Schema di una versione evoluta dell'eliometro di De Saussure
Strana, la scienza. In certi casi avanza a piccoli passi ma in modo costante, in altri una scoperta improvvisa mette in moto un progresso fatto di lunghe pause e sviluppi repentini. Un esempio di questa doppia maniera di procedere ci viene offerto dall’evoluzione delle due principali tecnologie elaborate dall’uomo per catturare l’energia del Sole e utilizzarla ai propri scopi: il solare termico, in cui la luce viene trasformata in calore, e il fotovoltaico, che ne ricava elettricità.
I sistemi solari termici sfruttano un fenomeno che conosciamo tutti, cioè che gli oggetti colpiti dai raggi del sole si riscaldano, e il loro sviluppo è stato segnato da progressivi miglioramenti dei metodi di raccolta e mantenimento del calore. Già i Romani avevano sviluppato dei sistemi di riscaldamento delle abitazioni e dell’acqua basati sull’utilizzo dell’energia solare e dell’effetto serra creato dal vetro, ma molti secoli dovevano passare prima che si pensasse di sfruttare in modo sistematico le inesauribili risorse solari. Nel 1767 Horace-Bénédict de Saussure, naturalista, geologo e fisico di Ginevra, costruí il primo esempio di pannello solare, detto “eliometro”. Era un dispositivo molto semplice, costituito da una scatola di legno foderata di sughero nero, sulla parte superiore della quale erano applicati tre strati di vetro posti ad opportuna distanza: la temperatura all’interno della scatola arrivava a 109 °C. Lo scienziato inoltre dimostrò che questa temperatura era indipendente dall’altitudine, a parità di esposizione: durante una famosa spedizione sul Monte Bianco rilevò infatti gli stessi valori.
L’astronomo John Herschel usò un dispositivo analogo per cucinare il cibo nella sua spedizione in Africa nel 1830, inaugurando una tecnica di cottura oggi detta solar cooking, un sistema ecologico che produce buoni risultati e permette a molte popolazioni povere di cucinare evitando l’uso del legno.
Un moderno esempio di solar cooking
Qualche anno dopo il francese Auguste Mouchot pensò di sfruttare l’energia solare per la produzione di energia meccanica, con l’intento di ridurre la dipendenza dal carbone dell’industria del suo Paese. Brevettò cosí il primo motore, della potenza di 1 KW, e il suo progetto convinse i politici del tempo, in particolare Napoleone III, che gli assicurò i fondi per continuare le sue ricerche. Il basso prezzo del carbone però lasciò nell’ombra i grandi progressi tecnici fatti. Gli ultimi anni del 1800 videro notevoli progressi su diversi fronti: nel 1878 l’inglese William Adams cominciò la costruzione della prima torre a concentrazione per la produzione di energia elettrica, e nel 1885 il francese Charles Tellier utilizzò pannelli piani per la produzione di vapore. Anche oltreoceano ci si dedicava a questo tipo di studi: nello stesso periodo infatti, John Ericsson inventò i primi pannelli parabolici e li applicò a vari motori solari, seguito da Frank Shuman nel 1906. Shuman costruí un impianto in Egitto che, grazie a concentratori distribuiti su una superficie di 4000 m2, forniva una potenza di circa 300 KW.
La prima applicazione del solare termico alla produzione di acqua calda per usi domestici fu brevettata dall’americano Clarence Kemp nel 1891. Il sistema ebbe un successo tale che già nel 1897 un terzo delle case di Pasadena, in California, utilizzavano questo dispositivo per il riscaldamento dell’acqua. L’inizio della Prima guerra mondiale bloccò il progredire di queste ricerche e impedí in parte la diffusione dei buoni risultati raggiunti. Ma già negli anni Venti si diffuse nelle regioni più soleggiate degli Stati Uniti, come Florida e California, il cosiddetto day and night water heater, che era in grado di fornire acqua calda durante tutto il giorno: era un sistema a circolazione naturale in cui l’acqua veniva accumulata in un serbatoio posto più in alto dei pannelli piani. Qualche anno dopo fu realizzato il primo edificio il cui impianto di riscaldamento utilizzava una serie di pannelli solari, dando inizio alla diffusione su larga scala di questi dispositivi.
Oggi i sistemi termici sono aumentati di efficienza, tanto che i produttori moderni possono stipulare contratti “di garanzia dei risultati solari” con i loro clienti. «Una nuova frontiera della produzione di energia solare termica riguarda la climatizzazione estiva degli stabili ? spiega l’ingegner Luca Degiorgis, dell’Ecoistituto Pasquale Cavaliere di Torino ?: la Germania sta già sperimentando sistemi integrati tramite pannelli solari in alcuni uffici pubblici».
La scoperta dell’effetto foltovoltaico è invece un chiaro esempio di serendipity, la potente miscela di fortuna e intuizione che portò Ian Fleming a scoprire la penicillina e Marie Curie a scoprire i raggi X, per citare solo gli esempi più conosciuti. Nel 1839, mentre conduceva esperimenti su una cella elettrolitica, il francese Edmond Becquerel, appena diciannovenne, si accorse che il platino colpito dai raggi solari produceva una piccola corrente elettrica. Invece di schermare l’elettrodo per eliminare il disturbo, come avrebbero forse fatto altri, capí l’importanza della sua osservazione e la rese pubblica.
Pearson, Fuller e Chapin
Nel 1873 Willoughby Smith scoprí che il selenio permetteva il passaggio della luce e tre anni più tardi William Adams e Richard Day osservarono che anch'esso era in grado di convertire direttamente la luce del Sole in elettricità. Nel 1883 Charles Fritts progettò e realizzò le prime celle al selenio: la loro resa era dell’1%. Lo studio dell'effetto fotoelettrico portò Albert Einstein a sviluppare la teoria della doppia natura della luce, energia e materia al contempo, che gli valse il premio Nobel nel 1921.
Le applicazioni dovettero però aspettare l’avvento di materiali che avessero un miglior rendimento: cosí nel 1953 venne creata la prima cella solare al silicio, molto più potente di quella al selenio, ad opera di Gerald Pearson; la sua invenzione fu perfezionata da due colleghi della Bell, Calvin Fuller e Daryl Chapin che realizzarono la prima cella in grado di convertire in elettricità abbastanza energia solare per alimentare un dispositivo elettrico, una radiotrasmittente. Il primo giorno di Sole del 1954 la cella funzionava con un rendimento del 6%. La resa delle celle moderne è del 40%.
Alessandra Masala e Lorenzo Pradelli
L’utilizzo più semplice dell’energia solare è quello termico: il calore immagazzinato in un fluido (aria o acqua) viene utilizzato per il riscaldamento di un ambiente o per produrre energia elettrica. «Questo schema è valido per qualunque impianto, a prescindere dalla sua dimensione – dice l’ingegner Luca De Giorgis, progettista di impianti presso l’Ecoistituto Pasquale Cavaliere di Torino – il calore può essere trattenuto da un vetro piano, creando un effetto serra in miniatura, oppure concentrato mediante un sistema di lenti e specchi. La versatilità è uno dei punti di forza della tecnologia solare».
Ma se devo fare il bagno di notte? «Il limite più grosso della radiazione solare è proprio la sua variabilità. Solitamente progettiamo gli impianti domestici in modo che i pannelli solari coprano il 60-65% del fabbisogno. Inoltre usiamo anche un serbatoio di accumulo isolato termicamente, per conservare l’acqua scaldata nelle ore di sole. Stanno nascendo anche impianti che in estate possono funzionare da condizionatori, attraverso il fenomeno della refrigerazione solare». Anche la produzione di elettricità soffre di questa discontinuità l’ENEA ha recentemente sviluppato una nuova miscela di sali fusi in grado di trattenere a lungo il calore. Il Progetto Archimede, presentato nel novembre 2003, avrà come primo banco di prova la centrale ENEL di Priolo Gargallo (Siracusa) [vedi articolo precedente].
La tecnologia fotovoltaica si basa invece sulla proprietà di alcuni materiali, come il silicio arricchito con boro o fosforo, di rilasciare una corrente di elettroni se colpiti da una radiazione luminosa, convertendo direttamente l’energia solare in energia elettrica. L’unità di base è costituita da una cella fotovoltaica, in grado di produrre una potenza di circa 1,5 watt; montando insieme più celle si possono soddisfare diverse esigenze di potenza, dai calcolatori tascabili fino ad abitazioni o interi villaggi. Il vero limite dell’energia fotovoltaica è quello economico, a causa delle lavorazioni costose e dei rendimenti bassi (non più del 40% in condizioni ideali). Gli utilizzi principali avvengono in situazioni in cui il trasporto dell’elettricità non è possibile oppure è meno conveniente della produzione in loco.
(Luca Antonelli)
Siete appassionati di bricolage? Costruite da voi i pannelli solari per riscaldare l’acqua di casa. Un hobby che dall’Austria si sta diffondendo anche in Italia, con il supporto di associazioni come Ambiente Italia
Cinque consigli per il solare “fai da te”:
(Luca Antonelli)
Fisici e meteorologi hanno compilato un vero e proprio bilancio dell’energia che la Terra riceve dal Sole, con entrate e uscite: eccone una rappresentazione grafica.
(Luca Antonelli)
11 giugno 2004