La ricerca eni sull energia solare

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1 La ricerca eni sull energia solare Roberto Fusco Istituto eni Donegani Novara 16 Workshop T.A.C.E.C.: Efficienza Energetica e Tecnologie Chimiche nelle Produzioni Elettriche e Energetiche Milano, 23/05/2013

2 Outline L energia solare Le attività di ricerca dell eni sull energia solare Solare termodinamico a concentrazione Concentratori solari luminescenti Celle polimeriche Celle ibride Scissione fotoelettrochimica dell acqua

3 Fonti di energia rinnovabile: disponibilità Idroelettrica Geotermica Solare Vento Consumo globale

4 Distribuzione dell energia solare nel mondo Valori di picco: da 500 a 2200 kwh/m 2 Valori medi annui: da 40 a 400 kwh/m 2

5 Problemi dello sfruttamento dell energia solare diffusa intermittente deve essere trasformata e accumulata per essere utilizzata: queste trasformazioni implicano notevoli perdite!

6 R&D eni sull energia solare Energia solare Solare termodinamico a concentrazione Concentrazione Concentratori Solari Luminescenti Celle solari ibride Conversione Celle solari polimeriche Stoccaggio H 2 da H 2 O per scissione fotoelettrochimica

7 Solare termodinamico a concentrazione CSP

8 CSP (Concentrating Solar Power) Obiettivi: 1) concentrazione della radiazione solare 2) conversione in energia termica ad alta temperatura 3) conversione in energia meccanica e quindi elettrica Diverse tecnologie: Collettori parabolici lineari Collettori lineari Fresnel Sistemi a torre Dischi parabolici

9 CSP (Concentrating Solar Power) Attività in corso presso l Istituto eni Donegani: sviluppo di componenti originali: - studio di coating selettivi per tubi ricevitori che permettano di aumentare la temperatura di lavoro (550 C) utilizzando materiali ad elevata resistenza termica e bassa emissività (collaborazione con VeTec) - fluidi termovettori a basso costo che permettano di aumentare la temperatura di lavoro fino a 550 C e con punto di fusione inferiore a 130 C - collettore parabolico a basso costo (collaborazione con MIT) realizzazione impianto pilota a collettori parabolici lineari come unità di testing 3 brevetti Impianto SEGS (California)

10 Concentratori Solari Luminescenti (LSC)

11 I concentratori solari luminescenti (LSC) RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE LASTRA FOTOATTIVA Lastra trasparente contenente molecole fluorescenti originali eni che assorbono luce solare UV-VIS e la convertono in radiazione compresa in un intervallo spettrale dove le celle FV hanno i rendimenti più elevati UV VIS IR IR PROPAGAZIONE GUIDATA la radiazione convertita si propaga per effetto guida d onda nel piano della lastra fino a raggiungerne i bordi VIS IR IR CONCENTRAZIONE SU CELLE FV la radiazione assorbita dall ampia area superficiale viene così concentrata sui sottili bordi della lastra dove sono poste celle FV di piccole dimensioni RADIAZIONE TRASMESSA Sfruttando questi principi si possono ottenere lastre trasparenti fotoattive che possono essere utilizzate per realizzare finestre e pannelli colorati fotovoltaici.

12 LSC eni Vantaggi e applicazioni dei LSC 1. Concentrazione della luce solare = riduzione dei costi di investimento. 2. Concentrazione spettralmente selettiva = riduzione del surriscaldamento delle celle FV 3. Sfruttamento della radiazione diffusa = stazionamento fisso e buona efficienza anche in condizioni di cielo nuvoloso 4. Ottimizzazione dell accordo spettrale = miglior sfruttamento delle celle FV 5. Pannelli FV trasparenti 6. Pannelli FV caratterizzati da superfici curve. Potenziali applicazioni: - lastre fotovoltaiche trasparenti - pannelli fotovoltaici opachi. Questi dispositivi possono trovare ampia applicazione nel settore dell edilizia, (Building Integrated PhotoVoltaics, BIPV), per il quale si prevede un forte sviluppo nei prossimi anni.

13 I risultati della ricerca eni sulle lastre fotoattive Identificati nuovi coloranti fluorescenti a basso autoassorbimento Messi a punto sintesi e processi originali Depositate 16 domande di brevetto Realizzati prototipi di vari colori e dimensioni fino a 110 x 70 cm 2 Realizzato un impianto dimostrativo (pensilina fotovoltaica) presso la sede R&M di Roma nel novembre 2012

14 Il progetto pensilina Il 27 novembre 2012 è stato inaugurato un impianto dimostrativo basato sulla tecnologia dei LSC eni.consistente in una pensilina fotovoltaica per la ricarica di biciclette elettriche. Lo scopo è di verificare l applicabilità di questa tecnologia su scala maggiore e le prestazioni sul campo di questi dispositivi nel tempo e nelle varie condizioni di illuminazione. Sulla base dei risultati raggiunti si valuteranno le condizioni per la loro commercializzazione.

15 Possibili esempi applicativi Palazzo dei Congressi Saia Barbarese Topouzanov architectes Montréal, Québec 2003

16 Celle fotovoltaiche

17 Come funziona una cella fotovoltaica Griglia di contatto anteriore Semiconduttore n Semiconduttore p Conduttore elettrico posteriore Supporto e- e- e- e- Metallo e- e- V oc Metallo + + Semiconduttore p Semiconduttore n Donatore Accettore

18 Record di efficienza delle celle fotovoltaiche

19 Celle solari polimeriche

20 Polimeri semiconduttori I polimeri semiconduttori sono caratterizzati dalla presenza di doppi legami coniugati nella catena principale. Questo provoca un delocalizzione elettronica e una diminuzione dell energia del gap. E (ev) GAP LUMO HOMO Numero di doppi nlegami coniugati

21 Celle solari polimeriche Scopo Sviluppo di celle solari basate su composti organici e polimerici nanostrutturati Attività hν Progettazione e sintesi di materiali polimerici nanostrutturati Progettazione e assemblaggio di celle solari HOMO e - LUMO LUMO SOMO Valutazione della stabilità e della scalabilità R N N N Donatore X Anodo + - Catodo Accettore

22 Celle solari polimeriche: attività e risultati Avviata una collaborazione con il centro di eccellenza finlandese VTT (Technical Research Centre of Finland) per lo sviluppo di processi di stampa continui tipo roll-to-roll, per la realizzazione di celle fotovoltaiche polimeriche utilizzando materiali proprietari eni Realizzate le prime celle solari organiche (convenzionali e inverse) stampate su substrato flessibile e incapsulate ( sheet process ) Realizzati moduli di superficie di 225 cm 2 Realizzati dimostratori consistenti in calcolatrici portatili alimentale da moduli di 50 cm 2 Progettata linea roll to roll per la produzione di moduli flessibili 23 brevetti 27 pubblicazioni

23 Celle solari ibride: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)

24 Celle solari ibride - DSSC Supporto Elettrodo Elettrolita Colorante Scopo TiO 2 Elettrodo trasparente Vetro Sviluppo di celle solari basate su nuovi coloranti e materiali nanostrutturati Attività Rappresentano un modo per sviluppare celle FV senza silicio Ottenibili con diversi assorbimenti e colori, semplici da realizzare, a basso costo Progettazione e preparazione di nuovi coloranti, materiali, elettroliti ed elettrodi nanostrutturati Progettazione e assemblaggio di celle Valutazione della stabilità e della scalabilità

25 Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs Attività Variazione della morfologia e dll area superficiale della TiO2 Coloranti Sintesi e sviluppo di coloranti TiO 2 Elettrolita Nuove fornulazioni di elettroliti liquidi Tecniche di stampa Elettrodi Sviluppo di nuovi elettrodi 6 brevetti

26 Scissione fotoelettrochimica dell acqua

27 Scissione fotoelettrochimica dell acqua (Photosplitting) Scopo Stoccaggio dell energia solare sotto forma di idrogeno o di carburanti attraverso la reazione con CO 2 Ossidazione di inquinanti nella la depurazione delle acque Attività Sviluppo di materiali per celle fotoelettrochimiche Miglioramento dell efficienza e riduzione dei costi Progettazione di sistemi combinati e/o integrati e e O 2 e e H 2 H 2 + ½ O 2 H 2 O H 2 O Cella Photoelectrochemical fotoelettrochimica cell Stoccaggio Hydrogen dell idrogeno storage Cella a Fuel combustibile cell

28 Fotoanodi nanostrutturati WO 3 solgel nm Area max. 100 cm 2 Fe 2 O 3 + Ti spray nm Area max. 100 cm 2 TiO 2 -anodico nm Area max. 110 cm 2 WO 3 -anodico nm Area max. 50 cm 2

29 Impianti dimostrativi all aperto DEMO1 DEMO2 Basato su TiO2 Basato su WO

30 Possibili applicazioni della tecnologia del photosplitting Electricità: H 2 solare in fuelcellper generare generate electricitàoff-grid Storage energetico : accumulo come energia chimica Ambiente: trattamento photoredox di acque inquinate Carburanti: reazione di H 2 con CO 2 per produrre idrocarburi Autotrasporto: addizione di H 2 a CH 4 nei veicoli per ridurre le emissioni 30

31 Collaborazioni nazionali e internazionali Questi progetti vengono svolti anche avvalendosi di numerose collaborazioni con enti accademici e di ricerca nazionali e internazionali Grazie per l attenzione!

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