Un energia per il futuro
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- Luigi Caruso
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1 Dipartimento di Fisica Università di Ferrara CNR-INFM UdR di Ferrara Un energia per il futuro Dr. Marco Stefancich Consiglio Nazionale delle Ricerca presso Università di Ferrara Laboratorio Sensori e Semiconduttori
2 Le fonti classiche di energia nelle varie epoche Fino al XVIII secolo il legno era essenzialmente l unica forma di combustibile utilizzata dall uomo per illuminazione e riscaldamento La distribuzione capillare di corrente elettrica ha cambiato la realtà del XX secolo Il carbone domina il IXX e parte del XX secolo con le prime avvisaglie delle imponenti conseguenze ambientali del suo uso Il Petrolio ed i suoi derivati sostituiscono il carbone nel XX secolo L energia nucleare offre una fonte pulita ma crescenti perplessità sulla sua sicurezza hanno indotto vari paesi a rifiutarla Il gas è una fonte pulita e sicura di riscaldamento e per la produzione elettrica
3 I combustibili fossili: il petrolio Capacità termica kwh per tonnellata. 1 kg di petrolio produce al più 4 kwh elettrici Emissioni principali (dati USA) per kwh elettrico prodotto CO g/kwh SO 2 6 g/kwh NO x 1.4 g/kwh Il dato più significativo è che per ogni kwh di energia elettrica consumata (1 giorno di un frigorifero, 1 ora di condizionatore, stufa elettrica, ferro da stiro o forno elettrico) si immette in atmosfera 1 kg di anidride carbonica corrispondente a circa 450 litri di gas serra.
4 Una fonte eterna :: il Carbone Capacità termica 7800 kwh per tonnellata. Reperibilità Le più importanti miniere in Italia sarebbero quelle del Sulcis (500,000,000 tonnellate) che hanno però ben noti problemi. A livello mondiale la disponibilità approssima i 300 anni di consumi. nel 1986 in Italia si sono consumati 9 milioni di tonnellate di carbone Uso Principalmente per produzione di energia elettrica, rendimento max 40%. Impianti tradizionali (turbine a vapore scaldato dalla combustione diretta) sono oggi affiancati da impianti di gassificazione che permettono un uso meno inquinante e ad alto rendimento del materiale.
5 ...Ogni scelta ha un costo... l aumento di anidride carbonica (CO 2 (
6 Il ruolo dell energia energia solare Può l energia solare fotovoltaica (i pannelli piani) fornire una risposta pulita per soddisfare questo fabbisogno? ( 80 Il Passato: Impianto al passo dei Mandrioli (anni
7 Il ruolo dell energia energia solare Il Presente: Centrali di potenza a terra con inseguimento
8 Il ruolo dell energia energia solare ( MW Il Presente: Impianti integrati su tetto (1,7
9 Ma... che cos é il PV? Conversione diretta della luce in energia elettrica. La potenza tipica inviata dal sole sulla terra é di 1000 W/m 2, ma solo il % può essere convertito in energie elettrica utile Il materiale più diffuso per la generazione fotovoltaica é il silicio
10 Come si produce il pannello solare? Si parte da sabbie ricche di silice e se ne estrae il Silicio di grado metallurgico Fornace ad arco SiO 2 +2C Si Si+2CO 2
11 e come si costruisce il wafer Reazione con H 2 (1200 ( C HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl HSiCl 3 HCl HSiCl 3 Barre di Polisilicon Reattore CVD
12 e come si costruisce il wafer Silicio Solare Il puller
13 e come si costruisce il wafer Il lingotto di Silicio... e il taglio
14 e come si costruisce la cella Il wafer di silicio... e la produzione della cella
15 e come si costruisce la cella La cella fotovoltaica
16 Analisi economica dei pannelli fotovoltaici piani Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Assemblaggio 45 Lavorazione della cella ( mano Il costo finale del sistema é di 5..6 /W (chiavi in Per l elevato costo del materiale di partenza e della lavorazione non é prevedibile una riduzione dei costi I sistemi fotovoltaici tradizionali non possono, quindi, essere proposti come fonte per produzione di energia su larga scala
17 Analisi economica dei pannelli fotovoltaici piani Ma... dal punto di vista dell'investitore? Il Conto Energia fornisce un contributo (dal CIP6) per l'energia prodotta dai sistemi fotovoltaici installati anche da privati Sono previsti diversi livelli di contributo a seconda del livello di integrazione del sistema fotovoltaico L'energia prodotta può, inoltre, essere venduta sul mercato o usata per ridurre il proprio consumo In complesso il guadagno per sistemi fino a 3 Kw va da 0,49+0,18=0,67 /Kwh per sistema integrato e autoconsumo 0,40+0,09=0,49 /Kwh per sistema a terra e vendita energia ad ENEL In 10 anni un sistema da 3 kw a Ferrara produce (circa) kwh per un controvalore che va da a contro un costo di impianto di (circa) di (integrato) e a terra
18 Analisi economica dei pannelli fotovoltaici piani Ma... e se i soldi non ce li ho? Visto che l' affare è piuttosto sicuro se non si ha la disponibilità è possibile finanziare l'operazione presso Istituti Bancari. Ad esempio è possibile ottenere un finanziamento a 15 anni del 100% dell'inverstimento con uno spread dell 1,6% su euribor 3 mesi (variabile) su IRS 15 anni (fisso). In questo momento, cioè, si ha un tasso variabile del 3,67% o fisso del 5,64% Questi tassi sono compatibili con una remunerazione già dal primo anno dell'investimento.
19 però La complessità di realizzazione del processo rende difficile un aumento rapido della capacità produttiva delle celle. Al momento la capacità produttiva si aggira sui 1800 MW/anno Il processo di raffinazione del silicio è complesso e costoso e la domanda di wafer eccede in questo momento la richiesta. Questa situazione non potrà essere variata fino attorno al 2010 in cui le nuove silicon farm (principalmente nel far-east e USA) entreranno in funzione. Non necessariamente un aumento della disponibilità del silicio ne ridurrà il costo. Per questi motivi il fotovoltaico piano non può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala per i prossimi decenni.
20 Esistono alternative? La proposta della concentrazione
21 Raffreddamento per la coproduzione di acqua calda 100 µm Specchi o lenti per concentrare la luce Inseguimento per seguire il sole Celle fotovoltaiche ad elevata efficienza
22 L idea: : un elettrodomestico solare Pannello Concentratore solare È attualmente in funzione, presso l Università degli Studi di Ferrara, un prototipo di concentratore solare per produzione di energia elettrica e termica a bassa temperatura. Inseguimento Solare Energia elettrica + Acqua calda Il necessario inseguimento solare assicura una produzione di energia del 30% superiore rispetto a un sistema piano avente stessa area con i maggiori vantaggi nel periodo invernale.
23 Ulteriori esempi di sistemi a concentrazione Questo è un esemplare di sistema a concentrazione della statunitense Amonix
24 Ulteriori esempi di sistemi a concentrazione recentemente installato presso l Università di Madrid.
25 un esempio di sistema ad elevata efficienza basato sulla separazione spettrale della radiazione Pannelli di celle al Si e InGaP
26 Vantaggi dei sistemi a concentrazione Costi inferiori, per unità di potenza, rispetto al fotovoltaico piano e grandi potenzialità di incrementare ulteriormente il rendimento. Maggiore energia prodotta a parità di potenza rispetto ai pannelli piani (dovuta all insegumento solare). Ridotto uso di silicio e quindi insensibilità alla rigidità dell offerta di questo materiale Facilità di produzione di massa (stampi, motori, supporti, vetreria sono ( diffuse industrie comuni e Maggiore facilità di installazione Facilità nella modifica delle dimensioni e, quindi, della potenza. Per questi motivi il fotovoltaico a concentrazione può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala.
27 La coesistenza con i sistemi a pannelli piani Costo per Watt Imtegrabilità architettonica Produzione energetica per KW installato Produzione su larghissima scala Applicazione preferenziale Sistemi piani 6 Alta 1300 KWh/Anno Limitata da disponibilità di silicio Installazioni domestiche Sistemi a concentrazione <5 Bassa 1700 KWh/Anno Nessun limite evidente Centrali energetiche/ coproduzione calore Per questi motivi il fotovoltaico a concentrazione può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala ed è compatibile con l attuale mercato del fotovoltaico piano.
28 Prospettive commerciali L Universita degli Studi di Ferrara, con la partecipazione di diversi partners privati, ha fondato uno spin-off per la produzione e commercializzazione di sistemi fotovoltaici a concentrazione. La neonata società, Cpower s.r.l., ha attualmente sviluppato i primi sistemi e li sta sperimentando con successo
29 L installazione di Ostellato ( SIPRO ) Sistema da 4 kwp
30 L installazione di Ostellato ( SIPRO ) Dettaglio del sistema ottico Grazie
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