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Fotovoltaico emergente

Fotovoltaico Emergente

Fotovoltaico Emergente: tecnologie di un futuro alle porte

Di recente, è stato pubblicato un report sostenuto dalla National Science Foundation degli USA, da centri di ricerca ed altri dipartimenti statunitensi. Questo rapporto, pubblicato sul Journal of Photonics for Energy, fotografa lo stato dell’arte del cosiddetto Fotovoltaico Emergente. Questo termine si riferisce alle tecnologie destinate al fotovoltaico già sviluppate e in fase di test o da sviluppare nel prossimo futuro, in grado di rendere questa fonte rinnovabile sempre più efficiente e sostenibile.

Il report, cui hanno contribuito 41 esperti del settore a livello mondiale, approfondisce numerose soluzioni, in particolare per la gestione del fine vita, evidenziando le varie possibilità offerte dall’energia solare.

Il settore Fotovoltaico, negli ultimi anni, si è sviluppato fino a trasformarsi in una fonte energetica significativa, tanto da contribuire al 4,5% dell’energia elettrica generata a livello globale. Per comprendere la portata della crescita relativa al fotovoltaico, è sufficiente sapere che nel 2023 tre quarti della quantità complessiva di capacità energetica aggiunta da fonti rinnovabili provengono dal fotovoltaico. Rispetto al 2022, lo scorso anno questa quantità aggiunta è salita del 50%. Questi dati sono stati riportati dall’Agenzia Internazionale dell’Energia nel rapporto Renewables 2023. Nonostante i grandi passi compiuti, come ha sottolineato la stessa IEA, per mitigare gli impatti delle emissioni globali di gas serra, tanto il fotovoltaico quanto le altre fonti rinnovabili devono crescere ulteriormente. In particolare, l’energia solare da fotovoltaico deve aumentare del 25% ogni anno per raggiungere, entro il 2050, un target di 75 TW di installazioni globali.

Considerando gli ambiziosi obiettivi, non basta limitarsi all’utilizzo di tecnologie al silicio consolidate, ma bisogna progettare, sviluppare e testare nuove soluzioni come fotovoltaico organico, perovskite, film sottile e le cosiddette celle di Graeztel.

Approfondiamo questo report andando a scoprire quali sono le tecnologie del prossimo futuro.

Fotovoltaico Emergente: dal silicio bifacciale alle celle di Graetzel

Il target a lungo termine previsto per il fotovoltaico richiede nuove soluzioni tecnologiche. Attualmente, prevalgono tecnologie al silicio ma, in futuro, ci sarà un estremo bisogno di nuovi materiali, strategie e dispositivi da mettere a punto, soluzioni più scalabili per potenziare l’efficienza in virtù di un settore fotovoltaico ancora più sostenibile.

Il report pubblicato sul Journal of Photonics for Energy ha inizio con la trattazione delle tecnologie consolidate concentrandosi su quella basata sul silicio bifacciale utilizzata negli impianti fotovoltaici di tipo commerciale. Questa tecnologia garantisce performance molto più elevate ed un costo ridotto rispetto al fotovoltaico monofacciale tradizionale.

Una tecnologia, in particolare, sembra destinata ad essere protagonista anche nel prossimo futuro: la BISOL Bifacial. Utilizza pannelli solari bifacciali che presentano un numero standard di celle ad alta potenza abbinate al backsheet trasparente. Ottimizzano il guadagno bifacciale perché la luce le attraversa più facilmente.

Sulla base del report ITRPV le celle bifacciali rappresenteranno il 90% degli impianti al silicio complessivi, entro il 2033.

Anche il silicio nero (o nanostrutturato) risulta essere una buona alternativa per ridurre al minimo le dispersioni ottiche negli impianti fotovoltaici.

Il report cita come alternativa promettente anche il fotovoltaico a film sottile nelle due tecnologie CIGS e CdTe (thin film più estesa).

Ad oggi, non sono ancora stati commercializzati impianti fotovoltaici con perovskiti ma gran parte dei report su questo tema ritengono che verranno sviluppati in meno di 10 anni, anche combinandoli con altri materiali.

Nella prima parte del report, si segnalano altre due tecnologie promettenti da applicare agli impianti fotovoltaici: le celle di Graetzel e il fotovoltaico organico. Si tratta di due tecnologie in via di sviluppo, da mettere a punto in laboratorio.

Le celle di Graetzel (DSSC, celle sensibilizzate con coloranti) sono ritenute particolarmente interessanti per due buoni motivi: sono economiche e di elevata efficienza di conversione.

Il fotovoltaico organico ha fatto progressi dimostrando un’efficienza di conversione di potenza del 20%.

Fotovoltaico: tecnologie di un futuro alle porte

In futuro, le tecnologie di Fotovoltaico Emergente che hanno maggiormente interessato gli autori del report statunitense riguardano, innanzitutto, la raccolta di luce ambientale legata allo IoT (Internet of Things), alle potenzialità associate ad una maggiore diffusione di dispositivi IoT. Il sito tedesco di statistica economica e statale Statista ha previsto, in merito, che entro il 2030 ci saranno circa 29 miliardi di dispositivi IoT nel mondo contro i 15 miliardi del 2020.

Per una raccolta di luce ambientale efficiente, i materiali più promettenti per gli impianti fotovoltaici restano il silicio amorfo, il fotovoltaico organico, le perovskiti agli alogenuri e le celle di Graetzel. In particolare, le perovskiti e il fotovoltaico organico sono i due favoriti in termini di commercializzazione per flessibilità, leggerezza, processabilità di soluzione su un’ampia area.

Nel campo del fotovoltaico indoor, secondo gli autori del report occorre superare certi ostacoli. La vera sfida è la standardizzazione: ad oggi, il campo non dispone di un’illuminazione standardizzata. Se pensiamo ai diversi gradi di illuminazione interna (da 200 a 1500 lux), ai LED bianchi ed alle lampade fluorescenti, lavorare su uno standard non è semplice. In più, c’è ancora da formulare i protocolli di test di stabilità su cui sperimentare.

Nel prossimo futuro, probabilmente la ricerca sul fotovoltaico indoor punterà sulla massimizzazione dell’efficienza di conversione della potenza. Come specificato nel report, i laboratori si concentreranno soprattutto sullo sviluppo di protocolli di stabilità, sull’integrazione con sistemi di accumulo dell’energia rinnovabile e sulla loro realizzazione in applicazioni IoT.

Agrivoltaico e Fotovoltaico Emergente per applicazioni spaziali

Il report americano non ha tralasciato di certo il settore Agrivoltaico. Oggi, gran parte dei sistemi agrivoltaici è basata sull’uso di celle solari al silicio, la cui installazione richiede un maggior impegno rispetto agli impianti tradizionali. Tuttavia, sono già stati presentati i primi progetti per l’uso di celle al fotovoltaico organico.

Il rapporto ha accennato anche al fotovoltaico per applicazioni spaziali. Specifiche tecnologie emergenti potrebbero ridurre in modo significativo i costi del mercato spaziale destinato a crescere non poco. Secondo quanto riporta lo United States Government Accountability Office, entro il 2030 si dovrebbe passare a 58mila satelliti attivi in orbita contro i 5.500 del 2022.

Fotovoltaico: tecnologie sempre più avanzate al servizio della sostenibilità

L’impatto ambientale e la sostenibilità del fotovoltaico è un tema prioritario e, nel report, si sottolinea questo aspetto fondamentale per lo sviluppo tecnologico del settore. Per rendere sempre più sostenibile il Fotovoltaico Emergente, occorre valutare sia eventuali problemi da risolvere sia potenziali vantaggi considerando ogni fase del settore, dall’estrazione delle materie prime alla gestione della fine del ciclo vita.

Gli autori del report sottolineano che, in vista delle nuove installazioni e dello smantellamento dei vecchi moduli, bisogna ridurre al minimo l’impatto ambientale sia in termini di produzione che di pianificazione del riciclaggio e della gestione dei rifiuti a livello mondiale. Le due fasi su cui concentrarsi sono la produzione fotovoltaica e il fine vita.

La Cina rappresenta oltre l’80% della produzione fotovoltaica mondiale. Secondo il ragionamento degli autori, la produzione negli USA dovrebbe registrare un’impronta di carbonio inferiore rispetto alla Cina ma tendenzialmente la differenza si riduce per via della decarbonizzazione della rete in entrambi i Paesi.

Anche la gestione del fine vita è un aspetto essenziale per l’impatto ambientale ed è particolarmente richiesta in certi Stati degli USA e in Europa. Tuttavia, la questione è globale ed è necessario fare maggiori sforzi per assicurare che i rifiuti fotovoltaici vengano regolarmente e correttamente riciclati. Se l’unica opzione resta lo smaltimento in discarica, occorre trovare il sistema per ridurre al minimo gli impatti ambientali.

L’obiettivo primario a lungo termine per la sostenibilità è integrare i principi dell’economia circolare al fotovoltaico.

Francesco Ciano

Francesco CIANO

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