Solare fotovoltaico e solare termico: due tecnologie complementari per la produzione di energia pulita

Energie rinnovabili: a fine 2022 in Italia erano installati più di 1 mln di impianti fotovoltaici e circa 100mila solari termici

Nel panorama dell’energia rinnovabile, il solare fotovoltaico e il solare termico emergono come due tecnologie complementari fondamentali per la produzione di energia pulita. Entrambe sfruttano l’energia solare, presente in abbondanza su tutto il territorio nazionale, ma differiscono nel processo di conversione dell’energia e nell’applicazione finale. Secondo il rapporto statistico “Solare fotovoltaico” a cura del Gestore dei Servizi Energetici (GSE), in Italia a fine 2022 risultano installati 1.225.431 impianti fotovoltaici e circa 100.000 impianti solari temici.

Sebbene nella stima risultino anche gli impianti posizionati a terra o su pensiline o le solar farm, è presumibile supporre che la maggior parte siano installati a servizio di edifici, dato che suggerisce come queste tecnologie rappresentino un tassello fondamentale verso il raggiungimento di un settore edilizio caratterizzato da edifici a energia zero, come descritti dalla Direttiva europea 2010/31/UE “Energy Performance Building Directive”.

In questo articolo verranno esplorate in dettaglio le caratteristiche, i vantaggi e le applicazioni di entrambe le tecnologie al servizio di edifici, evidenziando come insieme possano costituire una solida base per la transizione verso un futuro energetico sostenibile e pulito.

Tecnologie a confronto

Il collettore solare, o pannello solare termico, consiste in un assorbitore realizzato per mezzo di un metallo ad elevata conduttività termica (ad esempio il rame), progettato per assorbire efficientemente le radiazioni solari e trasferire il calore ad un fluido termovettore, solitamente una soluzione composta da acqua e antigelo.

Il funzionamento del pannello solare può essere paragonato a quello di una serra, in quanto una parte dei raggi solari incidenti sulla superficie vetrata viene riflessa, mentre la parte restante lo attraversa e viene assorbita da una piastra captante di color scuro, che a sua volta emette energia sotto forma di raggi infrarossi. Questi ultimi, secondo lo stesso principio di una serra, vengono trattenuti dal vetro captante, aumentando di conseguenza la temperatura interna del pannello e favorendo lo scambio termico con il fluido termovettore.

La circolazione del fluido termovettore può essere di tipo naturale, indotta dal calore immagazzinato dallo stesso, forzata, a mezzo di una pompa di circolazione, o a svuotamento (anche detto Drain Back), caratterizzato dalla presenza di un serbatoio di drenaggio che permette lo svuotamento dell’impianto quando la pompa di circolazione non è in funzione, evitando eventuali problemi di stagnazione ed ottimizzando il ciclo di lavoro dell’impianto. Il calore immagazzinato dal fluido può essere utilizzato per scopi quali il riscaldamento dell’acqua sanitaria o il supporto di sistemi di riscaldamento.

Principalmente, gli impianti solari termici si distinguono in tre categorie a seconda della temperatura di funzionamento:

• Impianti a basse temperature (fino a 120°C);
• Impianti a medie temperature (500°C);
• Impianti ad alte temperature (1000°C).

gli impianti a media e alta temperatura trovano generalmente applicazione nei grossi impianti ad alta potenza per la produzione di energia, corrente elettrica, idrogeno, cogenerazione e trigenerazione. L’applicazione più comune e conveniente nel campo dell’edilizia risulta quella a basse temperature, che trova impiego per il riscaldamento di acqua calda, utilizzabile sia per uso sanitario, sia per la climatizzazione degli ambienti.

Oltre alla categorizzazione per temperatura di funzionamento, ne esiste un’ulteriore come segue:

• Collettori solari piani, attualmente la soluzione più diffusa;
• Collettori solari sottovuoto, che raggiungono prestazioni più elevate dei collettori piani grazie alle condizioni di funzionamento a bassa pressione, ma che presentano di contro costi di installazione e manutenzione superiori,
• Collettori solari a concentrazione, tipicamente impiegati in centrali elettro-solari viste le elevate temperature di funzionamento. Tipicamente di forma concava ed altamente riflettenti (a differenza dei precedenti collettori solari), concentrano l’energia solare in un punto comune detto fuoco, consentendo il raggiungimento della temperatura di diverse centinaia di gradi Celsius.

Un’applicazione di particolare interesse della tecnologia solare termica combinata con la tecnologia delle macchine ad assorbimento è il solar cooling. Durante l’estate il calore generato dal collettore solare viene impiegato, attraverso le macchine ad assorbimento, per raffreddare il fluido termovettore. Quest’ultimo viene utilizzato negli impianti di condizionamento estivi per abbassare la temperatura degli edifici, risultando una tecnologia sostenibile per il raffrescamento degli ambienti durante i mesi più caldi dell’anno e garantendo comfort termico e abbattimento delle emissioni di CO₂ nell’aria.

Allo stato attuale, visti i costi e le taglie disponibili (a partire da 20 kW), la tecnologia del solar cooling trova applicazione in sistemi di tipo centralizzato tipicamente in ambito terziario o industriale. Secondo un censimento dell’Energy Strategy Group del 2011, in Italia risultano installati solamente 28 impianti, con una potenza complessiva pari a 3,2 MW, ma con l’acquisizione di un know-how specializzato e una maggior competitività a livello di costi, si presuppone che il solar cooling possa diventare una tecnologia con un’applicabilità ben più distribuita e accessibile.

Per quanto riguarda la tecnologia fotovoltaica, essa converte la radiazione solare in energia elettrica distinguendosi in questo profondamente da quella solare termica.

I pannelli fotovoltaici sono costituiti dall’unione di più celle realizzate con materiali semiconduttori, più comune tra tutti il silicio. Ogni cella è comunemente costituita da uno strato di silicio dopato con fosforo e un secondo strato con boro, ed in mezzo una giunzione p-n. Il materiale semiconduttore, a contatto con le particelle solari (fotoni) rilascia elettroni. Il funzionamento della cella non differisce troppo dal funzionamento di una batteria, in quanto nella giunzione tra i due strati di silicio viene a crearsi un campo elettrico.

Per aumentare l’indipendenza dalla rete elettrica nazionale e incrementare conseguentemente il risparmio nella bolletta elettrica, negli ultimi anni si è fatto sempre più ricorso a sistemi di stoccaggio per accumulare l’energia elettrica prodotta e favorire l’autoconsumo.

Da questo punto di vista, la tecnologia fotovoltaica non sembra avere vantaggi evidenti rispetto ad il solare termico, tuttavia, poiché il costo della generazione fotovoltaica è stato continuamente ridotto negli scorsi anni, ci si aspetta una tendenza simile per quanto concerne il costo di installazione dei sistemi di accumulo.

È possibile distinguere tre tipologie di pannelli fotovoltaici in funzione del metodo di realizzazione e dei materiali utilizzati:

• Pannelli a film sottile;
• Pannelli in silicio monocristallino;
• Pannelli in silicio policristallino.

A livello commerciale, la tecnologia di riferimento in campo fotovoltaico è rappresentata dai pannelli in silicio monocristallino, caratterizzati da una potenza a pannello più elevata rispetto ai precedenti pannelli in silicio policristallino e da una maggiore efficienza.

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Nonostante la tecnologia solare termica e quella fotovoltaica sfruttino entrambe la stessa fonte primaria, una comparazione diretta può risultare superflua, in quanto, considerando i casi di applicazione più comunemente adottati, svolgono due mansioni differenti. Il solare termico rientra nel campo della climatizzazione degli ambienti e nella produzione di acqua calda sanitaria, mentre il fotovoltaico nella generazione di corrente elettrica. È interessante analizzare soluzioni integrate che accorpino entrambe le tecnologie in un unico sistema per beneficiare sia della produzione elettrica che termica.

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Dati statistici sulle applicazioni negli edifici 

Analizzati principi di funzionamento del solare termico e fotovoltaico, è interessante riportare dei dati statistici per delineare lo stato di diffusione di entrambe le tecnologie sul suolo italiano ad oggi e inquadrarne le prospettive future di crescita e sviluppo.

Fra le due, il fotovoltaico è indubbiamente la tecnologia più adottata e con una curva di crescita più rapida, anche grazie ad agevolazioni che ne hanno aumentato la convenienza economica, come accadde con il Conto Energia promosso dal GSE o i numerosi bandi volti all’efficienza energetica.

Attenendosi al Report Fotovoltaico 2023 redatto da Italia Solare, analizzando solamente gli impianti di taglia medio-piccola installati nel settore residenziale, al 31 dicembre 2023 in Italia risultava installata una potenza di 8,56 GW, corrispondente al 28% della potenza fotovoltaica complessivamente installata, pari a 30,28 GW di potenza. La tendenza di crescita è positiva, basti analizzare lo sviluppo del settore tra il 2022 e il 2023: +85% in relazione alla numerosità di impianti collegati alla rete nell’anno e +111% in relazione alla potenza installata.

Per quanto riguarda il solare termico, i dati statistici sono più difficili da reperire. Consultando la pagina “Atlaimpianti” del GSE si evince come in Italia siano presenti circa 113.000 impianti solari termici, per una superficie solare lorda impiegata di 743.690 mq. La tecnologia del fotovoltaico risulta dunque più diffusa rispetto al solare termico, voglia per la presenza di incentivazioni statali che ammortano i costi di installazione o per la semplicità di progettazione e manutenzione. Di seguito vengono esplorate le soluzioni ibride ottenute dalla sinergia delle due tecnologie.

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Nel proseguo si parlerà di:

• Collettori solari ibridi;
• Collettori PVT ad aria;
• Collettori PVT a liquido;
• Hybrid PVT Assisted Heat Pump.