Energie rinnovabili, sostenibilità e sviluppo - INFN Sezione di Ferrara
Energie rinnovabili, sostenibilità e sviluppo - INFN Sezione di Ferrara
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D. Vincenzi<br />
Università <strong>di</strong> <strong>Ferrara</strong>, Dipartimento <strong>di</strong> Fisica<br />
<strong>Energie</strong> <strong>rinnovabili</strong>,<br />
<strong>sostenibilità</strong> e <strong>sviluppo</strong><br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Laboratorio<br />
Semiconduttori e Sensori<br />
Prof. Giuliano Martinelli<br />
Prof. Vincenzo Gui<strong>di</strong><br />
Maria Cristina Carotta<br />
Cesare Malagù<br />
Marco Stefancich<br />
Stefano Baricor<strong>di</strong><br />
Alan Cervi<br />
Joice Sophia<br />
Sandro Gherar<strong>di</strong><br />
Enrico Bagli<br />
Matteo Pasquini<br />
Federico Gual<strong>di</strong><br />
Alessio Giberti<br />
Andrea Mazzolari<br />
Ilaria Neri<br />
Beatrice Vendemiati<br />
Donato Vincenzi<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
200 m m
Fonti <strong>di</strong> energia <strong>rinnovabili</strong><br />
e non <strong>rinnovabili</strong><br />
Che cosa sono le fonti <strong>rinnovabili</strong> ?<br />
L‟energia nucleare: Viene utilizzato uranio, un<br />
materiale che non viene prodotto né sulla terra né<br />
all’interno del sole.<br />
L‟energia solare: Il sole ha una riserva <strong>di</strong> idrogeno<br />
sufficiente per bruciare per altri 5 miliar<strong>di</strong> <strong>di</strong> anni,<br />
dopo <strong>di</strong> che “si spegnerà”.<br />
L‟energia geotermica: Deriva dai processi nucleari<br />
all’interno del nucleo terrestre.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Fonti <strong>di</strong> energia <strong>rinnovabili</strong><br />
e non <strong>rinnovabili</strong><br />
I combustibili fossili sono fonti energetiche<br />
<strong>rinnovabili</strong> ???<br />
SI, ma i tempi con cui si rinnova sono<br />
dell’or<strong>di</strong>ne dei milioni <strong>di</strong> anni.<br />
L’incremento demografico e la crescente necessità <strong>di</strong><br />
energia (per riscaldare le case, per trasformare le<br />
materia e per il trasporto) ha rotto l’equilibrio che si<br />
era mantenuto prima dell’inurbamento.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Le energie <strong>rinnovabili</strong><br />
Sono da considerarsi<br />
energie <strong>rinnovabili</strong><br />
quelle forme <strong>di</strong> energia<br />
generate da fonti il cui<br />
utilizzo non pregiu<strong>di</strong>ca<br />
le risorse naturali o che<br />
per loro caratteristica<br />
intrinseca si rigenerano<br />
o non sono "esauribili"<br />
nella scala dei tempi<br />
"umani".<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Classificazione delle fonti <strong>rinnovabili</strong><br />
Secondo l’IEA (International Energy Agency), le<br />
fonti energetiche <strong>rinnovabili</strong> possono essere<br />
raggruppate nelle seguenti categorie:<br />
Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida,<br />
prodotti animali, gas/liqui<strong>di</strong> da biomassa, rifiuti<br />
soli<strong>di</strong> urbani (frazione rinnovabile)<br />
Energia idraulica: large & small hydro<br />
Fonti alternative o nuove: energia geotermica,<br />
energia solare (termico e fotovoltaico), energia<br />
eolica, energia delle maree, delle onde e degli<br />
oceani.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sviluppo e <strong>sostenibilità</strong><br />
lo Sviluppo sostenibile è uno <strong>sviluppo</strong> che sod<strong>di</strong>sfa i<br />
bisogni del presente senza compromettere la possibilità<br />
delle generazioni future <strong>di</strong> sod<strong>di</strong>sfare i propri bisogni<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sviluppo e <strong>sostenibilità</strong> : un secondo parere<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Nel 1991 le Nazioni Unite<br />
e il WWF definiscono lo<br />
<strong>sviluppo</strong> sostenibile<br />
come:<br />
Un miglioramento della<br />
qualità della vita, senza<br />
eccedere la capacità <strong>di</strong><br />
carico degli ecosistemi <strong>di</strong><br />
supporto, dai quali essa<br />
<strong>di</strong>pende
Lo <strong>sviluppo</strong> e le sue conseguenze<br />
Il miglioramento<br />
della qualità della<br />
vita ( cibo , igiene,<br />
cure me<strong>di</strong>che ) ha<br />
comportato un<br />
incremento della<br />
popolazione<br />
mon<strong>di</strong>ale.<br />
Nel 2040 ci saranno<br />
9 miliar<strong>di</strong> <strong>di</strong> persone.<br />
Crescita 2008: + 83 milioni, 220 mila abitanti al giorno<br />
(dati U.S. PRB)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Lo <strong>sviluppo</strong> e le sue conseguenze<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Lo <strong>sviluppo</strong> della<br />
società è finora<br />
legato<br />
all‟incremento dei<br />
consumi<br />
Fonte:
Gli aspetti della <strong>sostenibilità</strong><br />
Ambientale<br />
Sostenibilità<br />
Economica<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Energetica
Riserve <strong>di</strong>sponibili : petrolio<br />
Riserve <strong>di</strong>sponibili<br />
1 350 000 milioni <strong>di</strong> barili<br />
Ritmo <strong>di</strong> consumo attuale<br />
31 000 milioni <strong>di</strong> barili/anno<br />
Autonomia<br />
43 anni<br />
Fonte:<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Riserve <strong>di</strong>sponibili : carbone<br />
Riserve <strong>di</strong>sponibili<br />
2 600 000 milioni <strong>di</strong> ton<br />
Ritmo <strong>di</strong> consumo attuale<br />
4 500 milioni <strong>di</strong> ton/anno<br />
Autonomia<br />
570 anni<br />
Fonte:<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Riserve <strong>di</strong>sponibili : gas naturale<br />
Riserve <strong>di</strong>sponibili<br />
135 000 000 milioni <strong>di</strong> m 3<br />
Ritmo <strong>di</strong> consumo attuale<br />
2 450 000 milioni <strong>di</strong><br />
m 3 /anno<br />
Autonomia<br />
55 anni<br />
Fonte:<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Aspetti ambientali della <strong>sostenibilità</strong><br />
L’utilizzo <strong>di</strong> combustibili fossili libera anidride carbonica<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Roger Revelle e le misurazioni <strong>di</strong> CO 2<br />
Le misurazioni della concentrazione <strong>di</strong> CO 2 a largo <strong>di</strong><br />
Mauna Loa (Hawaii) hanno evidenziato un incremento<br />
costante dal 1958 ad oggi<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il ciclo della CO 2<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il clima sta davvero cambiando ?<br />
1928<br />
2008<br />
Ghiacciaio Upsala<br />
Patagonia (Argentina)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
1963<br />
Il clima sta davvero cambiando ?<br />
1973<br />
1987 2001<br />
Lago<br />
Chad<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il clima sta davvero cambiando ?<br />
Le misurazioni della CO 2<br />
presente nei ghiacciai<br />
permettono <strong>di</strong> stabilire<br />
l’andamento storico della<br />
concentrazione in<br />
atmosfera .<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Prospettive <strong>di</strong> <strong>sviluppo</strong> delle fonti<br />
<strong>rinnovabili</strong><br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il concetto <strong>di</strong> “densità <strong>di</strong> potenza”<br />
La densità <strong>di</strong> potenza è la potenza generata o<br />
SOLE<br />
1000 W/m 2<br />
utilizzata per unità <strong>di</strong> superficie.<br />
PANNELLI SOLARI<br />
150 W/m 2<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
FIAT PANDA<br />
8000 W/m 2
L’energia eolica<br />
La causa dei venti è il <strong>di</strong>fferente<br />
riscaldamento <strong>di</strong> varie zone<br />
della superficie terrestre<br />
Circa il 1-2% dell‟energia solare<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
viene convertita in vento
L’energia eolica<br />
Piccola taglia potenza < 100 kW<br />
Me<strong>di</strong>a taglia 100 kW < potenza < 1000 kW<br />
Grande taglia potenza > 1000 kW<br />
Dimensioni dei rotori delle turbine comprese tra 1 e 112 metri<br />
Soglia minima <strong>di</strong> inserimento: 3 m/s<br />
(tipica <strong>di</strong> ciascuna macchina)<br />
Velocità del vento “nominale”: 12-15 m/s<br />
Aerogeneratore è posto fuori servizio ><br />
per velocità del vento: 25 m/s<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
La legge <strong>di</strong> Betz<br />
<strong>di</strong>ce che è possibile<br />
convertire<br />
solamente il 59%<br />
dell„energia cinetica<br />
contenuta nel vento<br />
Una turbina eolica devia il vento già prima che arriva alla turbina<br />
stessa.<br />
Questo significa che non sarà mai possibile sfruttare tutta l‟energia<br />
del vento.<br />
L’energia eolica<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica : curva <strong>di</strong> potenza<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica : tipologia <strong>di</strong> pale<br />
Asse verticale: fino 10 kW Asse orizzontale: 0,6 a 2 MW<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica : limitazioni<br />
• Scarsa densità <strong>di</strong> potenza ( 400-600 W/m 2 )<br />
• Potenzialità limitata in alcune regioni<br />
• Accettabilità sociale dovuta all’impatto visivo<br />
• Scarsa adeguatezza del sistema elettrico nazionale<br />
• Presunti danni alla fauna locale o alla quiete (uccelli<br />
migratori , rumore )<br />
Il potenziale eolico in Italia è stimato in circa 16 GW, e la<br />
me<strong>di</strong>a delle ore <strong>di</strong> funzionamento è <strong>di</strong> 1400 h/a<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica : impatto ambientale<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica :<br />
potenziale<br />
impatto<br />
sull’avifauna<br />
Zone <strong>di</strong> passo rotte<br />
<strong>di</strong> migrazione<br />
Fasce ventose<br />
autostrade del cielo<br />
Siti <strong>di</strong> ni<strong>di</strong>ficazione<br />
dei rapaci<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
L’energia eolica : <strong>di</strong>scontinuità<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Le centrali idroelettriche<br />
Richiede la presenza <strong>di</strong> un grosso bacino artificiale<br />
<strong>di</strong> acqua<br />
Spesso vengono utilizzate per sod<strong>di</strong>sfare alle<br />
richieste energetiche negli orari <strong>di</strong> punta.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
In esse l’acqua acquista l’energia<br />
cinetica sufficiente a muovere le<br />
turbine<br />
Le turbine possono essere <strong>di</strong> 3 tipi: Pelton,<br />
Francis e Kaplan, rispettivamente per gran<strong>di</strong>,<br />
me<strong>di</strong> e piccoli <strong>di</strong>slivelli<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Il serbatoio è un bacino<br />
artificiale spesso <strong>di</strong> tipo<br />
stagionale.<br />
Sono rari quelli ad acqua fluente<br />
L’opera <strong>di</strong> sbarramento può<br />
essere a gravità o ad arcocupola<br />
Le condotte forzate<br />
sono tubi in acciaio<br />
o in cemento<br />
armato
Le centrali idroelettriche : limitazioni<br />
• Fortemente <strong>di</strong>pendente da <strong>di</strong>sponibilità ambientale<br />
• Fatta eccezione per le centrali ad acqua fluente, la<br />
produzione elettrica è <strong>di</strong>scontinua.<br />
• Accettabilità sociale ( impatto visivo , cre<strong>di</strong>bilità<br />
delle istituzioni )<br />
• Forte impatto ambientale sulla flora e fauna<br />
Il potenziale idroelettrico mon<strong>di</strong>ale è stimato in circa<br />
3900 GW (contro i circa 700 GW installati)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Sfruttamento<br />
dell’acqua iuvenile<br />
calda e del vapore<br />
nelle aree <strong>di</strong><br />
attività vulcanica e<br />
tettonica;<br />
L’energia geotermica<br />
In alcune zone l‟energia geotermica può essere sfruttata iniettando<br />
acqua nel sottosuolo per creare vapore che può quin<strong>di</strong> essere<br />
utilizzato per generare elettricità o teleriscaldamento<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Sistema geotermico
L’energia geotermica : classificazione<br />
Sistemi a vapore secco o “a vapore dominante”<br />
Sistemi a vapore umido o “ad acqua dominante”<br />
Sistemi ad acqua calda (T
La geotermia a <strong>Ferrara</strong><br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
La geotermia a <strong>Ferrara</strong><br />
Acqua calda a forte contenuto salino ( 100°C circa )<br />
Il fluido viene pompato verso la superficie dalla profon<strong>di</strong>tà<br />
<strong>di</strong> circa 1000 m attraverso due pozzi <strong>di</strong> prelievo, e poi,<br />
ceduta l’energia termica al fluido della rete TLR attraverso<br />
uno scambiatore, reiniettato tramite un pozzo <strong>di</strong><br />
immissione.<br />
Dati <strong>di</strong> riferimento :<br />
Portata complessiva 400 m 3 /h<br />
Temperatura fluido geotermico 100-105 °C<br />
Temperatura fluido TLR in mandata 90-95 °C<br />
Temperatura fluido TLR in ritorno 60-65 °C<br />
Potenza termica nominale 14 MWt<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
La geotermia a <strong>Ferrara</strong>: un approccio<br />
integrato<br />
• Una sorgente geotermica rinnovabile<br />
• Una sorgente rinnovabile costituita dal<br />
termovalorizzatore RSU (140.000 tons/anno)<br />
• Una sorgente tra<strong>di</strong>zionale costituita da una centrale<br />
integrativa a metano<br />
• Una centrale <strong>di</strong> pompaggio da cui si rilancia l’acqua<br />
verso la rete citta<strong>di</strong>na (fino a 3000 m3/h)<br />
• Quattro serbatoi <strong>di</strong> accumulo da 1.000 m 3<br />
• Una centrale termica ubicata presso l’ospedale S.<br />
Anna<br />
• La rete <strong>di</strong> <strong>di</strong>stribuzione per il teleriscaldamento<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Biomasse<br />
Con il termine “biomasse” si intendono sostanze <strong>di</strong><br />
origine biologica in forma non fossile:<br />
– materiali e residui <strong>di</strong> origine agricola e forestale;<br />
– prodotti secondari e scarti dell‟industria agroalimentare;<br />
– reflui <strong>di</strong> origine zootecnica;<br />
– rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge,<br />
me<strong>di</strong>amente, il 40 % in peso).<br />
Tra le biomasse vengono inoltre considerate:<br />
Alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente<br />
coltivate per essere destinate alla conversione energetica;<br />
Altre specie vegetali utilizzate per la depurazione <strong>di</strong><br />
liquami organici.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Biomasse: l’origine nella fotosintesi<br />
Tramite il processo <strong>di</strong> fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano<br />
l’apporto energetico dell’irraggiamento solare per convertire<br />
l’anidride carbonica atmosferica e l’acqua nelle complesse molecole<br />
<strong>di</strong> cui sono costituiti o che compaiono nei loro processi vitali:<br />
carboidrati, lignina, proteine, lipi<strong>di</strong>, oltre a un numero praticamente<br />
illimitato <strong>di</strong> prodotti secondari <strong>di</strong> ogni tipo, secondo la reazione<br />
H O<br />
O<br />
2<br />
2<br />
CO H O energia solare C<br />
2 2<br />
n<br />
m<br />
Attraverso il processo <strong>di</strong> fotosintesi vengono fissate<br />
complessivamente circa 210 11 tonnellate <strong>di</strong> carbonio all‟anno, con<br />
un contenuto energetico equivalente a 70 miliar<strong>di</strong> <strong>di</strong> tonnellate <strong>di</strong><br />
petrolio, circa 10 volte l‟attuale fabbisogno energetico mon<strong>di</strong>ale<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
forestali<br />
• vegetali<br />
Biomasse: tipologie<br />
Biomasse<br />
Residui organici Colture energetiche<br />
Trasformazione tecnologica<br />
<strong>di</strong> prodotti e consumi<br />
•Alimentari<br />
•Non alimentari<br />
agricoli terrestri acquatiche<br />
•Animali<br />
•Vegetali<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Biomasse: colture per la produzione<br />
energetica<br />
Coltivazioni energetiche erbacee:<br />
annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf);<br />
perenni (la canna comune ed il miscanto).<br />
Coltivazioni energetiche legnose:<br />
boschi cedui tra<strong>di</strong>zionali;<br />
siepi alberate.<br />
Caratteristiche qualitative della biomassa:<br />
colture oleaginose (ad es. girasole, colza);<br />
alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola, cereali);<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Biomasse: considerazioni<br />
Le biomasse si possono considerare risorse primarie<br />
<strong>rinnovabili</strong> purché vengano impiegate ad un ritmo<br />
complessivamente non superiore alle capacità <strong>di</strong><br />
rinnovamento biologico.<br />
Scarsa densità <strong>di</strong> potenza: per convertire la centrale <strong>di</strong><br />
Porto Tolle a biomasse occorrerebbe il 75 % della<br />
superficie agricola del veneto.<br />
Possono avere un valore strategico nella eliminazione<br />
dei reflui d‟allevamento.<br />
ATTENZIONE AL BILANCIO ENERGETICO !<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Tecnologia<br />
Combustione <strong>di</strong><br />
rifiuti<br />
Digestione<br />
anaerobica<br />
Costo attuale<br />
(€/kWh)<br />
BIOMASSE<br />
Riduzione <strong>di</strong><br />
costo negli ultimi<br />
<strong>di</strong>eci anni (%)<br />
Riduzione <strong>di</strong><br />
costo nei<br />
prossimi <strong>di</strong>eci<br />
anni (%)<br />
0,02 – 0,14 Costante Crescita continua<br />
0,02 – 0,14 5 – 10 5 – 10<br />
Gas <strong>di</strong> rifiuti 0,04 – 0,06 10 - 15 Costante<br />
Biomasse solide<br />
Biomasse : costi (fonte IEA)<br />
0,04 – 0,07<br />
(calore)<br />
0,08 – 0,1 (en.el.)<br />
5 – 10 (calore)<br />
10 – 15 (en. el.)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
10 – 20 (calore)<br />
40 – 70 (en. el.)
Energia solare : l’origine delle fonti<br />
<strong>rinnovabili</strong><br />
Applicazioni a bassa temperatura<br />
Produzione <strong>di</strong> acqua calda per usi idrico sanitari;<br />
Riscaldamento degli e<strong>di</strong>fici (sistemi attivi o passivi);<br />
Applicazioni fotovoltaiche<br />
Applicazioni ad alta temperatura<br />
Produzione <strong>di</strong> energia elettrica (solare termo<strong>di</strong>namico);<br />
Alimentazione <strong>di</strong> processi chimici e termofisici;<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Quanta energia invia il sole sulla terra ?<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Concentrare la luce del sole per…<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il solare termo<strong>di</strong>namico: la centrale<br />
SEGS <strong>di</strong> Kramer Junction (CA)<br />
• Potenza <strong>di</strong> 350 MW<br />
• Temperatura <strong>di</strong> esercizio <strong>di</strong><br />
380 °C<br />
• Sistema operativo da 20 anni<br />
• Utilizzo <strong>di</strong> olio minerale come<br />
fluido vettore<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il solare termo<strong>di</strong>namico: lo schema<br />
tipico dell’impianto<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Il progetto Archimede (ENEA)<br />
Installazione a Priolo Gargallo (SR)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
• Potenza <strong>di</strong> 20 MW e<br />
• Area totale 183000 m 2<br />
•Temperatura <strong>di</strong> esercizio<br />
<strong>di</strong> 290 – 550 °C<br />
• Utilizzo <strong>di</strong> sali fusi come<br />
fluido vettore: NaNO 3<br />
(60%) KNO 3 (40%)<br />
• Possibilità <strong>di</strong> accumulo<br />
termico e <strong>di</strong><br />
accoppiamento con una<br />
centrale convenzionale<br />
• Il sale fuso soli<strong>di</strong>fica a<br />
238 °C<br />
• Il coating dei tubi<br />
degenera a 600 °C
La conversione fotovoltaica e la<br />
separazione della cariche fotogenerate<br />
E c<br />
E v<br />
n-region<br />
E<br />
p-region<br />
Il sole invia sulla superficie terrestre circa 1000 W/m 2 , ma le celle<br />
fotovoltaiche convenzionali ne riescono a convertire circa il 15 %<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
h<br />
V<br />
E F<br />
x
La produzione del silicio <strong>di</strong> grado<br />
elettronico<br />
Quarzite (SiO 2)<br />
18 kg<br />
Reazione con H 2 (1200 °C)<br />
HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl<br />
Fornace ad arco<br />
SiO 2+2CSi+2CO 2<br />
HSiCl 3<br />
Distillazione<br />
(200-400 °C)<br />
HSiCl 3<br />
HSiCl 3<br />
HCl
Dal feedstock ai wafer <strong>di</strong> Silicio<br />
Crescita Czochralski (1400 °C) Lingotti monocristallini<br />
Tagli, Lappatura, Lucidatura<br />
Wafers (1 kg)
Materiale<br />
Analisi economica dei pannelli PV<br />
Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é <strong>di</strong>viso in 3 parti<br />
31<br />
23<br />
Assemblaggio<br />
45<br />
Lavorazione della cella<br />
Il costo finale del sistema é <strong>di</strong> circa 3-4 €/W<br />
Il mercato dei pannelli PV piani è attualmente sostenuto da un politica<br />
<strong>di</strong> incentivi fiscali (CONTO ENERGIA)<br />
Il costo e la reperibilità del Si sono attualmente il limite più<br />
significativo allo <strong>sviluppo</strong> della tecnologia fotovoltaica standard<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Produzione annuale <strong>di</strong> polysilicon<br />
(feedstock) nel 2007:<br />
37.500 ton<br />
CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità <strong>di</strong> silicio è<br />
appena sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza<br />
complessiva <strong>di</strong> 3500 MW.<br />
Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero<br />
appena 3.5 milioni MWh/anno vale a <strong>di</strong>re che tutto il polysilicon mon<strong>di</strong>ale<br />
fornirebbe meno dell’1% del fabbisogno della sola Italia.<br />
La European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prevede un aumento<br />
della produzione <strong>di</strong> polysilicon fino a 80.000 ton nel 2010<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Occorrono nuove tecnologie<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Solare fotovoltaico: tecnologia a film sottile<br />
First Solar Advanced Thin-Film PV Modules at the<br />
Tucson Electric Power Array in Arizona.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Solare fotovoltaico: moduli a film sottile<br />
Utilizzatore<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Metallo<br />
Conduttore<br />
trasparente<br />
Luce solare
Solare fotovoltaico: moduli a film sottile<br />
Nelle celle solari a film sottili la quantità <strong>di</strong><br />
materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella<br />
usata per i moduli cristallini.<br />
Il processo <strong>di</strong> fabbricazione può essere<br />
completamente automatizzato e una produzione <strong>di</strong><br />
un modulo al minuto può essere ottenuta<br />
Il substrato è un vetro comune a basso costo<br />
Un costo <strong>di</strong> produzione inferiore a 0.5 $/W<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Celle fotovoltaiche a film sottile<br />
attualmente in produzione<br />
1. Silicio amorfo: -Si, efficienza massima 13%<br />
2. CuGaInSe 2/CdS, efficienza massima 19.8%<br />
3. CdTe/CdS, efficienza massima 16.5%<br />
La tecnologia CdTe/CdS è la<br />
più scalabile perché si basa su<br />
tecniche semplici, veloci e<br />
facilmente industrializzabili<br />
Mo 150 nm<br />
As2Te3 200 nm<br />
ZnO 150 nm<br />
ITO 400 nm<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Film sottile: il processo industriale<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Film sottile: limitazioni<br />
Circola una favola messa in giro da persone non<br />
esperte o interessate che <strong>di</strong>ce: i moduli a base <strong>di</strong><br />
CdTe/CdS sono pericolosi perché contengono Cd.<br />
La normativa internazionale spesso non è adeguata<br />
L‟efficienza dei moduli a film<br />
sottile è tipicamente attorno al<br />
10 % , contro una efficienza<br />
tipica del 15 % per i moduli in Si<br />
Pre<strong>di</strong>sposizione delle banche alle nuove tecnologie.<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Un approccio alternativo ai pannelli<br />
fotovoltaici piani: i sistemi a concentrazione<br />
Utilizzando sistemi a concentrazione a 200 soli<br />
basterebbero solo 1500 ton <strong>di</strong> polysilicon per<br />
sod<strong>di</strong>sfare il 10% del fabbisogno italiano<br />
L’idea è sostenibile sia per l’impatto ambientale che per<br />
il payback energetico<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Fotovoltaico a concentrazione<br />
Concentratore sviluppato presso i San<strong>di</strong>a National Laboratories negli anni1970<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Raffreddamento<br />
Specchi o lenti (elementi<br />
<strong>di</strong> concentrazione): alta<br />
superficie, resistenza<br />
ambientale<br />
Inseguimento<br />
Celle: Disegno<br />
particolare,<br />
efficienze > 20%.
10 cm<br />
Esempi <strong>di</strong> concentratore solare con superfici riflettenti.<br />
(area <strong>di</strong> raccolta 2.5 m 2 , fattore <strong>di</strong> concentrazione 100x)<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Modulo Fotovoltaico a<br />
concentrazione Ron<strong>di</strong>ne<br />
Installazione <strong>di</strong> test presso<br />
l’Università <strong>di</strong> <strong>Ferrara</strong>
Sistemi fotovoltaici a concentrazione<br />
Amonix, Tempe, AZ<br />
UC Merced, Merced CA<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Solfocus, Mountain View, CA<br />
Concentrix Solar GmbH
La quantità <strong>di</strong> silicio viene ridotta in ragione del fattore <strong>di</strong><br />
concentrazione.<br />
L’efficienza <strong>di</strong> conversione del sistema è limitata dal fatto<br />
che ogni materiale semiconduttore ha “gap energetico”<br />
che non gli permette <strong>di</strong> convertire tutto lo spettro solare.<br />
Una possibile soluzione per aumentare<br />
l’efficienza è rappresentata dalle<br />
Celle solari multigiunzione basate su<br />
semiconduttori composti III-V<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Celle fotovoltaiche multigiunzione<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Efficienze <strong>di</strong> conversione a confronto<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Limiti delle celle solari multigiunzione<br />
Grande complessità realizzativa.<br />
Se uno strato non funziona<br />
l‟intero <strong>di</strong>spositivo smette <strong>di</strong><br />
produrre energia.<br />
Elevato costo e grande scarsità <strong>di</strong><br />
materiale <strong>di</strong> substrati<br />
monocristallini Ge e GaAs<br />
(altissima concentrazione).<br />
Lo spessore <strong>di</strong> ciascun film attivo<br />
è calcolato sulla base <strong>di</strong><br />
particolare spettro solare<br />
La grande quantità <strong>di</strong> energia concentrata sul ricevitore<br />
richiede l‟utilizzo <strong>di</strong> efficienti sistemi <strong>di</strong> raffreddamento<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Un solo raggio, ma molte lunghezze d’onda<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Concentratore solare composito<br />
Il concentratore è costituito da due<br />
collettori faccettati con asse ottico<br />
traslato. Il “guscio” esterno è in PMMA<br />
ed è rivestito da un film <strong>di</strong>croico<br />
> < 650 nm<br />
Si<br />
InGaP<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Bilanciamento spettrale del sistema<br />
Attraverso la misura della RS,<br />
della tensione Voc e del FF<br />
in con<strong>di</strong>zioni standard (AM<br />
1.5) è possibile stimare<br />
l‟efficienza globale del<br />
sistema a separazione<br />
spettrale<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Occorre prendere in<br />
considerazione anche la<br />
tensione ai capi <strong>di</strong> cella (Voc<br />
o Vmax)<br />
Grafico dell‟ ”efficienza<br />
monocromatica” per celle in<br />
Si e InGaP
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Concentratore modulare<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
<strong>Energie</strong> <strong>rinnovabili</strong>: il panorama Italiano<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Fonte: GSE
<strong>Energie</strong> <strong>rinnovabili</strong>: il panorama Italiano<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Fonte: GSE
Energia solare: il panorama Italiano<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010<br />
Fonte: GSE
<strong>Energie</strong> Rinnovabili: le <strong>di</strong>rettive europee<br />
Donato Vincenzi – 19 Marzo 2010
Grazie per l’attenzione
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