Chi ha inventato il fotovoltaico? Storia d’innovazione
Chi ha inventato il fotovoltaico? Storia d’innovazione

Aprile 2019 Sweihan, Abu Dhabi: in una piana desertica si accende Noor Abu Dhabi, il più grande impianto fotovoltaico al mondo, 3,2 milioni di pannelli solari su una superficie di 8 chilometri. Noor in arabo significa luce e il progetto produce circa 1,2 GW di potenza in grado di coprire il fabbisogno di 90.000 persone. Il progetto consente una riduzione dell’impronta di carbonio di 1 milione di tonnellate metriche all’anno, che equivale a togliere 200.000 auto dalla strada.

Noor Abu Dhabi

E’ uno dei mega-impianti costruiti nel mondo in questi ultimi anni, e altri stanno arrivando, negli Emirati Arabi, in Australia, Cina, India, Stati Uniti, nella stessa Europa. Il fotovoltaico è definitivamente una delle tecnologie per l’energia rinnovabile che ci aiuteranno a superare il ricorso ai combustibili fossili.
Il fotovoltaico è, in un certo senso un ritorno al passato per l’umanità: prima della rivoluzione industriale, tutte le civiltà umane, sin dai tempi più antichi, hanno fatto fatto ricorso all’energia solare, in diverse forme, con tecnologie arcaiche rispetto a quelle di cui disponiamo oggi., ma si trattava di fattto del ricorso a una fonte energetica rinnovabile.

Quando è cominciata la storia del fotovoltaico odierno e chi l’ha inventata?

Certamente quella del fotovoltaico è una storia d’innovazione nel miglior stile, che ha attraversato i secoli e ha attinto all’intelligenza di molti, in diverse discipline. E’ una tecnologia con tanti padri, ognuno dei quali ha contribuito per un pezzettino, ma per affrontare il discorso è meglio chiarirsi su cosa si intende per ‘fotovoltaico’.

Definizione di fotovoltaico

Con il termine fotovoltaico ci si riferisce oggi agli impianti, i pannelli e gli altri elementi atti a trasformare l’energia solare in energia elettrica. La parola stessa fotovoltaico deriva dal greco phos (luce) e ‘volt’, l’unità di forza elettro-motrice che prende il nome da Volta, Alessandro Volta, l’inventore italiano che ha ideato la pila, ovvero il primo generatore elettrico dal quale tutto ha inizio, e che possiamo considerare il nonno del fotovoltaico.

I papà del fotovoltaico

Il termine “fotovoltaico” ha cominciato a circolare dal 1839, quando il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel, scoprì quello che lui chiamò ”effetto  fotovoltaico”, cioè il generarsi di un lieve flusso di corrente elettrica da alcuni elementi metallici esposti al sole. Questa è stata la prima importante scoperta alla base dello sviluppo tecnologico successivo.

Charles Fritts

Erano gli anni della Belle Epoque, l’era dell’elettricità, caratterizzati dall’avvento di numerose scoperte tra cui la prima lampadina di Thomas Edison, dell’illuminazione pubblica, tempi in cui si sperimentava tanto. Da allora si cominciarono a inanellare diverse scoperte nel campo dell’energia fotovoltaica. Per esempio, in Inghilterra Willoughby Smith, William G. Adams e Richard Evans scoprirono l’effetto della luce solare sul selenio, materia impiegato nei cavi del telegrafo, che se illuminato emette una leggera scarica di energia. Sulla corrente di questa eccitante scoperta, nel 1879  l’americano Charles Fritts realizza il primo pannello fotovoltaico, costituito da uno strato di selenio e da una pellicola d’oro.
Pur essendo la sua scoperta un risultato delle scoperte precedenti, è lui che possiamo considerare il secondo papà del fotovoltaico, Charles Fritts.

Charles Fritts e il fotovoltaico

Una vita abbastanza breve la sua: nasce a New York nel 1850 per morire nel 1903.
Ha però lasciato il segno: a lui si attribuisce il merito di aver creato la prima cella a selenio funzionante nel 1883, a ventitré anni. Fritts verificò che il selenio, che è un semiconduttore, ricoperto di un sottilissimo strato d’oro aumentava la sua efficienza elettrica di conversione. Visto l’alto costo dei materiali non era sostenibile l’uso di tali celle per la fornitura di energia, ma le celle al selenio di Fritts trovarono altre applicazioni, ad esempio come sensori di luce per la temporizzazione dell’esposizione nelle macchine fotografiche, dove erano comuni fino agli anni ’60.
Fritts riferì che il modulo di selenio produceva una corrente “che è continua, costante e di notevole forza”. Questa cella aveva un tasso di conversione dell’energia dell’1-2%, bassissimo se si pensa che oggi la maggior parte delle moderne celle solari funziona con un’efficienza del 15-20%. Ma fu così che nacque la prima cella solare a basso impatto, e nel 1884, su un tetto di New York, Charles Fritts installò il primo prototipo di impianto fotovoltaico.

Credits Smothsonian Mag

 

Da Fritts ai moderni impianti fotovoltaici

Come già suggerivamo prima, l’evoluzione tecnologica del fotovoltaico è una sommatoria dei passi in avanti fatti da tanti scienziati, fisici e ingegneri, ma alcuni di questi passi sono certamente più ‘lunghi’ degli altri.

1921 – Albert Einstein riceve il Premio Nobel per la Fisica per le sue ricerche sull’effetto fotoelettrico, fenomeno fulcro della generazione d’elettricità attraverso celle fotovoltaiche.

1954 – Nei Bell Laboratories, gli scienziati Gerald Pearson, Daryl Chapin e Calvin Fuller, creano la prima cella solare in silicio capace di generare corrente elettrica misurabile. Quello che oggi definiremmo un PoC era piuttosto costoso, ma dalle applicazioni sorprendenti. Il “New York Times” scrisse “è l’inizio di una nuova era, che condurrà finalmente allo sfruttamento dell’illimitata energia del sole a beneficio di tutti gli usi della civiltà”.

1955 – E’ la data del brevetto della prima cella solare fotovoltaica basata sul silicio, dei laboratori Bell

1958 – Viene lanciato nello spazio il primo veicolo orbitante alimentato da celle fotovoltaiche: si chiama Vanguard I. Le celle al silicio gli forniscono energia fino al 1964, quando il satellite viene disattivato. Da allora le celle fotovoltaiche sono parte integrante di ogni progetto spaziale. Anche la ISS (Stazione Spaziale Internazionale) sfrutta l’energia solare tramite dei mega pannelli fotovoltaici: si chiamano SAW (Solar Array Wing). Ogni SAW è costituito da migliaia di celle solari, che convertono la luce del Sole in corrente continua. Ogni cella ha un’efficienza pari a circa il 28% e vengono periodicamente rinnovati. I pannelli solari ruotano grazie a un sistema di perni, seguendo lo spostamento del Sole rispetto alla ISS nel corso di ogni orbita, in modo da massimizzare l’esposizione alla radiazione solare.

1963 – Prime commercializzazioni di moduli fotovoltaici risalgono. Da allora, il mercato mondiale crescerà in doppia cifra ogni anno. Negli anni 70, la crisi petrolifera comincia a far scricchiolare l’industria dei combustibili fossili (sebbene da un punto di vista più che altro di dipendenza energetica da alcuni Paesi) e comincia a essere cavalcata l’idea di nuove fonti di energia alternativa e rinnovabile.

1979 – In Italia, viene installato il primo il primo impianto fotovoltaico al Passo della Mandriola, tra gli Appennini, la potenza è di 1 kw.

Dagli anni 90 a oggi, il progresso nel settore degli impianti fotovoltaici è stato straordinario, sia da un punto di vista tecnologico che di abbattimento dei prezzi, che ne hanno favorito l’adozione. Rilevante l’impegno istituzionale nella promozione (incentivi) di questo sistema energetico, così come l’impegno delle aziende, dai grandi player alle giovani startup, che hanno contribuito e investito per far crescere il mercato e di conseguenza la quantità di energia prodotta da questa fonte rinnovabile, che contribuisce al decremento dell’inquinamento da CO2.
Il nostro Paese primeggia nel fotovoltaico: quasi il 40% dell’energia deriva da fonti rinnovabili – https://www.rinnovabili.it/energia/fotovoltaico/fonti-rinnovabili-in-italia-2018/ – e ci piazziamo tra i più virtuosi Paesi europei.
Secondo l’ultimo rapporto Global Photovoltaic 2020 di IHS (realizzato prima del coronavirus) nel 2020 il settore dovrebbe aumentare del 14 per cento in termini di nuova capacità di generazione solare. Una percentuale che si tradurrebbe in altri 142 GW fotovoltaici messi a dimora, ossia sette volte l’intera capacità installata all’inizio del decennio precedente. “L’ennesimo anno (il 2020) di incremento a due cifre della domanda globale costituisce la prova dei una crescita continua ed esponenziale degli impianti fotovoltaici nell’ultimo decennio”, ha detto Edurne Zoco, direttore di Clean Technology & Renewables, IHS Markit, in una nota stampa- http://news.ihsmarkit.com/prviewer/release_only/slug/bizwire-2020-1-7-solar-installations-to-grow-by-additional-142-gw-in-2020-seven-times-the-worlds-total-solar-installations-a-decade-ago-  “Se gli anni ’10 sono stati il decennio dell’innovazione tecnologica, delle forti riduzioni dei costi, dei generosi incentivi e del dominio di alcuni mercati, il 2020 sarà ricordato invece come il decennio della diffusione del fotovoltaico non sovvenzionato, della diversificazione e dell’espansione della domanda di impianti solari in tutto il mondo, dell’ingresso di nuovi attori industriali e dell’aumento di competitività rispetto alle fonti energetiche convenzionali”.

Il futuro del fotovoltaico

Naturalmente la tecnologia continua a evolversi includendo nell’equazione lo sviluppo di nuovi materiali, ma anche innovativi modelli di impianti.

Un esempio sono le ‘fattorie solari galleggianti’. Secondo gli esperti, se i pannelli fotovoltaici vengono collocati su serbatoi e altri corpi idrici, offrono un’efficienza ancora maggiore, oltre a molti altri vantaggi: possono generare enormi quantità di elettricità senza utilizzare terreni o immobili di valore, i costi di installazione sono inferiori a quelli dei pannelli fotovoltaici a terra; le fattorie galleggianti possono aiutare nella gestione dell’acqua in quanto riducono la perdita di acqua per evaporazione, impediscono la produzione di alghe nocive, infine l’acqua sottostante mantiene puliti i pannelli solari e riduce al minimo lo spreco di energia.
Il primo sistema commerciale di pannelli galleggianti da 175 kWh è stato installato in California presso la cantina Far Niente nella Napa Valley.

Un altro sistema di fotovoltaico che sta prendendo piede è quello chiamato internazionalmente BIPV – Building-Integrated Photovoltaics – in italiano chiamato anche FAI, fotovoltaico architettonicamente integrato, un sistema nato negli anni ’80 ma che si è notevolmente diffuso e migliorato, grazie anche a nuovi materiali, negli ultimi anni.
L’Europa è leader mondiale nella tecnologia del BIPV multifunzionale, innovazione che promette di divenire il prodotto edile del futuro. I moduli BIPV possono infatti essere combinati con altri materiali da costruzione per migliorare l’efficienza energetica e l’isolamento delle strutture, tra queste ci sono le ‘pelli solari’, cioè pannelli solari sottilissimi che possono dunque avere delle applicazioni diversificate. In Italia, una soluzione molto avanzata di questa tecnologia è quella della startup Ribes Tech.

Altro campo di sperimentazione sono i tessuti solari: i ricercatori stanno sviluppando tessuti in grado di accumulare l’energia solare in ogni fibra. Questo permetterebbe, per esempio, di produrre capi di abbigliamento in grado di fornirci calore o energia quando serve. Ma non solo.
Il tessuto potrebbe essere usato per fare i tendaggi degli edifici e avere così sia ombra che energia.

Ma forse la più interessante innovazione in ambito fotovoltaico è quella annunciata alcuni mesi fa da un team dell’Università della California a Davis, dove il prof. Jeremy Munday, del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’università, è riuscito a superare quello che fino a oggi sembrava il limite del fotovoltaico, cioè aver bisogno del sole!
Munday e il suo assistente dottorando Tristan Deppe avrebbero infatti inventato, sulla carta, i pannelli fotovoltaici che funzionano anche di notte e hanno descritto la loro nuova idea in un articolo pubblicato su ACS Photonics.
Munday e il suo team stanno ora realizzando i primi prototipi fisici convinti che le celle solari notturne, se appositamente progettate, potrebbero sviluppare fino a 50 W di potenza per metro quadrato in condizioni ideali, circa un quarto di ciò che la tecnologia fotovoltaica convenzionale può generare durante il giorno.

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Pubblicato il:

14 Giugno 2020

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