ENERGIE RINNOVABILI

Misurazioni di super-precisione
per individuare i pannelli solari
che rendono (e resistono) di più

Il PVLab della SUPSI a Mendrisio è l’unico certificato in Svizzera per eseguire i test sui pannelli fotovoltaici, con margini di errore ridottissimi. Simulazioni anche degli eventi atmosferici avversi

di Monica Nardone

Con la crisi energetica in atto, l’aumento dei prezzi legati al gas e il cambiamento climatico che sconvolge le temperature, implementare le fonti di energia rinnovabili sta diventando sempre più un imperativo. In questo ambito, uno dei settori che sta crescendo a ritmo record è quello del fotovoltaico. 

Nati negli anni ’70 per alimentare i satelliti, i pannelli solari dagli anni ’80 in poi sono “scesi sulla terra”, andando incontro a performance sempre più elevate, che sono quasi raddoppiate negli ultimi 15 anni (anche se restano ancora inferiori, come rendimento, a quelle di altri sistemi per produrre energia). Attualmente l’efficienza massima è vicina al 25% (mentre nel 2008 era intorno al 15%), ma l’obiettivo è di arrivare presto al 30%, grazie alla ricerca che sta facendo passi da gigante, spinta anche dai forti investimenti nel settore. Secondo l’annuale aggiornamento sulle previsioni del mercato fotovoltaico europeo, l’EU Market Outlook for Solar Power, ad esempio, il 2021 per l’Europa è stato il miglior anno da sempre, con l’installazione di impianti per una potenza pari a 25,9 GW.
Sul fotovoltaico, anche la Svizzera, con il Canton Ticino in prima fila, da molti anni è all’avanguardia. Presso il Campus di Mendrisio della Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana (SUPSI), in particolare, vi è un’eccellenza di livello europeo: uno dei centri autorizzati a certificare la capacità e la durata dei pannelli fotovoltaici, e l’unico di questo tipo in Svizzera (accreditato, per usare un linguaggio tecnico, ISO 17025).

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«La nostra storia – spiega Mauro Caccivio, responsabile del PVLab presso il Campus di Mendrisio, dove si eseguono queste certificazioni - nasce nel 1982, quando ancora non esisteva la SUPSI. Ha avuto inizio con un progetto pioneristico chiamato TISO (TIcino SOlare), un impianto fotovoltaico che tuttora funziona ed è stato il primo collegato alla rete elettrica in Europa. Prima di TISO, gli impianti fotovoltaici erano a isola, come si dice tecnicamente: in pratica venivano usati, qui in Svizzera, sulle baite di montagna per alimentare batterie da 12 volt, in modo da fornire energia elettrica alla casa». Il progetto TISO, realizzato per iniziativa di Mario Camani, già capo della Sezione Aria, acqua e suolo del Dipartimento Ambiente del Cantone Ticino, «è stato la base della nostra attività di ricerca – prosegue Caccivio. - Con l’installazione di questo impianto  abbiamo cominciato a fare attività congiunta con il Centro Comune di Ricerca (CCR) della Commissione Europea in Italia, a Ispra, in provincia di Varese, per monitorare i pannelli una volta all’anno, in modo da verificarne il livello di degrado, studiandone la sicurezza e stimando la loro durata nel tempo». Da questa attività è poi nato il centro per certificare i pannelli solari.

Per poter essere conveniente un impianto fotovoltaico, sottolinea Caccivio, deve durare a lungo, «per 25-30 forse anche 40 anni. L’impianto TISO, ad esempio, produce bene da 40 anni, anche se oggi continuano a essere monitorati solo i moduli migliori, per comprendere fino a dove ci si può spingere con questa tecnologia».

In questo campo, infatti, il ritorno sull’investimento è importante. «Adesso in Svizzera – aggiunge Caccivio – si recupera l’investimento iniziale in circa 10 anni. Questo, naturalmente, se l’impianto è ben esposto e i materiali sono di qualità, e poi si guadagna per i successivi 15 anni. La lunga durata dell’impianto è importante anche dal punto vista dell’impatto ambientale, perché in questo modo l’energia spesa per produrre i pannelli è restituita nel primo anno e mezzo, e poi moltiplicata gratuitamente per l’ambiente su un lungo periodo di tempo». La durata è garantita anche grazie alla verifica delle performance iniziali dei pannelli, attuata attraverso un simulatore solare a impulso, una sorta di sole artificiale che ha un lampo molto breve, di 10 millisecondi, per non riscaldare il pannello e non alterarne le prestazioni. 

Per testare i pannelli solari è molto importante anche simulare le possibili avversità, come la grandine. «Con il riscaldamento globale – spiega l’esperto - si sta assistendo a un aumento della frequenza di eventi disastrosi, come grandinate con chicchi molto grandi. Noi simuliamo in laboratorio l’impatto con proiettili di ghiaccio di un diametro compreso fra 25 e 70 millimetri, e stiamo studiando e migliorando il processo per avere risultati ripetibili anche su diametri che arrivano a 100 millimetri».

Le misure in un laboratorio accreditato prevedono margini di errore molto piccoli, perché anche una incertezza minima ha un impatto economico importante sull’energia prodotta nell’arco di 30 anni. In questo momento l’incertezza è vicina all’1%. Vale a dire che la precisione nelle misure è del 99%. Un dato importantissimo per un mercato in forte crescita. E il laboratorio della SUPSI è in grado di rientrare in questi margini, non facili da mantenere.

Tuttavia, nonostante la forte espansione del settore, vi sono ancora alcune sfide da affrontare, a partire dalla ricerca di nuovi materiali da abbinare al silicio per superarne i limiti intrinseci che limitano la sua efficienza intorno al 25%. Una delle tecnologie più promettenti è quella delle celle fotovoltaiche che sfruttano un minerale di biossido di titanio di calcio, chiamato perovskite, che sta dando in laboratorio risultati estremamente promettenti in termini di efficienza, e per questo interessante nel campo delle energie rinnovabili. In particolare si sfrutta la possibilità di depositare sopra al silicio, che costituisce le celle, un sottile strato di perovskite, per aggiungere una seconda giunzione più sensibile alla luce visibile. «Per esempio - spiega Caccivio - di recente il centro Csem del Politecnico di Losanna ha sviluppato un prototipo di celle solari a doppia giunzione di perovskite/silicio che ha raggiunto l’efficienza del 30%, promettendo effettivamente di superare il silicio. Però il materiale è ancora molto instabile e non si riescono a superare i test di durabilità».

Un altro grande tema delle energie alternative è come accumulare l’energia prodotta, in modo da stabilizzare la rete, conservando l’energia non utilizzata per i momenti in cui la richiesta supera l’offerta, oppure quando le fonti non sono disponibili. Per adesso, l’energia viene accumulata in impianti basati su grandi batterie al litio, ma si cercano anche altre soluzioni. Le batterie di accumulo più grandi tuttora esistenti sono state prodotte da Tesla, l’azienda fondata da Elon Musk. E proprio l’imprenditore visionario ha realizzato in California il "Moss Landing Megapack", il più grande impianto di accumulo di energia mai costruito, che utilizza 256 accumulatori grandi come container. 

Sempre più importante diventa anche integrare il fotovoltaico negli edifici, tanto che in ambito europeo, conclude Caccivio, vi sono due grandi temi: il fotovoltaico Building-Integrated, cioè inserito direttamente nei materiali usati per il rivestimento degli edifici (e non più sistemato solo nei pannelli sui tetti), e l’agri-fotovoltaico, che prevede lo sfruttamento di spazi utili non coltivati, oppure l’installazione di pannelli fotovoltaici su serre o capannoni. 

In questo ambito proprio la SUPSI sta sviluppando finestre intelligenti che, oltre a svolgere la loro funzione, sono anche capaci di produrre energia dal Sole, utilizzando particolari "veneziane" le cui lamelle sono in realtà pannelli fotovoltaici.