È consolidato il dato che indica il settore industriale come uno dei tre settori che maggiormente contribuiscono all’assorbimento di energia (RAEE 2020 – EXECUTIVE SUMMARY, ENEA, Ottobre 2020). Nei Paesi con maggior industrializzazione la quantità di energia assorbita dal settore industriale supera in taluni casi anche il 40% e le proiezioni a lungo termine mostrano che la produzione lorda delle attività industriali dovrebbe raddoppiare tra il 2018 e il 2050, con conseguente aumento del consumo energetico industriale. D’altro canto, il sistema industriale sta subendo crescenti pressioni per ridurre drasticamente l’impronta di carbonio a causa delle problematiche legate ai costi energetici e ai cambiamenti climatici.
In questo scenario la stessa comunità scientifica si è impegnata a trattare il tema dell’efficienza energetica provando a suggerire strategie di controllo efficiente dei sistemi di produzione attraverso lo sviluppo di modelli energetici, adottando, ad esempio, fermi macchina qualora inutilizzate o meglio ancora attraverso lo sviluppo di modelli adattivi che si allineano alla richiesta fluttuante del mercato razionalizzando così l’uso della fonte rinnovabile integrata al fine di raggiungere predeterminati target produttivi.
Se da un lato l’attenzione del modo della ricerca si è rivolta all’uso razionale delle fonti rinnovabili e alla loro integrazione con i sistemi produttivi, dall’altro il mondo della ricerca continua con lo studio di sistemi innovativi e più efficienti di produzione di energia da fonti rinnovabili e non. In quest’ultimo filone di ricerca si collocano gli studi che tendono a correlare l’aumento delle performance dei sistemi fotovoltaici al variare della temperatura delle celle o attraverso opportuni accorgimenti nel sistema di fabbricazione delle celle fotovoltaiche esplorando nuovi materiali e nuove procedure.
In particolare, uno dei maggiori limiti dei sistemi fotovoltaici è la bassa efficienza di conversione delle celle, fortemente influenzata anche dalla temperatura di esercizio delle stesse. All’aumentare della temperatura di cella corrisponde, infatti, una riduzione della tensione di massima potenza e di circuito aperto e, di conseguenza, una significativa diminuzione della potenza elettrica fornita. L’efficienza può essere migliorata ricorrendo a sistemi di raffreddamento che possono essere sia attivi che passivi.
Alcuni studi scientifici di carattere teorico e numerico (Spertino F. et al., Thermal-electrical model for Energy estimation of a water cooled photovoltaic module, Solar Energy, 2016, 133, 119-140) hanno mostrato come sia possibile aumentare l’efficienza e quindi la produzione di energia attraverso sistemi di raffreddamento attivo a liquido (PVFC, PhotoVoltaic Fluid Cooled).
In sistemi industriali energivori anche di piccola e media taglia, ove sono contestualmente richieste energia elettrica e termica a bassa temperatura per i processi di lavorazione e produzione, implementare un sistema di raffreddamento attivo di un impianto fotovoltaico opportunamente progettato potrebbe portare a non trascurabili risparmi energetici a fronte di un non esorbitante e certamente giustificato maggior investimento impiantistico ed impegno in termini di manutenzione. A titolo puramente esemplificativo, in figura è riportato l’andamento dell’energia elettrica prodotta in una località del Sud Italia facendo variare la portata di fluido refrigerante e mostra come in particolare nei mesi estivi e nei mesi primaverili ed autunnali si possono avere incrementi fino al 20%di produzione di energia elettrica. L’utilizzo dell’energia termica a bassa temperatura contestualmente prodotta è in grado di ridurre ulteriormente il fabbisogno di energia primaria dell’azienda.
Produzione di energia nei 12 mesi dell’anno. Latitudine 37°30’4″68 N.
Curva senza raffreddamento (rossa), con sistema attivo di raffreddamento e portata 30 l/h per modulo (curva blu) e 50 l/h per modulo (curva nera).
Tali sistemi potrebbero essere ottimizzati sia sulla base di dati climatici medi, o meglio ancora attraverso l’implementazione di sistema integrato di rilevazione in tempo reale dei dati. Si viene così a creare un vero e proprio sistema di controllo del tipo IoT in grado di ottimizzare in ogni istante il sistema grazie al calcolo in tempo reale dei parametri ottimali di funzionamento.
L’esempio proposto rientra nelle possibili tecnologie recentemente proposte per l’incremento dell’efficienza energetica dei sistemi di produzione di energia da fonte rinnovabile, ormai sempre più presenti nei nostri sistemi produttivi.
Nel campo del fotovoltaico tradizionale stanno inoltre prendendo piede moduli fotovoltaici bifacciali con celle presenti su entrambi i lati dei moduli e sistemi backcontact o half cut contact che aumentano l’efficienza dei moduli attraverso alcuni accorgimenti tecnologici durante i processi di fabbricazione delle celle.
La ricerca applicata nel settore fotovoltaico è in continuo fermento e si concentra anche su sistemi multistrato in grado di utilizzare una porzione dello spettro della radiazione solare più ampia e su materiali di natura organica (ad esempio quelli basati su polimeri e sostanze organiche che si attivano con l’interazione con i fotoni) caratterizzati dalla possibilità di essere installati in contesti nei quali il peso e la flessibilità dei convertitori fotovoltaici sono un requisito stringente.
In definitiva, il ruolo delle fonti rinnovabili nella transizione energetica sta assumendo un peso sempre più rilevante e gli sforzi si muovono nella direzione di incrementare l’efficienza di tali sistemi oltre che nella direzione dell’ottimizzazione del loro impiego. In tale ottica le smart grid e i sistemi di accumulo rappresentano una delle sfide tecnologiche del futuro e la proposta di comunità energetiche, alcune delle quali già attive in alcune località dell’Unione Europea (UE) e anche extra UE, si muove in questa direzione.
Articolo a cura di:
Prof. Antonio D’Angola
Scuola di Ingegneria – Università degli Studi della Basilicata