Dr. Marco Stefancich Gruppo Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica/CNR Università di Ferrara La convenienza economica della produzione di energia elettrica con impianto fotovoltaico Laboratorio Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica Università di Ferrara INFM/CNR UdR di Ferrara

L’energia nella storia L’energia animale ed il vento sono state, per lungo tempo, le uniche forme di energia meccanica disponibile per l’umanità Il motore a vapore prima e quello a combustione interna poi hanno cambiato completamente il modo di vivere Antichità A.D. 640 (Persia) A.D (Inghilterra) 1880

Le fonti classiche di energia nelle varie epoche Fino al XVIII secolo il legno era essenzialmente l’unica forma di combustibile utilizzata dall’uomo per illuminazione e riscaldamento Il carbone domina il IXX e parte del XX secolo con le prime avvisaglie delle imponenti conseguenze ambientali del suo uso Il Petrolio ed i suoi derivati sostituiscono il carbone nel XX secolo La distribuzione capillare di corrente elettrica ha cambiato la realtà del XX secolo L’energia nucleare offre una fonte pulita ma crescenti perplessità sulla sua sicurezza hanno indotto vari paesi a rifiutarla Il gas è una fonte pulita e sicura di riscaldamento e per la produzione elettrica

Energia e potenza La potenza di un impianto di produzione si misura in chilowatt (kW) ed indica quanta corrente al massimo può produrre nell’unità i tempo. L’energia generata è data dal prodotto della potenza liberata per il tempo per cui la si è generata e si esprime in chilowatt per ora (kWh). È l’analogo del lavoro compiuto da un bracciante. La potenza non ha nulla a che fare con l’energia che l’impianto può produrre. Dato un tempo sufficiente un impianto potrebbe, teoricamente, (rifornito di carburante) produrre qualunque quantità di energia. Allo stesso modo qualunque bracciante può compiere, datogli abbastanza tempo, qualunque lavoro.

Di quanta energia abbiamo bisogno oggi? Consumi energetici mondiali (fonte DOE) quad Unità di misura energetica utile a descrivere i consumi energetici nazionali e mondiali 1 quad = BTU (British Thermal Units) = 293 * 10 9 Kwh = 183,000,000 barili di petrolio = 38,500,000 tonnellate di carbone = 110,000,000,000 m 3 gas naturale Il consumo mondiale di energia vale circa 73,200,000,000 barili di petrolio/anno 117,200,000,000,000 kilowatt ora

Aspetti economici delle scelte energetiche I punti principali da considerare quando si parla di diverse fonti energetiche sono: Approvvigionamento. Dove si trova il combustibile? (costi di estrazione, rischi politici, scorte) Come lo si trasporta e quanto costa? (costo e rischi di trasporto) Gestione delle riserve Come si accumula? (costo e rischi legati alla gestione delle scorte) Generazione di energia Come si produce energia dal combustibile? (costo e rischi di impianto) Distribuzione dell’energia prodotta Come si distribuisce l’energia prodotta? (costo e rischi di distribuzione) Accumulabilità dell’energia prodotta. Impatto ambientale Quali scorie produce il processo? Possono essere abbattute? (fattibilità e costo) Impatto sociale E una fonte socialmente accettabile?

Fonti energetiche attuali Le scelte energetiche realisticamente possibili (con le percentuali di uso corrente) sono: Carbone Petrolio Gas Naturale Fissione Nucleare Idroelettrico Altre rinnovabili I parametri da considerare per determinare il costo dell’energia prodotta sono: Costo di impianto per Kw di potenza installata (capital cost) Durata dell’impianto in ore di funzionamento (determina l’energia massima generabile dall’impianto e quindi il peso del capital cost sul costo del kwh prodotto) Manutenzione di impianto (simile al capital cost si esprime in $/Kw potenza) Il costo (per kwh di energia prodotta) del combustibile usato

Carbone Fattori ambientali e socioeconomici La combustione del carbone ha la massima emissione di CO 2, NOx ed SOx 13% del peso del carbone forma polveri. Approvvigionamento facile e sicuro Capacità termica: 7800 kWh/Ton Costo: € 38/Ton Efficienza generazione elettrica 38% Costo del Kwh: 1,3 cent Emissioni principali (confronto con dati medi USA) CO t/h cioè 1120 g/kwh (dato USA 1044 g/kwh) SO t/h cioè 0.5 g/kwh (dato USA 8.4 g/kwh) NO x 0.29 t/h cioè 0.5 g/kwh (dato USA 3.2 g/kwh) Ceneri Pesanti 25.5 t/h cioè 46 g/khw

Petrolio Fattori ambientali e sociopolitici La combustione del petrolio ha emissioni di CO 2, SO 2, No x inferiori (anche se non di molto) a quelle del carbone. Molti di questi possono venire recuperati tramite filtraggio dei fumi prima dell’immissione in atmosfera e questo determina essenzialmente la qualità dell’energia prodotta. Instabilità politica per l’approvigionamento. Emissioni principali (dati USA) CO g/kwh SO 2 6 g/kwh NO x 1.4 g/kwh Capacità termica: kWh/Ton Costo: € 370/Ton Efficienza generazione elettrica 42% Costo del Kwh: 7,5 cent

Gas Naturale Fattori ambientali La combustione del gas ha emissioni di CO 2, No x inferiori a quelle del carbone. Trascurabili le altre tipologie di emissione Potenziale instabilità politica produttori Elevati investimenti per il trasporto Emissioni principali (dati USA) CO g/kwh SO g/kwh NO x 1.7 g/kwh Capacità termica: kWh/Ton Costo: € 250/Ton (6,03 €/MBTU) Efficienza generazione elettrica 42% Costo del Kwh: 5,0 cent

La Combustione C+O 2 =>CO 2 +Energia CH 4 +2O 2 =>CO 2 +2H 2 O+Energia 1 KWh ~ 1 Kg di CO 2 ~ 500 litri di CO 2

L’utilizzo di combustibili fossili ha come prima conseguenza l’aumento di anidride carbonica (CO 2 )

…. Dove va la CO 2 ? Gli alberi utilizzano l’anidride carbonica per formare i composti organici di cui sono costituiti. Questi, nel corso dei millenni, formano carbone, gas e petrolio. L’anidride carbonica si discioglie nell’acqua del mare, ed in profondità precipita formando rocce carbonatiche. Questo meccanismo è molto lento.

… e cosa succede se… … vengono bruciati il legno degli alberi e i combustibili fossili ad un rateo maggiore di quello con cui vengono prodotti ? La concentrazione di anidride carbonica in aria è aumentata drammaticamente

L’effetto serra La riflessione verso la terra dei raggi infrarossi provoca un innalzamento della temperatura media. Gas responsabili dell’effetto serra: CO 2 (anidride carbonica) CH 4 (metano) N 2 O (protossidi d’azoto) CFC (clorofluorocarburi) HCFC (idrofluorocarburi) CF 4 (perfluorocarburi)

Il ruolo delle energie rinnovabili Le fonti energetiche tradizionali non offrono una prospettiva di sostenibilità a lungo termine (sia per l’approvvigionamento che per l’impatto ecologico). Le uniche fonti che possono fornire energia senza aumentare il contributo di CO 2 ed essendo ampiamente disponibili sono Idroelettrico Eolico Solare (90000 kmq fornirebbero l’energia termica planetaria) Sfruttamento delle maree In ultima analisi sono TUTTE FORME DI ENERGIA SOLARE

Che cos’é il PV ? Conversione diretta della luce in energia elettrica. La potenza tipica inviata dal sole sulla terra é di 1000 W/m 2, ma solo il % può essere convertito in energie elettrica utile Il materiale più diffuso per la generazione fotovoltaica é il silicio

Che cosa è l’energia solare fotovoltaica? Basandosi sull’effetto fotoelettrico è possibile produrre corrente elettrica direttamente dall’illuminazione, con luce solare, di opportuni materiali semiconduttori L’effetto fotoelettrico Un quanto di luce (fotone) incidendo su un atomo può essere in grado di strappare tale elettrone dall’orbitale atomico più esterno rendendolo libero di muoversi nel materiale e creando una carica positiva residua nel materiale. + - elettrone Ione positivo (Lacuna)

Un paragone idraulico e la cella Estrazione di elettroni dovuta a luce solare Flusso di elettroni canalizzato che può produrre lavoro Perdite Luce solare che penetra nel materiale elettrone lacuna Creazione coppia lacuna elettrone Migrazione e separazione delle lacune ed elettroni Raccolta di carica dai contatti Utilizzatore finale

Come si costruisce una cella fotovoltaica Con opportuni processi chimici la superficie del silicio viene resa rugosa per ridurre la riflettività Un trattamento in forno a 650 C in atmosfera di fosforo “droga” la superficie rendendola ricca di lacune. Creazione del diodo Paste metalliche semifluide vengono stampate, e poi cotte, sul fronte e retro della fettaper creare i contatti elettrici. In un altro forno (LPCVD) viene depositato uno strato di nitruro di silicio per ridurre ulteriormente la riflettività dei wafer

… e come si costruisce il wafer Quarzite (SiO 2 ) 18 kg Fornace ad arco SiO 2 +2C  Si+2CO 2 HCl HSiCl 3 Distillazione ( °C) HSiCl 3 Reazione con H 2 (1200 °C) HSiCl 3 + H 2  Si + 3HCl

Crescita Czochralski (1400 °C) Lingotti monocristallini (up to 8”) Tagli, Lappatura, Lucidatura Wafers (1 kg)

Silicio policristallino Silicio monocristallino

Il ruolo dell’energia solare Può l’energia solare fotovoltaica (i pannelli piani) fornire una risposta “pulita” per soddisfare il fabbisogno di energia? Impianto al passo dei Mandrioli (Storico)

L’energia fotovoltaica può essere usata per integrare i consumi di energia elettrica delle abitazioni (e fornire indipendenza in caso di black-out) Oppure si possono concepire potenti centrali solari che integrino i picchi di assorbimento diurni della rete elettrica. Il ruolo dell’energia solare

Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Lavorazione della cella Assemblaggio I sistemi fotovoltaici non concentrati non possono, quindi, essere proposti come fonte per produzione di energia su larga scala Il costo finale del sistema é di 6..7 €/W Per l’elevato costo del materiale di partenza e della lavorazione non é prevedibile una riduzione dei costi Analisi economica dei pannelli fotovoltaici piani

… quindi… La complessità di realizzazione del processo rende difficile un aumento rapido della capacità produttiva delle celle. Al momento la capacità produttiva si aggira sui 1000 MW/anno Il processo di raffinazione del silicio è complesso e costoso e la domanda di “wafer” eccede in questo momento la richiesta. Questa situazione non potrà essere variata fino attorno al 2010 in cui le nuove silicon farm (principalmente nel far-east e USA) entreranno in funzione. Non necessariamente un aumento della disponibilità del silicio ne ridurrà il costo. Per questi motivi il fotovoltaico piano non può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala per i prossimi decenni.

Esistono alternative? La proposta della concentrazione

100  m Inseguimento per seguire il sole Celle fotovoltaiche ad elevata efficienza Specchi o lenti per concentrare la luce Raffreddamento per la coproduzione di acqua calda

Energia elettrica Concentratore solare Pannello L’idea Il prototipo L’idea: un “elettrodomestico” solare

Costi inferiori, per unità di potenza, rispetto al fotovoltaico piano e grandi potenzialità di incrementare ulteriormente il rendimento. Maggiore energia prodotta a parità di potenza rispetto ai pannelli piani (dovuta all’insegumento solare). Ridotto uso di silicio e quindi insensibilità alla rigidità dell’offerta di questo materiale Facilità di produzione di massa (stampi, motori, supporti, vetreria sono industrie comuni e diffuse) Maggiore facilità di installazione Facilità nella modifica delle dimensioni e, quindi, della potenza. Per questi motivi il fotovoltaico a concentrazione può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala. Vantaggi dei sistemi a concentrazione

Per questi motivi il fotovoltaico a concentrazione può essere considerato una potenziale fonte energetica su ampia scala ed è compatibile con l’attuale mercato del fotovoltaico piano. La coesistenza con i sistemi a pannelli piani Sistemi pianiSistemi a concentrazione Costo per Watt75 Imtegrabilità architettonica AltaBassa Produzione energetica per KW installato 1300 KWh/Anno1600 KWh/Anno Produzione su larghissima scala Limitata da disponibilità di silicio Nessun limite evidente Applicazione preferenziale Installazioni domestiche Centrali energetiche