INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

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1 Lezioni dal corso di Gestione degli Impianti di Conversione dell Energia Università Federico II di Napoli 20/03/2011 INTRODUZIONE AGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

2 Cosa sono gli impianti fotovoltaici? Gli impianti fotovoltaici sono sistemi che convertono la radiazione solare in energia elettrica, direttamente ed istantaneamente. Ciò è possibile sfruttando il cosiddetto effetto fotovoltaico ovvero l attitudine di alcuni materiali, detti semiconduttori, di generare, se colpiti da luce, una differenza di tensione ai propri capi ovvero una corrente continua a circuito chiuso. Negli impianti fotovoltaici tutto l input energetico è costituito unicamente dalla radiazione solare.

3 Cosa è un materiale semiconduttore? /1 Un semiconduttore è un materiale costituito da atomi con elevato numero di valenza. Questi mediante legami covalenti tipicamente tendono a legarsi reciprocamente formando un reticolo cristallino ovvero una struttura molto ordinata al cui interno gli atomi occupano posizioni ben precise. Evidentemente gli elettroni di valenza dispongono di una mobilità piuttosto ridotta e, quindi, in questo stato il materiale non è conduttore. Però, provvedendo ad energizzare sufficientemente gli elettroni di valenza, questi possono saltare nella cosiddetta banda di conduzione ovvero si spostano in una nube elettronica dove hanno una mobilità molto maggiore.

4 Cosa è un materiale semiconduttore? /2 La minima energia che consente ad un elettrone di saltare dalla banda di valenza a quella di conduzione definisce il cosiddetto energy gap che è un parametro tipico del materiale.

5 Cosa è un materiale semiconduttore? /3 Un elettrone nella banda di conduzione è eccitato ovvero dissipa continuamente energia per effetto della maggiore agitazione. Così, affinché un elettrone possa permanere nella banda di conduzione a tempo indeterminato è necessario fornirgli continuamente energia in misura almeno pari all energy gap; diversamente, l elettrone lascia la banda di conduzione e ritorna nella banda di valenza. Finché un elettrone staziona nella banda di conduzione, la banda di valenza si carica positivamente, la banda di conduzione negativamente. Nasce così una differenza di potenziale ovvero una corrente se si chiude il circuito su un carico esterno.

6 Cosa è un materiale semiconduttore? /4 Quando un elettrone che si trova nella banda di conduzione deve tornare nella banda di valenza, può seguire a ritroso la strada percorsa all andata oppure procedere lungo il percorso esterno.

7 Cosa è un materiale semiconduttore? /5 Ovviamente, volendo generare potenza elettrica utile occorre fare in modo che gli elettroni tornino a casa preferendo il circuito esterno. A tal fine si esegue un drogaggio del materiale sostituendo alcuni atomi di materiale semiconduttore con altri con numero di valenza diverso. Per esempio, nel caso del silicio si utilizzano atomi di boro (B, tre elettroni di valenza) quando occorre realizzare una carenza di elettroni (ovvero un drogaggio di tipo P) ed atomi di fosforo (P, cinque elettroni di valenza) quando occorre realizzare un eccesso di elettroni (drogaggio di tipo N).

8 Cosa è un materiale semiconduttore? /6 Nella zona della giunzione P-N, gli elettroni tendono a diffondere dalle regioni a maggiore concentrazione verso le altre a minor concentrazione. In questo modo si determina un accumulo di cariche negative da un lato, di positive dall altro. Nella zona di contatto tra i due strati nasce un campo elettrico che ostacola il ritorno degli elettroni attraverso la via diretta e li forza a rientrare alla base attraverso il circuito esterno, rendendo disponibile una corrente utilmente impiegabile.

9 Il panorama legislativo Il D.Lgs 387/03, all articolo 7, comma 2, stabilisce che la produzione elettrica mediante tecnologia fotovoltaica sia incentivata per garantire una equa remunerazione dei costi di investimento, altrimenti eccessivamente onerosi. La norma ha trovato una prima applicazione nei decreti del Ministero delle Attività Produttive del 28/07/05 e del 06/02/06; successivamente, il meccanismo di incentivazione è stato rimodulato con i decreti del Ministero dello Sviluppo Economico del 19/02/2007 e del 06/08/2010 (rispettivamente secondo e terzo conto energia); attualmente, è in vigore il cosiddetto quarto conto energia secondo quanto stabilito dal decreto del Ministero dello Sviluppo Economico del 05/05/2011.

10 I contributi in conto energia Il meccanismo di incentivazione consiste nel riconoscimento di una tariffa incentivante per ciascuna unità di energia elettrica generata mediante conversione fotovoltaica della fonte solare. La tariffa spettante è riconosciuta per un periodo di venti anni e, una volta definita, è costante in moneta corrente in tutto il periodo.

11 Soggetti beneficiari

12 Tariffe 2012 Titolo II Quarto conto energia

13 Il registro dei grandi impianti I cosiddetti grandi impianti (fino a 1 MW p su edifici, fino a 200 kw p nel caso di altri impianti) devono essere preliminarmente iscritti in un apposito registro per verificare che rientrino nei limiti specifici di costo per ciascuno dei periodi di riferimento. I piccoli impianti sono esonerati da tale obbligo. Nel 2012, il registro dei grandi impianti non è stato aperto perché l installato del 2011 ha saturato le disponibilità finanziarie degli anni successivi. Di fatto, oggi è possibile realizzare solo piccoli impianti.

14 Tariffe 2012 Titolo III Quarto conto energia Impianti con caratteristiche innovative

15 Tariffe 2012 Titolo IV Quarto conto energia Impianti fotovoltaici a concentrazione

16 Per beneficiare dei contributi in conto energia, in linea concettuale servono: - il generatore fotovoltaico (il cuore dell impianto) - l inverter (che serve per trasformare la corrente da continua in alternata) -- la presenza di una rete elettrica cui allacciarsi - i contatori (che servono per misurare le potenze in transito da e verso la rete

17 Il generatore fotovoltaico /1 L elemento base di un generatore fotovoltaico è costituito dalle celle fotovoltaiche che sono le unità elementari al cui interno avviene la conversione dell energia luminosa in energia elettrica in corrente continua. Ogni cella è costituita da una sottile fetta di materiale semiconduttore (solitamente silicio opportunamente trattato) dello spessore di circa 0,3 mm. Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie tipicamente compresa tra i 100 e i 225 cm 2. La cella si comporta come una minuscola batteria e in condizioni standard (irradiazione di 1 kw/m 2 e temperatura di 25 C) fornisce una corrente continua di qualche decina di milliampere per cm 2 (ma/cm 2 ), una tensione di 0,5 volt (V), una potenza di 0,5-1,5 W.

18

19 Il generatore fotovoltaico /2 Collegando in serie più celle di ottiene il cosiddetto modulo che è ancora un sottoinsieme del pannello fotovoltaico ovvero della più piccola unità commerciale disponibile al dettaglio. Mettendo in serie più pannelli si ottiene una stringa che è caratterizzata dall avere in uscita un ben definito valori di tensione in uscita. PANNELLO (a 6 moduli)

20 Sezione di un pannello fotovoltaico

21 Il generatore fotovoltaico /3 Una volta definito il livello di tensione in uscita da una stringa, per aumentare la potenza erogata occorre mettere in parallelo più stringhe. Si ottiene così il campo fotovoltaico.

22 L inverter L inverter principalmente consente di convertire la corrente continua in uscita dal campo fotovoltaico in corrente alternata. In questo modo, la potenza elettrica generata può essere utilizzata per alimentare gli usuali apparecchi elettrici in commercio, nonché consente di connettere gli impianti fotovoltaici alla rete elettrica (condizione necessaria per beneficiare dei contributi in conto energia).

23 DC AC INVERTER DC/AC

24 I contatori Il doppio contatore serve per calcolare quanta energia prodotta è immessa in rete.

25 Schema di impianto connesso in rete

26 CALCOLO DELL ENERGIA ENERGIA MEDIA PRODOTTA DA UN IMPIANTO FV Insolazione media annuale * Superficie * * captante Efficienza moduli Efficienza BOS Energia prodotta mediamente in un anno in corrente alternata [kwh]

27 PRODUCIBILITÁ IMPIANTI FV Insolazione media annua Efficienza moduli Efficienza BOS Elettricità prodotta mediamente in un anno per m 2 MILANO kwh/(m ² anno) 12,5% 85% kwh e /(m ² anno) ROMA kwh/(m ² anno) 12,5% 85% kwh e /(m ² anno) TRAPANI kwh/(m ² anno) 12,5% 85% kwh e /(m ² anno) Produzione unitaria media annua di energia elettrica in corrente alternata.

28 Relazione tra m 2 e kw p 1000 W/m 2 Se da 1 m 2 in STC si ottengono 135,1 W e, serviranno (1.000/135,1) m 2 per fare un 1 kw p. η FOT =13,51% 135,1 W e /m 2 Più in generale, 1 kw p è sempre pari (numericamente) a (1/η FOT ) m 2 di pannelli.

29 PRODUCIBILITÁ IMPIANTI FV Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente continua Efficienza BOS Elettricità prodotta mediamente in un anno in corrente alternata MILANO kwh e /(kw p anno) 85% 1167 kwh e /(kw p anno) ROMA kwh e /(kw p anno) 85% 1477 kwh e /(kw p anno) TRAPANI kwh e /(kw p anno) 85% 1669 kwh e /(kw p anno)

30 Come varia la capacità produttiva per unità di potenza di picco? La capacità produttiva unitaria rappresenta tipicamente la quantità di energia elettrica prodotta da un unità di potenza installata in un ben determinato arco temporale, tipicamente un anno. La capacità produttiva per unità di potenza è sostanzialmente indipendente dal generatore fotovoltaico. Ogni singola unità di potenza installata produce una quantità di energia elettrica che dipende esclusivamente da latitudine e configurazione impiantistica, ma non dal tipo di pannelli usati. Ciò che dipende dal tipo e dal modello di pannello è solo l estensione delle superfici captanti ovvero l area di superficie captante necessaria per singola unità di potenza installata.

31 η pannello = cost kwh t / (kw p anno) η pannello = 5% kwh e / (kw p anno)

32 η pannello = cost kwh t / (kw p anno) η pannello = 10% kwh e / (kw p anno)

33 η pannello = cost kwh t / (kw p anno) η pannello = 12% kwh e / (kw p anno)

34 L energia elettrica prodotta mediante fotovoltaico può essere: Consumata Scambiata sul posto Vendita indiretta Vendita diretta

35 Cosa è lo scambio sul posto? Il servizio di scambio consente di immettere in rete l energia elettrica prodotta (ma non immediatamente autoconsumata) e, quindi, di prelevarla in un momento successivo per soddisfare i propri consumi. Concretamente consiste nella possibilità di eseguire un saldo economico tra l energia elettrica immessa e prelevata dalla rete.

36 Chi può accedervi? Solo i consumatori finali possono accedere al servizio di scambio sul posto. In concreto vuol dire che lo scambio può essere richiesto solamente per impianti di potenza non inferiore a 200 kwp e, comunque, solo in assenza di vendita dell energia elettrica prodotta. Pertanto, lo scambio e la vendita dell energia sono da considerare assolutamente alternativi.

37 Cosa è la vendita indiretta? Mediante la stipula di una convenzione di ritiro dedicato, il gestore di un impianto fotovoltaico può vendere al GSE eventuali eccedenze di produzione indipendentemente dal distributore locale. Nel caso di impianti fino ad 1 MW e per produzioni annuali entro i di kwh, è fissato un prezzo minimo di ritiro che è fissato ed aggiornato annualmente dall AEEG.

38 Cosa è la vendita diretta? I gestori degli impianti di produzione di energia elettrica possono scegliere di vendere direttamente l energia in borsa previa iscrizione al mercato dell energia elettrica. Poiché l accesso a tale mercato è, tra le altre cose, subordinato al pagamento di corrispettivi fissi annui, la vendita diretta è sostanzialmente improponibile nel caso di piccole produzioni.

39 Quanto vale l energia elettrica prodotta? /1 Il valore dipende dal tipo di impiego dell energia elettrica. autoconsumo o scambio sul posto: il valore dell energia coincide con il costo evitato dell energia elettrica altrimenti acquistata; ritiro obbligato: non meno di 0,08 /kwh e ; cessione sul libero mercato: varia in funzione delle condizioni del momento

40 Quanto vale l energia elettrica prodotta? /2 In ogni caso, indipendentemente dagli usi finali dell energia elettrica prodotta mediante tecnologia fotovoltaica, è ragionevole assumere che il singolo kwh e possa valere da un minimo di 0,08 (ritiro obbligato) fino a 0,22 (privato consumatore finale per il quale l IVA è un costo).

41 Tariffe 2013 Titolo II Quarto conto energia

42 Tariffe 2013 Titolo III Quarto conto energia Impianti con caratteristiche innovative

43 Tariffe 2013 Titolo IV Quarto conto energia Impianti fotovoltaici a concentrazione

44 Obiettivi del IV conto energia Il DM 05/05/2011 nasce per durare fino 31/12/2016. Fissa un obiettivo indicativo di potenza installata a livello nazionale di 23 GW. Presume che il raggiungimento dell obiettivo di potenza nazionale cumulata possa essere raggiunto con un costo annuo tra 6 e 7 mld di euro.

45 Quali risultati dal conto energia?

46 Quali risultati dal conto energia?

47 Quali risultati dal conto energia?

48 Consumi energia elettrica Var. ass. Var. perc. CIL di EE (al netto dei pompaggi Fonti tradizionali Fonti rinnovabili Idrica da apporti naturali ,7% Geotermica ,4% Eolica ,6% Fotovoltaica ,6% Biomasse ,7% Saldo estero

49 Prime conclusioni Emerge subito che la parte del leone spetta all idroelettrico e che il geotermico non è sostanzialmente cresciuto negli ultimi anni. Le maggiori potenzialità di crescita spettano probabilmente ad eolico, biomasse e solare che evidenziano notevoli tassi di crescita. Pur tuttavia, il contributo sostanziale del solare è ancora marginale.

50 Il problema dell accumulo La fonte solare non è regolabile a piacimento e, dunque, se integrata massicciamente, non è disponibile a piacere. Per ovviare al problema occorre ricorre ad opportuni sistemi di accumulo: questi devono essere capaci di ricaricarsi in misura adeguata quando la fonte solare è disponibile in maniera da soddisfare le necessità energetiche dell utenza al bisogno ed indipendentemente dall effettiva disponibilità di energia solare.

51 I sistemi di accumulo del fotovoltaico Nel caso di pannelli fotovoltaici destinati alla produzione di energia elettrica, il sistema di accumulo è costituito dalla rete elettrica nazionale cui l impianto deve essere connesso al fine di beneficiare degli incentivi statali. Ma la rete non può accogliere energia elettrica da fonte solare in misura illimitata e, dunque, esistono ben precisi limiti, superati i quali il discorso non è più proponibile.

52 Carichi elettrici 2006 in Italia Carichi minimi Carichi medi Carichi massimi

53 Connessione in rete di potenze fotovoltaiche incrementali per 10 GWp Giorno tipico del mese di giugno

54 Connessione in rete di potenze fotovoltaiche incrementali per 50 GWp Giorno tipico del mese di giugno

55 Connessione in rete di potenze fotovoltaiche incrementali per 100 GWp Giorno tipico del mese di giugno

56 Perché integrare simili potenze? Integrare in rete potenze fotovoltaiche di 10, 50 e 100 GW p significa idealmente elevare le potenza mediamente veicolata dal sistema nazionale di trasmissione rispettivamente di un 20%, 100% e 200%. Potrebbe sembrare troppo ma occorre considerare che tali ipotetiche installazioni in termini energetici fornirebbero risultati ben più modesti rispetto a sistemi da fonte fossile di pari potenza.

57 La capacità produttiva del fotovoltaico L effettiva capacità produttiva un impianto fotovoltaico dipende dalle ore di utilizzo equivalente nell arco di un anno. In funzione delle specifiche di ogni singola installazione, un 1kW p di potenza fotovoltaica può fornire kwh e /anno ovvero è come se funzionasse h/anno alla potenza nominale e nel rimanente tempo fosse spento.

58 In concreto Da un ipotetica installazione di 10, 50 e 100 GWp nella migliore delle ipotesi sarebbe possibile ottenere rispettivamente 15, 75 e 150 TWh/anno. Tali dati devono essere confrontati con una produzione di energia elettrica che in Italia è attualmente configurabile in circa 300 TWh/anno. La rete, dunque, funge da collo di bottiglia e limita in maniera sostanziale un ipotetico incremento delle installazioni fotovoltaiche e, più in generale, delle fonti rinnovabili non regolabili.

59 Le prospettive future Per elevare significativamente la capacità di sfruttamento dell energia solare occorre in qualche misura risolvere il problema dell accumulo di grandi quantità di energia. Al momento, le prospettive migliori sono costituite da: - accumulo termico al servizio di impianti solari termodinamici - costruzione di una rete elettrica internazionale - applicazioni di entrambe le soluzioni precedenti

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