Energia da Fonti Rinnovabili

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1 Energia da Fonti Rinnovabili Dipartimenti coinvolti Progettazione Molecolare (proponente), Terra e Ambiente, Energia e Trasporti, Agroalimentare, Scienze della Vita, Materiali e Dispositivi Stato dell arte delle ricerca sul settore specifico: La disponibilità e il controllo delle fonti di approvvigionamento energetico, così come il costo dell energia per le aziende, sono fattori di grande rilevanza strategica ed economica per un Paese. Le fonti energetiche alternative rivestono un ruolo importante nella strategia di diversificazione, e hanno le potenzialità per assumere un ruolo economico rilevante nelle economie dei Paesi occidentali. In questo contesto l Unione Europea nel marzo 2007 ha adottato una politica integrata su clima ed energia il cui obiettivo, da raggiungere entro il 2020, è articolato su tre livelli: Ridurre l emissione di gas serra del 20% rispetto ai livelli del 1990; Assicurare che l energia da fonti rinnovabili rappresenti il 20% dell energia totale utilizzata; Ridurre il consumo complessivo di energia del 20%. Gli sviluppi tecnologici dell ultimo decennio hanno favorito una penetrazione, seppur limitata, nel mercato energetico di alcune tecnologie che utilizzano fonti rinnovabili. Il passo decisivo è stato ovviamente compiuto quando si è riusciti ad abbassare il costo per unità di energia prodotta, mentre in realtà le fonti rinnovabili hanno sempre una serie di vantaggi del cui peso non si è mai tenuto conto in maniera adeguata, come la sostenibilità (rinnovabilità), il nullo o quasi nullo impatto ambientale, la diffusione sul territorio che può portare ad un maggior presidio e ad una maggiore occupazione di aree marginali. A fronte di queste innumerevoli ed importanti ricadute favorevoli, vi sono degli svantaggi che tuttavia hanno limitato fortemente la competitività con le fonti fossili: bassa densità energetica, bassi rendimenti ed elevati costi di installazione. Nonostante i considerevoli successi ottenuti sul piano tecnologico nell ultimo quinquennio, la definitiva affermazione delle fonti rinnovabili è strettamente legata all indice EROEI (Energy return On Energy Input) e, quindi la chiave di volta del problema risiede nell intraprendere una incisiva azione di R&D su materiali e processi innovativi che permettano di superare gli attuali limiti di costo e rendimento delle fonti rinnovabili.

2 Obiettivi Progettuali e risultati attesi Nel settore delle Fonti Rinnovabili il CNR detiene una posizione di leadership nel panorama della ricerca italiana rispetto ad alcuni settori quali il Solare Fotovoltaico di nuova generazione, l utilizzo di Biomasse a fini energetici, le applicazioni in Geotermia. Ne è testimonianza il fatto che molte iniziative progettuali proposte a livello nazionale ed europeo hanno avuto un riscontro positivo negli ultimi due anni, per cui le attività in progress possono essere considerate allo stato dell arte sia sul piano della ricerca che su quello tecnologico. Il presente Progetto vuole collocarsi in una prospettiva di medio-lungo termine, avendo l obiettivo di sviluppare quel know-how necessario ad una innovazione tecnologica successiva a quella che viene attualmente perseguita nei progetti già in essere. Le competenze presenti nei diversi Dipartimenti, già affermatesi nei vari network nazionali ed internazionali, saranno indirizzate verso i seguenti obiettivi specifici: a) Fotovoltaico II e III Generazione. Le celle a film sottile (calcogenuri) e a base organica (ibride o totalmente organiche) rappresentano un area di indagine di significative prospettive tecnologiche; infatti alcuni risultati degli ultimi 6-8 mesi sono estremamente promettenti proprio nel far intravedere un probabile salto competitivo del fotovoltaico rispetto alle altre fonti di produzione. Il passaggio dalla tecnologia del Si alla II e II Generazione lascia prevedere una serie di vantaggi che vengono di seguito indicati: a) Per le celle a a base di calcogenuri va ricordato l alto coefficiente di assorbimento che permette di utilizzare film con spessori molto bassi; l elevato potenziale teorico di efficienza; la varietà di processi di deposizione utilizzabili; l ottimo coefficiente di riduzione delle prestazioni con la temperatura (solo -0.2%/ C); b) Nel caso delle celle a base organica si ha una riduzione dei costi determinata da strutture semplici, materiali disponibili ed economici, semplificazione del processo produttivo attraverso il roll-to-roll in cui ogni componente è depositato da soluzione senza la necessità di racchiudere la linea di produzione in clean rooms ; b) Flessibilità e versatilità che rendono questa tipologia di celle solari particolarmente adatta all integrazione di svariati prodotti con la funzionalità fotovoltaica. In sintesi il fotovoltaico organico è candidato per eccellenza ad entrare sul mercato anche in settori di largo consumo quali quello dell abbigliamento, degli elementi di arredo o delle applicazioni nell edilizia civile. D altra parte alcuni limiti (primi fra tutti l efficienza di conversione e la stabilità in condizioni operative) ne impediscono una piena traduzione a livello industria. Il superamento di tali limiti impone miglioramenti continui delle caratteristiche strutturali, ottiche ed elettroniche dei materiali, finalizzando il tutto all ottenimento della massima efficienza possibile in condizioni di esercizio. A tal fine, l attività di ricerca si concentrerà sullo sviluppo di nuove conoscenze che portino alla soluzione delle

3 seguenti problematiche: - realizzazione di nuovi materiali e strutture fotoattivi che determinino un incremento delle proprietà di trasferimento di carica, di assorbimento della luce e/o di trasporto elettronico attraverso nanostrutture, polimeri e/o molecole di nuova concezione, processi di sensitizzazione innovativi e/o ottimizzazioni strutturali mirate di materiali già esistenti; - sviluppo di tecniche di modellizzazione per la predizione delle proprietà ottiche dei materiali; -sviluppo di metodologie di superficie tese all ottimizzazione del trasporto di carica e dell interfaccia molecola/solido; - realizzazione di strutture fotoniche per l'aumento dell'assorbimento di luce, ad esempio tramite trattamento laser oppure sintesi di cristalli fotonici e strutture random (micro-patterning); - fotosintesi artificiale (studio di sistemi biologici e replica in laboratorio in nuovi materiali; trasferimento quantistico dell energia); - studio dei processi di invecchiamento dei materiali; -sviluppo di substrati adatti all integrazione in sistemi ed elementi architettonici. b) Sistemi di Accumulo. L incremento della penetrazione di sistemi di micro-generazione, soprattutto impianti fotovoltaici, ma anche mini-eolici, nonché la necessità di ottimizzare le risorse garantendo agli utenti finali standard qualitativi sempre migliori, obbligano a modifiche sostanziali degli attuali sistemi di interconnessione tra edificio e rete di distribuzione nonché degli attuali modelli di gestione dei flussi energetici. L affacciarsi sui mercati energetici di nuovi attori, con dimensioni sempre più ridotte, capaci di interloquire scambiando e condividendo pacchetti di informazioni ed energia contribuirà a ripensare l intero sistema energetico. Edifici intelligenti con capacità di produrre, immagazzinare e gestire flussi di informazioni ed energia diventeranno l elemento fondante e costitutivo delle future reti di distribuzione (Smart Grids). Un ruolo centrale per lo sviluppo di nuovi, più efficienti ed affidabili, schemi di gestione dei flussi energetici edificio/rete sarà svolto da sistemi di automazione avanzati e dai dispositivi avanzati di accumulo dell energia elettrica che dovranno asservire alle funzioni di Power quality, Bridging Power e Energy Management. Nella fase preliminare sarà effettuata un indagine, finalizzata ad approfondire i punti cruciali delle tecnologie elettrochimiche di accumulo ( batterie piombo-gel standby, alta temperatura, redox, litio, supercapacitori ed elettrolizzatori), un pre-dimensionamento dell impianto in funzione dei carichi, definendo la taglia dei componenti sulla base di bilanci energetici. Si condurrà un attività di ricerca allo scopo di elaborare opportuni profili standard di carica e scarica, che siano rappresentativi delle diverse tipologie di utilizzo. E importante tenere presente che i sistemi di accumulo sono soltanto uno dei componenti di un sistema di conversione dell energia. Per questo motivo, i profili di carica e scarica non verranno elaborati soltanto a partire dalle richieste dei carichi, ma combinando queste ultime con la produzione elettrica tipica dei casi precedentemente citati. Inoltre, per i sistemi di accumulo in esame

4 saranno verificate oltre alle prestazioni nell utilizzo tradizionale, in cui il punto di lavoro presenta escursioni limitate, quelle relative all impiego in abbinamento ai convertitori elettronici di potenza, cioè in presenza di correnti distorte, picchi elevati di corrente di carica e scarica, etc., e nel funzionamento in condizioni critiche, ad esempio con scariche profonde in impianti remoti. Successivamente sarà effettuata una analisi energetica di dettaglio, con la formulazione dei modelli di calcolo per la simulazione matematica del sistema nel suo complesso. Il modello utilizzerà dati di input (radiazione solare, dati eolici, temperatura ambiente, performance microgeneratori) direttamente misurati durante test specifici. Verranno simulate varie configurazioni impiantistiche al fine di stimare le prestazioni ottenibili ed ottimizzare l integrazione fra le varie componenti dell intero sistema. c) Biomasse. Energy Biotechnology è un settore emergente ed in forte crescita nel campo delle biotecnologie ed è finalizzato allo sviluppo di processi per la generazione di prodotti energetici. Tale settore si occupa nel suo complesso dei processi di bioconversione diretta di biomasse in prodotti energetici attraverso l utilizzo di energia solare. I margini di sfruttamento energetico delle biomasse sono notevoli e studi recenti indicano che esse contribuiranno nel prossimo futuro a soddisfare una quota crescente del consumo energetico, rappresentando nel contempo uno strumento per un utilizzo della CO2 come materia prima per la produzione di chemical commodities. Tale visione prospettica rimane ad oggi condizionata da una insoddisfacente conoscenza di base di processi e metodologie che esplicitino pienamente il potenziale previsto comprensione. Per le considerazioni sopra esposte, il programma di ricerca prevede di focalizzarsi sui seguenti punti specifici: - Sviluppo ed identificazione delle specie algali più adatte all ottenimento del prodotto finale, con particolare riguardo alla crescita e produzione lipidica; - Identificazione e messa a punto delle metodologie più adatte al trattamento degli scarti agroindustriali; - Sviluppo ed ottimizzazione di processi per la produzione di oli combustibili e bioidrogeno; - Valutazione delle biomasse algali come abbattitori di gas; - Valorizzazione della CO2 prodotta attraverso conversione Chimica e Fotochimica - Fattibilità di realizzazione di pannelli fotovoltaici dye sensitized costruiti con silice proveniente dalle teche in silice di alcune tipologie di microalghe ( ad es. diatomee). Partenariato attivato con altri Enti nazionali IIT, ENEA, Università

5 Potenziali ricadute verticali 1. Mantenimento delle conoscenze del sistema pubblico allo stato dell arte internazionale nel settore 2. Creazione di un network nazionale sulle Fonti Rinnovabili in cui il CNR funga da hub 3. Know-how trasferibile non solo al sistema imprenditoriale del settore, ma a settori diversificati quali trasporti, edilizia, agoindustriale ed elettronica di consumo. Personale coinvolto Le risorse umane coinvolte ammontano a 150 anni uomo/ anno Valorizzazione economica del progetto complessivo 25 milioni/anno Interrelazioni in essere con l attuale programmazione progettuale dei dipartimenti coinvolti (2010/2012). Le attività di ricerca previste sono in stretta relazione con la programmazione del trienno dei seguenti Progetti Dipartimentali: TA04; ET03; PM01; PM03; PM04; MD03; MD06; SP04.