Lo sviluppo storico della tecnologia fotovoltaica termica (PVT): dal concetto alla commercializzazione

Introduzione

La struttura energetica globale ha subito enormi cambiamenti negli ultimi cinquant'anni. I sistemi integrati fotovoltaici e solari termici (PVT) si sono gradualmente affermati come una soluzione innovativa in grado di soddisfare simultaneamente i due fabbisogni energetici fondamentali di elettricità e calore. Il sistema PVT integra celle fotovoltaiche e collettori solari in un'unica piastra piana, non solo massimizzando l'utilizzo della radiazione solare, ma anche migliorando significativamente l'efficienza complessiva di conversione energetica.

Sebbene il pannello solare PVT sia generalmente considerato un concetto tecnico relativamente nuovo, la sua storia può essere in realtà fatta risalire agli anni '50 circa. Dal prototipo sperimentale dei primi anni '70 all'applicazione commerciale gradualmente matura di oggi, il processo di sviluppo del PVT riflette un percorso più ampio per lo sviluppo delle energie rinnovabili, che include l'evoluzione coordinata delle innovazioni tecnologiche, il supporto politico e la crescita del mercato. Questo articolo si propone di chiarire il contesto storico della tecnologia PVT e di esplorare come si sia gradualmente evoluta da un concetto teorico a una soluzione energetica completa commercialmente valida.

Origine: anni '70 - la fase nascente del concetto

La fase iniziale della tecnologia PVT risale agli anni '70. In questo periodo, a causa delle preoccupazioni sulla sicurezza energetica causate dalle due crisi petrolifere del 1973 e del 1979, l'attenzione globale sulle energie rinnovabili è aumentata notevolmente. I ricercatori sono attivamente alla ricerca di alternative ai combustibili fossili. L'energia solare è considerata una delle direzioni più promettenti grazie alla sua universalità e sostenibilità.

L'utilizzo tradizionale dell'energia solare si divide in due grandi categorie: fotovoltaico e solare termico. Tuttavia, gli ingegneri hanno notato che durante il funzionamento della generazione di energia fotovoltaica, l'aumento della temperatura porta a una diminuzione dell'efficienza di produzione di energia. Questo fenomeno ha dato origine a un'idea chiave: è possibile recuperare il calore di scarto durante il raffreddamento dei pannelli fotovoltaici e ottenere un utilizzo efficace dell'energia termica? 

Nei primi anni '70, il concetto di PVT si basava principalmente su sistemi ad aria, con l'obiettivo di integrarlo con i sistemi di riscaldamento e ventilazione degli edifici. La struttura di base è costituita da un pannello fotovoltaico, dietro il quale è presente un canale di flusso per catturare e far circolare l'aria calda. Sebbene il miglioramento dell'efficienza non sia significativo, questo pone le basi concettuali per il PVT come sistema a doppia funzione.

Espansione e progresso tecnologico: anni '80 - '90 

Gli anni '80 e '90 sono stati periodi di continuo progresso della tecnologia fotovoltaica e di crescente interesse accademico. Con la diffusione dei pannelli fotovoltaici in silicio cristallino e il miglioramento del rapporto costo-efficacia, i ricercatori hanno iniziato a studiare il raffreddamento a liquido come metodo di raffreddamento più efficace rispetto alla circolazione dell'aria.

Il sistema fotovoltaico ad aria (PVT) è stato migliorato migliorando la progettazione delle condutture e integrandolo con il sistema di riscaldamento degli ambienti.

Ciò ha favorito lo sviluppo di sistemi fotovoltaici liquidi (PVT), che utilizzano acqua o antigelo come mezzo di trasferimento del calore per assorbirlo in modo più efficace. Questo metodo può raffreddare efficacemente i pannelli fotovoltaici e raggiungere una maggiore resa termica, rendendolo adatto per applicazioni domestiche e industriali.

Durante questo periodo, sono stati condotti numerosi studi di laboratorio e installazioni sperimentali presso università in Europa, Nord America e Asia. Sono stati sviluppati modelli tecnici per analizzare i flussi di energia, prevedere le prestazioni e ottimizzare la progettazione. Sebbene i vantaggi commerciali rimangano limitati, le basi accademiche della moderna tecnologia fotovoltaica sono state saldamente consolidate.

L'inizio del XXI secolo ha rappresentato una svolta cruciale per lo sviluppo delle energie rinnovabili a livello globale. In questo periodo, Europa e Giappone hanno assunto un ruolo guida nella conduzione di ricerche su larga scala e dimostrazioni applicative della tecnologia dell'energia solare. In questo contesto è emerso il sistema fotovoltaico e solare termico integrato negli edifici (BIPVT). Il BIPVT non solo integra i collettori fotovoltaici nell'involucro esterno dell'edificio, come pareti esterne, lucernari o componenti del tetto, ma realizza anche l'integrazione integrata di generazione di energia, riscaldamento, estetica architettonica e prestazioni di isolamento, migliorando significativamente l'efficienza energetica complessiva e l'aspetto estetico dell'edificio.

L'Europa sta esplorando attivamente il percorso di integrazione della generazione di energia fotovoltaica nei sistemi energetici urbani attraverso progetti dimostrativi nell'ambito del Piano UE per le Energie Rinnovabili. Il Giappone ha integrato la ricerca sul fotovoltaico nella sua strategia nazionale per migliorare il suo tasso di autosufficienza energetica e ridurre la dipendenza dai combustibili importati. Nel frattempo, l'energia fotovoltaica ha iniziato a tentare di accoppiarsi con diverse tecnologie come pompe di calore, accumulo di calore stagionale e reti di teleriscaldamento per formare un sistema energetico ibrido. Sebbene all'epoca fosse ancora un'applicazione di nicchia, il suo potenziale di integrazione interdisciplinare aveva inizialmente attirato l'attenzione dei decisori politici e dell'industria.

Con l'inizio del decennio 2010-2020, con il significativo calo dei costi del fotovoltaico, la crescente urgenza delle problematiche climatiche e il rafforzamento degli incentivi politici, la diffusione globale delle energie rinnovabili ha avviato un processo accelerato. Anche la tecnologia PVT sta gradualmente uscendo dai laboratori e si sta avviando verso la fase iniziale di commercializzazione. Molte aziende in Europa, Israele e Asia hanno lanciato diversi prodotti PVT, tra cui collettori piani, tipologie vetrate/non vetrate e sistemi a concentrazione. I fattori chiave che guidano la commercializzazione in questa fase includono:

• Progressi nella tecnologia dei materiali, come scambiatori di calore ad alta efficienza, rivestimenti ad assorbimento selettivo e processi di confezionamento di lunga durata;

• L'efficienza energetica complessiva del sistema è stata migliorata, con benefici complessivi che superano generalmente il 70%, il che è particolarmente vantaggioso in scenari con spazio limitato.

•  La domanda di soluzioni energetiche distribuite nei settori residenziale, commerciale e industriale continua a crescere.

• Anche i casi concreti hanno confermato i molteplici vantaggi del sistema PVT, tra cui la riduzione dei costi energetici, l'aumento del tasso di autoconsumo dell'energia solare e il miglioramento del ritorno sull'investimento nel contesto dell'utilizzo combinato di elettricità e calore.

Dal 2020, spinta dall'obiettivo della "neutralità carbonica" e da politiche climatiche sempre più rigorose, la transizione energetica globale è entrata in una nuova fase. Molti Paesi hanno fissato obiettivi di emissioni nette pari a zero per la metà del secolo, aprendo ampie prospettive per la tecnologia integrata fotovoltaica e solare termica. Le tecnologie solari integrate come il fotovoltaico-termico (PVT) stanno ora godendo di opportunità di sviluppo senza precedenti.

La pandemia di COVID-19 ha ulteriormente evidenziato l'importanza della resilienza energetica e della produzione localizzata di energia pulita. Pertanto, la tecnologia PVT è stata sempre più applicata nei seguenti campi: 

• Le residenze e le famiglie cercano sistemi efficienti per soddisfare il loro fabbisogno di elettricità e acqua calda.

• Gli edifici commerciali, beneficiando dell'integrazione del BIPVT, hanno ridotto i costi energetici operativi. 

• Nei processi industriali, in particolare nell'industria alimentare, tessile e chimica, il calore a media e bassa temperatura è di vitale importanza. 

Nel frattempo, l'innovazione tecnologica amplia costantemente le possibilità: 

• La combinazione di PVT e pompe di calore ha permesso di ottenere un riscaldamento e un raffreddamento efficienti durante tutta la stagione. 

• Grazie all'integrazione con l'accumulo di energia termica, è stata ottenuta una migliore gestione del carico. 

• Il sistema di controllo intelligente ha migliorato l'adattamento della domanda e l'interazione con la rete.

Oggigiorno, la tecnologia PVT non è più considerata una tecnologia sperimentale, ma è diventata un forte concorrente nel mercato delle energie rinnovabili, supportata da decine di fornitori commerciali e sempre più diffusa in tutto il mondo.

I vantaggi della promozione della divulgazione

Sono diverse le ragioni per cui la tecnologia PVT è riconosciuta come una soluzione di energia solare di grande valore:

• Elevata efficienza complessiva: l'efficienza complessiva dei sistemi integrati fotovoltaici e solari termici (PVT) può superare il 70%, mentre l'efficienza dei sistemi fotovoltaici indipendenti è di circa il 20%. L'efficienza di utilizzo dell'energia solare termica è generalmente compresa tra il 40% e il 60%.

• Prestazioni e durata fotovoltaiche superiori: il sistema PVT può ridurre lo stress termico dei moduli fotovoltaici attraverso un'efficace dissipazione del calore, prolungarne la durata utile e migliorare la stabilità della generazione di energia. 

• Utilizzo efficiente dello spazio: il sistema PVT può produrre contemporaneamente energia elettrica e termica sulla stessa area, il che è particolarmente importante in scenari applicativi urbani o con vincoli di spazio. 

• Ampi campi di applicazione: può essere ampiamente utilizzato in vari scenari, come quelli residenziali, commerciali, industriali e agricoli. 

• In linea con gli obiettivi di sviluppo sostenibile: la tecnologia PVT aiuta a ridurre le emissioni di carbonio, promuove l'integrazione dell'energia rinnovabile nella rete e supporta l'implementazione di strategie di energia distribuita

Sfide e sfide 

Sebbene la produzione di energia fotovoltaica (PVT) abbia compiuto progressi, deve anche affrontare numerose sfide:

• Rispetto alla produzione indipendente di energia fotovoltaica o solare termica, il costo iniziale è più elevato. 

• I requisiti per la progettazione e la manutenzione del sistema sono complessi. 

• Rispetto alla tradizionale generazione di energia solare fotovoltaica, la conoscenza della tecnologia di integrazione termica fotovoltaica (PVT) da parte del mercato attuale è ancora relativamente limitata. 

• L'attuale sistema di sostegno politico spesso non riesce a tenere pienamente conto delle caratteristiche di tali tecnologie ibride, il che comporta numerose restrizioni per quanto riguarda la richiesta di misure di incentivazione. 

• Superare questi colli di bottiglia è di fondamentale importanza per promuovere l'applicazione su larga scala dei sistemi fotovoltaici e solari termici e liberare appieno il loro potenziale energetico.

Conclusione 

Guardando indietro allo sviluppo della tecnologia PVT, dalla proposta concettuale negli anni '70 alla sua graduale commercializzazione odierna, questa tecnologia ha attraversato quasi cinque decenni di evoluzione. Non solo segna il passaggio dei metodi di utilizzo dell'energia solare dalla "singola generazione di energia" o dalla "singola produzione di calore" a un modello integrato di "cogenerazione di calore ed elettricità", ma riflette anche la tendenza generale del settore delle energie rinnovabili a passare dall'esplorazione sperimentale all'applicazione sul mercato. 

Nel contesto degli sforzi congiunti a livello mondiale verso la neutralità carbonica, la tecnologia PVT, con la sua conversione energetica composta ad alta efficienza, la cogenerazione stabile di calore ed energia e l'eccellente adattabilità del sistema, dimostra una prospettiva applicativa unica. Non solo è applicabile a diversi scenari di consumo energetico, ma soddisfa anche meglio i molteplici requisiti del futuro sistema energetico in termini di pulizia, basse emissioni di carbonio, flessibilità ed elevata efficienza. 

La storia dello sviluppo del fotovoltaico non è solo un processo di maturazione di una tecnologia, ma anche un vivido esempio dell'effetto congiunto di meccanismi innovativi, supporto politico e domanda di mercato per guidare la trasformazione energetica. Guardando al futuro, si prevede che il fotovoltaico svolgerà un ruolo sempre più significativo nella costruzione di un nuovo sistema energetico dominato dalle energie rinnovabili.