L'energia solare e le nuove tecnologie per il suo sfruttamento

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1 D. Vincenzi Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica L'energia solare e le nuove tecnologie per il suo sfruttamento

2 Laboratorio Semiconduttori e Sensori Prof. Vincenzo Guidi Donato Vincenzi Maria Cristina Carotta Cesare Malagù 200 m Stefano Baricordi Gabriele Calabrese Luana Pozzetti Sandro Gherardi Enrico Bagli Matteo Pasquini Ilaria Neri Federico Gualdi Alessio Giberti Andrea Mazzolari Enrico Camattarri

3 Sviluppo e sostenibilità lo Sviluppo sostenibile è uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni

4 Sviluppo e sostenibilità : un secondo parere Nel 1991 le Nazioni Unite e il WWF definiscono lo sviluppo sostenibile come: Un miglioramento della qualità della vita, senza eccedere la capacità di carico degli ecosistemi di supporto, dai quali essa dipende

5 Riserve disponibili : petrolio Riserve disponibili milioni di barili Ritmo di consumo attuale milioni di barili/anno Autonomia 43 anni Fonte:

6 Riserve disponibili : gas naturale Riserve disponibili milioni di m 3 Ritmo di consumo attuale milioni di m 3 /anno Autonomia 55 anni Fonte:

7 Riserve disponibili : carbone Riserve disponibili milioni di ton Ritmo di consumo attuale milioni di ton/anno Autonomia 570 anni Fonte:

8 Aspetti ambientali della sostenibilità L utilizzo di combustibili fossili libera anidride carbonica

9 Roger Revelle e le misurazioni di CO 2 Le misurazioni della concentrazione di CO 2 a largo di Mauna Loa (Hawaii) hanno evidenziato un incremento costante dal 1958 ad oggi

10 Il clima sta davvero cambiando? Le misurazioni della CO 2 presente nei ghiacciai permettono di stabilire l andamento storico della concentrazione in atmosfera.

11 Prospettive di sviluppo delle fonti rinnovabili

12 Quanta energia invia il sole sulla terra?

13 Concentrare la luce del sole per

14 Il solare termodinamico: la centrale SEGS di Kramer Junction (CA) Potenza di 350 MW Temperatura di esercizio di 380 C Sistema operativo da 20 anni Utilizzo di olio minerale come fluido vettore

15 Il solare termodinamico: lo schema tipico dell impianto

16 Il progetto Archimede (ENEA) Potenza di 5 MW e Area totale m 2 Temperatura di esercizio di C Utilizzo di sali fusi come fluido vettore: NaNO 3 (60%) KNO 3 (40%) Possibilità di accumulo termico e di accoppiamento con una centrale convenzionale Installazione a Priolo Gargallo (SR) Inaugurato il 14/07/2010 Il sale fuso solidifica a 238 C Il coating dei tubi degenera a 600 C

17 La conversione fotovoltaica e la separazione della cariche fotogenerate E h E c V E F x E v n-region p-region Il sole invia sulla superficie terrestre circa 1000 W/m 2, ma le celle fotovoltaiche convenzionali ne riescono a convertire circa il 15 %

18 La produzione del silicio di grado elettronico Quarzite (SiO 2 ) 18 kg Fornace ad arco SiO 2 +2C Si+2CO 2 Reazione con H 2 (1200 C) HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl Distillazione ( C) HSiCl 3 HSiCl 3 HSiCl 3 HCl

19 Dal feedstock ai wafer di Silicio Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)

20 Analisi economica dei pannelli PV Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Assemblaggio 45 Lavorazione della cella Il costo finale del sistema é di circa /W Il mercato dei pannelli PV piani è attualmente sostenuto da un politica di incentivi fiscali (CONTO ENERGIA) Il costo e la reperibilità del Si sono attualmente il limite più significativo allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica standard

21 Produzione annuale di polysilicon (feedstock) nel 2010: ton CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità di silicio è sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza complessiva di MW. Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero appena 15 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe circa il10% del fabbisogno della sola Italia. La European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prevede un aumento della produzione di polysilicon fino a ton nel 2013

22 Le prospettive della tecnologia attuale Fonte: Mortarino e Guidolin*, Università di Padova Austria - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted Japan - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted Alcuni modelli previsivi basati su tecniche di marketing quantitativo (modello di Bass) segnalano che la tecnologia attualmente in commercio sta concludendo il suo ciclo di vita in molti paesi *(Cross-country diffusion of photovoltaic systems: modelling choices and forecasts for national adoption patterns. WPseries, N.18/2007. Dipartimento di Scienze Statistiche. Università di Padova)

23 Solare fotovoltaico: tecnologia a film sottile First Solar Advanced Thin-Film PV Modules at the Tucson Electric Power Array in Arizona.

24 Solare fotovoltaico: moduli a film sottile Utilizzatore Metallo Conduttore trasparente Luce solare

25 Solare fotovoltaico: moduli a film sottile Nelle celle solari a film sottili la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini. Il processo di fabbricazione può essere completamente automatizzato per raggiungere una produzione di un modulo al minuto Il substrato è un vetro comune a basso costo Un costo di produzione inferiore a 0.5 $/W

26 Celle fotovoltaiche a film sottile attualmente in produzione 1. Silicio amorfo: -Si, efficienza massima 13% 2. CuGaInSe 2 /CdS, efficienza massima 19.8% 3. CdTe/CdS, efficienza massima 16.5% First Solar, OH La Solar tecnologia Fields, CdTe/CdS OH è la più AVA scalabile TECH, perché CO si basa su tecniche Prime Star, semplici, CO veloci e facilmente CANRON, industrializzabili NY Antec Solar, Germany Arendi, Italy Mo 150 nm As 2 Te nm ZnO 150 nm ITO 400 nm

27 Film sottile: il processo industriale

28 Film sottile: limitazioni Circola una favola messa in giro da persone non esperte o interessate che dice: i moduli a base di CdTe/CdS sono pericolosi perché contengono Cd. La normativa internazionale spesso non è adeguata L efficienza dei moduli a film sottile è tipicamente attorno al 10 %, contro una efficienza tipica del 15 % per i moduli in Si Predisposizione delle banche alle nuove tecnologie.

29 Un approccio alternativo ai pannelli fotovoltaici piani: i sistemi a concentrazione Utilizzando sistemi a concentrazione a 200 soli basterebbero solo 1500 ton di polysilicon per soddisfare il 10% del fabbisogno italiano L idea è sostenibile sia per l impatto ambientale che per il payback energetico

30 Fotovoltaico a concentrazione Concentratore sviluppato presso i Sandia National Laboratories negli anni1970

31 1 generazione Raffreddamento Specchi o lenti (elementi di concentrazione): alta superficie, resistenza ambientale Inseguimento Celle: Disegno particolare, efficienze > 20%.

32 2 generazione 10 cm Esempi di concentratore solare con superfici riflettenti. (area di raccolta 2.5 m 2, fattore di concentrazione 100x) Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

33 Modulo Fotovoltaico a concentrazione Rondine Installazione di test presso l Università di Ferrara

34 Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA Università di Ferrara (IT) Concentrix Solar GmbH Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

35 Concentratore modulare Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

36 Design of a modular concentrator Sketch of an array of three receivers embedded between front glass and panel base. The main collector is a molded part in polycarbonate covered by protected aluminum. Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

37 Un passo in più verso la industrializzazione Sperimentazione del concentratore Modulare Cassegrain presso il Consorzio Sardegna Ricerche Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

38 Assemblaggio di ricevitori CPV Cells have been soldered under vacuum on a metal-core PCB Integrated temperatur sensor Si receiver based Narec solar cells (about 6 cm 2 ) operated at 60x (optical) 3-J solar cell (1 cm 2 ) operated at 400x (optical) Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

39 La clean room del Laboratorio Sensori e Semiconduttori Superficie 115 mq Camera Gialla, Classe ISO 6 Flusso aria m 3 /h Bunker ADF Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

40 l Elioparco del Dipartimento di Fisica Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012

41 Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA Università di Ferrara (IT) Concentrix Solar GmbH

42 La quantità di silicio viene ridotta in ragione del fattore di concentrazione. L efficienza di conversione del sistema è limitata dal fatto che ogni materiale semiconduttore ha gap energetico che non gli permette di convertire tutto lo spettro solare. Una possibile soluzione per aumentare l efficienza è rappresentata dalle Celle solari multigiunzione basate su semiconduttori composti III-V

43 Celle fotovoltaiche multigiunzione

44 Efficienze di conversione a confronto

45 Limiti delle celle solari multigiunzione Grande complessità realizzativa. Se uno strato non funziona l intero dispositivo smette di produrre energia. Elevato costo e grande scarsità di materiale di substrati monocristallini Ge e GaAs (altissima concentrazione). Lo spessore di ciascun film attivo è calcolato sulla base di particolare spettro solare La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore richiede l utilizzo di efficienti sistemi di raffreddamento

46 Un solo raggio, ma molte lunghezze d onda

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48

49 Crystalline Silicon Most mature technology Largest market share Suitable for roof-top as well as large installations Thin Film The second most mature technology High growth due to silicon shortage Great potential to reduce cost Concentration PV Promises to reduce cost in MW installations. Market development underway Nano-Technology Future technology for improved efficiency and cost reduction

50 Energie rinnovabili: il panorama Italiano Fonte: GSE

51 Energie rinnovabili: il panorama Italiano Fonte: GSE

52 2010: un anno speciale

53 Energie Rinnovabili: le direttive europee

54 Il fotovoltaico: prospettive di crescita

55 Grazie per l attenzione

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