Una possibile soluzione BIPV: LA PIASTRELLA CERAMICA CON CELLE FOTOVOLTAICHE A FILM SOTTILE

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1 Convegno: FOTOVOLTAICO INTEGRATO NELL EDILIZIA BIPV Building Integrated PhotoVoltaics Baggiovara (MO)10 Marzo 2011 Una possibile soluzione BIPV: LA PIASTRELLA CERAMICA CON CELLE FOTOVOLTAICHE A FILM SOTTILE Arturo Salomoni Centro Ceramico Bologna

2 Sommario 1. Premessa 2. L idea 3. Lo sviluppo della ricerca 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore

3 1. Premessa: la funzionalizzazione delle piastrelle Perché funzionalizzare? Per andare incontro alla richiesta sempre più pressante di prodotti ad alto contenuto tecnologico Per sviluppare materiali ceramici in linea con il concetto di edilizia sostenibile Per introdurre innovazione radicale che permetta anche di occupare e presidiare nuovi segmenti di mercato

4 1. Premessa: funzionalizzazione e BIPV Materiali da costruzione ceramici Rendimento energetico degli edifici Incrementare i contenuti tecnologici del prodotto piastrella, coniugandoli con una sensibilità sempre più orientata verso le problematiche ambientali e l utilizzo di energie rinnovabili Nelle installazioni Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) i moduli solari vengono assemblati, diventando elementi degli edifici.

5 1. Premessa: la scelta della piastrella fotovoltaica Fonte:

6 1. Premessa: la scelta della piastrella fotovoltaica Estremizzazione del concetto di integrazione architettonica dei moduli fotovoltaici negli edifici Un prodotto tradizionale e di largo consumo come una piastrella ceramica diventa un dispositivo in grado di generare corrente elettrica per effetto fotovoltaico Percorso di ricerca con partner industriali e scientifici

7 1. Premessa: la scelta della piastrella fotovoltaica Vantaggi per la piastrella Made in Italy Migliore benchmarking come frutto di: un innovazione radicale (progettazione di un prodotto ad hoc ) un uso corretto delle piastrelle in architettura: non solo con funzione estetica, ma un materiale per applicazioni edilizie integrazione del prodotto piastrella negli edifici

8 1. Premessa: la scelta della piastrella fotovoltaica Contributo della piastrella Made in Italy alla sostenibilità Sostenibilità intesa come: requisito fondamentale dei prodotti e dei loro processi produttivi possibilità di sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili obiettivo da perseguire perché costituisce e costituirà sempre più valore aggiunto

9 Sommario 1. Premessa 2. L idea 3. Lo sviluppo della ricerca 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore

10 2. L idea: obiettivi sostituire lo strato di smalto, usualmente applicato sulle piastrelle, con un film sottile di celle fotovoltaiche differenza sostanziale rispetto a soluzioni alternative oggi già commercializzate film sottile: necessità di minori quantità di materiale strategico sostenibilità: i materiali sono stati scelti tenendo conto anche di eventuali problematiche di smaltimento alla fine del ciclo di vita del prodotto

11 2. L idea: obiettivi sviluppare la tecnologia, per realizzare film di celle fotovoltaiche direttamente sulla superficie di piastrelle ceramiche, con operazioni unitarie integrabili nell attuale ciclo produttivo la ricerca ha messo in evidenza la necessità di sviluppare alcune operazioni al di fuori dell attuale ciclo produttivo per alcune operazioni sono state messe a confronto tecniche utilizzate nell attuale produzione ceramica con tecniche diverse

12 2. L idea: obiettivi realizzare piastrelle funzionalizzate da utilizzare in pareti ventilate per il rivestimento esterno di edifici: l idea di partenza è stata quella di creare un prodotto innovativo che costituisse una valida alternativa ai pannelli fotovoltaici l applicazione è stata pensata per pareti ventilate per sfruttare i vantaggi che queste offrono

13 2. L idea: parete ventilata Facciata o parete ventilata con paramento ceramico 1. Parete portante esterna dell edificio 2. Strato di isolamento termico 3. Sistema di fissaggio: ganci, perni o staffe 4. Sistema di ancoraggio: montanti verticali 5. Piastrelle ceramiche

14 Riduzione del carico termico sull edificio in estate 2. L idea: parete ventilata

15 Influenza della parete ventilata, con adeguato spessore dell isolamento termico sulle temperature interne dell edificio nelle stagioni estreme 2. L idea: parete ventilata

16 2. L idea: parete ventilata Agganci in vista, montanti verticali a T, staffe di ancoraggio a L Agganci in vista, montanti verticali a omega, gole per guarnizioni, staffe di ancoraggio a C

17 2. L idea: parete ventilata Agganci nascosti, montanti verticali a T, correnti orizzontali a pseudo C, staffe di ancoraggio a L Agganci nascosti, con lastre fresate sul retro

18 2. L idea: parete ventilata

19 2. L idea: parete ventilata

20 2. L idea: parete ventilata

21 2. L idea: obiettivi realizzare piastrelle funzionalizzate da utilizzare in pareti ventilate per il rivestimento esterno di edifici: in questo modo si è cercato di affrontare con un approccio sistemico le problematiche legate all involucro dell edificio in particolare questo approccio è pensato come un punto di forza per le ristrutturazioni di edifici esistenti (oltre che per le nuove costruzioni) si è cercato di mettersi nell ottica di un prodotto innovativo per un edilizia sostenibile

22 2. L idea: differenze rispetto ad altre soluzioni di piastrelle FV La scelta del silicio amorfo in alternativa a quello cristallino il dispositivo viene realizzato direttamente sulla piastrella ceramica diventandone parte integrante. Silicio monocristallino EROEI ritorno energetico sull investimento energetico Sup.coperta da 1 kw (m 2 ) Efficienze % Costo impianto per kw ( ) Silicio amorfo Studio sull'eroei dei moduli FV

23 2. L idea: differenze rispetto ad altre soluzioni di piastrelle FV La scelta del silicio amorfo in alternativa a quello cristallino Nel 2007 il 90% delle applicazioni BIPV realizzate con celle solari al silicio cristallino In una realizzazione BIPV la scelta dei moduli da impiegare dipenderà dalla posizione, orientamento, eventuali ombreggiamenti ed inclinazioni Massimizzare l output energetico minimizzando il capitale investito

24 Sommario 1. Premessa 2. Obiettivi del progetto 3. Lo sviluppo della ricerca 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore

25 3. Lo sviluppo della ricerca archeologia (?) Il punto di partenza Nel 2004, presentazione al MAP, insieme ad un azienda ceramica, di un progetto dal titolo Piastrelle ceramiche per esterno contenenti celle fotovoltaiche incorporate

26 3. Lo sviluppo della ricerca Il progetto prevedeva due linee principali di attività: 1. sviluppo di piastrelle con celle fotovoltaiche assemblate Cavità per celle fotovoltaiche Riporto inorganico Corpo piastrella Canali per cavi 2. sviluppo di piastrelle con celle fotovoltaiche incorporate Riporto esterno Celle solari Smalto Corpo piastrella

27 3. Lo sviluppo della ricerca archeologia (?) Il punto di partenza Nel 2004, presentazione al MAP, insieme ad un azienda ceramica, di un progetto dal titolo Piastrelle ceramiche per esterno contenenti celle fotovoltaiche incorporate Il progetto prevedeva due linee principali di attività: 1. sviluppo di piastrelle con celle fotovoltaiche assemblate 2. sviluppo di piastrelle con celle fotovoltaiche incorporate Il progetto viene approvato ma l azienda ceramica rinuncia

28 3. Lo sviluppo della ricerca L idea si evolve. Nuovo progetto In ottobre 2004, presentazione di un nuovo progetto, alla Regione Emilia-Romagna, nell ambito del bando PRRIITT Misura 3.4.A Si decide di sviluppare solo la parte del progetto considerata più innovativa: la funzionalizzazione della superficie della piastrella con un film sottile di celle fotovoltaiche

29 3. Lo sviluppo della ricerca Maggio 2005 Aprile 2008 PRRIITT 3.4 A Novembre 2008 Ottobre 2010 PRRIITT 3.4 A Realizzazione di prototipi industriali Marzo 2010 Febbraio 2013 Industrializzazione dei prodotti e realizzazione della linea pilota

30 Approccio tecnico 3. Lo sviluppo della ricerca Riporto Piastrella di ceramica Piastrella PV Funzionalizzazione della piastrella ceramica mediante applicazione diretta di un riporto fotovoltaico sulla superficie di esercizio: Usando tecniche di applicazione integrabili il più possibile nell attuale processo produttivo ceramico Senza significative rinunce nelle prestazioni tecniche ed architettoniche delle piastrellature Piastrella fotovoltaica = Modulo fotovoltaico

31 Attività di ricerca Novembre 06 Prototipo superficie conduttiva 3. Lo sviluppo della ricerca Maggio 07 - R2B Prototipo modulo 10x10 cm 2 Progetto START Maggio 05 Maggio 08 Marzo 07 Presentazione Domanda di Brevetto Luglio 07 Prototipo parete ventilata

32 3. Lo sviluppo della ricerca Oltre il laboratorio. Nuovo progetto In aprile 2008, presentazione di un nuovo progetto, alla Regione Emilia-Romagna, nell ambito del bando PRRIITT Misura 3.4.A Nell ambito di questo progetto sono previste attività per realizzare un prototipo di piastrella fotovoltaica che non sia più un campione da laboratorio Si pianifica di realizzare un prototipo di 30 x 30 cm su lastra sottile

33 3. Lo sviluppo della ricerca Risultati 2 Progetto PRRIITT (novembre 2008 ottobre 2010) Scale-up in laboratorio: verso il prototipo industriale (da 10x10 a 30x30 cm) Mini modulo su piastrella 10 x 10 cm, realizzato in laboratorio Modulo su piastrella 30x30 cm, realizzato in laboratorio Pannello realizzato con piastrelle 10 x 10 cm Pannello realizzato con piastrelle 30 x 30 cm

34 3. Lo sviluppo della ricerca Verso l industrializzazione. Il bando INDUSTRIA 2015 Efficienza Energetica In settembre 2008, presentazione di un ulteriore progetto, al Ministero dello Sviluppo Economico, nell ambito del bando Industria 2015 Efficienza Energetica Il progetto viene approvato a luglio 2009: risulta primo in graduatoria a pari merito con altri quattro progetti con un punteggio di 58/60 Il 1 marzo 2010 il progetto inizia ufficialmente

35 3. Lo sviluppo della ricerca Progetto BIPV Ago. 11 Linea pilota di produzione di piastrelle PV con film sottile di silicio amorfo START END Mar. 10 Feb. 11 Ago. 12 Feb Prototipo completo di piastrella PV con film sottile di silicio amorfo e relativa scheda tecnica Prove industriali per la messa a punto dell intera linea pilota

36 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore Soluzioni tecniche a livello di laboratorio back contact strati fotoattivi front contact strato isolante e protettivo Riporto protettivo Front contact Riporto fotovoltaico Connettore Back contact Supporto ceramico

37 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore Come si presenta evoluzione rispetto al prototipo 10x10 cm Dimensioni Substrati ceramici Spessori Lay-out Efficienza Criticità

38 4. Caratteristiche e potenzialità del dimostratore Substrato ceramico: Lastra ceramica in gres porcellanato Spessore: mm Colori: possibilità di impiego di qualsiasi colore Configurazione celle: possibilità di varie forme e dimensioni. Raccolta energia elettrica: tramite connettori inseriti nella piastrella forata Efficienza stabilizzata: 4% Che vuol dire che verrebbero prodotti 40 W/m 2. Per ottenere 1 kw: 25m 2 Efficienza stabilizzata (ipotizzabile dopo ottimizzazione): 6-7% Tipica dei moduli commerciali in a-si Possibile scale-up dei formati Layer protettivo: buona resistenza agli agenti atmosferici, buon isolamento elettrico, elevata trasmittanza, buona adesione

39 Contatti: CENTRO CERAMICO BOLOGNA GRAZIE!!!