Che cos'è l'energia solare?

La storia dell'energia solare risale ad alcune delle prime civiltà, che usavano lenti di ingrandimento per concentrare i raggi solari e accendere il fuoco. Tuttavia, l'energia solare nel contesto odierno è spesso fatta risalire alla scoperta dell'effetto fotovoltaico, osservato per la prima volta dal fisico francese Alexandre-Edmond Becquerel nel 1839.

Becquerel ha scoperto che quando un materiale semiconduttore come il platino o l'argento viene esposto alla radiazione solare, si forma una corrente elettrica. Nel 1880, Charles Fritts ha ampliato il lavoro di Becquerel creando la prima cella solare. Diversi scienziati hanno sostenuto il lavoro sull'energia solare fino a una svolta nel 1954, quando i Bell Labs hanno sviluppato la prima cella fotovoltaica in silicio. Oggi il fotovoltaico è il modo più comune per sfruttare l'energia solare.

L'energia solare è resa possibile dalle reazioni nucleari che avvengono nel nucleo del sole. I protoni dell'idrogeno si scontrano violentemente e si fondono insieme per creare elio, producendo ingenti quantità di energia. Questa energia si irradia dal sole verso il sistema solare attraverso uno spettro di onde elettromagnetiche, altrimenti note come radiazioni elettromagnetiche.

L'energia solare svolge un ruolo cruciale nella creazione e nel mantenimento della vita sulla Terra. L'effetto serra, ad esempio, è un fenomeno in cui l'energia solare viene assorbita dalla superficie terrestre e irradiata nuovamente nell'atmosfera. I gas serra come il vapore acqueo e l'anidride carbonica intrappolano il calore, creando uno strato isolante che mantiene il pianeta caldo e vivibile. Quasi tutte le creature viventi si affidano all'energia solare, sia direttamente, attraverso processi come la fotosintesi, sia indirettamente come elementi della catena alimentare.

Sulla Terra, i sistemi solari fotovoltaici (PV) e gli impianti solari a concentrazione (CSP) vengono utilizzati per convertire la luce solare in altre forme di energia, come l'elettricità e l'energia termica.

Il solare fotovoltaico sfrutta l'effetto fotovoltaico, la generazione di tensione in seguito all'esposizione alla luce, per creare elettricità. Un pannello o modulo solare è un esempio comune di sistema fotovoltaico, in quanto può ospitare una serie di celle fotovoltaiche (o celle solari). Il numero di celle fotovoltaiche su un singolo pannello fotovoltaico può variare da una a centinaia.

Ogni cella fotovoltaica contiene un semiconduttore costituito da silicio o altri materiali semiconduttori che vengono utilizzati per creare un campo elettrico. Quando la luce solare viene assorbita, gli elettroni vengono liberati dal semiconduttore e assorbiti da una corrente elettrica che si dirige verso un dispositivo esterno. Questo flusso di energia è considerato una corrente continua (CC), che genera elettricità proporzionale alla quantità di luce solare ricevuta. L'elettricità CC può essere convertita in corrente alternata (CA) tramite inverter solari, che consentono di produrre elettricità CA a una tensione prestabilita.

L'elettricità generata da un sistema di pannelli solari può essere utilizzata immediatamente. L'energia in eccesso può essere immagazzinata in una batteria solare o inviata alla rete elettrica. I proprietari di case possono ricevere crediti energetici sulla bolletta elettrica in cambio dei contributi dei pannelli solari. Ciò avviene tramite la misurazione netta. I sistemi fotovoltaici sono il metodo di conversione energetica più comune per le applicazioni su piccola scala e possono essere utilizzati per qualcosa di semplice come l'alimentazione di una calcolatrice. Tuttavia, possono anche essere usati in una scala più grande per generare una maggiore quantità di elettricità. Alcune centrali fotovoltaiche possono fornire energia a intere città.

L'energia solare a concentrazione (chiamata anche energia solare termica concentrata) utilizza specchi per riflettere e raccogliere la luce solare su ricevitori dove scorre un fluido. Il riscaldamento solare aumenta la temperatura del fluido, generando energia termica attraverso l'acqua calda. L'energia serve ad alimentare motori o turbine, le quali generano elettricità che poi fluisce verso le centrali elettriche o integra le reti elettriche.

In genere, l'energia solare a concentrazione (CSP) viene utilizzata per applicazioni industriali e di pubblica utilità su larga scala. Le centrali solari, ad esempio, possono produrre centinaia di megawatt (MW) di energia elettrica ogni anno attraverso i sistemi CSP. Tuttavia, l'energia solare a concentrazione può essere utilizzata anche su scala ridotta per dispositivi come i fornelli a energia solare.

Sia i sistemi fotovoltaici che a concentrazione sono considerati sistemi di energia solare attiva, poiché utilizzano le tecnologie solari per produrre direttamente energia.

I sistemi energetici passivi utilizzano invece approcci di progettazione sostenibile come l'architettura solare per sfruttare il riscaldamento e il raffreddamento naturale della Terra. Mentre il sole riscalda la Terra durante il giorno, materiali edili come legno, metallo e vetro assorbono l'energia solare. Quando il sole tramonta e l'atmosfera si raffredda, i materiali edili emettono il calore immagazzinato attraverso la conduzione, la convezione e l'irraggiamento.

Architetti e ingegneri possono utilizzare questo scambio di calore per creare soluzioni efficienti ed economiche per riscaldare e raffreddare gli edifici. Ad esempio, possono dipingere un tetto di bianco per riflettere l'energia del sole o installare un solarium per riscaldare naturalmente parti di un edificio.

Diversi progressi nel campo dell'energia solare stanno prendendo forma nel panorama normativo, commerciale e tecnologico internazionale. Negli Stati Uniti, il Dipartimento dell'energia sta lavorando a stretto contatto con l'amministrazione Biden per ridurre gli ostacoli allo stoccaggio dell'energia e migliorare gli sforzi per la decarbonizzazione. Ciò avviene in un momento in cui stati come la California e il Nevada, dove gli incentivi fiscali premiano i proprietari di case che scelgono l'energia solare, si trovano di fronte a un problema mai visto prima: le aziende produttrici di energia solare vedono il loro fabbisogno energetico superato da un eccesso di installazioni di impianti solari. 

In India, Adani Green Energy ha messo in funzione 1 gigawatt (GW) di energia solare nel parco fotovoltaico di Khavda, nello stato del Gujarat: un passo fondamentale nel percorso verso la realizzazione di 30 GW di capacità.² Nel frattempo Lightsource, con sede nel Regno Unito, sta sviluppando un parco solare fotovoltaico da 560 MW in Grecia, che diventerà il secondo parco solare più grande d'Europa, titolo attualmente detenuto dal parco solare di Witnitz, nella Germania orientale.³

I frigoriferi a energia solare stanno aiutando a combattere le epidemie di malaria in Africa, conservando i vaccini a una temperatura sicura.⁴ In Giappone sono in corso dei progetti per irradiare l'energia solare direttamente dallo spazio fino alla Terra entro il 2025.⁵ Queste innovazioni sono rese possibili dalla riduzione del costo dell'energia solare, che è sceso del 90% nell'ultimo decennio, e dagli sviluppi nei sistemi di accumulo di energia.⁶