Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare

Transcript

1 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.3 Impianti fotovoltaici e solare termico Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy

2 2 Agenda Generalità su fotovoltaico e solare termico Fotovoltaico: impianti HENERGIA Solare termico: impianti HENERGIA

3 L effetto fotoelettrico Generalità sul fotovoltaico La teoria fisica che spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein, che per questo ricevette il Premio Nobel per la fisica nel Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi dall'atomo deve essere superiore alla banda proibita del materiale. 3

4 Generalità sul fotovoltaico La cella fotovoltaica La cella fotovoltaica è l elemento di base che costituisce i moduli fotovoltaici ed in cui avviene l effetto fotoelettrico. La cella fotovoltaica è solitamente costituita da un sottile strato di materiale semiconduttore, tipicamente silicio. Il silicio, nonostante non si trovi libero in natura, è l elemento più diffuso sulla Terra dopo l ossigeno. La fetta di silicio viene, di norma, intrinsecamente drogata, mediante l inserimento nella struttura cristallina di atomi di tipo P (ad esempio, boro) e di atomi di tipo N (ad esempio, fosforo). Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio (zona di svuotamento), quando la cella è esposta al Sole, si generano delle cariche elettriche, in misura tanto maggiore quanto più elevato è l irraggiamento solare. Attraverso dei contatti elettrici posti alle estremità superiore ed inferiore della cella è possibile collegare la cella stessa ad un utilizzatore (carico) e così si avrà in esso un flusso di elettroni sotto forma di corrente elettrica continua. 4

5 Il pannello fotovoltaico Generalità sul fotovoltaico Il pannello o modulo fotovoltaico è composto celle fotovoltaiche cablate in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni cella viene connessa alle altre mediante nastrini metallici, in modo da formare opportuni circuiti in serie e in parallelo. Sopra una superficie posteriore di supporto, in genere realizzata in un materiale isolante con scarsa dilatazione termica, come il vetro temperato o un polimero come il tedlar, vengono appoggiati un sottile strato di acetato di vinile (EVA), la matrice di moduli pre-connessi mediante i già citati nastrini, un secondo strato di EVA e un materiale trasparente che funge da protezione meccanica anteriore per le celle fotovoltaiche, in genere vetro temperato. Dopo il procedimento di pressofusione, che trasforma l'eva in mero collante inerte, le terminazioni elettriche dei nastrini vengono chiuse in una morsettiera stagna generalmente fissata alla superficie di sostegno posteriore, e il risultato ottenuto viene fissato ad una cornice in alluminio, che sarà utile al fissaggio del pannello alle strutture di sostegno atte a sostenerlo e orientarlo opportunamente verso il sole. 5

6 L impianto fotovoltaico Generalità sul fotovoltaico L impianto fotovoltaico è l insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all utilizzazione da parte dell utenza. Le tipologie impiantistiche sono essenzialmente due: - impianti isolati (stand-alone); - impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected). Impianto stand-alone: l energia generata alimenta direttamente il carico elettrico. Quella in eccesso viene accumulata in batterie che la rendono disponibile nei periodi in cui il generatore fotovoltaico non è nelle condizioni di fornirla. Questi impianti rappresentano la soluzione più idonea a soddisfare utenze isolate che possono essere convenientemente equipaggiate con apparecchi utilizzatori che funzionano in corrente continua. Il regolatore di carica è un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori. L inverter, che trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 220V è necessario solo se l utenza da alimentare necessita di corrente alternata. Impianto grid-connected: l energia viene convertita direttamente in corrente elettrica alternata tramite inverter. L energia prodotta può alimentare le normali utenze oppure essere immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio. Nel quadro elettrico avviene la distribuzione dell'energia: in caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione da parte dei moduli fotovoltaici la corrente viene prelevata dalla rete pubblica. In caso contrario, l energia fotovoltaica eccedente viene di nuovo immessa in rete. 6

7 Generalità sul fotovoltaico L impianto fotovoltaico il dimensionamento dell inverter In un impianto fotovoltaico l'inverter è uno dei componenti più importanti, incidendo per circa il 10-20% sull investimento complessivo. Inoltre, un errato dimensionamento dell inverter può compromettere la prestazione stagionale di un impianto fotovoltaico. L inverter ha il compito di convertire la corrente continua in corrente alternata a tensione 220 Volt, rendendola adatta per l immissione in rete e per l autoconsumo. L inverter, a seconda della tecnologia e del tipo di applicazione, può svolgere numerose funzioni: (i) regola la frequenza e la tensione dell energia elettrica, (ii) protegge il sistema da cortocircuiti o sovratensioni di rete, (iii) monitora il funzionamento dell impianto e (iv) segnala eventuali guasti interni. Il primo parametro di scelta di un inverter è la potenza di picco dell impianto fotovoltaico a cui deve essere collegato. Normalmente, la potenza nominale dell inverter è equivalente (1:1), o leggermente sovradimensionata, alla potenza di picco dell impianto. 7

8 Generalità sul fotovoltaico L impianto fotovoltaico il dimensionamento dell inverter I moderni inverter possiedono una particolare funzione denominata MPPT, acronimo di «Maximum Power Point Tracker». La funzione MPPT è indispensabile per sfruttare al meglio il punto di massima potenza di un impianto fotovoltaico, che corrisponde a determinati valori ottimali di tensione e corrente. Il punto di massima potenza non è mai fisso, ma varia continuamente a seconda della radiazione solare incidente sui moduli. La funzione MPPT, quindi, ha il compito di "inseguire" i valori ottimali di tensione e corrente, in modo da estrarre dall'impianto la massima potenza disponibile al variare delle condizioni meteo. Ci sono svariate tecniche di realizzazione della funzione MPPT, che si differenziano per prestazioni dinamiche (tempo di assestamento) e accuratezza. Sebbene la precisione dell'mppt sia estremamente importante, il tempo di assestamento lo è, in taluni casi, ancor più. Mentre tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere grande precisione sull'mppt (tipicamente tra il 99-99,6% della massima disponibile), solo in pochi riescono ad unire precisione a velocità. Il sistema MPPT definisce arbitrariamente un valore di tensione, determina la corrente corrispondente e determina la potenza, poi modifica la tensione (e la corrente associata) e confronta il nuovo valore di potenza con il vecchio valore calcolato. 8

9 L impianto fotovoltaico le stringhe Generalità sul fotovoltaico In un impianto fotovoltaico i pannelli solari vengono disposti in stringhe. Le stringhe fotovoltaiche sono dei sub impianti in cui i moduli fotovoltaici vengono collegati in serie, cioè uno dopo l'altro. La serie, è una configurazione degli elementi elettrici, dai pannelli, alle resistenze ai diodi e quant'altro, in cui il polo positivo di un elemento è connesso con il polo negativo dell'altro. In questo modo si sommano le tensioni generate da ogni singolo pannello. Un altro modo per collegare i pannelli o più spesso le stringhe di pannelli è in configurazione parallela: in questo modo si sommano le correnti. Stringa Parallelo Il numero di pannelli per stringa dipende in generale dalle caratteristiche dell'inverter che si vuole installare, ma sia il numero di pannelli che il numero di stringhe viene determinato anche in funzione della condizione specifica del luogo dove si deve installare l'impianto fotovoltaico. 9

10 Generalità sul solare termico Il solare termico Il pannello solare termico cattura l energia solare trasformandola in energia termica e trasferendola ad un fluido di processo. Gli impianti si distinguono solitamente in: - impianti a basse temperature (fino a 120 C); - impianti a medie temperature (ca. 500 C); - impianti ad alte temperature (ca C). Gli impianti che lavorano su temperature medio-alte trovano applicazione soprattutto in impianti industriali, mentre gli impianti a bassa temperatura sono impiegati anche in ambito residenziale per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) e/o per riscaldamento. 10

11 Generalità sul solare termico Il solare termico: pannelli piani vetrati I pannelli piani vetrati sono costituiti da una piastra metallica posta all interno di un involucro isolato termicamente, ricoperto anteriormente da una superficie vetrata. La radiazione solare attraversa la superficie vetrata ed è assorbita dalla piastra metallica che si riscalda. Il vetro è utilizzato perché impedisce alla radiazione riflessa dalla piastra di essere dispersa nell ambiente, realizzando quello che viene definito effetto serra. Sul retro della piastra metallica sono saldati i tubi in cui circola il liquido che trasferisce il calore dal pannello al serbatoio di accumulo. Questi pannelli hanno un buon rapporto costi/benefici e un buon rendimento termico in applicazioni in cui le temperature richieste non sono molto elevate, ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti con elementi radianti a pavimento o per il riscaldamento delle piscine. 11

12 Generalità sul solare termico Il solare termico: pannelli sottovuoto I pannelli sottovuoto sono caratterizzati da condotti di vetro posti sottovuoto, al cui interno sono posizionate le tubazioni che, assorbendo la radiazione solare, riscaldano il liquido in circolazione. I pannelli sottovuoto sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani. Allo stesso tempo però hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l impiego dei condotti sottovuoto. Il loro impiego si presta particolarmente per località a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevate temperature (come, per esempio, il riscaldamento attraverso radiatori o la produzione di vapore). 12

13 Generalità sul solare termico L impianto solare termico: tipologie Le principali tipologie impiantistiche in cui si possono catalogare gli impianti solari termici, a seconda del modo in cui avviene la circolazione del liquido, sono due: impianti a circolazione naturale ed a circolazione forzata. Gli impianti a circolazione naturale sono costituiti da un pannello solare e da un serbatoio di accumulo posto alla sua sommità. Quando il pannello assorbe la radiazione solare, il liquido al suo interno si riscalda e sale verso l alto passando dal pannello al serbatoio; contemporaneamente, il liquido dal serbatoio scende nel pannello, dove si riscalda nuovamente. In questo modo il liquido circola portando l acqua contenuta nel serbatoio di accumulo alla temperatura desiderata. Negli impianti a circolazione forzata, il serbatoio di accumulo è posto al di sotto del pannello e la circolazione del liquido avviene grazie ad una pompa. Questa installazione è ideale, oltre che alla produzione di acqua calda sanitaria, anche alla produzione di acqua per il riscaldamento degli ambienti, potendo in alcuni casi essere utilizzata anche in abbinamento al sistema di riscaldamento tradizionale. 13

14 Generalità sul solare termico L impianto solare termico: confronto tra tecnologie - l efficienza ottica (η 0 ) rappresenta il massimo rendimento di un collettore (nella situazione ideale, cioè, di perdite termiche pari a zero); - i due parametri di perdita termica (a 1 e a 2 ) misurano quanto l efficienza del collettore sia sensibile alle condizioni operative (ad esempio, più questi coefficienti sono bassi e meno diminuisce l'efficienza quando aumenta la differenza di temperatura tra il fluido caldo nel collettore e l'ambiente esterno); - k Θ : fattore che tiene conto dell angolo di incidenza reale della radiazione solare. T m *=(T m -T a )/G T m : temperatura media fluido (ingresso-uscita) T a : temperatura ambiente G: radiazione solare Tipologia Costo [ /m 2 ] Ferroli VMF Sonnenkraft GK5-HP 407 Kloben-Sky Pro CPC Pannello Efficienza ottica η 0 Perdita termica a 1 Perdita termica a 2 Ferroli VMF2.0 76,8% 3,570 W/m 2 K 0,016 W/m 2 K 2 Sonnenkraft GK5-HP 81,0% 2,860 W/m 2 K 0,020 W/m 2 K 2 Kloben-Sky Pro CPC 58 71,9% 1,063 W/m 2 K 0,005 W/m 2 K 2 14

15 Generalità sul solare termico L impianto solare termico: confronto tra tecnologie 15

16 Agenda Generalità su fotovoltaico e solare termico Fotovoltaico: impianti HENERGIA Solare termico: impianti HENERGIA 16

17 Impianti fotovoltaici: HENERGIA HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar Cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 17

18 Energia dal fotovoltaico: problematiche Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al silicio policristallino Produzione annua lorda non rinnovabile in Italia: GWh Ipotesi: Wh per Wp installato /1.300= circa 169 GWp da installare con 215 Wp per un pannello /215= circa 790 milioni di pannelli da installare Materiale % in peso Vetro 74,16% Cornice (alluminio) 10,30% EVA (Etilene vinil acetato) 6,55% Adesivi, materiali compositi 1,16% Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60% Silicio 3,00% Altro (rame, argento, piombo, ) 1,23% Caratteristica Potenza di picco Valore 215 Wp Circa km 2 di superficie occupata dai pannelli (50% della superficie totale impegnata) Circa 1,6 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa) Superficie 1,650 m x 0,991 m Rendimento 13,1% Peso 19,5 kg (Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate dato 2006 fonte CiAl) 18

19 Energia dal fotovoltaico: problematiche Materiali e superficie occupata: esempio pannello fotovoltaico al silicio policristallino Materiale % in peso Vetro 74,16% Cornice (alluminio) 10,30% EVA (Etilene vinil acetato) 6,55% Adesivi, materiali compositi 1,16% Tedlar (Polivinilfluoruro) 3,60% Produzione mondiale annua di energia elettrica: GWh (Fonte: IEA, 2009) Ipotesi: Wh per Wp installato (ipotesi nord-africa) /2.000= circa GWp da installare con 215 Wp di un pannello /215= circa 47 miliardi di pannelli da installare Silicio 3,00% Altro (rame, argento, piombo, ) 1,23% Caratteristica Valore Potenza di picco 215 Wp Circa km 2 di superficie occupata dai pannelli (50% superficie totale impegnata) Circa 94 milioni di tonnellate di alluminio (struttura sostegno esclusa) (Produzione mondiale alluminio: 33,6 milioni di tonnellate dato 2006 fonte CiAl) Superficie 1,650 m x 0,991 m Rendimento 13,1% Peso 19,5 kg 19

20 Impianti fotovoltaici tradizionali Silicio monocristallino+amorfo (10 moduli, 2,40 kw p installata, η e =16,2%) Silicio policristallino (9 moduli, 2,16 kw p installata, η e =14,7%) Silicio amorfo (12 moduli, 1,46 kw p installata, η e =8,5%) Tellururo di cadmio (28 moduli, 2,24 kw p installata, η e =10,4%) 20

21 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali La tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) è basata su un sottile wafer di silicio monocristallino circondato da un film di silicio amorfo ultrasottile. Alle alte temperature le celle fotovoltaiche HIT sono in grado di mantenere una efficienza più elevata delle celle solari convenzionali di silicio cristallino. 21

22 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali 22

23 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): E la temperatura raggiunta dalla cella in determinate condizioni ambiente (800 W/m2, temperatura dell aria a 20 C e velocità del vento a1m/s). Maggiore è l NOCT, maggiore è la perdita di prestazione del pannello all aumentare della temperatura del pannello. 23

24 Silicio monocristallino+amorfo (2,40 kw p installata, η e =16,2%) Modello: HIT-N240SE10 Produttore: Panasonic Impianti fotovoltaici tradizionali /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 24

25 Silicio policristallino (2,16 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Impianti fotovoltaici tradizionali Grandezza Unità di misura Modello 240P Potenza nominale Wp 240 Tolleranza di potenza % ±3 Tensione al punto di max potenza V 30,8 Corrente al punto di max potenza A 7,80 Efficienza della cella % 16,4 Efficienza del modulo % 14,7 Temperatura NOCT C 45 Coefficiente di temperatura Pmax %/ C -0,45 25

26 Silicio policristallino (2,16 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Impianti fotovoltaici tradizionali /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 26

27 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali 27

28 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali 28

29 Silicio amorfo (1,46 kw p installata, η e =8,5%) Modello: NA-F121(G5) Produttore: SHARP Impianti fotovoltaici tradizionali /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 29

30 Tellururo di cadmio (2,24 kw p installata, η e =10,4%) Modello: FS-380 Produttore: FIRST SOLAR Impianti fotovoltaici tradizionali 30

31 Tellururo di cadmio (2,24 kw p installata, η e =10,4%) Modello: FS-380 Produttore: FIRST SOLAR Impianti fotovoltaici tradizionali NOCT (Nominal Operating Cell Temperature): 45 C /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 31

32 Impianti fotovoltaici tradizionali Attenzione! Il rendimento del singolo pannello fotovoltaico η e è calcolato in Condizioni di Test Standard (STC). η e = (V*I)/(G*A) V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V) I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A) G: radiazione solare globale (W/m 2 ) A: superficie del pannello fotovoltaico (m 2 ) Condizioni STC: G= W/m 2 Temperatura cella 25 C 32

33 Stazione meteo locale Impianti fotovoltaici tradizionali Per valutare e comparare le prestazioni dei diversi impianti fotovoltaici nelle medesime condizioni ambientali. La stazione meteo locale include: - termo-igrometro, - pluviometro, - anemometro, - misuratore direzione vento, - misuratore radiazione solare globale. 33

34 Dimensionamento inverter Impianti fotovoltaici tradizionali L inverter va verificato in due condizioni estreme di funzionamento, quali ad esempio (per l area di Forlì): - Condizione critica estiva: radiazione solare 1000 W/m2, temperatura ambiente 35 C e temperatura pannello 75 C; - Condizione critica invernale: radiazione solare 1000 W/m2, temperatura ambiente 0 C, temperatura pannello 10 C. Da verificare che la tensione prodotta dall impianto in queste condizioni non sia inferiore o superiore all intervallo MPPT: se ciò accade, l inverter si spegne. 34

35 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi dati giornalieri Dati mancanti: malfunzionamento sistema acquisizione dati Reference Yield [h/die] (CEI EN 61724) Array Yield [h/die] (CEI EN 61724) Performance Ratio del pannello Y R =Σ i (H gloi *t i )/(3600*H nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbe essere ai livelli dell irraggiamento nominale per produrre la stessa energia incidente misurata. Y A =Σ i (P CCi *t i )/(3600*P nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali la schiera di moduli dovrebbe funzionare alla potenza nominale P nom per fornire la stessa quantità di energia giornaliera misurata. PR mod =Y A /Y R Consente di valutare l effettiva produttività dei moduli fotovoltaici rispetto a quella attesa e rappresenta il rapporto tra rendimento giornaliero in corrente continua e rendimento nominale. H glo : radiazione solare globale incidente [W/m 2 ] H nom : radiazione solare globale in condizioni standard (=1.000 W/m 2 ] t: tempo [s] P CC : potenza prodotta in corrente continua [W] P nom : potenza di picco del pannello [W] 35

36 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi mensile Numerosità dati non sufficiente per calcolo media mensile Array Yield [h/die] (CEI EN 61724) Y A =Σ i (P CCi *t i )/(3600*P nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali la schiera di moduli dovrebbe funzionare alla potenza nominale P nom per fornire la stessa quantità di energia giornaliera misurata. P CC : potenza prodotta in corrente continua [W] P nom : potenza di picco del pannello [W] t: tempo [s] 36

37 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi annuale Tecnologia YA annuo [kwh/kw] Densità energetica [kwh/m2/anno] Ibrido mono-amorfo (95%) 205 (100%) Policristallino (93%) 153 (75%) Tellururo di cadmio (97%) 125 (61%) Silicio amorfo (100%) 96 (47%) Le prestazioni annuali delle tecnologie tradizionali evidenziano come: - Le tecnologie a film sottile garantiscano la maggiore produttività; - Fatta 100 la produttività del pannello al silicio amorfo, che risulta il più produttivo, si può rilevare come lo scostamento dell altra tecnologia a film sottile (TeCd) sia pari al 3%, mentre per le tecnologie al silicio lo scostamento è più rilevante, sino al 7%. - D altro canto, l analisi della densità energetica ribalta completamente le considerazioni sulla produttività: difatti, il pannello più efficace da punto di vista dello sfruttamento della superficie risulta essere l ibrido mono-amorfo, mentre il meno efficace è il silicio amorfo, che ha una efficacia quasi dimezzata. La densità energetica è un fattore determinante quando la superficie a disposizione per l'installazione è limitata o costosa. 37

38 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi economica Non essendo più presenti regimi incentivanti per la produzione di energia elettrica da fotovoltaico, i benefici dipendono in maniera sostanziale dalla capacità di autoconsumo dell energia prodotta e, quindi, dal costo dell energia elettrica. Il prezzo dell energia elettrica è relativamente variabile ed è anche funzione del luogo in cui sono installati gli impianti. In Tabella sono riportati i costi medi per utenza domestica e industriale. Sono anche riportati i prezzi di vendita della energia elettrica sul mercato libero, così come il prezzo di ritiro minimo garantito. Come si può vedere confrontando le cifre, per una utenza industriale è l autoconsumo a generare i benefici maggiori in quanto è 3-4 volte il prezzo di vendita di mercato o di ritiro minimo garantito. Pertanto, in caso di impianto industriale, è importante che l impianto sia dimensionato in maniera tale da garantire la maggior quota possibile di autoconsumo sulla energia elettrica annua prodotta. Opzione Possibile ricavo/risparmio [ /kwh] Nota Autoconsumo Utenza domestica 0,229 Fonte: Eurostat (2013). Valore medio costo energia elettrica per il settore domestico. Autoconsumo Utenza industriale 0,168 Fonte: Eurostat (2013). Valore medio costo energia elettrica per il settore industriale. Vendita sul mercato libero 0,049 Fonte: GSE (2014). Valore medio annuo per la zona Centro-Nord, calcolato per la fascia oraria Ritiro minimo garantito 0,039 Fonte: GSE (2014). Applicabile fino a MWh. 38

39 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi economica Per gli impianti fotovoltaici inferiori ai 20 kwp, esiste la possibilità di godere del beneficio dello scambio sul posto e, inoltre, di beneficiare di una detrazione fiscale del 50% della spesa sostenuta per la realizzazione dell impianto fotovoltaico in 10 anni. Se la taglia dell impianto rimane sotto i 200 kwp, però, l impianto può godere dei benefici dello scambio sul posto a fronte del pagamento di un fee fisso annuale (circa 270 per un impianto da 200 kwp). Inoltre, esiste la possibilità per gli impianti industriali (< 20 MWp) di avvalersi del Sistema Efficiente di Utenza (SEU), un meccanismo che permette al produttore di energia di vendere direttamente l energia prodotta all utente finale, qualora produzione e consumo si trovino nello stesso luogo, diminuendo drasticamente oneri quali costi di intermediazione e di rete. Per gli impianti industriali inferiori ai 200 kwp, l opzione più vantaggiosa rimane indubbiamente quella dell autoconsumo. Per gli impianti di taglia superiore, l eventuale produzione in eccesso rispetto all autoconsumo può essere valorizzata attraverso un SEU: il SEU realizza per entrambi i soggetti coinvolti, produttore e consumatore, un vantaggio. Infatti, da un lato il produttore cede energia elettrica ad un prezzo più alto di quello di mercato o di ritiro minimo garantito, dall altro il consumatore acquista ad un prezzo più basso rispetto a quello di mercato sfruttando la prossimità con l impianto di produzione. 39

40 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi economica VAN (Valore Attuale Netto):, dove t (anni) è il tempo, n (anni) è il periodo di tempo considerato per la valutazione dell investimento (assunto pari al periodo di ammortamento e alla durata del bene per semplificare la trattazione), i (%) è il tasso di rendimento annuo (da differenziarsi nel caso di investimento per impianto domestico o per impianto industriale) e F t ( ) è il flusso di cassa netto riferito all anno t. LCOE (Levelized Cost of Energy): calcola il costo di produzione dell'elettricità generato da diverse fonti e con diverse tecnologie, includendo l'ammortizzazione del capitale finanziario iniziale, il ritorno sull'investimento, il costo operativo, del combustibile (se presente), e della indispensabile manutenzione. Il costo viene normalmente misurato in unità monetarie divise per le unità di energia elettrica prodotta. Anche in questo caso, i costi sono attualizzati in base a tasso di rendimento e inflazione. 40

41 Impianti fotovoltaici tradizionali: confronto prestazioni Analisi economica (impianti di taglia residenziale) Tecnologia LCOE [ /kwh] Mono-amorfo 0,129 Policristallino 0,135 Tellururo cadmio 0,174 Tempo di rientro dell investimento Silicio amorfo 0,133 Le tecnologie ibrido mono-amorfo, policristallino e silicio amorfo hanno sostanzialmente lo stesso VAN (attenzione: non si è considerato l eventuale costo della superficie di installazione). L incentivo fiscale riduce da 8 a 6,5 anni (-20% circa) il tempo di rientro per l investimento. LCOE più basso è quello della tecnologia mono-amorfo: comunque, tutte e quattro le tecnologie hanno un LCOE inferiore al costo della energia per utenza residenziale (pari a 0,229 /kwh). 41

42 Impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore Silicio policristallino con inseguitore (0,96 kw p installata, η e =14,7%) Modello: 240P Produttore: CNPV Inseguitore: monoassiale (inclinazione zenitale fissa) /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 42

43 Impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore Confronto: tecnologia con o senza inseguitore Numerosità dati non sufficiente per calcolo media mensile +18% Tecnologia YA annuo [kwh/kw] Densità energetica [kwh/m2/anno] Policristallino (85%) 153 (85%) Policristallino con inseguitore (100%) 181 (100%) 43

44 Impianti fotovoltaici tradizionali con inseguitore Confronto: tecnologia con o senza inseguitore VAN +17% Nel caso in oggetto, l utilizzo dell inseguitore incrementa il VAN a 20 anni del 17%, ma incrementa anche il tempo di rientro dall investimento (6,5 contro 6 anni, +8%). Il LCOE passa da 0,135 (senza inseguitore) a 0,154 /kwh (con inseguitore). 44

45 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,76 kw p installata, η e =26%) Modello: Eco-Energy (customizzato) Produttore: Arima Inseguitore: biassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 476: /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 45

46 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,76 kw p installata, η e =26%) Modello: Eco-Energy (customizzato) Produttore: Arima Cella fotovoltaica: tripla giunzione 46

47 Impianti fotovoltaici a concentrazione Lente di Fresnel (1,14 kw p installata, η e =39%) Modello: Sunflower CPV Produttore: Isofoton Inseguitore: biassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 500: /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 47

48 Impianti fotovoltaici a concentrazione Ottica Cassegrain (1,14 kw p installata, η e =29%) Modello: GPS 600 Produttore: GP III Solar Inseguitore: monoassiale Cella fotovoltaica: tripla giunzione Fattore di concentrazione: 600: /kwp (fornitura, posa in opera e allacci) 48

49 Attenzione! Il rendimento del singolo sistema fotovoltaico a concentrazione η e ècalcolatoin Condizioni di Test Standard (STC). η e = (V*I)/(G*A) Impianti fotovoltaici a concentrazione V: tensione misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (V) I: corrente misurata ai morsetti del pannello fotovoltaico (A) G: radiazione solare globale (W/m 2 ) A: superficie del pannello fotovoltaico (m 2 ) Condizioni STC: G= 800 W/m 2 Temperatura cella 25 C 800 W/m 2 concentrazione vs W/m 2 tradizionale COME CONFRONTO I RENDIMENTI? 49

50 Impianti fotovoltaici a concentrazione Quale affidabilità per i sistemi a concentrazione? Giornate teoriche disponibili (01 Giugno Ottobre 2014) 515 Totale assenza di dati 131 Rilevazioni incongruenti 99 Giornate con dati congruenti su produzione registrati 285 (55% delle teoriche disponibili) Giornate con dati congruenti stazione meteo locale registrati 192 (37% delle teoriche disponibili) Impianti fotovoltaici tradizionali Tipologia impianto Giornate di funzionamento registrate Ibrido silicio mono-amorfo (INV1) 285 (100%) Silicio policristallino (INV2) 285 (100%) Tellururo di cadmio (INV3) 285 (100%) Silicio amorfo (INV4) 285 (100%) Silicio policristallino (INV5) 285 (100%) Silicio policristallino (INV7) 285 (100%) Impianti fotovoltaici a concentrazione Tipologia impianto Giornate di funzionamento registrate Concentratore con lente di Fresnel (INV6) 221 (78%) Concentratore con lente di Fresnel (INV8) 115 (40%) Concentratore con lente Cassegrain (INV9) 64 (22%) Problematiche derivanti da: rotture meccaniche (cuscinetti, pistoni, riduttori), problemi di puntamento. 50

51 Impianti fotovoltaici a concentrazione Confronto: tecnologia tradizionale vs. lente di Fresnel Numerosità dati non sufficiente per calcolo media mensile Picco di produzione a Luglio Tecnologia YA annuo [kwh/kw] Densità energetica [kwh/m2/anno] Ibrido mono-amorfo (95%) 205 (100%) Silicio amorfo (100%) 96 (47%) Fresnel 699 (62%) 112 (55%) 51

52 Impianti fotovoltaici a concentrazione Confronto: tecnologia tradizionale vs. lente di Fresnel Tecnologia LCOE [ /kwh] Mono-amorfo 0,129 Silicio amorfo 0,133 LCOE Fresnel > costo energia elettrica: non conviene! Fresnel 0,336 52

53 Agenda Generalità su fotovoltaico e solare termico Fotovoltaico: impianti HENERGIA Solare termico: impianti HENERGIA 53

54 Impianti solari termici: HENERGIA HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar Cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 54

55 Impianto solare termico a concentrazione Caratteristica Grandezza Potenza di picco [kw] 11,5 Potenza media [kw] 10,5 Efficienza globale 73% Efficienza sistema ottico 86% Superficie collettore [m 2 ] 15,9 Fattore di concentrazione solare 254 Diametro collettore [m] 4,5 Altezza palo [m] 2,4 Dimensioni assorbitore [cmxcm] 25,4x25,4 Volume fluido nell assorbitore [lt] 0,550 Massima pressione di esercizio [bar] 1,72 Peso totale [kg] 463 Inseguitore Biassiale Potenza motori inseguitori [W] (fornitura, posa in opera e allacci) Costo HENERGIA /m 2 55

56 Impianto solare termico: incentivi Il Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012 ha dato attuazione al cosiddetto Conto Termico, un regime di sostegno specifico per interventi (Categoria 1) di incremento dell efficienza energetica e (Categoria 2) per la produzione di energia termica da fonti rinnovabili o sistemi ad alta efficienza di dimensione relativamente ridotta (fino a kw termici per pompe di calore o caldaie a biomassa, fino a m 2 di superficie solare lorda per solare termico). Il Decreto ha conferito al Gestore dei Servizi Energetici (GSE) S.p.A. il ruolo di soggetto responsabile della gestione del meccanismo, inclusa l erogazione degli incentivi ai soggetti beneficiari. I soggetti ammissibili al contributo sono: - le amministrazioni pubbliche, relativamente alla realizzazione di uno o più degli interventidicuiallecategorie1e2(articolo4,commi1e2deldecreto); - i soggetti privati, intesi come persone fisiche, condomini e soggetti titolari di reddito di impresa o di reddito agrario, relativamente alla realizzazione di uno o più degli interventi di cui alla sola Categoria 2 (articolo 4, comma 2 del Decreto). 56

57 Impianto solare termico: incentivi Il Soggetto Responsabile viene definito dal Decreto come il soggetto che ha sostenuto le spese per l esecuzione degli interventi ed ha diritto all incentivo, che stipula il contratto con il GSE per mezzo della scheda contratto e che può operare attraverso un Soggetto Delegato per la compilazione della scheda domanda e per la gestione dei rapporti contrattuali con il GSE. I soggetti ammessi possono avvalersi del supporto di una ESCO (Energy Service COmpany) per la realizzazione degli interventi. In questo caso la ESCO agisce come Soggetto Responsabile siglando con i soggetti ammessi un contratto di finanziamento tramite terzi, di servizio energia o di rendimento energetico, a seconda della Categoria di intervento. Gli interventi ammissibili per la Categoria 2 sono riassunti in Tabella. Interventi di piccole dimensioni di produzione di energia termica da fonti rinnovabili e sistemi ad alta efficienza (art. 4, comma 2 del Decreto Ministeriale del 28 dicembre 2012) 2.A Sostituzione di impianti di climatizzazione invernale esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di pompe di calore, elettriche o a gas, utilizzanti energia aerotermica, geotermica o idrotermica. 2.B Sostituzione di impianti di climatizzazione invernale o di riscaldamento delle serre esistenti e dei fabbricati rurali esistenti con impianti di climatizzazione invernale dotati di generatore di calore alimentato da biomassa. 2.C Installazione di collettori solari termici, anche abbinati a sistemi di solar cooling. 2.D Sostituzione di scaldacqua elettrici con scaldacqua a pompa di calore. 57

58 Impianto solare termico: incentivi Prestazioni minime dei componenti/apparecchi da installare secondo le prescrizioni indicate negli Allegati I e II al Decreto Tecnologia Descrizione Prestazione minima Pompa di calore elettrica Aria-aria COP>3,9 Aria-acqua (P th <35 kw) COP>4,1 Aria-acqua (P th >35 kw) COP>3,8 Salamoia-aria COP>4,3 Salamoia-acqua COP>4,3 Acqua-aria COP>4,7 Acqua-acqua COP>5,1 Pompa di calore a gas Aria-aria COP>1,46 Aria-acqua COP>1,38 Salamoia-aria COP>1,59 Salamoia-acqua COP>1,47 Acqua-aria COP>1,60 Acqua-acqua COP>1,56 Emissioni ossidi di azoto < 120 mg/kwh (assorbimento) < 180 mg/kwh (motore combustione interna) Pompa di calore Solo acqua calda sanitaria COP>2,6 Caldaia a pellet Potenza termica P n <500 kw Conformità UNI EN classe 5 Rendimento termico utile >87%+log(P n ) Obbligo accumulo termico Emissioni particolato: 30 mg/nm 3 O 2 13% Emissioni CO: 300 mg/nm 3 O 2 13% P n = kw Rendimento termico utile >89% Emissioni particolato: 30 mg/nm 3 O 2 13% Emissioni CO: 300 mg/nm 3 O 2 13% Collettori solari Piani η > 0,7 7,5 T m (0,01<T m <0,07) Sottovuoto o a η > 0,55 2,0 T m (0,01<T m <0,07) concentrazione Solar cooling m 2 sup solare lorda/kw fr >2 T m [m 2 K/kW] calcolato secondo la UNI EN come T m =(t m -t a )/G, dove t m è la temperatura media del fluido termovettore [ C], t a è la temperatura dell aria esterna [ C] e G è l irradianza solare globale [W/m 2 ]. 58

59 Impianto solare termico: incentivi E il Decreto efficienza energetica? Con riferimento agli obblighi di copertura dei fabbisogni di acqua calda sanitaria e climatizzazione con fonti rinnovabili previsti dal D.Lgs. 28/11 (riassunti in Tabella 16), è incentivata solo la quota eccedente tali obblighi. Parametro Acqua calda sanitaria Acqua calda sanitaria + riscaldamento + raffrescamento Quota da fonte rinnovabile 50% da fonte rinnovabile 35% da fonte rinnovabile dal 1 Gennaio % da fonte rinnovabile dal 1 Gennaio

60 Impianto solare termico: incentivi Come si calcola l incentivo? Per gli interventi di Categoria 2, gli incentivi sono calcolati in base a: - taglia del generatore installato; - producibilità presunta di energia termica dell impianto/sistema installato, in funzione della taglia e della zona climatica; - coefficienti di valorizzazione dell energia prodotta, come stabiliti dalle tabelle riportate in allegato al decreto; - coefficienti premianti (+ 20% oppure + 50%) nel caso di impianti con generatori a biomassa con livello di emissioni di particolato ridotte. Nel caso di impianti solare termico o solar cooling, l incentivo annuo viene calcolato come di seguito: Ci Sl dove Sl è la superficie lorda dell impianto solare termico espressa in metri quadri e Ci è un coefficiente definito dal Decreto. Per impianti di taglia inferiore a50m 2 l incentivo dura 2 anni, per taglie superiori la durata è pari a 5 anni. 60

61 Impianto solare termico: incentivi Coefficienti di valorizzazione dell energia termica prodotta da impianti solari termici e di solar cooling. Superficie solare lorda Tipologia di intervento Superficie solare lorda <50m 2 >50m 2 Impianto solare termico 2 anni, 170 /m 2 anno 5 anni, 55 /m 2 anno Impianto solare termico con solar cooling 2 anni, 255 /m 2 anno 5 anni, 83 /m 2 anno Impianto solare termico a concentrazione 2 anni, 221 /m 2 anno 5 anni, 72 /m 2 anno Impianto solare termico a concentrazione con solar cooling 2 anni, 306 /m 2 anno 5 anni, 100 /m 2 anno Costo HENERGIA: /m 2 Costo pannelli tradizionali: /m 2 15,9 m 2 * 221 = all anno (solo termico) 15,9 m 2 * 306 = all anno (+38%) (solar cooling) 61

62 Impianto solare termico: prestazioni Prestazioni giornaliere: produttività 62

63 Impianto solare termico: prestazioni Prestazioni giornaliere: produttività Dati mancanti: malfunzionamento sistema acquisizione dati Blocco impianto Reference Yield [h/die] Y R =Σ i (H gloi *t i )/(3600*H nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbe essere ai livelli dell irraggiamento nominale (H nom = 1000 W/m 2 ) per produrre la stessa energia incidente misurata H glo. System Yield [h/die] Y F =Σ i (Q i *t i )/(3600*Q nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno durante le quali l impianto dovrebbe funzionare alla potenza nominale Q nom per fornire la stessa quantità di energia giornaliera misurata Q. 63

64 Impianto solare termico: prestazioni Prestazioni giornaliere: temperatura media acqua calda in uscita Dati mancanti: malfunzionamento sistema acquisizione dati Blocco impianto Reference Yield [h/die] Y R =Σ i (H gloi *t i )/(3600*H nom ) Rappresenta il numero di ore al giorno per cui la radiazione solare globale dovrebbe essere ai livelli dell irraggiamento nominale (H glo pari a 1000 W/m 2 ) per produrre la stessa energia incidente misurata. 64

65 Impianto solare termico: prestazioni Prestazioni mensili e stagionali Solar Cooling? Periodo considerato Autunno-Inverno (01/11/13-15/04/2014 e 15/10/ /10/14) Primavera-Estate (15/14/ /10/2014) Estate (15/06/ /09/2014) Temperatura media in uscita [ C] 48,9 C 67,0 C 69,3 C Energia termica media giornaliera [kwh/kw] 1,19 kwh 2,53 kwh 2,73 kwh 65

66 Impianto solare termico: prestazioni Affidabilità Giornate teoriche disponibili (01 Giugno Ottobre 2014) 515 Totale assenza di dati 101 Rilevazioni incongruenti 99 Giornate con dati congruenti su produzione registrati 315 (55% delle teoriche disponibili) Giornate con dati congruenti stazione meteo locale registrati 192 (37% delle teoriche disponibili) Dispositivi Giornate di funzionamento registrate Concentratore solare termico a disco con inseguitore biassiale 281 (89%) Buona affidabilità. Problematiche derivanti da: blocco meccanico a seguito di messa in protezione del sistema, problemi di puntamento. 66

67 Impianto solare termico: prestazioni Analisi prestazioni: quali applicazioni sono possibili? La temperatura dell acqua calda prodotta dal concentratore solare è compatibile con la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), rilevando prestazioni interessanti per il periodo invernale anche per tipologie di riscaldamento a bassa temperatura (pavimento o soffitto radiante). In estate, il concentratore può essere abbinato ad un gruppo frigorifero ad assorbimento per il raffrescamento (solar cooling), anche se le temperature medie raggiunte dall acqua calda sono al limite per l azionamento del gruppo frigorifero ad assorbimento (70 C) ed evidenziano quindi un probabile funzionamento discontinuo del sistema. 67

68 Analisi economica Impianto solare termico: prestazioni 68

69 Impianti solari termici: HENERGIA HENERGIA Laboratorio Fossil Fuel Free Inaugurazione: Settembre 2013 Impianti fotovoltaici Solar Cooling Idrogeno: elettrolisi, compressione e PEM fuel cell Caldaia a biomassa 69

70 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido Pannello fotovoltaico cogenerativo Sulla superficie «cieca» del pannello fotovoltaico è posizionato uno scambiatore di calore in cui fluisce il liquido di raffreddamento, il quale sottrae al pannello il calore che altrimenti sarebbe stato smaltito in maniera passiva verso l ambiente esterno. 70

71 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido Pannello fotovoltaico cogenerativo Caratteristica per 4 pannelli Grandezza Potenza di picco elettrica [kw] 0,920 Potenza di picco termica [kw] (*) 3,200 Efficienza globale max (elettrico+termico) 62% Portata fluido [lt/min] 4,8 Massima temperatura ammissibile [ C] per 4 pannelli (fornitura, posa in opera e allacci) - Costo HENERGIA (*) non necessariamente coincidente con la condizione di picco di produzione del fotovoltaico 71

72 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido: prestazioni modulo fotovoltaico in modalità ibrida Dati mancanti: malfunzionamento sistema acquisizione dati 72

73 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido: prestazioni solare termico in modalità ibrida Dati mancanti Dati mancanti 73

74 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido: confronto prestazioni vs. solo fotovoltaico Il confronto evidenzia come l utilizzo o meno dell impianto in versione ibrida non influisca sulla produzione di energia elettrica, che ha sostanzialmente lo stesso andamento in funzione dell irraggiamento solare. La produzione di energia termica, invece, presenta un andamento non lineare. Ma a quale temperatura viene prodotta l acqua calda? 74

75 Impianto ibrido solare/fotovoltaico Impianto ibrido: temperatura acqua calda Impiego possibile: acqua calda sanitaria Si è trovato un rapporto di dipendenza lineare tra temperatura media dell acqua calda prodotta T c e tra il prodotto di Reference Yield Y R e temperatura ambiente media T amb al quadrato. T c =Y R *T amb^2 75

76 Analisi economica Impianto ibrido solare/fotovoltaico 76

77 Corso di Impianti Meccanici Laurea Magistrale Modulo 2. Impianti per la produzione di energia termica, elettrica e frigorifera da energia solare Sezione 2.3 Impianti fotovoltaici e solare termico Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Dott. Ing. Marco Pellegrini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna Viale Risorgimento 2, 40136, Bologna Italy