D. Vincenzi Università di Ferrara, Dipartimento di Fisica L'energia solare e le nuove tecnologie per il suo sfruttamento
Laboratorio Semiconduttori e Sensori Prof. Vincenzo Guidi Donato Vincenzi Maria Cristina Carotta Cesare Malagù 200 m Stefano Baricordi Gabriele Calabrese Luana Pozzetti Sandro Gherardi Enrico Bagli Matteo Pasquini Ilaria Neri Federico Gualdi Alessio Giberti Andrea Mazzolari Enrico Camattarri
Sviluppo e sostenibilità lo Sviluppo sostenibile è uno sviluppo che soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni
Sviluppo e sostenibilità : un secondo parere Nel 1991 le Nazioni Unite e il WWF definiscono lo sviluppo sostenibile come: Un miglioramento della qualità della vita, senza eccedere la capacità di carico degli ecosistemi di supporto, dai quali essa dipende
Riserve disponibili : petrolio Riserve disponibili 1 350 000 milioni di barili Ritmo di consumo attuale 31 000 milioni di barili/anno Autonomia 43 anni Fonte:
Riserve disponibili : gas naturale Riserve disponibili 135 000 000 milioni di m 3 Ritmo di consumo attuale 2 450 000 milioni di m 3 /anno Autonomia 55 anni Fonte:
Riserve disponibili : carbone Riserve disponibili 2 600 000 milioni di ton Ritmo di consumo attuale 4 500 milioni di ton/anno Autonomia 570 anni Fonte:
Aspetti ambientali della sostenibilità L utilizzo di combustibili fossili libera anidride carbonica
Roger Revelle e le misurazioni di CO 2 Le misurazioni della concentrazione di CO 2 a largo di Mauna Loa (Hawaii) hanno evidenziato un incremento costante dal 1958 ad oggi
Il clima sta davvero cambiando? Le misurazioni della CO 2 presente nei ghiacciai permettono di stabilire l andamento storico della concentrazione in atmosfera.
Prospettive di sviluppo delle fonti rinnovabili
Quanta energia invia il sole sulla terra?
Concentrare la luce del sole per
Il solare termodinamico: la centrale SEGS di Kramer Junction (CA) Potenza di 350 MW Temperatura di esercizio di 380 C Sistema operativo da 20 anni Utilizzo di olio minerale come fluido vettore
Il solare termodinamico: lo schema tipico dell impianto
Il progetto Archimede (ENEA) Potenza di 5 MW e Area totale 30000 m 2 Temperatura di esercizio di 290 550 C Utilizzo di sali fusi come fluido vettore: NaNO 3 (60%) KNO 3 (40%) Possibilità di accumulo termico e di accoppiamento con una centrale convenzionale Installazione a Priolo Gargallo (SR) Inaugurato il 14/07/2010 Il sale fuso solidifica a 238 C Il coating dei tubi degenera a 600 C
La conversione fotovoltaica e la separazione della cariche fotogenerate E h E c V E F x E v n-region p-region Il sole invia sulla superficie terrestre circa 1000 W/m 2, ma le celle fotovoltaiche convenzionali ne riescono a convertire circa il 15 %
La produzione del silicio di grado elettronico Quarzite (SiO 2 ) 18 kg Fornace ad arco SiO 2 +2C Si+2CO 2 Reazione con H 2 (1200 C) HSiCl 3 + H 2 Si + 3HCl Distillazione (200-400 C) HSiCl 3 HSiCl 3 HSiCl 3 HCl
Dal feedstock ai wafer di Silicio Crescita Czochralski (1400 C) Lingotti monocristallini Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)
Analisi economica dei pannelli PV Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale 31 23 Assemblaggio 45 Lavorazione della cella Il costo finale del sistema é di circa 2.5-3 /W Il mercato dei pannelli PV piani è attualmente sostenuto da un politica di incentivi fiscali (CONTO ENERGIA) Il costo e la reperibilità del Si sono attualmente il limite più significativo allo sviluppo della tecnologia fotovoltaica standard
Produzione annuale di polysilicon (feedstock) nel 2010: 160.000 ton CONSIDERAZIONE: Con la tecnologia attuale questa quantità di silicio è sufficiente per realizzare pannelli fotovoltaici per una potenza complessiva di 15000 MW. Ipotizzando 1000 MWh / anno da ogni MW installato, si raggiungerebbero appena 15 milioni MWh/anno vale a dire che tutto il polysilicon mondiale fornirebbe circa il10% del fabbisogno della sola Italia. La European Photovoltaic Industry Association (EPIA) prevede un aumento della produzione di polysilicon fino a 250.000 ton nel 2013
Le prospettive della tecnologia attuale Fonte: Mortarino e Guidolin*, Università di Padova 8 6 4 2 Austria - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 300 250 200 150 100 50 Japan - Yearly installed capacity (MW) Shock year observed predicted 0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 Alcuni modelli previsivi basati su tecniche di marketing quantitativo (modello di Bass) segnalano che la tecnologia attualmente in commercio sta concludendo il suo ciclo di vita in molti paesi *(Cross-country diffusion of photovoltaic systems: modelling choices and forecasts for national adoption patterns. WPseries, N.18/2007. Dipartimento di Scienze Statistiche. Università di Padova)
Solare fotovoltaico: tecnologia a film sottile First Solar Advanced Thin-Film PV Modules at the Tucson Electric Power Array in Arizona.
Solare fotovoltaico: moduli a film sottile Utilizzatore Metallo Conduttore trasparente Luce solare
Solare fotovoltaico: moduli a film sottile Nelle celle solari a film sottili la quantità di materiale usata è almeno 100 volte inferiore a quella usata per i moduli cristallini. Il processo di fabbricazione può essere completamente automatizzato per raggiungere una produzione di un modulo al minuto Il substrato è un vetro comune a basso costo Un costo di produzione inferiore a 0.5 $/W
Celle fotovoltaiche a film sottile attualmente in produzione 1. Silicio amorfo: -Si, efficienza massima 13% 2. CuGaInSe 2 /CdS, efficienza massima 19.8% 3. CdTe/CdS, efficienza massima 16.5% First Solar, OH La Solar tecnologia Fields, CdTe/CdS OH è la più AVA scalabile TECH, perché CO si basa su tecniche Prime Star, semplici, CO veloci e facilmente CANRON, industrializzabili NY Antec Solar, Germany Arendi, Italy Mo 150 nm As 2 Te 3 200 nm ZnO 150 nm ITO 400 nm
Film sottile: il processo industriale
Film sottile: limitazioni Circola una favola messa in giro da persone non esperte o interessate che dice: i moduli a base di CdTe/CdS sono pericolosi perché contengono Cd. La normativa internazionale spesso non è adeguata L efficienza dei moduli a film sottile è tipicamente attorno al 10 %, contro una efficienza tipica del 15 % per i moduli in Si Predisposizione delle banche alle nuove tecnologie.
Un approccio alternativo ai pannelli fotovoltaici piani: i sistemi a concentrazione Utilizzando sistemi a concentrazione a 200 soli basterebbero solo 1500 ton di polysilicon per soddisfare il 10% del fabbisogno italiano L idea è sostenibile sia per l impatto ambientale che per il payback energetico
Fotovoltaico a concentrazione Concentratore sviluppato presso i Sandia National Laboratories negli anni1970
1 generazione Raffreddamento Specchi o lenti (elementi di concentrazione): alta superficie, resistenza ambientale Inseguimento Celle: Disegno particolare, efficienze > 20%.
2 generazione 10 cm Esempi di concentratore solare con superfici riflettenti. (area di raccolta 2.5 m 2, fattore di concentrazione 100x) Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Modulo Fotovoltaico a concentrazione Rondine Installazione di test presso l Università di Ferrara
Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA Università di Ferrara (IT) Concentrix Solar GmbH Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Concentratore modulare Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Design of a modular concentrator Sketch of an array of three receivers embedded between front glass and panel base. The main collector is a molded part in polycarbonate covered by protected aluminum. Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Un passo in più verso la industrializzazione Sperimentazione del concentratore Modulare Cassegrain presso il Consorzio Sardegna Ricerche Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Assemblaggio di ricevitori CPV Cells have been soldered under vacuum on a metal-core PCB Integrated temperatur sensor Si receiver based Narec solar cells (about 6 cm 2 ) operated at 60x (optical) 3-J solar cell (1 cm 2 ) operated at 400x (optical) Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
La clean room del Laboratorio Sensori e Semiconduttori Superficie 115 mq Camera Gialla, Classe ISO 6 Flusso aria 20000 m 3 /h Bunker ADF Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
l Elioparco del Dipartimento di Fisica Donato Vincenzi - 25 Gennaio 2012
Sistemi fotovoltaici a concentrazione Amonix, Tempe, AZ Solfocus, Mountain View, CA Università di Ferrara (IT) Concentrix Solar GmbH
La quantità di silicio viene ridotta in ragione del fattore di concentrazione. L efficienza di conversione del sistema è limitata dal fatto che ogni materiale semiconduttore ha gap energetico che non gli permette di convertire tutto lo spettro solare. Una possibile soluzione per aumentare l efficienza è rappresentata dalle Celle solari multigiunzione basate su semiconduttori composti III-V
Celle fotovoltaiche multigiunzione
Efficienze di conversione a confronto
Limiti delle celle solari multigiunzione Grande complessità realizzativa. Se uno strato non funziona l intero dispositivo smette di produrre energia. Elevato costo e grande scarsità di materiale di substrati monocristallini Ge e GaAs (altissima concentrazione). Lo spessore di ciascun film attivo è calcolato sulla base di particolare spettro solare La grande quantità di energia concentrata sul ricevitore richiede l utilizzo di efficienti sistemi di raffreddamento
Un solo raggio, ma molte lunghezze d onda
Crystalline Silicon Most mature technology Largest market share Suitable for roof-top as well as large installations Thin Film The second most mature technology High growth due to silicon shortage Great potential to reduce cost Concentration PV Promises to reduce cost in MW installations. Market development underway Nano-Technology Future technology for improved efficiency and cost reduction
Energie rinnovabili: il panorama Italiano Fonte: GSE
Energie rinnovabili: il panorama Italiano Fonte: GSE
2010: un anno speciale
Energie Rinnovabili: le direttive europee
Il fotovoltaico: prospettive di crescita
Grazie per l attenzione