Sistemi Ibridi Fotovoltaico-Termici

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1 Sistemi Ibridi Fotovoltaico-Termici La potenzialità degli impianti fotovoltaico- cogenerativi Ing. Carlo Privato Responsabile Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche ENEA Centro Ricerche Portici Workshop AIEE-ISES La produzione termica da Fonti Rinnovabili per il raggiungimento del target 2020 Roma, 21 aprile 2010

2 La Cogenerazione Fotovoltaico-Termica (PV/T) Solare Fotovoltaico (PV) Energia Elettrica kwh e Utenza Elettrica/Rete Solare Termico (T) Energia Termica a Bassa T kwh t Riscaldamento fluidi T < 60 ºC Cogenerazione Cogenerazione PV/T Moduli Ibridi Piani PV/T kwh e + kwh t Cogenerazione CPV/T Moduli Ibridi Concentrazione CPV/T kwh e + kwh t Solare Termodinamico (TD) Energia Termica a Media- Alta T kwh t Processi e cicli T > 100 ºC

3 PV/T Piano: funzionamento Fluido out Energia elettrica Modulo FV incapsulat o PV/T a liquido PV/T ad aria Con e senza vetro (glazed unglazed) Fluido in Celle fotovoltaiche convenzionali in silicio policristallino o a film sottile

4 PV/T Piano: La tecnologia TESPI (I) PV TWINS (NL) SOLARHYBRID (D)

5 Ibridi PV/T Piano: Pro e Contro Vantaggi 1. Migliore sfruttamento energia solare incidente 2. Minore superficie captazione occupata a parità di energia elettrica e termica prodotta da pannelli separati 3. Riduzione costi complessivi 4. Migliore efficienza fotovoltaica per applicazioni a basse temperature 5. Facilmente integrabili architettonicamente negli edifici Limiti 1. Un elemento critico è costituito dalla necessità di isolare elettricamente le celle fotovoltaiche dal circuito di raffreddamento e questo contrasta con la riduzione delle resistenze termiche 2. Presenza vetro copertura: Aumenta resa termica perchè riduce la dispersione frontale Rischio delaminazione sandwich fotovoltaico e riduzione della sua vita utile a causa delle possibili elevate temperature in caso di stagnazione 3. Applicazioni per basse temperature 4. Accesso alle incentivazioni limitato

6 PV/T a Concentrazione (CPV/T): la tecnologia Celle FV a concentrazione Riflettore Luce concentrata Circuito di raffreddamento Radiazione solare diretta Inseguimento solare ad 1 asse

7 PV/T a Concentrazione (CPVT) Esempi commerciali Absolicon (Sweden) Moduli CPV/T in prova c/o CR ENEA Trisaia Dati Tecnici Lunghezza modulo da 6 m Larghezza 1,1 m Peso 195 kg Concentrazione 10X Produzione di calore a 50 C (Madrid) 3610 kwh/anno Area utile 5,8 m2 Potenza elettrica (1000 W/m2 25 C) 550 W Isc 13 A Voc 51 V Produzione elettrica 700 kwh/anno Area utile 4,9 m2

8 PV/T a Concentrazione (CPVT) Esempi commerciali Combined Heat and Power Solar CHAPS (Australia)

9 PV/T a Concentrazione (CPVT): La tecnologia Celle fotovoltaiche specifiche per impianti a concentrazione Cella ENEA: c-si per una tecnologia robusta e poco costosa, max temp. 100 C Linear front grid Suns Isc (A) Voc (V) FF (%) Eff (%) Square front grid: 20% at 200 suns Attività in corso: Progetto Apollon (VII FP) Progetto SCOOP (Industria 2015)

10 Ibridi CPV/T: Pro e Contro Vantaggi 1. Possibile utilizzo di celle fotovoltaiche a concentrazione ad alta efficienza 2. Calore disponibile a livelli di temperatura più elevati (migliore qualità del calore prodotto) 3. Possibile riduzione complessiva dei costi per un ridotto impiego di materiali attivi costosi Limiti 1. Sistemi a inseguimento non facilmente integrabili negli edifici 2. Costo di esercizio/manutenzione più elevato 3. Efficienza elettrica limitata dalle alte temperature 4. Maggior pericolo della stagnazione per gli aumenti di temperatura insostenibibili per il ricevitore 5. Adatto per siti caratterizzati da alta radiazione diretta 6. Assenza normativa e restrizioni sull accesso alle incentivazioni

11 Il campo delle possibili applicazioni Temperatura = Livello di qualità del calore Ibridi piani PV/T kwh e + kwh t T < 60 ºC Riscaldamento acqua/ambienti Dissalazione Raffreddamento - Cicli frigoriferi ad assorbimento Ibridi a concentrazione CPVT 60 kwh ºC e > + T kwh < 130 t C Largo campo di applicazioni: processi, cicli Calore di processo Vapore Cicli frigoriferi ad assorbimento a doppio effetto Riscaldamento acqua e aria Settore civile C (Temperatura) Produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento piscine (collettori a bassa temperatura) Sistemi combinati per la climatizzazione invernale (Comby-system che utilizzano collettori a bassa temperatura) Climatizzazione estiva degli ambienti (Solar cooling applicato al settore residenziale e commerciale con collettori a concentrazione) Autoproduzione di energia elettrica (scambio sul posto) Settore agricolo/industriale Produzione di calore per riscaldamento serre e per processi industriali a bassa e media temperatura Produzione di freddo per l industria alimentare (media temperatura) Produzione di acqua dissalata mediante processi termici (bassa e media temperatura) Impianti/camere essiccazione Autoproduzione/produzione di energia elettrica (scambio sul posto/vendita)

12 La disponibilità di energia solare Centro-Sud Italia Globale su piano orizzontale kwh/m 2 Centro-Sud Italia Diretta su piano a inseguimento kwh/m 2 (moto N-S e E-O)

13 La producibilità energetica utile: il bilancio energetico (Caso reale PV/T) Collettori con prestazioni commerciali Efficienza energetica media annua Fotovoltaico:η pv =12% Termico:η th =50% H i =1600 kwh/m 2 IBRIDO Piano PV/T S=1 m 2 η pv =12% η pv/t =56% η th =50% E dc =192 kwh e (En. Elettrica) E =704 kwh th t (En. Termica) E loss =704 kwh (Perdite) Energia annua ottenibile 1 m 2 di superficie di collettore ibrido PV/T 190 kwh e annui di Energia Elettrica 700 kwh t annui di Energia termica Benefici ambientali 190 kwh e risparmio di 475 kwh energia primaria emissione evitata di 127 kg CO 2 in atmosfera 700 kwh t risparmio 875 kwh energia primaria emissione evitata di 175 kg CO 2 in atmosfera

14 La producibilità energetica utile: il bilancio energetico (Caso reale CPV/T) Collettori con prestazioni commerciali Efficienza energetica media annua Fotovoltaico:η pv =12% Caso CHAPS S=1 m 2 η pv =12% E dc =192 kwh e (En. Elettrica) Termico:η th = 68% H i =1600 kwh/m 2 η pv/t =72% E =957 kwh th t (En. Termica) η th =68% E loss =451 kwh (Perdite) Energia annua ottenibile 1 m 2 di superficie di collettore ibrido PV/T 190 kwh e annui di Energia Elettrica 950 kwh t annui di Energia termica

15 Le Valutazioni economiche Il valore dell energia? Quale valore economico associare all energia prodotta? L energia elettrica fotovoltaica ha un valore economico diretto e ben definito: Costo evitato della equivalente fornitura (Bolletta elettrica) 0,15-0,25 /kwh e Eventuali incentivi cumulabili (vedi tariffe incentivanti Conto Energia) ) 0,30-0,40 /kwh e L energia termica ha un valore che dipende strettamente dalle specifiche condizioni dell utenza, ovvero dal sistema con cui in alternativa essa viene prodotta, dipende quindi da: Costo evitato energia elettrica equivalente da scalda-acqua elettrico 0,17-0,28 /kwh t Costo evitato del gas equivalente da caldaia a gas di piccola taglia 0,09-0,11 /kwh t Costo evitato energia primaria per processo, medie-grandi taglie, etc 0,04-0,09 /kwh t

16 Le Valutazioni economiche Il ritorno dell investimento? Costoinvestimentospecifico 1 m 2 di superficie di collettore ibrido PV/T costa /m 2 Entrata annua specifica 190 kwh e annui di Energia Elettrica, a 0,20 /kwh e valgono kwh t annui di Energia termica, a 0,10 /kwh t valgono 70 L entrata annua complessiva di 38+70=108 permette di riscontare un periodo di pay-back (semplice) dell ordine di: Ritorno Investimento: PBT=1200 / anni Il PBT è troppo elevato per la convenienza! Potrebbe scendere a livelli appetibili di 6-7 anni considerando l accesso ad eventuali incentivi (fotovoltaico +0,30 /kwh conto energia) E evidente la necessità di potenziare la ricerca e sviluppo finalizzata a creare condizioni di mercato nell ottica della competitività dell applicazione

17 Il mercato del Solare Termico:Europa/Italia (2008) N.B: Direttiva non distingue tra energia elettrica e termica per il raggiungimento degli obiettivi al 2020 Thermal Market Italy (glazed collector) 295 MW t /3.300 MW t ~ 9% Italia si trova nettamente al di sotto della media europea (18 kw t per migliaia di abitanti)

18 Contesto di riferimento: Il contributo e la diffusione del fotovoltaico Potenza cumulata totale impianti fotovoltaici entrati in esercizio con il conto energia (dati GSE) Costo incentivazione per il solo Nuovo Conto Energia al erogato dal GSE: 255 M Un pari investimento per incentivare, solo per la produzione elettrica, i sistemi ibridi PV/T avrebbe un efficacia 4-5 volte maggiore ai fini del raggiungimento degli obiettivi al

19 La normativa Lo stato attuale 1. La normativa dei moduli fotovoltaici convenzionali è ormai ben strutturata e consolidata. Per i moduli a concentrazione esiste una base di partenza che necessità di essere ampliata e dettagliata con urgenza 2. La normativa dei moduli termici è consolidata per quelli piani mentre è ancora in fase di elaborazione per i sistemi a concentrazione 3. Una normativa specifica per i moduli ibridi PV/T non è ancora stata sviluppata. Sono in corso in ambito CEN/TC 312 attività finalizzate a ridefinire le normativa esistenti sui collettori termici per adeguarla all evoluzione delle tecnologie esistenti tra cui quella relativa ai sistemi ibridi

20 La Cogenerazione Fotovoltaico-Termica (PV/T) Conclusioni La tecnologia ibrida PV/T ha grandi potenzialità per tutte le applicazioni in è previsto un consumo sia di energia elettrica che di energia termica (residenziale, servizi, agricoltura, industria) L accesso dei sistemi PV/T all incentivazione in Conto Energia (per la produzione elettrica) li renderebbe competitivi e avrebbe un effetto moltiplicativo ai fini del raggiungimento degli obiettivi di riduzione della produzione di CO2 (Piano ) E una tecnologia che coinvolge settori tipici dell industria italiana (meccanica, elettronica, vetro, plastica, fotovoltaico) ma attualmente non risultano presenti sul nostro territorio attività e investimenti a lungo termine da parte del comparto produttivo. I dati per valutare l affidabilità dei sistemi sono pochi per la scarsa diffusione dovuta al costo elevato e alla sua limitata conoscenza nel mondo professionale Ci sono limiti nella normativa e nell accesso a forme di incentivazione.

21 ENEA Centro Ricerche Portici Tel: Fax: Grazie per l attenzione