ENERGIA DAL SOLE IMPIANTI SOLARI E FOTOVOLTAICI

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1 ENERGIA DAL SOLE IMPIANTI SOLARI E FOTOVOLTAICI Seminario di energetica ITIS G. Marconi (Verona) dott. Riccardo Maistrello mercoledì 11 aprile 2012 Definizioni utili Il Sole investe la Terra di energia in ogni istante. La quantità di energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente raccolta e convertita da un apposito dispositivo dipende dall irraggiamento del luogo. L irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un anno (generalmente espressa in kwh/m2 a) (è l energia espressa in [kwh] che arriva ed investe una superficie di un metro quadro [1 m2] in un anno [1 a]) Il valore istantaneo della radiazione solare incidente sull unità di superficie viene invece denominato radianza (W/m2). La radianza al bordo dell atmosfera è pari a circa 1370 W/m2 (costante solare). 1

2 L effetto filtro dell atmosfera L atmosfera però, come ogni corpo, non lascia passare tutta la radiazione che giunge dal Sole. Una parte viene riflessa, viene inviata cioè indietro nello spazio senza che possa giungere al suolo; un altra parte viene assorbita (e scalda i gas che formano l atmosfera); una terza parte viene trasmessa, attraversa cioè l atmosfera come se questa fosse trasparente e arriva al suolo. È solo quest ultima parte della radiazione solare che noi possiamo utilizzare dalla Terra. atmosfera Luce diretta e luce diffusa La radiazione che arriva al suolo (che è solo una parte di quella che il Sole ci invia) ha due componenti: una componente diffusa (cioè luce diffusa, senza direzione prevalente ma chiarore ) ed una diretta (con direzione specifica, che arriva sotto forma di raggi ). 2

3 09/04/2012 Spettro della radiazione solare Lo spettro della radiazione solare è un diagramma che ci permette di vedere quali frequenze (lunghezze d onda) sono presenti nella radiazione solare e quanta energia portano. Sappiamo che la radiazione solare, di cui la luce a noi visibile è solo una parte, può essere vista come un fascio di onde che viaggiano assieme, pur avendo caratteristiche differenti. Radiazione utile Ma solo una parte della radiazione che arriva al suolo può essere convertita in energia elettrica ( Effetto fotoelettrico). In particolare le componenti della radiazione sfruttabili devono avere energia superiore ad 1,1 ev (ovvero lunghezza d onda inferiore a 1100 nanometri, con nm = 10^(-9) metri, miliardesimi di metro) 3

4 Irraggiamento del pianeta È evidente che ci sono zone del pianeta che hanno sole più forte e per più ore l anno di altre. L irraggiamento medio è di 1500 kwh/m2 a (in media, su un metro quadro di terreno, arriva un energia di 1500 kwh in un anno) Irraggiamento in Europa In Europa abbiamo un irraggiamento sotto la media mondiale ed evidentemente questi è maggiore nei paesi meridionali (Italia, Spagna, Grecia) dove può arrivare a 1700 kwh/m2 (p.e. alcune zone della Sicilia). La media europea è però 1000 kwh/m2 a. 4

5 Irraggiamento in Italia In Italia abbiamo una forte vocazione allo sfruttamento dell energia solare proprio perché l irraggiamento medio è buono (1400 kwh/ m2 a). Pianura padana: 1300 kwh/m2 a Centro-Sud Italia: 1500 kwh/m2 a Sicilia: 1700 kwh/m2 a Attenzione: l irraggiamento è un energia primaria, lorda, che nella conversione in energia secondaria (p.e. elettricità) subisce delle perdite. Perciò gli irraggiamenti forniti sono dati teorici, riferiti ad un potenziale, non dati di produzione netta. Catturare l energia dal Sole Gli impianti solari nell emisfero nord vanno sempre orientati verso sud (e viceversa). Inoltre non tutte le inclinazioni vanno bene, ma bisogna ricercare quella ideale, che in Italia si aggira intorno ai 30 gradi. L ideale sarebbe installare sistemi che inseguono il sole ( solar tracking ) che ovviamente fanno lievitare i costi di realizzazione dell impianto e si installano quindi raramente. dati Kuwait! 5

6 Importanza di orientamento ed inclinazione (in tabella coefficienti correttivi irraggiamento) Solare termico (imp. solare bassa temperatura) Il modo più semplice ed intuitivo per sfruttare l energia del sole è impiegarla per scaldare un fluido, come l acqua di un impianto domestico. Questa tecnologia ha già raggiunto un buon grado di maturità, permette di avere buoni rendimenti di conversione (anche oltre il 60%) per riscaldamenti dell acqua con T fino a gradi. La realizzazione è semplice, l impianto poco costoso, il beneficio immediato. Spesso si integra lo scaldabagno con un boiler elettrico Per 1 famiglia occorre una superficie di 2-5 m2 sul tetto Serbatoio 100/200 litri 6

7 Solare termodinamico o a concentrazione (imp. solare alta temperatura) Si usa ancora il sole per scaldare un fluido, ma ad altissima temperatura. Occorre far convergere i raggi solari raccolti da specchi piani o parabolici su un volume molto ridotto, dove la temperatura può arrivare ad oltre 1000 gradi. Un fluido così caldo si può usare in un ciclo termoelettrico o per dissociare l idrogeno dall acqua. I sistemi con concentratori parabolici lineari (CPL) usano superfici riflettenti paraboliche per concentrare i raggi lungo una linea (dove scorre il fluido da riscaldare). Si arriva a temperature di 400 gradi ed in condizioni ottimali permettono di generare elettricità 12 c /kwh. Solare termodinamico o a concentrazione (imp. solare alta temperatura) I sistemi a torre invece concentrano la luce di un enorme distesa di specchi solari (eliostati) in un unico punto, in cima ad una torre, dove è posizionata una caldaia. Qui si può produrre vapore ad altissima temperatura o, in alcuni casi, estrarre idrogeno dall acqua ad inquinamento ridotto (normalmente siestrae dal petrolio). Temperature fino a 1200 gradi. Potenze (per elettricità) fino a 20 MWe. 7

8 Impianto Andasol, Andalusia, Spagna Concentratori Parabolici Lineari Impianto a torre PS 10, Sanlucar, Spagna 8

9 Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico Per mancanza di tempo, noi vedremo qualcosa in più solo sul fotovoltaico. Materiali di approfondimento saranno messi a disposizione degli studenti interessati. La tecnologia fotovoltaica permette di convertire l energia della radiazione solare in energia elettrica. Come sappiamo, la radiazione solare può essere considerata come un fascio di onde elettromagnetiche ognuna delle quali trasporta una certa energia ed oscilla con una certa frequenza, o come un flusso di fotoni, particelle elementari con massa nulla che viaggiano alla velocità della luce e portano con sé pacchetti di energia. L energia di un fotone è sempre multipla di una certa energia-minima, si parla infatti di quanti di energia e si immagina che questa sia trasportata in pacchetti. Effetto fotoelettrico Un modulo solare è innanzitutto un diodo, più correttamente un fotodiodo. È infatti realizzato in silicio (atomi con 4 elettroni di valenza) drogato con impurità trivalenti (Boro) da un lato (lato p, con prevalenza di cariche positive dette lacune ) e con impurità pentavalenti (Fosforo) da un altro (lato n, eccesso di elettroni, cariche negative). In prossimità della giunzione p-n, dopo una prima ricombinazione di lacune ed elettroni, si crea una barriera di potenziale che impedisce che la ricombinazione prosegua e mantiene le lacune del lato p separate dagli elettroni del lato n. Dopo un primissimo transitorio quindi, tutti i processi si arrestano ed il flusso di carica (corrente) si arresta. In elettronica occorre polarizzare il diodo per ripristinare la conduzione (polarizzazione diretta), forzando la barriera di potenziale a ridursi sotto l effetto di una tensione applicata da un generatore. In un modulo fotovoltaico, si lascia ai fotoni, alle luce, il compito di energizzare sufficientemente gli elettroni perché possano passare dalla banda di valenza a quella di conduzione (energy gap = 1,1 ev). Per ogni fotone assorbito dal fotodiodo si genera una quindi coppia elettrone-lacuna e, sotto l effetto del campo inverso, ogni carica viene accelerata verso un differente lato del fotodiodo. 9

10 Effetto fotoelettrico - Limiti Le scarse efficienze dei moduli FV non sono legate a grandi perdite di conversione (in linea con gli standard dei dispositivi elettronici oggi in commercio) ma a limiti fisici intrinseci della conversione fotoelettrica. Nota: Il 32% dell energia della radiazione è in eccesso, superiore all energy gap, e viene perciò dissipata sotto forma di calore, con il risultato di scaldare il modulo e degradarne le prestazioni. Materiali per il fotovoltaico Le celle fotovoltaiche, che operano la conversione energetica, possono essere realizzate con materiali differenti. Principalmente si realizzano in silicio cristallino (80% del mercato globale) ma la ricerca si sta indirizzando verso nuovi materiali (p.e. tellururo di cadmio, CdTe). Monocristallino, più costoso e performante, occupa un po meno spazio e funziona bene con la radiazione diretta. Policristallino, più economico, ha prestazioni un po peggiori del mono- ma sta migliorando notevolmente. 10

11 Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico Silicio amorfo, rendimenti più bassi, richiede spazi maggiori del mono- e poli- cristallino, ma lavora bene con la luce diffusa e costa poco Tellururo di cadmio: sono un incognita perché a fronte di prezzi molto bassi (circa la metà del Si) contengono Cadmio e Tellurio, scarti molto tossici Nel mondo è First Solar ad aver scommesso sulla tecnologia CdTe, scommessa rischiosa e probabilmente poco green, a cui molti guardano con perplessità. In realtà la compagnia difende la propria scelta, rivendicando il fatto che produrre energia solare a basso costo sia di fatto un atto a favore dell ambiente e che i moduli al tellururo di cadmio non siano poi così pericolosi. In Italia Conergy rivende i moduli di First Solar, con qualche avvertenza 11

12 Rendimenti dei moduli I rendimenti sono calcolati in condizioni standard (irradianza 1000 W/m2, radiazione fuori dall atmosfera, temperatura 25 gradi) condizioni ideali è forse il termine corretto. Un modulo lavora spesso a gradi (in estate ambiente + T), invecchia anno dopo anno (-1% kwp ogni anno), risente delle condizioni meteorologiche e dello sporco (polvere, escrementi, depositi etc.) 12

13 Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico Un impianto fotovoltaico è tipicamente composto dai pannelli, dalle protezioni conto i guasti elettrici, dagli inverter, da due contatori (uno dell energia erogata, l altro di quella assorbita) e dall utilizzatore (p.e. casa monofamiliare). Il prezzo per impianti chiavi in mano decresce al crescere della taglia (un impianto più piccolo, in proporzione, costa più di uno grosso). Generale: /kwp Impianto domestico 3 kwp: 10/ Impianto per azienda 20 kwp: 60/ Ovviamente dipende dall azienda, dai materiali che usa, dai moduli e dagli inverter che installa etc. Suddivisione dei costi I moduli sono la principale voce di spesa, ma anche gli inverter sono dispositivi costosi (e con vita = anni); Inoltre occorre considerare il lavoro di tecnici e specialisti che sta dietro la progettazione (manodopera). Il costo dell energia generata varia moltissimo con le caratteristiche dell impianto (materiali, moduli, installazione, posizione geografica, presenza di ostacoli etc.) ma si aggira comunque sui cent/kwh da qui la necessità degli incentivi! 13

14 Incentivi Esistono due sistemi di gestione ed incentivazione della produzione per chi installa un impianto FV. Entrambi sono legati alla produzione effettiva di energia (nessun vincolo sulla destinazione) e non sulla potenza installata, sull investimento economico o altro. Il principio alla base è il seguente. Dal momento che con un impianto FV non puoi generare energia convenientemente (25-45 cent/kwh, converrebbe comprare energia dalla rete) per ogni singolo kwh che produci ti riconosco un indennizzo affinché il kwh da FV diventi conveniente e tu possa rientrare, con un giusto margine, sull investimento realizzato nell arco della vita del tuo impianto. Il Conto Energia riconosce un incentivo su ogni kwh generato da fotovoltaico (o solare termodinamico) per 20 (25) anni. Quarto conto energia Primo conto energia; Secondo conto energia; Terzo conto energia; Quarto (e ultimo) conto energia. Alcuni esempi ( ): Impianti su edifici, 1-3 kwp, Gen-2012: 0,274 /kwh Impianto su edifici, 3-20 kwp, Gen-2012: 0,247 /kwh Impianto su edifici, kwp, Gen-2012: 0,233 /kwh Impianto su edifici, kwp, Gen-2012: 0,224 /kwh Solare a concentrazione, kwp, Gen-2012: 0,352 /kwh 14

15 Scambio sul posto e Ritiro dedicato Scambio sul posto E il primo dei due meccanismi di gestione dell elettricità prodotta da un impianto FV. Permette al proprietario di un impianto di utilizzare sul momento l energia prodotta e di immettere in rete quella non consumata (che non viene così persa, ma viene distribuita nella rete elettrica). Il sistema ha memoria dell elettricità immessa e non consumata e permette di recuperarla successivamente. Viene cioè monitorata l energia immessa in rete e quella prelevata, e l utente è chiamato a pagare in bolletta solo il saldo finale, ovvero: Energia presa dalla rete Energia immessa in rete Saldo che può essere positivo (pago al mio fornitore l energia consumata in più ), negativo (ricevo una serie di bonus dal fornitore, che mi è debitore di energia) o nullo (ho immesso la stessa energia che poi ho riutilizzato e non pago nulla sulla quota energia tasse e altre voci, sì che le pago!). 15

16 Ritiro dedicato È una modalità semplificata di vendita dell energia prodotta da fonte rinnovabile per chi non è interessato all autoconsumo ma alla sola produzione. Invece che ricorrere a contratti con privati o alla contrattazione in borsa (mercato elettrico) si può vendere direttamente la produzione al GSE, che deve acquistarla ad un certo prezzo stabilito dall AEEG. Che prezzo però? Per impianti solari FV fino ad 1 MW ( m2) si va dagli 8 ai 10 centesimi di euro per kwh (prezzi minimi 2012), per i produttori più grandi si va dai 6 agli 11 cent/kwh (prezzi zonali medi). Tutti i documenti e le schede tecniche, i manuali e le guide, sono disponibili sul sito del Gestore dei Servizi Energetici (GSE), Prezzi dell en elettrica In questo corso non abbiamo visto quasi nulla di mercato elettrico, ma tenete sempre bene a mente che il prezzo dell energia elettrica (euro/mwh) si forma all interno di un mercato libero e concorrenziale, attraverso meccanismi di contrattazione in borsa. La formazione del prezzo dipende da un numero enorme di variabili: centrali utilizzate per produrre energia, prezzi del combustibile, zona di produzione, giorno della settimana, fascia oraria di produzione etc. L energia prodotta per i picchi di domanda costa molto di più di quella prodotta durante le valli o di notte. Prezzi medi zonali GSE Seminario di Energetica ITIS G. Marconi (Verona) dott. Riccardo Maistrello 16

17 Prezzi di vendita ai consumatori finali (AEEG, 2012) Costi di rete e di misura Oneri generali di sistema cent /k Wh perc. su tot. 2,6 14 2,3 13 Imposte 2,4 13 PED (energia + dispacciamento + perequazione) 9,2 53 Commercializzaz. 0,8 4 Totale al lordo delle imposte 17,3 100 Prezzi dell en elettrica per gli utenti finali (maggior tutela AEEG) A) Abitazione di residenza anagrafica con potenza impegnata fino a 3 kw Servizi di vendita TOTALE Servizi Oneri Monorario Biorario di rete generali Monorario Biorario Quota energia ( /kwh) fascia unica fascia F1 fascia F23 fascia unica fascia unica fascia unica fascia F1 fascia F23 kwh/anno: da 0 a da 1801 a da 2641 a da Quota fissa ( /anno) Quota potenza ( /kw/anno)

18 Istruzioni per lo studio personale Studiare questa presentazione. Sul blog del corso saranno pubblicati numerosi materiali di approfondimento e i siti di GSE e AEEG sono vere miniere d oro (informazioni tecniche, commerciali, normative). Non c è nessuna esercitazione per il prossimo incontro, che sarà dedicato all esame finale (inizio h 13.30). Avete 15 giorni per guardarvi con calma le presentazioni utilizzate in classe e dare un occhiata ai materiali pubblicati sul blog. Buon lavoro! (temi d esame tipo sono disponibili sul blog) Per ogni dubbio, domanda o segnalazione, scrivete a: riccardomaistrello@gmail.com 18