Tutto quello che c'è da sapere sull'energia e il solare termico

Che cos'è l'energia solare? Quali sono i luoghi migliori per gli impianti di generazione di energia solare? Come si genera l'elettricità solare? Come si genera il calore solare? Come funziona un sistema di energia solare? Come funziona un sistema di solare termico?
Come si può immagazzinare l'elettricità solare? Come si può immagazzinare il calore solare? Vale la pena di gestire un impianto solare? Vale la pena di gestire un impianto solare termico?
Queste e molte altre domande sull'energia solare trovano qui una risposta. Alla fine, potrete decidere se entrare nel settore dell'energia solare in futuro come produttori di energia solare o come investitori.

Che cos'è l'energia solare?

L'energia solare è l'energia che arriva sulla terra con i raggi del sole ed è utilizzata
- come elettricità (elettricità solare),
- come calore (calore solare)
- o come energia solare immagazzinata chimicamente sotto forma di biomassa, che le piante accumulano grazie alla fotosintesi,
può essere sfruttata.

Si tratta di raggi elettromagnetici che si generano sulla superficie del sole, dove la temperatura è di circa 5.500 gradi Celsius (°C). La causa di queste radiazioni, note anche come radiazioni di corpo nero, sono i processi di fusione nucleare all'interno del sole, noti anche come combustione dell'idrogeno.
Secondo le attuali conoscenze scientifiche, il sole continuerà a fornire energia per altri cinque miliardi di anni. Questo fa sì che il sole sia attualmente la più grande fonte di energia rinnovabile (rigenerativa) che l'umanità possa sfruttare.

Nel corso della svolta energetica - dall'abbandono delle fonti energetiche fossili a quelle rinnovabili - il termine energia solare ha assunto un'interpretazione molto concreta: l'energia solare si riferisce alle due forme di energia che otteniamo dalla radiazione solare:
- calore solare
- ed elettricità solare.

In altre parole, nell'uso quotidiano tendiamo a chiamare energia solare i prodotti che generiamo dall'energia solare. Per entrambe le forme di energia, abbiamo sviluppato tecnologie (impianti solari) per convertire la radiazione solare in energia termica (calore) ed elettrica (elettricità).

Che cos'è un sistema solare?

Solar systems are technical systems with the help of which we obtain usable energy from solar energy. This involves energy conversion from one form of energy (electromagnetic energy) to another (thermal energy or electrical energy).
Depending on how solar systems work (working principle) and which form of energy they ultimately produce, a distinction is made between three types of solar systems:

- Solar thermal systems generate usable heat
   Solar thermal systems (also called thermal solar systems or solar heating systems) are solar systems that use collectors to    "collect" and absorb solar radiation, generating heat in the rather low temperature range. The heat is either transferred directly to    heat consumers via a suitable heat transfer medium (gaseous or liquid) and consumed by them, or it is first transferred to a heat    storage tank to be consumed at a later time. The payback period for a solar thermal system is on average 15 to 20 years.

   Solar thermal systems are available in small, medium and large sizes: To supply a single household with heat for hot water and/or    central heating backup, a few square metres of collectors can be installed on the roof of the house or on the façade, or set up and    operated freely on the property.
   Medium-sized systems supply entire apartment buildings, hotels or sports facilities with solar heat. Large solar thermal systems    with a collector area of up to several thousand square metres are also called ground-mounted systems (FFA) and are installed on    suitable sites.
   They supply heat directly to a heating network (local heating network), which either supplies a village community or an urban    district with heat, or to a heating network of a heat supplier (district heating network).
   Alternatively, the heat from medium-sized and large plants can also be used as process heat for various commercial or industrial    processes.

- Solar thermal power plants generate heat and usable electricity from it
   So-called solar thermal power plants concentrate the sun's rays with the help of mirrors to generate high-temperature heat, which    they use to heat water vapour or a so-called thermal oil to drive turbines that use generators to produce electricity. A distinction is    made between
        - parabolic trough power plants
        - and solar tower power plants.  

   A parabolic trough power plant works like this: curved mirrors bundle the incident solar radiation in a so-called focal line. A thin    absorber tube runs along this line, in which water vapour or a thermal oil circulates. The heat generated by absorbing the solar    energy is transferred to the steam or thermal oil - we are talking about temperatures of up to several hundred degrees Celsius.    Then the hot steam or oil is led to turbines.
   The trough-shaped mirrors of the parabolic trough power plant are usually adjusted to the position of the sun in order to harvest a    maximum of solar radiation throughout the day.
   A solar tower power plant also makes use of the fact that solar radiation can be concentrated. Here, however, hundreds of    computer-controlled burning mirrors direct it to the top of a tower. There is a comparatively small absorber in which temperatures of    up to 1,000 degrees Celsius are generated. This heat is used to generate steam that drives turbines with generators.

- Photovoltaic systems generate usable electricity
   A photovoltaic system consists of interconnected solar cells that have been assembled into modules. When solar radiation hits the    modules, it causes an electrical voltage (direct current). An inverter turns this into alternating current, which can be fed directly to    the consumer, temporarily stored in a battery for electricity storage or fed into the electricity grid. Photovoltaic systems also come in    small, medium and large sizes. Small ones, for example, supply a household partially or completely with electricity, medium-sized    ones supply entire apartment buildings as well as other medium-sized electricity consumers, and large systems installed on open    spaces feed their large amounts of electricity into the grid.

   According to the Federal Environment Agency, photovoltaic systems pay for themselves in terms of energy after one to two years    of operation. After this time, a system will have generated as much energy as is needed for its production, operation and disposal.
   Most solar cells consist of the semiconductor material silicon, i.e. quartz sand, which is highly purified and crystallised under    oxygen deprivation. A crystalline solar cell has three layers:
        - The top layer consists of silicon atoms that are "contaminated" with foreign atoms such as phosphorus. This is called a           negatively doped layer. The individual atoms are saturated here, so that free electrons can be found in this layer.
        - The lowest silicon layer, on the other hand, is enriched with boron atoms, which have too few electrons.
          It is also called a p-doped layer.
        - The so-called boundary layer contains saturated silicon atoms. Via this layer, the excess electrons from the upper layer           migrate to the lower layer to attach themselves to the boron atoms.
          Thanks to the electron movements, an internal electric field is formed, which is also called a p-n junction.

   When solar radiation hits the solar cell, the electrons detach again from the boron atoms in the boundary layer and migrate to the    now unsaturated atoms in the negative layer. Metal contacts made of aluminium or silver are placed on the top and bottom of the    solar cell and connected to each other via a cable.
   They conduct the electrons and make them flow through the cable - an electric circuit is created. In addition to the crystalline solar    cells described above, there are also monocrystalline and polycrystalline solar cells, non-crystalline (amorphous) thin-film cells and    organic solar cells (thin-film modules made of organic plastics).
   Solar electricity can be consumed or marketed. Exciting financing models arise here for large-scale plant operators or investors.    Likewise for land leasers for the installation of a solar park.

La radiazione solare è sufficiente per il funzionamento economico di un impianto solare?

Un prerequisito affinché il funzionamento di un sistema solare sia economicamente vantaggioso è una radiazione solare sufficiente. La quantità di radiazione solare che raggiunge un punto della Terra dipende in larga misura dalle condizioni meteorologiche e dalla posizione del sole nel cielo (posizione del sole).
Poiché entrambe variano, varia anche l'intensità della radiazione solare che colpisce la superficie terrestre. Solo a causa dell'eccentricità dell'orbita terrestre intorno al sole, essa varia di circa il sette per cento nel corso dell'anno. In media, l'intensità della radiazione solare al limite dell'atmosfera terrestre è di circa 1.367 watt per metro quadrato (W/m²) - un valore noto anche come costante solare.

Parte dell'energia della radiazione solare viene diffusa e riflessa dall'atmosfera terrestre. Per esempio
- da particelle solide in sospensione come cristalli di ghiaccio e particelle di polvere
- da particelle liquide in sospensione
- o da componenti gassosi dell'atmosfera.

L'atmosfera assorbe un'altra parte dell'energia della radiazione e la converte direttamente in calore. Il resto della radiazione irradia attraverso l'atmosfera e colpisce la superficie terrestre. Anche qui viene in parte riflessa e in parte assorbita e convertita in calore. Alla fine, tutta l'energia del sole viene rilasciata nello spazio sotto forma di luce riflessa e radiazione termica.
La quantità di radiazione riflessa e assorbita e quella trasmessa dipende dallo stato attuale dell'atmosfera.

Fattori climatici come l'umidità, la copertura nuvolosa e anche la lunghezza del percorso che i raggi compiono attraverso l'atmosfera influenzano il tutto. Si calcola che circa il 30% delle radiazioni vada perso durante il passaggio attraverso l'atmosfera. Il restante 70% costituisce la radiazione globale e può essere suddiviso approssimativamente 50:50 in radiazione diretta e diffusa.
La media giornaliera della radiazione che raggiunge la superficie terrestre (basata su 24 ore) è di circa 165 W/m², con notevoli fluttuazioni a seconda della latitudine, dell'altitudine e delle condizioni meteorologiche.
È bene sapere che la quantità totale di energia che raggiunge la superficie terrestre è più di cinquemila volte superiore a quella richiesta dall'uomo.

A seconda della località, per un impianto solare in Germania si possono prevedere da 1.300 a 1.900 ore di sole. La media è di 1.550 ore di sole all'anno. La radiazione globale in Germania è in media di 1.050 kilowattora per metro quadro all'anno (kWh/m2/a). Nel nord della Germania ci si può aspettare valori inferiori a 1.000 kWh/m2/a e nel sud della Germania valori superiori a 1.200 kWh/m2/a. Ciò significa che sia gli impianti solari termici che quelli fotovoltaici possono essere gestiti in modo economico in questo Paese.
A condizione che il luogo soddisfi anche i seguenti requisiti:

La posizione perfetta per un impianto solare
Gli impianti solari devono essere orientati in modo da ricevere la massima quantità di radiazione solare. Per gli impianti situati in Germania, ciò significa che devono essere orientati verso sud. Se l'orientamento si discosta da questo, bisogna aspettarsi una perdita di rendimento. Si presume che
- circa il 5% di resa in meno se il sistema è orientato verso sud-est o sud-ovest,
- circa il 20% di resa in meno se il sistema è orientato verso est o ovest.

Inoltre, l'angolo di inclinazione dei collettori e dei moduli influenza la resa solare generata dal sistema. In questo caso, si considera un angolo di inclinazione compreso tra 30 e 40 gradi (°) per massimizzare il rendimento. Gli angoli più alti sono consigliati per la Germania settentrionale e quelli più piatti per la Germania meridionale.
Inoltre, anche l'ombreggiatura dei collettori solari e dei moduli solari gioca un ruolo importante per il rendimento massimo dei sistemi. Montagne, edifici alti, alberi alti e cespugli sono tutte potenziali fonti di ombra. È quindi necessario pianificare in anticipo la progettazione di un impianto solare e tenere conto anche degli edifici futuri.

Come vanno le installazioni solari in Germania? - Fatti e cifre attuali

I seguenti dati e cifre sulle installazioni solari in Germania, impianti solari termici e fotovoltaici, provengono dall'Associazione tedesca dell'industria solare (BSW Solar).

Impianti solari termici in Germania (alla fine del 2021)
Secondo BSW Solar, alla fine del 2021 in Germania saranno installati 2,5 milioni di impianti solari termici. Complessivamente, essi rappresenterebbero un'area di collettori solari pari a 21,6 milioni di metri quadrati (m2). 81.000 nuovi impianti solari termici sono stati aggiunti nel 2021, per una superficie totale di collettori solari di 0,64 milioni di m2.
Secondo l'associazione di settore, la capacità solare termica totale generata dai sistemi solari termici nel 2021 è stata di 15,1 gigawatt-termici (GWTh). Nel corso dell'anno è stata installata una capacità solare termica di 450 megawatt-termici (MWTH).
In totale, gli impianti solari termici in Germania hanno generato 8,8 terawattora di calore solare termico (TWhTH) nel 2021. Ciò ha evitato emissioni di gas serra in equivalenti di CO2 pari a 2,4 milioni di tonnellate.

Impianti fotovoltaici in Germania (a maggio 2022)
L'associazione di settore stima in 2,2 milioni il numero di impianti fotovoltaici installati in Germania alla fine del 2021. Complessivamente, questi impianti avrebbero una capacità fotovoltaica installata di circa 60 gigawatt di picco (GWP). Nel 2021 sono stati installati 235.600 nuovi impianti fotovoltaici e si è registrata una capacità fotovoltaica di 6 GWP, compresi i sistemi PPA.
Nel 2021, la produzione lorda di elettricità da impianti fotovoltaici è stata di 50 terawattora (TWhP). La quota dei sistemi fotovoltaici nella produzione netta di elettricità per la fornitura di energia elettrica pubblica è stata del 10%.
In totale, gli impianti fotovoltaici in funzione in Germania nel 2021 hanno evitato 34,4 milioni di tonnellate (t) di emissioni di gas serra in equivalenti di CO2.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell'energia solare?

I vantaggi e gli svantaggi dell'energia solare sono elencati di seguito:

Vantaggi dell'energia solare
- La generazione di energia solare, calore solare ed elettricità solare, così come il loro utilizzo, non rilasciano alcun inquinante atmosferico.
- Anche i gas a effetto serra non vengono emessi durante la produzione e l'utilizzo dell'energia solare.
- L'energia solare viene fornita gratuitamente dal sole all'impianto di generazione.
- Sostituisce i combustibili fossili, riducendo così la dipendenza dalle importazioni di petrolio e gas.
- L'energia solare rinnovabile è disponibile in quantità praticamente illimitata.

Svantaggi dell'energia solare
- Affinché l'energia solare possa fornire una fornitura di energia costante o in grado di rispondere alla domanda, sono necessarie tecnologie di accumulo adeguate.
- I grandi impianti solari (impianti a terra) richiedono terreni. La domanda di terreno è in concorrenza con quella di altre parti interessate (agricoltura e insediamenti/trasporti).