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Termodinamico e fotovoltaico a confronto: efficienza, produzione e costi

Confronto Termodinamico-Fotovoltaico

Le tecnologie utilizzate per sfruttare l'energia proveniente dal sole (energia radiante) e convertirla in elettricità sono due: il fotovoltaico e il termodinamico. Si tratta di tecnologie molto diverse: la prima sfrutta le proprietà fisiche di alcuni elementi di generare un flusso di elettroni se esposti alla luce solare (effetto fotovoltaico); la seconda sfrutta la componente termica (calore) dei raggi solari concentrandola in modo da raggiungere temperature sufficientemente elevate da poter essere usate in un ciclo termodinamico tradizionale basato su turbine a vapore (come in molte centrali termoelettriche).

Il fotovoltaico ha avuto negli ultimi anni una grande diffusione in tutto il mondo e in particolare in Italia, dove si avvia a superare la quota del 6% dei consumi di energia durante il 2013. L'uso del termodinamico invece è stato più limitato ed è stato implementato in modo significativo solo in due paesi, la Spagna e gli Stati Uniti. La situazione dell'Italia era stata già descritta nell'articolo che commentava la notizia della realizzazione di un impianto termodinamico in Sicilia.

Quella fotovoltaica non è una tecnologia particolarmente efficiente, ovvero data una certa quantità di energia radiante proveniente dal sole che colpisce i pannelli, solo una piccola parte viene convertita in energia elettrica. La tecnologia solare termodinamica è più efficiente della fotovoltaica, anche se per un non addetto ai lavori non è facile capire di quanto lo sia, come pure non è facile trovare in giro informazioni chiare in proposito. E` opinione abbastanza diffusa quella di ritenere che la differenza di efficienza sia elevata (e vedremo dopo se è vero).
Ad ogni modo, in base a quanto affermato, è lecito porsi una domanda: perché il termodinamico non ha avuto una più ampia diffusione visto che è la tecnologia solare più efficiente?

Un primo indizio lo si può trarre osservando dove questi impianti sono stati costruiti (vedi la lista su Wikipedia citata poco sopra). Ci si rende subito conto che la quasi totalità è stata realizzata in luoghi desertici, semi-desertici o comunque zone molto aride, dove il sole splende libero da nubi per gran parte del tempo. Non è un caso. Infatti gli impianti termodinamici sono in grado di funzionare solo con la luce diretta del sole; la presenza anche solo di una leggera velatura di nubi porta la produzione a zero. Il fotovoltaico, da parte sua, riesce a sfruttare anche la luce diffusa dei cieli nuvolosi per produrre energia; ovviamente la produzione risulta comunque più alta quando c'è luce solare diretta.

Il modo migliore per capire le implicazioni di quanto detto finora è quello di fare un esempio concreto che metta a confronto il comportamento delle due tecnologie di impianto solare in un medesimo luogo.

Per prima cosa è necessario individuare un impianto termodinamico di cui siano disponibili sufficienti informazioni. La scelta è ricaduta sull'impianto Andasol 3, iniziato a costruire a metà 2008 vicino alla città di Guadix (Spagna) ed entrato in funzione nel settembre 2011 (disponibile file kml per Google Earth).

Si tratta dell'ultimo impianto realizzato in un complesso di tre sostanzialmente identici e, come si può notare, nell'ultima immagine acquisita da Google Earth (luglio 2011) risulta ancora in costruzione. La tecnologia utilizzata è quella degli specchi parabolici lineari.
I dati che servono ai fini del calcolo sono tre:
Superficie captante: 497.040 m2 (la superficie che raccoglie la radiazione solare);
Produzione lorda annuale: 168 GWh;
Insolazione solare diretta: 6.040 Wh/m2/giorno.

I primi due dati sono stati trovati sul sito web della RWE Innogy e della Ferrostaal, due delle aziende che hanno finanziato il progetto. Visto che le due fonti riportano per la produzione due valori leggermente diversi (170-165 GWh), è stata considerata una via di mezzo. Da dire che trovare in giro dati incoerenti è abbastanza comune anche a causa del fatto che i tre impianti Andasol non sono proprio identici (il terzo ha una superficie captante leggermente inferiore agli altri).
Il valore dell'insolazione, che non dipende solo dalla latitudine ma anche dalle condizioni climatiche tipiche del luogo, è stato preso dal sito del Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) tenuto dal Joint Research Centre della Commissione Europea. E` un servizio molto conosciuto e utilizzato per stimare la produzione effettiva degli impianti fotovoltaici ma fornisce anche molti dati sulla radiazione solare.

Finestra PVGIS impianto Andasol3 Guadix

Dopo aver individuato la località relativa all'impianto, selezionando "Monthly radiation" e spuntando la casella "Direct normal irradiation" è stato ottenuto questo pdf con il dato che ci interessa.

Per quanto riguarda l'impianto fotovoltaico, dovendo fare un confronto "alla pari", si ipotizza che la superficie captante sia ovviamente la stessa. Gli altri due dati che servono sono questi:
Produttività: 2.230 kWh/kWp;
Insolazione solare globale: 3.010 kWh/m2/anno.

Entrambi sono stati calcolati con lo stesso servizio del PVGIS usato in precedenza ma selezionando la categoria "PV Estimation", "Crystalline silicon" come tipo di pannelli e spuntando la casella "2-axis tracking". Come risultato è stato ottenuto questo pdf. Da evidenziare che in questo caso il valore di insolazione è globale, ovvero comprende sia la radiazione diretta che quella diffusa (entrambe utilizzabili dal fotovoltaico). Inoltre la scelta dei 2 assi è necessaria per avere un valore da confrontare con l'insolazione solare diretta usata per il termodinamico che viene calcolata su una superficie perpendicolare al sole.

A questo punto avendo tutti i dati in ingresso è possibile procedere con i calcoli:

Calcoli impianto termodinamico e fotovoltaico a Guadix

Come si può notare, una volta portati i due valori di insolazione alla stessa unità di misura risulta evidente come quella diretta sia inferiore alla globale (2205 su 3010 kWh/m2, il 73,2%). Tale rapporto viene mantenuto anche una volta calcolata l'insolazione complessiva dell'impianto, visto che la superficie è la stessa. Più un clima è secco e arido, più la percentuale di insolazione diretta sulla globale aumenta, e viceversa. La località di Guadix sotto questo punto di vista rappresenta il massimo che è possibile ottenere in Europa. Per avere di meglio bisogna indirizzarsi verso zone desertiche come quelle del Nord Africa o del Sud-Ovest degli Stati Uniti.

In queste condizioni favorevoli l'impianto termodinamico, pur sfruttando un livello minore di insolazione, è in grado di avere una produzione superiore a quella del fotovoltaico, anche se non di molto (168 rispetto a 153,9 GWh, il 9,1% in più). Ciò significa che l'efficienza nel convertire l'energia radiante in energia elettrica risulta effettivamente superiore nel termodinamico (con il 15,3%) rispetto al fotovoltaico (con il 10,3%), anche se la differenza, soprattutto in termini di produzione finale, è inferiore a quella che molti comunemente ritengono.
Nella pagina web della RWE Innogy citata in precedenza selezionando il collegamento "Further information" è possibile scaricare un documento informativo sugli impianti Andasol nel quale viene indicato come valore di efficienza medio il 15%, a conferma del fatto che i conti precedenti sono sostanzialmente corretti.

Da notare che per calcolare la produzione fotovoltaica sul sito del PVGIS è stato necessario stimare la potenza nominale (di picco) installabile sulla superficie indicata. Per convezione si usa normalmente il valore di 1 kWp ogni 8 m2 ma è possibile ottenere un valore più realistico e preciso verificando il rapporto superficie/potenza dei pannelli in commercio, anche perché negli ultimi anni l'efficienza è andata leggermente aumentando. In questo caso si è optato per un valore di 7,2 m2/kWp visto che consultando i fogli informativi di due marche di pannelli prese a caso (vedi 1, 2) e prendendo come riferimento i pannelli nella fascia medio-bassa di potenza, quella è risultata più o meno come la "densità" di riferimento (ad esempio, 1680x990 mm / 230 Wp = 7,23 m2/kWp).

Abbiamo visto, quindi, i risultati delle due tecnologie in condizioni particolarmente favorevoli, soprattutto per il termodinamico. Ma cosa succederebbe se si provasse a trasferire gli stessi identici impianti in un luogo assai meno favorevole come Londra? E` quello che si è ipotizzato qui di seguito inserendo nello schema precedente dei nuovi valori calcolati per la località di Londra con il solito servizio del PVGIS. Sono stati ottenuti così altri due file pdf; uno per il termodinamico e uno per il fotovoltaico. Non essendo disponibile un dato di produzione per l'impianto Andasol 3 a Londra, lo si è calcolato a partire dal valore di insolazione applicando la percentuale di efficienza individuata in precedenza.

Calcoli impianto termodinamico e fotovoltaico a Londra

Si può subito notare come i valori di insolazione siano molto inferiori rispetto al precedente caso, ma se quello relativo al fotovoltaico è calato del 46,2% (da 3010 a 1620), quello del termodinamico è calato del 56,5% (da 2205 a 960). In questo modo a Londra la maggiore efficienza dell'impianto termodinamico non è in grado di compensare adeguatamente il maggior calo dell'insolazione diretta, tanto che la produzione finale risulta inferiore a quella dell'impianto fotovoltaico (73,2 rispetto a 87 GWh, il 15,9% in meno). A questo contribuisce in parte anche il leggero incremento di efficienza del fotovoltaico dovuto alle temperature più basse presenti a Londra.

In pratica, se come riferimento si prende l'insolazione globale misurata perpendicolarmente ai raggi del sole (2 assi), l'efficienza di conversione di un impianto termodinamico è solo dell'11,2% a Guadix e del 9,1% a Londra. Valori da confrontare rispettivamente con il 10,3% e il 10,8% ottenuti dal fotovoltaico. Con questi valori, se Guadix e Londra vengono considerati come due punti estremi, significa che in gran parte di ciò che sta nel mezzo il fotovoltaico avrebbe una produzione uguale o superiore al termodinamico.
Infatti in un paese discretamente assolato come l'Italia, già alla latitudine delle zone del centro la produzione fotovoltaica raggiunge e spesso supera quella termodinamica. Ad esempio, prendendo come riferimento la città di Siena avremmo questi risultati (dati PVGIS, termodinamico e fotovoltaico):

Calcoli impianto termodinamico e fotovoltaico a Siena

L'insolazione globale di 2370 kWh/m2 di questo esempio può essere considerata quindi una sorta di valore soglia oltre il quale il fotovoltaico produce più del termodinamico, visto che è difficile che l'incidenza dell'insolazione diretta vari molto rispetto alla percentuale indicata. Sul sito del PVGIS è possibile impostare la mappa in modo da avere una rappresentazione visuale dell'insolazione globale ortogonale selezionando nel menu in basso: "Solar radiation"; "G 2-axis". Il risultato è questo:

Mappa europea della radiazione globale ortogonale

Osservando la legenda si può notare che il precedente valore di insolazione relativo a Guadix (3010 kWh/m2) rappresenta l'estremo superiore della scala. Il successivo riferimento di scala (2350 kWh/m2) è invece molto prossimo al valore calcolato per Siena. Risulta quindi evidente che il vantaggio produttivo del termodinamico in Europa si realizza solo nell'Italia del sud e migliori zone del centro, in gran parte di Spagna e Portogallo, nel sud della Turchia e forse in alcune zone limitate del sud della Francia e delle coste orientali dell'Adriatico. In tutto il resto d'Europa è il fotovoltaico a prevalere.

A questo punto per avere una visione completa, oltre ai dati numerici relativi all'efficienza tecnica degli impianti, ci sarebbero da considerare i dati numerici relativi all'efficienza economico-finanziaria.
Una fonte affidabile per reperire questo tipo di dati è l'Energy Information Administration che calcola e tiene aggiornati i costi unitari di produzione di ogni tipologia di fonte sul territorio degli Stati Uniti secondo il metodo dei "levelized costs". L'ultimo aggiornamento disponibile al momento della stesura di questo testo è quello di gennaio 2013 e fornisce questi dati espressi in dollari del 2011 per MWh :

"Levelized costs" di fotovoltaico e termodinamico calcolati dall'EIA

Come si vede il termodinamico risulta costare ben l'81% in più rispetto al fotovoltaico, e bisogna considerare che gli Stati Uniti possiedono delle ampie zone desertiche favorevoli a questo tipo di tecnologia. Il costo del fotovoltaico negli ultimi anni è calato molto, tanto che nello stesso rapporto redatto nel 2010 veniva riportato un valore di 396 dollari (un calo del 63,6%), mentre il termodinamico è rimasto sostanzialmente invariato. Quindi il termodinamico in Europa nelle condizioni migliori è in grado di produrre il 9% più del fotovoltaico, come visto in precedenza, ma ad un costo che oggi è ormai dell'81% maggiore. Associando questi due dati si comprendono molto bene le motivazioni alla base della differente diffusione delle due tecnologie.
Da notare che nel calcolo del costo eseguito dall'EIA viene sicuramente considerato anche il calo di produttività dei pannelli fotovoltaici nel tempo (comunemente stimato inferiore all'1% annuo).

Oltre alle valutazioni quantitative bisognerebbe poi considerare le diverse caratteristiche qualitative delle due tecnologie.
Quella fotovoltaica è una tecnologia caratterizzata da una notevole praticità e versatilità di installazione. Possiamo avere un micro-impianto da pochi kW sopra il tetto di una abitazione o un grande impianto da centinaia di MW su terreno, il tutto replicando sostanzialmente un medesimo modulo di base (pannelli+inverter). E` una tecnologia che nel complesso si adatta molto bene ad essere impiegata in un sistema di produzione diffuso e distribuito sul territorio.
La termodinamica, almeno così come oggi viene utilizzata, è invece una tecnologia che trova un impiego più "tradizionale", basato su un sistema centralizzato di grandi impianti industriali di produzione. In questo è molto affine al termoelettrico con il quale, non a caso, molto spesso si integra. Proprio quest'ultimo aspetto dell'integrazione è forse una delle caratteristiche più interessanti perché consente di poter gestire l'intermittenza di produzione che affligge il solare nell'ambito di uno stesso impianto, evitando di dover far affidamento su un'intera centrale esterna come copertura (come accade inevitabilmente con il fotovoltaico).
Da una valutazione qualitativa risultano quindi due tecnologie con campi di utilizzo diversi anche se, utilizzando la stessa risorsa intermittente e non programmabile, il sole, finiscono inevitabilmente per essere in competizione tra loro all'interno di un sistema elettrico.


Commenti

interessante il confronto tra i rendimenti del termodinamico e del fotovoltaico

Grazie. Considera che nel frattempo l'efficienza dei moduli fotovoltaici è aumentata ed oggi un pannello di fascia media ha una potenza di 250 Wp (rispetto ai 230 considerati sopra). La densità di potenza dei pannelli passa da 7,2 a circa 6,5 m2/kWp. Con un tale valore ormai la produttività del fotovoltaico risulta superiore al termodinamico anche a Guadix.

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