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Comunicare l'energia

5 Settembre 2017

Elettricitā e calore dal sole con il termofotovoltaico. Intervista a Giorgio Patruno

(Maria Antonietta Giffoni)

Da qualche anno č presente sul mercato una tecnologia innovativa che consente di produrre allo stesso tempo calore e elettricitā con il sole: si chiama termofotovoltaico o anche cogenerazione solare.

Ne parliamo con Giorgio Patruno, responsabile tecnico presso GDD Energy.

Signor Patruno, ci spiega come funziona questa nuova tecnologia?

I classici pannelli fotovoltaici assorbono l'energia del sole per creare elettricità. Ma quello che forse non si sa è che i sistemi fotovoltaici catturano circa il 15% dell'energia che ricevono dal sole. L'energia residua, per lo più sotto forma di calore, rimane inutilizzata e causa del surriscaldamento dell'impianto stesso.
L'idea semplice, ma potente, che sta dietro al sistema termofotovoltaico, è quella di catturare uno spettro molto più ampio di energia del sole e di poterla gestire all'interno delle abitazioni. In altri termini, questo sistema è in grado di generare contemporaneamente energia elettrica e termica attraverso un collettore posto sulla superficie posteriore dei moduli fotovolatici.
Attualmente sul mercato sono disponibili due tipologie di sistemi termofotovoltaici: quello di tipo integrato e quello applicabile a pannelli fotovoltaici già esistenti.
Il pannello termofotovoltaico di tipo integrato è costituito da un pannello fotovoltaico ed un collettore di alluminio applicato sul retro delle celle fotovoltiche, il quale trasferisce il calore in eccesso, generato dall'irraggiamento solare e dalla corrente prodotta dalle celle fotovoltaiche, a un sistema termico a circuito chiuso acqua/glicole.
Mentre il termofotovoltaico applicabile a impianti esistenti è un pannello in alluminio attraversato da canali di piccoli dimensioni, nei quali scorre del liquido con soluzione glicolata che permette la dissipazione e il recupero del calore.

Quindi, non si sottrae “energia solare” all’impianto fotovoltaico, determinando un calo delle sue prestazioni?

Assolutamente no. Al contrario, le prestazioni dell’impianto fotovoltaico possono aumentare. Perchè? Perchè all’aumentare della temperatura delle celle solari, la loro potenza diminuisce.
È noto, infatti, che la potenza di picco delle celle solari – e cioè la massima potenza che una cella riesce a generare – si raggiunge con un irraggiamento standardizzato equivalente a 1.000 Watt su metro quadro in condizioni nominali, cioè con pressione di 1 atmosfera e temperatura di 25 gradi centigradi (norme IEC/EN 60904).
Cosa succede se la temperatura va al di sopra dei 25 gradi definiti dalle STC (Standard Test Conditions)? Per valutare questo fenomeno è stato introdotto il coefficiente di temperatura, indicato nei dati di targa come "%/°C". Esso indica la percentuale di potenza che la cella perde per ogni grado di temperatura in più rispetto ai gradi indicati dalle condizioni standard di test.
Ora, è stato appurato che i pannelli fototovoltaici, in specie quelli su tetto, raggiungono temperature molto elevate - anche fino a 70 gradi centigradi nel sud Europa – con conseguente perdita delle prestazioni delle celle. A causa della elevata temperatura superficiale, i pannelli fotovoltaici arrivano, infatti, a perdere anche il 30% del rendimento durante i mesi estivi, a discapito della producibilità. Tutto questo calore, che non solo non viene utilizzato dai moduli fotovoltaici ma che incide negativamente sulle sue performance, può essere catturato dallo scambiatore di calore del sistema termofotovoltaico.
In particolare, EnergyBond – il modulo integrato progettato dalla GDD Energy – prevede l’applicazione sulla superficie posteriore delle celle fotovoltaiche di un pannello in alluminio e di un laminato biadesivo sigillati con un collante acrilico pressure sensitive, ad elevate performance. Il collante acrilico è additivato con nano particelle di grafene, per migliorare la conducibilità e la diffusività termica e consente di abbassare la temperatura delle stesse ad un valore il più possibile vicino alla temperatura di riferimento (25°C.) Questa condizione permette di avere il rendimento massimo delle celle fotovoltaiche, ricavandone la maggiore produzione elettrica possibile proprio nei mesi notoriamente più caldi, che sono anche i mesi con il maggiore irraggiamento solare. L’abbassamento della temperatura dei pannelli aumenta la resa elettrica di circa il 5% ogni 10°C.
La soluzione che scorre all’interno dello scambiatore è una soluzione glicolata composta da acqua e glicole monoetilenico ecologico e privo di ammine e nitriti.
La soluzione tecnica di EnergyBond si può interfacciare con qualunque impianto termico oggi esistente e offre tre opportunità:
1. la capacità di produrre acqua calda per le utenze domestiche;
2. l'accoppiamento con pompa di calore per il riscaldamento e gli usi sanitari;
3. la capacità di abbattere la temperatura di esercizio delle celle fotovoltaiche e quindi di aumentare la produzione di kWh annui.
Per gli impianti già esistenti, invece, la GDD Energy ha previsto la realizzazione di Retrofit, costituito da:
• un pannello in alluminio attraversato da canali di piccoli dimensioni, nei quali scorre del liquido con soluzione glicolata composta da acqua e glicole monoetilenico ecologico privo di ammine e nitriti,
• e da un laminato biadesivo sigillati con un collante acrilico pressure sensitive, con elevate performance.
Retrofit è compatibile con il 99% dei pannelli fotovoltaici esistenti: viene applicato direttamente sul retro dei pannelli e trasforma l’impianto fotovoltaico in un termofotovoltaico.

Come si può impiegare il calore prodotto dal collettore?

Tra le diverse applicazioni domestiche degli impianti termofotovoltaici, vale la pena descrivere le più promettenti:
acqua calda sanitaria: la produzione di acqua calda sanitaria avviene semplicemente installando un accumulatore termico e uno scambiatore di calore, in cui il liquido vettore, che raffredda il modulo fotovolatico, cede energia termica all’acqua sanitaria, prima che questa entri in caldaia.
acqua calda sanitaria e riscaldamento invernale: alla prima e basilare funzionalità è possibile aggiungere un impianto per il riscaldamento domestico degli ambienti, installando una pompa di calore. Questa assorbe energia elettrica dalla rete (o dall'impianto fotovoltaico), per trasferire calore da un ambiente freddo ad uno più caldo. Il fatto che la pompa di calore sia associata ad un modulo ibrido garantisce che sue le condizioni di lavoro non siano troppo sfavorevoli e quindi abbia un rendimento prossimo a quello ottimale. Se, al contrario, la pompa di calore fosse disgiunta da una fonte di calore, realizzerebbe rendimenti decisamente bassi in inverno e questo è il motivo per cui, generalmente, non si installano solo pompe di calore per il riscaldamento invernale.
acqua calda sanitaria, riscaldamento invernale e raffrescamento estivo: come ultima soluzione per gli usi domestici, citiamo la possibilità di ricorrere ad una pompa di calore ad assorbimento, che possa quindi operare d’inverno per il riscaldamento e d’estate per il raffrescamento domestico.
Insomma, con l'installazione di un impianto termofotovoltaico si ottiene una miglior performance dell'edificio in termini di efficienza energetica, aumentandone il rendimento e consentendo un risparmio energetico ed una riduzione dei costi di esercizio. Da riscontri su impianti già eseguiti, abbiamo riscontrato un notevole aumento della valutazione della prestazione energetica degli edifici.

Ci può dare un’idea delle maggiori prestazioni che si possono ottenere da un impianto termofotovolatico?

Una delle prestazioni maggiori di un impianto termofotovoltaico, sia integrato che non, è sicuramente la resa globale del pannello.
Il tasso di conversione di un pannello fotovoltaico in commercio è nell'ordine del 10-17% e il suo rendimento varia al variare della temperatura. Mentre il nostro pannello termofotovoltaico ha un rendimento energetico totale (ossia sommando il calore scambiato con il fluido alla conversione fotovoltaica) che supera normalmente il 45%, arrivando, in condizioni favorevoli, anche al 60-70%.
Il pannello termofotovoltaico, collegato ad una pompa di calore, offre rendimenti globali e riduzioni dell’energia consumata molto significativi, tipici degli impianti geotermici, con costi nettamente inferiori a quelli delle sonde posate nel terreno.
La pompa di calore, infatti, è una particolare macchina termica in grado di gestire una grande quantità di calore e renderlo disponibile alle utenze nelle forme e nelle condizioni conosciute e soprattutto interfacciabile con gli utilizzatori standard (bollitori, radiatori, impianti a bassa temperatura). Il termofotovoltaico, infatti, svolge la stessa funzione della sonda geotemica, raccogliendo il calore non dal terreno ma dal sole e dall’ambiente esterno (pioggia, vento, neve) e funzionando come uno scambiatore aria-acqua, anche in assenza di irraggiamento. Il posizionamento sul tetto degli edifici, ne permette un utilizzo semplice e poco invasivo.
Inoltre, i sistemi termofotovoltaici hanno bisogno di superfici, supporti e costi di installazione ridotti rispetto agli impianti fotovoltaici e agli impianti solari termici disgiunti.
Avendo a disposizione un impianto termofotovoltaico abbinato ad una pompa di calore si riducono notevolmente i consumi del gas, i costi del combustibile, si riducono le emissioni di CO2 e, abbinanando piastre ad induzione per la cottura dei cibi, si ottiene indipendenza energetica da combustili fossili.

Viste le maggiori performance, quanto incide sul ritorno dell’investimento la scelta di installare un termofotovoltaico invece di un impianto fotovoltaico e un impianto solare termico?

Facciamo un piccola, introduzione sui costi singoli e relativa resa: con un impianto solare fotovoltaico, a patto di avere sufficiente superficie disponibile, è possibile coprire circa 20 m2 per ottenere 3 kWp di potenza elettrica, pari alla potenza impegnata nella maggior parte delle abitazioni. Per il solare termico le dimensioni dell'impianto sono limitate dalla produzione termica: gli impianti termici devono coprire circa 1,5 m2 a persona, leggermente maggiorati per il termofotovoltaico che ha rendimenti di poco inferiori. Ma avendo la disponibilità di trasformare i 20 m2 del fotovoltaico in termofotovoltaico, il problema dello spazio si riduce notevolmente.
Nella tabella che segue, un po' di confronti tra costi e rendimenti:

  Solare termico Solare fotovoltaico Termofotovoltaico
Produzione termica annua [kWh/m2] 791 -
682
Costi indicativi dei singoli impianti a m2 € 800 + iva € 350/400 + iva € 850 + iva

Inoltre, il ROI (Return On  Investment - Ritorno sugli investimenti) di un sistema termofotovoltaico è nettamente migliore di uno fotovoltaico: parliamo di un rientro economico sull'investimento in 4–5 anni per il termofotovoltaico, contro i 7–8 anni del fotovolaico; per non parlare del solare termico, in cui i tempi si allungano ancora.

Il termofotovoltaico può beneficiare delle detrazioni fiscali del 50%, così come il fotovoltaico?

Sì, il termofotovoltaico può accedere alle detrazioni fiscali del 50% per la parte fotovoltaica. Ma non solo, esso può accedere anche alle detrazioni del 65% per la parte idraulica. Mi spiego meglio: nella valutazione dei costi di impianti e dispositivi che comprendono un pannello termofotovoltaico integrato, occorre considerare quanto segue:
• alcuni costi appartengono completamente alla parte fotovoltaica dell’impianto o della fornitura, come ad esempio inverter, cavi, oneri per la redazione della pratica GSE ecc;
• altri costi appartengono totalmente alla parte termoidraulica dell’impianto o della fornitura: tubi, bollitori, pompa di ricircolo, pompa di calore ecc.;
• altri ancora sono, invece, relativi alle parti in comune ai due impianti: pannelli ibridi, strutture di sostegno, mano d'opera di installazione dei pannelli, mano d’opera di installazione strutture, oneri per la sicurezza, ecc.

Sulla base di queste considerazioni, il contribuente potrà detrarre:
• il 50% dei costi che appartengono alla parte fotovoltaica;
• il 65% dei costi che appartengono alla parte termoidraulica;
• il 65% dei costi relativi alla parte comune ai due impianti.

Nella valutazione dei costi di impianti e dispositivi che comprendono il pannello applicabile agli impianti esistenti, i costi appartengono totalmente alla parte termoidraulica e il contribuente potrà detrarre il 65% dei costi.

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