Fotovoltaico: fisica e tecnologia

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1 Fotovoltaico: fisica e tecnologia Lucio Claudio Andreani Dipartimento di Fisica Alessandro Volta, Università degli Studi di Pavia Corso INFN-UNIPV sull energia, Pavia, 15/11/2011 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 1

2 OUTLINE 1. Physics of solar cells, efficiency limits 2. Photovoltaic technologies: an overview 3. Energy production: the challenge Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 2

3 Semiconduttori: struttura cristallina Tavola periodica Cella elementare (Si) III IV V VI 5 B 6 C 7 N 8 O IB IIB 13 Al 14 Si 15 P 16 S 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po I semiconduttori (monoatomici gruppo IV, binari III-V e II-VI) sono caratterizzati da un gap di energia piccolo, generalmente < 4 ev. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 3

4 Processes in a two-band photoconverter hν>e g : absorption emission E g hν<e g 1) Absorption: photons with E>E g can promote the electron to the conduction band, creating an electron-hole pair. 2) Relaxation: any excess energy is quickly lost as heat as the carriers relax to the band edges. An absorbed photon with E»E g achieves the same result as a photon with energy E=E g. 3) Emission: The electron-hole pair recombines and produces a photon. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 4

5 Absorption coefficient: direct vs. indirect band gap Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 5

6 Photovoltaic cells: p-n junctions Photovoltaic conversion of solar energy relies on absorption of light and charge separation in semiconductor p-n junctions. Other photovoltaic devices, known as photoelectrochemical cells, do not rely on a p-n junction. Examples are dye-sensitized solar cells. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 6

7 I-V characteristics and equivalent circuit Short-circuit current Open-circuit voltage p n J sc J dark V + Superposition approximation: net current = short-circuit photocurrent minus diode dark current ev J ( V ) = Jsc Jdark = Jsc J0 exp 1 kt Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 7

8 Maximum power point and cell efficiency Power density reaches a maximum at a bias V m. The maximum power density J m V m is given by the area of the inner rectangle. The outer rectangle has area J sc V oc. The fill factor is defined as FF= J m V m /(J sc V oc ). Cell efficiency η = Power density delivered at operating point Incident power density η = J V P m s m = J J m sc V V m oc J V P sc s oc = FF J V P sc s oc Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 8

9 Solar radiation spectrum : AM0 : AM1.5 The Sun surface emits a blackbody spectrum at T s =5760 K. On top of the Earth s athmosphere (AM0 solar spectrum) the maximum irradiance is 1353 W/m 2. On the ground (AM1.5 spectrum) the maximum irradiance is 900 W/m 2. The standard AM1.5 spectrum is normalized to 1000 W/m 2. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 9

10 Solar irradiance n.b. a year has =8760 hours Standard irradiance 1000 W/m 2 would give 8760 kwh/m 2 /year 1752 kwh/m 2 /year= 1752 kwh/m 2 /(8760 h) 200 W/m 2 (power density) This is the power averaged over day/night and seasons Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 10

11 Detailed balance limit to efficiency of single-junction photovoltaic cells Limiting efficiency as a function of band gap for the Air Mass 1.5 solar spectrum, and the band gaps of some common photovoltaic materials. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 11

12 Efficiency: available power Power spectrum of a black-body sun at 5760 K, and power available to the optimum band gap cell. Maximum theoretical limit of efficiency (ideal cells) follows from: lack of absorption below the gap energy relaxation of carriers a photon with hv>e g is used at energy E g part of the absorbed energy is lost by radiative recombination Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 12

13 Limiting efficiencies and possible implementation strategies concentration no concentration Multijunction limit M. A. Green, Third Generation Photovoltaics (Springer, Berlin, 2003) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 13

14 Outline Physics of solar cells, efficiency limits Photovoltaic technologies: an overview Energy production: the challenge Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 14

15 Evolution of solar cells 1 st generation: single p-n junction wafer cells based on crystalline silicon (c-si) or poly-crystalline Si, c-gaas, c-inp Represent the dominant part of the market 2 nd generation: thin-film technologies to reduce cost of substrate and of photoactive material, as well as processing costs (with reduction of efficiency). Examples: amorphous Si, micromorph tandem Si, CdTe, CuInGaSe 2 (CIGS) Are reaching technological maturity and are increasing rapidly their market share 3 rd generation: cells with multiple energy levels and/or with solutions that allow to increase the efficiency beyond the theoretical limit for a single energy gap (e.g. concentration). Have potentially higher efficiency, but have still to enter the market and to demonstrate real advantages Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 15

16 Layer structure of basic silicon PV cell Typical layer thicknesses: n-type emitter 0.5 µm p-type base 300 µm Layer thicknesses and doping level are optimized in order to maximize light absorption and carrier collection. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 16

17 Industrial chain of silicon solar cells Raw material Ingot Ingot squaring Wafer slicing System Module Cell Wafer Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 17

18 Silicon photovoltaic cells (wafer) Mono-crystalline silicon Poly-crystalline silicon (or multi-crystalline) Typical conversion efficiencies: cells 18-20%, modules 12-18%. Indirect band-gap material thick silicon layers ( micron). Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 18

19 Increasing the efficiency: concentration to be combined with high-efficiency cell Tracking system Limiting efficiency for an ideal solar cell in AM 1.5 with concentration factor X=1000 and X=1 Multijunction cells become cost effective with concentration CPV Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 19

20 Multijunction/tandem cells CPV Simplified scheme of a 3-junction cell. The gap of each junction decreases from back to rear. Record efficiency: 418x (Solar Junction, April 2011) Installed capacity (2010): MW Need of lattice-matched c-ge substrate high cost (100x) becomes effective at high concentration Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 20

21 Concentration + spectral separation Technological routes for improving CPV: Increase number of junctions (up to 6J) Material properties, deposition, substrates, Spectral separation: optics, engineering Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 21

22 Thermodynamic or concentrated solar power (CSP) Tube systems parabolic geometry, uniaxial tracking. Tower systems biaxial tracking. Solar Two (CA, U.S.A.) A thermodynamic solar system is based on mirror collectors that concentrate solar radiation on a receiver placed in the optical focus. The receiver contains a fluid (mineral oil, liquid salts: NaNO 3, KNO 3 ) that is heated at high temperatures ( C). The fluid is carried through a heat engine (steam turbine) that converts heat to electrical energy. Installed capacity (May 2010): 867 MW (JRC Renew. En. Snapshots 2010) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 22

23 Thin-film photovoltaic cells Amorphous silicon CdTe CIGS CuInGaSe 2 AR coat TCO AR coat 300 nm nm n-cds 3-5 µm p-cdte 1.5 µm ZnO µm µm p-cuingase p-cdte 2 Trasparent conductor: Indium Tin Oxide (ITO) or Zinc Oxide Module efficiency ~ 8% (a-si/µc-si: 10%) passivation layer metal Mo contact glass Module efficiency ~ 10% Module efficiency ~ 12% a-si a-si/nc-si on steel CdTe CIGS on Al All these materials have direct band gap thin layers are sufficient Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 23

24 World-wide PV Production 2009 and planned production capacity increases Source: JRC EU PV report 2010 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 24

25 Thin-film solar PV technologies Market shares 2010 [Poli-Mi, Dip. Ingegneria Gestionale, Solar Energy Report 2011] Actual and planned PV production capacities [JRC EU PV report 2010] Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 25

26 Multijunction silicon solar cells a-si:h / µc-si:h tandem cell: micromorph Record efficiency: 11.9% (Oerlikon, 2011) for large-area modules Trend towards: 3J, 4J, 5J a-si:h HybridNano technology: nc-si layers Record efficiency of a-si/nc-si/nc-si triple junctions: 12.5% (United Solar, 2011) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 26

27 Roll-to-roll production Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 27

28 Rome Trade Fair (fiera di Roma) 1.5 MWp PV system with triple-junction thin-film Si technology Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 28

29 Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC). also known as photo-electrochemical or Grätzel cells (1991) Efficiency: 6-11% Advantage: very low cost (organic materials, simple preparation) Disadvantage: stability DSSC cells are just starting to enter the market very interesting prospects Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 29

30 Best research- cell efficiencies Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 30

31 Nanotecnologies for photovoltaics Goal: to increase the efficiency of thin-film solar cells, towards or beyond the Shockley-Queisser limit. To this purpose, quantum confinement effects in semiconductor nanostructures (quantum wells, wires, dots) are employed to develop third-generation photovoltaic cells: 1) Use the region hν<e g of the solar spectrum: 1a) Intermediate-band level 1b) Up-conversion 2) Improve the use of the spectral region with hν>e g : 2a) Multiple-exciton generation 2b) Hot-carrier solar cells 2c) Down-conversion 3) Other optical effects for light harvesting: 3a) Reduce reflectivity (silicon nanowires, black silicon) 3b) Increase absorption by exploiting photonic/plasmonic resonances 3c) Nanoantennas (nanocrystals, dendrimers, biomolecules, ) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 31

32 Outline Physics of solar cells, efficiency limits Photovoltaic technologies: an overview Energy production: the challenge Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 32

33 Energy resources: the potential Global energy demand 2006 Solar Coal Gas Oil Wind Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 33

34 Generazione di energia elettrica, 2006 All data in TWh World* EU* Italy** Coal Oil Gas Nuclear Hydro Renewables (excl. hydro) Biomass and waste Wind Geothermal Solar 4 2 <0.1 Total Energy/person/day (kwh) *IEA World Energy Outlook, 2008 **Elab. Terna+GSE Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 34

35 Unione Europea: la direttiva Il Parlamento Europeo ha approvato a fine 2008 il pacchetto clima-energia volto a conseguire gli obiettivi che l'ue si è fissata per il 2020: ridurre del 20% le emissioni di gas a effetto serra (rispetto al 1990); portare al 20% il risparmio energetico; aumentare al 20% il consumo di energia da fonti rinnovabili (per l Italia l obiettivo nazionale è del 17%) rispetto all energia primaria. Il pacchetto comprende provvedimenti sul sistema di scambio di quote di emissione e sui limiti alle emissioni delle automobili. Considerando i consumi di energia dei 4 settori (industria, trasporto, riscaldamento, elettricità), la produzione di energia elettrica dovrà provenire per almeno il 35-40% da fonti rinnovabili. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 35

36 Radianza e irraggiamento medio Radianza alla sommità dell atmosfera terrestre: 1353 W/m 2 Massima radianza sulla Terra per lo spettro AM1.5: 900 W/m 2 Lo spettro AM1.5 è convenzionalmente normalizzato a 1000 W/m 2 Irraggiamento medio (variazioni giornaliere e stagionali): W/m 2 Per calcolare l irraggiamento annuo: un anno ha =8760 ore 1 y = 8760 h Una radianza di 1000 W/m 2 corrisponderebbe a 8760 kwh/m 2 /y Una radianza media di 200 W/m 2 corrisponde a 1752 kwh/m 2 /y Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 36

37 Annual solar irradiation (Italy) Milano: 1376 kwh/m 2 /y Roma: 1522 kwh/m 2 /y Trapani: 1639 kwh/m 2 /y See Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 37

38 Potenza installata La potenza installata, misurata in Wp (Watt-picco), rappresenta la potenza prodotta dai moduli fotovoltaici sotto condizioni standard di illuminazione: spettro AM 1.5, radianza 1000 W/m 2, T=25 C. Ad esempio, 1 kwp (o 1 kw installato) produce un kilo-watt di potenza quando le celle sono illuminate con spettro AM 1.5 di radianza totale 1000 W/m 2. La potenza installata dipende dall efficienza della cella: ad esempio, 1m 2 di celle con efficienza 12.5% produce 125 Watt in condizioni standard di illuminazione ed equivale a 125 Wp installati. Con questa efficienza, un 1 kwp richiede 8 m 2 di celle. La potenza installata non dipende dall irraggiamento (e quindi dalla posizione geografica) e non tiene conto dell effetto di intermittenza della radiazione solare. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 38

39 Energia prodotta L energia prodotta da un impianto fotovoltaico dipende non solo dalla potenza installata ma anche da una serie di fattori: 1. L orientazione dei moduli rispetto al sole. Nell emisfero boreale l orientazione ottimale è a sud. 2. L angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale: l angolo ottimale dipende dalla latitudine, in Europa è fra 30 e 37 gradi. 3. L eventuale ombreggiamento dell impianto, anche solo in certe ore del giorno. 4. L irraggiamento medio sul sito, ossia gli effetti di intermittenza. Nel seguito assumiamo condizioni ottimali per quanto riguarda i punti 1-3 ed esaminiamo l effetto dell irraggiamento medio. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 39

40 Energia prodotta - esempio Quanta energia produce un impianto da 1 kwp in un anno? Radianza (W/m 2 ) Irraggiamento annuo (kwh/m 2 ) Energia prodotta (kwh) Spettro standard Milano (media) Trapani (media) Un impianto da 1 kwp produce in un anno una energia pari all irraggiamento totale, espresso in kwh/m 2 /y. Questo numero si riferisce all uscita dai moduli in corrente continua. L energia in corrente alternata è ottenuta moltiplicando per l efficienza complessiva del sistema, in genere fra 0.75 e 0.85 (collegamenti, inverter, : si parla di BOS-Balance of System). Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 40

41 Potenza installata ed energia prodotta: Italia In sostanza, 1 kwp produce circa: 1032 kwh all anno a Milano ( kwh/y) 1229 kwh all anno a Trapani ( kwh/y) In Italia, gli impianti fotovoltaici installati e connessi alla rete (grid-connected) hanno raggiunto la capacità complessiva di MWp (quasi 12 GWp) al 12 novembre 2011 (vedi il sito del gestore elettrico nazionale: Pertanto, il fotovoltaico attualmente installato in Italia può produrre in un anno una energia dell ordine di 13 TWh. Questo valore rappresenta circa il 4% dell energia elettrica consumata annualmente in Italia ( 320 TWh). Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 41

42 Energy payback time Energy payback times for range of PV systems (rooftop system, irrad resp kwh/m2/year). Source: EPIA (2010) Il payback time energetico è il tempo in cui una cella solare produce una energia pari a quella spesa per la sua costruzione. È compreso fra 0.8 e 3.5 anni, a seconda della tecnologia e dell irraggiamento. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 42

43 Resa energetica Poiché la durata di un impianto fotovoltaico è di almeno 25 anni, la resa energetica ossia il rapporto fra l energia prodotta complessivamente dalla cella e l energia spesa per costruirla è data da: Resa energetica > 25 / payback time (years) Ad esempio, per una cella di silicio multicristallino, la resa energetica è circa 8 nel Nord-Europa e circa 14 nel Sud-Europa. Per una cella a film sottile, la resa energetica è circa 17 nel Nord-Europa e circa 28 nel Sud-Europa. una cella fotovoltaica produce molta più energia di quella spesa per la sua costruzione Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 43

44 Impatto ambientale: gas serra (EPIA 2010) Greenhouse gases (grams of CO 2 -equivalent per kwh) Photovoltaics Le emissioni di gas serra associate ad una cella solare sono legate principalmente all energia spesa nei processi per la sua fabbricazione, e sono ridotte rispetto alla stessa energia prodotta da combustibili fossili di un rapporto pari alla resa energetica della cella stessa. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 44

45 Photovoltaics: the Tera-Watt challenge The annual consumption of electrical energy in the world is ~ TWh. In order for PV to give an appreciable contribution, several installed TW are required. Installing 1 TW of photovoltaic power (contributing 5% of electrical energy production) requires approximately c-si: t of solar-grade silicon annual production t thin-film Si: t of silicon CdTe: t of tellurium annual production 300 t CIGS: t of Indium annual production 500 t Possible routes for large-scale, sustainable PV: - develop multijunction silicon solar cells - develop new materials (e.g. CIGS > CZTS ) - decrease the active layer thickness without decreasing the efficiency Issue of space: to produce 100% of electrical energy, we need about km 2 or 0.8% of land (Italy), km 2 or 0.1% of land (world) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 45

46 Costs: towards grid parity Source: Stephen O Rourke/Deutsche Bank, indirect Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 46

47 Grid parity: redditività dell investimento fonte: Poli-Mi, Dip. Ingegneria Gestionale, Solar Energy Report 2009 Impianto da 3 kw Impianto da 200 kw, scambio sul posto Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 47

48 Conclusioni Il fotovoltaico è caratterizzato dall esistenza di diverse tecnologie: Silicio cristallino e policristallino Film sottili (a-si, CdTE, CIGS, tandem a-si/µm-si e nc-si Multigiunzioni III-V con concentrazione Celle DSSC, celle solari organiche. Uno dei suoi punti di forza è costituito dalla competizione di diverse tecnologie sul mercato, assieme alla possibilità di installare sistemi di taglia molto diversa (1-3 kw fino a MW). Il potenziale dell energia solare è molto superiore ai consumi. L impatto ambientale (produzione di gas serra) è molto inferiore a quello dei combustibili fossili. Lo sviluppo del fotovoltaico è attualmente limitato dai costi, con necessità di incentivi. La grid parity potrebbe essere raggiunta fra pochi anni. In prospettiva, l uso dello spazio e la disponibilità di materiali (almeno per certe tecnologie) potranno diventare fattori rilevanti. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 48

49 Fonti International Energy Agency [1] European Commission Energy [2] Eur. Comm., Joint Research Center [3] European PV Industry Association [4] Dip. Ingegneria Gestionale, Poli-MI [5] Min. Sviluppo Economico [6] Gestore Elettrico Nazionale Irraggiamento comuni italiani U.S. DOE, Nat. Renew. Energy Lab. [1] IEA World Energy Outlook 2008 [2] ITALIA Scheda descrittiva Combinazione energetica [3] EC JRC PV Status Report 2010 [4] EPIA Set for 2020 report [5] Solar Energy Reports 2009, 2011 [6] Decreto Interministeriale sugli incentivi al fotovoltaico, 5 maggio 2011 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 49

50 Costi del fotovoltaico: la grid parity La grid parity è un insieme di condizioni economiche caratterizzate dalla coincidenza del costo del Kilowattora di energia prodotta dal fotovoltaico, in assenza di incentivi, con il costo del Kilowattora prodotto da fonti convenzionali. La grid parity dipende dal costo dell energia fotovoltaica (irraggiamento annuo, efficienza dei moduli e costo/m 2, efficienza complessiva, extra-costi) e dal costo dell energia convenzionale (mercato energetico globale e nazionale, tipo di utente, fasce orarie ). Nel valutare i dati da varie fonti occorre fare attenzione alla distinzione fra costo (di produzione) e prezzo (di vendita): bisogna confrontare costo costo o prezzo prezzo. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 50

51 Prezzo dei moduli PV di c-si fonte: Poli-Mi, Dip. Ingegneria Gestionale, Solar Energy Report Il costo del modulo incide per il 40% del costo totale dell impianto 1.6 /W (modulo) corrisponde a 4000 /kw (impianto) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 51

52 Quanto costa 1 kwh di energia fotovoltaica? Assumiamo: costo impianto = / kwp: equivalente a 750/m 2 con efficienza del 12.5%, ovvero 8 m 2 per 1 kwp irraggiamento annuo 1600 kwh/m 2 (Sardegna) fattore di efficienza complessiva 0.75 (BOS-Balance of System) durata impianto 25 anni Un impianto da 1 kwp produce quindi kwh= kwh nel suo ciclo complessivo. Il costo di 1 kwh è: 6000 / kwh=0.2 /kwh N.b. il costo dell impianto è un po sovrastimato. D altra parte non stiamo tenendo conto di: manutenzione, assicurazione, cali di efficienza (costo +20% in tutto). I due effetti tendono a compensarsi. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 52

53 Dipendenza dal sito Sud Italia Nord Italia Sud Germania Nord Germania Irraggiamento annuo (kwh/m 2 ) ~ 1600 ~ 1400 ~ 1200 ~ 1000 Costo per kwh ( ) Il costo dell energia fotovoltaica dipende fortemente dal costo per kw installato (ovvero dall efficienza dei moduli e dal prezzo), ed inoltre dall irraggiamento annuo che varia a seconda del sito di installazione. I VALORI QUI RIPORTATI SONO STIME, ASSAI DISCUTIBILI. Invece sono certamente validi gli andamenti in funzione del sito. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 53

54 Costo e prezzo Attenzione, questi valori vanno confrontanti non con il costo di produzione dell energia elettrica (circa 0.06 /kwh con centrali a turbo-gas) ma con il prezzo di vendita sul mercato. Il prezzo del kwh in Italia per clienti residenziali varia da circa 0.10 a 0.18 /kwh. Questi calcoli dipendono molto dalle ipotesi di partenza e sono discutibili. Tuttavia permettono di arrivare a due conclusioni: Attualmente l energia solare fotovoltaica ha in media un costo decisamente superiore a quello dell energia elettrica da rete (grid electricity): il mercato del fotovoltaico si sostiene grazie agli incentivi nei vari Paesi. Nelle regioni più soleggiate (sud-europa), la parità dei costi non è lontana. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 54

55 PV module price experience curve since 1976 ($/W) (fonte: EPIA Set for 2020) Curva di apprendimento: il costo dei moduli si riduce del 22% ogni volta che la produzione complessiva raddoppia. Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 55

56 Cumulative installed PV capacity in EU 27 & world MW The annual growth rate is between 24% and 39%. Source: EPIA Set for 2020 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 56

57 Verso il 2020 Se i costi dell energia fotovoltaica continueranno a ridursi seguendo la curva di apprendimento storica, un tasso di crescita annuo del 26% (tempo di raddoppio ogni 3 anni) implica una riduzione dei costi del 7% all anno il costo del kwh solare si ridurrebbe di quasi un fattore 2 in 10 anni. In questo scenario, il costo dell energia solare diventerebbe competitivo con quello dell energia elettrica da rete in buona parte dell Europa, permettendo una ulteriore crescita del mercato in assenza di incentivi. La grid parity può essere vicina Grid parity may be approaching Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 57

58 Il decreto sugli incentivi al fotovoltaico (4 conto energia) Ministeri dello Sviluppo Economico e dell Ambiente, 5 maggio 2011 Obiettivi: incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici (tradizionali, a concentrazione, integrati) Allineamento graduale delle tariffe ai costi delle tecnologie, in linea con altri paesi EU (Germania), dando stabilità e certezze al mercato Incentivi a scalare (décalage), giugno 2011-dicembre 2016 Differenziati per potenza degli impianti (da 1 a 3 kw fino a > 5 MW). Ulteriori incentivi per impianti con tecnologia UE. Obiettivi annuali di potenza installata, ulteriore riduzione degli incentivi in caso di superamento. Costo annuo cumulato a regime: 6-7 G (~0.02 /kwh in bolletta) Obiettivo nazionale per il 2016: potenza installata 23 GW (~42% potenza di picco, ~9% energia prodotta) Previsione di raggiungimento della grid parity nel 2017 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 58

59 Incentivi: il décalage Ministeri dello Sviluppo Economico e dell Ambiente, 5 maggio 2011 Tariffa ( /kwh) kW < P < 3kW 3kW < P < 20 kw 20 kw < P < 200 kw 200 kw < P < 1 MW 1 MW < P < 5 MW 5 MW < P 0.05 autoconsumo Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 59

60 Conclusioni: gli andamenti Il mercato del solare fotovoltaico cresce a ritmi molto sostenuti con una parallela riduzione dei costi, in particolare nel film sottile. Entro il 2020 l energia prodotta dal fotovoltaico potrebbe dare un contributo significativo all energia elettrica prodotta in Europa (6-12%) e U.S.A. Entro il 2020 la grid parity potrebbe essere raggiunta nella maggior parte dell Europa e degli USA, permettendo una ulteriore crescita del mercato in assenza di incentivi. Questo scenario è possibile (non vi sono limiti fisici) ma richiede forte sostegno politico e sociale, con scelte appropriate, incentivi ben calibrati volti alla riduzione dei costi, e uso degli spazi potenziali. I prossimi 5-10 anni saranno decisivi. Target italiani: 23 GW (9% energia elettrica) nel 2017, grid parity Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 60

61 Energy payback time Fonte: U.S. Department of Energy (DOE), N.b. report=2004, current=2000, anticipated ~ 2010 Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 61

62 Life-cycle analysis: energy payback time and GHG emission Si PV cells, rooftoop installations in southern Europe 1700 kwh/m 2 /y irradiance, BOS factor=0.75 V. Fthenakis et al., Proc. 24th Eur. PV Energy Conference, Hamburg (2009), p See also: V. Fthenakis, E. Alsema, Progr. Photovolt: Res. Appl. 14, 275 (2006) ExternE projects and reports for EU: (2003, based on <2000 data) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 62

63 Life-cycle analysis: Energy payback time, GHG emission CdTe PV cells, ground installations in southern Europe 1700 kwh/m 2 /y irradiance, BOS factor=0.8 V. Fthenakis et al., Proc. 24th Eur. PV Energy Conference, Hamburg (2009), p See also: V. Fthenakis, E. Alsema, Progr. Photovolt: Res. Appl. 14, 275 (2006) ExternE projects and reports for EU: (2003, based on <2000 data) Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 63

64 Electrical energy generation by PV solar: how much surface is needed? (Italy) Hyp: Total annual irradiation = 1400 kwh/m 2 PV module efficiency=12.5% annual energy consumption (2004)=321 TWh= kwh Balance of System loss factor = 0.75 In 1 m 2 of PV panels we produce kwh/year To produce 321 TWh we need m 2 =2 440 km 2 The surface of Italy is km 2 we need to use the 0.8% of Italy s surface Available surface: roofs and facades 1000 km 2 uncultivated or low-yield land (grassland) km 2 we need to use part of rooftop and 3-4% of uncultivated land Fotovoltaico 15/11/ Lucio Andreani - Dipartimento di Fisica "A. Volta" - Università di Pavia 64