La Tecnologia. Le tecnologie solari. Le diverse tecnologie che sfruttano l energia solare sono:

Transcript

1 La Tecnologia Il presente modulo offre una panoramica sulle tecnologie disponbili per convertire la radiazione solare in energia elettrica. Partendo dalle caratteristiche di una cella fotovoltaica, saranno presentate le diverse caratteristiche delle tecnologie del silicio, distinguendo principalmente il silicio cristallino dalla tecnologia dei film sottili. L energia solare è l energia proveniente dalla fusione nucleare che avviene all interno del Sole e si propaga con simmetria sferica nel sistema solare sotto forma di radiazione elettromagnetica. Infatti, Il Sole è considerato un corpo nero alla temperatura di 5780 K che secondo la legge di Stefan-Boltzmann, emette una potenza termica specifica di I = σ*t 4 = 6,33*10 7 W/m 2 dove σ = 5,67*10-8 W/m 2 *K 4. Di questa energia, solo una minima parte giunge sulla superficie della Terra e si può ottenere utilizzando la legge dell'irradiazione sferica cioè moltiplicando il precedente valore per il rapporto al quadrato tra il raggio solare medio che è di circa 6,95*10 8 m e la distanza media Sole-Terra che è di circa 1,49*10 11 m. Vale quindi circa 1353 W/m 2 (costante solare) ma al livello del suolo, a causa dei fenomeni di assorbimento e di diffusione da parte dell atmosfera arrivano mediamente, in funzione dell inclinazione del sole sull orizzonte, al massimo circa W/m 2 (in condizioni di giornata serena e sole a mezzogiorno). Su tutta la superficie della terra arrivano quindi 3,85*10 24 J/anno, cioè circa 9000 volte il consumo mondiale annuo di energia. Essa è considerata inesauribile (ancora 5 miliardi di anni), ha pochissimi impatti negativi sull ambiente, è disponibile dappertutto sulla Terra, e il potenziale energetico medio recuperabile è in genere ben conosciuto in ogni punto della superficie del globo ed è funzione del periodo dell anno. Fa quindi parte, insieme all energia del vento, del mare e del calore della Terra di quelle fonti di energia delle cosiddette fonti di energia rinnovabile intese come forme energia generate da fonti che per loro caratteristica intrinseca si rigenerano o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future. Di queste fonti di energia rinnovabile, l energia solare è l unica il cui potenziale potrebbe, su base di un calcolo teorico, coprire tutti i bisogni energetici del pianeta. Le tecnologie solari Le diverse tecnologie che sfruttano l energia solare sono: Solare passivo: Si tratta in pratica di usare direttamente l energia luminosa attraverso delle chiusure vetrate degli edifici per bisogni di illuminamento di giorno e di riscaldamento per effetto serra. Associato a una buona insolazione esteriore e all inerzia termica dell edificio, una corretta concezione permette una riduzione importante del bisogno in energia dell edificio.

2 Solare attivo: in un sistema solare termico attivo, dei collettori solari usano l energia solare per produrre l acqua calda sanitaria dell edificio e in alcuni casi anche l energia termica per il riscaldamento. Tali dispositivi sono associati ad un sistema di accumulo. È stato dimostrato da alcuni studi che l EPBT per un sistema solare di questo tipo è pari circa a 20 mesi, ed è di gran lunga inferiore al tempo di vita dell impianto stesso, stimato intorno ai 20 anni. Un altra tecnologia di utilizzo dell energia solare è quella che consiste nella conversione termodinamica dell energia solare in elettricità. Concentrando i raggi del sole tramite un disco parabolico, un captatore cilindro-parabolico o un sistema di specchi su un tubo ricevitore dentro il quale scorre un fluido termovettore, è possibile raggiungere una temperatura abbastanza elevata, e quindi generare vapore attraverso uno scambiatore di calore e poi elettricità attraverso una turbina ed un alternatore. E una tecnologia in pieno sviluppo, presenta il vantaggio dello sfruttamento dell'energia solare anche di notte o in caso di cattivo tempo grazie al sistema di accumulo del fluido termovettore ma non è esente da difficoltà progettuali, legate ad esempio al movimento per l'orientamento degli specchi verso il sole o alla loro pulizia, considerato che il sistema sfrutta esclusivamente la radiazione solare diretta. Attualmente il 'costo per kilowattora' dell'energia prodotta con tale tecnologia è superiore a quello di altre fonti energetiche classiche come i combustibili fossili, tuttavia si ritiene che i costi scenderebbero sensibilmente una volta avviata una produzione di massa di questi sistemi. La tecnologia che tratteremo sfrutta invece la conversione fotovoltaica dell energia solare: l effetto fotovoltaico permette di convertire direttamente la radiazione solare in elettricità direttamente utilizzabile. Lo sviluppo della tecnologia, la crescita del mercato e i meccanismi incentivanti hanno fatto in modo che oggi produrre energia elettrica con i sistemi fotovoltaici è diventato un ottimo investimento. La potenzialità teorica del fotovoltaico Per rendersi conto delle potenzialità energetiche e dell impegno di territorio legati ad una centrale di potenza, si consideri che l area occupata da un sistema fotovoltaico di potenza pari a 1000 kw (cioè 1 MW, che produce circa MWh/anno e che rappresenta, all incirca, la potenza sufficiente a soddisfare le esigenze elettriche di 650 famiglie) è di circa 1,5 ettari, dove l impegno di territorio è dovuto per il 50% alle aree occupate dai moduli e dalle parti del sistema, per l altro 50% alle aree di rispetto, di fatto libere, ma necessarie per evitare l ombreggiamento. A fronte della richiesta di energia elettrica consumata in Italia (300 milioni di MWh) sarebbe necessario un impegno di territorio pari a km2. Tale impegno di territorio, sebbene enorme, costituisce solo un sesto dei terreni marginali in Italia ( km2). Inoltre occorre ricordare che gli impianti non richiedono per la loro installazione opere fisse e che possono essere installati o integrati nelle strutture edilizie esistenti. Va tenuto presente però che la disponibilità dell energia solare è variabile nel tempo: è un energia intermittente. Essa dipende sia dai cicli giorno/notte e estate/inverno che dalla meteorologia, che rendono la sua disponibilità aleatoria a corto termine. Per ovviare a questo inconveniente, esistono diverse soluzioni come lo stoccaggio, l integrazione delle diverse fonti di energia rinnovabili (solare, eolico, biomasse,etc.) o

3 ancora l integrazione con un sistema di generazione convenzionale e disponibile in permanenza, in generale fossile. Tali sistemi sono chiamati ibridi. La conversione fotovoltaica La conversione della luce solare in elettricità sfrutta l effetto fotovoltaico. Questo è stato scoperto da Alexandre Edmond Bécquerel nel 1839, ma si dovrà aspettare circa un secolo perché gli scienziati approfondiscano e sfruttino questo fenomeno della fisica, mediante le prime applicazioni pratiche. L uso delle celle solari inizia negli anni quaranta del secolo scorso nelle applicazioni spaziali. La ricerca ha gradualmente permesso di migliorare le prestazioni di questa tecnologia; ma si dovrà aspettare la crisi energetica degli anni settanta perché i governi e gli industriali si impegnino nello sviluppo sostanziale della tecnologia e nelle sue applicazioni terrestri, che sono oggi in continuo progresso. Nei quattro angoli del mondo, innumerevoli possibilità di sfruttamento sono studiate, poi sperimentate nella speranza di una commercializzazione futura delle diverse tecnologie studiate. Anche se dal 1973 il costo del fotovoltaico è progressivamente diminuito, esso è ancora elevato rispetto alle altre tecnologie. Infatti la complessità dei processi di fabbricazione dei moduli gli alti costi di produzione, determinano prezzi ancora elevati che frenano il volume delle vendite. Esistono oggi però tutte le premesse perché negli anni futuri, la tecnologia arrivi a maturità (processi semplificati, più bassi costi di produzione) e che si pervenga ad un valore di costo dei moduli che renda convenienti applicazioni molto estese di questa tecnologia. Nonostante queste difficoltà iniziali, l evoluzione della tecnologia e del mercato fotovoltaico è stata negli ultimi anni globalmente molto positiva. La produzione mondiale dei moduli e la potenza globalmente installata, hanno presentato nell ultima decade tassi di crescita a due cifre dell ordine del 30 e negli ultimi anni anche del 40%. L'effetto fotovoltaico L effetto fotovoltaico consiste nella conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Tale fenomeno avviene nella cella fotovoltaica, tipicamente costituita da una sottile lamina di un materiale semiconduttore, cioè di un materiale in cui la concentrazione in cariche libere è molto debole rispetto ai metalli, molto spesso silicio. Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nel materiale semiconduttore di cui è costituita la cella, si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un elettrone (cioè una carica di segno negativo) ed una lacuna (carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono disponibili per la conduzione di elettricità.

4 Per generare effettivamente una corrente elettrica, però, è necessaria una differenza di potenziale (campo elettrico), e questa viene creata grazie all introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale che costituisce le celle. Queste impurità, chiamate anche droganti, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. Se il materiale semiconduttore, come comunemente accade, è il silicio, introducendo atomi di fosforo si ottiene la formazione di silicio di tipo n, caratterizzato da una densità di elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco). La tecnica del drogaggio del silicio con atomi di boro porta, invece, al silicio di tipo p in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di segno positivo. Una cella fotovoltaica richiede l intimo contatto, su una grande superficie, di due strati di silicio p ed n. Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta giunzione p-n, si ha la formazione di un forte campo elettrico. Le cariche elettriche positive e negative generate, per effetto fotovoltaico, dal bombardamento dei fotoni costituenti la luce solare, nelle vicinanze della giunzione vengono separate dal campo elettrico. Tali cariche danno luogo a una circolazione di corrente quando il dispositivo viene connesso ad un carico. La corrente è tanto maggiore quanto maggiore è la quantità di luce incidente. Ai fini della generazione di cariche elettriche, i fotoni di cui è composta la luce solare non sono tutti equivalenti: per poter essere assorbiti e partecipare al processo di conversione, un fotone deve possedere un energia (hν) superiore a un certo valore minimo, che dipende dal materiale di cui è costituita la cella (E g ). In caso contrario, il fotone non riesce ad innescare il processo di conversione. Efficienza di conversione La cella può utilizzare solo una parte dell energia della radiazione solare incidente. L energia sfruttabile dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella: l efficienza di conversione, intesa come percentuale di energia luminosa

5 trasformata in energia elettrica disponibile per celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 24%. L efficienza di conversione di una cella solare è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè dovuti al fenomeno fotoelettrico e pertanto assolutamente inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico. In figura lo spettro della radiazione solare con l evidenza della parte di spettro utile alla conversione in una cella al silicio cristallino. La caratteristica elettrica della cella La cella fotovoltaica, quando non è illuminata, ha un comportamento analogo a quello di un diodo a semiconduttore.

6 In queste condizioni la tensione e la corrente sono legati da una relazione di tipo esponenziale ottenuta risolvendo l equazione della conservazione della carica. Quando la cella viene illuminata, la giunzione diviene una sorgente di coppie elettrone-lacuna, pertanto circuitalmente ha un comportamento analogo a quello di un diodo con in parallelo un generatore di corrente. Graficamente, invece, la caratteristica tensione corrente di una cella illuminata risulta pari a quella di un diodo, traslata però (verticalmente) di una quantità pari alla corrente fotogenerata. Poiché la corrente fotogenerata varia con l irraggiamento e con la temperatura (in misura minore), la caratteristica tensione corrente della cella risulta influenzata da questi parametri. La tecnologia del silicio cristallino e il silicio di grado solare Due grandi famiglie di tecnologie esistono attualmente: la prima a base di silicio cristallino, la seconda famiglia, quella dei film sottili, comprende le celle al silicio amorfo, al telleruro di cadmio, al diseleniuro di indio rame, all arseniuro di gallio ed al solfuro di cadmio. Altre tecnologie come le celle organiche, a polimeri o celle a base di fullereni sono in fase di sperimentazione.

7 Il materiale più usato per la fabbricazione delle celle fotovoltaiche è stato per molto tempo lo stesso silicio adoperato dall industria elettronica, il cui processo di fabbricazione presenta costi molto alti, non giustificati dal grado di purezza richiesti dal fotovoltaico, che sono inferiori a quelli necessari in elettronica. Il silicio di grado solare Nel silicio di grado solare è prevista la purificazione del silicio metallurgico, anziché attraverso i costosi processi Siemens e Czochralskj, mediante processi a basso contenuto energetico e a basso costo. La disponibilità di questo materiale, a differenza del silicio di grado elettronico, è praticamente illimitata. Con il silicio di grado solare, caratterizzato da un minor grado di purezza rispetto a quello elettronico, è possibile inoltre realizzare celle con efficienza dell 11-13%. La tecnologia del silicio per uso elettronico Il processo più comunemente impiegato per ottenere silicio monocristallino per uso elettronico parte dalla preparazione di silicio metallurgico (puro al 98% circa), mediante riduzione della silice (SiO 2 ) con carbone in forni ad arco. Dopo alcuni processi metallurgici intermedi consistenti nella: purificazione del silicio metallurgico a silicio elettronico (processo Siemens), conversione del silicio elettronico a silicio monocristallino (metodo Czochralskj), vengono ottenuti lingotti cilindrici (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza) di silicio mono cristallino, solitamente drogato p mediante l aggiunta di boro. Questi lingotti vengono quindi affettati in wafer di spessore che va dai 0,2 ai 0,3 mm. Da alcuni anni l industria fotovoltaica sta sempre più utilizzando il silicio policristallino, che unisce ad un grado di purezza comparabile a quello del monocristallino costi inferiori. I lingotti di policristallino, anch essi di solito drogati p, sono a forma di parallelepipedo e vengono sottoposti al taglio, per ottenerne fette di 0,2 0,35 mm di spessore. In pratica la tipica cella fotovoltaica è costituita da un sottile wafer, di spessore di 0,2 0,3 mm circa, di silicio mono o policristallino, opportunamente drogato. Essa è generalmente di forma quadrata e di superficie che va da 100 a 400 cm 2, e si comporta come una minuscola batteria, producendo, nelle condizioni di soleggiamento standard (1000W/m 2 ) e a 25 C, una corrente da 3 a 12 A con una tensione di circa 0,5 V, quindi una potenza che va da 1,5 a 6 W.

8 Il silicio monocristallino è più costoso del policristallino, ma permette di avere efficienze più elevate con circa 24,5% contro i 19% di efficienze record per celle ottenute in laboratorio. Attualmente è la tecnologia che domina il mercato con circa 85 % della potenza installata, rispettivamente 50% per il policristallino con efficienze dal 12% al 14% e 35% per il monocristallino che presenta efficienze dal 15 al 16%. Gli sforzi della ricerca e delle industrie fotovoltaiche sono mirati alla riduzione dei costi di produzione ed al miglioramento dell efficienza di conversione attraverso la realizzazione di celle innovative e lo studio e la sperimentazione di nuovi materiali. La tecnologia dei film sottili Questa tecnologia sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un sottilissimo strato di materiali semiconduttori, in pratica il silicio amorfo ed alcuni semiconduttori composti policristallini, quali il diseleniuro di indio e rame (CIS), il telluriuro di cadmio (CdTe), etc. Tale tecnologia punta sulla riduzione del costo della cella e sulla versatilità d impiego (ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare quali elementi strutturali delle facciate degli edifici), anche se resta da superare l ostacolo rappresentato dalla bassa efficienza e dell instabilità iniziale. Potrebbe rappresentare la carta vincente per trasformare il fotovoltaico in una fonte energetica in grado di produrre energia su grande scala. Silicio amorfo (a-si) Nel silicio amorfo gli atomi di silicio vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia possiede un coefficiente di assorbimento molto più alto nel visibile rispetto al

9 cristallino, dovuto al processo di assorbimento dei fotoni più efficaci, detti diretti. Questa tecnologia permette quindi di impiegare quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron). I moduli in silicio amorfo mostrano in genere una efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali, pur avendo garanzie in linea con il mercato. Nonostante che le efficienze di conversione di tali moduli siano più basse di quelle del silicio cristallino (da 6% a 8%) e la loro scarsa affidabilità in merito alla durata nel tempo del silicio (il rendimento di conversione si abbassa molto più velocemente rispetto al silicio cristallino), questa filiera tende a svilupparsi in un contesto di forte domanda, e si posiziona dopo il silicio cristallino con una percentuale di più del 4% per le potenze installate nel mondo. Una caratteristica molto interessante del silicio amorfo che lo fa preferire in talune applicazioni, è quella relativa al fatto che il rendimento di conversione degrada all'aumentare della temperatura in maniera molto meno sensibile rispetto al silicio cristallino. Tellururo di cadmio e diseleniuro Il processo produttivo detto di sublimazione in spazio chiuso risulta tecnologicamente semplice e permette la produzione di celle con efficienze del 15% e con buone caratteristiche di resistenza agli sbalzi termici. Esiste una grande differenza tra l efficienza teorica (25%) e quella raggiunta in laboratorio (dell ordine del 16%). La tecnologia è attualmente in progressivo sviluppo in relazione ai seguenti aspetti: criticità del contatto posteriore sull efficienza, stabilità e riciclo del materiale a fine vita. Diseleniuro di indio rame (CIS) e Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS) I principali vantaggi di queste celle sono il basso costo e il processo di produzione facilmente automatizzabile che permette produzioni industrialmente più efficienti. Le celle CIS presentano valori di efficienza che si avvicinano a quelli ottenibili con celle in silicio cristallino: al National Renewable Laboratories si sono raggiunti valori di efficienza record del 18,8% con un substrato in vetro. Le celle CIGS e quelle CIGSS (con l aggiunta di zolfo) hanno elevata efficienza elettrica di conversione ma il loro processo di produzione risulta più complesso e costoso. Solfuro di cadmio e arseniuro di gallio Microcristallino, presenta costi di produzione molto bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non richiede il raggiungimento delle temperature

10 elevatissime necessarie invece alla fusione e purificazione del silicio cristallino. Esso viene applicato ad un supporto metallico per spray-coating, cioè viene letteralmente spruzzato come una vernice. Tra gli svantaggi legati alla produzione di questo genere di celle fotovoltaiche vi è la tossicità del cadmio ed il basso rendimento di conversione del dispositivo. E una lega binaria con proprietà semiconduttive, in grado di assicurare rendimenti elevatissimi, dovuti alla proprietà di avere un gap diretto (a differenza del silicio). Viene impiegata soprattutto per applicazioni militari o scientifiche avanzate (come missioni automatizzate di esplorazione planetaria o fotorivelatori particolarmente sensibili). Tuttavia il costo proibitivo del materiale monocristallino a partire dal quale sono realizzate le celle, lo ha destinato ad un impiego di nicchia. In definitiva, la tecnologia a film sottile può risolvere il problema dell approvvigionamento del materiale di base, in quanto, comportando un consumo di materiale molto limitato, pari a circa 1/200 di quello richiesto per la tecnologia del silicio cristallino (in questo caso la fetta ha uno spessore ridottissimo dell ordine di pochi micron), potrebbe permettere lo sviluppo di processi produttivi dedicati, che non dipendano dall industria elettronica. Inoltre, utilizzando questa tecnologia è possibile ottenere moduli leggeri e flessibili, fabbricare il modulo con un unico processo e avere la possibilità di realizzare celle tandem. Potenzialmente i film sottili hanno un costo inferiore al silicio cristallino, sia per la maggiore semplicità del processo realizzativo, sia per il minor EPBT. Infatti, mentre per le celle al silicio cristallino l energy pay-back time corrisponde a circa 3,2 anni mentre per quelle a film sottile è pari a circa 1,5 anni. Il fotovoltaico a concentrazione Visto che il silicio è la parte costosa del sistema e che la stessa cella fotovoltaica può teoricamente produrre più energia se esposta a flussi luminosi superiori, si impiega qualche sistema per concentrare molta luce solare su una ridotta quantità di celle fotovoltaiche di grande efficienza. Vari esempi di sistemi a concentrazione sono stati sperimentati nei decenni passati ricorrendo alle più varie soluzioni ed accumulando un notevole, anche se poco noto, bagaglio tecnico che ne ha dimostrato la funzionalità. La convenienza economica è stata per molto tempo un problema per la scarsa disponibilità di celle fotovoltaiche progettate per operare in concentrazione e di sistemi di raffreddamento, movimentazione ed inseguimento solare affidabili. Recentemente, tuttavia, tutte queste tecnologie hanno raggiunto, per motivi indipendenti, un grado di maturazione sufficiente per sviluppare sistemi affidabili ed economicamente convenienti. Il punto chiave per comprendere i potenziali vantaggi economici di questa tecnologia è che la maggior parte dei materiali e delle risorse impiegate nella costruzione di un sistema a concentrazione sono costituiti da superfici riflettenti, supporti e sistemi di

11 movimento e controllo, le cui filiere industriali sono già mature nella nostra realtà produttiva. La quantità di celle fotovoltaiche impiegate, il cui mercato ha invece una offerta rigida, è grandemente ridotta. Questo tipo di sistemi può quindi avvantaggiarsi di economie di scala molto di più dei sistemi a pannelli piani vincolati ad un materiale di alto costo intrinseco. Uno degli aspetti limitanti dei sistemi a concentrazione è rappresentato dal fatto che per operare correttamente, il sole deve trovarsi sempre sull asse ottico del concentratore primario. Il sistema necessita quindi di un qualche tipo di movimento che gli permetta di seguire il moto apparente del sole. Questo ha anche un vantaggio in termini di energia prodotta dal sistema poiché, al contrario dei pannelli piani stazionari, il sistema offre sempre la massima superficie al sole raccogliendone al meglio l energia. Il sistema è quindi completato da un sensore di posizione solare e da una opportuna elettronica che controlla i sistemi di movimento. Anche qui è oggi possibile, avvalendosi di economici microprocessori, sviluppare sistemi elettronici estremamente affidabili che impiegano strategie di tracciamento molto efficaci e permettono grandi precisioni.

12 Riepilogo del modulo "La tecnologia" Energia dal Sole Le tecnologie solari La conversione fotovoltaica L effetto fotovoltaico Efficienza di conversione La caratteristica elettrica della cella La tecnologia del silicio cristallino e il silicio di grado solare La tecnologia dei film sottili Il fotovoltaico a concentrazione