L’elevata penetrazione di mercato e la conoscenza presso gli addetti ai lavori si concentra solitamente sulla tecnologia Fotovoltaica che ci permette di avere corrente elettrica grazie all’irraggiamento del sole. Non tutti però si soffermano a verificare quanto sono efficienti i moduli fotovoltaici altrimenti scoprirebbero che teoricamente solo una percentuale variabile da 16% (tecnologia “Thin film”) al 24% (tecnologia silicio monocristallino Top-Con) di energia irraggiata dal Sole viene trasformata in Energia elettrica. (1) Il resto dell’Energia dove finisce?
(2) Gli edifici e le attività commerciali ed industriali hanno bisogno solo di energia elettrica o soprattutto di Energia Termica?
È noto da parecchi anni che i pannelli solari termici invece danno la possibilità di produrre acqua calda trasformando una parte dell’irraggiamento (mediamente il 50% circa) in energia termica che viene trasferita al fluido che circola nei pannelli stessi.
La stessa energia Solare può essere quindi trasformata in energia Elettrica oppure in Energia Termica a seconda della tecnologia che si utilizza. Si tratta di due sistemi differenti che, generalmente, vengono installati ognuno per conto suo e la maggior parte delle volte si predilige la Tecnologia Fotovoltaica per problemi di spazio sui tetti e sulle coperture in genere in una sorta di battaglia competitiva (“battle on the roof”).
Dal punto di vista fisico nulla vieta di captare nello stesso spazio l’energia solare per produrre contemporaneamente Energia Elettrica e Termica e quindi recuperare l’energia Termica che altrimenti andrebbe dispersa nell’ambiente utilizzando SOLO UN SEMPLICE PANNELLO FOTOVOLTAICO e rispondiamo così alla domanda (1) e (2) sopra esposte.
Ebbene è possibile installare un unico impianto che comprende entrambi le tecnologie, solare fotovoltaico e termico, utilizzando un unico pannello.
Stiamo parlando di un sistema ibrido, detto anche Termo-Fotovoltaico, che viene già prodotto da diverse società, tra cui Esopower Srl start-up innovativa nel settore dell’efficienza energetica e delle energie rinnovabili
Modulo Solare ibrido UNASOLARE+ di Esopower Srl:
Foto frontale, del retro e particolare del captatore di energia solare
Come funzionano i moduli ibridi (Termo-Fotovoltaici):
Gli impianti solari ibridi si presentano esteticamente come un classico sistema fotovoltaico con moduli con tecnologia al silicio cristallino. Vi ricordate dell’inefficienza di cui abbiamo parlato prima ovvero solo una parte dell’energia solare irraggiata viene trasformata in Energia Elettrica mentre il resto viene dispersa in calore. Con i sistemi Termo-Fotovoltaici è possibile recuperare buona parte di tutta questa energia grazie ad un collettore solare termico realizzato in tecnologia Roll Bond posto a contatto con la parte posteriore del modulo fotovoltaico (vedi foto).
In pratica abbiamo un meandro in alluminio che assorbe il calore che si produce per inefficienza sulla cella fotovoltaica, in estate, durante il periodo di massimo irraggiamento solare, i moduli fotovoltaici arrivano a toccare temperature anche di 80-90 gradi a seconda della latitudine. Il collettore posteriore non solo ha la funzione di sfruttare questo calore per scaldare l’acqua che circola al loro interno, ma riesce anche a raffreddare le celle fotovoltaiche con conseguente innalzamento delle prestazioni. Il calore, infatti, degrada le performance dei moduli fotovoltaici. Il raffreddamento costante permette anche di allungare la vita del pannello, garantendo prestazioni accettabili anche dopo 20 anni.
Come già affrontato precedentemente nel caso di un modulo fotovoltaico oltre l’80% dell’energia solare viene dispersa o scalda il modulo stesso peggiorandone le rese.
In molti casi sulle superfici disponibili dell’abitazione non si ha lo spazio per far convivere le due tecnologie separatamente e sul tetto avviene “metaforicamente” una vera e propria battaglia per lo spazio (“battle on the roof”).
Tecnicamente in conclusione la COPERTA È CORTA! Però con il Solare Ibrido risparmiamo notevole spazio a parità di Energia Resa o al contrario è come se quasi raddoppiassimo lo spazio disponibile.
Facciamo un esempio con un classico impianto fotovoltaico da 3,3kWp, mediamente occupa una superficie di circa 16mq mentre un classico impianto solare termico composto da 2 moduli per una potenza nominale di 4kWt occupa 5mq. In totale abbiamo un’occupazione di 21 mq e due tipologie di moduli a tetto con un impatto estetico anche discutibile.
Se il classico impianto fotovoltaico fosse un impianto solare ibrido avremmo una potenza nominale di 3,3kWe (elettrici) e circa 10kWt (termici) e quindi un potenziale energetico nettamente superiore (+85%) con minor spazio occupato!!
Vantaggi dei moduli solari ibridi (Termo-Fotovoltaici):
Possiamo riassumere i maggiori vantaggi sia tecnici che economici nei punti a seguire:
- Unico pannello per la produzione di energia elettrica e termica con rendimento utile medio annuale intorno al 70% (somma di rendimento medio elettrico e termico)
- Unico impianto e quindi ottimizzazione dello spazio disponibile a tetto nonché migliore estetica
- Diminuzione della temperatura operativa della cella fotovoltaica (soprattutto in estate) e conseguente incremento di energia elettrica prodotta su base annuale (fino al 25% in più)
- Evita il perdurare della neve sui pannelli in inverno e quindi minori perdite economiche da mancata produzione elettrica
- Elevata superficie disponibile anche come scambio termico utilizzabile da pompe di calore al posto delle sonde geotermiche di profondità, il campo termo-fotovoltaico diviene una enorme unità esterna di una pompa di calore per rendere l’idea.
- Minor costo rispetto alla realizzazione separate di impianto fotovoltaico e solare termico, Prezzo del modulo solare ibrido installato è mediamente inferiore alla somma del costo di due pannelli separati (confronto effettuato con moduli made in EU vedi tabella)
- Secondo la latitudine di installazione possibilità di utilizzare il modulo solare ibrido in modalità “Solar Cooling” abbinato a particolari macchine ad “adsorbimento” in grado di produrre energia Termo-Frigorifera partendo dall’acqua calda prodotta dal modulo stesso. Tale utilizzo è permesso solo il modulo solare ibrido è vetrato ovvero non viene dispersa energia sulla parte frontale come, ad esempio, il modello UNASOLARE+ di Esopower Srl
- Ricarica Solare delle sonde geotermiche sia di profondità che di prossimità evitandone il loro depauperamento nel tempo
- Pieno rispetto delle ultime normative vigenti in ambito di risparmio ed efficienza energetica in particolare il Dlgs n.28 del 2011 e s.m.i. e dell’ultima direttiva europea “case green” e quindi con obbligo di copertura di oltre il 50% del consumo di energia per riscaldamento, acqua calda sanitaria e raffrescamento estivo da fonti rinnovabili.
- Ideali per edifici “NZEB” anche in abbinamento a sonde Geotermiche orizzontali o verticali.
- Possibilità di ottenere le detrazioni fiscali del 65% (Ecobonus) per la quota di solare termico e del 50% per la quota di solare fotovoltaico seguendo fatturazione separata.
Tabella rientro investimento soluzioni 1) solo Fotovoltaico 2) solo Solare Termico 3) due impianti Fotovoltaico + Solare Termico 4) Solare Ibrido
Dai conteggi su prodotti europei, il tempo di Ritorno di un Modulo Ibrido è più basso rispetto ad installare un modulo Fotovoltaico + un modulo Solare Termico (TR=1,68 con tro 1,71)
Moduli Ibridi (Termo-Fotovoltaici) Abbinamento a Pompe di Calore:
Una applicazione molto importante che sempre più viene valutata degli addetti del settore e dal mercato è l’abbinamento dei moduli solari termici (e di conseguenza anche dei moduli solari ibridi) alle pompe di calore. L’integrazione tra pompe di calore e collettori solari termici o ibridi è finalizzata all’utilizzo dell’energia solare per la produzione di acqua calda sanitaria e/o per incrementare le prestazioni della macchina. Sono individuabili due principali categorie impiantistiche: sistemi diretti e sistemi indiretti.
I sistemi diretti (schema sotto) integrano il circuito solare direttamente con la pompa di calore: il collettore solare o ibrido corrisponde con l’evaporatore della macchina e il fluido termovettore circolante nel collettore solare è il fluido refrigerante stesso. Il refrigerante evapora nel collettore solare o ibrido e l’energia solare così assorbita è rilasciata verso l’utenza finale al condensatore. Tra gli svantaggi di questa soluzione è la distribuzione del fluido refrigerante, con tutto quello che ne concerne, su un’ampia superficie esterna e quindi sensibile a possibili perdite. Altri svantaggi sono dovuti al carico variabile sul collettore solare/ibrido: essendo soggetto a variazioni dell’irraggiamento (su scale temporali giornaliere e stagionali), la pressione e la temperatura di evaporazione sono variabili. Ne consegue la necessita di utilizzo di un compressore a velocità variabile e di una valvola di espansione ad apertura variabile per evitare l’ingresso di liquido nel compressore e per mantenere un adeguato grado di surriscaldamento all’uscita dell’evaporatore.
I sistemi indiretti (schema sotto) prevedono invece la separazione tra il circuito solare e la sezione termica, introducendo uno scambiatore di calore che rappresenta l’evaporatore della pompa di calore.
Il principale scopo di questi sistemi è l’incremento della temperatura di evaporazione durante il periodo invernale, con il conseguente aumento delle prestazioni (COP) della pompa di calore. Negli impianti di tipo indiretto il fluido impiegato nel circuito del collettore raccoglie l’energia solare per poi cederla al fluido frigorigeno mediante l’evaporatore.
Questi sistemi possono essere classificati in base al fluido adoperato nel circuito solare: acqua glicolata o aria; tuttavia, i sistemi ad acqua trovano un maggior utilizzo nell’ambito residenziale, per l’integrazione con le pompe di calore e la produzione di acqua calda sanitaria.
In definitiva l’integrazione delle pompe di calore con moduli ibridi termo-fotovoltaici è finalizzata all’utilizzo dell’energia solare sia come supporto all’evaporatore e/o per la produzione di acqua calda sanitaria, sia per la produzione di energia elettrica utilizzabile della pompa di calore stessa e dagli altri carichi presenti nell’edificio o ceduta alla rete mediante scambio sul posto.
L’impiego combinato dei moduli Ibridi con pompe di calore può rappresentare una delle opzioni tecnologiche più efficaci, grazie alla riduzione dei consumi di energia primaria, all’alta frazione di rinnovabili impiegata ed alle ridotte emissioni di CO2 conseguibili. Le logiche di integrazione tra i moduli Ibridi e pompa di calore sono le medesime che per il FV semplice e il solare termico, mentre la principale differenza riguarda sia le diverse condizioni operative, risultanti dall’applicazione di moduli Ibridi rispetto ai collettori solari termici, sia le logiche di controllo del sistema integrato, per massimizzare le prestazioni dei collettori Solari ibridi e della pompa di calore.
In sintesi, una corretta integrazione delle due tecnologie permette di utilizzare direttamente l’energia elettrica prodotta dal Fotovoltaico e di ottenere prestazioni più elevate per il riscaldamento invernale, mentre in estate l’effetto combinato dei moduli Ibridi e della pompa di calore può garantire l’eventuale produzione di acqua calda sanitaria, con ridotto consumo di energia primaria.
In estate se la temperatura disponibile dal circuito solare termico è sufficiente la produzione di
acqua calda sanitaria può avvenire con scambiatore diretto con l’utenza, fermando
completamente la pompa di calore: trattasi di soluzione ideale qualora si debba, ad esempio,
provvedere al riscaldamento di acqua di piscina.
Riferimenti economici di base nel confronto tecnologico:
Attualmente un impianto fotovoltaico da 3,3kWp, senza sistema di accumulo elettrico ha un costo installato dai € 7.000 mentre un impianto solare termico per una famiglia di 4 persone ha un costo medio di 5.000 € quindi mediamente dotarsi di entrambi le tecnologie ha un costo di 12.000 €, circa stessa cifra che dobbiamo investire per un impianto solare ibrido.
Ma veniamo ad un’analisi più dettagliata su aspetti che riguardano il costo di produzione dell’energia dai moduli solari ibridi. Facendo un esempio di produzione sulla località di Milano.
Energia prodotta in un anno da 1 m2 di modulo solari ibrido UNASOLARE di ultima generazione: 260kWhe elettrici – 950kWht termici con un rapporto di 1:3,7
Con un risparmio di Energia Primaria di 1’470kWh e 330 tonnellate di CO2 evitate se associamo un valore economico all’energia prodotta abbiamo i seguenti parametri:
0,30 € / kWhe risparmiati – mediamente € 78 per ogni m2 di solare ibrido
L’energia termica ha un valore che dipende dal tipo di utenza sostituito o integrato in particolare abbiamo.
- Nel caso di scaldacqua elettrico abbiamo un risparmio di 0,30€/kWht – mediamente
€ 285 per ogni m2
- Nel caso di Caldaia di piccola taglia abbiamo un risparmio di 0,10€/kWht – mediamente
€ 95 per ogni m2
- Nel caso di Energia Primaria per processi di tipo industriale abbiamo un risparmio di 0,07€/kWht – mediamente € 67 per ogni m2
Dai dati si evince chiaramente che se l’impianto è ben dimensionato sui consumi elettrici e termici gli indici macroeconomici sono molto vantaggiosi sia per la componente elettrica che termica. Calcolando un costo al m2 installato di un impianto solare ibrido di:
- € 700 / m2 per impianti di piccola taglia (fino a 6kW) – con rientro economico variabile tra i 4anni – 6,5anni
- € 500 / m2 per impianti di media taglia (fino a 50kW) – con rientro economico variabile tra i 3,5anni – 5,5anni
- € 350 / m2 per impianti di grande taglia (oltre 50kW) – con rientro economico mediamente di 3 anni