Ecosistema

Risparmio energetico – ricerca della passività energetica – impatto zero

La serra acquaponica ha un fabbisogno energetico finalizzato al funzionamento di pompe di ricircolo, sistemi di filtraggio, sensoristica e domotica che può essere soddisfatta parzialmente o totalmente da fonti di energia rinnovabile, riducendo così ulteriormente l’impatto ambientale.

Il fotovoltaico è la tecnologia che meglio si presta a essere implementata in questa applicazione e, in tal senso, negli ultimi anni si sta sviluppando il settore dell’agrovoltaico volto a coniugare produzione agricola con la generazione di energia elettrica da fotovoltaico.

Generalmente, l’agrovoltaico è applicato per coltivazioni a terra tramite l’utilizzo di pannelli fotovoltaici convenzionali disposti in modo da evitare un eccessivo ombreggiamento per le coltivazioni sottostanti; tali impianti possono anche essere movimentati per l’inseguimento del sole.

Altri sistemi sfruttano celle in silicio inglobate nella copertura rigida di serre e distanziate per consentire un adeguato passaggio di luce.

Diversi studi e il monitoraggio di impianti pilota hanno già dimostrato la validità dei sistemi agrovoltaici nel non influenzare il rendimento agronomico rispetto a serre non fotovoltaiche. Permangono tuttavia dubbi sugli alti costi di investimento, sull’invasività paesaggistica degli impianti costituiti dai pannelli tradizionali e sul rischio di realizzare serre “fittizie” in cui si privilegia la produzione e la vendita di energia alle coltivazioni.

Questo progetto introduce tecnologie fotovoltaiche emergenti che contribuiscono all’ approvvigionamento energetico della serra acquaponica, apportando nel contempo una grande innovazione nell’ambito del settore agrovoltaico. Infatti, rispetto al fotovoltaico tradizionale, i nuovi sistemi presentano i seguenti vantaggi:

Una più facile integrazione nella struttura serricola dovuta alle caratteristiche di semitrasparenza
Funzionamento a qualsiasi angolo di incidenza della radiazione solare
Utilizzo di materiali e processi di realizzazione a basso impatto ambientale.

I sistemi proposti sono entrambi basati sullo sfruttamento di materiali foto-attivi interposti tra substrati conduttivi.

I pannelli realizzati nel laboratorio CHOSE verranno collocati in un’area specifica della serra adibita alla generazione da fotovoltaico innovativo.
Nella prima fase del progetto verranno testati i pannelli DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells), il cui principio di funzionamento è di tipo elettrochimico. Il Dye assorbe la radiazione solare e l’elettrone foto-eccitato è immesso nella banda di conduzione dello strato di ossido di titanio (TiO2) mesoporoso in cui viene assorbito il dye. Da qui l’elettrone è raccolto all’elettrodo mentre il dye ossidato è rigenerato dalla coppia redox presente nell’elettrolita.

I pannelli DSSC verranno realizzati con moduli elementari della dimensione di 20x20cm2 con efficienza di conversione intorno al 5% e trasmittanza su area attiva del 30% pesata rispetto allo spettro solare. Tali moduli verranno assemblati in stringhe tramite procedura di laminazione che consente la duplice funzione di collegamento in serie e incapsulamento. Visto la rigidità strutturale dei pannelli DSSC, essi saranno allocati in posizione verticale sfruttando la struttura in policarbonato che corre lungo due lati della serra.

In particolare, verranno applicati due pannelli da cinque stringhe costituite da cinque moduli ciascuno, uno sulla parete rivolta a est e uno sulla parete a ovest per una ricopertura totale di 2 m2. In tale configurazione, i pannelli sono in grado di raccogliere la radiazione solare diffusa apportando una produzione energetica maggiore rispetto alle tecnologie basate su silicio e film sottili inorganici.

Anche l’orientazione più sfavorevole per l’illuminazione (es. l’esposizione a nord) permette a tali pannelli di essere energeticamente più proficui rispetto alle tecnologie menzionate.

La seconda fase dell’implementazione fotovoltaica della serra acquaponica prevede l’investigazione di un’altra tecnologia, il fotovoltaico organico (OPV) che presenta gli stessi vantaggi delle DSSC rispetto ai sistemi fotovoltaici tradizionali ma offre anche l’opportunità di realizzare dispositivi su supporti flessibili.
I pannelli OPV si basano sull’assorbimento di radiazione da parte di un polimero che cede l’elettrone foto-eccitato a un sistema accettore (fullerene, small molecule o polimero); attraverso strati trasportatori di carica, lacuna ed elettrone vengono successivamente raccolti ai rispettivi elettrodi. Un opportuno studio del polimero con una risposta spettrale che non comprometta il passaggio della radiazione fotosinteticamente attiva viene fatto preliminarmente insieme all’attenta scelta di un elettrodo superiore con caratteristiche di elevata trasmittanza e bassa sheet resistance.

Ottimizzati tali materiali, verranno realizzati moduli OPV su polietilentereftalato (PET) con dimensione di 20x20cm2 con efficienza di conversione intorno al 3% e trasmittanza su area attiva del 40% pesata rispetto allo spettro solare.Tali moduli flessibili saranno assemblati e incapsulati a formare stringhe che verranno inglobate nella copertura plastica della monofalda esposta a sud in corrispondenza dell’area adibita al fotovoltaico innovativo. In particolare, verranno applicate cinque stringhe da cinque moduli ciascuno, per una ricopertura totale di 1 m2.

Un’analisi particolareggiata sarà riservata agli eventuali benefici sulla crescita e sviluppo delle colture in relazione alle caratteristiche ottiche dello strato foto-attivo.Infatti, è stato riscontrato che alcune lunghezze d’onda esercitano un’azione specifica sulla morfologia delle piante, sull’induzione a fiore e sulla qualità del prodotto.