Agrovoltaico e integrazione delle celle solari DSSC

L’attuale crisi energetica deve fare i conti con il disperato bisogno di ossigeno che quindi non può giustificare un taglio indiscriminato di piante e foreste per creare spazio per impianti fotovoltaici. D’altronde le tecnologie fotovoltaiche sono essenziali per la produzione di energia pulita e l’indipendenza dai combustibili fossili.

Per poter soddisfare l’elevata domanda di energia e rendere l’agricoltura nelle serre più sostenibile, c’è un grande interesse nell’integrazione del fotovoltaico nelle serre. L’attività agrovoltaica mira a coniugare lo sfruttamento del suolo per la produzione di energia pulita con la produzione alimentare. Dal 2012 al 2020 la capacità installata globale di agrovoltaico è passata da 5 MW a 2900 MW.

Le condizioni interne delle serre, come illuminazione, riscaldamento, raffreddamento, ventilazione, automazione e irrigazione richiedono un consumo energetico significativo. Di conseguenza, si stima che il consumo di elettricità delle serre tecnologicamente avanzate sia di circa 9 KWh/m² all’anno. Tale consumo può essere sostenuto dai pannelli fotovoltaici. L’attuale tecnologia al Silicio è opaca ed inibisce, mediante un eccessivo ombreggiamento, la crescita e la produttività delle piante. Alcuni test, utilizzando pannelli al silicio disponibili in commercio, hanno dimostrato che l’area coperta dei tetti delle serre non dovrebbe superare il 20-30% dell’area totale del tetto. Molti studi hanno riportato una diminuzione della resa nella coltivazione in serra con pannelli in silicio per diverse colture come fagiolini, cetrioli, grano e lattuga. È evidente come sia diventato importante l’utilizzo di materiali che abbiano proprietà di semi-trasparenza per non compromettere la crescita delle piante favorendo il giusto ombreggiamento.

La tecnologia DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) può essere considerata per applicazioni in serra non solo per supportare il fabbisogno energetico ma anche con lo scopo di controllare selettivamente la luce in ingresso. La trasparenza delle DSSC, infatti, consente di filtrare la luce incidente, dividendo lo spettro tra crescita delle piante e produzione di energia elettrica. Le tecnologie fotovoltaiche in silicio cristallino hanno dimostrato un’adeguata fornitura di energia per le serre ma, poiché non garantiscono trasmissione della luce, solo una parte della serra può essere coltivata. I pannelli possono essere posizionati ad altezze maggiori per massimizzare l’ingresso della luce, ma l’impegno economico relativo ai costi di manutenzione rende incompatibile la soluzione con colture di elevata importanza.

La manipolazione della luce è considerata una priorità per migliorare la quantità e la qualità dei prodotti agricoli. Le molecole di clorofilla non assorbono la luce verde e quindi questa è meno importante per la fotosintesi stessa, mentre lo sviluppo e la fisiologia delle piante sono fortemente influenzati dalla luce blu o rossa. Oltre al supporto elettrico e ai vantaggi derivanti dalla manipolazione della luce, i dispositivi DSSC possono eseguire ombreggiature sostenibili alternative con l’obiettivo di ridurre la temperatura dell’aria e regolare il microclima all’interno della serra, soprattutto in estate.

In un recente lavoro pubblicato sulla rivista Energies, l’Università di Roma Tor Vergata, nelle vesti del CHOSE (Centre for Hybrid and Organic Solar Energy), del Dipartimento di Ingegneria Elettronica e del Dipartimento di Biologia, il CNR-ISM (Istituto di Struttura della Materia) e la compagnia Great Cell Solar Italia hanno mostrato la copertura di 2 m² di serra con pannelli DSSC per studiare il compromesso tra la produzione di energia per una serra acquaponica all’interno dell’Orto Botanico dell’Università Tor Vergata e l’effetto della luce filtrata sulla crescita della lattuga (Figura 1). Lo studio rientra all’interno dei progetti finanziati dalla Regione Lazio “Aquaponic easy farm 4.0” e “COPPER”.

Nel lavoro viene descritto il processo di fabbricazione tramite tecniche di stampa dei moduli DSSC e il loro successivo assemblaggio per la laminazione dei pannelli tenendo in considerazione l’efficienza, la trasparenza e la stabilità dei dispositivi. Prima della realizzazione del pannello i moduli sono stati sottoposti a stress di tipo termico e di tipo light soaking, in accordo con le indicazioni ISOS, mantenendo più dell’80% delle prestazioni iniziali. L’efficienza massima dei moduli con dimensioni di 400 cm² è stata di circa il 4% (utilizzando un simulatore solare) con una trasparenza del 35%. In condizioni esterne soleggiate, il singolo pannello di dimensioni 0.16 m² ha mostrato un’efficienza paragonabile a quella del modulo, mentre in condizioni nuvolose l’efficienza ha superato il 4.5%, confermando l’ottima operabilità della tecnologia DSSC in condizioni di luce diffusa (Tabella 1).

I pannelli presentano una tensione compresa tra 16 e 18 Volt e una potenza compresa tra 2 e 3 Watt in grado di fornire parte del fabbisogno energetico di una serra per i sensori di temperatura e umidità. I risultati preliminari riguardanti la crescita delle piante non riportano differenze tra la crescita della lattuga sotto la luce naturale e quella filtrata dalle DSC. Il lavoro ha mostrato l’ottimizzazione dell’uso del territorio combinando pannelli solari fotovoltaici e colture alimentari.