09/04/2012

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Seminario di energetica

ITIS G. Marconi (Verona)

dott. Riccardo Maistrello

mercoledì 11 aprile 2012

ENERGIA DAL SOLEIMPIANTI SOLARI E FOTOVOLTAICI

Definizioni utili Il Sole investe la Terra di energia in ogni istante. La quantità di

energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che puòessere utilmente “raccolta” e “convertita” da un appositodispositivo dipende dall’irraggiamento del luogo.

L’irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solareincidente su una superficie unitaria in un determinato intervallodi tempo, tipicamente un anno (generalmente espressa inkWh/m2 a) (è l’energia espressa in [kWh] che arriva ed investe unasuperficie di un metro quadro [1 m2] in un anno [1 a])

Il valore istantaneo della radiazione solare incidente sull’unità disuperficie viene invece denominato radianza (W/m2). Laradianza al bordo dell’atmosfera è pari a circa 1370 W/m2(costante solare).

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L’effetto filtro dell’atmosfera L’atmosfera però, come ogni corpo, non lascia passare tutta la

radiazione che giunge dal Sole. Una parte viene riflessa, viene inviatacioè indietro nello spazio senza che possa giungere al suolo; un’altraparte viene assorbita (e scalda i gas che formano l’atmosfera); unaterza parte viene trasmessa, attraversa cioè l’atmosfera come sequesta fosse trasparente e arriva al suolo. È solo quest’ultima partedella radiazione solare che noi possiamo utilizzare dalla Terra.

atmosfera

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Luce diretta e luce diffusa La radiazione che arriva al suolo (che è solo una parte di quella che il

Sole ci invia) ha due componenti: una componente diffusa (cioè lucediffusa, senza direzione prevalente ma “chiarore”) ed una diretta (condirezione specifica, che arriva sotto forma di “raggi”).

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Spettro della radiazione solare Lo spettro della radiazione solare è un diagramma che ci permette di

vedere quali frequenze (lunghezze d’onda) sono presenti nellaradiazione solare e quanta energia portano. Sappiamo che laradiazione solare, di cui la luce a noi visibile è solo una parte, puòessere vista come un fascio di onde che viaggiano assieme, puravendo caratteristiche differenti.

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Radiazione “utile” Ma solo una parte della radiazione che arriva al suolo può

essere convertita in energia elettrica ( Effetto fotoelettrico). Inparticolare le componenti della radiazione sfruttabili devonoavere energia superiore ad 1,1 eV (ovvero lunghezza d’ondainferiore a 1100 nanometri, con nm = 10^(-9) metri, miliardesimi di metro)

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Irraggiamento del pianeta È evidente che ci sono zone del pianeta che hanno sole più forte e per

più ore l’anno di altre. L’irraggiamento medio è di 1500 kWh/m2 a

(in media, su un metro quadro di terreno, arriva un’energia di 1500 kWh in unanno)

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Irraggiamento in Europa In Europa abbiamo un irraggiamento sotto la media mondiale ed

evidentemente questi è maggiore nei paesi meridionali (Italia,Spagna, Grecia) dove può arrivare a 1700 kWh/m2 (p.e. alcune zonedella Sicilia). La media europea è però 1000 kWh/m2 a.

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Irraggiamento in Italia In Italia abbiamo una forte

vocazione allo sfruttamentodell’energia solare proprioperché l’irraggiamento medio èbuono (1400 kWh/ m2 a).

Pianura padana: 1300 kWh/m2 a

Centro-Sud Italia: 1500 kWh/m2 a

Sicilia: 1700 kWh/m2 a

Attenzione: l’irraggiamento èun’energia primaria, lorda, chenella conversione in energiasecondaria (p.e. elettricità) subiscedelle perdite. Perciò gliirraggiamenti forniti sono datiteorici, riferiti ad un potenziale,non dati di produzione netta.

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Catturare l’energia dal Sole Gli impianti solari nell’emisfero nord vanno sempre orientati verso sud

(e viceversa). Inoltre non tutte le inclinazioni vanno bene, ma bisognaricercare quella ideale, che in Italia si aggira intorno ai 30 gradi.

L’ideale sarebbe installare sistemi che inseguono il sole (“solartracking”) che ovviamente fanno lievitare i costi di realizzazionedell’impianto e si installano quindi raramente.

dati Kuwait!

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Importanza di orientamento ed inclinazione(in tabella coefficienti correttivi irraggiamento)

Solare termico (imp. solare bassa temperatura)

Il modo più semplice ed intuitivo per sfruttare l’energia del sole èimpiegarla per scaldare un fluido, come l’acqua di un impiantodomestico. Questa tecnologia ha già raggiunto un buon grado dimaturità, permette di avere buoni rendimenti di conversione (ancheoltre il 60%) per riscaldamenti dell’acqua con ∆T fino a 40-60 gradi.

La realizzazione è semplice, l’impianto poco costoso, il beneficioimmediato.

Spesso si integra lo

scaldabagno con un

boiler elettrico

Per 1 famiglia occorre

una superficie di

2-5 m2 sul tetto

Serbatoio 100/200

litri

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Solare “termodinamico” o “a concentrazione”

(imp. solare alta temperatura) Si usa ancora il sole per scaldare un fluido, ma ad altissima temperatura.

Occorre far convergere i raggi solari raccolti da specchi piani o parabolicisu un volume molto ridotto, dove la temperatura può arrivare ad oltre1000 gradi. Un fluido così caldo si può usare in un ciclo termoelettrico oper dissociare l’idrogeno dall’acqua.

• I sistemi con concentratoriparabolici lineari (CPL) usanosuperfici riflettenti parabolicheper concentrare i raggi lungouna linea (dove scorre il fluidoda riscaldare).• Si arriva a temperature di 400gradi ed in condizioni ottimalipermettono di generareelettricità 12 c€/kWh.

Solare “termodinamico” o “a concentrazione”

(imp. solare alta temperatura) I sistemi a torre invece concentrano la luce di un’enorme distesa di

specchi solari (eliostati) in un unico punto, in cima ad una torre, dove èposizionata una caldaia. Qui si può produrre vapore ad altissimatemperatura o, in alcuni casi, estrarre idrogeno dall’acqua adinquinamento ridotto (normalmente si estrae dal petrolio).

Temperature fino a 1200 gradi. Potenze (per elettricità) fino a 20 MWe.

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Impianto Andasol, Andalusia, Spagna

Concentratori

Parabolici

Lineari

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Impianto a torre PS 10, Sanlucar, Spagna

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Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico Per mancanza di tempo, noi vedremo qualcosa in più solo sul fotovoltaico.

Materiali di approfondimento saranno messi a disposizione degli studentiinteressati.

La tecnologia fotovoltaica permette di convertire l’energia della radiazionesolare in energia elettrica. Come sappiamo, la radiazione solare può essereconsiderata come un fascio di onde elettromagnetiche ognuna delle qualitrasporta una certa energia ed oscilla con una certa frequenza, o come unflusso di fotoni, particelle elementari con massa nulla che viaggiano allavelocità della luce e portano con sé pacchetti di energia. L’energia di unfotone è sempre multipla di una certa energia-minima, si parla infatti di“quanti” di energia e si immagina che questa sia trasportata in “pacchetti”.

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Effetto fotoelettrico Un modulo solare è innanzitutto un diodo, più correttamente un fotodiodo. È infatti

realizzato in silicio (atomi con 4 elettroni di valenza) drogato con impurità trivalenti

(Boro) da un lato (lato p, con prevalenza di cariche positive dette “lacune”) e con

impurità pentavalenti (Fosforo) da un altro (lato n, eccesso di elettroni, cariche

negative). In prossimità della giunzione p-n, dopo una prima ricombinazione di

lacune ed elettroni, si crea una barriera di potenziale che impedisce che la

ricombinazione prosegua e mantiene le lacune del lato p separate dagli elettroni del lato n.

Dopo un primissimo transitorio quindi, tutti i processi si arrestano ed il flusso di carica

(corrente) si arresta.

In elettronica occorre polarizzare il diodo per ripristinare la conduzione (polarizzazione

diretta), forzando la barriera di potenziale a ridursi sotto l’effetto di una tensione

applicata da un generatore.

In un modulo fotovoltaico, si lascia ai fotoni, alle “luce”, il compito di energizzare

sufficientemente gli elettroni perché possano passare dalla banda di valenza a quella di

conduzione (energy gap = 1,1 eV). Per ogni fotone assorbito dal fotodiodo si genera

una quindi coppia elettrone-lacuna e, sotto l’effetto del campo inverso, ogni carica

viene accelerata verso un differente lato del fotodiodo.

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Effetto fotoelettrico - Limiti Le scarse efficienze dei moduli FV non sono legate a grandi perdite di conversione (in linea

con gli standard dei dispositivi elettronici oggi in commercio) ma a limiti fisici intrinseci

della conversione fotoelettrica.

Nota:

Il 32% dell’energia della

radiazione è in eccesso,

superiore all’energy gap, e

viene perciò dissipata sotto

forma di calore, con il risultato

di scaldare il modulo e

degradarne le prestazioni.

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Materiali per il fotovoltaico

Le celle fotovoltaiche, che operano la conversione energetica, possonoessere realizzate con materiali differenti. Principalmente si realizzano insilicio cristallino (80% del mercato globale) ma la ricerca si staindirizzando verso nuovi materiali (p.e. tellururo di cadmio, CdTe).

Monocristallino, più costoso e performante,

occupa un po’ meno spazio e funziona bene

con la radiazione diretta.

Policristallino, più economico, ha

prestazioni un po’ peggiori del mono- ma

sta migliorando notevolmente.

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Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico

Silicio amorfo, rendimenti più bassi,

richiede spazi maggiori del mono- e

poli- cristallino, ma lavora bene con la

luce diffusa e costa poco

Tellururo di cadmio: sono

un’incognita perché a fronte di

prezzi molto bassi (circa la metà

del Si) contengono Cadmio e

Tellurio, scarti molto tossici

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Nel mondo è First Solar ad aver scommesso sulla tecnologia CdTe,scommessa rischiosa e probabilmente poco ‘green’, a cui moltiguardano con perplessità. In realtà la compagnia difende la propriascelta, rivendicando il fatto che produrre energia solare a basso costosia di fatto un atto a favore dell’ambiente e che i moduli al tellururo dicadmio non siano poi così pericolosi.

In Italia Conergy rivende i moduli di First Solar, con qualcheavvertenza…

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Rendimenti dei moduli I rendimenti sono calcolati in condizioni standard (irradianza 1000

W/m2, radiazione fuori dall’atmosfera, temperatura 25 gradi)… condizioni ideali è forse il termine corretto.

Un modulo lavora spesso a 70-80 gradi (in estate 30-40 ambiente +∆T), invecchia anno dopo anno (-1% kWp ogni anno), risente delle condizioni meteorologiche e dello sporco (polvere, escrementi, depositi etc.)

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Fotovoltaico ed effetto fotoelettrico

Un impianto fotovoltaico è tipicamente composto dai pannelli, dalleprotezioni conto i guasti elettrici, dagli inverter, da due contatori (unodell’energia erogata, l’altro di quella assorbita) e dall’utilizzatore (p.e.casa monofamiliare).

Il prezzo per impianti “chiavi in mano” decresce al crescere della taglia(un impianto più piccolo, in proporzione, costa più di uno grosso).

Generale: 3’000-5’000 €/kWp

Impianto domestico 3 kWp: 10/12’000 €

Impianto per azienda 20 kWp: 60/70’000 €

Ovviamente dipende dall’azienda,

dai materiali che usa, dai moduli e

dagli inverter che installa etc.

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Suddivisione dei costi

I moduli sono la principale voce di spesa, ma anche gli inverter sonodispositivi costosi (e con vita = 12-15 anni);

Inoltre occorre considerare il lavoro di tecnici e specialisti che sta dietro laprogettazione (manodopera).

Il costo dell’energia generata varia moltissimo con le caratteristichedell’impianto (materiali, moduli, installazione, posizione geografica,presenza di ostacoli etc.) ma si aggira comunque sui 25-35 cent/kWh… daqui la necessità degli incentivi!

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Incentivi Esistono due sistemi di gestione ed incentivazione della produzione per

chi installa un impianto FV. Entrambi sono legati alla produzioneeffettiva di energia (nessun vincolo sulla destinazione) e non sullapotenza installata, sull’investimento economico o altro.

Il principio alla base è il seguente. Dal momento che con un impianto FVnon puoi generare energia convenientemente (25-45 cent/kWh,converrebbe comprare energia dalla rete) per ogni singolo kWh cheproduci ti riconosco un “indennizzo” affinché il kWh da FV diventiconveniente e tu possa rientrare, con un giusto margine,sull’investimento realizzato nell’arco della vita del tuo impianto.

Il Conto Energia riconosce un incentivo su ogni kWh generato dafotovoltaico (o solare termodinamico) per 20 (25) anni.

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Quarto conto energia

2005-2007 Primo conto energia;

2007-2010 Secondo conto energia;

2010-2011 Terzo conto energia;

2011-2016 Quarto (e ultimo) conto energia.

Alcuni esempi (www.gse.it ):

Impianti su edifici, 1-3 kWp, Gen-2012: 0,274 €/kWh

Impianto su edifici, 3-20 kWp, Gen-2012: 0,247 €/kWh

Impianto su edifici, 20-200 kWp, Gen-2012: 0,233 €/kWh

Impianto su edifici, 200-1000 kWp, Gen-2012: 0,224 €/kWh

Solare a concentrazione, 1-200 kWp, Gen-2012: 0,352 €/kWh

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Scambio sul posto e Ritiro dedicato

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Scambio sul posto

E’ il primo dei due meccanismi di gestione dell’elettricità prodotta da unimpianto FV. Permette al proprietario di un impianto di utilizzare sulmomento l’energia prodotta e di immettere in rete quella nonconsumata (che non viene così persa, ma viene distribuita nella reteelettrica). Il sistema ha memoria dell’elettricità immessa e nonconsumata e permette di “recuperarla” successivamente. Viene cioèmonitorata l’energia immessa in rete e quella prelevata, e l’utente èchiamato a pagare in bolletta solo il saldo finale, ovvero:

Energia presa dalla rete – Energia immessa in rete

Saldo che può essere positivo (pago al mio fornitore l’energia consumata “inpiù”), negativo (ricevo una serie di bonus dal fornitore, che mi è “debitore” dienergia) o nullo (ho immesso la stessa energia che poi ho riutilizzato e nonpago nulla… sulla quota energia tasse e altre voci, sì che le pago!).

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Ritiro dedicato

È una modalità semplificata di vendita dell’energia prodotta da fonterinnovabile per chi non è interessato all’autoconsumo ma alla sola produzione.Invece che ricorrere a contratti con privati o alla contrattazione in borsa(mercato elettrico) si può vendere direttamente la produzione al GSE, che deveacquistarla ad un certo prezzo stabilito dall’AEEG.

Che prezzo però? Per impianti solari FV fino ad 1 MW (≈ 10’000 m2) si va dagli8 ai 10 centesimi di euro per kWh (prezzi minimi 2012), per i produttori piùgrandi si va dai 6 agli 11 cent/kWh (prezzi zonali medi).

Tutti i documenti e le schede tecniche, i manuali e le guide, sono disponibili sulsito del Gestore dei Servizi Energetici (GSE), www.gse.it

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Prezzi dell’en elettricaIn questo corso non abbiamo visto quasi nulla di

mercato elettrico, ma tenete sempre bene a mente

che il prezzo dell’energia elettrica

(euro/MWh) si forma all’interno di un mercato

libero e concorrenziale, attraverso

meccanismi di contrattazione in borsa.

La formazione del prezzo dipende da un numero

enorme di variabili: centrali utilizzate per

produrre energia, prezzi del combustibile, zona di

produzione, giorno della settimana, fascia oraria di

produzione etc.

L’energia prodotta per i “picchi” di domanda costa

molto di più di quella prodotta durante le “valli” o

di notte.

Prezzi medi zonali GSE

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Prezzi di vendita ai

consumatori finali

(AEEG, 2012)

cent

€/k

Wh

perc

. su

tot.

Costi di rete e di

misura2,6 14

Oneri generali di

sistema2,3 13

Imposte 2,4 13

PED (energia +

dispacciamento +

perequazione)

9,2 53

Commercializzaz. 0,8 4

Totale al lordo delle

imposte17,3 100

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Prezzi dell’en elettrica per gli utenti

finali (maggior tutela AEEG)

A) Abitazione di residenza anagrafica con potenza impegnata fino a 3 kW

Servizi di venditaServizidi rete

Oneri generali

TOTALE

Monorario Biorario Monorario Biorario

Quota energia (€/kWh) fascia unica fascia F1 fascia F23 fascia unica fascia unica fascia unica fascia F1 fascia F23

kWh/anno: da 0 a 1800 0.10 0.11 0.10 0.00 0.02 0.13 0.14 0.12

da 1801 a 2640 0.11 0.12 0.10 0.04 0.03 0.17 0.19 0.17

da 2641 a 4440 0.11 0.12 0.10 0.08 0.04 0.23 0.24 0.22

da 4441 0.11 0.12 0.11 0.12 0.04 0.27 0.28 0.27

Quota fissa (€/anno) 16.47 6.00 22.47

Quota potenza (€/kW/anno)

5.47 0.17 5.64

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Istruzioni per lo studio personale

Studiare questa presentazione.

Sul blog del corso saranno pubblicati numerosi materiali diapprofondimento e i siti di GSE e AEEG sono vere miniere d’oro(informazioni tecniche, commerciali, normative).

Non c’è nessuna esercitazione per il prossimo incontro, che saràdedicato all’esame finale (inizio h 13.30).

Avete 15 giorni per guardarvi con calma le presentazioniutilizzate in classe e dare un’occhiata ai materiali pubblicati sulblog. Buon lavoro!

(temi d’esame tipo sono disponibili sul blog)

Per ogni dubbio, domanda o segnalazione, scrivete a: riccardomaistrello@gmail.com