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Come l'energia solare può alimentare l'Italia senza consumare più suolo

Un ambizioso piano di ricerca per integrare il fotovoltaico nelle infrastrutture e negli edifici può trainare la transizione energetica italiana.

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Enzian Office, Bolzano. Il fabbricato è in gran parte ricoperto di moduli fotovoltaici, integrati nelle facciate in vetro. Credits: Eurac Research.

Più del 70% delle emissioni globali di carbonio nell'atmosfera sono attualmente dovute alla produzione e all'uso di energia. Secondo l'Agenzia internazionale per le energie rinnovabili (IRENA), queste emissioni devono scendere a zero entro il 2050, se si vuole limitare l'aumento della temperatura globale a 1,5 °C, come previsto dagli obiettivi dell'Accordo di Parigi. Questo richiederà un massiccio spostamento dei consumi energetici verso l'energia elettrica e le fonti rinnovabili. La generazione di energia elettrica dovrebbe triplicare, e raggiungere i 70.800 TWh/a entro il 2050, con un contributo di almeno il 90% dalle fonti rinnovabili.

In questo scenario, si prevede che il fotovoltaico (PV) passi dall'attuale ~1 Terawatt-picco (TWp) di capacità installata globale ad almeno 14TWp, in grado di generare annualmente la stessa quantità di energia elettrica consumata globalmente nel 2020.

Tuttavia, questo scenario è piuttosto conservativo, e sottostima il contributo chiave che il fotovoltaico potrebbe fornire nel 2030 e soprattutto nel 2050, quando le emissioni nette dovranno essere pari a zero1. Anche se l'elettricità da grandi centrali fotovoltaiche è già l'opzione energetica più conveniente in vaste aree del mondo, compresa l'Europa2, l’espansione della capacità fotovoltaica installata non deve necessariamente limitarsi alla sostituzione delle centrali termoelettriche in un quadro di generazione centralizzata.

Infatti, è soprattutto la possibilità di essere integrato nelle infrastrutture e negli edifici a qualsiasi scala ciò che dà al fotovoltaico un vantaggio competitivo rispetto ad altre rinnovabili, come l'eolico e l'idroelettrico. Se guardiamo gli obiettivi del Piano Integrato Energia e Clima italiano (PNIEC), e li scaliamo verso l'alto per renderli coerenti con i più recenti obiettivi del Green Deal europeo, dobbiamo aspettarci che almeno 100 TWh/a di energia elettrica provengano dal fotovoltaico nel 2030, un aumento di 4 volte rispetto al 2020.

Se l'intera quota di 100 TWh/a di elettricità dovesse essere generata da impianti solari fotovoltaici a terra, servirebbe un'area complessiva di poco più di 1000 km2 assumendo di utilizzare moduli fotovoltaici attualmente sul mercato, con un'efficienza del 22%. Quest'area corrisponde al 5% del suolo attualmente classificato come “consumato” in Italia. Per raffronto, il 40% del suolo consumato è occupato dalle strade e circa il 30% dagli edifici.

Esistono però alternative migliori. Consideriamone due.

La prima opzione è il repowering e revamping degli impianti esistenti. I sistemi di inseguimento solare aumenterebbero la resa energetica di circa il 20-40%, mentre la sostituzione dei vecchi moduli con moduli nuovi, che superano il 22% di efficienza, porterebbe un aumento del 50% della potenza sviluppata dagli impianti solari installati tra il 2010 e il 2015. Questo valore può crescere ancora grazie alla futura generazione di celle solari "tandem", ottenute integrando due dispositivi fotovoltaici ottimizzati per diverse porzioni dello spettro solare, e progettate per superare il limite intrinseco di efficienza del silicio. Grazie a questa tecnologia, economicamente sostenibile, i produttori di celle e i laboratori di ricerca si sono dati l'obiettivo di superare il 30% di efficienza entro il 2030 e l'Italia sta giocando un ruolo importante in questa corsa.

Ma la seconda e più efficace alternativa al consumo di suolo è il Fotovoltaico integrato nelle infrastrutture (IIPV). Gli edifici, per esempio, rappresentano circa il 40% del consumo totale di energia nei paesi industrializzati, e generare energia in loco è essenziale per renderli energeticamente neutri o addirittura produttori netti, riducendo così la domanda di elettricità dalla rete.

Chiesa di Millan, Bressanone. Credits: Eurac Research.

Il potenziale di produzione di energia da impianti sui tetti degli edifici italiani è stata stimata in circa 120 GWp, utilizzando moduli efficienti al 15%3. Sulla base di questi dati, i moduli commerciali attualmente disponibili (22% di efficienza) genererebbero 200 TWh di elettricità all'anno, il doppio dell'obiettivo nazionale per il 2030 discusso sopra. Con moduli efficienti al 30%, il potenziale raggiungerebbe 275 TWh/a. Anche le facciate possono contribuire significativamente, e si stima che edifici residenziali e uffici potrebbero integrare impianti fotovoltaici su un totale di almeno 160 km² di superficie di facciate, e contribuire alla generazione di 15-25 TWh/a di elettricità (a seconda della tecnologia fotovoltaica usata).

Per sfruttare questo potenziale, una nuova filiera industriale deve emergere dalla sinergia fra industrie del fotovoltaico, settore edilizio e servizi, con il supporto della ricerca pubblica.

La ricerca deve lavorare su almeno tre fronti:

1. Progettazione integrata: l’IIPV richiede una specifica competenza di progettazione per combinare l'integrabilità strutturale dei moduli fotovoltaici, la flessibilità del design, l'estetica, l'alta efficienza, l'affidabilità a lungo termine, la riduzione dei costi, la conformità ai requisiti di legge, la facilità di installazione.

2. Nuovi materiali e tecnologie: qui è richiesto uno sforzo multidisciplinare. Soprattutto, lo sviluppo di celle tandem ad alta efficienza (>30%) è fondamentale, in un contesto dove lo spazio ha valore, e dove gli incentivi per gli edifici a diventare produttori netti di energia sono stati aumentati dalla nuova legislazione.

3. Produzione: la produzione di moduli specificamente progettati per le infrastrutture e gli edifici è ancora allo stadio pre-industriale. Gli sforzi di industrializzazione devono concentrarsi sulla produzione flessibile e automatizzata e sul controllo di qualità; su un ampio portafoglio di prodotti multifunzionali progettati specificamente per la pelle dell'edificio; sulla digitalizzazione della gestione energetica; sulla standardizzazione.

Un gruppo di esperti italiani ha proposto un piano d'azione dettagliato nell'ambito dell'iniziativa Europea del SET Plan, che comprende un "laboratorio diffuso" nazionale di R&I, per coordinare enti pubblici di ricerca, industrie, tecnopoli regionali e altri; facility nazionali per la prototipazione industriale, da creare come centri indipendenti, completamente dedicati allo sviluppo di prototipi di pre-produzione e nuovi processi di fabbricazione; progetti strategici in cui il meglio del know-how e dei laboratori di ricerca in tutto il paese partecipano a uno sforzo collaborativo per raggiungere gli obiettivi nazionali del SET Plan.

Crediamo che queste proposte possano stimolare un circolo virtuoso di sviluppo e transizione verso energie rinnovabili, se incorporate nel Piano Nazionale di Recupero e Resilienza (PNRR). L'IIPV non è solo una delle tante applicazioni del fotovoltaico ma un nuovo paradigma per il rilancio del settore edilizio nel quadro della green economy.

Gli autori ringraziano Riccardo Basosi per i sui commenti e suggerimenti.

References

  1. 1.

    M. Victoria, N. Haegel, I.M. Peters et al., Joule (2021).

  2. 2.

    Vartiainen, E, Masson, G, Breyer, C, Moser, D, Román Medina, E., Prog Photovolt Res Appl. 28 (2020).

  3. 3.

    Prina M.G., Casalicchio V., Kaldemeyer C. et al. Applied Energy 264 (2020).

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