Alcuni casi di progetti di ricerca industriale in ambito fotovoltaico realizzati dagli associati del Polo di Innovazione POLIBRE Bruno Bellone

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1 Attività confinanziata con risorse FESR P.O.R. Piemonte FESR IL FOTOVOLTAICO SENZA INCENTIVI: dal V conto energia alla Grid Parity Pollein, 27 aprile 2013 Alcuni casi di progetti di ricerca industriale in ambito fotovoltaico realizzati dagli associati del Polo di Innovazione POLIBRE Bruno Bellone In collaborazione con:

2 Trend tecnologici: : LA ROADMAP TECNOLOGICA DEL FOTOVOLTAICO (IEA, 2010)

3 Trend tecnologici: IL FOTOVOLTAICO DI PRIMA GENERAZIONE Silicio cristallino (moduli composti da wafer a base di silicio): ad oggi detiene circa il 90% del mercato globale. Si ritiene che questa tecnologia resterà la soluzione dominante fino al 2020.

4 Trend tecnologici: IL FOTOVOLTAICO DALLA SECONDA ALLA TERZA GENERAZIONE Film sottili (thin films): ottenuti depositando strati ultrasottili di materiali fotosensibili su supporto di materiale a basso costo, vetro, metallo o plastica. Le celle possono essere in silicio amorfo, in tripla giunzione nelle soluzioni più evolute.

5 CELLE IN SILICIO/FILM SOTTILE

6 Trend tecnologici: LE TECNOLOGIE EMERGENTI

7 CONCENTRATORI FOTOVOLTAICI

8 Trend tecnologici: IL FOTOVOLTAICO ORGANICO Fotovoltaico organico: - Le celle utilizzano polimeri organici oppure piccole molecole organiche al posto dei semiconduttori inorganici, per l'assorbimento della luce ed il trasporto della carica. - Ciò permette di combinare la flessibilità delle molecole organiche con un substrato flessibile quale la plastica, che ha bassi costi di produzione. VANTAGGI SVANTAGGI Bassi costi di produzione Bassa efficienza In particolare le celle DSSC "a pigmenti sensibili" (note in inglese come dye-sensitized) - dette anche celle di Gratzel dal nome del chimico svizzero che le ha inventate nel 1991, o celle fotoelettrochimiche - sono un particolare tipo di celle fotovoltaiche ibride che usano un pigmento organico colorato (dye) per assorbire la luce. Queste celle, che appartengono al gruppo delle celle a film sottile ma hanno un'efficienza più bassa, si caratterizzano per il costo molto basso e per la semplicità dell'apparato necessario per produrle.

9 CELLE FOTOVOLTAICHE DSSC

10 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ Traiettorie tecnologiche e linee di sviluppo Ogni anno POLIBRE vara un Programma Annuale che definisce le strategie e gli obiettivi del Polo e presenta alla Regione Piemonte l agenda dei progetti strategici. I progetti sono selezionati dal CTS del Polo e realizzati in forma collaborativa dagli Associati previa ulteriore valutazione, approvazione e finanziamento da parte della Regione Piemonte. I progetti sono coerenti sia con l ambito tematico tecnico specifico individuato dal Polo (Traiettorie Tecnologiche) che con le aree di sviluppo tecnologico ritenute interessanti per lo sviluppo dell innovazione nel settore di riferimento (Linee di Sviluppo) TRAIETTORIA PHOTOVOLT (FOTOVOLTAICO) Linee di sviluppo 1) CONCEPT - TECNOLOGIE DI NUOVA CONCEZIONE 2) SISTEMI - INTEGRAZIONE DI DIFFERENTI SISTEMI E MONITORAGGIO EFFICIENZA IMPIANTI

11 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/CONCEPT 1) CONCEPT PRO.CO.PA.FO FLEXMAT DYE HARD Sviluppo di un PROcesso in CONtinuo di produzione di PAnnelli FOtovoltaici flessibili Celle fotovoltaiche DSSC flessibili basate su materiali innovativi e coloranti di origine naturale e sintetica di nuova concezione Sviluppo, preparazione, implementazione tecnologica di nuovi materiali ibridi organo-inorganici per aumentare le rese di moduli fotovoltaici

12 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/SISTEMI 2) SISTEMI FVI Fotovoltaico Integrato all interno di barriere acustiche sulle autostrade, sulle strade a grande percorrenza e in edifici industriali BEE Building Energy Ecosystems: Caratterizzazione ed implementazione di un modello per l'utilizzo congiunto di sorgenti rinnovabili di energia elettrica in aree di medie dimensioni, in un ottica di SMART GRID MISURONE R&S di un sistema integrato di gestione, metering e monitoraggio della produzione e dei consumi di energia elettrica, calore e acqua per l efficientamento energetico dalla parte dell End User

13 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/CONCEPT PRO.CO.PA.FO Sviluppo processo in continuo di produzione di pannelli fotovoltaici flessibili Partnership: Enecom Italia S.r.l., Politecnico di Torino, Eurofins Modulo Uno S.p.A., GS S.r.l. Budget: ,47 Finanziamento pubblico: ,00 Durata: 24 mesi IN CORSO Obiettivi Ricerca di tecnologia da applicare ad un processo industriale nel settore fotovoltaico e ad un successivo sviluppo di una stazione prototipale in grado di verificare la fattibilità dell estensione all intero processo di costruzione di pannelli fotovoltaici flessibili. In particolare ci si riferisce al processo di produzione di pannelli fotovoltaici innovativi in silicio cristallino, leggeri, sottili e flessibili che sono quindi privi dello strato in vetro, ma sono composti esclusivamente di materiale termoplastico. Sarà sviluppata un'analisi dei materiali e dei processi coinvolti per la definizione delle caratteristiche della macchina di produzione di pannelli solari in continuo e dei parametri di processo (temperature, pressioni, velocità).

14 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/CONCEPT FLEXMAT Celle fotovoltaiche DSSC flessibili basate su materiali innovativi e coloranti di origine naturale e sintetica di nuova concezione Partnership: RTM S.p.A., Cyanine Technology S.p.A., Agrindustria s.n.c., Chimete S.r.l., Consorzio Proplast, CNR-ISTEC, Politecnico di Torino, Università di Torino, UniPMN Budget: ,00 Finanziamento pubblico: ,00 Durata: 30 mesi IN CORSO Obiettivi Le cosiddette celle solari sensibilizzate a coloranti (Dye Sensitized Solar Cells, DSSC) costituiscono la più valida alternativa alle celle di silicio. L industrializzazione di tali celle necessita, però, di una ulteriore attività di studio per lo sviluppo dei materiali e per l ottimizzazione delle tecnologie di assemblaggio. Il progetto è quindi focalizzato sull obiettivo di sviluppare e ottimizzare nuovi materiali e processi di realizzazione per lo sviluppo di celle fotovoltaiche DSSC flessibili, utilizzando semiconduttori mesoporosi prodotti con un innovativo metodo di nanostrutturazione laser e coloranti organici di sintesi di nuova concezione e coloranti naturali estratti da piante e frutti. Il substrato della cella e il suo packaging saranno di materiali polimerici con proprietà adeguate (resistenza meccanica e chimica, bassa permeabilità ai gas atmosferici), in modo da avere un prodotto finale sottile, leggero e a basso costo. La flessibilità dei materiali polimerici ne amplierà notevolmente le possibilità di utilizzo rispetto a quelle attuali delle celle fotovoltaiche rigide. La sigillatura della cella sarà ottenuta con un nuovo metodo mediante l utilizzo di laser.

15 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/CONCEPT DYE HARD Sviluppo, preparazione, implementazione tecnologica di nuovi materiali ibridi organoinorganici per aumentare le rese di moduli fotovoltaici Partnership: Università degli Studi di Torino (UNITO), SIVE s.p.a., I.N.TE.CO s.r.l., Università del Piemonte Orientale, S.E. Special Engines s.r.l., V-energy s.r.l. Budget: ,28 Finanziamento pubblico: ,86 Durata: 24 mesi IN CORSO Obiettivi Il modulo fotovoltaico a base silicio è attualmente il dispositivo più impiegato per applicazioni standard ad alta durata nel tempo. Il costo energetico ed ambientale del processo produttivo di tali dispositivi può ottenere significativi benefici attraverso il miglioramento dell efficienza e della durata nel tempo. La degradazione è ascritta a due componenti del modulo: da una parte il dispositivo fotovoltaico (cella), dall altra il sigillante polimerico usato nella produzione del modulo (etilvinilacetato, EVA). Accanto alla durata nel tempo, anche a livello tecnologico e produttivo vi possono essere notevoli margini di miglioramento, basati su uno studio applicativo di materiali innovativi: l EVA, ad esempio, presenta problemi tecnologici durante la fase di sigillatura, legati ai tempi lunghi di riscaldamento necessari (15 minuti di norma) e alla formazione di gas che inducono bolle nel laminato finale. Il presente progetto si pone l obiettivo di sviluppare e preparare materiali foto attivi e additivi, da implementare in matrici polimeriche incapsulanti convenzionali, innovative e su componenti del modulo, per risolvere o ridurre i problemi sovraesposti, per ottenere moduli fotovoltaici con maggiori efficienze, maggiore stabilità nel tempo e con un costo economico e ambientale minore.

16 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/SISTEMI FVI Integrazione di Sistemi Fotovoltaici all interno di barriere acustiche sulle autostrade, sulle strade a grande percorrenza e in edifici industriali Partnership: 2 grandi imprese, 5 PMI, Politecnico di Torino, Università PMN Budget: ,00 Finanziamento pubblico: ,00 Durata: 18 mesi CONCLUSO Obiettivi Il progetto nasce con l obiettivo di studiare, progettare e realizzare dei prototipi dimostrativi di soluzioni innovative standardizzabili e riproducili su larga scala, finalizzate all integrazione dei sistemi fotovoltaici nelle barriere stradali antirumore e nell edilizia industriale. In base alla legislazione vigente (Legge Quadro sull Inquinamento Acustico n.447 / 95 e successivi decreti attuativi) i soggetti gestori di infrastrutture sono tenuti a predisporre un piano di risanamento acustico articolato su interventi puntuali lungo la rete. Questo quadro normativo rende possibile la diffusione nel medio-breve termine di nuove soluzioni architettoniche, qualora esse risultino competitive rispetto a quelle più tradizionali. Lo sfruttamento delle superfici rese disponibili dalle barriere antirumore per la realizzazione di impianti fotovoltaici è una tecnica che si è affermata negli ultimi anni, in particolare in Svizzera. Tuttavia, allo stato attuale, non esistono soluzioni di mercato specifiche per tale tipologia di applicazione e commerciabili su larga scala. Questo è principalmente dovuto alla peculiarità dei requisiti meccanici e di funzionamento, che comportano non solo lo studio e lo sviluppo di particolari moduli fotovoltaici, ma anche l implementazione di sistemi di controllo adatti al puntuale monitoraggio di impianti di produzione molto estesi.

17 FVI: prototipo pannello integrato in barriera antirumore

18 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/SISTEMI BEE Building Energy Ecosystems Partnership: Agrindustria S.r.l., Energrid S.p.A., CSP s.c.a.r.l., Politecnico di Torino, Teseo S.p.A. Budget: ,00 Finanziamento pubblico: ,80 Durata: 18 mesi CONCLUSO Obiettivi Il progetto BEE ha implementato un modello per l'utilizzo congiunto di sorgenti rinnovabili di energia elettrica in aree di medie dimensioni (fornitura inferiore a 1 MW). Partendo dall'analisi delle tecnologie per la produzione di energia e integrando diversi tipi di fonti di energie rinnovabili (es: biomasse, solare, ), si definiscono i meccanismi e gli strumenti utili per ottimizzarne lo sfruttamento locale. L obiettivo principale è dunque quello di ottenere un flusso netto di energia elettrica con caratteristiche tali da essere ottimale per la collocazione del sistema in una smart grid di prossima generazione. Nel progetto vengono considerati vari tipi di sorgenti, in modo da ottenere un modello con ampia scala di applicazione. I modelli e gli algoritmi elaborati sono stati utilizzati per creare un testbed, nel quale sono stati messi in pratica e validati i risultati della ricerca. Il sito scelto per il testbed è stato individuato presso il partner Agrindustria snc, capofila del progetto, ubicato in un contesto agro-industriale con utenze di tipo industriale di piccola/media taglia.

19 BEE: L APPLICATIVO DEL MODELLO SVILUPPATO

20 BEE: L APPLICATIVO DEL MODELLO SVILUPPATO

21 I PROGETTI DEL PROGRAMMA ANNUALE DI POLIBRE/ PHOTOVOLT/SISTEMI MISURONE Ricerca e sviluppo di un sistema integrato di gestione, metering e monitoraggio della produzione dei consumi di energia elettrica, calore e acqua per l'efficientamento energetico end user Partnership: AEG Reti Distribuzione S.r.l.,, AISEN UMIGLIA S.r.l., RETE NET S.r.l. Budget: ,08 Finanziamento pubblico: ,53 Durata: 24 mesi IN CORSO Obiettivi L obiettivo generale del progetto è quello di approntare sistemi integrati composti da hardware e software per la gestione ed il controllo degli impianti di produzione di energia e di gestione intelligente dei consumi dei clienti finali (energia, acqua e gas). Il presente progetto intende individuare soluzioni tecnologiche innovative verificandone la rispondenza a condizioni vincolanti derivanti da parametri tecnici e dalla strategia dei Gestori delle reti e dei fornitori di energia. Il progetto in particolare è focalizzato sull efficienza energetica che si potrebbe raggiungere attraverso l applicazione verticale di sistemi integrati (Smart User System) di controllo, di monitoraggio e di gestione degli impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili e fonti fossili e quindi dei relativi consumi energetici. Il progetto dovrà consentire di raggiungere lo sviluppo e la prototipazione di sistemi convergenti basati su piattaforme integrate, consentendo la loro successiva industrializzazione, come base di lavoro per l implementazione delle specifiche applicazioni richieste dai mercati. I principali output tecnici del sistema integrato (Smart User System) saranno veri e propri modelli energetici e di simulazione per determinare le modalità di utilizzo ottimale dell'energia consumata e/o prodotta. Lo Smart User System renderà pertanto disponibili modelli di comportamento per l utente finale, il monitoraggio delle condizioni dei consumi, la funzionalità multiprotocollo per la comunicazione dei dati rilevati e gli strumenti di gestione ed ottimizzazione presso l'utente finale.

22 POLIBRE INNOVAZIONE E CULTURA

23 PST TORTONA / POLO DI INNOVAZIONE POLIBRE CONTATTI P.S.T. S.p.A. Str. Comunale Savonesa, 9 Località Rivalta Scrivia Tortona (AL) Tel Fax pst@pst.it Presidente Fabrizio Longa Relazioni Esterne Bruno Bellone Grazie per l attenzione