Fotovoltaico efficiente: la ricerca spiega come conciliare prestazioni e sostenibilità

Indice degli argomenti:

• Fotovoltaico efficiente: migliorare le prestazioni dei parchi solari è possibile
• Vita più lunga per i moduli fotovoltaici: la sostenibilità passa anche da qui

Puntare a rendere il fotovoltaico efficiente, o più precisamente, massimizzare la produzione: su questo si lavora in tutto il mondo per raggiungere gli obiettivi di produzione di energia da conti rinnovabili e centrare la transizione energetica.

La produzione fotovoltaica è cresciuta costantemente dal 2000. La società di ricerche Statista segnala che nel 2021, la capacità fotovoltaica globale cumulativa ammontava a 940 GW, con circa 168 GW di nuova capacità fotovoltaica installata nello stesso anno. Ma occorre fare di più.

Per crescere occorrono sì gli impianti residenziali, ma c’è bisogno di contare sui grandi parchi fotovoltaici e di migliorarne le prestazioni. Per evidenziare come si possa migliorare le loro performance è stato avviato in Germania il progetto Solar Park 2.0, presso il Centro per l’energia del KIT (Karlsruhe Institute of Technology), uno dei più grandi centri di ricerca sull’energia in Europa, con 1800 scienziati attivi.

In occasione del progetto, partito la scorsa estate e sul quale sono stati investiti 3,4 milioni di euro, i ricercatori svilupperanno componenti e metodi elettronici utili ad aumentare la potenza degli impianti fotovoltaici in condizioni sfavorevoli.

Un altro aspetto che va considerato quando si parla di fotovoltaico efficiente è la sostenibilità. La possibilità di considerare il riciclo dei moduli o di allungare la vita utile dei moduli è alla base di una ricerca curata da un team di ricercatori del NREL (National Renewable Energy Laboratory), il principale laboratorio nazionale del Dipartimento dell’Energia USA, specificamente dedicato alla ricerca e allo sviluppo sulle fonti rinnovabili e sull’efficienza energetica.

Fotovoltaico efficiente: migliorare le prestazioni dei parchi solari è possibile

La possibilità di arrivare quanto prima alla transizione energetica e di raggiungere la neutralità climatica passa dall’aumento sensibile dell’apporto di impianti di grandi dimensioni, ovvero i grandi parchi fotovoltaici.

Ma per produrre in modo significativo è necessario contare su un impianto fotovoltaico efficiente. Per migliorare le prestazioni di queste soluzioni è nato il progetto Solar Park 2.0 presso il KIT Battery Technical Center, in Germania. Il progetto, finanziato per lo più dal Ministero federale per gli Affari economici e l’Azione per il clima (con circa 2,5 milioni di euro), intende trovare soluzioni per fornire un’efficienza maggiore ai parchi solari. Più facilmente realizzabili in aree vaste, presenti in Cina, in India o negli Emirati Arabi, diventa più difficile costruirli in Paesi densamente popolati. Bisogna allora puntare su una loro maggiore efficienza. A questo scopo, i ricercatori coinvolti nel progetto Solar Park 2.0 sviluppano componenti e metodi elettronici, proprio per incrementare la potenza degli impianti fotovoltaici in condizioni critiche, come l’ombreggiamento, la sporcizia o l’invecchiamento e ottimizzarne la resa energetica.

Avviato a luglio, Solar Park 2.0, coordinato dal Karlsruhe Institute of Technology.

Il team di ricerca è consapevole che per utilizzare un modulo fotovoltaico con la massima efficienza esso deve lavorare vicino al suo punto di massima potenza (MPP), ossia il massimo rendimento possibile. Tuttavia, l’MPP cambia in base alla temperatura, alla posizione del sole e ad altri fattori. Per questo motivo, il funzionamento ottimale richiede una regolazione continua della tensione. A questo scopo vengono utilizzati ottimizzatori di potenza specializzati. Tuttavia, l’inseguimento del punto di massima potenza (Maximum Power Point Tracking – MPPT) nei circuiti convenzionali avviene principalmente nell’inverter centrale.

Nel progetto coordinato dal KIT viene applicato il circuito HiLEM (acronimo di High Efficiency Low Effort MPPT) brevettato dallo stesso istituto di ricerca. La combinazione di questo tipo di circuito con i nuovi ottimizzatori di potenza sviluppati congiuntamente dall’Università di Scienze Applicate di Karlsruhe e da alcune aziende tedesche consente di ottenere un MPPT simultaneo sia a livello di stringa che di modulo. Ciò aumenta il rendimento dell’impianto fotovoltaico, ma anche la sua durata. Allo stesso tempo, si riducono i costi di gestione.

Vita più lunga per i moduli fotovoltaici: la sostenibilità passa anche da qui

Anche negli Stati Uniti si lavora al fotovoltaico efficiente. Per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione del 2050, gli Stati Uniti dovranno installare un numero di moduli fotovoltaici fino a venti volte superiore a quello attuale. Ma non solo: servono moduli fotovoltaici a vita più lunga, perché così potrebbero ridurre la quantità di materiali e di produzione necessari.

Questo concetto è al centro di una nuova ricerca condotta dal NREL.

L’équipe di scienziati del National Renewable Energy Laboratory ha condotto un’analisi basata su come la durata di vita dei moduli fotovoltaici e i tassi di riciclaggio possano influenzare i flussi di materiali fotovoltaici fino al 2050 in una rete statunitense completamente decarbonizzata.

Per questo hanno preso in esame 336 scenari differenti, mettendone in evidenza due che rappresentano i limiti superiori e inferiori dei possibili approcci a un’economia circolare dei moduli fotovoltaici: in un primo caso ci sono i moduli con una durata di vita estesa di 50 anni e dall’altro sono presi in esame moduli a vita breve (15 anni di durata), con un alto tasso di riciclaggio a ciclo chiuso.

Da quanto emerge dai primi risultati della ricerca:

“Una maggiore durata dei moduli potrebbe ridurre la domanda di nuovi materiali del 3% rispetto allo scenario di base, riducendo la necessità di un’ulteriore diffusione del solare per raggiungere gli stessi obiettivi negli Stati Uniti. Poiché i moduli a vita breve richiedono altri 1,2 TW di moduli sostitutivi per mantenere la capacità di generazione fotovoltaica fino al 2050, devono raggiungere tassi di riciclaggio a ciclo chiuso del 95% o superiori per evitare di richiedere maggiori quantità di nuovi materiali rispetto allo scenario di base di 35 anni.”

Più nel dettaglio, gli autori hanno notato due tendenze significative. Primo: i moduli a lunga durata non solo riducono la domanda di nuovi materiali, ma offrono anche un periodo più lungo per sviluppare e implementare processi di riciclaggio o di rigenerazione a fine vita, dato che ci vorrà più tempo prima che vengano ritirati. Secondo: i moduli a vita breve devono raggiungere alti tassi di raccolta e di riciclo/rifabbricazione per evitare di consumare ulteriori nuovi materiali.

Una terza considerazione riguarda, invece, il vetro, principale componente (in termini di peso) degli attuali moduli fotovoltaici. Quando si sviluppano processi di riciclaggio o di rifabbricazione, sarà importante considerare il vetro fotovoltaico per garantire una fornitura costante di materiale di alta qualità oltre al silicio e ai metalli.

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