Impatto Ambientale dei Processi Produttivi Associati alle Fonti Energetiche Rinnovabili

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1 Impatto Ambientale dei Processi Produttivi Associati alle Fonti Energetiche Rinnovabili prof. ing. Alfonso Damiano Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Università degli Studi di Cagliari

2 Elementi, naturali e di origine antropica, che influiscono sul valore del radiative forcing, la scala di influenza e il level of scientific understanding LOSU. Contributo dei diversi componenti al radiative forcing (Fonte:Fourth Assessment Report Climate Change 2007

3 La causa attualmente più accreditata è quella di un innalzamento della temperatura media terrestre prodotta da un aumento della quantità di CO 2 presente nell atmosfera. Il sistema energetico è uno dei settori produttivi a cui è associata la maggior produzione di gas clima alteranti. Ricercare una via sostenibile che concili lo sviluppo economico, lo sviluppo energetico e la riduzione dei emissioni di CO 2

4 Le azioni previste a livello comunitario per il raggiungimento di un coordinato ed integrato sviluppo: Incentivazione alla produzione energetica da fonti energetiche rinnovabili; politiche di risparmio energetico; ottimizzazione di processi di produzione energetica tradizionali; potenziamento dell attività di ricerca nel settore energetico Gli obiettivi comunitari che come è ben noto sono molto ambiziosi e vincolanti: riduzione del 20% delle emissioni di CO 2 entro il 2020 rispetto ai livelli del 1990 un contributo pari al 20% della domanda di energia primaria dell Europa fornito dalle rinnovabili entro il 2020.

5 Energy Pay Back per impianti fotovoltaici (fonte DOE) Energy Pay Back: Tempo di funzionamento dell impianto necessario a produrre la stessa quantità energia utilizzata per la sua realizzazione. Consumo energetico per produrre le celle monocristalline 600 kwh/m kwh/m 2 per il policristallino.

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7 The experience curve of PV modules [ ] (Maycock and Wakefileld, 1975; Ayres, 1998; NREL 1999;Thomas, 1999; Watanabe, 1999)

8 Evoluzione della potenza PV installata MWp PV Mondiale EU * Fonte EPIA: European Photovoltaic Industry Association Analisi e prospettive di sviluppo del fotovoltaico in Sardegna Viale Colombo 2/a Cagliari 16 Apr. 2008

9 EPIA PV market scenario until 2012 Fonte EPIA: European Photovoltaic Industry Association

10 Tipologia di Celle usate Le tecnologie di produzione delle celle fotovoltaiche si dividono sostanzialmente in tre famiglie: - Silicio cristallino: che comprende il monocristallo e il policristallo. - Film sottile: l amorfo tradizionale, i sistemi eterogiunzione - Multigiunzione.

11 Catena di produzione del pannello fotovoltaico Produzione di Polysilicon di grado solare Taglio Doping Cella PV Assemblaggio celle e realizzazione del pannello

12 Fonte EPIA: European Photovoltaic Industry Association Analisi di Mercato della materia prima (polysilicon)

13 Catena di produzione del pannello fotovoltaico Distribuzione del costo del pannello PV

14 Valori attuali e attesi di produzione di Polysilicon nel mondo

15 Caratteristiche chimiche del Silicio Metallurgico Caratteristiche elettriche del Silicio per applicazioni PV Caratteristiche chimiche limite del Silicio per applicazioni PV

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18 Costo del silicio in funzione del grado di purezza (fonte DOE)

19 Schema di produzione del silicio di grado elettronico (Processo Siemens) Schema di produzione del silicio di grado elettronico (Processo Union Carbide)

20 Processo Siemens Principali Reazioni

21 Reattore Siemens Temperatura di lavoro 1100 C

22 Processo Union Carbide

23 Evoluzione Processo Union Carbide FBR

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25 Materiali necessari per la produzione di PV in kg/m 2

26 Emissioni relative al processo di produzione dei moduli PV in kg/m 2

27 Analisi Comparative delle emissioni associate alla produzione di EE di centrali a carbone e PV kg/twh e

28 TECNOLOGIA (CIS e CIGS) film sottile: CIS sta avendo un grande successo grazie agli ultimi risultati ottenuti con la ricerca sul disselenuro di rame/indio. I risultati ottenuti danno un 13-15% di rendimento su celle testate in laboratorio, mentre aggiungendo del Gallio (CIGS) questo valore, su celle di piccole dimensioni, può addirittura arrivare al 18%. Attualmente il valore su celle industriali si attesta intorno al 10-11%. Si pensa che in futuro la tecnologia CIS potrà dare risultati equiparabili a moduli di egual misura e potenza costruiti con celle in silicio cristallino, ma con costi di produzione molto minori. TECNOLOGIA Tellurio di Cadmio Il CdTe è un semiconduttore caratterizzato da una band gap diretto, pari a 1,45 ev, e il suo coefficiente di assorbimento è abbastanza alto da consentire ad uno strato di materiale spesso 1 µm di assorbire il 99% della luce visibile. Efficienza: 16,5% in laboratorio (cella solare), 9% (modulo commerciale) Obiettivo : efficienza modulo commerciale 12%

29 SILICIO AMORFO (a-si:h) La tecnologia al silicio amorfo è oggetto di numerosi investimenti in ricerca e sviluppo. E sicuramente la tecnologia meno costosa e più semplice da produrre, ma anche quella che garantisce i rendimenti più bassi: 6 8%. TECNOLOGIA SILICIO AMORFO MJ Derivata dalla tecnologia a silicio amorfo (a-si:h tradizionale) permette un maggior rendimento di funzionamento, il quale in alcuni casi arriva al 12% (triple junction). Un modulo PV di tale generazione, paragonata al silicio cristallino C-Si, anche se caratterizzato da una minor efficienza determinata in condizioni standard, a parità di potenza riesce a produrre su base annua un 10% in più di energia.

30 Multigiunzioni ad alta efficienza Nel 1999 un progetto congiunto tra Spectrolab e il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha raggiunto un record importante nelle conversione fotovoltaica, realizzando una cella solare con efficienza di conversione pari al 32,3%. Questa cella a tripla giunzione è stata costruita utilizzando tre strati di materiali semiconduttori, fosfuro di indio/gallio su arseniuro di gallio su germanio (GaInP2/GaAs/Ge). La Spectrolab e il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha dichiarato di aver raggiunto la soglia di efficienza di cella del 40%.

31 Grazie per l attenzione Prof. ing. Alfonso Damiano Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Facoltà di Ingegneria Piazza D Armi alfio@diee.unica.it