Termofotovoltaico - La Bottega dell'Energia

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Energie rinnovabili
Impianti termofotovoltaici

La continua ricerca scientifica e tecnologica nell’ambito dell’efficienza energetica degli edifici ha portato, già all’inizio del millennio, alla realizzazione e produzione di particolari sistemi, detti comunemente "sistemi termofotovoltaici" o "sistemi ibridi".

Si tratta, in pratica, di impianti in grado di integrare la produzione di energia elettrica e di energia termica (calore), ricavando entrambe a partire all'irraggiamento solare.

Cosa sono?

In sostanza, si tratta di sistemi impiantistici che, sfruttando l’irraggiamento solare, consentono la produzione contemporanea di energia elettrica e termica. Riportiamo qui sotto un esempio commerciale di un pannello termofotovoltaico:



Il mercato di tali sistemi sta diventando sempre più importante, anche in Italia, grazie ad una concomitanza di molteplici fattori. Innanzitutto una forte esigenza di ottimizzare lo spazio a disposizione, di modo da poter soddisfare le imposizioni di Legge sulle quote di energie rinnovabili per gli edifici e, contemporaneamente, garantire il soddisfacimento delle esigenze "green" degli utenti. Inoltre la possibilità della "doppia incentivazione" dei sistemi termofotovoltaici: essi possono infatti rilevarsi interessanti per gli utenti, specie nell’ambito residenziale, in quanto consentono di fruire delle attuali detrazioni al 50% per le ristrutturazioni edilizie (per la parte fotovoltaica) e del 65% per il risparmio energetico (per la parte termica). Non va infine scordato il minore impatto estetico che i moduli di un sistema termofotovoltaico possono avere rispetto all’installazione promiscua di un fotovoltaico e di un solare termico.

Un sistema termofotovoltaico è, in sostanza, un impianto in grado di produrre energia elettrica e calore a partire dalla stessa fonte energetica rinnovabile, ossia l’energia solare. Esistono differenti soluzioni tecnologiche già commercializzate, tutte riconducibili ad uno schema di base.

Le celle fotovoltaiche, solitamente in silicio monocristallino, vengono montate su un’apposita piastra, in genere realizzata in alluminio, che funge, oltre che da supporto meccanico, anche da scambiatore di calore.

L’energia elettrica viene prelevata dalle celle fotovoltaiche esattamente come per un sistema fotovoltaico tradizionale, mentre lo scambiatore di calore consente il riscaldamento di un opportuno fluido termovettore (acqua glicolata o aria), mediante il quale si può, ad esempio, integrare un sistema di produzione dell’acqua calda sanitaria e/o di energia termica per il riscaldamento di un sistema edificio-impianti.
Rappresentiamo qui sotto le due differenti tipologie impiantistiche:




Come sono fatti?

La modellistica di un sistema termofotovoltaico non è semplice. Essa coinvolge infatti almeno tre distinti modelli, l’uno relativo alla parte elettrica (fotovoltaica), il secondo alla parte ottica, l’ultimo alla parte termica. Formalmente il modello sarebbe unico: si tratterebbe in tal caso di rappresentare il sistema con un insieme di equazioni accoppiate, le quali darebbero luogo ad un sistema non lineare di ben difficile risoluzione.

Nella letteratura scientifica internazionale sono stati presentati molti modelli di questo tipo, ciascuno accompagnato da uno o più algoritmi numerici che ne consentono la risoluzione in modo più o meno approssimato. Modelli di questo tipo sono irrinunciabili per i produttori dei pannelli termofotovoltaici, in quanto ne consentono il corretto dimensionamento. Risultano però di scarsa – se non nulla – utilità sia per il progettista sia, a maggior ragione, per il consulente energetico che, probabilmente, sarà interessato ad inserire il sistema termofotovoltaico in un più ampio progetto di interventi per l’efficienza e/o la riqualificazione energetica.

Per questi motivi consideriamo soltanto un modello estremamente semplificato, che risulta però utile per la comprensione di base dei pannelli termofotovoltaici e per alcune considerazioni riguardanti la loro effettiva efficienza di trasformazione. Riferiamoci dunque al seguente modello:



In esso sono presenti le varie parti che compongono la "sezione ricevente" di un sistema termofotovoltaico, ossia, sostanzialmente, la parte che costituisce i moduli. Esse sono:

  • L’emettitore: si tratta dell’apparecchio in grado di ricevere energia termica (calore) dalla sorgente (nel nostro caso si tratta dell’irraggiamento solare) e di trasmetterlo alle sezioni immediatamente successive, in base alla propria temperatura di lavoro ed alle proprie proprietà ottiche. Esistono differenti tipi di emettitore, fra i quali si possono annoverare quelli a corpo grigio e quello selettivo, che sono i due maggiormente utilizzati allo stato attuale della tecnologia

  • Un filtro, che consente di controllare il flusso di energia in uscita dall’emettitore e destinato a giungere alle celle fotovoltaiche immediatamente successive. Si tratta di un filtro ottico che, nel caso dei sistemi termofotovoltaici, per poter funzionare correttamente deve essere caratterizzato da un basso coefficiente di assorbimento e da un alto coefficiente di trasmissione nell’intervallo di frequenze in cui l’energia dei fotoni risulta maggiore di quella di gap delle celle fotovoltaiche e da un alto coefficiente di riflessione al di fuori di tale intervallo. Tipi di filtri comunemente impiegati sono quelli interferenziali, al plasma, risonanti ed al plasma-inteferenziali

  • Le celle fotovoltaiche: allo stato attuale pare che le celle utilizzate non abbiamo caratteristiche così tanto differenti da quelle impiegate nei moduli tradizionali tali da poterle considerare come "dedicate" ai sistemi termofotovoltaici. Nella maggior parte dei casi i produttori preferiscono utilizzare celle fotovoltaiche in silicio monocristallino
  • Il retro riflettore: viene installato nella parte inferiore delle celle fotovoltaiche e serve per migliorare l’efficienza elettrica del sistema. Si tratta di superfici caratterizzate da un elevato coefficiente di riflessione, che rinviano verso l’emettitore i fotoni non assorbiti dalle celle fotovoltaiche
  • Un sistema di rimozione del calore: è il sistema mediante il quale il calore viene asportato dalle celle (migliorandone l’efficienza di funzionamento) ed impiegato, solitamente per mezzo di un fluido termovettore costituito da acqua e glicole, per cedere energia termica attraverso uno scambiatore di calore


In base a tale modello, è possibile rappresentare la seguente espressione per il rendimento energetico complessivo:



nella quale compaiono i seguenti termini:

  • QIN: potenza termica totale incidente sul collettore, data dall’irraggiamento solare moltiplicato per l’apertura della superficie del collettore stesso

  • QE: perdite di potenza termica dovute all’emettitore

  • QS: perdite di potenza termica fra i componenti del sistema

  • QF: perdite di potenza termica dovute al filtro

  • QC: perdite di potenza termica dovute alle celle fotovoltaiche

  • ηEL: rendimento elettrico del sistema termofotovoltaico

  • ηT: rendimento termico del sistema termofotovoltaico

  • ηO : efficienza ottica del sistema termofotovoltaico


Come già specificato in precedenza, il modello presentato e l’espressione ricavata per il rendimento complessivo sono utili semplicemente per "farsi un’idea" riguardo alle prestazioni di un particolare sistema termofotovoltaico.

Pregi e difetti

Il maggiore ed innegabile pregio di un sistema termofotovoltaico sta nello sfruttamento dello spazio a disposizione: volendo produrre sia energia elettrica che calore sfruttando l’energia solare e non avendo spazio a sufficienza per installare sia collettori solari che moduli fotovoltaici, l’utilizzo di pannelli termofotovoltaici può essere un’ottima alternativa.

Nei moduli fotovoltaici tradizionali l’aumento della temperatura ambiente – e quindi di quella delle celle – costituisce sempre un problema non trascurabile: con più questa cresce, con meno le celle producono energia elettrica, a parità di irraggiamento solare e delle altre condizioni ambientali (quali: temperatura ambiente, umidità, velocità del vento, ecc.). Nei moduli termofotovoltaici l’aumento di temperatura viene invece sfruttato per produrre calore, raffreddando così le celle fotovoltaiche. Il risultato è che, a parità di tutte le condizioni di installazione (superficie occupata compresa), un modulo termofotovoltaico produce più energia elettrica di un modulo fotovoltaico.

Al contrario, per quanto riguarda la parte termica, un modulo termofotovoltaico è ben difficile che riesca a produrre più energia termica di quanto possa produrne un collettore solare termico "tradizionale". Infatti, pur con tutte le ottimizzazioni implementate dalle case produttrici, un modulo termofotovoltaico rimane principalmente dedicato alla produzione di energia elettrica: la produzione di calore costituisce, di fatto, un effetto "secondario", ben sfruttato se il modulo è costruito a regola d’arte, ma che comunque non costituisce certo lo scopo tecnologico principale del modulo stesso.

Ciò non significa che i rendimenti dei sistemi termofotovoltaici siano "bassi", tutt’altro: l’efficienza complessiva (termica più elettrica) risulta, in alcuni casi, significativamente elevata. Inoltre la producibilità annua sia dell’energia elettrica che di calore sono, generalmente, maggiori di quelle che si avrebbero con i due singoli sistemi
Quanto all’aspetto finanziario, riportiamo, a titolo di esempio, un confronto tra i tre tipi di sistema. Riferiamoci alla seguente tabella:



La località in questione è Roma ed i moduli sono installati con un inclinazione rispetto al Sud (angolo di azimut) di 0° ed un’inclinazione rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) di 30°. Nella stessa tabella riportiamo anche i costi al kWh (IVA esclusa) ed il pay-back time (ossia il tempo di rientro dell'investimento) delle tre soluzioni, a prescindere dall’adozione del meccanismo delle detrazioni fiscali. Come si nota, anche per quest’ultimo aspetto i sistemi termofotovoltaici possono risultare molto interessanti, presentando tempi di rientro dell’investimento in genere inferiori a quelli dei due singoli sistemi  (fotovoltaico e solare termico). Inoltre, come è facilmente intuibile, il costo del termofotovoltaico risulta inferiore alla somma del costo dovuto all’installazione contemporanea dei due sistemi singoli, grazie alla possibilità di "accorpare" i costi di progettazione ed installazione.

Il maggior difetto da considerare per i sistemi termofotovoltaici è dovuto alla necessità che il progettista venga affiancato da un consulente energetico esperto ed in grado di valutare con il necessario dettaglio le esigenze energetiche dell’utente, di modo da poter dimensionare ad hoc l’intero impianto ibrido. In caso contrario, data la maggior complessità della progettazione, si correrebbe il rischio di dimensionare ed installare un sistema con un "alto" rendimento, ma non in grado di adattarsi ai profili di consumo elettrico e termico dell’utenza.


Da ultimo è da ricordare che la commercializzazione della tecnologia termofotovoltaica è ancora abbastanza "immatura". La scelta del corretto, efficiente ed efficace sistema non è semplice e per effettuarla è consigliabile evitare il "fai da te" e rivolgersi ad un buon consulente energetico.

 
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