Prof. Giuliano Martinelli Laboratorio Sensori e Semiconduttori INFM UdR di Ferrara Dipartimento di Fisica Università di Ferrara ENERGIA SOLARE Prof. Giuliano Martinelli Coordinatore del Gruppo Sensori e Semiconduttori Dipartimento di Fisica Università di Ferrara Laboratorio Sensori e Semiconduttori Ferrara 13 Febbraio 2004: L’energia fotovoltaica a Ferrara

Attività del Laboratorio Sensori e Semiconduttori Ricerche fondamentali in fisica della materia e scienza dei materiali Sintesi di materiali per alta tecnologia Produzione e caratterizzazione di sensori di gas e celle fotovoltaiche Primo laboratorio di ricerca universitaria in Italia ad essere certificato ISO 9001-2000 per la progettazione e realizzazione di sensori a film spesso e celle fotovoltaiche

Semiconduttori e Sensori Laboratorio Semiconduttori e Sensori Gruppo

La CO2 da combustibili fossili: il petrolio 1 kg di petrolio produce al più 4 kwh elettrici Emissioni principali (dati USA) per kwh elettrico prodotto CO2 940 g/kwh SO2 6 g/kwh NOx 1.4 g/kwh Il dato più significativo è che per ogni kWh di energia elettrica consumata (1 giorno di un frigorifero, 1 ora di condizionatore, stufa elettrica, ferro da stiro o forno elettrico) si immette in atmosfera 1 kg di anidride carbonica corrispondente a circa 450 litri di gas serra. … e l’idrogeno? 1 kg di idrogeno produce circa 12 kwh elettrici senza emissioni inquinanti di alcun genere

L’utilizzo di combustibili fossili ha come prima conseguenza l’aumento di anidride carbonica (CO2)

Considerazione In Italia il consumo medio annuale per abitante è di 3T di petrolio, cioè 21 barili (essendo un barile circa 160 l) 3000 l  4KWh/l Significa 12000 KWh / anno 1m2 in 5 h di sole pieno al giorno e con il 40% di efficienza fornisce in un anno energia fotovoltaica pari ad un barile di petrolio;

La strategia europea per i combustibili 100% 75% Oil Based Fuels 50% Gas Based Fuels 25% Renewable Fuels Hydrogen 2000 2010 2020 2030 2040 2050 and beyond

Il ruolo dell’energia solare Può l’energia solare fotovoltaica (i pannelli piani) fornire una risposta “pulita” per soddisfare questo fabbisogno? L’energia fotovoltaica come la si concepisce oggi è ottima per applicazioni remote ma mal si adatta ad una generazione distribuita su larga scala. Impianto al passo dei Mandrioli

Analisi economica dei pannelli fotovoltaici piani Nei pannelli fotovoltaici piani il costo é diviso in 3 parti Materiale Assemblaggio 31 45 23 Lavorazione della cella Il costo finale del sistema é di 7-8 €/W Per l’elevato costo del materiale di partenza e della lavorazione non é prevedibile una riduzione dei costi I sistemi fotovoltaici non concentrati non possono, quindi, essere proposti come fonte per produzione di energia su larga scala

Silicio monocristallino Silicio policristallino

La proposta della concentrazione Esistono alternative? La proposta della concentrazione

Il sistema secondario di concentrazione mixer CPC 50° optical axis exit 75° Ray-tracing (OPTICAD) of the hCPC-mixer concentrator (terminal portion)

Si può utilizzare meglio l’energia solare? Specchi dicroici che separano i diversi colori della luce permettono di inviare a diverse celle fotovoltaiche le lunghezze d’onde a cui rispondono meglio. Le efficienze teoriche di conversione possono eccedere il 75% Celle PV al silicio Specchio dicroico Concentratore primario Celle PV ad Arseniuro di Gallio/ Indio (InGaP)

Splitting del fascio di luce Celle singole, tutto il fascio Celle singole, fascio separato Splitting fascio Cella GaInP: ~15% efficienza Cella Si : ~20% efficienza Cella GaInP: ~15% efficienza Cella Si : ~16% efficienza Efficienza: ~15 % oppure ~20 % Efficienza: ~15 % + ~16 % = ~31 % Specchio dicroico

L’evoluzione del concentratore: Un elettrodomestico solare Concentratore solare Pannello Energia elettrica L’idea Il prototipo

L’evoluzione del concentratore: Un elettrodomestico solare Costi molto 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.

Il ruolo dell’idrogeno Le fonti “fossili” non offrono una risposta energetica a lungo termine L’idrogeno rappresenta una alternativa (in particolare per l’autotrazione) ma… Solo un idrogeno generato da fonti rinnovabili può offrire realmente una strada “sostenibile” all’energia. L’idrogeno prodotto da combustibili fossili (processi di reforming) non risolvono il problema dell’inquinamento ma, al più, lo spostano al sito di generazione dell’idrogeno. Inoltre, l’idrogeno da reforming non è direttamente impiegabile nelle celle a combustibile polimeriche, le più promettenti dal punto di vista energetico.

La filiera dell’idrogeno La cella a combustibile Concentratore solare Pannello Specchio dicroico Accumulatore di idrogeno Elettrolizzatore Energia elettrica

L’elettrolizzatore: idrogeno dalla corrente elettrica L’idrogeno fornisce una soluzione al problema dell’accumulo dell’energia elettrica e, potenzialmente, al problema dell’autotrazione. Ma solo un idrogeno pulito permette di usare celle a combustibile Idrogeno: ingresso 2.5 kw Uscita 250 l/ora

=75% tra energia elettrica dal modulo e energia chimica nell’idrogeno

L’accumulo dell’idrogeno: le spugne metalliche Per accumulare l’idrogeno in maniera sicura una soluzione è offerta da spugne metalliche ove l’idrogeno si “chemisorbe” a bassa pressione Una piccolo esempio della tecnologia Contiene 240 L (pressione standard) Una applicazione recente: contiene 3000 litri

=30% tra energia chimica nell’idrogeno e energia elettrica al motore. 5l a 200atm  1KWh

Il passaggio finale: dall’idrogeno alla corrente elettrica La teoria della cella a combustibile Una cella a combustibile modulare

… oppure una applicazione “mobile”…