LOW←TECH MAGAZINE Italiano

Come abbandonare l’Età del Ferro?

Wed, 08 May 2024 00:00:00 +0000

Immagine: Costruzione di armature per le fondamenta in cemento di una turbina eolica nella contea di Gilliam, USA. Immagine di Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Intrappolati nell’Età del Ferro

Nel 1836, l’antiquario e curatore danese Christian Jürgensen Thomsen distinse tre ere preistoriche sulla base dei materiali predominanti utilizzati per la costruzione di armi e strumenti da taglio: l’Età della Pietra, l’Età del Bronzo e l’Età del Ferro.¹ La classificazione di Thomsen si riferisce al passato ma, secondo il suo criterio, non ci siamo mai evoluti oltre all’Età del Ferro. Anche nel XXI secolo, il ferro rimane il materiale dominante, non solo per armi e strumenti da taglio ma per la maggior parte delle tecnologie moderne.

Oggi usiamo il ferro soprattutto come acciaio. Tuttavia, secondo il criterio di Thomsen, non possiamo parlare di “Età dell’Acciaio”. In primo luogo, l’acciaio è semplicemente una lega di ferro (>98%) e carbonio (<2%). In secondo luogo, gli esseri umani hanno prodotto acciaio sin dagli albori dell’Età del Ferro. Questo è un fatto poco noto nel mondo Occidentale, dove la produzione di acciaio crebbe nel XIX secolo con i combustibili fossili. I metallurgisti Asiatici e Africani, invece, svilupparono acciai di alta qualità molto prima, e questa conoscenza ha poi permesso agli Europei di fare lo stesso – solo su scala molto più ampia.²

Nel 2021, la produzione globale di ferro e acciaio ha raggiunto 1,950 milioni di tonnellate (Mt). Questa cifra è 22 volte più grande della produzione combinata di alluminio e rame (88 Mt). La produzione globale di ferro e rame corrisponde a 5 volte la produzione globale di plastiche (391 Mt) e sminuisce la produzione di silicone (8.5 Mt) e litio (0.1 Mt) nel mondo.³⁴ L’acciaio è il materiale fondamentale delle società industriali. Senza plastiche, litio o silicone, saremmo ancora in una società industriale: senza ferro e acciaio, però, saremmo rigettati indietro di 3,0000 anni nell’Età del Bronzo.

Dov’è tutto questo ferro?

L’enorme presenza di acciaio nella società industriale non è così evidente.⁵ A casa, troviamo molti apparecchi in acciaio come il frigorifero, la lavatrice, il boiler, la vasca da bagno, e gli strumenti per cucinare, riscaldare e condizionare. Tuttavia, solo il 2-3% della produzione totale di acciaio diventa un apparecchio domestico.⁶⁷⁸ All’aria aperta, c’è molto acciaio nella forma di veicoli. Questi sono costituiti soprattutto da automobili che globalmente usano circa il 10% dell’acciaio (il 20% nei paesi più ricchi). Autobus, camion, treni e navi costituiscono un ulteriore 4-5%. In tutto, ciò costituisce meno del 20% della produzione globale di acciaio.

La maggior parte dell’acciaio è incorporata in altri materiali, si trova nel sottosuolo, o lontano dalle zone residenziali.

La maggior parte dell’acciaio è incorporata in altri materiali, si trova nel sottosuolo, o lontano dalle zone residenziali. Più della metà della produzione globale di acciaio è utilizzata per costruire edifici (residenziali, commerciali, industriali) ed infrastrutture (ponti, gallerie, porti, canali, piste, impianti petroliferi, raffinerie, gasdotti, centrali elettriche, linee di trasmissione, ferrovie, metropolitane e altro). Gran parte di questo acciaio è incorporato nel cemento. Il cemento rinforzato è il primo materiale da costruzione al mondo, e il cemento è l’unico materiale in grado di eguagliare la produzione di acciaio (1,819 Mt in 2021).

A grandi linee, il 15% della produzione globale di acciaio è utilizzato per creare macchinari, come macchine utensili, strumenti industriali, hardware elettronico, macchinari per la costruzione, l’estrazione mineraria e l’agricoltura. Anche i prodotti fatti di altri materiai, quali altri metalli, plastiche e legno, sono plasmati da strumenti d’acciaio.⁵ L’ultimo 15% della produzione di acciaio è costituito da una varietà di oggetti, come le viti su imballaggi alimentari o i contenitori di trasporto.⁶⁷⁸

Immagine: Il cemento armato è il principale materiale da costruzione al mondo. Buca sulla Interstate 84, Stati Uniti. Immagine di Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

L’impatto ambientale dell’industria dell’acciaio

L’acciaio viene spesso presentato come uno dei materiali più sostenibili. A differenza della plastica, l’acciaio può essere riciclato senza perderne in qualità. L’industria siderurgica ha fatto grandi progressi nell’efficienza energetica, molto più di altri settori. Produrre una tonnellata di acciaio grezzo oggi richiede circa 20 gigajoule (GJ) di energia primaria - tre volte in meno rispetto al 1950.⁹ Questo dato si confronta molto favorevolmente con altri materiali quali l’alluminio (175 GJ/t), le plastiche (80-120 GJ/t), t), o il rame (45 GJ/t).⁷ A differenza delle plastiche, l’acciaio è un materiale biodegradabile.¹⁰ Infine, il minerale di ferro non scarseggia. Infatti, questo costituisce il 5% della crosta terrestre ed è il quarto elemento per abbondanza.¹¹ Per fare un confronto, il rame costituisce solo lo 0,01%.⁵

Tuttavia, nonostante tutti questi vantaggi, l’industria globale del ferro e dell’acciaio consuma più energia e produce più emissioni di carbonio rispetto a qualsiasi altro settore. Il consumo totale di energia primaria per la produzione di acciaio grezzo è stato di 39 exajoule (EJ) nel 2021, ovvero il 7% di tutta l’energia utilizzata a livello mondiale in quell’anno (595 EJ). Le emissioni di gas serra sono ancora più elevate perché circa il 75% del consumo energetico proviene dal carbone, il combustibile con le maggiori emissioni di carbonio. Nel 2021, l’industria del ferro e dell’acciaio ha prodotto 3,3 Gt di emissioni di carbonio, circa il 9% delle emissioni globali (36,3 Gt).¹² L’industria del calcestruzzo segue a ruota con l’8%.

L’industria globale del ferro e dell’acciaio consuma più energia e produce più emissioni di carbonio rispetto a qualsiasi altro settore.

Le stime sopra riportate provengono dalla World Steel Association e dall’International Energy Agency. Questi dati sono disponibili per tutti i metalli e sono stati documentati per un lungo periodo, permettendo così confronti storici. Tuttavia, si riferiscono solo alla fusione del metallo. Non includono il consumo di energia e le emissioni di carbonio per l’estrazione ed il trasporto di ferro, carbone, calcare, rottami e prodotti siderurgici. Non includono nemmeno l’energia e le emissioni per la produzione di coke e la preparazione del minerale, tutti elementi essenziali per il processo di produzione dell’acciaio.⁷

Studi scientifici che hanno fissato confini più ampi per l’industria siderurgica concludono che il costo energetico della produzione dell’acciaio aumenta dal 50% al 100%.¹³ Uno studio conclude che solo le emissioni di metano derivanti dall’estrazione del carbone metallurgico potrebbero aumentare le emissioni del 27%. Un altro studio stima che il trasporto marittimo di minerale di ferro e acciaio aggiunge il 10-15% di emissioni in più.¹⁴¹⁵ La produzione di ferro e acciaio crea anche altri problemi ambientali, come un elevato consumo di acqua, la produzione di rifiuti solidi e un significativo inquinamento dell’aria e dell’acqua.

L’impatto ecologico dell’industria siderurgica è incompatibile con le ambizioni di eliminare le emissioni nette di carbonio entro il 2050, tanto meno perché è molto probabile che la produzione di acciaio continui a crescere ulteriormente. La produzione di acciaio è decuplicata dal 1950 ed è raddoppiata tra il 2000 e il 2020, crescendo più velocemente di quanto molti ricercatori avevano previsto.¹⁶ Inoltre, i guadagni in termini di efficienza sono diminuiti, e vi è un consenso scientifico sul fatto che le attuali tecnologie hanno raggiunto i loro limiti termodinamici.⁷⁹¹⁷ Durante gli ultimi due decenni, il consumo medio di energia per la produzione di 1 tonnellata di acciaio è rimasto intorno ai 20 GJ/t.⁹¹⁸

Come produrre acciaio senza combustibili fossili?

Esistono due modi per produrre l’acciaio, uno dei quali è molto più sostenibile.¹⁹ Da un lato c’è l’altoforno, o forno a ossigeno basico, in cui l’acciaio è ottenuto da minerale di ferro e carbone. Questa tecnologia ha essenzialmente 2000 anni. D’altra parte, c’è il forno elettrico ad arco, in cui l’acciaio è ottenuto da rottami di acciaio ed elettricità. Il forno elettrico ad arco, che è una tecnologia relativamente nuova, consuma molta meno energia dell’altoforno, utilizza una risorsa riciclata (non è necessario estrarre minerale di ferro) e funziona senza l’uso diretto di carbone o altri combustibili fossili (l’elettricità può essere fornita da una fonte solare, eolica o atomica).

I forni elettrici ad arco più efficienti dal punto di vista energetico consumano oggi meno di 300 kilowattora di elettricità per tonnellata di acciaio prodotto.⁹²⁰ Ipoteticamente, se avessimo prodotto tutto l’acciaio nel 2021 (1.950 Mt) in questi forni, il consumo energetico totale del mondo l’industria siderurgica sarebbe stata di soli 585 terawattora (Twh). Ciò corrisponde a solo un terzo di tutta l’elettricità generata dalle turbine eoliche in tutto il mondo nello stesso anno (1.848 Twh). Sfortunatamente, più del 70% della produzione mondiale di acciaio veniva prodotta in altiforni alimentati da carbone e minerale di ferro.⁹²⁰ Un altoforno consuma venti volte più energia e non può essere alimentato dall’elettricità perché il carbone è sia la fonte di combustibile, che il riducente chimico. La combustione del carbone produce monossido di carbonio che riduce il ferro dal suo minerale.⁷

Scarti disponibili insufficienti

La soluzione sembra ovvia: produciamo tutto quell’acciaio nei forni elettrici ad arco. Tuttavia, questo è impossibile. Non ci sono abbastanza rottami disponibili: la continua crescita della produzione globale di acciaio rende impossibile un flusso circolare di risorse.²¹ Ci vogliono decenni prima che la maggior parte dell’acciaio diventi disponibile per il riciclaggio. Ad esempio, ci sono 543 milioni di tonnellate di acciaio stoccate nelle navi.²² I rottami disponibili per il riciclaggio nel 2021 corrispondono al livello di produzione del 1965, quando la produzione globale di acciaio era inferiore a un quarto di quella odierna (450 milioni di tonnellate).⁹¹⁰¹⁵²³ Di conseguenza, gli altri tre quarti devono essere prodotti in altiforni utilizzando carbone e minerale di ferro appena estratto.

Immagine: Auto da rottamare al porto di Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Oggi la Cina produce circa la metà dell’acciaio mondiale e lo fa quasi esclusivamente in altiforni (+90%) utilizzando carbone e minerale di ferro. Molte altre nazioni produttrici di acciaio hanno una quota maggiore di forni elettrici ad arco. Tuttavia, non ha molto senso puntare il dito contro la Cina. Innanzitutto, gli Stati Uniti e l’Europa hanno esternalizzato molte delle loro industrie in Cina a partire dagli anni 2000, una tendenza che corrisponde esattamente alla crescente produzione di acciaio in quel paese. Inoltre, venti o quaranta anni fa, la Cina praticamente non utilizzava l’acciaio. Di conseguenza ci sono pochissimi rottami disponibili. La Cina non ha altra scelta che utilizzare gli altiforni.²⁴

Qualità di acciaio sempre più elevate

Un secondo ostacolo è il continuo aumento di qualità di acciaio. Attualmente esistono oltre 2.500 tipi diversi di acciaio con una varietà di proprietà, quali maggiore resistenza, tolleranza alle alte temperature o resistenza alla corrosione.⁷⁹²³²⁵ Sebbene questi acciai di qualità superiore possano essere prodotti in forni elettrici ad arco, non sono realizzati con rottami, e hanno un consumo energetico molto più elevato.

L’acciaio disponibile per il riciclaggio costituisce un mix di qualità di acciaio. Questa miscela è adatta per produrre acciaio al carbonio semplice ma non acciai altamente legati, che richiedono rottami con qualità simili. Tuttavia, quel rottame non è disponibile. Ad esempio, l’acciaio inossidabile, ovvero l’acciaio speciale più prodotto, ha un tasso di riciclaggio solo del 15%. Nel 2021 sono state prodotte quasi 60 milioni di tonnellate di acciaio inossidabile, rispetto alle sole 4 tonnellate del 1980.²⁶ L’uso tradizionale dell’acciaio inossidabile era per le posate, gli strumenti chirurgici e le apparecchiature mediche e per la lavorazione alimentare. Tuttavia, ora viene utilizzato anche nella costruzione di tunnel e arredi per esterni, nel trattamento delle acque reflue, nella desalinizzazione dell’acqua di mare, nell’ingegneria nucleare e nella produzione di biocarburanti.⁷

Il basso tasso di riciclaggio e la necessità di estrarre elementi aggiuntivi come cromo e nichel rendono la produzione di qualità di acciaio più elevate ad alta intensità energetica. Ad esempio, la produzione di acciaio inossidabile richiede quasi 80 GJ per tonnellata, quattro volte di più rispetto alla produzione di acciaio al carbonio.⁷²³ Il continuo sviluppo di acciai di qualità superiore è stimolato dalla legislazione ambientale (come l’uso di acciaio più leggero nelle automobili) e dalla concorrenza di altri materiali, principalmente alluminio e compositi plastici.⁷⁹²³²⁵ Ironicamente, la competizione con questi materiali, che consumano ancora più energia, rende l’acciaio sempre meno sostenibile.

Acciaio ed energie rinnovabili

L’industria siderurgica dipende fortemente dall’approvvigionamento energetico, ma anche l’approvvigionamento energetico dipende fortemente dall’industria siderurgica. Quasi il 10% della produzione globale di acciaio è destinata alla costruzione e alla manutenzione delle infrastrutture di approvvigionamento energetico. Tale importo corrisponde all’intera produzione di acciaio nel 1950. Una grande quantità di quell’acciaio va alle infrastrutture del gas e del petrolio.²⁷ L’estrazione, la produzione e il trasporto di petrolio e gas richiedono acciaio per piattaforme di perforazione offshore, oleodotti, raffinerie, petroliere e serbatoi di stoccaggio. L’estrazione del carbone dipende dall’acciaio per frese, caricatori, trasportatori, escavatori e camion.⁷

Sfortunatamente, il passaggio previsto a fonti energetiche a basse emissioni di carbonio e l’elettrificazione delle tecnologie di riscaldamento e trasporto non ridurranno la nostra dipendenza dall’industria siderurgica, al contrario. Una rete elettrica a basse emissioni di carbonio richiede molto più acciaio (e altri materiali) di un’infrastruttura basata sui combustibili fossili. L’energia eolica e solare sono fonti di energia molto diffuse rispetto ai combustibili fossili. Pertanto, sono necessari molti più materiali (e terreno) per produrre la stessa energia. In gergo, l’eolico e il solare hanno una bassa “densità di potenza” o un’elevata “intensità di materiale”.²⁸²⁹³⁰³¹³²

Una rete elettrica a basse emissioni di carbonio richiede molto più acciaio (e altri materiali) di un’infrastruttura basata sui combustibili fossili.

L’“intensità di acciaio” delle centrali termoelettriche a gas e carbone è compresa tra 50 e 60 tonnellate di acciaio per megawatt di potenza installata.³³ Le centrali idroelettriche hanno un’intensità di acciaio inferiore, con 20-30 tonnellate di acciaio per MW.⁷²³ Anche l’intensità dell’acciaio dell’energia atomica è inferiore, attestandosi tra 20 e 40 tonnellate di acciaio per MW installato.³³³⁴ D’altro canto, il solare fotovoltaico richiede tra 40 e 170 tonnellate di acciaio per MW installato.³³³⁵ Anche se nei pannelli solari stessi c’è poco o nessun acciaio, è il materiale d’elezione per le strutture che li sostengono.

Acciaio ed energia eolica

La fonte di energia che richiede di gran lunga il maggior consumo di acciaio è la moderna turbina eolica. L’intensità dell’acciaio di una turbina eolica dipende dalle sue dimensioni. Una singola turbina eolica di grandi dimensioni richiede una quantità di acciaio significativamente maggiore per megawatt di potenza installata rispetto a due turbine eoliche più piccole.³⁶ Ad esempio, una turbina eolica da 3,6 MW con una torre alta 100 metri richiede 335 tonnellate di acciaio (83 tonnellate/MW), mentre una turbina eolica da 5 MW con una torre alta 150 metri necessita di 875 tonnellate di acciaio (175 tonnellate/MW).³⁷ La tendenza è verso turbine eoliche più alte e con una maggiore intensità di acciaio.

Immagine: Torri d'acciaio per turbine eoliche nel porto di Rotterdam. Immagine: Melle Smets.

Il consumo di acciaio aumenta ulteriormente per le turbine eoliche offshore. Le centrali eoliche onshore fanno affidamento sul cemento armato per le loro fondazioni, ma le turbine eoliche offshore necessitano di massicce strutture in acciaio come monopali e camicie.³⁸ Si calcola che l’intensità dell’acciaio per le turbine eoliche offshore sia di circa 450 tonnellate per MW per una turbina da 5 MW – otto volte superiore all’intensità dell’acciaio di una centrale termoelettrica.³⁶ Man mano che queste turbine eoliche diventano più alte e si spostano in acque più profonde, il loro utilizzo di acciaio aumenta ulteriormente.

La turbina eolica offshore più popolare oggigiorno ha una capacità di 7 MW, mentre quelle più grandi hanno una capacità di 14 MW.³⁶ Se facciamo una stima conservativa basata sui dati di cui sopra (l’intensità dell’acciaio raddoppia per ogni raddoppio della capacità di potenza), una turbina eolica offshore da 14 MW richiederebbe 1.300 tonnellate di acciaio per MW o 18.200 tonnellate in totale. Una turbina eolica di questo tipo consuma quindi 24 volte più acciaio di una centrale elettrica a carbone o gas della stessa potenza.

Vita più breve

La differenza tra le fonti energetiche rinnovabili e i combustibili fossili aumenta ancor di più se l’intensità dell’acciaio viene calcolata per unità di energia anziché di potenza (MWh invece di MW). A differenza delle centrali a carbone e a gas, la produzione degli impianti eolici e solari dipende dalle condizioni meteorologiche e non sempre raggiungono la massima capacità energetica. Pertanto, la sostituzione di 1 MW di capacità di generazione di elettricità fossile richiede l’installazione di (in media) 4 MW di energia solare o 2 MW di energia eolica.³⁹ Una turbina eolica offshore da 14 MW ha quindi un’intensità di acciaio quasi 50 volte superiore a quella di una centrale elettrica a combustibili fossili per ogni kilowattora di elettricità prodotta.⁴⁰

Una turbina eolica offshore da 14 MW ha quindi un’intensità di acciaio quasi 50 volte superiore a quella di una centrale elettrica a combustibili fossili per ogni kilowattora di elettricità prodotta.

Anche gli impianti solari ed eolici hanno una durata di vita più breve (20-30 anni) rispetto agli impianti termici (30-60 anni).³¹ Sebbene ciò non influisca sull’intensità dell’acciaio per MW di potenza installata, aumenta nuovamente l’intensità dell’acciaio per unità di energia prodotta nel tempo. Ciò non porta sempre a un raddoppio dell’uso dell’acciaio perché le fondazioni delle turbine eoliche offshore e le strutture dei pannelli solari possono avere una durata di vita più lunga rispetto alle fonti di energia che supportano e potrebbero quindi essere riutilizzate.⁴¹

Infrastruttura di trasmissione di energia

I dati sopra riportati includono solo l’acciaio utilizzato nelle centrali elettriche stesse. Per le centrali elettriche a combustibili fossili, non includono l’acciaio utilizzato negli oleodotti, nelle piattaforme petrolifere, negli escavatori di carbone e simili. Tuttavia, lo stesso vale per le fonti di energia a basse emissioni di carbonio. Poiché hanno bisogno di molte più risorse delle centrali termoelettriche (acciaio ma anche altri metalli e materiali), dipendono da un’infrastruttura mineraria e di trasporto globale che fa un uso intensivo di acciaio tanto quanto la catena di approvvigionamento dei combustibili fossili.

Inoltre, poiché sono fonti di energia più diffuse con una produzione di energia intermittente e imprevedibile, spesso situate lontano dai centri di consumo energetico, le centrali rinnovabili guidano l’espansione delle infrastrutture di trasmissione. Anche questa infrastruttura è fondata sull’acciaio: dalle apparecchiature dei commutatori alle torri fino ai cavi di conduzione.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴²

Infine, le fonti energetiche a basse emissioni di carbonio hanno anche un elevato bisogno di qualità speciali di acciaio, la cui produzione richiede una maggiore intensità energetica. L’acciaio per le turbine eoliche offshore dovrebbe resistere alla corrosione, e l’acciaio inossidabile è sempre più utilizzato per le strutture di supporto dei pannelli solari.⁴³ L’acciaio per laminazione elettrica (ferro-silicio) è indispensabile per i trasformatori della rete elettrica.⁷ Le centrali nucleari possono avere un consumo relativamente basso dell’acciaio, ma sono interamente costituiti da acciai speciali ad alta intensità energetica. Ad esempio, il rivestimento degli elementi combustibili contenenti uranio fissile richiede acciaio allo zirconio, mentre tutti gli elementi strutturali contengono acciaio inossidabile austenitico.⁷⁴⁴

La griglia a basso consumo di carbonio non può essere realizzata con acciaio riciclato

L’elevata intensità di acciaio delle fonti energetiche a basso consumo di carbonio ci mette di fronte al cosiddetto “catch-22”, una situazione in cui sembra non esserci via di fuga da un problema, qualunque cosa facciamo. Abbiamo bisogno di molto più acciaio se sostituiamo le centrali termoelettriche con quelle rinnovabili. Poiché non ci sono abbastanza rottami di acciaio disponibili, possiamo produrre quell’acciaio extra solo dal minerale di ferro negli altiforni che bruciano combustibili fossili. Per affrontare il cambiamento climatico, dobbiamo creare fonti a basse emissioni di carbonio rapidamente e in gran numero. Tuttavia, per ottenere flussi di materiali circolari e costruire fonti di energia a basse emissioni di carbonio da rottami ed elettricità rinnovabile, dovremmo fare il contrario: rallentare lo sviluppo di una rete elettrica a basse emissioni di carbonio.

Immagine: Fondazioni in acciaio per turbine eoliche off-shore. Immagine di Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Uno studio ben citato del 2013 ha concluso che se l’energia eolica e solare fornissero 25.000 Twh di elettricità – che corrisponde alla domanda globale totale di elettricità nel 2021 – avremmo bisogno di circa 3.200 milioni di tonnellate di acciaio per costruire le sole centrali elettriche.³³⁴⁵ Si prevede che la domanda globale di elettricità aumenterà fino a un valore compreso tra 52.000 e 71.000 terawattora nel 2050, il che aumenterebbe la domanda di acciaio tra 6.400 e 8.960 Mt.⁴⁶ Nell’arco della vita dei pannelli solari e delle turbine eoliche (25 anni), dovremmo produrre fra 256 e 358 Mt di acciaio in più all’anno per realizzare turbine eoliche e strutture per i pannelli solari – ciò è paragonabile alla domanda di acciaio per le autovetture (195 Mt) e altre modalità di trasporto (98 Mt) combinate.

Si tratta ancora di una stima molto ottimistica. La domanda di elettricità rappresenta solo il 20% circa della domanda totale di energia. Se la domanda totale di energia (177.000 Twh nel 2021) fosse soddisfatta dall’eolico e dal solare, avremmo bisogno di 22.400 milioni di tonnellate di acciaio. Si tratta di 896 milioni di tonnellate di acciaio in più all’anno, pari alla produzione globale dei primi anni 2000. Si potrebbe sostenere che l’elettricità può essere utilizzata in modo più efficiente rispetto ai combustibili fossili, ad esempio nelle automobili e nei sistemi di riscaldamento. Tuttavia, allo stesso tempo, si prevede che la domanda totale di energia aumenterà ulteriormente, contrastando i guadagni ottenuti da una maggiore efficienza energetica.

Soluzioni high-tech

L’industria siderurgica conta su soluzioni tecnologiche per rendere la produzione di acciaio a zero emissioni di carbonio. Un’opzione è quella di sostituire il carbone con il gas, un approccio già comune in Medio Oriente e Nord America. La produzione dell’acciaio a base di gas comporta emissioni di carbonio leggermente inferiori, ma sono comunque molto più elevate rispetto al caso del forno ad arco elettrico. Pertanto, la maggior parte dell’attenzione è rivolta all’idrogeno, che può sostituire il carbone purificato (coke) come agente riducente in un forno a tino a riduzione diretta.⁴⁷ Tuttavia, la produzione di acciaio basata sull’idrogeno non offre una via di fuga dal problema del catch-22, perché aumenta ulteriormente la necessità di un’infrastruttura ad alta intensità di acciaio.

La produzione di idrogeno è ad alta intensità energetica. Occorrono 50-55 kilowattora per produrre 1 kg di idrogeno e 60 kg di idrogeno per produrre 1 tonnellata di acciaio.⁴⁷ La produzione di 1 tonnellata di acciaio dall’idrogeno consuma quindi 3.000 kWh di elettricità, che è dieci volte superiore al consumo di elettricità di un forno elettrico ad arco per la produzione di acciaio da rottami. Di conseguenza, la produzione di acciaio basata sull’idrogeno richiede circa dieci volte più turbine eoliche e pannelli solari rispetto alla produzione di acciaio basata sui rottami – e quindi dieci volte più acciaio. A questo si aggiunge l’acciaio per la costruzione delle condutture e dei serbatoi di stoccaggio che fanno parte dell’infrastruttura dell’idrogeno.

Immagine: Operaio in un altoforno. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

La cattura e lo stoccaggio del carbonio, in cui le emissioni di carbonio degli impianti di produzione dell’acciaio vengono catturate e poi immagazzinate nel sottosuolo, incontrano gli stessi problemi. Ciò richiede infrastrutture in acciaio ed energia in più, aumentando così indirettamente l’uso di combustibili fossili. Nemmeno il ritorno ai vecchi processi di produzione dell’acciaio preindustriale rappresenta una soluzione. L’altoforno di oggi è essenzialmente ancora l’altoforno dei secoli passati, solo molto più efficiente dal punto di vista energetico.⁷

Soluzioni low-tech

Il quadro dipinto sopra sembra offrire poche speranze per la produzione di acciaio e di energia a zero emissioni di carbonio. Tuttavia, esiste una soluzione a bassa tecnologia che potrebbe raggiungere questo obiettivo. Potremmo adattare la produzione di acciaio all’offerta di rottame disponibile sia in quantità che in qualità. Ciò ci consentirebbe di produrre tutto l’acciaio dai rottami nei forni elettrici ad arco, riducendo drasticamente il consumo di energia ed eliminando quasi tutte le emissioni di carbonio. Naturalmente, l’intento non dovrebbe essere quello di sostituire l’acciaio con compositi plastici e alluminio perché la loro produzione richiede ancora più energia. L’unica soluzione è ridurre complessivamente l’uso dei materiali.

Potremmo adattare la produzione di acciaio all’offerta di rottame disponibile sia in quantità che in qualità.

Ridurre la produzione di acciaio e utilizzare qualità di acciaio più comuni non ci riporterebbe all’Età del Bronzo. Come riportato, la disponibilità globale di rottami ferrosi a fine vita ammontava a circa 450 milioni di tonnellate nel 2021, il che ci consentirebbe di produrre circa un quarto dell’attuale produzione di acciaio. Inoltre, l’offerta di rottame continuerà ad aumentare per i prossimi 40 anni, consentendoci di produrre ogni anno sempre più acciaio a basse emissioni. Entro il 2050, si prevede che la disponibilità di rottami salirà a circa 900 milioni di tonnellate, quasi la metà dell’attuale produzione globale di acciaio.⁴⁸ Tutto quell’acciaio in più potrebbe essere investito nell’espansione della rete elettrica a basse emissioni di carbonio senza prima aumentare le emissioni.

C’è molto spazio per ridurre l’intensità dell’acciaio nella società moderna. Tutti i nostri bisogni primari – e oltre – potrebbero essere soddisfatti utilizzando molto meno acciaio. Ad esempio, potremmo rendere le automobili più leggere rendendole più piccole. Ciò comporterebbe un risparmio energetico senza la necessità di acciaio di alta qualità ad alta intensità energetica. Potremmo sostituire le auto con le biciclette e i trasporti pubblici in modo che più persone utilizzino meno acciaio. Tali cambiamenti ridurrebbero anche la necessità di acciaio nella rete stradale, nelle infrastrutture energetiche e nell’industria manifatturiera. Avremmo bisogno di meno macchine utensili, container ed edifici in cemento armato. Ogni volta che l’intensità dell’acciaio viene ridotta, i vantaggi si riversano su tutto il sistema. Prevenire la corrosione e produrre acciaio a livello locale a partire da risorse locali ridurrebbe anche il consumo di energia e le emissioni.¹⁰¹⁴

La continua crescita della produzione di acciaio – la crescente intensità di acciaio della società umana – rende impossibile una produzione sostenibile di acciaio. Nessuna tecnologia può cambiare la situazione perché questo non è un problema tecnologico. Come la silvicoltura può essere sostenibile solo se la domanda di legno non supera l’offerta di legno, l’acciaio è sostenibile o meno a seconda dell’equilibrio tra offerta (di rottami) e domanda (di acciaio). Forse non saremo in grado di sfuggire all’età del ferro, ma abbiamo un’opzione per sfuggire al circolo vizioso che collega indissolubilmente la produzione di acciaio con i combustibili fossili.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Forthcoming article, Kris De Decker, Low-tech Magazine. Subscribe to Low-tech Magazine’s newsletter. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, and Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, and George E. Totten, eds. Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Meanwhile the data on this page have been updated for 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, and Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Between 25 and 33% of the annual steel production is destroyed once in service by corrosion. See: Iannuzzi, M., and G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
The potential of hydrogen for decarbonising steel production. European Parliament: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2020/641552/EPRS_BRI(2020)641552_EN.pdf ↩︎
Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
See, for example: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. This paper predicted steel demand to reach 1.8 billion tonnes only by around 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
About 5% of global steel is produced by a third method: gas-based direct iron reduction. These furnaces use gas instead of coal and have therefore lower carbon emissions. However, emissions are still much higher than in the case of the electric arc furnace. Gas-based steelmaking mainly happens in the Middle East and North America. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
This also holds true for many other materials. See: “How circular is the circular economy?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://solar.torvax.cloud/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
In the West, the expansion of steel use happened over a period of 150 years, in tandem with technological evolution. In contrast, China compressed this technological evolution in just a few decades: shipping and railways, electrification, steel buildings, the car and the airplane, the internet, and renewable power technologies. There are still large parts of the world where the steel intensity of society is very low, such as India and Africa. There is thus still a lot of room for the growth of the steel output. Source: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://solar.torvax.cloud/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
This result corresponds well with Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
For off-shore wind turbines, the lifetime of the foundations is estimated to be 100 years, so in principle they could serve for replacement wind turbines of the same size. On the other hand, it is not self-evident that these steel foundations will eventually be recycled. First, only around 10% of decommissioning costs can be recovered by recycling the metal, meaning that it is not economically and perhaps even energetically interesting to do it. Second, in some cass marine life has flourished around the foundations. The four offshore wind farms that had been decomissioned in 2019 lasted for 15, 18, 20 and 26 years. Source: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
See https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
See https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Part of this has already been built. The researchers start from the solar and wind power production in 2013, which was 400 Twh, while both power sources produced 2,894 Twh in 2021. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Another motivation for reducing the steel intensity of modern society is to limit the consequences of geopolitical conflicts. The more steel we produce for peaceful purposes, the more steel becomes available for war and destruction. Remarkably, the production of military equipment is absent from modern steel statistics, and if mentioned, its share is very low. However, in times of war, steelmaking facilities switch to producing steel for military purposes. The steel industry can thus be converted into a weapons industry at any moment, and there is now a lot more steel production capacity available than there has ever been in history. ↩︎

Come Costruire un Sistema di Energia Solare su Piccola Scala

Wed, 07 Feb 2024 00:00:00 +0000

Immagine: un pannello solare con regolatore di carica e batteria al piombo. Foto di Marie Verdeil.

I miei lettori mi hanno raccontato che vorrebbero costruire un sistema fotovoltaico su piccola scala, come quelli che alimentano il sito and office e l’ufficio di Low-tech Magazine. Tuttavia, non sanno dove cominciare e quali componenti acquistare. Questa guida porta assieme tutte le informazioni necessarie: quello che ti serve, come collegare ogni cosa, quali solo le scelte di design, dove mettere i pannelli solare, come sistemarli (o meno), come suddividere l’alimentazione ed installare gli strumenti di misura. Essa si rivolge a sistemi ad energia solare che ricaricano batterie e configurazioni più semplici che producono energia solare diretta.

Solitamente, gli impianti solari convenzionali sono solitamente installati su un tetto o in un campo. Essi convertono la corrente continua (DC) a bassa tensione prodotta dai pannelli solari in una corrente alternata (AC) ad alta tensione per l’utilizzo degli elettrodomestici principali, e si affidano alla rete elettrica durante la notte e nel maltempo. Queste regole non valgono per i sistemi su piccola scala che andremo a costruire con questo manuale. Essi sono completamente indipendenti dalla rete elettrica, funzionano completamente a bassa tensione, e non alimentano una città o una casa completa ma, al contrario, una stanza, una serie di dispositivi, o un apparecchio specifico. I sistemi solari su piccola scala funzionano tramite una produzione di energia decentralizzata portata ai suoi estremi.

La maggior parte del lavoro, nella costruzione di un sistema solare su piccola scala, è decidere la dimensione dei vari componenti e costruire la struttura di supporto per il pannello solare. Collegare i vari componenti, invece, è semplice se non vogliamo un pannello di controllo sofisticato. Infatti, servono pochi strumenti: una spelafili, alcuni cacciaviti (alcuni di questi piccoli) e una sega. Avere un saldatore, delle pinze ed un multimetro a portata di mano può essere utile, ma non è necessario.

Prima di iniziare: la sicurezza

La corrente continua a bassa tensione non comporta il rischio di elettrocuzione (ovvero uno shock elettrico fatale), come i sistemi a 12V. A seconda della conduttività elettrica del proprio corpo (e ad altri fattori), si può salire a 20-50V prima di essere uccisi da uno shock elettrico. ¹

Nonostante ciò, i sistemi di energia solare comportano i propri rischi. I pericoli principali sono shock elettrico (non fatale, ma comunque doloroso), incendio, esplosione di batterie e danneggiamento dei componenti. Se si rispettano delle semplici regole però, non ci saranno problemi. Nel corso di sette anni di sperimentazione con l’energia solare, non ho mai causato un incendio o subito uno shock elettrico, pur bruciando dei componenti. Le regole sono:

Non toccare mai i componenti elettrici con mani bagnate.
Non toccare mai le parti esposte di un cavo positivo e negativo allo stesso tempo. Così facendo, diventerai parte del circuito elettrico e subirai uno shock. È completamente sicuro toccare un cavo alla volta. La stessa regola si applica ai terminali della batteria: va bene toccarne uno, ma non due allo stesso tempo.
Non lasciare mai che un cavo positivo tocchi un cavo negativo. Ciò causerà un corto circuito, producendo danni fisici, danni ai componenti, un incendio o l’esplosione di una batteria. Utilizza colori diversi per i cavi positivi e negativi, e assicurati di differenziarli.
Metti sempre un fusibile nel tuo sistema solare.
Assicurati che i tuoi cavi siano sufficientemente grossi.
Non connettere mai il pannello solare direttamente alla batteria. Utilizza invece un regolatore di carica fra i due.
Non mettere mai una batteria al piombo in un contenitore chiuso.

Prima di iniziare: bassa tensione o alta tensione?

La potenza elettrica (in watt) è uguale alla corrente (in ampère) per voltaggio (in volts). Di conseguenza, la potenza elettrica (W) può riferirsi a bassa tensione (V) ad alta corrente (A) o ad alta tensione a bassa corrente. I sistemi solari convenzionali per le economie domestiche usano sempre un invertitore, che converte la corrente continua (DC) a bassa tensione del pannello solare in corrente alternata (AC) ad alta tensione utilizzata dagli apparecchi principali. Si può fare la stessa cosa per un sistema solare su piccola scala, ma è meglio omettere l’invertitore e costruire un sistema solare DC a bassa tensione. ²³ Questo è il tipo di installazione elettrica utilizzato per macchine, camion, barche a vela, roulotte e camper.

Potenza (watt) = V (volt) x A (ampère)

Vi sono molti vantaggi ad omettere l’invertitore. In primo luogo, ciò rende il sistema solare molto più economico dal momento che essi sono costosi. In secondo luogo, rende il sistema più efficiente. Convertire la corrente continua a bassa tensione in corrente alternata ad alta tensione comporta perdite di energia fino al 50% in sistemi solare su piccola scala. Alcuni invertitori di qualità solo più efficienti al 90% quando utilizzati a capacità elevata. Nonostante ciò, se il carico elettrico è molto più basso della massima capacità di un invertitore, come accade per molti progetti solari su piccola scala, l’efficienza diminuisce rapidamente. Spesso c’è un’ulteriore perdita di energia (almeno 5-15%) nella conversione da DC a AC perché molti apparecchi moderni operano a bassa tensione internamente. Questa perdita avviene nell’adattatore AC/DC dell’apparecchio, che può trovarsi al suo interno o al suo esterno.

La corrente alternata ad alta tensione (220-240V in Europa, 110V negli USA) è il risultato di più di un secolo di produzione energetica centralizzata. ² Le centrali a combustibile fossile diventano più efficienti man mano che le loro dimensioni aumentano. Perciò ha senso installare alcune grandi centrali e distribuire l’energia su ampia scala in una specifica regione. Dal momento che la perdita energetica per resistenza è proporzionale al quadrato della corrente, le tensioni elevate sono la chiave per raggiungere una trasmissione di energia efficiente su distanze maggiori. L’energia fotovoltaica ha reso questo approccio obsoleto. AL contrario di una centrale a combustibile fossile o un generatore eolico, l’efficienza di un pannello solare non dipende dalla sua dimensione. Inoltre, dal momento che un pannello può essere localizzato dove l’energia prodotta viene consumata, non è necessario convertire l’energia solare ad alta tensione e trasportarla su grandi distanze.

Il collegamento diretto di un dispositivo DC a bassa tensione alla potenza DC a bassa tensione prodotta da un pannello solare evita queste perdite di energia e produce un sistema più efficiente. In pratica, si può alimentare lo stesso dispositivo con un pannello solare più piccolo. Tuttavia, ciò implica l’utilizzo di dispositivi a bassa tensione. Si potrebbe certamente collegare un invertitore per alimentare un dispositivo se non vi è altra alternativa. Assicurati però di comprarne uno non troppo potente, dal momento che deve essere utilizzato in elevata capacità per essere efficiente. Non ho ancora trovato invertitori con meno di 150 watt di capacità.

Prima di iniziare: è davvero necessaria una batteria?

Il sole non splende sempre. Particolarmente di notte. Puoi però aggiungere una batteria ed un regolatore di carica al tuo impianto fotovoltaico per usare l’energia solare quando c’è la luce del sole. Tuttavia, le batterie sono costose, ad alto consumo di energia e a vita breve. Nel corso della loro vita, le batterie rappresentano l’80-90% dei costi totali e dell’energia investita in un sistema solare off-grid. Esse comportano anche perdite di carico e scarico che devono essere compensate per i pannelli solari più grandi. Per le batterie in piombo, ovvero l’opzione più economica, queste perdite possono raggiungere il 20-30%.

Le batterie rappresentano l’80-90% dei costi totali e dell’energia investita in un sistema solare off-grid.

Questa guida non esclude l’accumulo a batterie, che può essere particolarmente utile per alcuni impieghi. Tuttavia, si può spesso creare un impianto solare senza accumulo a batterie. Questi sistemi solari “diretti” sono più economici, veloci e facili da realizzare. Un sistema solare diretto ti permette di utilizzare una varietà di elettrodomestici, anche quelli potenti, durante il giorno. Alcuni esempi possono essere gli strumenti da officina, sistemi audio e ventilatori. Altri apparecchi, come i frigoriferi, i fornelli e i sistemi di riscaldamento, possono usare l’energia solare diretta in combinazione all’immagazzinamento di calore e freddo come una alternativa economica e sostenibile alle batterie. ⁴

Parte del risparmio sulle batterie può essere speso su pannelli di dimensioni maggiori, così aumentando l’alimentazione in momenti meno ottimali. Un sistema solare diretto può quindi lavorare perfettamente con tempo nuvoloso, anche se non lavora fra il tramonto e l’alba. Lavora particolarmente bene per alimentare apparecchi a batteria, come smartphone, tablet, PC, luci per bicicletta, strumenti elettrici portatili e power bank. Puoi caricare questi apparecchi solo durante il giorno, ma essi possono essere utilizzati anche di notte.

La differenza fra pannelli solari con o senza stoccaggio non è sempre evidente. Ad esempio, puoi connettere un pannello solare ad un power bank USB (con un convertitore DC-DC). Il sistema allora diventa un sistema di accumulo a batterie basate su ioni di litio, quindi avvantaggiandosi delle capacità del power bank stesso. Se ricarichi delle luci LED portatili a batterie, un pannello solare può anche tenere queste accese di notte – una versione moderna della torcia.

Cosa ti serve: i componenti di un sistema solare su piccola scala

Immagine: Una collezione di strutture di supporto per pannelli solari fatte in casa. Foto di Marie Verdeil.

I pannelli solari sono il componente principale di tutti i sistemi che andremo a creare. Essi possono avere tensioni diverse, solitamente 12V o 24V, a volte 36V, 48V o più per sistemi collegati alla rete. Per sistemi su piccola scala, 12V o 24V sono sufficienti per cominciare. Puoi anche trovare pannelli più piccoli con tensioni sotto a 12V.

Mi è spesso chiesto quali pannelli solari acquistare, ma non ci sono molti consigli da dare. La scelta è fra pannelli solari monocristallini e policristallini. I primi sono più potenti e costosi, ma la differenza è poca. Quasi tutti i pannelli solari sono prodotti in Cina, ovunque vengano acquistati. ⁵ Un buon consiglio è di comparare i prezzi e trovare una via di mezzo.

Gli altri componenti dipendono dal sistema che vogliamo costruire. Un impianto solare con accumulo a batteria necessita di un regolatore di carica e di una batteria. Un sistema solare diretto senza batterie ha solo bisogno di un convertitore DC-DC. Entrambi i sistemi hanno bisogno di cavi elettrici, fusibili e connettori. Altri componenti facoltativi possono essere pulsanti on/off e strumenti di misurazione.

Immagine: Un computer portatile alimentato da un pannello solare, un regolatore di carica, una batteria e un inverter. 1. Fusibile. 2. Inverter. Illustrazione di Marie Verdeil.

Immagine: Un computer portatile alimentato da un pannello solare, un regolatore di carica e una batteria. Senza inverter. 1. Fusibile. 2. Adattatore di corrente (12V). Illustrazione di Marie Verdeil.

Immagine: Un computer portatile alimentato da un pannello solare e da un convertitore DC-DC. Nessun regolatore di carica, nessuna batteria, nessun inverter. 1. Fusibile. 2. Convertitore CC-CC (tensione di ingresso variabile, uscita a 12 V). 3. Adattatore di alimentazione (12 V). Illustrazione di Marie Verdeil.

Immagine: Un ventilatore alimentato da un pannello solare. Nessun regolatore DC-DC, nessun regolatore di carica, nessuna batteria, nessun inverter. 1. Fusibile. 2. Diodo Schottky. 3. Ventilatore. Illustrazione di Marie Verdeil.

Come collegare i pannelli solari in serie e parallelo?

I pannelli solari possono essere utilizzati singolarmente o connessi in parallelo o in serie. Quando si collegano in parallelo, l’uscita di tensione rimane la stessa, ma l’uscita di corrente raddoppia. Questa è la configurazione più comune. Se sono necessari, ad esempio, 50W di 12V di energia solare, puoi acquistare un pannello solare da 50W o alcuni pannelli più piccoli (2 da 25W o 5 da 10W) e collegarli in parallelo.

Utilizzare alcuni pannelli più piccoli al posto di un singolo pannello non è l’opzione più economica dal momento che quelli più piccoli costano di più per watt di potenza massima. Tuttavia, potrebbe essere l’unico modo di sistemare dei pannelli nel luogo desiderato. Ad esempio, il mio davanzale è troppo stretto per un pannello da 60W, ma posso installarvi tre pannelli da 20W. Sarebbe più facile ed economico averne uno da 60W in una dimensione adatta al davanzale, ma questo formato non è disponibile.

Quando si collegano in parallelo, l’uscita di tensione rimane la stessa, ma l’uscita di corrente raddoppia.

Essi possono essere collegati anche in serie. L’uscita di tensione raddoppia, ma l’uscita di corrente rimane uguale. Collegare i pannelli in serie ti permette di alimentare apparecchi da 24V con pannelli solari da 12V. In questo caso, si potrebbe semplicemente acquistare un pannello da 24V. È meglio collegare pannelli solari dello stesso tipo, che siano in serie o in parallelo. Diversi tipi di pannelli solari possono avere diverse uscite di corrente, che diminuendo la loro efficienza.

Si possono anche collegare in serie e parallelo. Ad esempio, puoi collegare due gruppi di pannelli da 12V in parallelo, e poi collegare i due in serie. Il risultato è un sistema da 24V con l’uscita di corrente combinata di tre pannelli solari. Puoi anche collegare le batterie in serie o parallelo per ottenere lo stesso risultato.

Illustrazione: come cablare i pannelli solari in parallelo (a sinistra) e in serie (a destra). Illustrazione di Marie Verdeil.

Illustrazione: come cablare i pannelli solari in parallelo e in serie nello stesso circuito. Illustrazione di Marie Verdeil.

Come costruire un sistema solare con batterie di accumulo?

Quando si costruisce un sistema di energia solare con l’accumulo a batterie, è necessario un regolatore di carica e una batteria. La maggior parte degli impianti solari off-grid utilizzano batterie in piombo. Per i sistemi solari portatili a batterie, la soluzione più pratica è la batteria agli ioni di litio. Altrimenti, le batterie in piombo sono l’opzione più sicura ed economica. Esse richiedono controlli di gestione meno complessi rispetto alle batterie al litio. Vi sono altri tipi di batterie meno comuni, ma non affronterò qui l’argomento.

Regolatori di carica solare

Non collegare mai un pannello solare direttamente ad una batteria. Se vuoi immagazzinare l’energia solare per un utilizzo futuro, installa un regolatore di carica solare. Un regolatore di carica solare controlla la tensione d’uscita del pannello solare in funzione della tensione necessaria alla batteria durante le diverse fasi di carica. Essa inoltre fornisce un’uscita stabile da 12V dalla batteria e spegne il sistema se la tensione scende al di sotto di un determinato livello. La maggior parte dei regolatori di carica solare offrono un menu per regolare questi valori. Alcuni sono dotati di un secondo schermo più elaborato.

Sono disponibili centinaia di tipi diversi di regolatori di carica solare. Per i sistemi solari su piccola scala, la mia esperienza è generalmente sono tutti adatti. I regolatori di carica solare più economici funzionano bene, ma dovrebbero funzionare con la tensione corretta e avere una capacità sufficiente (vedi come dimensionare un sistema solare). Non vale la pena utilizzare regolatori di carica solare più costosi (quali MPPT) per i sistemi su piccola scala. Se il tuo sistema funziona con batterie agli ioni di litio, avrai bisogno di un regolatore di carica solare diverso e più costoso. Se hai dimestichezza con l’elettronica, puoi anche costruire il tuo regolatore di carica solare. ⁶

Immagine: Diversi tipi di regolatori di carica solare. Foto di Kris De Decker.

Batterie

Il tipo di batteria al piombo necessaria per un sistema solare su piccola scala è una batteria al piombo sigillata. Se utilizzi un pannello solare da 12V, avrai bisogno di una batteria da 12V. Se utilizzi un pannello solare da 24V, avrai bisogno di una batteria da 24V. È necessario maneggiare bene le batterie al piombo per non rovinarle rapidamente. La cosa più importante è che la loro tensione non scenda troppo e che queste vengano ricaricate completamente con regolarità. Non lasciare mai una batteria al piombo senza ricaricarla per un periodo prolungato. Mantienila collegata ad un pannello solare, anche quando sei fuori casa.

È necessario maneggiare bene le batterie al piombo per non rovinarle rapidamente.

Se collegato ad un pannello solare e ad una batteria, il regolatore di carica scollegherà la batteria quando la tensione scende al di sotto di un determinato livello (solitamente 12V). Questo valore può essere modificato nel menu. Esso può arrivare fino a 11V, a scapito della durata della batteria. Se desideri una maggiore durata della batteria, puoi impostare il valore a 12,2 o 12,5V, ad esempio. Tuttavia vi sarà una minore capacità di accumulo di energia.

Non posizionare una batteria al piombo in un contenitore chiuso. Metti un fusibile nel filo positivo tra la batteria e il regolatore di carica solare il più vicino possibile alla batteria. Puoi monitorare la tensione con un voltmetro digitale. Se vuoi saperne di più sulle batterie, la Battery University è un buon punto di partenza.

Cablaggio

I regolatori di carica solare collegano tutti gli altri componenti: la batteria, il pannello solare e il carico elettrico (ovvero i dispositivi che andrai ad alimentare). Un regolatore di carica solare dovrebbe avere sei fili sporgenti: due per la batteria, due per il pannello solare e due per il carico elettrico. È necessario unire sempre i componenti nell’ordine descritto di seguito.

Collegare la batteria al regolatore di carica solare (simbolo della batteria)
Collegare il pannello solare al regolatore di carica solare (simbolo del pannello solare)
Collegare il carico elettrico al regolatore di carica solare (simbolo della luce)

Per staccare la spina bisogna procedere nella direzione opposta:

Scollegare il carico elettrico dal regolatore di carica solare (simbolo della luce)
Scollegare il pannello solare dal regolatore di carica solare (simbolo del pannello solare)
Scollegare la batteria dal regolatore di carica solare (simbolo della batteria)

Non collegare mai il pannello solare al regolatore di carica se esso non è collegato alla batteria. Pensa alla batteria e al regolatore di carica come una singola unità. Puoi evitare errori costosi lavorando sugli impianti solari dopo il tramonto, o coprendo i pannelli solari durante il giorno.

Come costruire un sistema solare senza batterie di accumulo?

Un sistema ad energia solare diretta non ha bisogno né di una batteria né di un regolatore di carica. Il pannello solare è collegato direttamente al dispositivo da alimentare o ha in mezzo un convertitore DC-DC. Alcuni dispositivi DC possono funzionare anche con tensioni fluttuanti, come ad esempio le ventole, le pompe e altri dispositivi con un motore DC. Il motore funzionerà più velocemente o più lentamente a seconda della tensione. Gli elementi riscaldanti possono funzionare anche a tensioni diverse. Tuttavia, altri apparecchi, come tutti i dispositivi elettronici, necessitano di una tensione d’ingresso precisa e costante. Un convertitore DC-DC è essenziale per fornire una tensione d’ingresso stabile.

Convertitori DC-DC

Un convertitore DC-DC è un modulo elettronico che converte la tensione d’ingresso da un pannello solare (o un’altra fonte) in una tensione d’uscita costante per un dispositivo: ad esempio, 5V per i gadget USB, e da 12 a 20V per gli utensili elettrici. I convertitori “step down” o “buck” abbassano la tensione d’uscita rispetto alla tensione d’ingresso. I convertitori “boost” aumentano la tensione in modo simile. Un convertitore DC-DC comporta perdite di energia, ma queste sono inferiori alle perdite di batterie, invertitori e adattatori AC/DC.

Per i sistemi solari senza accumulo di batterie, devi sapere che i pannelli solari da 12V producono più di 12V. In pieno sole, la tensione d’uscita sarà più vicina a 20V. Lo stesso vale per i pannelli solari da 24V, che avranno una tensione di uscita di circa 32V. L’indicazione 12V o 24V si riferisce solo al tipo di sistema di batterie per il quale è previsto l’utilizzo. Di conseguenza, se si desideri alimentare dispositivi a 12V direttamente su un pannello solare, è necessario un modulo DC-DC che converta l’ingresso da 20V in un’uscita costante da 12V (a meno che l’apparecchio non sia disposto a funzionare con tensioni diverse). Se desideri utilizzare dispositivi a 5V, hai bisogno di un modulo con un’uscita costante a 5V.

Fai attenzione a creare il modulo elettronico corretto. Il convertitore DC-DC più versatile accetta un’ampia gamma di tensioni di ingresso e le converte in qualsiasi tensione di uscita desiderata. Questo tipo di convertitore DC-DC può essere collegato direttamente ad un pannello solare e alimentare tutti i dispositivi, indipendentemente dalla tensione con cui funzionano. Tali moduli consentono di regolare la tensione di uscita ruotando una piccola vite o premendo un pulsante. Alcuni convertitori “buck” e “boost” hanno un piccolo schermo digitale che mostra la tensione di uscita. Altrimenti, utilizza un multimetro per regolare la tensione in uscita.

Altri convertitori DC-DC necessitano di un ingresso di tensione preciso, in modo da essere collegati solo ad una fonte di tensione stabile, come ad esempio una batteria da 12V. Esistono anche convertitori DC-DC con una tensione di ingresso variabile ma una tensione di uscita fissa. Questi possono essere collegati direttamente ad un pannello solare, ma procuratene uno con una tensione di uscita specifica a seconda del dispositivo che desideri alimentare.

Immagine: Una collezione di convertitori DC-DC. Foto di Kris De Decker

Immagine: Un pannello solare da 5 watt a 12V con un convertitore buck da 12V a 5V. Il connettore a sinistra consente di scollegare rapidamente il convertitore DC-DC e di unire il pannello solare a un regolatore di carica. Foto di Kris De Decker.

Cablaggio

Il cablaggio di un sistema solare diretto senza accumulo a batterie è semplice. Se non vi è un convertitore DC-DC, avvitare il + e il - del pannello solare al + e al - dell’apparecchio. Poni un fusibile in mezzo. Facoltativamente, aggiungi un pulsante di on/off. Assicurati che il dispositivo che alimenti possa ricevere la tensione fornita dal pannello solare.

Se il tuo impianto solare fotovoltaico diretto dispone di un convertitore DC-DC, collega il positivo e il negativo del pannello solare al positivo e al negativo dell’ingresso del convertitore DC-DC. Poi, unisci il positivo ed il negativo dell’uscita del convertitore DC-DC al positivo e al negativo del dispositivo. Poni un fusibile in mezzo. Alcuni moduli richiedono la saldatura dei fili, mentre altri hanno viti o tasselli. Se il tuo convertitore DC-DC ha un’uscita a tensione variabile, puoi utilizzare il pannello solare per diversi tipi di apparecchi ruotando la vite. In alternativa è possibile realizzare un pannello di controllo per utilizzare più dispositivi con voltaggi diversi.

Come dimensionare pannelli solari, batterie e altri componenti?

È necessario dimensionare correttamente tutti i componenti di un impianto solare affinché funzionino insieme. Ciò è molto più semplice per un sistema solare diretto rispetto a un sistema solare con accumulo a batterie.

Dimensioni di un sistema solare senza batterie

In un sistema solare diretto, il dimensionamento del pannello solare non è difficile. È necessario abbinare la produzione di energia del pannello ai dispositivi che si desidera caricare o alimentare. Tuttavia, i pannelli solari raramente raggiungono la loro massima produzione energetica, quindi dovresti sovradimensionarli leggermente. Ad esempio, scegli un pannello solare con una produzione di energia pari al doppio del consumo energetico dei dispositivi che desideri collegare. Se volessi farlo funzionare anche con tempo nuvoloso, dovresti scegliere un pannello ancora più grande. Una leggera copertura nuvolosa ha scarsi effetti sulla produzione di energia, mentre una fitta copertura nuvolosa potrebbe quasi fermarla.

Se utilizzi un PC direttamente su un pannello solare, questo richiederà molta più energia durante la ricarica rispetto a quando la batteria è completamente carica (o quando funziona senza batteria). Un pannello solare può essere abbastanza grande da alimentare un PC ma non da caricarne la batteria.

Dimensioni di un sistema solare con batterie

Calcolare la dimensione di un pannello solare per un impianto fotovoltaico con batteria è molto più complicato e comporta anche l’ulteriore difficoltà nella scelta della dimensione della batteria. Un sistema di energia solare con batteria avrà bisogno di un pannello più grande per immagazzinare più energia per la notte ed i periodi di maltempo. È inoltre necessario tenere conto delle condizioni del clima locale. Nei climi meno soleggiati con maggiori differenze stagionali, sono necessari pannelli molto più grandi per caricare le batterie in inverno. Inoltre, le perdite di carica e scarica raggiungono il 20-30% nelle batterie al piombo e circa il 10% nelle batterie agli ioni di litio.

Accumulo di energia per la notte

Per quanto riguarda le dimensioni di un pannello solare per un sistema solare diretto, è necessario considerare solo la potenza. ⁷ Tuttavia, per un impianto solare con batteria, è necessario calcolare anche la quantità di energia necessaria. Il consumo di energia corrisponde alla potenza moltiplicata per il tempo. Ad esempio, se desideri far funzionare un sistema di illuminazione da 20W per 6 ore dopo il tramonto, avrai bisogno di 6 ore x 20 watt di potenza = 120 watt/ora di energia.

Energia (watt/ora) = potenza (watt) x tempo (ore)

Trovare la batteria ed il pannello solare della giusta dimensione può sembrare complicato all’inizio perché per calcolare la dimensione di uno è necessario conoscere la dimensione dell’altro. Perciò, da dove iniziare? Il miglior punto di partenza solitamente è determinare la dimensione della batteria necessaria. Se ci atteniamo all’esempio precedente, tenere le luci accese per sei ore richiede un accumulo di energia di 120 watt/ora.

Tuttavia, non è possibile scaricare completamente le batterie. Le batterie al piombo non dovrebbero scendere al di sotto del 50% della loro capacità massima e, per quelle agli ioni di litio, del 15%. Se hai bisogno di 120 Wh di capacità di accumulo, avrete bisogno di una batteria al piombo da 240 Wh (o una batteria agli ioni di litio da 138 Wh). In secondo luogo, dovresti anche prendere in considerazione le perdite di carica e scarica, che aggiungono almeno il 20% (o 48 Wh) al totale, risultando in una capacità di accumulo della batteria al piombo di 288 Wh (10% per il litio, ovvero 152 Wh). Per trovare la giusta dimensione della batteria, è necessario convertire questo valore in ampère-ora perché è così che viene specificata la capacità di accumulo delle batterie. Per una batteria al piombo da 12V, 288 watt/ora corrispondono a 24 ampère-ora (Ah) (288/12=24) di capacità di accumulo della batteria.

Ora che conosci la dimensione della batteria, puoi determinare la dimensione del pannello solare. Come minimo, deve essere abbastanza grande da caricare completamente la batteria durante il bel tempo nel giorno più corto dell’anno. Questo è il minimo perché le batterie al piombo necessitano regolarmente di una ricarica completa per mantenersi in salute. Se vivi in una zona in cui le nuvole sono frequenti, è meglio dimensionare il pannello solare per caricare completamente la batteria con una copertura nuvolosa moderata. Se durante il giorno viene utilizzata anche l’energia solare, questa incrementa la superficie totale dei pannelli solari.

Per le batterie al piombo, questo calcolo dovrebbe iniziare con un valore pari solo alla metà della capacità della batteria. Non stai scaricando la batteria al piombo al di sotto del 50%, quindi il pannello solare deve caricare solo il 50% (o meno) della capacità di accumulo. Ad esempio, per caricare completamente una batteria da 288 watt/ora è necessario che il pannello solare fornisca 144 watt/ora.

Quindi inizia con una dimensione casuale del pannello e vedi cosa offre. Nell’esempio precedente, un pannello solare da 50 watt che funziona a metà della sua potenza (25W) produrrà 144 watt/ora in meno di 6 ore, ovvero sembra che potrebbe caricare completamente una batteria nel luogo in cui vivo. Al contrario, un pannello solare da 20 watt che funziona a metà della sua capacità impiegherebbe 14,4 ore, cosa che non accadrà.

Accumulo di energia in caso di maltempo

La capacità di accumulo della batteria sopra menzionata ti consentirà di passare la notte solo dopo una ricarica completa della batteria. Tuttavia, non manterrà attive le luci la sera se il tempo durante il giorno è sfavorevole. Per risolvere questo problema è possibile estendere lo spazio di accumulo della batteria o la superficie del pannello solare.

L’opzione più efficiente dal punto di vista energetico ed economico è installare più pannelli solari, o pannelli più grandi, e mantenere invariata la capacità di accumulo della batteria perché i pannelli solari sono molto più economici e consumano meno energia delle batterie. Man mano che la superficie del pannello solare aumenta, caricherà completamente la batteria anche con una copertura nuvolosa. Tuttavia, è necessario lo spazio sufficiente per la superficie del pannello solare, cosa non sempre disponibile.

Se desideri affidabilità grazie ad un sistema a batterie più esteso, moltiplica la capacità della batteria richiesta per il numero di giorni di maltempo in cui hai bisogno di energia. Ad esempio, se hai bisogno di una batteria da 24 Ah per far funzionare le luci per una sera, avrai bisogno di una batteria da 3 x 24 Ah = 72 Ah per compensare tre giorni senza produzione di energia. Questo è lo scenario peggiore e, invece di aggiungere capacità di stoccaggio, è anche possibile ridurre la domanda di energia utilizzando meno luce o impiegandola per un periodo più breve. Le dimensioni della batteria sono sempre un compromesso tra affidabilità da un lato, e costi (sia finanziari che energetici) dall’altro, quindi una certa risposta dal lato della domanda è inevitabile. ⁸

Dopo aver deciso quale batteria ti serve, devi anche aumentare la superficie del pannello solare. Tutte le batterie devono essere caricate. Calcola come menzionato in precedenza.

Online Tools

Ho dimensionato tutte le mie installazioni solari su piccola scala utilizzando i calcoli approssimativi sopra menzionati e mediante esperimenti. Tuttavia, è possibile anche utilizzare calcolatrici online. Dopo aver selezionato la tipologia di impianto (scegliere “off-grid”) e la propria latitudine, inserisci i valori di potenza fotovoltaica di picco installata (in Wp), capacità della batteria (in Wh), limite di interruzione scarica (in %), consumo energetico (in Wh), angolo di inclinazione della pendenza (in gradi) e azimut (in gradi, la posizione del pannello fotovoltaico rispetto alla direzione verso Sud). Così facendo, puoi ottenere una stima della produzione energetica giornaliera per tutti i mesi dell’anno. Puoi quindi giocare con le diverse variabili per ottenere la produzione e lo stoccaggio di energia minimi necessari.

Dimensioni di altri componenti: regolatori di carica, convertitori DC-DC, fili, connettori e fusibili

Una volta determinate le dimensioni del pannello solare e, se necessario, della batteria, è possibile dimensionare tutti gli altri componenti: regolatore di carica, convertitore DC-DC, cavi, fusibili, connettori e interruttori. In questo caso, la “dimensione” non si riferisce tanto alle dimensioni effettive, ma piuttosto alla quantità di potenza che può fluire attraverso un componente. Ciascun componente richiede la corretta tensione (V) e corrente (A). Scegli la giusta “dimensione” del convertitore DC-DC per un impianto di energia solare diretta. Scegli la giusta “dimensione” del regolatore di carica solare in un sistema solare con accumulo di batterie. In entrambi i casi, ottieni la giusta “dimensione” di cavi, fusibili, connettori e interruttori.

Regolatori di carica e convertitori DC-DC

Sia i regolatori di carica (da utilizzare con un sistema solare a batteria) che i convertitori DC-DC (da utilizzare con un sistema solare diretto) devono essere compatibili con la tensione prodotta dal pannello solare. Se utilizzi un pannello solare da 12V e una batteria da 12V, avrai bisogno anche di un regolatore di carica da 12V. D’altro canto, se si utilizza un pannello solare da 12V senza batteria, è necessario un ingresso del convertitore DC-DC che corrisponda alla tensione di uscita del pannello solare (19-20V in pieno sole).

Se il tuo pannello solare produce 3A di corrente, hai bisogno di un convertitore DC-DC o di un regolatore di carica solare che supporti almeno 3A di corrente.

Tuttavia, è altrettanto importante che entrambi i componenti possano sopportare la quantità di corrente (A) che li attraversa. Ciò richiede che tu sappia quanta corrente viene prodotta dai tuoi pannelli solari, informazioni che puoi trovare sul retro. Puoi anche misurarlo con un multimetro. Ad esempio, se il tuo pannello solare produce 3A di corrente, avrai bisogno di un convertitore DC-DC o di un regolatore di carica solare che supporti almeno 3A di corrente. Con due di questi pannelli collegati in parallelo, sono necessari componenti che possano assorbire 6A di corrente. I convertitori DC-DC più economici richiedono solo da 2A a 5A, mentre i regolatori di carica solare più economici richiedono un massimo di 5A. I regolatori di carica e i convertitori DC-DC diventano più costosi all’aumentare della loro capacità attuale.

Fili

Il cavo elettrico è disponibile in molti diametri. Assicurati che i cavi siano sufficientemente spessi per la corrente che li attraversa, altrimenti rischi un incendio elettrico. I sistemi elettrici a bassa tensione necessitano di cavi di diametro maggiore rispetto ai sistemi ad alta tensione perché attraverso di essi scorre più corrente. Fare la scelta giusta può creare confusione a causa di numerosi standard, nessuno dei quali è di facile comprensione. Una soluzione è cablare tutti i componenti con un cavo di diametro relativamente grande, come 20 AWG (massimo 11A) o 18 AWG (massimo 16A). La scelta di un cavo più spesso consente di estendere l’installazione solare in un secondo momento senza aggiornare i cavi. L’unico svantaggio dei fili più spessi è che sono più costosi. Una soluzione economica è riutilizzare i cavi elettrici di elettrodomestici scartati, che puoi tagliare per esporre i fili positivo e negativo.

Fusibili

Il fusibile è un componente di sicurezza essenziale che interrompe il flusso di energia elettrica nel circuito. È possibile costruire un impianto solare senza fusibili, ma in caso di cortocircuito si corre il rischio di un incendio elettrico o di danni ai componenti. Un fusibile deve avere una capacità di corrente massima che superi leggermente il flusso di corrente di picco nel sistema. Se c’è un cortocircuito, la corrente aumenterà e il fusibile si brucerà. Una volta risolto il problema è possibile sostituire il fusibile.

Un fusibile deve avere una capacità di corrente massima che superi leggermente il flusso di corrente di picco nel sistema.

Se la corrente massima nel tuo sistema è 5A, procurati un fusibile da 6A o 7A. La corrente massima del tuo sistema è determinata dal pannello solare e dalla batteria. In un sistema di energia solare a batteria, è importante tenere presente che la corrente che scorre tra la batteria e il carico elettrico potrebbe essere superiore alla corrente che scorre tra il pannello solare e la batteria. Questo è il caso se si collega un apparecchio ad alta potenza alla batteria (tramite o bypassando il regolatore di carica). Pertanto, potrebbero essere necessari cavi più spessi e fusibili più pesanti tra la batteria e il dispositivo. Infine, se desideri utilizzare misuratori di potenza nel tuo circuito, dimensionali in base alla tensione e alla corrente che fluiscono attraverso il tuo sistema.

I fusibili dovrebbero essere vicini alla fonte di alimentazione (pannello solare o batteria), ma fusibili aggiuntivi possono proteggere i dispositivi da problemi con i convertitori DC-DC. Esistono due tipi di fusibili: quelli tradizionali che consistono in un tubicino di vetro inserito in un portafusibili oppure quelli più recenti che assomigliano a delle schede e sono più facili da sostituire. Un interruttore automatico può essere un’alternativa ad un fusibile.

Immagine: Due tipi di fusibili e portafusibili. Foto di Kris De Decker.

Connettori

Hai bisogno di connettori se colleghi due fili, come quando inserisci un fusibile in un circuito. Esistono molti tipi di spine. Alcuni di questi richiedono di avvitare i fili nel connettore. Altri funzionano senza cacciavite. Ho utilizzato strisce di connettori e connettori a leva per la maggior parte dei sistemi. Si possono anche saldare i fili tra loro. Uno strumento pratico è uno spelafili per rimuovere il rivestimento protettivo all’estremità di ciascun filo, esponendo il rame. I connettori hanno spesso una capacità di potenza massima di 10A o 20A, quindi sono adatti alla maggior parte dei sistemi di energia solare su piccola scala.

Immagine: Diversi tipi di connettori. Foto di Kris De Decker.

Interruttori

Gli interruttori consentono di aprire e chiudere i circuiti elettrici. Sono utili quando si divide la potenza, inviando corrente elettrica ad alcuni dispositivi ma non ad altri. Il tipo più semplice di interruttore ha un ingresso e un’uscita (ad esempio, a “on-off”). Questo è posizionato nel filo positivo, proprio come un fusibile. Gli interruttori on-off che si illuminano quando sono attivi sono un po’ più complessi da cablare. ⁹

Immagine: Diversi tipi di interruttori. Foto di Kris De Decker.

Come costruire la struttura di supporto?

È una buona idea fissare un pannello solare su un supporto. Ciò lo rende più utile e offre protezione a un dispositivo che dovrebbe durare 30 o più anni. Le strutture di supporto disponibili in commercio per i pannelli solari spesso costano più dei pannelli solari. Questo è uno dei motivi per cui conviene realizzare la propria struttura, oltre al fatto che ti consente di adattarla ad una posizione specifica. Esistono molti modi per costruire strutture di supporto per pannelli solari, sia per uso fisso che portatile. Documento semplicemente i progetti (fissi) che ho realizzato io stesso, utilizzando principalmente legno di scarto e giunti metallici. Puoi anche fissare i pannelli solari a strutture esistenti, come un cavalletto, la vecchia struttura del letto o qualunque cosa tu possa trovare.

Come fissare il pannello al telaio?

Utilizzo due metodi per collegare i pannelli solari alle strutture. Il primo metodo consiste nel cercare pezzi di legno che abbiano più o meno lo stesso spessore del pannello solare, farli scorrere all’interno del telaio e avvitarli nei quattro fori predisposti del telaio in alluminio del pannello solare (i pannelli più piccoli hanno solo due fori) . Idealmente, si inserisce un pezzo di legno per due fori, ma vanno bene anche quattro pezzi di legno.

Successivamente, collega questi pezzi di legno con altre due parti di legno posizionate trasversalmente sopra di essi. Il pannello solare è ora saldamente fissato ad una struttura in legno. Metti abbastanza legno sotto il pannello solare dove fisserai le cerniere (vedi più avanti), che fissano il pannello solare alla parte inferiore della struttura e ti permettono di regolarlo a diversi angoli di inclinazione. La struttura di supporto inferiore deve rimanere stabile anche se il pannello è in posizione verticale (a meno che tu non lo voglia).

Immagine: due strutture di pannelli solari con angolo fisso sul balcone. Foto di Kris De Decker.

Fai attenzione perché i pannelli solari sono delicati. Quando avviti il legno nel pannello solare, assicurati che la vite non sia abbastanza lunga da penetrare il pannello solare. Anche una piccola foratura in un pannello solare può essere sufficiente a far sì che smetta di funzionare per sempre. Inoltre, occorre prestare molta attenzione quando si maneggia un pannello solare con la parte anteriore poggiata su una superficie, cosa che accade, ad esempio, quando lo si avvita contro un supporto di legno. Assicurati che nessuna vite sia nascosta sotto al pannello solare quando eserciti pressione su di esso.

Il secondo metodo consiste nel costruire una cornice attorno al pannello solare come se fosse un dipinto. La parte posteriore del telaio è una sottile tavola di legno, leggermente più grande del pannello su tutti e quattro i lati. Fai un buco al centro della tavola per far passare i cavi dei pannelli solari. Poi avvita le doghe di legno sul lato del pannello in modo che il pannello solare si adatti. Infine, aggiungi alcuni pezzi di metallo o legno sulla parte superiore del telaio per garantire che il pannello solare rimanga fissato all’interno del telaio. È quindi possibile aggiungere una cerniera e collegare la struttura superiore a una struttura di supporto inferiore.

Immagine: Un pannello solare sorretto da una cornice su una vecchia lampada IKEA. Foto di Marie Verdeil.

Immagine: Un pannello solare attaccato a un cavalletto. Foto di Marie Verdeil.

Come regolare l’inclinazione e la rotazione del pannello solare?

Poiché l’elevazione e l’orientamento del sole variano durante il giorno e l’anno, un pannello solare con posizione fissa non sfrutta in modo ottimale l’energia solare. Genererà la sua massima capacità solo se perpendicolare ai raggi del sole.

La maggior parte dei sistemi convenzionali dispone di pannelli solari con angolo e orientamento fissi. Gli impianti solari su piccola scala possono funzionare anche con angoli fissi. Tuttavia, a differenza dei sistemi su tetto, i pannelli solari sono solitamente a portata di mano, il che rende possibile aggiungere un meccanismo manuale che permetta di variare l’inclinazione ed eventualmente anche la rotazione del pannello solare. La regolazione dell’angolazione può avvenire ad ogni cambio di stagione, mentre il pannello solare può ruotare un paio di volte al giorno. Tutto questo può avvenire automaticamente tramite l’elettronica, ma anche manualmente. Puoi anche regolare l’orientamento di un pannello solare girando l’intera struttura di supporto verso il sole se essa è sufficientemente mobile. Ciò è particolarmente utile quando l’energia solare a trasmissione diretta fa funzionare un apparecchio che richiede la tua attenzione, come un elettroutensile.

L’aggiunta di entrambi i meccanismi complica la progettazione. Solitamente, però, è sufficiente una struttura di sostegno che permetta al pannello di variare la sua inclinazione a seconda delle stagioni. Inclinare i pannelli in una posizione quasi verticale è la chiave per raccogliere sufficiente energia solare durante l’inverno, quando le carenze energetiche sono più probabili.

Immagine: L'inclinazione di questo pannello può essere regolata e può girare intorno al suo asse. Foto di Marie Verdeil.

L’angolazione ottimale di un pannello solare dipende dalla stagione e dalla posizione. Puoi calcolarlo rapidamente con degli strumenti online. Ad esempio, a Barcellona in Spagna (41 gradi di latitudine), l’inclinazione ottimale dei pannelli solari varia da 26 gradi (dalla verticale) a dicembre a 72 gradi a giugno. Un angolo fisso di circa 40 gradi rispetto alla verticale è un compromesso in cui i pannelli sono posizionati meglio per l’inverno che per l’estate.

Per i pannelli solari con inclinazione fissa utilizzo cerniere di grandi dimensioni e travi di sostegno in pezzi di legno con giunti metallici. Decido l’angolo e poi calcolo la lunghezza delle travi di legno usando la geometria. Per i pannelli solari con inclinazione variabile utilizzo metodi diversi. Per i pannelli solari più grandi che rimangono all’esterno con qualsiasi tempo, sostituisco le travi di sostegno in legno con altre più lunghe o più corte a seconda della stagione. Naturalmente si potrebbe anche progettare un sistema più sofisticato che permetta di regolare l’inclinazione del pannello solare senza modificare i raggi.

Per i pannelli solari più piccoli, utilizzo le cerniere per fissare travi di supporto di diverse dimensioni oppure utilizzo una vite a farfalla per allentare e modificare l’inclinazione. Tuttavia, questi metodi non sono adatti per l’uso all’aperto in caso di vento.

Dove mettere i pannelli solari?

I sistemi di energia solare su piccola scala possono essere mobili o statici. Puoi posizionarli su davanzali, balconi, terrazze e patii. Puoi metterli in uno zaino e portarli con te. Possono anche trovarsi all’interno, vicino ad una finestra. Ho uno di questi pannelli su una scrivania davanti a una finestra. Si collega a una batteria, un controller di carica e una luce integrata. Funziona bene in inverno, quando il sole è basso nel cielo e la luce solare penetra in profondità nella stanza. Raccogliere l’energia solare all’interno di un edificio potrebbe non essere la soluzione più efficiente, ma in questo modo la struttura del pannello solare non deve resistere al vento e alla pioggia.

Si ricordi che in alcune città e paesi le autorità potrebbero aver vietato l’uso di pannelli solari sulla facciata di un edificio. A Barcellona, ad esempio, è consentito solo se i pannelli solari non sono visibili dalla strada.

Come fissare in sicurezza le strutture dei pannelli solari?

I tuoi pannelli solari non possono cadere dal davanzale della finestra o dal balcone. Costruisci una struttura di supporto abbastanza robusta. Essa dovrebbe rimanere al suo posto anche durante un temporale. Ho inserito le mie strutture di supporto tra il telaio della finestra e un portapiante in metallo, e probabilmente non avrei osato installare i pannelli sui miei davanzali stretti senza questo supporto. Ho anche appesantito le basi della struttura con rocce e batterie al piombo defunte. Infine, ho legato le strutture di sostegno alle ringhiere metalliche. Meglio prevenire che curare.

I pannelli solari sui balconi di solito comportano meno rischi di cadere dall’edificio. Tuttavia, rendili pesanti o resistenti perché i pannelli solari sono buoni captatori del vento. Ho realizzato due grandi strutture, una per un pannello solare da 30W (che gestisce questo sito web ad energia solare) e una per due pannelli da 50W, che alimentano il soggiorno. La struttura più piccola contiene un grande contenitore per piante, mentre la struttura di supporto più grande funge anche da baule pieno di oggetti. Tutti i miei pannelli solari sono sopravvissuti a diverse tempeste senza alcun danno.

Immagine: Due sistemi solari di piccole dimensioni (100 watt e 30 watt) sul balcone. Foto di Kris De Decker.

Immagine: Una struttura di supporto per un pannello solare da 30W con un contenitore per piante all'interno. Foto di Kris De Decker.

Immagine: tre pannelli solari da 10W sul davanzale di una finestra. Foto di Kris De Decker.

Come suddividere l’alimentazione ed utilizzare contemporaneamente vari dispositivi

Dopo aver costruito un sistema di energia solare, puoi collegarvi un carico elettrico. Se l’impianto solare ha un solo scopo, collega il dispositivo elettrico al regolatore di carica solare, al convertitore DC-DC o al pannello solare. Potresti anche volere un interruttore per accendere e spegnere il sistema.

Tuttavia, in altri casi, potresti volere maggiore flessibilità. Ad esempio, potresti voler dividere la potenza per far funzionare più apparecchi contemporaneamente o alternativamente sullo stesso impianto solare. Ciò è semplice se tutti i dispositivi funzionano con la stessa tensione. Hai solo bisogno di un connettore con due ingressi (più e meno) da un lato e più uscite dall’altro. Potresti anche voler aggiungere interruttori on-off per ogni circuito invece di (o in aggiunta a) un interruttore per l’intero sistema. Se invece desideri utilizzare apparecchi che funzionano con tensioni diverse, è necessario dividere la potenza e inserire in ciascun circuito il convertitore DC-DC appropriato.

La suddivisione della potenza funziona per impianti solari diretti e sistemi solari con batteria. Tuttavia, costruiscili in modo leggermente diverso. Quando utilizzi una batteria e un regolatore di carica solare, la tensione di uscita è stabile a 12V o 24V. Se tutti i tuoi dispositivi funzionano a 12V o 24V, la divisione della potenza può avvenire senza alcun convertitore DC-DC. Se vuoi includere anche un circuito che necessita di una tensione diversa (ad esempio 5V per caricare i dispositivi USB), puoi utilizzare un convertitore DC-DC con una tensione di ingresso stabile (12V/24V) e una tensione di uscita di 5V.

Al contrario, quando utilizzi direttamente un pannello solare, la tensione di uscita dipende dalle condizioni solari. Inoltre, spesso questa è superiore a quello di cui hanno bisogno i tuoi dispositivi. Quando tutti i tuoi apparecchi funzionano con la stessa tensione, ad esempio 12V, installa un convertitore DC-DC che accetti una tensione di ingresso variabile e produce la tensione di uscita desiderata. Poi, si divide il potere. Quando i tuoi dispositivi funzionano con tensioni diverse, prima dividi l’alimentazione e poi inserisci un convertitore DC-DC in ogni circuito. Dividi nuovamente la potenza se desideri una seconda uscita con la stessa tensione di uscita.

Immagine: suddivisione dell'energia di un impianto solare con accumulo a batteria. 1. Fusibile. 2. Convertitore buck (da 12V a 5V USB). 3. Convertitore boost (da 12V a 24V). 4. Inverter (da 12V a 110/220V). Illustrazione di Marie Verdeil.

Immagine: suddivisione dell'energia di un impianto solare senza batterie di accumulo. 1. Convertitore buck (da 20 V a 5 V). 2. Convertitore boost (da 20 V a 24 V). 3. Convertitore buck (da 20 V a 12 V). 4. Inverter (da 12 V a 110/220 V). Illustrazione di Marie Verdeil.

Se il tuo sistema solare è dotato di batteria e regolatore di carica, e tutti i tuoi dispositivi funzionano con la stessa tensione, puoi anche utilizzare i tipici connettori da 12V/24V. Si possono collegare o scollegare a seconda dell’apparecchio che desideri utilizzare. Se disponi di più prese di corrente, puoi utilizzare più dispositivi contemporaneamente.

Come includere gli strumenti di misurazione?

Un impianto solare funziona perfettamente senza strumenti di misura, ma questi sono utili per comprendere e mantenere il tuo sistema. Ti aiutano anche a ottimizzare l’efficienza energetica.

Misuratore di tensione della batteria

Se il tuo sistema di energia solare include una batteria, aggiungi un voltmetro. Sebbene la maggior parte dei regolatori di carica mostri la tensione della batteria, spesso è necessario premere un pulsante per visualizzarla. Al contrario, se aggiungi un voltmetro direttamente alla batteria, puoi sempre sapere lo stato della batteria in un batter d’occhio. I voltmetri digitali possono essere molto luminosi, quindi se vuoi spegnerlo di notte, aggiungi un interruttore on-off.

Leggere un misuratore di tensione della batteria richiede un po’ di pratica.

Leggere un misuratore di tensione della batteria richiede un po’ di pratica. La tensione della batteria generalmente non dovrebbe scendere sotto i 12V (24V nel caso di una batteria da 24V). Tuttavia, la tensione della batteria riflette la corretta capacità di accumulo solo quando non vi è un’alimentazione attiva (il pannello solare non funziona) e nessun carico elettrico (nessun dispositivo collegato). Se in questa situazione il misuratore della batteria indica 12V, non scaricarla ulteriormente per evitare un invecchiamento precoce. Se indica 12,9 o 13V, la batteria è completamente carica. Man mano che la batteria invecchia, quest’ultimo valore diminuirà gradualmente (12,6V è un valore tipico per una batteria più vecchia completamente carica).

Se si accende un carico elettrico, la tensione diminuisce e non riflette più la capacità di accumulo della batteria. Se il pannello solare è attivo, la tensione della batteria aumenta e non corrisponde più alla capacità di accumulo.

In pieno sole, la tensione della batteria supererà rapidamente i 13V. Se colleghi un dispositivo ad alto consumo energetico al regolatore di carica solare di notte, la tensione della batteria potrebbe scendere al di sotto di 12V. Tuttavia, in entrambi i casi, la capacità di accumulo della batteria potrebbe essere la stessa, ad esempio 12,4V. Pertanto, per conoscere la capacità di accumulo della batteria, è necessario controllare la tensione di notte con il carico elettrico spento. Ci vuole un po’ di tempo prima che la tensione si stabilizzi, quindi lasciagli il tempo di ottenere una stima esatta.

Questo può sembrare complicato, ma una volta che conosci il tuo sistema, puoi stimare la capacità di stoccaggio anche quando la batteria si sta caricando o scaricando. Ad esempio, quando accendo l’illuminazione nel mio ufficio, la tensione della batteria scenderà da 12,9V a circa 12,1V. Dopo alcune ore di utilizzo, sarà a 11,7V o 11,8V. Tuttavia, quando spengo l’illuminazione a fine serata, la tensione ritorna a 12,5V o 12,6V. Quando la batteria è in carica durante il giorno, la lettura della tensione indica lo stato di carica. Ad esempio, quando la sua tensione aumenta e diminuisce ripetutamente (tra circa 13 e 15V), la batteria è completamente carica.

Misuratori di watt, volt e corrente

Altri strumenti pratici sono i misuratori di watt, tensione e corrente. Puoi metterli tra il pannello solare ed il regolatore di carica solare, ma anche tra il regolatore di carica solare ed il carico. Nel primo caso misurano la potenza prodotta dal pannello solare. Nel secondo caso misurano la potenza utilizzata dagli elettrodomestici. La maggior parte dei regolatori di carica solare includono queste misurazioni nel proprio menu, ma la navigazione è spesso complicata.

In un sistema solare a trasmissione diretta senza convertitore DC-DC, l’utilizzo di energia del carico elettrico sarà sempre uguale alla produzione di energia del pannello solare. Pertanto è sufficiente uno strumento di misura. Tuttavia, quando si utilizza un convertitore DC-DC, è possibile inserire un dispositivo di misurazione prima e dopo. Questi dati riveleranno le perdite di energia del convertitore.

Gli strumenti di misura possono essere digitali o analogici. Personalmente preferisco che i misuratori di tensione della batteria siano digitali perché sono visibili a distanza. I misuratori V&A che mostrano valori fluttuanti possono essere entrambe le cose. I wattmetri sono difficili da trovare nella versione analogica.

Cablaggio

I voltmetri sono collegati in parallelo. Ad esempio, si collegano il filo positivo e negativo di un voltmetro al terminale positivo e negativo di una batteria. I wattmetri digitali hanno due fili in entrata e due fili in uscita. I misuratori di corrente sono un po’ più complessi da cablare, come rappresentato nella seguente illustrazione.

Immagine: come cablare un multimetro per misurare ampère (in serie) e volt (in parallelo). Illustrazione di Marie Verdeil.

Immagine: Misuratore analogico di tensione e corrente (max 1A). Foto di Kris De Decker.

Molte persone si sentono più a loro agio con i watt che con la tensione e la corrente. Tuttavia, sebbene un wattmetro sia un’aggiunta preziosa a un impianto solare, è importante avere anche letture di tensione e corrente, poiché forniscono più dati per risolvere eventuali problemi. Un voltmetro è utile per scopi di controllo, soprattutto nei sistemi solari diretti. Ad esempio, può essere utile per verificare se un convertitore DC-DC produce la tensione di uscita corretta o per conoscere l’esatta tensione di uscita di un pannello solare.

I misuratori di corrente sono utili per ottimizzare l’efficienza energetica. In un sistema solare a batteria, avere misuratori di corrente su entrambi i lati del regolatore di carica solare consente di sfruttare quanta più energia solare in eccesso possibile. Se la ricarica della batteria è prossima al completamento, il pannello solare non produrrà più la sua piena potenza e vedrai il misuratore di corrente abbassarsi. Ciò significa che stai sprecando energia solare. Tuttavia, dal momento in cui colleghi un elettrodomestico (o accendi un circuito con interruttore), vedrai il contatore di corrente sia del carico elettrico che del pannello solare salire fino a raggiungere un limite: stai quindi utilizzando tutta l’energia solare disponibile prodotta dal pannello solare. In questo modo, l’energia solare che altrimenti andrebbe sprecata può caricare un PC o far funzionare uno strumento elettrico.

Pannelli di controllo e prese di corrente

Se aggiungi interruttori on-off e strumenti di misura, puoi organizzare questi componenti su un pannello di controllo, preferibilmente nello stesso posto.

Inizia cablando il sistema senza pannello di controllo per garantire che tutto funzioni, quindi smontalo di nuovo. Successivamente, misura tutti i componenti e disegna il pannello di controllo. Quindi, scegli un materiale (cartone, legno, metallo, plastica), ritaglia tutti i fori per gli interruttori e gli strumenti di misura ed inserisci tutti i componenti. Infine cabla tutto e costruisci una scatola attorno al pannello di controllo. I convertitori DC-DC possono essere posizionati dietro il pannello di controllo a meno che non si desideri poter aggiustare regolarmente la tensione in uscita. Se disponi di strumenti di misura e pulsanti di accensione, il regolatore di carica solare può essere posizionato anche dietro al pannello di controllo. Realizza l’esterno in modo da poterlo aprire facilmente per manutenzione, riparazione o regolazione.

Inoltre, pensa alle prese di corrente. Dove vuoi poter collegare i tuoi dispositivi e che tipo di connettori utilizzerai? La controparte della presa di corrente da 12V (la cosiddetta “presa accendisigari”) è il tipo più comune, ma esistono alternative. Se vuoi utilizzare quelle standard, aggiungi prese al tuo impianto solare (una per ogni circuito) e spine ai tuoi dispositivi. Puoi incorporare i connettori in un pannello di controllo o acquistare prodotti commerciali da avvitare. Puoi anche collegare i dispositivi al tuo sistema solare avvitando i cavi in una morsettiera o saldandoli direttamente all’uscita di potenza. Questo non vale per gli apparecchi che si collegano e scollegano spesso, ma per i carichi che sono sempre collegati (ad esempio una striscia LED). Naturalmente è necessario un interruttore on-off per chiudere il circuito.

Il più grande svantaggio dell’energia a bassa tensione è l’elevata perdita di energia durante la trasmissione, soprattutto per i dispositivi potenti. Pertanto le prese di corrente sono il più vicino possibile al resto del sistema solare. Installa più sistemi anziché un sistema centralizzato con molti metri di cavi di distribuzione. Scegli cavi elettrici più spessi se vuoi distribuire energia a bassa tensione su distanze maggiori. ³

Immagine: Il pannello di controllo per il generatore di biciclette [che ho costruito con Marie Verdeil nel 2022] (https://solar.torvax.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/) può funzionare anche con i pannelli solari. Permetterebbe ai pannelli solari di alimentare direttamente un dispositivo o di caricare una batteria al piombo, a seconda dei circuiti attivati. L'unico componente del sistema che cambia (e che non si trova nel pannello di controllo stesso) è il regolatore di carica. Il generatore di biciclette ha bisogno di un regolatore di carica eolico anziché solare.

Immagine: Un pannello di controllo composto da moduli separati. Da sinistra a destra: multimetro, interruttore on-off, convertitori DC-DC, dimmer.

Immagine: un regolatore di energia solare personalizzato per un modellino di treno a energia solare diretta. Ha un regolatore di tensione invece di un convertitore DC-DC. Un convertitore DC-DC riduce la tensione di uscita a un valore prestabilito non correlato alla tensione di ingresso. Un regolatore di tensione, invece, riduce la tensione di uscita rispetto alla tensione di ingresso. Foto di Marie Verdeil.

Come ottenere apparecchi a bassa tensione?

L’omissione di un invertitore implica l’utilizzo di apparecchi e dispositivi che funzionano con alimentazione DC a bassa tensione. Non è complicato come sembra. Prima di tutto, molti dispositivi funzionano internamente con un’alimentazione a bassa tensione. Ciò vale per tutti gli apparecchi USB, l’illuminazione a stato solido (LED), altri dispositivi elettronici e gli utensili elettrici wireless. Qualsiasi dispositivo dotato di adattatore, la controparte dell’invertitore, può essere collegato direttamente a una rete a bassa tensione semplicemente sostituendo o modificando il cavo di alimentazione. Ad esempio, puoi far funzionare un PC a bassa tensione sostituendo l’adattatore standard con uno che funziona a 12V per l’uso in auto. ¹⁰ Nella maggior parte dei casi non è necessario adattare i tuoi dispositivi.

In altri casi, regolare un apparecchio su 12V/24V richiede più lavoro e conoscenza. Alcuni dispositivi, come TV digitali e apparecchi LED, possono avere l’adattatore AC/DC al loro interno, il che richiede l’apertura e la rimozione dei componenti. Oppure potrebbe essere necessario sostituire un motore AC con un motore DC. Modificare e realizzare dispositivi a bassa tensione è un argomento troppo ampio per essere discusso in dettaglio in questa guida. Low-tech Magazine approfondirà l’argomento nei suoi manuali futuri. Ad esempio, Marie Verdeil ha convertito una ventola industriale per farla funzionare da 1V a 24V, fornendo fino a 250 watt di potenza di raffreddamento. Può essere alimentata direttamente da un pannello solare (vedi il video) o da una batteria.

Immagine: Ventilatore CA convertito in ventilatore CC. Foto di Marie Verdeil.

Immagine: Ventola AC smontata. Foto di Marie Verdeil.

Immagine: Motore a corrente continua inserito al posto del motore a corrente alternata. Foto di Marie Verdeil.

Immagine: Un trapano elettrico convertito per funzionare con corrente continua a bassa tensione. Foto: Marie Verdeil.

Infine, puoi acquistare un vasto assortimento di dispositivi commerciali a 12V o 24V destinati agli utenti di auto, camion, barche a vela e camper. Questi variano dai ventilatori ai bollitori elettrici, ai frigoriferi. Tuttavia, questi prodotti sono relativamente costosi e non sempre di buona qualità. Inoltre, essi sono destinati a spazi ridotti, quindi spesso la loro misura è troppo compatta perché questi divengano pratici nelle situazioni domestiche più comuni. Spesso è meglio modificare un dispositivo esistente o crearne uno da zero.

see https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-3/ohms-law-again/ ↩︎
https://solar.torvax.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎ ↩︎
https://solar.torvax.cloud/2016/05/how-to-get-your-apartment-off-the-grid/ ↩︎ ↩︎
see Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. See also this PowerPoint by the same author. Also see: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. See also this video. ↩︎
https://solar.torvax.cloud/2015/04/how-sustainable-is-pv-solar-power/ ↩︎
https://libre.solar. See also “Do it yourself 12 volt solar power”, by Michel Daniek, Permanent Publications, Third Edition 2015. ↩︎
Tranne quando si utilizzano altre forme di accumulo di energia, come nel caso dei frigoriferi e delle cucine a energia solare diretta. ↩︎
https://solar.torvax.cloud/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/ ↩︎
https://solar.torvax.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/images/Wiring-on-off-switch2_hu619c03e126fba9507b966073be9e16b5_65316_800x800_fit_q90_h2_box_3.webp ↩︎
Si può anche andare oltre e impostare la tensione di uscita del convertitore CC-CC sull’esatta tensione necessaria al computer portatile. In questo caso, è possibile omettere l’adattatore per auto. ↩︎

Energia Solare Diretta: off-grid senza batterie

Sat, 07 Oct 2023 00:00:00 +0000

Immagine: un laptop alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil.

Le installazioni solari convenzionali non mettono in discussione la nostra dipendenza dai combustibili fossili e lo stile di vita ad alto consumo di energia che ne deriva. Sia i pannelli solari sui tetti che gli impianti solari su larga scala sono in grado di fornire tutta l’energia che desideriamo, anche quando il sole non splende. Ciò accade perché questi sistemi utilizzano la rete elettrica centrale, che dipende in gran parte da combustibili fossili, come una sorta di batteria per far fronte alle carenze di energia.

Sebbene i pannelli solari collegati alla rete possano ridurre il consumo di combustibili fossili delle centrali termoelettriche, questi risparmi sono almeno in parte compensati dai combustibili fossili aggiuntivi necessari per costruire e mantenere quella che è essenzialmente un’infrastruttura a doppia energia. La combinazione di energia solare ed eolica può aumentare ulteriormente la quota di energia rinnovabile nella rete elettrica, ma ciò richiede un ulteriore sviluppo delle infrastrutture. Oltre all’energia, ciò richiede ulteriormente molto tempo e denaro.

La sostituzione delle centrali elettriche alimentate a combustibili fossili con sistemi di accumulo dell’energia, in modo che l’elettricità in eccesso generata nelle giornate soleggiate possa essere immagazzinata per quando il sole non c’è o non è abbastanza, incontra lo stesso problema. Lo stoccaggio dell’energia, sia integrato in una rete elettrica che localizzato presso le singole abitazioni (sistemi off-grid), è molto costoso da costruire e mantenere e consuma grandi quantità di carbonio.

Impianto solare autonomo

La produzione di pannelli solari ovviamente consuma grandi quantità di denaro ed energia. Tuttavia, i costi finanziari ed energetici dell’infrastruttura di backup associata sono molto più elevati. Per gli impianti solari collegati alla rete, questi costi sono molto difficili da calcolare con precisione, mentre per gli impianti solari autonomi (senza connessione alla rete e con proprio accumulo di energia) è molto più semplice. Prenderò quindi come esempio il piccolo impianto solare autonomo che alimenta il mio soggiorno a Barcellona.

Questo sistema è composto da due pannelli solari da 50W sul balcone, una batteria al piombo da 100 Ah ed un regolatore di carica da 10A. L’energia generata viene utilizzata, tra le altre cose, per l’illuminazione, l’impianto musicale, la ricarica di laptop e altri dispositivi elettronici. L’investimento finanziario iniziale è stato di 340 euro: 120 euro per i pannelli solari, 170 euro per la batteria e 50 euro per il regolatore di carica.

Ma mentre i pannelli solari dovrebbero durare 30 anni e il regolatore di carica circa 10 anni, devo sostituire la batteria al piombo in media ogni tre-cinque anni. ¹ In un ciclo di vita di 30 anni, i costi ammontano a 120 euro per i pannelli solari, 150 euro per i regolatori di carica e, nella migliore delle ipotesi, a 1.020 euro per le batterie. Le batterie (e i relativi regolatori di carica) rappresentano quindi circa il 90% dei costi totali.

Lo stoccaggio dell’energia domina anche l’energia “incorporata” dell’impianto (e le conseguenti emissioni di carbonio). Per produrre la mia batteria al piombo sono stati necessari 1.200 megajoule (MJ) di energia. ² Su una durata di 30 anni (sei batterie nella migliore delle ipotesi), ciò equivale a 7.200 MJ. I tre regolatori di carica aggiungono altri 360 MJ nel corso di 30 anni, portando il consumo energetico totale per il sistema di batterie a 7.560 MJ. ³ La produzione dei pannelli solari, invece, costa solo 2.275 MJ su un totale di 9.835 MJ. ⁴ In conclusione: oltre il 75% del consumo totale di energia fossile è dovuto allo stoccaggio dell’energia.

Immagine: a destra sul balcone ci sono i due pannelli solari da 50 W che alimentano il soggiorno del mio appartamento. Accanto c'è il pannello solare da 30 W che fa funzionare questo sito. Foto: Marie Verdeil.

Immagine: La struttura dei pannelli solari, realizzata con legno di scarto. Foto: Kris De Decker.

Immagine: la batteria al piombo da 100 Ah che alimenta il soggiorno dopo il tramonto. Foto: Kris De Decker.

Altri tipi di batterie non cambierebbero significativamente questo risultato. Per un sistema off-grid simile con batterie agli ioni di litio, l’accumulo di energia rappresenterebbe circa il 95% del costo totale (che è quasi il doppio di quello di un sistema con batterie al piombo). Supponendo una durata ottimistica (10 anni), e includendo i regolatori di carica, lo stoccaggio dell’energia al litio rappresenta circa il 70% dell’energia investita in un sistema di rete solare. ⁵ ⁶ Per le batterie al nichel-ferro, lo stoccaggio dell’energia rappresenterebbe l'85% del costo totale del ciclo di vita (non vi sono dati sui costi energetici). ⁷

Anche le dimensioni e l’ubicazione dell’impianto solare non comportano alcuna differenza. Un sistema più grande necessita di più pannelli solari, ma anche di batterie più grandi e di regolatori di carica più costosi e potenti. I rapporti rimangono gli stessi. ⁸ L’unico fattore che può attribuire ai pannelli solari una quota leggermente maggiore del costo totale sono le strutture su cui essi sono montati. Non ne tengo conto perché li ho costruiti io stesso con legno di scarto. Se però i pannelli solari vengono montati su un tetto, una soluzione fai da te è meno semplice. Anche in questo caso tuttavia, il costo dello stoccaggio dell’energia rimane di gran lunga la considerazione più importante.

Energia solare diretta: molto più economica e sostenibile

A differenza dei combustibili fossili, il sole e il vento non sono disponibili su richiesta. Il problema con il nostro approccio all’energia rinnovabile è che insistiamo sul fatto che l’energia dovrebbe essere sempre infinitamente disponibile, indipendentemente dal tempo, dalle stagioni o dall’ora del giorno. Far corrispondere la domanda di energia all’offerta, come è stato fatto in passato, porterebbe a drastiche riduzioni del costo e dell’uso dei combustibili fossili.

Ad esempio, se rinunciassi all’accumulo in batteria del mio impianto solare, il mio sistema diventerebbe circa 10 volte più economico: 120 euro invece di 1.290 euro su una durata di 30 anni. In alternativa, potrei spendere 1.290 euro solo per i pannelli solari, che mi darebbero un impianto solare da 1.075 watt. Si tratta di una capacità dieci volte superiore a quella dell’installazione con batterie, più di quella che starebbe sul balcone.

Senza batteria e regolatore di carica anche il costo energetico dell’impianto scende da 9.835 MJ a 2.275 MJ. In altre parole, potrei generare almeno quattro volte più energia solare con lo stesso investimento in combustibili fossili.

Come può essere pratica l’energia solare diretta?

Per ora è tutto in regola, ma il sole non splende dopo il tramonto e la quantità di energia solare varia durante il giorno e nel corso dell’anno. Allora come può l’utilizzo di pannelli solari senza batterie (o altre infrastrutture di backup nel caso di installazioni connesse alla rete) essere pratico?

Per rispondere a questa domanda, ci rivolgiamo a un pioniere dell’“energia solare diretta”: la Living Energy Farm. Questa comunità di educazione ambientale nello stato americano della Virginia è completamente “off-the-grid” grazie all’energia solare, ma solo il 10% dell’energia solare generata passa attraverso una batteria (nichel-ferro). Tuttavia, i pannelli solari forniscono energia a diverse case, a una cucina comune, a un’officina metallurgica e a una fattoria. ⁹ ¹⁰

Immagine: energia solare diretta presso la Living Energy Farm.

L’impianto solare è in funzione dal 2011 ed è costituito da sistemi separati con una potenza di picco totale di 1.400 Watt. ¹¹ In confronto, la potenza di picco media di un impianto solare residenziale nel Regno Unito e negli Stati Uniti, per una famiglia, è rispettivamente di 4.000 watt e 6.500 watt. Come nel mio appartamento, anche la Living Energy Farm utilizza l’energia con parsimonia, ma ci sono altri motivi per cui l’utilizzo di batterie è pressoché nullo.

Alcuni elettrodomestici vengono utilizzati solo durante il giorno

Un primo motivo è evidente: alcuni apparecchi e macchinari elettrici vengono utilizzati solamente durante il giorno. Questo vale, ad esempio, per tutte le macchine dell’officina metallurgica, tra cui sega a nastro, compressore, smerigliatrice, sega circolare, tornio, fresatrice e trapano. Ciò vale anche per le macchine agricole come i mulini per cereali e le pompe per pozzi profondi. Collegate direttamente ai pannelli solari, queste macchine offrono tutte le funzionalità della moderna tecnologia alimentata dalla rete, con l’eccezione che possono essere utilizzate solo durante il giorno. ¹⁰

Su scala molto più piccola, ho utilizzato l’energia solare diretta per un saldatore, una pistola per colla e una pompa per l’irrigazione (per il balcone) a casa. Altri esempi di elettrodomestici e macchine che potrebbero essere utilizzati solo durante il giorno includono l’aspirapolvere, le macchine da cucire, le lavatrici, la console di gioco, il laser cutter e le stampanti 3D. Non è così difficile immaginare una società moderna in cui attività quali passare l’aspirapolvere e il fai da te si svolgono solo durante il giorno. Non è affatto un ritorno al Medioevo.

Immagine: diversi strumenti del laboratorio presso la Living Energy Farm, la maggior parte dei quali funziona con energia solare diretta. Immagine: Alexis Zeigler.

Immagine: tornio per metalli alimentato direttamente dall'energia solare, Living Energy Farm. Immagine: Alexis Zeigler.

Immagine: saldatura con energia solare diretta. Foto: Marie Verdeil. [Guarda il video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Inoltre, non tutti gli elettrodomestici richiedono un’attenzione costante. Lavatrici o lavastoviglie che si attivano automaticamente quando splende il sole sono spesso citate come esempi di applicazioni di una rete elettrica “intelligente”. Tuttavia questo approccio si basa su un’ampia infrastruttura di trasmissione elettrica, reti di comunicazione ed elettrodomestici ricchi di componenti elettronici.

Al contrario, in un approccio solare diretto e decentralizzato, l’intelligenza è fornita dal sole e dalla rotazione del pianeta. Una lavatrice o lavastoviglie ad energia solare diretta può essere completamente caricata e accesa la sera. Al mattino poi la macchina si avvia “automaticamente”. Puoi anche utilizzare i timer (elettronici o meccanici) per far funzionare diversi apparecchi uno dopo l’altro.

La misura in cui le nubi costituiscano un ulteriore limite per un impianto solare diretto dipende dalle dimensioni dei pannelli solari. Raddoppiare l’area dei pannelli solari garantisce energia solare sufficiente durante una copertura nuvolosa moderata, mentre l’installazione rimane molto più economica e sostenibile di un sistema con batterie o altre infrastrutture di backup.

Un’area ancora più ampia di pannelli solari potrebbe fornire energia sufficiente anche durante una fitta copertura nuvolosa, ma aumentando di dieci volte le dimensioni del sistema si riporta il costo al livello di un sistema autonomo con batterie. Quadruplicare l’area rende il sistema nuovamente dipendente dai combustibili fossili.

Molti elettrodomestici sono già dotati di batterie

L’energia solare diretta non esclude l’uso degli apparecchi elettrici dopo il tramonto. Come già accennato, la Living Energy Farm dispone di un modesto sistema di batterie che fornisce energia, tra le altre cose, a luci, ventilatori e dispositivi elettronici dopo il tramonto. ¹⁰ Inoltre, molti elettrodomestici moderni sono già dotati di accumulatori di energia integrati. Questo vale per tutti i tipi di veicoli elettrici, la maggior parte dei gadget elettronici e vecchi apparecchi elettrici con batterie AA.

Di conseguenza, questi tipi di dispositivi possono essere caricati con l’energia solare diretta durante il giorno e poi utilizzati per diverse ore dopo il tramonto grazie alla batteria integrata. In combinazione con un power-bank agli ioni di litio, un pannello solare diretto può consentire anche di caricare i dispositivi USB dopo il tramonto. Questa strategia può funzionare anche per l’illuminazione, poiché esistono molte lampade alimentate a batteria che si possono utilizzare come moderne torce, appese in diversi punti di stanze ed edifici.

Immagine: un telefono cellulare alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil.

Naturalmente, esternalizzare lo stoccaggio dell’energia chimica al dispositivo non è l’opzione più sostenibile. La produzione di batterie agli ioni di litio richiede combustibili fossili che, a differenza delle batterie al piombo, non vengono riciclati. La soluzione migliore, ovviamente, è ridurre l’uso dei dispositivi elettrici. Caricarle con l’energia solare diretta è comunque molto più sostenibile ed efficiente che tramite altre batterie o una rete elettrica alimentata a combustibili fossili. Se utilizziamo dispositivi ad alta tecnologia, preferibilmente nel modo più intelligente possibile.

Accumulo di energia non elettrica

Un terzo motivo per cui l’energia solare diretta è più pratica di quanto sembri inizialmente è che alcuni apparecchi elettrici possono essere utilizzati dopo il tramonto grazie all’accumulo di energia termica. Questo è molto più economico e sostenibile rispetto allo stoccaggio dell’energia elettrica. Lo stoccaggio dell’energia termica è già abbastanza consolidato per i sistemi di riscaldamento degli ambienti e dell’acqua, che immagazzinano l’acqua riscaldata dal sole in una caldaia isolata o (solo per il riscaldamento degli ambienti) nell’involucro dell’edificio. Non è sorprendente che la Living Energy Farm disponga di tali sistemi, l’energia solare termica fornisce acqua calda anche nel mio appartamento.

Lo stesso approccio però funziona anche per due importanti elettrodomestici che devono funzionare dopo il tramonto e che consumano molta elettricità: il frigorifero e il fornello. Invece di immagazzinare l’elettricità proveniente da un pannello solare in una batteria, per poi alimentare un frigorifero o un fornello dopo il tramonto, questi apparecchi della Living Energy Farm utilizzano l’isolamento termico. Ciò mantiene il calore all’interno (nel caso del fornello) o all’esterno (nel caso del frigorifero) quando non c’è alimentazione elettrica. L’isolamento termico garantisce inoltre un’elevatissima efficienza energetica, che significa che ciascuno di questi apparecchi può già funzionare con un pannello solare da soli 100-200 watt.

Un frigorifero ad energia solare diretta

È perfettamente possibile collegare un frigorifero o un congelatore convenzionale direttamente a un pannello solare, ma un apparecchio del genere si riscalderebbe molto rapidamente di notte. Anche i frigoriferi più efficienti dal punto di vista energetico hanno uno spessore isolante relativamente limitato (solitamente 2,5 cm). Tuttavia, se lo spessore dell’isolamento viene aumentato a circa 12,5 cm, il consumo energetico di un frigorifero si riduce di quattro volte. ¹² ¹³ La capacità di raffreddamento passivo di un frigorifero può essere ulteriormente aumentata aggiungendo massa termica sotto forma di un serbatoio dell’acqua all’interno dell’apparecchio. Durante il giorno il pannello solare raffredda l’acqua o la converte in ghiaccio. Di notte, quest’acqua fredda o ghiaccio rallenta il riscaldamento del frigorifero. ¹⁴

Anche un frigorifero ad energia solare diretta si apre nella parte superiore, non nella parte anteriore. L’aria fredda è pesante e si perde molta meno energia quando qualcuno apre la porta. Tutte queste scelte progettuali si sommano ad un’efficienza energetica spettacolare. Uno studio sui frigoriferi solari diretti in regioni molto soleggiate (Texas e New Mexico, USA) ha dimostrato che essi mantengono la loro capacità di raffreddamento per 6 o 7 giorni senza alimentazione elettrica. Le unità funzionavano tutto l’anno con pannelli solari da soli 80 watt a 120 W. ¹⁵ La Living Energy Farm alimenta il suo frigorifero solare con un pannello da 200 W. ¹⁰

Immagine: Sundanzer DDR165. Un frigorifero progettato specificatamente per l'energia solare diretta. Foto: Sundanzer.

A differenza del riscaldamento solare, il raffrescamento solare è sintonizzato in modo ottimale alle variazioni stagionali della radiazione solare. Il raffreddamento richiede più energia in estate, quando c’è più energia solare. Il suddetto frigorifero nel New Mexico ha registrato un consumo di elettricità di 406 Wh al giorno in estate e di soli 230 Wh in inverno. ¹⁶ Inoltre, questa tecnologia può essere utilizzata lungo tutta l’industria del freddo, di cui il frigorifero domestico è solo una piccola parte, sebbene essenziale. Un’altra applicazione è il raffreddamento ad aria, anche se questa è meno studiata e più impegnativa. ¹⁷

Un fornello elettrico solare diretto

In linea di principio, un fornello convenzionale può essere collegato direttamente a un pannello solare. Tuttavia, come per un frigorifero convenzionale, ciò non è molto pratico. Si può cucinare solo durante il giorno e bisogna installare molti pannelli solari. Una singola piastra riscaldante necessita di 1.000 watt di potenza elettrica. Un fornello elettrico solare risolve questi problemi imballando il piano cottura con un isolamento termico. La tecnologia è fondamentalmente una combinazione di un piano cottura elettrico ed un haybox.

Immagine: test di un fornello solare elettrico. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Grazie all’isolamento termico, un fornello solare elettrico accumula calore lentamente durante il giorno, che può poi essere utilizzato per cucinare dopo il tramonto. In questo modo, può essere sufficiente un’alimentazione molto inferiore per raggiungere temperature elevate. Si può immaginare come “caricare” un fornello non con l’elettricità, ma con il calore.

I ricercatori della California Polytechnic State University (Cal Poly) hanno costruito il primo fornello elettrico solare nel 2015. Il loro dispositivo da 12 volt, che da allora è stato ulteriormente sviluppato, necessita solo di un pannello solare da 100 W per funzionare. Questo fa bollire un litro d’acqua in un’ora. Con un’intera giornata di sole, può cuocere quasi 5 kg di fagioli, riso, stufato o patate. ¹⁸

È possibile cucinare dopo il tramonto utilizzando una pentola con fondo molto più spesso (5-10 kg). Il team di ricerca di Cal Poly è riuscito a portare la temperatura di quell’accumulo di calore solido a 250°C in cinque ore con un pannello solare da 100 W. Sono stati quindi in grado di far bollire un litro d’acqua in tre secondi dopo il tramonto. In un altro test, hanno saltato in padella 1 kg di verdure in due minuti. La configurazione ideale è composta da due pentole: una con e una senza accumulo di calore. Pertanto, un fornello solare elettrico può cucinare sia lentamente che velocemente, a seconda dell’ora del giorno e del piatto. ¹⁹

Immagine: principio di una cucina elettrica solare con accumulo di calore solido. Disegno: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Termico o elettrico?

Come i sistemi solari per l’acqua e il riscaldamento degli ambienti, la cottura e il raffreddamento possono funzionare sia con che senza elettricità, con i pannelli fotovoltaici da un lato e i collettori solari termici dall’altro. Ma mentre il riscaldamento solare dello spazio e dell’acqua è più efficiente in termini di costi ed energia senza elettricità, per il raffreddamento solare e la cottura solare è esattamente l’opposto.

Il riscaldamento degli ambienti e dell’acqua richiede differenze di temperatura relativamente piccole, che possono essere fornite da collettori solari termici a basso costo costituiti da lastre di vetro e tubi dell’acqua. Al contrario, il raffreddamento e la cottura necessitano differenze di temperatura maggiori, che richiedono collettori solari più sofisticati (a tubi sottovuoto o parabolici) – e questi sono più costosi dei pannelli fotovoltaici. ²⁰ ²¹

L’unica eccezione è un semplice fornello solare, una scatola isolata con un piano in vetro, che tuttavia non può raggiungere temperature così elevate. Inoltre, un fornello solare elettrico presenta alcuni vantaggi aggiuntivi. Con un elettrodomestico non elettrico bisogna cucinare all’aperto, una soluzione meno pratica ma anche meno efficiente, soprattutto in inverno: un fornello solare termico disperderà infatti più calore nell’ambiente. Un fornello solare elettrico è più efficiente anche dal punto di vista energetico, perché esso è isolato su tutti i lati. Funziona meglio anche con tempo nuvoloso e può essere utilizzato dopo il tramonto. Nella Living Energy Farm il fornello solare parabolico viene utilizzato solo in condizioni ottimali, ovvero in pieno sole e con temperature esterne elevate.

Quali sono le difficoltà tecniche?

Sebbene la Living Energy Farm stia mettendo in pratica tutte queste applicazioni dell’energia solare diretta, ci sono alcune difficoltà tecniche per coloro che vogliono seguire il loro esempio. Quasi tutta la nostra tecnologia moderna è progettata per funzionare con un’alimentazione elettrica stabile ed ininterrotta. Non deve essere necessariamente così, ma per ora l’energia solare diretta richiede solitamente qualche ritocco. Un sistema solare diretto è molto più semplice da realizzare rispetto ad un sistema autonomo con batterie, ma spesso richiede modifiche sui dispositivi coinvolti.

Alcuni dispositivi possono essere collegati direttamente ad un pannello solare: è sufficiente collegare i contatti positivo e negativo del pannello solare e del dispositivo. Ad esempio, le macchine con motore CC tollerano grandi fluttuazioni nell’alimentazione. L’officina metallurgica e le macchine agricole della Living Energy Farm funzionano in questo modo. Se le nuvole bloccano il sole, il carico elettrico combinato può diventare maggiore dell’energia fornita dai pannelli solari, ma ciò non ferma le macchine. Tutti i motori rallenteranno perché condividono l’energia disponibile, ma continueranno a svolgere un lavoro utile. ¹⁰ ²²

Lo stesso vale per tutti gli apparecchi che funzionano sulla base di elementi riscaldanti resistivi, come bollitori, piastre elettriche o sistemi di riscaldamento elettrici. Essi funzionano indipendentemente dalla potenza o dalla tensione, ma lavorano più lentamente o più velocemente. Un frigorifero ad energia solare diretta funziona meglio con un compressore DC variabile che può regolare la sua velocità in base alla variazione della produzione di energia solare. ¹⁰ ²³

Molti altri dispositivi necessitano di un ingresso di tensione specifico e stabile, che di solito non corrisponde a quello prodotto dal pannello solare. Questo può essere risolto posizionando un convertitore DC-DC (un convertitore “buck” o “boost”) tra il pannello solare e il dispositivo. Si tratta di un piccolo modulo elettronico che converte la tensione fluttuante di un pannello solare in una tensione di uscita costante per un dispositivo a bassa tensione (5 V, 12 V o superiore). ²⁴

Immagine: esperimenti con l'energia solare diretta. Foto: Marie Verdeil.

Se oltre a questo si utilizza un inverter, anche gli apparecchi di rete possono funzionare direttamente su un pannello solare. ²⁵ I convertitori DC-DC sono essenziali per tutti gli apparecchi che contengono componenti elettronici. Questo è il caso di molti elettrodomestici moderni, compresi quelli che fino a poco tempo fa funzionavano senza elementi elettronici, come le lavatrici o le macchine da caffè. Ciò offre spesso due opzioni per far funzionare tali apparecchi con l’energia solare diretta. Si può montare un convertitore DC-DC, oppure modificare l’apparecchio bypassando l’elemento elettronico.

Manuali fai da te e dispositivi commerciali

La maggior parte delle applicazioni di energia solare diretta funzionano a bassa tensione, quindi possono essere utilizzati autonomamente in tutta sicurezza. Low-tech Magazine pubblicherà presto un manuale sull’argomento. Tuttavia, la Living Energy Farm utilizza corrente continua con tensioni più elevate per una serie di applicazioni. Ne sono un esempio le macchine utensili nell’officina metallurgica (90 V) e una serie di potenti forni elettrici solari (48 V, 180 V). Non è una buona idea costruire questi sistemi da soli a meno che non si faccia riferimento ad un elettricista qualificato, poiché queste tensioni possono causare incidenti mortali.

Coloro che desiderano costruire i propri fornelli solari elettrici (a bassa tensione) troveranno manuali completi sia presso Living Energy Farm che presso Cal Poly. ²⁶ I dispositivi possono essere realizzati con materiali semplici. Il materiale isolante deve essere ignifugo. Materiali adatti sono lana di roccia, fibra di vetro, lana naturale o argilla.

È possibile utilizzare diverse tecnologie per gli elementi riscaldanti, ma incorporare fili di nicromo nel cemento è l’opzione più semplice. Questi cavi possono essere prelevati da una varietà di apparecchi come il tostapane, forni e piastre elettriche. In linea di principio, i fili riscaldanti possono essere fissati direttamente alla pentola, ma è più pratico realizzare un “nido” riscaldato in cui posizionare la pentola.

Immagine: ispirandosi al lavoro di Cal Poly, Living Energy Farm ha anche sviluppato una serie di fornelli solari elettrici, uno dei quali è in [vendita sul loro sito web](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Il Roxy Oven può essere utilizzato come piastra riscaldante o come forno, per cuocere il pane ad esempio. La porta rimane chiusa anche quando viene utilizzata come piastra riscaldante. Questo fornello solare non ha accumulo di energia.

Immagine: il forno Roxy senza porta e con l'isolamento in lana di vetro a vista. L'apparecchio, realizzato in un'officina metallurgica con energia solare diretta, funziona a 48 V e richiede un pannello solare da 200 a 500 watt. Living Energy Farm offre anche il frigorifero solare di Sunstar [in vendita online](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

L’energia solare diretta spreca energia?

La sostenibilità di un impianto solare dipende non solo dall’energia necessaria per produrre e mantenere l’infrastruttura, ma anche dall’energia prodotta dai pannelli solari durante il loro ciclo di vita. Alcuni sostengono che, in questi termini, l’uso diretto dell’energia solare è inferiore rispetto agli impianti solari convenzionali collegati alla rete o alimentati a batteria.

Dopotutto, l’aspirapolvere, la lavatrice e il trapano elettrico non vengono utilizzati tutti i giorni e, scollegato da un elettrodomestico, un pannello solare non può produrre energia. Di conseguenza, la quantità di elettricità prodotta dal pannello diminuirà nel corso della sua vita, mentre l’energia necessaria per fabbricarlo rimane la stessa. Ciò significa che l’energia proveniente da un pannello solare diretto richiede un’intensità di carbonio più alta.

Tuttavia, poiché l’accumulo di energia nelle batterie (o nell’alternativa collegata alla rete) rappresenta una percentuale così elevata dell’energia totale investita, un pannello solare autonomo può sprecare molta energia prima di diventare meno sostenibile rispetto alla sua controparte con accumulo di batterie o connessione alla rete.

Inoltre, l’uso diretto dell’energia solare evita le perdite di carica e scarica causate dalle batterie, o le perdite di energia nell’infrastruttura di trasmissione per i sistemi connessi alla rete. Entrambi devono essere compensati da ulteriori pannelli solari. Anche i pannelli solari collegati alle batterie o alla rete sprecano energia, una conseguenza della grande differenza nella produzione di energia tra estate e inverno.

Massimizzare l’energia solare diretta con servizi collettivi

Tuttavia, è importante massimizzare la produzione di energia di un pannello solare diretto. In questo contesto è utile ritornare per un momento al sistema di esempio originale situato sul mio balcone. L’energia solare diretta potrebbe essere una bella aggiunta a questo sistema, soprattutto per frigorifero e fornello. Proprio a causa di questi elettrodomestici, nel 2016 ho concluso che era impossibile scollegare completamente il mio appartamento dalla rete elettrica.

Tuttavia, la Living Energy Farm dimostra che si può fare: sul balcone c’è spazio per altri 200 watt di pannelli solari (4 x 50 W), sufficienti per alimentare sia un frigorifero termicamente isolato che un piano cottura. Non è necessaria una capacità aggiuntiva della batteria.

Per altri apparecchi, invece, l’energia solare diretta è di scarsa utilità nel mio caso. Non sarebbe molto efficiente installare un pannello solare aggiuntivo per la lavatrice o il trapano elettrico, poiché vengono utilizzati solo occasionalmente. Ciò sembra giocare a favore di una rete elettrica “intelligente”, perché in questo modo molte famiglie possono utilizzare la stessa energia solare, c’è sempre qualcuno che ha bisogno di lavare i panni o di fare un buco.

Tuttavia, una rete così intelligente richiede molte infrastrutture, anche se l’energia solare diretta dovesse essere utilizzata su quella scala. Potrebbe non richiedere batterie o combustibili fossili come backup, ma richiede infrastrutture di trasmissione e comunicazione.

Immagine: un giradischi alimentato direttamente dall'energia solare. Foto: Marie Verdeil. [Guarda il video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

La Living Energy Farm dimostra una soluzione alternativa: l’organizzazione comunitaria dei compiti e del lavoro domestico. Invece di una rete elettrica comune che distribuisce energia a molte singole famiglie, possiamo creare servizi collettivi con produzione di energia decentralizzata.

Nell’officina comune della Living Energy Farm l’energia solare diretta può essere utilizzata in modo molto più efficiente che in un’officina individuale che viene utilizzata solo occasionalmente. Una lavanderia collettiva in ogni vicinato utilizzerebbe inoltre l’energia solare diretta in modo molto più efficiente. Inoltre, in questo modo risparmiamo molta energia da elettrodomestici, e guadagniamo molto spazio.

Energia eolica diretta?

Questa strategia diventa ancora più importante se scegliamo non l’energia solare diretta, ma l’energia eolica diretta, o una combinazione di entrambe. La Living Energy Farm si trova in una regione soleggiata, ma lo stesso approccio potrebbe funzionare anche in luoghi ventosi.

Tuttavia, esiste una differenza importante tra l’energia solare e l’energia eolica. L’efficienza di un pannello solare non dipende dalle sue dimensioni, il che rende l’energia solare ideale per la produzione di energia decentralizzata. Al contrario, l’efficienza di una turbina eolica aumenta più che proporzionalmente all’aumentare del diametro del rotore. Molto meglio di una turbina eolica per famiglia, è quindi una turbina poco più grande per una comunità di famiglie per alimentare una lavanderia o un’officina collettiva.

La durata delle batterie al piombo dipende da molti fattori. Se vengono scaricati troppo profondamente o non vengono caricati completamente e regolarmente, la loro durata può essere inferiore a tre anni. D’altro canto, una batteria al piombo che viene utilizzata poco o non si scarica affatto può durare molto più di cinque anni. Tuttavia, la letteratura accademica afferma un’aspettativa di vita dai tre ai cinque anni e questa è stata anche la mia esperienza con le batterie che utilizzo dal 2016. Vedi, ad esempio, “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage ”, A. Celik, in “Progressi nel fotovoltaico: ricerca e applicazioni”, 2008 e “Tempi di ammortamento energetico dei sistemi fotovoltaici: stato attuale e prospettive”, E.A. Alsema, in “Atti della 2a Conferenza ed Esposizione Mondiale sulla conversione dell’energia solare nel fotovoltaico”, luglio 1998. ↩︎
La produzione di una batteria al piombo (basata su materiali in gran parte riciclati) richiede circa 1 MJ di energia per wattora di capacità di stoccaggio. La mia batteria da 100 ampere/ora equivale a una capacità di stoccaggio di 1.200 wattora, quindi l’energia incorporata equivale a 1.200 MJ. In una durata di 30 anni, ho bisogno al massimo di sei di queste batterie, quindi 7.200 MJ in totale. Fonte: “Analisi Energetica delle Batterie negli impianti Fotovoltaici. Parte prima (Prestazioni e requisiti energetici)” e “Parte due (Fattori di ritorno energetico ed efficienza complessiva della batteria)”. Conversione e gestione dell’energia 46, 2005. ↩︎
Non sono state condotte molte ricerche sull’energia incorporata nei regolatori di carica. Il dato più rilevante che ho trovato è un valore di 1 MJ per watt di potenza massima: Kim, Bunthern, et al. “Valutazione del ciclo di vita di un sistema di energia solare basato sul riutilizzo di componenti per i paesi in via di sviluppo”. Giornale di produzione più pulita 208 (2019): 1459-1468. Per una capacità di 120 W (il mio regolatore di carica ha una capacità massima di 10 A x 12 V = 120 W), ciò equivale a 120 MJ. Per la durata stimata, ho trovato valori di 7 e 12,5 anni: stesso riferimento di cui sopra, così come: Kim, Bunthern, et al. “Seconda vita dell’alimentatore come regolatore di carica nell’impianto fotovoltaico e valutazione dei benefici ambientali.” IECON 2016-42a conferenza annuale della IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Ho quindi effettuato il calcolo su una durata stimata di 10 anni. ↩︎
Nawaz, I. e G. N. Tiwari. “Analisi energetica incorporata del sistema fotovoltaico (PV) basata su livello macro e micro.” Politica energetica 34.17 (2006): 3144-3152. Secondo questa fonte ampiamente citata, per produrre 1 m2 di pannello solare sono necessari 3.500 MJ. I miei due pannelli solari insieme misurano 0,65 m2, per un costo energetico totale di 2.275 MJ. Una revisione della letteratura più recente colloca il costo energetico per la produzione di diversi tipi di pannelli solari tra 1.034 e 5.150 MJ/m2. Gli studi più recenti sui pannelli solari al silicio riportati in questa recensione stimano il costo energetico a circa 1.000 MJ/m2, molto inferiore alla cifra che sto utilizzando. Vedi: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospettive della valutazione del ciclo di vita dell’energia rinnovabile derivante dalle tecnologie solari fotovoltaiche: una revisione.” Recensioni sull’energia rinnovabile e sostenibile 96 (2018): 11-28. ↩︎
Le batterie agli ioni di litio sono molto più costose delle batterie al piombo, ma a differenza delle batterie al piombo, possono essere scaricate più in profondità (fino al 15% della loro capacità totale) e hanno una durata di vita più lunga (da 7 a 10 anni). Di conseguenza, sono necessarie meno batterie e più piccole. Tenendo conto di questi fattori, il costo di vita della batteria è di 750 euro, rispetto ai 1.020 euro delle batterie al piombo. Le batterie agli ioni di litio necessitano invece di un regolatore di carica più sofisticato e costoso: un regolatore di carica da 10 A costa tra i 200 e i 600 euro, a seconda della qualità. Supponendo un prezzo di 400 euro per il regolatore di carica e una durata di 10 anni sia per la batteria che per il regolatore di carica, lo stoccaggio della batteria rappresenta il 95% del costo totale della vita utile (un totale di 2.070 euro, molto più del costo totale per il regolatore di carica). il sistema con batterie al piombo). Fonti: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery e https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery- caricabatterie/ ↩︎
Sebbene la produzione di una batteria agli ioni di litio costi più energia rispetto alla produzione di una batteria al piombo (1,4-1,9 MJ/Wh contro 1 MJ/Wh), ciò è compensato da una durata di vita più lunga e da una maggiore capacità di scarica. Il costo energetico delle batterie agli ioni di litio per una durata di 30 anni è quindi di circa 3.000 MJ, significativamente inferiore a quello di un sistema di batterie al piombo-acido comparabile. Al contrario, il regolatore di carica contiene un’elettronica più complessa. Purtroppo non sono disponibili dati sul costo energetico di un tale regolatore di carica. Quindi non c’è altra alternativa se non quella di stimare il costo energetico in base al costo finanziario, che è da quattro a dodici volte più costoso di un regolatore di carica per una batteria al piombo. Supponendo un costo quattro volte superiore, l’energia incorporata del regolatore di carica aumenta a 480 MJ, ovvero 1.440 MJ su un periodo di 30 anni. Il costo energetico totale del sistema è quindi di 6.685 MJ, inferiore a quello di un sistema comparabile con batterie al piombo-acido. Di questo, quasi il 70% è attribuibile allo stoccaggio della batteria. ↩︎
Le batterie al nichel-ferro sono ancora più grandi e pesanti delle batterie al piombo e necessitano di una manutenzione regolare. Ma possono essere completamente scarichi e hanno una durata molto lunga (20 anni). Inoltre, possono essere utilizzate con gli stessi regolatori di carica delle batterie al piombo. Il costo di vita della batteria in 30 anni è di 750 euro, più economico delle sei batterie al piombo di capacità simile. Il costo totale di vita di un sistema di batterie al nichel-ferro con pannelli solari da 100 W è di 1.020 euro, di cui l’85% destinato allo stoccaggio dell’energia. Purtroppo le batterie al nichel-ferro sono difficili da trovare, soprattutto i modelli più piccoli. Fonti: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
In realtà il prezzo dei pannelli solari in un impianto solare un po’ più grande sarebbe proporzionalmente ancora più basso. Questo perché i pannelli solari di piccole dimensioni (come 50 W) sono proporzionalmente più costosi per watt di capacità di picco rispetto ai pannelli solari di dimensioni più convenzionali (da 250 W in poi). Più o meno lo stesso vale per il costo energetico. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, fondatore della Living Energy Farm, ha scritto un libro sul progetto, disponibile integralmente online: Empowering Communities. Una guida pratica all’autosufficienza energetica e all’arresto del cambiamento climatico. Può essere ordinato anche in versione cartacea. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Poiché l’energia solare diretta non richiede un regolatore di carica per ogni sistema separato, la suddivisione di un sistema solare non comporta costi aggiuntivi o consumo di energia. ↩︎
La ricerca mostra che raddoppiando lo spessore dell’isolamento da 2,5 cm (isolamento standard) a 5 cm si riduce il consumo elettrico annuale di un frigorifero (capacità di 50 litri) da 250 a 125 kilowattora. ¹³ Con uno spessore dell’isolamento compreso tra 10 e 12,5 cm il consumo di elettricità si dimezza nuovamente arrivando a circa 60 kilowattora all’anno. Un isolamento ancora più spesso comporta una riduzione minore del consumo di elettricità e non è più attraente perché un isolamento più spesso aumenta anche il costo e le dimensioni del frigorifero. Lo studio riguarda un frigorifero AC a energia solare che funziona grazie a un inverter e una batteria, che è meno efficiente dal punto di vista energetico rispetto a un frigorifero a energia solare diretta. ↩︎
Gupta, B.L., Mayank Bhatnagar e Jyotirmay Mathur. “Dimensionamento ottimale del pannello fotovoltaico, della capacità della batteria e dello spessore dell’isolamento per un frigorifero domestico alimentato da fotovoltaico.” Tecnologie e valutazioni sull’energia sostenibile 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Questa massa termica può letteralmente essere un contenitore d’acqua posto all’interno del frigorifero. o alcune bottiglie d’acqua da bere. Ma l’acqua può essere conservata anche in serbatoi posti lungo il lato dell’elettrodomestico, dietro un rivestimento interno che li mantiene al loro posto e li nasconde alla vista. L’acqua ha una densità di accumulo del calore maggiore rispetto all’aria, mantenendo la temperatura stabile più a lungo. ↩︎
Ewert, M., et al. “Risultati dei test sul campo del frigorifero solare fotovoltaico a trasmissione diretta e senza batteria.” Atti del convegno solare. Società americana per l’energia solare; Istituto americano degli architetti, 2002. ↩︎ ↩︎
Questo vantaggio si applica solo se il frigorifero è installato in una stanza non riscaldata. L’abitudine moderna di posizionare il frigorifero in una cucina riscaldata quando la temperatura esterna in inverno è uguale o inferiore a quella del frigorifero è ovviamente assurdamente dispendiosa. Ma questo vantaggio non è valido nemmeno nei paesi tropicali, dove le temperature sono elevate tutto l’anno. ↩︎
L’uso dell’energia solare diretta per il raffreddamento degli ambienti non è stato analizzato in modo così approfondito come per i frigoriferi domestici. Vedi: Luerssen, Christoph, et al. “Analisi del costo del ciclo di vita (LCCA) di sistemi di raffreddamento alimentati da energia fotovoltaica con energia termica e accumulo di batterie per applicazioni off-grid.” Energia applicata 273 (2020): 115145. Inoltre, è improbabile che si ottengano risparmi energetici altrettanto grandi. Un frigorifero è sempre isolato, ma nel caso di una stanza o di un edificio raffreddato ad aria non è necessariamente così. Inoltre, in una stanza dove c’è una temperatura stabile è installato un frigorifero. Un edificio è soggetto a maggiori escursioni termiche e può essere riscaldato anche dall’irraggiamento solare diretto. Quindi il raffreddamento diretto dell’aria solare è molto più complicato. Vedi: Qi, Ronghui, Lin Lu e Yu Huang. “Analisi dei parametri e ottimizzazione delle prestazioni energetiche ed economiche del sistema di raffreddamento ad adsorbimento liquido assistito da energia solare in diverse condizioni climatiche.” Conversione e gestione dell’energia 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Cucina elettrica solare, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Vedi anche il PowerPoint dello stesso autore. ↩︎
Fornello elettrico solare isolato con accumulo termico solido, Andrew McCombs et al., 2022. Guarda anche questo video. ↩︎
Vedi: Ferreira, Carlos Infante e Dong-Seon Kim. “Revisione tecnico-economica delle tecnologie di raffreddamento solare basata su dati specifici della posizione.” Giornale internazionale di refrigerazione 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Sviluppo e test di un frigorifero domestico potenziato dal PCM con l’uso di un compressore CC miniaturizzato per luoghi deboli/fuori rete.” Giornale internazionale di energia verde 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping et al. “Analisi delle caratteristiche dinamiche di efficienza energetica di un sistema di accumulo solare fotovoltaico solare distribuito a trasmissione diretta.” Edilizia e ambiente 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Tecnologie fotovoltaiche e fotovoltaiche termiche per scopi di refrigerazione: una panoramica.” Rivista araba per la scienza e l’ingegneria 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Per mancanza di ricerche, non è chiaro se lo stesso valga per il consumo energetico integrato. ↩︎
In entrambi i casi, però, è necessario bypassare l’interruttore del dispositivo, perché l’elettricità DC produce più calore dell’elettricità AC. Un interruttore esterno adatto può invece aiutare, ma così facendo si bypassa il meccanismo di sicurezza del dispositivo, il che ovviamente rappresenta un rischio. 10 Anche in questo caso non è necessariamente così: è tecnicamente possibile realizzare dispositivi adatti all’energia solare diretta. ↩︎
Un compressore a velocità fissa può utilizzare in modo utile solo il 50% dell’energia solare prodotta, mentre un compressore a velocità variabile ne utilizza circa il 75% in modo utile. ¹⁵ È necessario un condensatore da 15 per fornire energia al compressore durante la fase di avviamento. ↩︎
Al posto del convertitore DC-DC è possibile installare anche una piccola “batteria tampone” e un regolatore di carica. Come un convertitore DC-DC, il regolatore di carica garantirà una tensione di uscita stabile. Inoltre, la piccola batteria può fornire un limitato accumulo di energia che può essere utile per gestire brevi picchi di consumo energetico. Ad esempio, alcuni dispositivi presentano un picco di corrente durante la ricarica. Lo svantaggio di una batteria tampone è che i costi e l’energia incorporata aumentano e i componenti aggiuntivi possono guastarsi. Un condensatore è una tecnologia alternativa per assorbire i picchi di potenza. ↩︎
Tuttavia, l’utilizzo di dispositivi a corrente continua a bassa tensione è molto più efficiente dal punto di vista energetico perché i pannelli solari producono anche corrente continua a bassa tensione: https://solar.torvax.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of -potenza-cc/ ↩︎
Manuale di costruzione del fornello solare isolato, Living Energy Farm. Manuale del fornello elettrico solare isolato, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Manuale del forno Roxy, Living Energy Farm. Video presentazione cucine elettriche solari manuali, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video manuale per realizzare fili scaldanti. Accumulo di calore termico: Fornello elettrico solare isolato con accumulo termico solido, Andrew McCombs et al., 2022. Guarda anche questo video. ↩︎