HCPV: il solare che cresce, di generazione in generazione

Innovazione e Ricerca
19 Febbraio 2014

di Roberta Campesato,  CESI


Il 16 aprile 1954, il New York Times apre con un titolo curioso: "Una potenza enorme verrà fornita da una batteria che usa l'ingrediente principale della sabbia". L’articolo racconta nel dettaglio la scoperta di Chapin, Fuller e Pearson: gli scienziati dei Bell Telephone Laboratories erano riusciti a realizzare un dispositivo in grado di convertire il 6% della luce solare in energia elettrica. È il primo dispositivo fotovoltaico e usa come materia prima il silicio cristallino. La notizia viene accolta come l’inizio di una nuova era di grandi promesse.

I costi elevati e la difficoltà di ottenere rendimenti significativi, però, limitarono a lungo l’utilizzo delle celle di prima generazione alle sole applicazioni spaziali. Lì, nello spazio, dove il rapporto tra energia prodotta e peso era più favorevole, il fotovoltaico si impose rapidamente: ancora oggi è la fonte energetica di eccellenza per la produzione di energia per i servizi di bordo all’interno delle navicelle spaziali. Furono, invece, gli eventi degli anni Settanta  - a partire dall’embargo petrolifero del 1973 -  a costringere ricercatori e industrie di tutto il mondo a un maggiore impegno per mettere a punto una tecnologia fotovoltaica in grado di dare buoni risultati anche in applicazioni terrestri. La prima generazione di celle solari nasce con il favore delle stelle, ma sulla terra i progressi sono lenti.

 

Ancora oggi, le celle a silicio cristallino rappresentano l’80% del mercato fotovoltaico mondiale. Quarant’anni di storia qualche garanzia la danno e gli investitori tendono a preferire rendimenti sicuri, ma oggi questa tecnologia ha raggiunto i suoi limiti tecnologici e di fatto il suo sviluppo è legato solo alla possibilità di ridurre drasticamente i costi di produzione.

 

La “seconda generazione” , basata sulla soluzione tecnologica del film sottile, permette di ridurre il costo di produzione dei moduli, ma non ne migliora l’efficienza, anzi. Se le celle fotovoltaiche al silicio cristallino commerciali raggiungono oggi un’efficienza di conversione fino al 20%, per le celle solari a film sottile ci si attesta intorno al 12 - 14%.

È invece la terza generazione di celle quella che potrà, si spera, consentire finalmente alla tecnologia fotovoltaica di fare un vero e proprio balzo in avanti, consentendo un radicamento e una diffusione significativi grazie all’aumento di efficienza di conversione.

 

Un salto in avanti

L’idea alla base dei dispositivi di nuova generazione è nota già dagli anni ‘60 e consiste nella realizzazione di strutture composte da più celle elementari, ciascuna delle quali ottimizzata a convertire una porzione ben definita di spettro solare. Queste diverse celle vengono “impilate” una sull’altra.

Sebbene il principio sia noto da lungo tempo, per la sua implementazione sono stati necessari oltre

quarant’anni di sviluppo tecnologico e di ricerca di base. Ciò che ha permesso di realizzare fisicamente

questi dispositivi, a partire dalla metà degli anni ‘90, è stata la disponibilità a livello industriale d’impianti di crescita epitassiale da sorgenti metallorganiche (Metal Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD), in grado di permettere un vero e proprio “bandgap engineering” sui materiali che costituiscono il dispositivo. In altre parole, questa tecnica ha reso possibile attuare un controllo accurato, addirittura a livello di strati atomici, della qualità cristallina dei materiali.

In ambiente aerospaziale, l’utilizzo di queste nuove celle è ormai consolidato ed ha di fatto soppiantato la prima generazione. In ambito terrestre, la sua applicazione deve passare forzatamente attraverso la tecnica della concentrazione della radiazione solare (HCPV - High Concentration Photo- Voltaics).
In altre parole, la concentrazione della luce tramite lenti o specchi rende possibile la produzione della stessa energia da una minore superficie di celle multigiunzione. Queste ultime, abbinate alla tecnica della concentrazione della radiazione solare, offrono la possibilità di raggiungere efficienze ben al di sopra del 40%.

 

 

Come funziona un sistema HCPV
La cella solare è certamente il cuore del sistema HCPV, in quanto la sua efficienza di conversione determina in massima parte le prestazioni dell’intero sistema e, in ultima analisi, il costo dell’energia prodotta. Tuttavia, gli ingredienti che connotano un sistema fotovoltaico HCPV completo sono innumerevoli. Come si è detto, l’insieme di un certo numero di celle/ricevitori HCPV abbinati ad un’ottica focalizzante (lente o specchio) costituisce un modulo HCPV. Più moduli collegati tra loro vanno a costituire il piano dei moduli, che viene montato sul sistema d’inseguimento biassiale (tracker), indispensabile per permettere l’allineamento dell’asse ottico del piano con il sole.

Da un punto di vista tecnologico, il sistema d’inseguimento biassiale è l’aspetto più delicato dell’impianto HCPV. Poiché i sistemi ottici montati sui ricevitori possono concentrare solo la luce diretta (Direct Normal Irradiation - DNI), hanno bisogno di un puntamento tanto più accurato della sorgente solare quanto maggiore è il fattore di concentrazione per cui il sistema è progettato.

 

A fronte di una maggiore complessità, rispetto a un sistema di prima o seconda generazione, la tecnologia HCPV presenta diversi importanti vantaggi.

Per le sue caratteristiche, l’HCPV appare la migliore tecnologia fotovoltaica per le aree del globo a elevato irraggiamento/ temperatura: la potenza generata (e quindi l’energia prodotta) è immediatamente correlabile all’intensità dell’irraggiamento diretto; questa potenza è, poi, poco influenzabile dalle alte temperature, tipiche delle ore a irraggiamento massimo.

Le celle multigiunzione, abbinate alla tecnologia HCPV, rappresentano l’alleato tecnologico migliore per sviluppare progetti internazionali, che puntino allo sfruttamento dell’energia solare in Nord Africa, in Medio Oriente e al trasferimento dell’energia elettrica prodotta nelle aree a più alta intensità di consumo.

La modularità del sistema, inoltre, rende semplice e rapida la realizzazione degli impianti di produzione, che possono essere assemblati e scalati, secondo le necessità.

 

Ridurre i costi, aumentare l’efficienza

Secondo l’ultimo Solar Energy Report, pubblicato lo scorso aprile 2013 dal MIP, il costo “chiavi in mano” di un impianto fotovoltaico ad alta concentrazione (HCPV) raggiunge ancora valori alti seppur già competitivi nelle zone appunto ad alto irraggiamento.
Ridurre i costi e migliorare le performance di sistema sono gli obiettivi cui deve guardare oggi l’innovazione tecnologica nel settore per rendere il sistema HCPV altamente competitivo, non tanto con le altre tecnologie fotovoltaiche, bensì con le altre fonti energetiche, rinnovabili e non.  Gli studi di settore disponibili ritengono che sia possibile raggiungere una riduzione del costo complessivo dei sistemi HCPV a circa il 50% del valore 2012.

Per il successo della tecnologia HCPV, c’è ancora un aspetto che occorre tenere in considerazione:

la sua bancabilità, ossia la possibilità per gli investitori di accedere a prestiti di capitali presso le banche per la realizzazione degli impianti. L’apporto delle banche riveste un ruolo centrale nella diffusione di ogni nuova tecnologia, in particolare quando si tratti di tecnologie il cui naturale ambito d’impiego siano gli impianti di grande taglia, per i quali è necessario prevedere investimenti corposi.

 

Il ruolo del sistema bancario

Se il fotovoltaico avrà o meno delle reali possibilità di competere sul mercato energetico dipende, in gran parte, dalla capacità della ricerca scientifica di trasformare in concrete realtà le potenzialità che questa tecnologia sembra in grado di esprimere.

È una tecnologia giovane sulla quale ci sono ancora pochi dati di medio-lungo termine e un vuoto normativo che solo negli ultimi anni si sta cercando di colmare. Il futuro del solare ad alta concentrazione, in ultima analisi, dipenderà dal gradimento del sistema bancario e finanziario. Quanto più rapidamente sarà affrontato e risolto il puzzle della bancabilità della tecnologia, tanto prima si potranno vedere gli effetti in termini di quote di mercato.

 

Questo articolo è tratto da Energy Journal, n. 2

Condividi: