Sistemi IbridiFotovoltaico-Termici

La potenzialità degli impianti fotovoltaico- cogenerativi

Ing. Carlo PrivatoResponsabile Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche

ENEA – Centro Ricerche Porticicarlo.privato@enea.it

Workshop AIEE-ISES

“La produzione termica da Fonti Rinnovabili per il raggiungimento del target 2020”

Roma, 21 aprile 2010

La Cogenerazione Fotovoltaico-Termica (PV/T)

Solare Fotovoltaico (PV)Energia Elettrica

kWheUtenza Elettrica/Rete

Solare Termico (T)Energia Termica a Bassa T

kWhtRiscaldamento fluidi

“T < 60 ºC “

Solare Termodinamico (TD)Energia Termica a Media-

Alta TkWht

Processi e cicli “T > 100 ºC “

Cogenerazione PV/T

Moduli Ibridi Piani PV/T

kWhe + kWht

Cogenerazione CPV/T

Moduli Ibridi Concentrazione

CPV/TkWhe + kWht

Cogenerazione

Modulo FVincapsulato

Energia elettrica

Fluido in

Fluido out

PV/T Piano: funzionamento

Con e senza vetro(glazed – unglazed)

PV/T a liquidoPV/T ad aria

Celle fotovoltaiche convenzionali in silicio policristallino o a film sottile

PV/T Piano: La tecnologia

TESPI (I)

PV TWINS (NL)

SOLARHYBRID (D)

Vantaggi

1. Migliore sfruttamento energia solare incidente

2. Minore superficie captazione occupata a parità di energia elettrica e termicaprodotta da pannelli separati

3. Riduzione costi complessivi

4. Migliore efficienza fotovoltaica per applicazioni a basse temperature

5. Facilmente integrabili architettonicamente negli edifici

Limiti

1. Un elemento critico è costituito dalla necessità di isolare elettricamente le celle fotovoltaiche dal circuito di raffreddamento e questo contrasta con la riduzione delle resistenze termiche

2. Presenza vetro copertura:

• Aumenta resa termica perchè riduce la dispersione frontale

• Rischio delaminazione sandwich fotovoltaico e riduzione della sua vita utile a causa delle possibili elevate temperature in caso di stagnazione

3. Applicazioni per basse temperature

4. Accesso alle incentivazioni limitato

Ibridi PV/T Piano: Pro e Contro

PV/T a Concentrazione (CPV/T): la tecnologia

Celle FV a concentrazione

Circuito di raffreddamento

Inseguimento solare ad 1 asse

Luce concentrata

Radiazione solare diretta

Riflettore

Moduli CPV/T in prova c/o CR ENEA Trisaia

PV/T a Concentrazione (CPVT)Esempi commerciali

Absolicon (Sweden)

Lunghezza modulo da 6 mLarghezza 1,1 mPeso 195 kgConcentrazione 10XProduzione di calore a 50 °C (Madrid) 3610 kWh/annoArea utile 5,8 m2

Potenza elettrica (1000 W/m2 25 °C) 550 WIsc 13 AVoc 51 VProduzione elettrica 700 kWh/annoArea utile 4,9 m2

Dati Tecnici

PV/T a Concentrazione (CPVT)Esempi commerciali

Combined Heat and Power Solar CHAPS (Australia)

PV/T a Concentrazione (CPVT): La tecnologia

Celle fotovoltaiche specifiche per impianti a concentrazione

Suns Isc (A) Voc (V) FF (%) Eff (%)1 0.0444 0.645 83.02 19.64

22 1.0049 0.722 82.13 21.78 54 2.4265 0.741 78.2 21.28 98 4.3616 0.752 74.2 20.47 158 7.0127 0.758 69.12 19.22

Linear front grid

Square front grid: 20% at 200 suns

Cella ENEA: c-Si per una tecnologia robustae poco costosa, max temp. 100°C

Attività in corso: Progetto Apollon (VII FP)

Progetto SCOOP (Industria 2015)

Vantaggi

1. Possibile utilizzo di celle fotovoltaiche a concentrazione ad alta efficienza

2. Calore disponibile a livelli di temperatura più elevati (migliore qualità delcalore prodotto)

3. Possibile riduzione complessiva dei costi per un ridotto impiego di materialiattivi costosi

Limiti

1. Sistemi a inseguimento non facilmente integrabili negli edifici

2. Costo di esercizio/manutenzione più elevato

3. Efficienza elettrica limitata dalle alte temperature

4. Maggior pericolo della stagnazione per gli aumenti di temperaturainsostenibibili per il ricevitore

5. Adatto per siti caratterizzati da alta radiazione diretta

6. Assenza normativa e restrizioni sull’accesso alle incentivazioni

Ibridi CPV/T: Pro e Contro

0 50

100 150 200°C (Temperatura)

Riscaldamento acqua e aria

DissalazioneRaffreddamento - Cicli frigoriferi ad assorbimento

Cicli frigoriferi ad assorbimento a doppio effetto

Calore di processoVapore

“T < 60 ºC “Riscaldamento acqua/ambienti

“60 ºC > T < 130 °C “Largo campo di applicazioni: processi,

cicli

Il campo delle possibili applicazioniTemperatura = Livello di qualità del calore

Ibridi piani PV/T kWhe + kWht

Ibridi a concentrazione CPVT

kWhe + kWht

• Settore civile

– Produzione di acqua calda sanitaria e riscaldamento piscine (collettori a bassa temperatura)– Sistemi combinati per la climatizzazione invernale (Comby-system che utilizzano collettori a bassa temperatura)– Climatizzazione estiva degli ambienti (Solar cooling applicato al settore residenziale e commerciale con collettori a

concentrazione)– Autoproduzione di energia elettrica (scambio sul posto)

• Settore agricolo/industriale

– Produzione di calore per riscaldamento serre e per processi industriali a bassa e media temperatura – Produzione di freddo per l’industria alimentare (media temperatura)– Produzione di acqua dissalata mediante processi termici (bassa e media temperatura)– Impianti/camere essiccazione– Autoproduzione/produzione di energia elettrica (scambio sul posto/vendita)

La disponibilità di energia solare

Centro-Sud ItaliaGlobale su piano orizzontale

1600-1800 kWh/m2

Centro-Sud ItaliaDiretta su piano a

inseguimento1200-1600 kWh/m2

(moto N-S e E-O)

La producibilità energetica utile:il bilancio energetico (Caso reale PV/T)

IBRIDO Piano PV/T

ηth=50%

Hi=1600 kWh/m2

Eth=704 kWht (En. Termica)

Eloss=704 kWh (Perdite)

Edc=192 kWhe (En. Elettrica)ηpv=12%

S=1 m2

ηpv/t=56%

Energia annua ottenibile1 m2 di superficie di collettore ibrido PV/T

• 190 kWhe annui di Energia Elettrica• 700 kWht annui di Energia termica

Collettori con prestazioni commercialiEfficienza energetica media annua

•Fotovoltaico:ηpv=12%

•Termico:ηth=50%

Benefici ambientali190 kWhe ≈ risparmio di ≈ 475 kWh energia primariaemissione evitata di 127 kg CO2 in atmosfera

700 kWht ≈ risparmio ≈ 875 kWh energia primariaemissione evitata di 175 kg CO2 in atmosfera

La producibilità energetica utile:il bilancio energetico (Caso reale CPV/T)

Caso CHAPS

ηth=68%

Hi=1600 kWh/m2

Eth=957 kWht (En. Termica)

Eloss=451 kWh (Perdite)

Edc=192 kWhe (En. Elettrica)ηpv=12%

S=1 m2

ηpv/t=72%

Energia annua ottenibile1 m2 di superficie di collettore ibrido PV/T

• 190 kWhe annui di Energia Elettrica• 950 kWht annui di Energia termica

Collettori con prestazioni commercialiEfficienza energetica media annua

•Fotovoltaico:ηpv= 12%

•Termico:ηth= 68%

Le Valutazioni economicheIl valore dell’energia ?

• L’energia elettrica fotovoltaica ha un valore economico diretto e ben definito:

Costo evitato della equivalente fornitura (Bolletta elettrica) • ≈ 0,15-0,25 €/kWhe

Eventuali incentivi cumulabili (vedi tariffe incentivanti Conto Energia) ) • ≈ 0,30-0,40 €/kWhe

• L’energia termica ha un valore che dipende strettamente dalle specifichecondizioni dell’utenza, ovvero dal sistema con cui in alternativa essa vieneprodotta, dipende quindi da:

Costo evitato energia elettrica equivalente da scalda-acqua elettrico• ≈ 0,17-0,28 €/kWht

Costo evitato del gas equivalente da caldaia a gas di piccola taglia• ≈ 0,09-0,11 €/kWht

Costo evitato energia primaria per processo, medie-grandi taglie, etc…• ≈ 0,04-0,09 €/kWht

Quale valore economico associare all’energia prodotta?

Costo investimento specifico

1 m2 di superficie di collettore ibrido PV/T costa ≈ 1000-1200 €/m2

Entrata annua specifica

• 190 kWhe annui di Energia Elettrica, a 0,20 €/kWhe valgono ≈ 38 €• 700 kWht annui di Energia termica, a 0,10 €/kWht valgono ≈ 70 €

L’entrata annua complessiva di 38+70=108 € permette di riscontare un periodo di pay-back (semplice) dell’ordine di:

Ritorno Investimento: PBT=1200 €/108 €≈ 12 anni

Il PBT è troppo elevato per la convenienza! Potrebbe scendere a livelli appetibili di 6-7 anni considerando l’accesso

ad eventuali incentivi (fotovoltaico +0,30 €/kWh conto energia)

E’ evidente la necessità di potenziare la ricerca e sviluppo finalizzata a crearecondizioni di mercato nell’ottica della competitività dell’applicazione

Le Valutazioni economicheIl ritorno dell’investimento ?

Thermal Market Italy (glazedcollector)

295 MWt/3.300 MWt ~ 9%

Il mercato del Solare Termico:Europa/Italia (2008)

N.B: Direttiva 20-20-20 non distinguetra energia elettrica e termica per il raggiungimento degli obiettivi al 2020

Italia si trova nettamente al di sotto della media europea

(18 kWt per migliaia di abitanti)

Potenza cumulata totale impianti fotovoltaici entrati in esercizio con il conto energia (dati GSE)

Contesto di riferimento: Il contributo e la diffusione del fotovoltaico

Costo incentivazione per il solo Nuovo

Conto Energia al 28-02-2010 erogato dal

GSE:

255 M€

Un pari investimento per incentivare, solo

per la produzione elettrica, i sistemi

ibridi PV/T avrebbe un efficacia 4-5

volte maggiore ai fini del

raggiungimento degli obiettivi al

La normativa

Lo stato attuale

1. La normativa dei moduli fotovoltaici convenzionali è ormai ben strutturata e consolidata. Per i moduli a concentrazione esiste una base di partenza chenecessità di essere ampliata e dettagliata con urgenza

2. La normativa dei moduli termici è consolidata per quelli piani mentre è ancorain fase di elaborazione per i sistemi a concentrazione

3. Una normativa specifica per i moduli ibridi PV/T non è ancora stata sviluppata. Sono in corso in ambito CEN/TC 312 attività finalizzate a ridefinire le normativa esistenti sui collettori termici per adeguarla all’evoluzione delle tecnologie esistenti tra cui quella relativa ai sistemi ibridi

Conclusioni

La tecnologia ibrida PV/T ha grandi potenzialità per tutte le applicazioni in èprevisto un consumo sia di energia elettrica che di energia termica (residenziale, servizi, agricoltura, industria)

L’accesso dei sistemi PV/T all’incentivazione in Conto Energia (per la produzione elettrica) li renderebbe competitivi e avrebbe un effetto moltiplicativo ai fini del raggiungimento degli obiettivi di riduzione della produzione di CO2 (Piano 20-20-20)

E’ una tecnologia che coinvolge settori tipici dell’industria italiana (meccanica, elettronica, vetro, plastica, fotovoltaico) ma attualmente non risultano presenti sul nostro territorio attività e investimenti a lungo termine da parte del comparto produttivo.

I dati per valutare l’affidabilità dei sistemi sono pochi per la scarsa diffusione dovuta al costo elevato e alla sua limitata conoscenza nel mondo professionale

Ci sono limiti nella normativa e nell’accesso a forme di incentivazione.

La Cogenerazione Fotovoltaico-Termica (PV/T)

Grazie per l’attenzione

ENEA Centro Ricerche Portici

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