Le Fonti Rinnovabili. Paolo Silva Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano. 11 Maggio 2009

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1 Le Fonti Rinnovabili Paolo Silva Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano 11 Maggio 2009

2 Argomenti trattati 2 Energia solare: solare fotovoltaico a film sottile solare fotovoltaico a concentrazione solare termodinamico Energia da biomassa: impianti di cogenerazione biocombustibili

3 Il solare fotovoltaico a film sottile 3 FILM SOTTILE Vantaggi Fotovoltaico del film di I sottile: generazione: (attualmente 75% del mercato mondiale) riduzione Si mono- costi e poli-cristallino attraverso la riduzione di materiale possibilità di integrazione architettonica Fotovoltaico η carichi di II parziali generazione: abbastanza (attualmente buono (anche 25% del con mercato luce mondiale) diffusa) - Si amorfo buon comportamento in funzione di T - Celle CIS/CIGS - celle CdTe Criticità da risolvere: η nominale inferiore a Si-cristallino Fotovoltaico di III generazione: (attualmente solo allo stato di prototipo) degrado di prestazioni nel tempo celle organiche (polimeriche, ibride e dye)

4 Il solare fotovoltaico a film sottile 4 Celle CIS/CIGS: η di cella in laboratorio = 20% η di modulo per modelli commerciali = 9-11% pochi produttori mondiali (Wurth Solar il principale, USA). No aziende italiane produzione mondiale: 20 MW/anno prezzo di mercato celle: 3 /W (previsione 1 /W) Celle CdTe: η di cella in laboratorio = 16.5% η di modulo per modelli commerciali = 9-11% pochi produttori mondiali (First Solar il principale, USA). In Italia ARENDI dal 2009 produzione mondiale: 120 MW/anno nel 2007 (First Solar dal 2008 produce 500 MW/anno, previsto 1 GW/anno dal 2009) prezzo di mercato celle: /W (previsione 1 /W)

5 Il solare fotovoltaico a film sottile 5 Celle Si-amorfo: problema di degrado di prestazioni nei primi mesi di funzionamento η di cella in laboratorio = 11.7% per celle tandem (Si-amorfo/Si-cristallino) η di modulo per modelli commerciali = 6-8% circa 25 produttori mondiali produzione mondiale: 300 MW/anno prezzo di mercato celle: /W (previsione <1 /W) Celle Organiche: η di cella in laboratorio = 10% non esistono al momento modelli commerciali al momento solo installazioni dimostrative previsioni di costo molto positive (previsione 0.5 /W) Fra 10 anni si stima per il FV un mercato mondiale di 400 GW/anno (8000 M ): creazione posti di lavoro (30 persone/mw/anno) quota mercato film sottile = % (5% celle organiche)

6 Il solare fotovoltaico a concentrazione 6 Riduzione costi attraverso riduzione di area della cella a pari potenza generata (riduzione all incirca proporzionale al fattore di concentrazione) Il costo della cella diventa meno importante si possono impiegare celle ad alte prestazioni: - con Silicio η cella = 20%, η modulo = 16% (200 x) - con celle multigiunzione con substrato Germanio η cella = 40%, η modulo = 28% (800 x) tipi di concentratori: point focus e dense array attualmente fase dimostrativa e sviluppo pre-industriale

7 Il solare fotovoltaico a concentrazione 7 VANTAGGI: riduzione costi migliore efficienza possibilità impieghi cogenerativi (calore a C dal raffreddamento celle per climatizzazione e produzione ACS) CRITICITA : converte solo radiazione solare diretta necessità meccanismi di movimentazione integrazione architettonica affidabilità e durata da dimostrare

8 Il solare fotovoltaico a concentrazione 8 PROSPETTIVE FUTURE: Si prevede un evoluzione verso sistemi ad alta efficienza (η cella = 45%), e alta concentrazione (1000 x). Miglioramento efficienze ottiche fino all 80% con tecniche di produzione di serie η modulo > 30%), Introduzione modelli cogenerativi per generazione distribuita (potenziali vantaggi dal raffreddamento con acqua) Attualmente costi elevati per automazione linee produttive Costi attesi: 2-3 /W nei prossimi 5 anni per poi dimezzarsi nei successivi Anno di pieno impatto della tecnologia: 2020 (previsti 10 GW/anno)

9 Il solare fotovoltaico a concentrazione 9 Strutture di ricerca e principali attori: Spectrolab (USA), NREL (USA), Emcore (USA), Solfocus (USA), Concentrix (Germania), SolarTec (Germania), Isofoton (Spagna), Sol3G (Spagna), Daido Steel (Giappone), Amonix (USA), SolarSystem (Australia), Sharp (Giappone), FHG-ISE (Germania), CESI RICERCA (Italia), ENEA (Italia), ENEL (Italia), Edison (Italia), SHAP (Italia), CPower (Italia), INTEGRA-Renewables (Italia), UNIFe (Italia), CESI (Italia), Angelantoni (Italia), Azur (Germania), Zenith Solar (Israele). Sistema di regolamentazione esistente: Attualmente in Italia il Conto Energia non si applica al FV a concentrazione A livello internazionale manca una standardizzazione della certificazione: è uscita l anno scorso la norma per la verifica dei sistemi FV a concentrazione (IEC 62108), ma occorre una verifica

10 Il solare fotovoltaico a concentrazione 10 Progetti di ricerca: Progetto APOLLON (EU): coinvolge CESI RICERCA come coordinatore e altri partner italiani quali ENEA, CRP, UNIFe, CPower, ENEL A livello italiano progetti di Industria 2015, inoltre progetto PhoCUS capeggiato da ENEA (ENI ha brevettato un modulo innovativo per la bassa concentrazione) In generale sarebbe auspicabile un maggior coordinamento tra strutture ed enti di ricerca che svolgono temi di ricerca analoghi Utilità di una piattaforma italiana per il FV x la misura e la certificazione di prestazioni, in particolare rendimenti nominali e producibilità alle diverse condizioni di insolazione

11 Energia solare termodinamica Conversione dell energia solare in energia termica e successiva conversione termodinamica VANTAGGI: Sfruttano una tecnologia consolidata, affidabile e dai costi contenuti, quale il sistema di conversione termodinamica Effetto scala: al crescere della taglia di impianto aumenta il rendimento e diminuisce il costo specifico Possibilità di utilizzare accumulo RADIAZIONE SOLARE Concentratore Ricevitore trasporto/accumulo ciclo termodinamico

12 Energia solare termodinamica 12 TIPOLOGIE DI CONCENTRATORI

13 Energia solare termodinamica 13 CONCENTRATORI PARABOLICO-LINEARI LINEARI (PARABOLIC TROUGH): La gran parte dei 431 MW installati nel mondo sono costruiti secondo questa tecnologia (354 MW negli USA a partire dagli anni 80, impianti SEGS) Sono in costruzione numerosi impianti in Spagna (PSA, Almerìa) Tecnolgia commerciale: /kw; LEC pari a 27 c /Wh c in Spagna, 18 c /kwh c nel Nord-Africa Rendimento medio annuo di conversione: 12-14% 14% TIPOLOGIE IMPIANTO: - fluido vettore olio diatermico (SEGS e Nevada Solar One) - fluido vettore olio diatermico e accumulo a sali fusi (imp. in Spagna) - fluido vettore e accumulo a sali fusi (Archimede)

14 Energia solare termodinamica 14 IMPIANTI A TORRE: Ricevitore centrale posto in cima alla torre Produzione diretta di vapore o mediante riscaldamento di sali fusi Costi impianto: /kw (LEC maggiore rispetto a concentratori parabolici) Rendimento annuale netto simile a parabolic trough (taglie inferiori) CONCENTRATORI DISH-STIRLING: Sviluppo pre-marketing Costi attuali impianto /kw In prospettiva 5000 /kw per 1000 pezzi/anno LEC = c /kwh (in competizione con il FV per GD Rendimento medio annuo circa 18% con punte giornaliere di 24%

15 Energia solare termodinamica 15 IMPIANTI A CONCENTRATORE LINEARE DI FRESNEL: Concettualmente simili a parabolico-lineari, con efficienze ottiche inferiori ma specchi piani, meccanismi di movimentazione più semplici e struttura più leggera (meno esposti all azione dei venti) Attualmente allo stato di sperimentazione sul campo (USA) Potenziali vantaggi economici (redditività potenzialmente inferiore alle alter tecnologie)

16 Energia solare termodinamica 16 MAGGIORI STRUTTURE DI RICERCA: Sandia National Laboratories (USA), NREL (USA), DLR (Germania), CIEMAT (Spagna), CNRF, Weizmann Inst. ANU ATTORI INDUSTRIALI: Schott (Germania), Flabeg (Germania), Rioglas, ACS Cobra, Flagsol (Germania), Solutia (USA), Dow Chemical (USA), Haifa Chemicals (Spagna), LUZ (Israele) COSTRUTTORI IMPIANTI CHIAVI IN MANO (EPC): Abengoa (Spagna), Solar Millennium (Germany), Acciona (Spagna), Solel Solar Systems (Israele), Sener (Spagna), FPL Energy (USA), Iberdrola (Spagna) In Italia il progetto Archimede (ENEA-Enel) ha dato un certo impulso al settore e alcune aziende sono attualmente impegnate nello sviluppo di componenti chiave degli impianti solari. Tra queste si ricordano Angelantoni, Xeliox, Duplomatic, Techint italiana e ENEL. Contratto di ricerca in corso tra Enel e Politecnico di Milano

17 Energia solare termodinamica 17 PROSPETTIVE FUTURE: Notevoli prospettive di crescita del mercato Ottimizzazione e miglioramento logica di gestione accumulo Sviluppo di impianti ibridi ISCC (integrated solar combined cycle) Potenziali mercati nel Nord-Africa e nei paesi della sun-belt, con possibili sinergie per produzione acqua dissalata (ruolo dell Italia) Attesi costi di impianto di 2000 /kw nel 2020 Per gli impianti a torre: si studiano ricevitori in materiale ceramico per scaldare aria fino a 1000 C da inviare in una turbina a gas (configurazione in ciclo combinato) Impatto attuale del mercato: 1-2% rispetto a 200 G /anno del mercato degli impianti a fonte rinnovabile Impatto fra 10 anni: 10% (pieno impatto della tecnologia previsto per il 2025) In Italia alcune richieste tecnologiche imposte dalla normativa (storage) aumentano i costi di installazione In Italia sarebbe occorrerebbe raddoppiare-triplicare il numero degli addetti alla ricerca e occorrerebbero finanziamenti stabili e di lungo periodo (10-20 M /anno)

18 Energia solare per generazione elettrica 18 I maggiori vantaggi economici, energetici e ambientali del fotovoltaico sono legati agli impianti di generazione distribuita (taglia dal kw fino a qualche centinaio di kw) allacciati in BT o MT, per applicazioni residenziali o industriali integrate negli edifici: - si riducono le perdite di rete - si riduce il sovraccarico delle reti di distribuzione (rischio black-out) - semplicità e affidabilità di funzionamento - no occupazione suolo - opportunità per l Italia nei settori emergenti (film sottile e concentrazione) Per le centrali di generazione invece dovrebbero affermarsi gli impianti solari termodinamici che presentano i seguenti vantaggi: - economie di scala (diminuzione costo specifico e aumento rendimento) - tecnologia nota per ciclo termodinamico - possibile integrazione con impianti a fonte fossile (impianti ibridi) - potenziale ruolo di leadership dell Italia (indotto già creato da Archimede)

19 19 Grazie per l attenzione!