Cos’è l’energia solare, quali sono i suoi vantaggi e svantaggi

Il sole rappresenta la principale fonte di energia rinnovabile presente sul nostro pianeta. Insieme all’energia eolica (ottenuta dal vento), idroelettrica (proveniente dall’acqua), geotermica (prodotta dal calore della terra) e da biomasse (generata attraverso sostanze di origine biologica, vegetale o animale) l’energia solare viene considerata pulita che non inquina, non usa combustibili fossili e non si esaurisce. Oggi le sue applicazioni sono molteplici, a partire ad esempio nella produzione di energia elettrica, tramite il fotovoltaico. Scopriamo insieme quali sono i suoi principali utilizzi, perché conviene e quali sfide pone nell’ambito della transizione energetica in evoluzione. 

Cos'è l'energia solare

L'energia solare è la forma di energia rinnovabile per antonomasia ottenuta direttamente dalla luce e dal calore dei raggi del sole. Come tutte le energie rinnovabili è inesauribile e completamente green, è la fonte primaria di energia sulla Terra e consente la sopravvivenza di tutte le specie viventi: senza, la vita non esisterebbe. Nell’ambito della transizione energetica e del processo di decarbonizzazione in atto, vale a dire il passaggio progressivo dall’uso di combustibili fossili a fonti di energia pulita e rinnovabile con la conseguente riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2), l’energia solare gioca un ruolo cruciale; oggi ad esempio è la principale alleata nella produzione di elettricità (attraverso i pannelli fotovoltaici) e calore (tramite pannelli solari). 

Come funziona l'energia solare: principali applicazioni

L'energia irradiata dal Sole sulla Terra ovvero la quantità di radiazione solare che raggiunge una superficie in un preciso intervallo di tempo (in genere un giorno), nota come costante solare, è di circa 1,4 kW per metro quadrato (kW/m²). Sebbene questa quantità di energia sia, in linea teorica, sufficiente a soddisfare ampiamente il fabbisogno energetico mondiale, le attuali tecnologie di conversione non riescono a catturare tutta questa energia in modo efficiente. Inoltre, la capacità di accumulo dell'energia e le infrastrutture di distribuzione non sono ancora abbastanza sviluppate per garantire un utilizzo continuo e su larga scala. Di conseguenza, sfruttare completamente il potenziale dell'energia solare richiede ulteriori progressi tecnologici. L’energia solare oggi può essere sfruttata per produrre energia elettrica o termica, ma le tecnologie utilizzate per trasformarla in elettricità o calore sono diverse.  

• Solare fotovoltaico. Alla base della produzione di energia fotovoltaica, cioè la trasformazione dei raggi solari in elettricità, c’è il concetto di effetto fotovoltaico, ovvero la capacità di alcuni materiali di generare energia elettrica se colpiti dai raggi del sole.  L’impianto che sfrutta questo meccanismo è caratterizzato dai pannelli fotovoltaici (collocati in genere sui tetti degli edifici) che a loro volta sono composti da una serie di celle solari, (sottilissime lastre di materiale sensibile alla luce), come ad esempio il silicio. Quando i raggi del sole colpiscono la superficie delle celle, parte della radiazione solare viene catturata e convertita in elettricità. Ma c’è un altro elemento fondamentale, l’inverter, che serve a trasformare la corrente elettrica continua generata dai pannelli in corrente alternata, quella comunemente utilizzata nelle nostre case. 
• Solare termico. In questo caso l’impianto produrrà energia solare termica, usata cioè per riscaldare gli ambienti o per produrre l’acqua calda sanitaria delle nostre abitazioni. L’elemento principale di un impianto solare termico è il collettore solare, vale a dire un dispositivo che usa i raggi solari per riscaldare il fluido che scorre all’interno dei suoi tubi; il calore prodotto viene così trasportato fino alle zone desiderate. Il solare termico è tra le tecnologie più usate negli impianti di riscaldamento di ultima generazione.
• Solare termodinamico. Gli impianti termodinamici o a concentrazione combinano il solare termico con un meccanismo simile a quello di una pompa di calore un dispositivo che per riscaldare l'interno di una casa utilizza il calore dell'ambiente esterno. Quando i raggi solari colpiscono i pannelli dell’impianto termico, il liquido refrigerante contenuto al loro interno evapora. Come succede con le pompe di calore, un compressore comprime il gas generato, la temperatura aumenta e l’acqua viene riscaldata. Successivamente tramite un procedimento inverso, la temperatura si riduce e il gas torna allo stato liquido e il ciclo riparte. 

I vantaggi dell'energia solare

I vantaggi derivanti dall’utilizzo dell’energia solare sono numerosi. Ecco i principali.  

• Riduzione delle emissioni di gas serra. Da un punto di vista ambientale l’energia fotovoltaica è una risorsa completamente green e non inquina, la sua produzione infatti non comporta l’uso di combustibili fossili e quindi il rilascio di CO2 nell’atmosfera.
• L’energia solare è inesauribile, quindi sarà sempre disponibile e anche se alcune zone sono più esposte di altre ai raggi solari, sarà in grado di soddisfare il fabbisogno energetico di qualsiasi area. 
• L’autoproduzione. La maggior parte degli impianti fotovoltaici sono ormai dotati di sistemi di accumulo, ovvero batterie che permettono di immagazzinare l’energia autoprodotta e non immediatamente consumata. L’energia prodotta in eccesso sarà così disponibile per i momenti in cui ce ne sarà bisogno, ad esempio durante le giornate di pioggia quando l’impianto non produce energia per mancanza di luce solare. 
• La diminuzione della dipendenza energetica da paesi esteri. L’uso di impianti fotovoltaici darebbe ai vari paesi europei la possibilità di rendersi più autonomi rispetto all’acquisto di energia dall’estero, spesso proveniente da combustibili fossili. In questo modo l’energia solare contribuisce alla sicurezza energetica nazionale e cioè alla capacità di un Paese di garantire un approvvigionamento costante, affidabile e accessibile di energia per soddisfare le sue necessità, riducendo al minimo la vulnerabilità a interruzioni o crisi energetiche. 
• L’efficienza energetica e il risparmio economico. L’utilizzo dell’energia solare contribuisce a migliorare significativamente la classe energetica di un edificio e ottenere un notevole risparmio sui consumi rispetto ai sistemi che sfruttano fonti energetiche tradizionali (come gas, petrolio, carbone). Le ingenti spese iniziali necessarie per installare un impianto fotovoltaico, inoltre, vengono ammortizzate nel corso degli anni. 
• L’assenza di costi legati alla produzione, al trasporto e agli approvvigionamenti.

Le principali sfide dell’energia solare

Ma le sfide legate all'adozione dell'energia solare non mancano. Ecco le principali:

• Basso rendimento degli impianti: gli attuali pannelli solari convertono solo una parte dell'energia solare ricevuta in elettricità (mediamente tra il 15% e il 20%). Tuttavia, la ricerca sta avanzando verso lo sviluppo di celle solari a perovskite e altre tecnologie fotovoltaiche di nuova generazione, che promettono di aumentare l'efficienza, avvicinandosi al 30% o più. In particolare, i pannelli bifacciali stanno migliorando il rendimento catturando la luce sia dalla parte anteriore che posteriore. 
• Necessità di spazi ampi: le installazioni su larga scala, come le centrali solari, richiedono superfici estese, spesso difficili da trovare in aree urbane. Una delle soluzioni emergenti è l'integrazione dei pannelli su tetti o facciate di edifici, in particolare attraverso impianti fotovoltaici integrati negli edifici (BIPV, Building Integrated Photovoltaics). Inoltre, progetti come le fattorie solari galleggianti stanno espandendo l'uso di superfici idriche per ospitare i pannelli.
• Produzione energetica discontinua: la produzione solare è fortemente dipendente dalle condizioni atmosferiche e dall'ora del giorno. Questo rappresenta una sfida per la stabilità delle reti elettriche. Per ovviare a questa discontinuità, stanno crescendo gli investimenti in sistemi di accumulo dell'energia come le batterie al litio le batterie a stato solido, che immagazzinano l'energia prodotta durante le ore di sole e la rendono disponibile quando serve.
• Costi di installazione elevati: sebbene i costi dei pannelli solari siano diminuiti drasticamente negli ultimi anni, l'installazione resta ancora un investimento significativo per famiglie e aziende. In risposta, molti governi stanno offrendo incentivi fiscali che riducono drasticamente i costi a carico dei proprietari. 
• Impatto ambientale della produzione dei pannelli: la produzione di pannelli solari utilizza materiali chimici e processi industriali che possono avere impatti ambientali significativi, compreso lo smaltimento delle sostanze tossiche. Iniziative come il riciclo dei pannelli fotovoltaici e l'adozione di processi di produzione più sostenibili mirano a ridurre questo impatto. L'Unione Europea, ad esempio, sta lavorando su normative per il recupero e riciclo dei materiali dai pannelli a fine vita. 
• Approvvigionamento di materiali rari: la produzione di pannelli solari richiede grandi quantità di silicio e metalli rari, come il litio e il cobalto, che possono presentare problemi di sostenibilità a lungo termine. Per mitigare questo rischio, sono in corso studi sull'uso di materiali alternativi e più abbondanti, e sulla riduzione della quantità di materiali rari nei processi di produzione. Inoltre, ci sono progetti di ricerca per creare celle solari senza silicio, come quelle a perovskite, che richiedono meno risorse rare.