Sfruttare la luce solare per aumentare l'efficienza dell'impianto fotovoltaico: l'illuminazione con i LED e gli esperimenti sulle alghe

Individuare in fase progettuale di installazione di un impianto fotovoltaico il quantitativo massimo di energia che andrà a produrre è uno dei fattori indispensabili e fondamentali per abbassare i costi di produzione, per preventivare la produzione elettrica in anticipo e incrementare al produzione stessa ottimizzando posizionamento e dimensionamento del sistema solare.

Sfruttare e convertire la luce solare in maniera ottimale è l'obiettivo di uno studio del dipartimento di Biotecnologie dell'Università di Verona, condotto dal prof. Roberto Bassi, il quale ha riscontrato numerosi risultati nella ricerca del miglioramento dell'efficienza energetica dei sistemi fotovoltaici misurandone, già in fase di progettazione, le potenzialità di trasferimento della luce assorbita.

L'innovativa ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica Nature Chemistry condotta dal dipartimento di Biotecnologie, in collaborazione con l'Università di Berkeley, in California, in cui si spiegano le funzionalità e importanti potenzialità di sistemi da fonti rinnovabili più efficienti, dotati di pannelli fotovoltaici o di alghe ingegnerizzate, capaci di sfruttare l'irraggiamento solare.

Il progetto del dipartimento di Biotecnologie dell'Università di Verona: lo studio delle alghe

Il progetto innovativo del dipartimento di Biotecnologie si basa sullo studio primario degli elementi e dei fattori che limitano la trasformazione dell'energia solare in corrente elettrica, attraverso l'ingegnerizzazione delle alghe, in quanto si è scoperto che i fenomeni coinvolti nella fase di assorbimento e trasferimento della luce sono gli stessi delle celle solari.

I sistemi biologici delle alghe e i sistemi solari dei pannelli presentano un sistema di trasduzione dell'energia composti da due elementi: l'antenna che assorbe la luce e la trasferisce e un secondo elemento che cattura l'energia trasferita e la trasforma in voltaggio. La luce solare, infatti, si presenta sotto forma di elemento diluito e per questo, per ottimizzare il suo sfruttamento, è necessario concentrarla: l'utilizzo di antenne foto sintetiche, ovvero delle molecole colorate disposte una affianco all'altra, assorbono i fotoni e li concentrano nello stesso punto. Nella struttura della cella solare l'assorbimento dei fotoni avviene deponendo gli strati di molecole colorate al di sopra agli elettrodi, fino a che interagiscono l'una con l'altra avviando una sorta di processo di scarica a terra dell'energia in un circuito elettrico.

Durante gli studi, si è cercato di costruire in laboratorio i sistemi biologici, e si è misurata la capacità degli eccitoni, costituiti dai fotoni che vengono assorbiti, di trasmissione senza disperdere l'energia. L'esperimento e la conseguente scoperta è di importanza fondamentale nella possibilità di misurare preventivamente la coerenza nella trasmissione di energia senza dispersioni nei pannelli solari, fin dalla loro prima fase di progettazione, essendo così in grado di verificare se quella tipologia di cella solare avrà delle potenzialità elevate di accumulare e convertire la luce solare per la produzione di energia elettrica.

In laboratorio si sono prodotti dei ceppi algali in grado di produrre cinque volte più che i ceppi impiegati nei fotobioreattori: i ceppi non modificati, infatti, producono circa 40 tonnellate per ettaro all'anno con probabilità che in un impianto industriale sia possibile produrre 200-220 tonnellate per ettaro. Nella costruzione dei pannelli solari è, invece, necessario creare un vero voltaggio elettrico.

Il futuro del fotovoltaico è nelle alghe?

Tutto fa pensare che il futuro dell'energia sia nelle alghe: l'unico problema sta nel fatto che, nonostante le alghe si producano autonomamente, in Italia non ci siano dei bioreattori di dimensioni sufficienti per effettuare dei test indicativi della produttività elettrica su scala industriale. A Shanghai e in California, per esempio, esistono degli impianti industriali che sfruttano le alghe per generare biocombustibili, nutrendo le alghe con zuccheri derivati da scarti alimentari anziché con l'irraggiamento solare, disponendole in un fermentatore in ambienti bui. Gli zuccheri vengono trasformati in grassi che vengono estratti per produrre il biodiesel, permettendo di riciclare i residui dell'industria alimentare e trasformarli in biocarburanti.

Questo innovativo sistema, eppur altamente ecosostenibile, non è bastevole per soddisfare un fabbisogno energetico in continua crescita, ma potrebbe essere integrato con sistemi misti che sfruttano l'irraggiamento solare come, la paglia costituita da cellulosa che può essere degradata a zuccheri per nutrire le alghe, in seguito al raggiungimento di un elevato livello di crescita.

 
Prototipo di edificio con alghe e installazione di sistemi solari

(Prototipo di edificio pubblico e commerciale con alghe e installazione di sistemi solari sul tetto e nelle superfici esterne)

Gli esempi dei comuni virtuosi: lampioni a Led, lampade sulle bricole ad energia solare, o semafori a basso consumo

Un'altra soluzione per aumentare l'efficienza dello sfruttamento delle radiazioni solari è quello delle lampade a Led o delle lampade solari sfruttate su applicazioni differenti di quelle tradizionali: ne è uno straordinario esempio Venezia.

Il progetto tutto veneziano, frutto della collaborazione tra gli assessorati ai Lavori pubblici e all'Ambiente, si avvale della realizzazione di lampioni a Led, di lampade sulle bricole alimentate ad energia solare, o semafori a basso consumo: il risparmio energetico ed economico è di circa 2 milioni di euro all'anno. Il contratto, della durata di 9 anni, vinto da Citelum, Gemmo e Consorzio cooperative costruzioni, permette al gruppo di imprese di avere la gestione e la manutenzione dell'illuminazione pubblica, ricevendo un canone annuo di 6 milioni e 650 mila euro.

In un paio di anni Venezia può certo auspicare a diventare la prima città italiana illuminata a led, iniziando dal parco di San Giuliano, dove i lampioni tradizionali sono la causa dell'eccessivo inquinamento luminoso e verranno sostituiti da lampade cut-off con fascio luminoso diretto verso il basso e non verso l'alto. L'innovativo impianto fotovoltaico sarà tele-controllato permettendo di intervenire con celerità nei casi di malfunzionamento, modulare l'intensità della luce in base alle ore del giorno con un risparmio di 6.500.000 chilowatt l'anno.

LuminAID: lanterne solari galleggianti per illuminare in situazioni di emergenza

Un'altra innovativa idea per l'illuminazione ecosostenibile proviene da due studentesse della Chicago Booth School of Business, Andrea Sreshta e Anna Storck, che hanno sviluppato una soluzione di illuminazione con fonti rinnovabili che permetterebbe di alleviare il disagio delle persone colpite da catastrofi naturali o territori in cui l'illuminazione pubblica è ancora un miraggio: delle speciali lanterne a pannelli solari, gonfiabili e galleggianti, battezzate con il nome di LuminAid.

Ogni lampada LuminAid è dotata di una batteria, un pannello solare e led luminosi racchiusi in una piccola struttura di plastica: esposta alle radiazioni solari per almeno 4 ore, LuminAid garantisce fino a 8 ore di luce. Il successo è stato imminente tanto da vincere tre business plan competitions e fornito numerosi esemplari zone colpite dai sismi, entrando nel maggio 2012 a far parte della Social New Venture Challenge, un concorso indetto dalla Chicago Booth School of Business e dal suo centro per l'imprenditoria, il Polsky Center, nato per premiare le start-up con profonda implicazione sociale e umana.

Grazie alla campagna "Give light, Get light", tutti possono spendere dai 25 ai 100 dollari per acquistare per sé o per le persone delle aree in difficoltà una o più lampade LuminAID: in soli 40 giorni sono state vendute 1.500 LuminAID e altre 3.300 sono state donate a organizzazioni non-profit, scuole, orfanotrofi etc nei paesi in via di sviluppo o aree in difficoltà.

Il LuminAID: illuminazione per le situazioni di emergenza

(Il LuminAID: illuminazione per le situazioni di emergenza acquistabile con una somma dai 25 ai 100 dollari per sé o per territori bisognosi)

Autore Maria Francesca Massa

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