Convegno Soelia - energie rinnovabili. Le prospettive del fotovoltaico per una incidenza energetica nel nostro Paese

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1 Giuliano Martinelli Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica Convegno Soelia - energie rinnovabili Le prospettive del fotovoltaico per una incidenza energetica nel nostro Paese ARGENTA, 20 MARZO 2008

2 Laboratorio Sensori e Semiconduttori Responsabile: Giuliano Martinelli Maria Cristina Carotta, Vincenzo Guidi, Cesare Malagù, Alessio Giberti, Marco Stefancich, Donato Vincenzi, Alan Cervi, Sandro Gherardi, Elena Ferrari, Alessandro Busato, Stefano Baricordi, Andrea Mazzolari, Luciano Milano, Andrea Magnani Dipartimento di Fisica Università di Ferrara Via Saragat 1/C, Room FERRARA tel martinelli@fe.infn.it

3 CONSUMO ANNUALE DI ENERGIA ELETTRICA IN ITALIA: 330 milioni di MWh (circa MW installati)

4 PRODUZIONE ANNUALE DI POLYSILICON (FEEDSTOCK) NEL MONDO : ton CONSIDERAZIONE: Poiché con la tecnologia attuale servono 10 Ton per fabbricare 1 MW significa che se, per assurdo, si facesse solo PV (eliminando l industria elettronica!) si potrebbero ottenere 3000 MW. Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero appena 3 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe meno dell 1% del fabbisogno della sola Italia.

5 Potenza installata grazie agli incentivi statali Fonte: Solon S.p.A 83 MW installati da ottobre 2005 a marzo 2008 La grande maggioranza degli impianti è sotto i 50 kw Commento: 83 MW possono generare circa MWh ogni anno pari allo % del fabbisogno italiano

6 Per produrre 1kg di Si feedstock occorrono circa 500kWh Con la tecnologia attuale con 10kg di Si si realizza un impianto da 1kW Dunque si consumano 5000 kwh per realizzare un impianto da 1kW che ogni anno produrrebbe circa 1000 kwh ( 1000 ore efficaci ) Payback energetico del solo feedstock: 5 anni (senza includere contributi statali)

7 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)

8 Occorrono nuove tecnologie

9 Perché le celle solari a film sottili (CdTe/CdS)? Fonte: Prof. Nicola Romeo, Università di Parma Le celle solari fatte con i monocristalli (Si, GaAs) hanno raggiunto in laboratorio efficienze vicine al limite teorico I moduli al Si vengono venduti a 5 /W o più, un costo lontano dall essere competitivo con l energia elettrica ottenuta dai combustibili fossili Anche aumentando la produzione e automatizzando il processo di fabbricazione, difficilmente il costo può scendere al di sotto di 2 /W, che è ancora non competitivo La produzione di Si mono o policristallino non è, in questo momento, sufficiente a soddisfare la domanda

10 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

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

12 10 cm Esempi di concentratore solare con superfici riflettenti. (area di raccolta 2.5 m 2, fattore di concentrazione 100x)

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

14 Magic Denuded Zone: esempio di cristallo con superficie perfetta Wafer surface: location of ICs Wafer surface BAD GOOD Il problema principale del gettering dei difetti è l affidabilità e la riduzione dell impatto sulla resa di processo

15 La quantità di silicio viene effettivamente ridotta ma se l efficienza rimane la stessa difficilmente i costi dell energia prodotta tramite PV diventeranno competitivi Una possibile soluzione per aumentare l efficienza è rappresentata dalle Celle solari multigiunzione

16 Multi-giunzione in serie

17 Limiti dei sistemi con celle solari multigiunzione Grande complessità realizzativa. Se uno strato non funziona l intero dispositivo smette di produrre energia. Enorme costo e grande scarsità di materiale di substrati monocristallini Ge e GaAs (altissima concentrazione). La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore richiede l utilizzo di complessi sistemi di raffreddamento

18 Il nostro approccio: singole giunzioni in parallelo

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20 In questo modo è possibile raggiungere un coefficiente di conversione simile a quello della multigiunzione semplicemente separando la radiazione Questo sistema ha già dimostrato eccellenti potenzialità nei prototipi per applicazioni energetiche Le caratteristiche della soluzione innovativa proposta evitano la necessità di un sistema di raffreddamento attivo del ricevitore. E stata individuata una tecnica (LEPECVD) per realizzare substrati a basso costo adatti a realizzare celle ad alta efficienza (III-V) I substrati virtuali, inoltre, eliminano il problema di shortage dei monocristalli di Ge o GaAs usati attualmente come substrati nelle multigiunzioni

21 Reattore LEPECVD (Università di Ferrara) Sorgente plasma Ingresso wafer Camera di deposizione Pompa da vuoto

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23 Substrato per III-V in SiGe/Si 67 cm 2 Si 14.4 W (riflessi) 48 W (convertiti) 150x 144 W 81.6 W (calore) 10 4 cm 2 250x 250 W 40 cm 2 GaAs /SiGe 25 W (riflessi) 120 W (convertiti) 105 W (calore) 857 W Concentratore Solare Beam Split Efficienza circa 40% 250x 337 W 40 cm 2 InGaP /SiGe 33.7 W (riflessi) 158 W (convertiti) 145 W (calore)

24 Consorzio SUN to GRID Ha partecipato alla call per il Progetto di Innovazione Industriale sull Efficienza Energetica nell ambito del Disegno di Legge INDUSTRIA 2015 Progetto del Ministero dello Sviluppo Economico Il bando relativo a questa proposta è uscito il giorno 06/03/2008 ( )

25 Chi partecipa a SUN to GRID L IDEA PROGETTUALE VEDE IL COINVOLGIMENTO DETERMINANTE DEL: MONDO UNIVERSITARIO SISTEMA DELLA RICERCA SISTEMA IMPRENDITORIALE

26 Sistema Imprenditoriale STMicroelectronics ( Responsabile Proponente Principale ) ENEL PRODUZIONE ENI SYSTEM GROUP ASM-BRESCIA ARCOTRONICS INDUSTRIES DICHROIC CELL ANGELANTONI CPOWER SILMAR ELETRONICA SANTERNO M.I.W.T. HIGH TECHNOLOGY SYSTEM

27 Sviluppi auspicati E auspicabile che la grande industria associ ai progetti di ricerca esistenti, un progetto industriale mirato a fornire con tecnologie innovative adeguate un contributo energetico significativo, dell ordine del 10% del fabbisogno nazionale. In tal caso, finalmente, una proposta scaturita dalla ricerca Universitaria e Industriale sarebbe ritenuta idonea per essere riversata in un progetto industriale. La ricaduta economica sarebbe dell ordine di 7 miliardi di Euro all anno (30 milioni di MWh)