LA FOTOSINTESILA FOTOSINTESI Il Sole e la Vita: un legame forte e Il Sole e la Vita: un legame forte e

indissolubile realizzato e mantenuto indissolubile realizzato e mantenuto grazie alla fotosintesi clorofilliana. grazie alla fotosintesi clorofilliana. Andiamo quindi a conoscere meglio Andiamo quindi a conoscere meglio questo piccolo capolavoro di ingegneria questo piccolo capolavoro di ingegneria biologica. La fotosintesi clorofilliana biologica. La fotosintesi clorofilliana consente l’utilizzo di sostanze consente l’utilizzo di sostanze inorganiche semplici come l’acqua e il inorganiche semplici come l’acqua e il biossido di carbonio per la costruzione biossido di carbonio per la costruzione di molecole organiche complesse come di molecole organiche complesse come il glucosio ed è l’unico sistema in grado il glucosio ed è l’unico sistema in grado di trasformare direttamente l’energia di trasformare direttamente l’energia trasportata dalla radiazione solare in trasportata dalla radiazione solare in energia chimica. Il meccanismo energia chimica. Il meccanismo attraverso il quale di compie la attraverso il quale di compie la fotosintesi è stato chiarito nel corso del fotosintesi è stato chiarito nel corso del ventesimo secolo e può essere diviso in ventesimo secolo e può essere diviso in due fasi distinte: la fase luminosa e la due fasi distinte: la fase luminosa e la fase oscura. fase oscura.

Durante la fase luminosa vi è Durante la fase luminosa vi è produzione di energia chimica produzione di energia chimica a partire da quella solare mentre a partire da quella solare mentre durante la fase oscura vi è durante la fase oscura vi è produzione di glucosio a partireproduzione di glucosio a partire dall’energia chimica accumulatadall’energia chimica accumulata in precedenza. in precedenza. Queste serie di reazioni chimicheQueste serie di reazioni chimiche avviene all’interno di organelli cellulari chiamati avviene all’interno di organelli cellulari chiamati

‘cloroplasti’; nelle piante i cloroplasti si trovano ‘cloroplasti’; nelle piante i cloroplasti si trovano principalmente nelle foglie e nelle parti verdi dei principalmente nelle foglie e nelle parti verdi dei giovani fusti. Ogni cloroplasto contiene un sistema di giovani fusti. Ogni cloroplasto contiene un sistema di membrane in cui trovano posto le molecole di membrane in cui trovano posto le molecole di clorofilla. La parte di glucosio che non viene clorofilla. La parte di glucosio che non viene utilizzata subito come fonte energetica può essere utilizzata subito come fonte energetica può essere convertita in altri composti organici come i lipidi convertita in altri composti organici come i lipidi oppure immagazzinata sotto forma di amido oppure oppure immagazzinata sotto forma di amido oppure ancora trasformata in cellulosa.ancora trasformata in cellulosa.fotosintesi: 6CO2 + 6H2O + energia C6H12O6 + fotosintesi: 6CO2 + 6H2O + energia C6H12O6 + 6O26O2

LE ORIGINI DELLA LE ORIGINI DELLA FOTOSINTESIFOTOSINTESI

L'atmosfera in cui si sono evoluti i primi organismi L'atmosfera in cui si sono evoluti i primi organismi era priva di ossigeno libero. La loro fonte di energia era priva di ossigeno libero. La loro fonte di energia derivava da processi anaerobici. Successivamente si derivava da processi anaerobici. Successivamente si sarebbero evolute forme di vita fotosintetiche che sarebbero evolute forme di vita fotosintetiche che

usavano l'anidride carbonica come riserva di usavano l'anidride carbonica come riserva di carbonio, e liberavano ossigeno. Senza ossigeno non carbonio, e liberavano ossigeno. Senza ossigeno non si sarebbero evolute le complesse forme di vita che si sarebbero evolute le complesse forme di vita che

esistono oggi sulla Terra. La vita sulla Terra continua esistono oggi sulla Terra. La vita sulla Terra continua grazie alla fotosintesi. Le prime cellule si nutrivano grazie alla fotosintesi. Le prime cellule si nutrivano

delle sostanze organiche presenti nel brodo delle sostanze organiche presenti nel brodo primordiale, la cui concentrazione diminuiva primordiale, la cui concentrazione diminuiva

lentamente. Molto probabilmente la scarsità di lentamente. Molto probabilmente la scarsità di risorse e di energia provocò una selezione. Alcune risorse e di energia provocò una selezione. Alcune cellule acquisirono la capacità di trarre nutrimento cellule acquisirono la capacità di trarre nutrimento

da altre, mentre altre cellule svilupparono la capacità da altre, mentre altre cellule svilupparono la capacità di sintetizzare nuove sostanze organiche usando di sintetizzare nuove sostanze organiche usando

l’energia delle ossidazioni.l’energia delle ossidazioni.

Ancora oggi esistono procarioti (cellule che non Ancora oggi esistono procarioti (cellule che non possiedono un vero e proprio nucleo cellulare ma possiedono un vero e proprio nucleo cellulare ma un “equivalente” nucleare) che ricavano l’energia un “equivalente” nucleare) che ricavano l’energia

per vivere in questo modo, i cosiddetti batteri per vivere in questo modo, i cosiddetti batteri chemosintetici. Altre cellule poterono invece chemosintetici. Altre cellule poterono invece sfruttare l’energia della luce per trasformare sfruttare l’energia della luce per trasformare

l’acqua e ottenere l’idrogeno riducente necessario l’acqua e ottenere l’idrogeno riducente necessario per la fotosintesi. Gli organismi viventi in grado di per la fotosintesi. Gli organismi viventi in grado di

fare la fotosintesi liberavano però ossigeno fare la fotosintesi liberavano però ossigeno elementare che, a causa della sua alta affinità con elementare che, a causa della sua alta affinità con le sostanze organiche, deve aver ucciso gran parte le sostanze organiche, deve aver ucciso gran parte

delle forme cellulari primitiva. Sopravvissero delle forme cellulari primitiva. Sopravvissero quindi solo quelle cellule in grado di sopportare la quindi solo quelle cellule in grado di sopportare la crescente concentrazione di ossigeno. In seguito crescente concentrazione di ossigeno. In seguito alcuni procarioti impararono ad usare l’ossigeno alcuni procarioti impararono ad usare l’ossigeno libero come mezzo ossidante per la produzione di libero come mezzo ossidante per la produzione di energia. Era così comparsa la respirazione, che energia. Era così comparsa la respirazione, che

dava un vantaggio enorme, potevano, infatti, dava un vantaggio enorme, potevano, infatti, procurarsi molta più energia di quella prodotta con procurarsi molta più energia di quella prodotta con

la fermentazione e assicurava la sopravvivenza la fermentazione e assicurava la sopravvivenza nell’atmosfera ricca di ossigeno.nell’atmosfera ricca di ossigeno.

L’EVOLUZIONE DELLA L’EVOLUZIONE DELLA FOTOSINTESIFOTOSINTESI

Da quell'era,la fotosintesi non è variata Da quell'era,la fotosintesi non è variata particolarmente ma sono piuttosto le piante che particolarmente ma sono piuttosto le piante che hanno apportato cambiamenti nel loro modo di hanno apportato cambiamenti nel loro modo di

fissare il carbonio in base all'ambiente e al clima in fissare il carbonio in base all'ambiente e al clima in cui vivevano. Ne sono dimostrazione le piante di cui vivevano. Ne sono dimostrazione le piante di

tipo C4 e CAM.tipo C4 e CAM. La maggior parte delle piante che abitano in un La maggior parte delle piante che abitano in un

clima temperato fissano la CO2 attraverso il ciclo clima temperato fissano la CO2 attraverso il ciclo di Calvin, detto anche ciclo C3 che prevede il di Calvin, detto anche ciclo C3 che prevede il

legame con il ribulosio-1,5-difosfato, catalizzato legame con il ribulosio-1,5-difosfato, catalizzato dall'enzima RuBisCO. Queste piante sono chiamate dall'enzima RuBisCO. Queste piante sono chiamate di tipo C3 poiché il primo composto organico della di tipo C3 poiché il primo composto organico della

fotosintesifotosintesi è una è una catena carboniosacatena carboniosa a 3 atomi di a 3 atomi di carboniocarbonio, il 3 , il 3 fosfatofosfato gliceraldeidegliceraldeide..

Si definiscono invece Si definiscono invece piante C4piante C4 alcune specie di alcune specie di piantepiante dei dei climi aridi, come ad esempio ilclimi aridi, come ad esempio il maismais, il , il sorgosorgo e la e la canna da canna da zuccherozucchero, che usufruiscono , che usufruiscono di una via differente per la di una via differente per la fissazione della CO2fissazione della CO2 (uno (uno dei passaggi necessari perdei passaggi necessari per portare a termine il portare a termine il processo fotosinteticoprocesso fotosintetico). ). Queste piante hanno sviluppato una via alternativa al Queste piante hanno sviluppato una via alternativa al

ciclo di Calvinciclo di Calvin, organizzata sulla presenza di due tipi di , organizzata sulla presenza di due tipi di cellule funzionalmente e morfologicamente diversi cellule funzionalmente e morfologicamente diversi situate nel cloroplasto. situate nel cloroplasto.

La fotosintesi C4 è perciò, insieme alla La fotosintesi C4 è perciò, insieme alla fotosintesi CAMfotosintesi CAM, , un adattamento adottato da alcune specie di piante, un adattamento adottato da alcune specie di piante, viventi in climi aridi, per risparmiare acqua nella viventi in climi aridi, per risparmiare acqua nella fase di fissazione del carboniofase di fissazione del carbonio. Questa via biosintetica fu . Questa via biosintetica fu scoperta nel scoperta nel 19661966 da due ricercatori da due ricercatori australianiaustraliani, M. D. , M. D. Hatch e C. R. Slack, infatti viene anche indicata come Hatch e C. R. Slack, infatti viene anche indicata come via via biosintetica di Hatch-Slackbiosintetica di Hatch-Slack..

La fotosintesi CAM (acronimo di La fotosintesi CAM (acronimo di Crassulacean Acid MetabolismCrassulacean Acid Metabolism, , ossia metabolismo acido delle ossia metabolismo acido delle crassulacee) è un ciclo metabolico crassulacee) è un ciclo metabolico di di fissazione del carboniofissazione del carbonio che che consente di ottimizzare l'consente di ottimizzare l'attivitàattività fotosintetica fotosintetica in ambienti estremi, in ambienti estremi, quali quelli quali quelli deserticidesertici..

La fotosintesi CAM, attuata nelle La fotosintesi CAM, attuata nelle CrassulaceaeCrassulaceae, nelle , nelle CactaceaeCactaceae e in alcune specie di altre famiglie (es. e in alcune specie di altre famiglie (es. AnanasAnanas, , AgaveAgave, , SedumSedum, ecc.), è un adattamento , ecc.), è un adattamento xerofiticoxerofitico vero e proprio perché consente lo svolgimento vero e proprio perché consente lo svolgimento della della fotosintesifotosintesi anche con gli anche con gli stomistomi chiusi. Nelle vie chiusi. Nelle vie metaboliche ordinarie delle metaboliche ordinarie delle piante C3piante C3 e delle e delle piante C4piante C4, , infatti, la fotosintesi necessita dell'apertura degli stomi infatti, la fotosintesi necessita dell'apertura degli stomi affinché si svolgano gli scambi gassosi (ingresso della affinché si svolgano gli scambi gassosi (ingresso della CO2CO2 e uscita dell' e uscita dell'O2O2). In caso di chiusura degli stomi, ). In caso di chiusura degli stomi, pertanto, le piante non svolgono la fotosintesi. pertanto, le piante non svolgono la fotosintesi.

COSA CI ATTENDE?COSA CI ATTENDE? CAMBIAMENTO NEL CORSO DEGLI ANNICAMBIAMENTO NEL CORSO DEGLI ANNI

Fra cinque miliardi di anni il Sole avrà esaurito l’idrogeno, il Fra cinque miliardi di anni il Sole avrà esaurito l’idrogeno, il suo principale combustibile nucleare, e a questo punto la suo principale combustibile nucleare, e a questo punto la nostra stella avrà i giorni contati. È pur vero che i nuovi nostra stella avrà i giorni contati. È pur vero che i nuovi elementi che si sono formati a partire dalla fusione elementi che si sono formati a partire dalla fusione dell’idrogeno (elio, berillio, boro, ossigeno, etc.) possono a loro dell’idrogeno (elio, berillio, boro, ossigeno, etc.) possono a loro volta fondersi per formare elementi ancora più pesanti ma volta fondersi per formare elementi ancora più pesanti ma questi nuovi combustibili nucleari avranno una durata questi nuovi combustibili nucleari avranno una durata estremamente più breve di quella dell’idrogeno. Inoltre man estremamente più breve di quella dell’idrogeno. Inoltre man mano che la fusione nucleare coinvolge elementi sempre più mano che la fusione nucleare coinvolge elementi sempre più pesanti essa diventa sempre meno efficiente. La festa finisce pesanti essa diventa sempre meno efficiente. La festa finisce quando le reazioni di fusione producono ferro; il ferro è un quando le reazioni di fusione producono ferro; il ferro è un materiale molto stabile dal punto di vista nucleare e con materiale molto stabile dal punto di vista nucleare e con questo elemento (e con quelli più pesanti) la fusione nucleare questo elemento (e con quelli più pesanti) la fusione nucleare non è più possibile. Di conseguenza la forza di gravità, non più non è più possibile. Di conseguenza la forza di gravità, non più contrastata dal motore interno del Sole ormai spento, contrastata dal motore interno del Sole ormai spento, prenderà il sopravvento e comprimerà la nostra stella fino a prenderà il sopravvento e comprimerà la nostra stella fino a ridurla a una sfera non più grande della Terra; ridurla a una sfera non più grande della Terra;

dopo di che il collasso si arresterà poiché la forza di gravità sarà dopo di che il collasso si arresterà poiché la forza di gravità sarà equilibrata dall’enorme pressione generata da così tanta materia equilibrata dall’enorme pressione generata da così tanta materia confinata in uno spazio così ristretto. confinata in uno spazio così ristretto.

A questo punto inizia un lento ed inesorabile raffreddamento che A questo punto inizia un lento ed inesorabile raffreddamento che porterà ciò che resta del nostro Sole alla fase finale della sua vita: porterà ciò che resta del nostro Sole alla fase finale della sua vita: una fredda e scura sfera di materia superdensa vagante nello una fredda e scura sfera di materia superdensa vagante nello spazio. Senza la luce del Sole la vita come noi la conosciamo sarà spazio. Senza la luce del Sole la vita come noi la conosciamo sarà impossibile. Anche la tecnologia umana dipende fortemente dal impossibile. Anche la tecnologia umana dipende fortemente dal Sole; infatti l’energia che otteniamo dai combustibili fossili, dai salti Sole; infatti l’energia che otteniamo dai combustibili fossili, dai salti d’acqua, dai pannelli solari e dalle centrali eoliche è tutta energia d’acqua, dai pannelli solari e dalle centrali eoliche è tutta energia solare convertita. Però da circa cinquant’anni l’Uomo ha imparato solare convertita. Però da circa cinquant’anni l’Uomo ha imparato ad utilizzare una fonte di energia completamente indipendente dal ad utilizzare una fonte di energia completamente indipendente dal Sole: ci riferiamo all’energia nucleare. Oggi quasi il 20% Sole: ci riferiamo all’energia nucleare. Oggi quasi il 20% dell’energia elettrica prodotta nel mondo è di origine nucleare; gli dell’energia elettrica prodotta nel mondo è di origine nucleare; gli attuali reattori nucleari basano il loro funzionamento sulla fissione attuali reattori nucleari basano il loro funzionamento sulla fissione nucleare ma in tutto il mondo sono in corso studi e ricerche nucleare ma in tutto il mondo sono in corso studi e ricerche finalizzati alla realizzazione di reattori a fusione. Di conseguenza finalizzati alla realizzazione di reattori a fusione. Di conseguenza una civiltà tecnologica può, almeno in linea di principio, fare a meno una civiltà tecnologica può, almeno in linea di principio, fare a meno dell’energia del Sole ma in un mondo del genere l’azzurro dei cieli, il dell’energia del Sole ma in un mondo del genere l’azzurro dei cieli, il cinguettio degli uccelli e il fruscio del vento in mezzo alle foglie cinguettio degli uccelli e il fruscio del vento in mezzo alle foglie degli alberi saranno solo un lontanissimo ricordo. degli alberi saranno solo un lontanissimo ricordo.

UNA MOLECOLA CHE PROTEGGE LE PIANTEUNA MOLECOLA CHE PROTEGGE LE PIANTE

Un altro importante pezzo del puzzle della fotosintesi Un altro importante pezzo del puzzle della fotosintesi è stato messo a posto. I ricercatori del Lawrence è stato messo a posto. I ricercatori del Lawrence

Berkeley National Laboratory e dell'Università della Berkeley National Laboratory e dell'Università della California di Berkeley hanno identificato una delle California di Berkeley hanno identificato una delle molecole che contribuiscono a proteggere le piante molecole che contribuiscono a proteggere le piante

dai danni ossidativi che possono risultare dai danni ossidativi che possono risultare dall'assorbimento di troppa luce. Gli scienziati hanno dall'assorbimento di troppa luce. Gli scienziati hanno

determinato che, quando le molecole di clorofilla determinato che, quando le molecole di clorofilla nelle piante assorbono più energia solare di quella nelle piante assorbono più energia solare di quella

che sono in grado di usare immediatamente, le che sono in grado di usare immediatamente, le molecole di zeaxantina, un pigmento della famiglia molecole di zeaxantina, un pigmento della famiglia

dei carotenoidi, trasportano via l'energia in eccesso.dei carotenoidi, trasportano via l'energia in eccesso.

CURIOSITA’CURIOSITA’

IMITAZIONI DELLA IMITAZIONI DELLA FOTOSINTESIFOTOSINTESI

IL FOTOVOLTAICOIL FOTOVOLTAICOL'effetto fotovoltaico consiste nella trasformazione della luce in energia elettrica. Esso è noto fin dal secolo scorso, quando si scoprì che era possibile

trasformare direttamente l'energia solare in energia elettrica tramite una cella elettrolitica senza

passare per processi termodinamici. La prima applicazione commerciale si ebbe nel 1954 negli

Stati Uniti, quando i laboratori Bell realizzarono la prima cella fotovoltaica utilizzando il silicio monocristallino. Esistono due tipi di sistemi

fotovoltaici: gli impianti senza accumulo e quelli con accumulo; questi ultimi sono provvisti di

accumulatori per "mettere in serbo", durante il giorno e specialmente nelle ore di sole, l'energia

elettrica da utilizzare poi durante la notte e quando il sole è coperto.

L'energia viene conservata in batterie (normalmente L'energia viene conservata in batterie (normalmente piombo-acido) ed un regolatore di carica impedisce che piombo-acido) ed un regolatore di carica impedisce che

la tensione di carica superi un certo valore per la tensione di carica superi un certo valore per salvaguardare l'integrità degli accumulatori.salvaguardare l'integrità degli accumulatori.

Gli impianti con accumulo sono impiegati nelle "utenze Gli impianti con accumulo sono impiegati nelle "utenze isolate", cioè là dove gli utilizzatori non sono collegati isolate", cioè là dove gli utilizzatori non sono collegati alla rete, e quindi, se la loro fonte di elettricità fosse alla rete, e quindi, se la loro fonte di elettricità fosse

quella solare, ne rimarrebbero senza proprio la notte, quella solare, ne rimarrebbero senza proprio la notte, quando la luce è indispensabile. Gli impianti senza quando la luce è indispensabile. Gli impianti senza accumulo sono normalmente utilizzati per fornire accumulo sono normalmente utilizzati per fornire

energia a una rete elettrica già alimentata da generatori energia a una rete elettrica già alimentata da generatori convenzionali e servono ad immettervi altra energia. convenzionali e servono ad immettervi altra energia.

Attualmente i moduli fotovoltaici sono costruiti partendo Attualmente i moduli fotovoltaici sono costruiti partendo da semiconduttori al silicio, le applicazioni sono da semiconduttori al silicio, le applicazioni sono

essenzialmente per piccole potenze e sopratutto per essenzialmente per piccole potenze e sopratutto per utenze isolate dove sarebbe oneroso collegarsi con la utenze isolate dove sarebbe oneroso collegarsi con la

rete elettrica e non sussistano altre fonti primarie quali rete elettrica e non sussistano altre fonti primarie quali venti costanti, corsi/salti d'acqua ecc., esistono centrali venti costanti, corsi/salti d'acqua ecc., esistono centrali

solari di qualche MWp più che altro utili a testare le solari di qualche MWp più che altro utili a testare le tecnologie maturate, i costi degli impianti attualmente tecnologie maturate, i costi degli impianti attualmente funzionanti non sono competitivi con gli altri sistemi di funzionanti non sono competitivi con gli altri sistemi di

generazione di energia elettrica.generazione di energia elettrica.

Il generatore fotovoltaico:Il generatore fotovoltaico: E' costituito da un insieme di E' costituito da un insieme di

moduli fotovoltaici moduli sono moduli fotovoltaici moduli sono costituiti da un insieme di celle   costituiti da un insieme di celle   

Più moduli collegati insieme Più moduli collegati insieme formano un pannello che può formano un pannello che può essere utilizzato anche  per essere utilizzato anche  per piccoli sistemi.          piccoli sistemi.          

Un insieme di pannelli, collegati Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie, elettricamente in serie, costituiscono una stringa.             costituiscono una stringa.             

Più stringhe, collegate Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, generalmente in parallelo, costituiscono un campo di una costituiscono un campo di una centrale fotovoltaicacentrale fotovoltaica

La cella fotovoltaica:La cella fotovoltaica:

E' il componente base dei sistemi fotovoltaici, un E' il componente base dei sistemi fotovoltaici, un dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di dispositivo costituito da una sottile fetta ( 0,3 mm ) di materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, materiale semiconduttore (wafer), in genere silicio, opportunamente trattata.opportunamente trattata.Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi Tale trattamento è caratterizzato da diversi processi chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti “drogaggi”: chimici, tra i quali si hanno i cosiddetti “drogaggi”: inserendo nella struttura cristallina del silicio delle inserendo nella struttura cristallina del silicio delle impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera un impurità, cioè atomi di boro e fosforo, si genera un campo elettrico e si rendono anche disponibili le campo elettrico e si rendono anche disponibili le cariche necessarie alla formazione della corrente cariche necessarie alla formazione della corrente elettrica.  elettrica. 

Riassumendo molto l'energia si ottiene quando i Riassumendo molto l'energia si ottiene quando i fotoni della luce solare, colpendo una cella, fotoni della luce solare, colpendo una cella, "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli "strappano" gli elettroni più esterni (di valenza) degli atomi di silicio, gli elettroni sono raccolti dal reticolo atomi di silicio, gli elettroni sono raccolti dal reticolo metallico serigrafato sulla superficie visibile della metallico serigrafato sulla superficie visibile della cella che "incanalano" un flusso di elettroni cella che "incanalano" un flusso di elettroni ottenendo una corrente continua di energia elettrica.ottenendo una corrente continua di energia elettrica.

In base al tipo di tecnologia di drogaggio utilizzata In base al tipo di tecnologia di drogaggio utilizzata il silicio prende il nome di : silicio monocristallino, il silicio prende il nome di : silicio monocristallino, multicristallino, amorfo.multicristallino, amorfo.

IL SILICIO MONOCRISTALLINOIL SILICIO MONOCRISTALLINO

L' efficienza di queste celle fotovoltaiche è 12-16%,L' efficienza di queste celle fotovoltaiche è 12-16%, Per la produzione di un pannello da un kWp Per la produzione di un pannello da un kWp

occorrono 6-9 MWh di energia.occorrono 6-9 MWh di energia. L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un

pannello FV da 1 kWp è 18-24 MWh. Il silicio pannello FV da 1 kWp è 18-24 MWh. Il silicio monocristallino per applicazioni fotovoltaiche è lo monocristallino per applicazioni fotovoltaiche è lo stato dell'arte nel settore. Grazie ad esso si stato dell'arte nel settore. Grazie ad esso si realizzano celle con efficienza elevata e spazi realizzano celle con efficienza elevata e spazi contenuti. Ciò significa che a parità di spazio contenuti. Ciò significa che a parità di spazio occupato questo tipo di pannello produce più occupato questo tipo di pannello produce più energia rispetto ad ogni altra tecnologia.energia rispetto ad ogni altra tecnologia.

La cella in silicio monocristallino si riconosce per la La cella in silicio monocristallino si riconosce per la forma "sub-quadrata" e il colore blu scuro. Il wafer forma "sub-quadrata" e il colore blu scuro. Il wafer di monocristallo si produce con il metodo di monocristallo si produce con il metodo

Czochralsky , basato sulla cristallizzazione di Czochralsky , basato sulla cristallizzazione di un “seme” di materiale molto puro, che vieneun “seme” di materiale molto puro, che viene immerso nel silicio liquido e quindi estratto eimmerso nel silicio liquido e quindi estratto e raffreddato lentamente per ottenere un raffreddato lentamente per ottenere un ““lingotto” di monocristallo, che avrà formalingotto” di monocristallo, che avrà forma cilindrica (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cilindrica (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza). Successivamente le celle cm di lunghezza). Successivamente le celle ottenute affettando questo cilindro  vengono ottenute affettando questo cilindro  vengono squadrate non completamente, lasciando i squadrate non completamente, lasciando i

caratteristici angoli smussati, a volte anche a caratteristici angoli smussati, a volte anche a forme ottagonali, il colore è uniforme. forme ottagonali, il colore è uniforme.

IL SILICIO POLICRISTALLINOIL SILICIO POLICRISTALLINO

Le celle a silicio multicristallino  (o policristallino) Le celle a silicio multicristallino  (o policristallino) possono avere efficienze del 10-13%possono avere efficienze del 10-13%

Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono 4-7 MWh di energia.4-7 MWh di energia.

L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un pannello FV da 1 kWp è 16-20 MWh.pannello FV da 1 kWp è 16-20 MWh.

Il wafer di multicristallo si origina dalla fusione e Il wafer di multicristallo si origina dalla fusione e successiva ricristallizzazione del silicio di scarto successiva ricristallizzazione del silicio di scarto dell’industria elettronica (“scraps” di silicio). Da questa dell’industria elettronica (“scraps” di silicio). Da questa fusione si ottiene un “pane” che viene tagliato fusione si ottiene un “pane” che viene tagliato verticalmente in lingotti con forma di parallelepipedo, verticalmente in lingotti con forma di parallelepipedo, per cui i wafer ottenuti hanno forma squadrata e le per cui i wafer ottenuti hanno forma squadrata e le caratteristiche striature.caratteristiche striature.

Il silicio policristallino è facilmente riconoscibile per il Il silicio policristallino è facilmente riconoscibile per il suo colore e per i tipici riflessi azzurri. La tecnologia dei suo colore e per i tipici riflessi azzurri. La tecnologia dei moduli al silicio policristallino permette di raggiungere moduli al silicio policristallino permette di raggiungere livelli di efficienza superiori rispetto al film sottile livelli di efficienza superiori rispetto al film sottile riducendo gli spazi necessari per l'installazione.riducendo gli spazi necessari per l'installazione.

IL SILICIO AMORFOIL SILICIO AMORFO

Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo quanto si tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) in film sottili su superfici che possono stato amorfo) in film sottili su superfici che possono anche essere ampie.anche essere ampie.

   I moduli in silicio amorfo possono avere efficienze del I moduli in silicio amorfo possono avere efficienze del

4-6% quelli monogiunzione e 7-10% con le tecnologie a 4-6% quelli monogiunzione e 7-10% con le tecnologie a doppia o tripla giunzione che sfruttano una più larga doppia o tripla giunzione che sfruttano una più larga banda dello spettro solare utile. banda dello spettro solare utile.

Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono Per la produzione di un pannello da un kWp occorrono 3-5 MWh di energia.3-5 MWh di energia.

L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un L'energia prodotta nella vita media (20 anni) da un pannello FV da 1 kWp è 10-18 MWh secondo la pannello FV da 1 kWp è 10-18 MWh secondo la tecnologia adottata.tecnologia adottata.

Il maggiore vantaggio dei moduli in silicio amorfo è la Il maggiore vantaggio dei moduli in silicio amorfo è la potenziale versatilità nell' integrazione architettonica potenziale versatilità nell' integrazione architettonica dei moduli FV, sia per quanto concerne la forma che le dei moduli FV, sia per quanto concerne la forma che le tonalità cromatiche, fino ad ottenere anche superfici tonalità cromatiche, fino ad ottenere anche superfici semitrasparenti utilizzabili in facciate vetrate.semitrasparenti utilizzabili in facciate vetrate.

I moduli fotovoltaici al silicioI moduli fotovoltaici al silicio amorfo hanno la caratteristica amorfo hanno la caratteristica di generare mediamente piùdi generare mediamente più energia rispetto a moduli cheenergia rispetto a moduli che adottano diverse tecnologie.adottano diverse tecnologie.

Questo è dovuto principalmenteQuesto è dovuto principalmente alla loro capacità di operare daalla loro capacità di operare da un livello di irraggiamento molto basso. Il film sottile di silicio un livello di irraggiamento molto basso. Il film sottile di silicio

utilizzato permette al modulo di pareggiare in breve tempo il utilizzato permette al modulo di pareggiare in breve tempo il bilancio dell'energia necessaria per produrlo. La temperatura bilancio dell'energia necessaria per produrlo. La temperatura influisce sulla capacità produttiva di tutti i moduli fotovoltaici, influisce sulla capacità produttiva di tutti i moduli fotovoltaici, infatti all'aumento della temperatura superficiale di un pannello, infatti all'aumento della temperatura superficiale di un pannello, corrisponde una diminuzione della efficienza.corrisponde una diminuzione della efficienza.

Questo fenomeno è minimo sui moduli al silicio amorfo che hanno Questo fenomeno è minimo sui moduli al silicio amorfo che hanno un rendimento superiore in tali condizioni. Infine, la tecnologia di un rendimento superiore in tali condizioni. Infine, la tecnologia di produzione riesce a garantire una produttività stabile nel tempo.produzione riesce a garantire una produttività stabile nel tempo.

LE DYE-SENSITIZED SOLAR LE DYE-SENSITIZED SOLAR CELLSCELLS

Losanna, sponda svizzera del lago di Ginevra: il laboratorio di fotonica Losanna, sponda svizzera del lago di Ginevra: il laboratorio di fotonica dell’ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne è immerso nel verde, dell’ Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne è immerso nel verde, con le acque cristalline del lago come sfondo. E qui lavora uno dei 20 con le acque cristalline del lago come sfondo. E qui lavora uno dei 20 chimici più famosi e citati del mondo, il professor Michael Grätzel, da chimici più famosi e citati del mondo, il professor Michael Grätzel, da poco premiato con il “Millennium Technology Prize 2010” per l’ideazione poco premiato con il “Millennium Technology Prize 2010” per l’ideazione e lo sviluppo delle celle solari DSSC, Dye-Sensitized Solar Cells, anche e lo sviluppo delle celle solari DSSC, Dye-Sensitized Solar Cells, anche dette celle di Grätzel dal nome del loro inventore. dette celle di Grätzel dal nome del loro inventore. Il perché di tanto successo è facilmente comprensibile e Il perché di tanto successo è facilmente comprensibile e fondamentalmente si basa su una formula di successo: Sole a basso fondamentalmente si basa su una formula di successo: Sole a basso costo, cioè una fonte di energia pulita, sostenibile, economica e costo, cioè una fonte di energia pulita, sostenibile, economica e soprattutto abbondante. Il nostro pianeta riceve dal Sole mediamente soprattutto abbondante. Il nostro pianeta riceve dal Sole mediamente 120000 terawatt di potenza, un’energia largamente superiore alle 120000 terawatt di potenza, un’energia largamente superiore alle esigenze umane; basti pensare che se si ricoprisse lo 0.16% della esigenze umane; basti pensare che se si ricoprisse lo 0.16% della superficie terrestre (cioè l’intera Gran Bretagna o 2 volte l’isola di Cuba, superficie terrestre (cioè l’intera Gran Bretagna o 2 volte l’isola di Cuba, o ancora meglio metà del deserto del Kalahari) con sistemi fotovoltaici o ancora meglio metà del deserto del Kalahari) con sistemi fotovoltaici efficienti anche solo al 10%, si otterrebbero 20 terawatt di potenza, il efficienti anche solo al 10%, si otterrebbero 20 terawatt di potenza, il doppio del consumo mondiale di energia da fonti fossili e corrispondenti doppio del consumo mondiale di energia da fonti fossili e corrispondenti a 20000 centrali nucleari da 1 gigawatt l’una. a 20000 centrali nucleari da 1 gigawatt l’una.

Ovviamente però l’energia del Sole non si può usare Ovviamente però l’energia del Sole non si può usare così com’è. Intermittente e diffusa, legata sia a così com’è. Intermittente e diffusa, legata sia a parametri geografici (latitudine e altezza) che parametri geografici (latitudine e altezza) che meteorologici come la nuvolosità, l’energia solare deve meteorologici come la nuvolosità, l’energia solare deve essere prima “catturata”, poi concentrata e stoccata, essere prima “catturata”, poi concentrata e stoccata, ed infine convertita in forme di energia utili, come ed infine convertita in forme di energia utili, come l’elettricità o l’energia termica.l’elettricità o l’energia termica.L’era moderna delle celle solari fotovoltaiche nasce L’era moderna delle celle solari fotovoltaiche nasce negli anni ’50, con lo creazione dei primi sistemi a negli anni ’50, con lo creazione dei primi sistemi a base di silicio come tecnologia spaziale per lo sviluppo base di silicio come tecnologia spaziale per lo sviluppo di alimentatori per satelliti; il Vanguard I, lanciato in di alimentatori per satelliti; il Vanguard I, lanciato in orbita dalla NASA nel 1958, fu il primo satellite orbita dalla NASA nel 1958, fu il primo satellite alimentato ad energia solare. Per questo tipo di alimentato ad energia solare. Per questo tipo di applicazioni avanzate ovviamente il costo della applicazioni avanzate ovviamente il costo della tecnologia non rappresenta un ostacolo, ma diventa tecnologia non rappresenta un ostacolo, ma diventa quanto mai rilevante quando si rimettono i piedi sulla quanto mai rilevante quando si rimettono i piedi sulla Terra. Terra. Il costo dell’elettricità delle celle solari di prima Il costo dell’elettricità delle celle solari di prima generazione a base di silicio attualmente è 2-3.5 $ per generazione a base di silicio attualmente è 2-3.5 $ per watt; per essere competitive con le altre tecnologie watt; per essere competitive con le altre tecnologie esistenti i costi dovrebbero essere abbattuti fino a 0.4 esistenti i costi dovrebbero essere abbattuti fino a 0.4 $ per watt. $ per watt.

Le celle solari di seconda generazione, basate su sottili Le celle solari di seconda generazione, basate su sottili pellicole di materiale inorganico (e.g. silicio amorfo, pellicole di materiale inorganico (e.g. silicio amorfo, cadmio-tellurio, rame-indio-selenio, rame-indio-gallio-cadmio-tellurio, rame-indio-selenio, rame-indio-gallio-selenio) riducono i costi di produzione rispetto alle celle selenio) riducono i costi di produzione rispetto alle celle solari di prima generazione poiché possono essere solari di prima generazione poiché possono essere depositate efficacemente con tecniche a basso costo su depositate efficacemente con tecniche a basso costo su grandi superfici come vetro, acciaio e polimeri vari; grandi superfici come vetro, acciaio e polimeri vari; d’altro canto però l’efficienza di conversione della luce d’altro canto però l’efficienza di conversione della luce solare è molto inferiore rispetto a quella ottenibile da solare è molto inferiore rispetto a quella ottenibile da celle solari di prima generazione, 7-12% contro 25%, e celle solari di prima generazione, 7-12% contro 25%, e soprattutto questo tipo di celle ha un declino delle soprattutto questo tipo di celle ha un declino delle performance del 20-30% dopo 1000 ore di operatività performance del 20-30% dopo 1000 ore di operatività alla luce solare. alla luce solare. Ed è qui che entrano in gioco le celle di Grätzel, con un Ed è qui che entrano in gioco le celle di Grätzel, con un eccellente rapporto prezzo/performance ed in grado di eccellente rapporto prezzo/performance ed in grado di imporsi nel mercato delle energie rinnovabili a larga imporsi nel mercato delle energie rinnovabili a larga scala e a basso costo. scala e a basso costo. Il principio di funzionamento delle DSSC è quello della Il principio di funzionamento delle DSSC è quello della fotosintesi: immaginiamo le foglie delle piante come fotosintesi: immaginiamo le foglie delle piante come piccole fabbriche in cui la luce solare, assorbita dalla piccole fabbriche in cui la luce solare, assorbita dalla clorofilla, converte l’anidride carbonica e l’acqua, in clorofilla, converte l’anidride carbonica e l’acqua, in glucosio ed ossigeno, fornendo energia alla pianta. glucosio ed ossigeno, fornendo energia alla pianta.

Nelle DSSC è riprodotta una sorta di fotosintesi artificiale: Nelle DSSC è riprodotta una sorta di fotosintesi artificiale: nanoparticelle di titanio ossido giocano il ruolo della nanoparticelle di titanio ossido giocano il ruolo della struttura delle foglie, mentre la clorofilla è mimata da struttura delle foglie, mentre la clorofilla è mimata da grandi molecole organiche colorate (i dyes) in grado di grandi molecole organiche colorate (i dyes) in grado di assorbire la luce. I nanocristalli di titanio ossido sono assorbire la luce. I nanocristalli di titanio ossido sono ricoperti dalle molecole di colorante, immersi in una ricoperti dalle molecole di colorante, immersi in una soluzione elettrolita, ed infine racchiusi in una specie di soluzione elettrolita, ed infine racchiusi in una specie di sandwich di 10 micrometri di spessore tra due piastre di sandwich di 10 micrometri di spessore tra due piastre di vetro o plastica. La luce colpisce gli elettroni liberi del vetro o plastica. La luce colpisce gli elettroni liberi del colorante e crea dei “buchi”, cioè delle regioni di carica colorante e crea dei “buchi”, cioè delle regioni di carica positiva derivanti dalla perdita degli elettroni; gli elettroni positiva derivanti dalla perdita degli elettroni; gli elettroni vengono raccolti dai nanocristalli di titanio ossido e vengono raccolti dai nanocristalli di titanio ossido e trasferiti ad un circuito esterno producendo una corrente trasferiti ad un circuito esterno producendo una corrente elettrica.elettrica.Confrontate con le celle solari di prima generazione a Confrontate con le celle solari di prima generazione a base di silicio, le celle di Grätzel sono nettamente più base di silicio, le celle di Grätzel sono nettamente più economiche, più resistenti e hanno una maggior economiche, più resistenti e hanno una maggior versatilità:versatilità:• i materiali che le compongono sono reperibili facilmente • i materiali che le compongono sono reperibili facilmente in grandi quantità e a basso costo, e per di più non sono in grandi quantità e a basso costo, e per di più non sono tossici. Le nanoparticelle di titanio ossido per esempio tossici. Le nanoparticelle di titanio ossido per esempio sono comunemente utilizzate come pigmento bianco nelle sono comunemente utilizzate come pigmento bianco nelle vernici, nelle materie plastiche e nel cemento; vernici, nelle materie plastiche e nel cemento;

• • sebbene l’efficienza di conversione dell’energia sebbene l’efficienza di conversione dell’energia solare sia inferiore rispetto alle celle di prima solare sia inferiore rispetto alle celle di prima generazione, 12% contro 25%, la loro stabilità generazione, 12% contro 25%, la loro stabilità operativa supera le 10000 ore;operativa supera le 10000 ore;• le DSSC possono produrre elettricità anche in • le DSSC possono produrre elettricità anche in condizioni di luce bassa o di nuvolosità; niente a che condizioni di luce bassa o di nuvolosità; niente a che vedere con le condizioni di luce ottimali richieste dalle vedere con le condizioni di luce ottimali richieste dalle celle a base di silicio che catturano l’energia solare celle a base di silicio che catturano l’energia solare solo quando i raggi solari sono intensi e diretti;solo quando i raggi solari sono intensi e diretti;• le DSSC sono le uniche celle solari che possono • le DSSC sono le uniche celle solari che possono essere completamente trasparenti; poiché il loro essere completamente trasparenti; poiché il loro colore dipende dalla molecola di colorante, colore dipende dalla molecola di colorante, selezionando coloranti che assorbono nella regione selezionando coloranti che assorbono nella regione dei raggi ultravioletti o del vicino infrarosso si dei raggi ultravioletti o del vicino infrarosso si possono ottenere materiali completamente possono ottenere materiali completamente trasparenti.trasparenti.I vantaggi sono tanti ed evidenti, e fanno sì che questa I vantaggi sono tanti ed evidenti, e fanno sì che questa tecnologia possa adattarsi ad una vasta gamma di tecnologia possa adattarsi ad una vasta gamma di materiali, da foglietti flessibili facilmente tagliabili con materiali, da foglietti flessibili facilmente tagliabili con un paio di forbici a finestre completamente un paio di forbici a finestre completamente trasparenti.trasparenti.

L’interesse industriale è crescente e negli ultimi anni moltissime L’interesse industriale è crescente e negli ultimi anni moltissime aziende stanno puntando su questo tipo di tecnologia. La aziende stanno puntando su questo tipo di tecnologia. La compagnia gallese G24 Innovation ad esempio ha lanciato nel compagnia gallese G24 Innovation ad esempio ha lanciato nel 2009 i primi moduli fotovoltaici DSSC in una serie di prodotti 2009 i primi moduli fotovoltaici DSSC in una serie di prodotti innovativi, come il primo zaino ricoperto di celle solari flessibili, innovativi, come il primo zaino ricoperto di celle solari flessibili, per ricaricare in ogni momento cellulari e piccoli dispositivi per ricaricare in ogni momento cellulari e piccoli dispositivi elettronici. Il passaggio successivo verso una commercializzazione elettronici. Il passaggio successivo verso una commercializzazione delle DSSC su scala ancora più ampia verrà sicuramente delle DSSC su scala ancora più ampia verrà sicuramente dall’edilizia, dove i materiali fotovoltaici potrebbero essere usati dall’edilizia, dove i materiali fotovoltaici potrebbero essere usati per sostituire materiali convenzionali nella costruzione di tetti, per sostituire materiali convenzionali nella costruzione di tetti, grattacieli, rivestimenti ed intere facciate di edifici.grattacieli, rivestimenti ed intere facciate di edifici.Attualmente solo lo 0.54% dell’energia globale è prodotta Attualmente solo lo 0.54% dell’energia globale è prodotta utilizzando il Sole, e solo lo 0.04% utilizzando il solare elettrico. Le utilizzando il Sole, e solo lo 0.04% utilizzando il solare elettrico. Le prospettive di incremento e le potenzialità sono comunque prospettive di incremento e le potenzialità sono comunque innegabili, con risvolti sociali non indifferenti; come disse innegabili, con risvolti sociali non indifferenti; come disse l’avveniristico Giacomo Ciamician nel suo famoso articolo su l’avveniristico Giacomo Ciamician nel suo famoso articolo su Nature del 1912 “La fotochimica del futuro”: “L’energia solare Nature del 1912 “La fotochimica del futuro”: “L’energia solare non è distribuita equamente sulla superficie terrestre. Ci sono non è distribuita equamente sulla superficie terrestre. Ci sono regioni privilegiate, e altre meno favorite dal clima. Le prime regioni privilegiate, e altre meno favorite dal clima. Le prime diventerebbero le più ricche e prospere se fossimo in grado di diventerebbero le più ricche e prospere se fossimo in grado di utilizzare l’energia dal Sole. Le regioni tropicali verrebbero utilizzare l’energia dal Sole. Le regioni tropicali verrebbero riconquistate dalla civiltà, che in questo modo tornerebbe al suo riconquistate dalla civiltà, che in questo modo tornerebbe al suo luogo di origine.”luogo di origine.”

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Le_origini_della_fotosintesi/1288798Le_origini_della_fotosintesi/1288798 https://www.eniscuola.net/getpage.aspx?https://www.eniscuola.net/getpage.aspx?

id=2383&sec=1778 =ita&padre=2363&sez=Biolo⟨id=2383&sec=1778 =ita&padre=2363&sez=Biolo⟨gia&idpadre=2364gia&idpadre=2364

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