R&S: Cosa c è di Nuovo in Puglia nel Settore della Green Economy

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1 R&S: Cosa c è di Nuovo in Puglia nel Settore della Green Economy Prof. ing. Arturo de Risi Università del Salento Sommario Qualce Pensiero in Libertà sull Energia Rinnovabile Potenziale e Sviluppo del Solare La Ricerca sulla Conversione Diretta dell Energia Conclusioni 1

2 Sommario Qualce Pensiero in Libertà sull Energia Rinnovabile Potenziale e Sviluppo del Solare La Ricerca sulla Conversione Diretta dell Energia Conclusioni Il Problema degli impatti ambientali legati al progresso è talmente sentito da diventare una delle tematice dominanti ance nei film di animazione destinati ai bambini. 2

3 Energia Solare L energia solare irradiata complessivamente sulla Terra: miliardi di Tep (1 Tep = kw) Riciesta energetica mondiale: ~10 miliardi di Tep Le terre emerse sono circa 1/3 della superficie mondiale Assumendo ce l 1% delle terre emerse sia destinato a scopi energetici Per soddisfare la Riciesta Energetica Mondiale è necessaria una efficienza minima del 35% Elementi di novità July 4t, 2007 In Spagna l operatore della rete Red Eléctrica de España (Ree) a annunciato ce il 20 Marzo 2007 alle è stato raggiunto un nuovo record per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile (8.375 MW circa 27% della produzione totale di energia elettrica). * Eolico: MW * Nucleare: MW 8 c /kw * Carbone: MW 4 c /kw * Hydro: MW * Cicli combinati: MW 2 c /kw * RE (NO Wind): MW * Gas: 101 MW 1.5 c /kw Source: forum energo club and Wartsila Tecnical Journal

4 Sommario Qualce Pensiero in Libertà sull Energia Rinnovabile Potenziale e Sviluppo del Solare La Ricerca sulla Conversione Diretta dell Energia Conclusioni Lo Stato dell Arte Alte Impatto ambientale Elevati costi di impianto Gestione sistemi di accumulo temperature => Alti Rendimenti 10 MWe a Barstow, California (Fonte: Ren. Ener. World, 2000) 4

5 Stima del potenziale delle Energie Solari Procedura dell International Energy Agency (IEA) La determinazione del potenziale solare integrato negli edifici fornisce una base fondamentale per valutare il potenziale mercato e le informazioni fondamentali per ci deve pianificare la politica energetica. Lo studio della IEA fornisce una metodologia validata ed accettata internazionalmente per valutare tale potenziale. DESCRIZIONE TETTI m² FATTORE APPLICATO FACCIATE m² FATTORE APPLICATO Area del piano terra 1000 Area disponibile Area arcitettonicamente adatta Area adatta dal punto di vista solare DESCRIZIONE TETTI m² FACCIATE m² Area edificata in Provincia di Lecce Potenziale Installabile [MW] con η=10% Principali Innovazioni Tecnologice Nuovi fluidi vettori termici Analisi e ottimizzazione di innovativi vettori termici Nuovo sistemi concentratori/collettori Analisi e ottimizzazione di tubi ricevitori modificati Ottimizzazione Cicli termodinamici per lo sfruttamento del solare termico ad alta temperatura Nuovi approcci ai sistemi di stoccaggio termico/cimico Analisi e ottimizzazione di materiali solidi per lo stoccaggio termico per il superamento dei transitori Studio del comportamento termo-fluido-dinamico dei sistemi di stoccaggio termico e cimico 5

6 Nuovi Fluidi Vettori Termici La necessità di sostituire i Sali Fusi impone lo sviluppo di soluzioni alternative compatibili con la generazione diffusa. Studi preliminari anno dimostrato ce è possibile aumentare la conducibilità termica di un fluido disperdendo d d in esso nanoparticelle. Ad oggi non sono ancora completamente noti gli effetti dovuti a dispersione dimensionale, morfologia e proprietà ottice delle nanoparticelle. Test su diverse tipologie di nanoparticelle Densità (g/cm3) Code Aluminium oxide NanoTek 99,5% nm Copper (II) oxide NanoArc 97,5% nm Iron (III) oxide Industrial NanoArc nm Tin (IV) oxide NanoTek 22-43nm Zinc oxide NanoGard low lead 99% nm Al 2 O 3 3,97 CuO 6,50 Fe 2 O 3 5,24 SnO 2 6,95 ZnO 5,60 Titanium oxide <100 nm TiO 2 3,80 P Titanium oxide <25 nm TiO 2 4,00 R B E G I M 6

7 Temperatura di misura ( C) Temperatura di misura ( C) Fluido Conducibilità termica, k [mw/m C] k nanofluido /k fluido base, Δk TH66 123,64 121,30 119,30 117,97 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 M 0.1 TH66 124,36 122,52 120,63 118,75 1,0058 1,0101 1,0111 1,0066 M 0.3 TH66 126,72 124,08 121,66 119,98 1,0249 1,0229 1,0198 1,0170 M 0.7 TH66 129,26 126,41 124,24 122,64 1,0455 1,0422 1,0414 1,0396 M 1.0 TH66 131,66 129,58 127,47 125,22 1,0648 1,0683 1,0685 1,0615 NANOFLUID BASED THERMINOL 66 E +(ZnO) [mw /m m K] TH66 M 0.1 TH66 M 0.3 TH66 M 0.7 TH66 M 1.0 TH Temperatura di misura ( C) l/lo C 30 C 40 C 50 C Frazione di volume di nanparticelle (%) Conviene usare i nano fluidi per migliorare di un qualce percento la conducibilità termica? Si consideri un nanofluido con una concentrazione di particelle di 20 nm al 5% ce scorra in un condotto di diametro 5 cm S particle S duct 6 10 Da un bilancio energetico, nell ipotesi ce tutte le particelle partecipino al processo di scambio termico si ottiene: Q& Q& particle duct

8 A- Sintesi e caratterizzazione morfologica, strutturale ed ottica di nanoparticelle a base di: Metalli (Cu, Au, Ag) Ossidi di Metalli (TiO2, ZnO, Sn2O3, etc) B- Studio delle proprietà termice del nanofluido al variare delle dimensioni delle nanoparticelle (diametro 3-20 nm), della loro forma (sferice, cilindrice e multipods) e del rapporto di concentrazione volumetrica Volume-nanoparticelle/Volume-fluido CdSe dot C- ottimizzazione del concentratore solare. ZnO dots by IMM-Le ZnO nano-rods by IMM-Le Esempio di sintesi e caratterizzazione strutturale ed ottica di nanoparticelle realizzata presso l IMM: (diametro 1-10 nm e δr ~ 5-10 %) Metallice: Au, Cu, Ag Semiconduttori: i CdSe, ZnSe, etc Ossidi: TiO2, ZnO, SnO2, etc 8

9 Il Nuovo Concetto di Concentratori/Colletori Solari Riflettori innovativi a basso impatto ambientale; Coating protettivi per i collettori solari con elevati coefficienti di assorbimento (>0.9) e bassi coefficienti di emissione (<0.1); Materiali coibentanti per contenere le perdite radiative dei collettori; Sistema cavità-concentratore solare con elevata efficienza (>70%) ottimizzato per l uso delle nanoparticelle; Rivestimento in aereogel Speccio parabolico Cavità con concentratore parabolico Sviluppo di aerogel per dispositivi solari ad alto isolamento aerogel siliceimateriali ad alta trasparenza nella regione spettrale di irraggiamento solare con una bassissima conducibilità termica. Ossidi con porosità superiore al 96% e conducibilità termica intorno a 0,001W/mK aerogel non trasparenti a base di ossicarburi possiedono una conducibilità termica ancora più bassa degli aerogel convenzionali ed eliminano ogni contributo di reirraggiamento alle alte temperature. 9

10 Ottimizzazione dei cicli termodinamici e delle maccine per lo sfruttamento ideale del solare termico ad alta temperatura Impianti ORC: potenza termica entrante nella maccina pari a 400 kwt; rendimento di conversione da energia termica a energia meccanica > 0.25/0.30; tensione dell energia elettrica prodotta 400 V / 50 Hz, adatta per parallelo rete; temperatura nominale dell olio diatermico (ingresso / uscita): 400/150 C; potenza elettrica attiva netta: 100 kw; tempo di entrata a regime della maccina: < 30 min.; vibrazioni: < 10 g; emissioni di rumore: < 70 db; rendimento turbina: > 85%. Sistemi di accumulo dell energia Accumulatori di energia termica: Gli accumulatori di energia termica a calore sensibile sfruttano la capacità termica di un materiale ce funge da serbatoio di energia termica. Materiali impiegabili: - solidi (acciaio, granito); - Liquidi (gallio, sodio, ecc.). A l t i di i i i Accumulatori di energia cimica: Un sistema di accumulo basato sull idrogeno prevede un generatore di idrogeno gassoso alimentato dal sistema ad energia solare con la potenza prodotta in eccesso rispetto alla riciesta da parte dell utenza. 10

11 Sommario Qualce Pensiero in Libertà sull Energia Rinnovabile Potenziale e Sviluppo del Solare La Ricerca sulla Conversione Diretta dell Energia Conclusioni Energie Rinnovabili: Energie Rinnovabili: maturità della tecnologia e del mercato 11

12 Solare PV: Trends Source: Sinke, ECN, 2001 Focus su building integrated PV (Tetti, facciate) Tariffe Agevolate: Aumento del mercato Silicio ancora dominante, tin films inizio fase commerciale Multi giunzione e Ibride ancora in fase sperimentale Ambiantalisti forti sostenitori del PV Energy payback time: (am Si) 2.5 (pc Si) 9 (mc Si) anni. EPBT minori sono associati ai moduli in CdTe: anni. 12

13 ANDAMENTO DELL EFFICIENZA DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE Uno Sguardo al Futuro dell Energia Solare: Le Nano-Rectenne Nikola Tesla ( ) La Storia: Nel 1899 a Wardenclyffe Tesla accese delle lampade a 25 miglia di distanza con rete wireless; Nel 1964 William C. Brown dimostrò ce una rectenna poteva convertire microonde in elettricità; 13

14 Scema Funzionale di una Rectenna Per realizzare un rectenna ottica la risposta in frequenza dei diodi, governata dalla costante di tempo RC, rappresenta un nodo tecnologico di non facile risoluzione. L impedenza del dispositivo deve essere relativamente vicina a quella dell antenna (~180 Ω), pertanto la capacità deve essere minimizzata per consentire un funzionamento a frequenza dell ordine dei THz. Per raggiungere capacità dell ordine degli attofarad (10-18 ) necessarie per operare a circa ~1000 THz, l area del dispositivo deve essere più piccola di 100 nm x 100 nm Siamo su dimensioni dell ordine della lungezza d onda di de Brouglie!! 14

15 Le prime analisi sperimentali anno portato alla realizzazione di nano diodi MIM Au/SiO2/W realizzati con la tecnica Focussed Ion Beam (in coll. IMM-CNR). A lato è riportato ili layout e l immagine SEM di uno dei diodi realizzati. In figura è riportata la caratteristica I-V per alcuni dei diodi MIM realizzati in Au/SiO2/W al variare dello spessore dello strato di SiO2. Current (na) Le caratteristice I-V presentano il tipico comportamento del diodo ance se in alcuni casi è rilevabile -8 una eccessiva simmetricità Au-SiO2(7nm)-W SEM Au-SiO2(8,5nm)-W SEM Au-SiO2(15.5nm)-W SEM Au-SiO2(14nm)-W SEM Au-SiO2(13nm)-W SEM Au-SiO2(11.5nm)-W SEM Au-SiO2(10nm)-W SEM Voltage (V) 15

16 Sommario Qualce Pensiero in Libertà sull Energia Rinnovabile Potenziale e Sviluppo del Solare La Ricerca sulla Conversione Diretta dell Energia Conclusioni Conclusioni 1. L uso delle Rinnovabili deve essere sviluppato in maniera organica e senza perdere di vista gli obiettivi del sistema Paese. 2. E necessario sviluppare nuove tecnologie compatibili con installazioni in aree antropizzate (capannoni, tetti, facciate, pensiline, ecc.) 3. L immagazzinamento dell energia da rinnovabile è fondamentale per lo sviluppo delle stesse rinnovabili. 4. Gli attuali sistemi FV non sono potenzialmente in grado di rappresentare una soluzione al problema energetico sul lungo periodo. Nuove soluzioni più promettenti sono in fase di sviluppo. 16

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