambienti isolati, dove è richiesta poca energia elettrica e l’accesso alla rete è difficile, i pannelli fotovoltaici sono usati da decenni come un’alternativa economicamente valida. Per capire l’importanza di questa possibilità, vale la pena ricordare che circa un quarto della popolazione mondiale non ha ancora accesso all’energia elettrica.
Nei paesi in via di sviluppo, molti villaggi sono situati in aree remote, a diversi chilometri dalla rete elettrica più vicina. Di conseguenza, l’energia fotovoltaica viene sempre più incorporata per fornire energia alle case o alle strutture mediche nelle aree rurali. Ad esempio, nelle zone remote dell’India, un programma di illuminazione rurale ha fornito l’illuminazione utilizzando lampade a LED alimentate dall’energia solare per sostituire le lampade a cherosene. Il prezzo delle lampade solari era all’incirca uguale al costo della fornitura di cherosene per alcuni mesi. Cuba e altri paesi dell’America Latina stanno lavorando per fornire energia fotovoltaica in aree lontane dalla fornitura di energia elettrica convenzionale. Si tratta di aree in cui i benefici sociali ed economici per la popolazione locale offrono una ragione eccellente per installare pannelli fotovoltaici, sebbene normalmente questo tipo di iniziative siano state relegate a specifici sforzi umanitari.
Sistemi di pompaggio
Il fotovoltaico viene anche utilizzato per alimentare impianti di pompaggio per l’irrigazione, acqua potabile nelle aree rurali e acqua per il bestiame, o sistemi di desalinizzazione dell’acqua.
I sistemi di pompaggio fotovoltaico (come quelli alimentati da energia eolica) sono molto utili dove non è possibile accedere alla rete elettrica generale o è un prezzo proibitivo. Il loro costo è generalmente più economico a causa dei minori costi operativi e di manutenzione, e hanno un impatto ambientale inferiore rispetto ai sistemi di pompaggio alimentati da motori a combustione interna, che hanno anche una minore affidabilità.
Le pompe utilizzate possono essere alternate (AC) o continue (DC). Normalmente i motori DC vengono utilizzati per applicazioni di piccole e medie fino a 3 kW di potenza, mentre per le applicazioni più grandi, i motori CA vengono utilizzati accoppiati a un inverter che trasforma la corrente continua dai pannelli fotovoltaici per il suo utilizzo. Ciò consente di dimensionare i sistemi da 0,15 kW a oltre 55 kW di potenza, che possono essere utilizzati per fornire sistemi di irrigazione complessi o stoccaggio dell’acqua.
Sistemi ibridi solare-diesel
A causa della diminuzione dei costi dell’energia solare fotovoltaica, l’uso di sistemi ibridi solare-diesel si sta espandendo, combinando questa energia con i generatori diesel per produrre elettricità in modo continuo e stabile. Questi tipi di installazioni sono normalmente dotati di apparecchiature ausiliarie, come batterie e sistemi di controllo speciali, per garantire sempre la stabilità dell’alimentazione elettrica del sistema.
A causa della sua redditività economica (il trasporto del diesel al punto di consumo è in genere costoso) in molti casi i vecchi generatori vengono sostituiti dal fotovoltaico, mentre le nuove strutture ibride sono progettate in modo tale da consentire l’utilizzo della risorsa solare ogni volta che è disponibile, riducendo al minimo l’uso di generatori, riducendo così l’impatto ambientale della produzione di energia nelle comunità remote e nelle strutture che non sono collegate alla rete elettrica. Un esempio di questo sono le aziende minerarie, le cui attività si trovano normalmente in campi aperti, lontani da grandi centri abitati. In questi casi, l’uso combinato del fotovoltaico consente di ridurre notevolmente la dipendenza dal gasolio, consentendo risparmi fino al 70% del costo dell’energia.
Questo tipo di sistemi può anche essere utilizzato in combinazione con altre fonti di produzione di energia rinnovabile, come l’energia eolica.
Trasporti e navigazione marittima
Sebbene il fotovoltaico non sia ancora ampiamente utilizzato per fornire trazione nei trasporti, è sempre più utilizzato per fornire energia ausiliaria a navi e automobili. Alcuni veicoli sono dotati di aria condizionata alimentata da pannelli fotovoltaici per limitare la temperatura interna nelle giornate calde, mentre altri prototipi ibridi li utilizzano per ricaricare le batterie senza la necessità di collegarsi alla rete elettrica. È stata ampiamente dimostrata la capacità pratica di progettare e produrre veicoli e imbarcazioni e aerei ad energia solare, essendo considerato il trasporto su strada più redditizio per il fotovoltaico.
Il Solar Impulse è un progetto dedicato allo sviluppo di un aeroplano azionato esclusivamente da energia solare fotovoltaica. Il prototipo può volare durante il giorno spinto dalle celle solari che coprono le sue ali, nello stesso momento in cui carica le batterie che gli permettono di rimanere nell’aria durante la notte.
L’energia solare è anche comunemente usata nei fari, nelle boe e nei lampeggianti per la navigazione marittima, nei veicoli ricreativi, nei sistemi di ricarica per gli accumulatori elettrici delle navi e nei sistemi di protezione catodica. La ricarica dei veicoli elettrici sta diventando sempre più importante. 94
Fotovoltaico integrato negli edifici
Molte installazioni fotovoltaiche si trovano spesso negli edifici: di solito si trovano su un tetto esistente o sono integrati in elementi della struttura dell’edificio, come lucernari, lucernari o facciate.
In alternativa, un impianto fotovoltaico può anche essere fisicamente situato separato dall’edificio, ma collegato alla sua installazione elettrica per fornire energia. Nel 2010, oltre l’80% dei 9000 MW di fotovoltaico che la Germania aveva in funzione, era stato installato sui tetti.
Costruire il fotovoltaico integrato (BIPV) viene sempre più incorporato come fonte principale o secondaria di energia elettrica nei nuovi edifici domestici e industriali, e anche in altri elementi architettonici, come ad esempio i ponti. Anche le tegole con celle fotovoltaiche integrate sono abbastanza comuni in questo tipo di integrazione.
Secondo uno studio pubblicato nel 2011, l’uso della termografia ha mostrato che i pannelli solari, purché vi sia uno spazio aperto attraverso il quale l’aria può circolare tra i pannelli e il tetto, forniscono un effetto di raffreddamento passivo sugli edifici durante il giorno e aiutano anche mantenere il calore accumulato durante la notte.
Connessione fotovoltaica alla rete
Una delle principali applicazioni di energia solare fotovoltaica più sviluppata negli ultimi anni, è costituita da centrali elettriche connesse alla rete per la fornitura di energia elettrica, nonché sistemi di autoconsumo fotovoltaico, generalmente di minore potenza, ma anche collegati alla rete elettrica.
Sistemi fotovoltaici
Un impianto fotovoltaico, o impianto solare fotovoltaico, è un sistema di alimentazione progettato per fornire energia solare utilizzabile tramite il fotovoltaico. Consiste in una disposizione di diversi componenti, tra cui pannelli solari per assorbire e convertire direttamente la luce solare in energia elettrica, un inverter solare per cambiare la corrente elettrica da CC a CA, nonché il montaggio, il cablaggio e altri accessori elettrici. Gli impianti fotovoltaici spaziano da piccoli sistemi montati sul tetto o integrati nell’edificio, con capacità da poche a diverse decine di kilowatt, a grandi centrali elettriche di centinaia di megawatt. Oggigiorno, la maggior parte dei sistemi fotovoltaici è collegata alla rete, mentre i sistemi stand-alone rappresentano solo una piccola parte del mercato.
Tetti e costruzione di sistemi integrati
Gli array fotovoltaici sono spesso associati agli edifici: integrati in essi, montati su di essi o montati nelle vicinanze sul terreno. I sistemi fotovoltaici su tetto vengono spesso montati su edifici esistenti, solitamente montati sulla struttura del tetto esistente o sui muri esistenti. In alternativa, un array può essere posizionato separatamente dall’edificio ma collegato via cavo per alimentare l’edificio. Il fotovoltaico integrato nell’edificio (BIPV) viene sempre più incorporato nel tetto o nelle pareti di nuovi edifici domestici e industriali come fonte principale o ausiliaria di energia elettrica. A volte vengono utilizzate anche tegole con celle fotovoltaiche integrate. A condizione che ci sia uno spazio aperto in cui l’aria può circolare, i pannelli solari montati sul tetto possono fornire un effetto di raffreddamento passivo sugli edifici durante il giorno e anche mantenere il calore accumulato durante la notte. Tipicamente, i sistemi per tetti residenziali hanno una capacità ridotta di circa 5-10 kW, mentre i sistemi di tetti commerciali spesso ammontano a diverse centinaia di kilowatt. Sebbene i sistemi da tetto siano molto più piccoli delle centrali elettriche montate su cavalletto, rappresentano la maggior parte della capacità installata a livello mondiale.
Fotovoltaico concentratore
Concentrator photovoltaics (CPV) è una tecnologia fotovoltaica che, contrariamente ai convenzionali sistemi PV a piastra piatta, utilizza lenti e specchi curvi per focalizzare la luce solare su celle solari MJ (small-junction) piccole ma altamente efficienti. Inoltre, i sistemi CPV utilizzano spesso inseguitori solari e talvolta un sistema di raffreddamento per aumentare ulteriormente la loro efficienza. La ricerca e lo sviluppo in corso stanno rapidamente migliorando la loro competitività nel segmento delle utility scale e nelle aree di alta insolazione solare.
Collettore solare ibrido termico fotovoltaico
Il collettore solare termico ibrido fotovoltaico (PVT) è un sistema che converte la radiazione solare in energia termica ed elettrica. Questi sistemi combinano una cella fotovoltaica solare, che converte la luce solare in elettricità, con un collettore solare termico, che cattura l’energia residua e rimuove il calore disperso dal modulo fotovoltaico. La cattura di elettricità e calore consente a questi dispositivi di avere una maggiore energia e quindi di essere più efficienti dal punto di vista energetico rispetto al solare fotovoltaico o al solare termico da soli.
Centrali elettriche
Molte fattorie solari su scala industriale sono state costruite in tutto il mondo. A partire dal 2015, la Solar Star da 579 megawatt (MWAC) è la più grande centrale fotovoltaica del mondo, seguita dalla Desert Sunlight Solar Farm e dalla Topaz Solar Farm, entrambe con una capacità di 550 MWAC, costruita dalla società statunitense First Solar, utilizzando i moduli CdTe, una tecnologia fotovoltaica a film sottile. Tutte e tre le centrali elettriche si trovano nel deserto californiano. Molte fattorie solari in tutto il mondo sono integrate con l’agricoltura e alcune utilizzano sistemi di tracciamento solare innovativi che seguono il percorso quotidiano del sole attraverso il cielo per generare più elettricità rispetto ai sistemi fissi convenzionali. Non ci sono costi o emissioni di carburante durante il funzionamento delle centrali elettriche.
Elettrificazione rurale
I paesi in via di sviluppo in cui molti villaggi sono spesso a più di cinque chilometri dalla rete elettrica usano sempre più il fotovoltaico. In località remote in India, un programma di illuminazione rurale ha fornito illuminazione a LED ad energia solare per sostituire le lampade a cherosene. Le lampade ad energia solare sono state vendute a circa il costo di alcuni mesi di fornitura di cherosene. Cuba sta lavorando per fornire energia solare per le aree fuori dalla rete. Le applicazioni più complesse di utilizzo di energia solare fuori rete includono stampanti 3D. Le stampanti RepRap 3D sono state alimentate a energia solare con tecnologia fotovoltaica, che consente la produzione distribuita per lo sviluppo sostenibile. Si tratta di aree in cui i costi e i benefici sociali offrono un’ottima opportunità per passare al solare, anche se la mancanza di redditività ha relegato tali sforzi agli sforzi umanitari. Tuttavia, nel 1995 i progetti di elettrificazione rurale solare erano stati giudicati difficili da sostenere a causa di economia sfavorevole, mancanza di supporto tecnico e un retaggio di ulteriori motivi del trasferimento tecnologico da nord a sud.
Sistemi autonomi
Fino a un decennio fa, il fotovoltaico veniva usato frequentemente per alimentare calcolatrici e dispositivi di novità. I miglioramenti nei circuiti integrati e nei display a cristalli liquidi a bassa potenza consentono di alimentare tali dispositivi per diversi anni tra un cambio batteria e l’altro, rendendo meno frequente l’utilizzo del fotovoltaico. Al contrario, i dispositivi fissi remoti alimentati ad energia solare hanno visto un crescente utilizzo recentemente in luoghi in cui i costi di connessione significativi rendono la rete elettrica proibitiva. Tali applicazioni comprendono lampade solari, pompe dell’acqua, parchimetri, telefoni di emergenza, compattatori di rifiuti, segnali stradali temporanei, stazioni di ricarica e postazioni e segnali di protezione a distanza.
Floatovoltaics
Nel maggio 2008, la Far Niente Winery di Oakville, in California, ha aperto la strada al primo sistema “floatovoltaico” al mondo installando 994 pannelli solari fotovoltaici su 130 pontoni e facendoli galleggiare nello stagno di irrigazione della cantina. Il sistema flottante genera circa 477 kW di picco di potenza e, quando combinato con una serie di celle situate adiacenti allo stagno, è in grado di compensare completamente il consumo di elettricità della cantina. Il principale vantaggio di un impianto fotovoltaico è che evita la necessità di sacrificare un’area di terreno preziosa che potrebbe essere utilizzata per un altro scopo. Nel caso della Far Niente Winery, il sistema fluttuante risparmiava tre quarti di un acro che sarebbe stato necessario per un sistema terrestre. Quella terra può invece essere utilizzata per l’agricoltura. Un altro vantaggio di un impianto fotovoltaico è che i pannelli sono mantenuti a una temperatura inferiore rispetto a quelli che si troverebbero sulla terraferma, portando a una maggiore efficienza nella conversione dell’energia solare. I pannelli galleggianti riducono anche la quantità di acqua persa per evaporazione e inibiscono la crescita delle alghe.
Nel trasporto
Il fotovoltaico è stato tradizionalmente utilizzato per l’energia elettrica nello spazio. Il fotovoltaico viene utilizzato raramente per fornire potenza motrice nelle applicazioni di trasporto, ma viene sempre più utilizzato per fornire energia ausiliaria a imbarcazioni e automobili. Alcune automobili sono dotate di climatizzazione ad energia solare per limitare le temperature interne nelle giornate più calde. Un veicolo solare autonomo avrebbe potenza e utilità limitate, ma un veicolo elettrico a carica solare consente l’uso dell’energia solare per il trasporto. Sono state dimostrate auto, barche e aeroplani a energia solare, con la più pratica e probabile che siano auto solari. L’aereo solare svizzero Solar Impulse 2 ha realizzato il volo ininterrotto più lungo della storia e prevede di realizzare la prima circumnavigazione aerea del mondo a energia solare nel 2015.
Telecomunicazione e segnalazione
L’energia solare fotovoltaica è ideale per applicazioni di telecomunicazione come centralini telefonici locali, trasmissioni radio e TV, microonde e altre forme di collegamenti di comunicazione elettronica. Questo perché, nella maggior parte delle applicazioni di telecomunicazione, le batterie di accumulo sono già in uso e l’impianto elettrico è sostanzialmente DC. Nei terreni collinosi e montuosi, i segnali radio e TV potrebbero non arrivare mentre vengono bloccati o riflessi a causa del terreno ondulato. In queste posizioni, i trasmettitori a bassa potenza (LPT) sono installati per ricevere e ritrasmettere il segnale per la popolazione locale.
Applicazioni di veicoli spaziali
I pannelli solari su veicoli spaziali sono solitamente l’unica fonte di energia per far funzionare i sensori, riscaldamento e raffreddamento attivi e comunicazioni. Una batteria memorizza questa energia per l’uso quando i pannelli solari sono in ombra. In alcuni, il potere è anche usato per la propulsione propulsione elettrica-veicolo spaziale. I veicoli spaziali sono stati una delle prime applicazioni del fotovoltaico, a partire dalle celle solari in silicio utilizzate sul satellite Vanguard 1, lanciate dagli Stati Uniti nel 1958. Da allora, l’energia solare è stata utilizzata in missioni che vanno dalla sonda MESSENGER a Mercury, fino a lontano nel sistema solare come la sonda Juno a Giove. Il più grande sistema di energia solare trasportato nello spazio è il sistema elettrico della Stazione Spaziale Internazionale. Per aumentare la potenza generata per chilogrammo, i pannelli solari tipici di veicoli spaziali utilizzano celle solari multigonutriere rettangolari ad alto costo, ad alta efficienza e a chiusura ravvicinata fatte di arseniuro di gallio (GaAs) e altri materiali semiconduttori.
Sistemi di alimentazione speciali
Il fotovoltaico può anche essere incorporato come dispositivi di conversione di energia per oggetti a temperature elevate e con emissività radiative preferibili come i combustori eterogenei.
vantaggi
I 122 PW di luce solare che raggiungono la superficie terrestre sono abbondanti, quasi 10.000 volte di più dei 13 TW equivalenti di potenza media consumata nel 2005 dagli esseri umani. Questa abbondanza porta a suggerire che non passerà molto tempo prima che l’energia solare diventerà la principale fonte di energia del mondo. Inoltre, la generazione di energia solare ha la più alta densità di potenza (media globale di 170 W / m2) tra le energie rinnovabili.
L’energia solare è senza inquinamento durante l’uso, il che le consente di ridurre l’inquinamento quando viene sostituito da altre fonti di energia. Ad esempio, il MIT ha stimato che 52.000 persone all’anno muoiono prematuramente negli Stati Uniti a causa dell’inquinamento da centrali a carbone e tutti tranne uno di questi decessi potrebbero essere impediti dall’uso del fotovoltaico per sostituire il carbone. La produzione di rifiuti e le emissioni sono gestibili utilizzando i controlli antinquinamento esistenti. Le tecnologie di riciclaggio di fine uso sono in fase di sviluppo e vengono elaborate politiche che incoraggiano il riciclaggio da parte dei produttori.
Gli impianti fotovoltaici possono funzionare per 100 anni o anche di più con poca manutenzione o intervento dopo il loro allestimento iniziale, quindi dopo il costo iniziale capitale della costruzione di qualsiasi impianto solare, i costi operativi sono estremamente bassi rispetto alle tecnologie energetiche esistenti.
L’elettricità solare collegata alla rete può essere utilizzata localmente, riducendo così le perdite di trasmissione / distribuzione (le perdite di trasmissione negli Stati Uniti sono state di circa il 7,2% nel 1995).
Rispetto alle fonti di energia fossile e nucleari, sono stati investiti pochissimo denaro per la ricerca nello sviluppo delle celle solari, quindi c’è un notevole margine di miglioramento. Tuttavia, le celle solari sperimentali ad alta efficienza hanno già un’efficienza superiore al 40% nel caso di celle fotovoltaiche a concentrazione e l’efficienza aumenta rapidamente mentre i costi di produzione di massa stanno rapidamente calando.
In alcuni stati degli Stati Uniti, gran parte dell’investimento in un sistema montato a casa può andare perso se il proprietario di casa si sposta e l’acquirente apporta meno valore al sistema rispetto al venditore. La città di Berkeley ha sviluppato un metodo di finanziamento innovativo per rimuovere questa limitazione, aggiungendo una valutazione fiscale che viene trasferita con la casa per pagare i pannelli solari. Ora noto come PACE, Property Assessed Clean Energy, 30 stati degli USA hanno duplicato questa soluzione.
Ci sono prove, almeno in California, che la presenza di un sistema solare montato in casa può effettivamente aumentare il valore di una casa. Secondo un articolo pubblicato nell’aprile 2011 dal Laboratorio nazionale Ernest Orlando Lawrence Berkeley dal titolo An Analysis of the Effects of Residential Fotovoltaic Energy Systems sui prezzi delle vendite domestiche in California:
La ricerca trova una forte evidenza che le case con sistemi fotovoltaici in California sono state vendute come premium rispetto a case comparabili senza sistemi fotovoltaici. Più specificamente, le stime per i premi PV medi vanno da circa $ 3,9 a $ 6,4 per Watt installato (DC) tra un gran numero di specifiche del modello differenti, con la maggior parte dei modelli che si sta avvicinando a circa $ 5,5 / watt. Tale valore corrisponde a un premio di circa $ 17.000 per un sistema fotovoltaico relativamente nuovo da 3.100 watt (la dimensione media dei sistemi fotovoltaici nello studio).
limitazioni
Impatto sulla rete elettrica
Con i crescenti livelli dei sistemi fotovoltaici sul tetto, il flusso di energia diventa bidirezionale. Quando c’è più generazione locale che consumo, l’elettricità viene esportata nella rete. Tuttavia, la rete elettrica tradizionalmente non è progettata per gestire il trasferimento di energia a 2 vie. Pertanto, potrebbero verificarsi alcuni problemi tecnici. Ad esempio, nel Queensland in Australia, ci sono più del 30% di famiglie con fotovoltaico sul tetto entro la fine del 2017. La famosa curva antropomorfa 2020 della California appare molto spesso per molte comunità dal 2015 in poi. Un problema di sovratensione potrebbe venire fuori dal flusso di elettricità da queste case fotovoltaiche verso la rete. Esistono soluzioni per gestire il problema della sovratensione, come la regolazione del fattore di potenza dell’inverter fotovoltaico, nuove apparecchiature di controllo della tensione e dell’energia a livello del distributore di elettricità, conduttore dei cavi elettrici, gestione del lato di domanda, ecc. Spesso ci sono limitazioni e costi relativi a queste soluzioni.
Implicazione sulla gestione della bolletta elettrica e sugli investimenti energetici
Non esiste un punto d’argento nell’elettricità o nella domanda di energia e nella gestione delle bollette, perché i clienti (siti) hanno situazioni specifiche diverse, ad es. diverse esigenze di comfort / convenienza, diverse tariffe elettriche o diversi modelli di utilizzo. La tariffa dell’elettricità può avere alcuni elementi, come l’accesso giornaliero e la carica di misura, la carica energetica (basata su kWh, MWh) o la carica di picco (ad esempio un prezzo per il massimo consumo energetico di 30 minuti in un mese). Il fotovoltaico è un’opzione promettente per ridurre la carica energetica quando il prezzo dell’elettricità è ragionevolmente alto e in continuo aumento, come in Australia e in Germania. Tuttavia, per i siti con una tariffa di picco della domanda, il fotovoltaico potrebbe essere meno attraente se le richieste massime si verificano soprattutto nel tardo pomeriggio fino a prima serata, ad esempio nelle comunità residenziali. Nel complesso, gli investimenti energetici sono in gran parte una decisione economica ed è meglio prendere decisioni di investimento basate sulla valutazione sistematica delle opzioni in termini di miglioramento operativo, efficienza energetica, generazione in loco e stoccaggio di energia.
Impatto ambientale
Produzione
L’impatto ambientale della tecnologia al silicio e della tecnologia a film sottile sono tipici della produzione di semiconduttori, con i relativi passaggi chimici ed energetici. La produzione di silicio di elevata purezza nella tecnologia del silicio è decisiva a causa dell’alto consumo di energia e della quantità di sostanze secondarie. Per 1 kg di silicio ultrapuro, vengono prodotti fino a 19 kg di sostanze secondarie. Poiché il silicio ultrapuro è prodotto principalmente da subappaltatori, la selezione dei fornitori in termini di aspetti ambientali è cruciale per le prestazioni ambientali di un modulo.
Nella tecnologia a film sottile, la pulizia delle camere di processo è un problema delicato. Qui sono parzialmente le sostanze nocive trifluoruro di azoto e esafluoruro di zolfo utilizzati. Nell’uso di metalli pesanti come la tecnologia CdTe si sostiene un breve periodo di recupero dell’investimento in termini di ciclo di vita.
operazione
Nel 2011, l’Ufficio statale bavarese per l’ambiente ha confermato che i moduli solari CdTe non rappresentano un pericolo per gli esseri umani e l’ambiente in caso di incendio.
A causa dell’assoluta libertà dalle emissioni in esercizio, il fotovoltaico ha costi esterni molto bassi. Se questi sono circa 6-8 ct / kWh per la produzione di energia da carbone e lignite, sono solo circa 1 ct / kWh per i sistemi fotovoltaici (anno 2000). Questa è la conclusione di un parere esperto del Centro aerospaziale tedesco e dell’Istituto Fraunhofer per la ricerca sui sistemi e l’innovazione. Per il confronto, va menzionato il valore di 0,18 ct / kWh dei costi esterni per le centrali solari termiche, che è anche menzionato qui.
Bilancio gas serra
Anche se non vi è alcuna operazione anche nelle emissioni di CO 2e, allora i sistemi fotovoltaici non possono ancora essere presenti CO 2, prodotti, trasportati e assemblati-liberi. A seconda della tecnologia e della posizione, le emissioni di CO 2e calcolate dei sistemi fotovoltaici nel 2013 sono comprese tra 10,5 e 50 g di CO 2e / kWh, con una media nell’intervallo da 35 a 45 g di CO 2e / kWh. Uno studio recente del 2015 ha trovato valori medi di 29,2 g / kWh. Queste emissioni sono causate dalla combustione di combustibili fossili, specialmente durante la produzione di impianti solari. Con l’ulteriore espansione delle energie rinnovabili come parte della trasformazione globale verso fonti di energia sostenibili, il bilancio dei gas serra migliorerà quindi automaticamente. Anche le emissioni in diminuzione derivano dalla curva di apprendimento tecnologico. Storicamente, le emissioni sono diminuite del 14% per raddoppio della capacità installata (a partire dal 2015).
Dopo un confronto completo tra la Ruhr-University di Bochum del 2007, il CO è stato 2e emissioni nel fotovoltaico ancora a 50-100 g / kWh, e soprattutto i moduli utilizzati e la posizione erano cruciali. In confronto, era 750-1200 g / kWh per le centrali elettriche a carbone, 400-550 g / kWh per le centrali a gas CCGT, 10-40 g / kWh per l’energia eolica e idroelettrica e 10-30 g / kWh per energia nucleare (senza smaltimento finale), e in energia solare termica in Africa a 10-14 g / kWh.
Ammortamento energetico
Il periodo di recupero dell’energia fotovoltaica è il periodo durante il quale l’impianto fotovoltaico ha erogato la stessa quantità di energia necessaria per tutto il suo ciclo di vita; per la produzione, il trasporto, la costruzione, l’esercizio, lo smantellamento o il riciclaggio.
È attualmente (a partire dal 2013) tra 0,75 e 3,5 anni, a seconda della posizione e della tecnologia fotovoltaica utilizzata. I moduli CdTe hanno ottenuto risultati migliori a 0,75-2,1 anni, mentre i moduli in silicio amorfo erano superiori alla media di 1,8-3,5 anni. I sistemi monocristallini e multicristallini e le piante basate sulla CSI avevano un’età compresa tra 1,5 e 2,7 anni. Si supponeva che la durata di vita dello studio fosse di 30 anni per moduli basati su celle di silicio cristallino e da 20 a 25 anni per moduli a film sottile, mentre la durata di vita degli inverter era di 15 anni. Entro il 2020, un periodo di recupero energetico pari a 0,5 anni o meno per gli impianti di silicio cristallino dell’Europa meridionale è considerato possibile.
Quando viene utilizzato in Germania, l’energia necessaria per produrre un sistema fotovoltaico viene recuperata in celle solari in circa due anni. Il fattore di raccolta è di almeno 10 in condizioni tipiche di irraggiamento tedesco, è probabile un ulteriore miglioramento. La durata è stimata tra 20 e 30 anni. Da parte dei produttori, i moduli vengono solitamente forniti con garanzie di prestazioni per 25 anni. La parte ad alta intensità energetica delle celle solari può essere riutilizzata da 4 a 5 volte.
Consumo di suolo
Gli impianti fotovoltaici sono prevalentemente costruiti su tetti e aree di traffico esistenti, che non comportano ulteriori requisiti di spazio. D’altra parte, le strutture esterne sotto forma di parchi solari, spazio aggiuntivo da utilizzare, spesso aree già contaminate come queste. B. aree di conversione (da uso militare, economico, stradale o residenziale), aree lungo le autostrade e le linee ferroviarie (in strisce di 110 m), aree designate come aree commerciali o industriali o aree sigillate (ex discariche, parcheggi, ecc. .) sono utilizzati. Se i sistemi fotovoltaici sono installati su terreni agricoli, che al momento non sono supportati in Germania, potrebbe verificarsi una concorrenza per l’uso. Tuttavia, si deve tenere conto del fatto che i parchi solari hanno un rendimento energetico molto più elevato rispetto alla generazione di bioenergia sulla stessa area. I parchi solari forniscono da 25 a 65 volte più elettricità per unità di superficie delle colture energetiche.
Riciclaggio di moduli fotovoltaici
Finora, l’unico impianto di riciclaggio (impianto pilota specializzato) per moduli fotovoltaici cristallini in Europa si trova a Freiberg, in Sassonia. La società Sunicon GmbH (già Solar Material), una controllata di SolarWorld, nel 2008 ha raggiunto un tasso di riciclaggio basato sulla massa per moduli con una media del 75% con una capacità di ca. 1200 tonnellate all’anno. La quantità di rifiuti di moduli fotovoltaici nell’UE nel 2008 era di 3.500 tonnellate / anno. A causa della vasta automazione, una capacità di ca. Sono previste 20.000 tonnellate all’anno.
Per costruire un sistema volontario, su scala europea, a livello nazionale per il riciclaggio, l’industria solare ha fondato un’iniziativa congiunta nel 2007, l’Associazione PV CYCLE. Si stima che nell’UE siano previste 130.000 tonnellate di moduli obsoleti all’anno entro il 2030. Come reazione allo sviluppo generale insoddisfacente, dal 24 gennaio 2012 i moduli solari sono stati anche oggetto di una modifica della direttiva sui rifiuti elettronici. Per l’industria del fotovoltaico, l’emendamento stabilisce che l’85 percento dei moduli solari venduti deve essere raccolto e riciclato all’80 percento. Entro il 2014, tutti gli Stati membri dell’UE-27 dovrebbero recepire il regolamento nella legislazione nazionale. L’obiettivo è rendere i produttori responsabili della fornitura di strutture per il riciclaggio. La separazione dei moduli da altri apparecchi elettrici è preferita. Saranno inoltre ampliate le strutture di raccolta e riciclaggio esistenti.