A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O                                                                    ...
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  1. 1. A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O Progetto grafico: PRC Roma IMPRESE X INNOVAZIONE Sistemi fotovoltaici e loro applicazioni Questa guida è stata realizzata in collaborazione con SEETA Consulting Ltd - Servizi per Ingegneria Ecologica, Tecnologia ed Architettura, Londra. Suggerimenti per migliorare l’utilità di queste guide e per indicare altri argomenti da approfondire sono più che benvenuti: toolkit@confindustria.it www.confindustriaixi.it
  2. 2. A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C OSISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONIIL FOTOVOLTAICO luppo sostenibile è molto importante, seUN FATTORE IMPORTANTE noi desideriamo creare un ambiente favo- revole per la vita dei nostri figli e delle fu-La rapida diminuzione delle risorse natu- ture generazioni.rali e il parallelo aumento dei consumi La comunità scientifica ha raggiunto unamondiali di energia, in combinazione con opinione concorde sulle ragioni delle al-gli aumenti dei prezzi internazionali del terazioni climatiche, poiché la temperatu-petrolio, sono fattori importanti per l’at- ra del mondo, senza dubbio, sta aumen-tuale situazione nel mondo e spingono a tando. Questo aumento di temperatura èpensare come migliorare l’uso delle fonti il risultato delle emissioni di ossido di car-dell’energia rinnovabile e sostenere forte- bonio ed altri gas serra prodotti dalle atti-mente la loro applicazione a livello mon- vità umane, compresi i processi industria-diale. Le previsioni internazionali, il pro- li, la combustione di carburanti fossili,blema del mutamento climatico e le sue nonché i cambiamenti nell’utilizzazioneconseguenze sulla vita e sul pianeta mo- delle risorse della terra come la deforesta-strano che un cambiamento verso lo svi- zione. FIGURA 1 - QUOTA DELLE ENERGIE RINNOVABILI NELLA PRODUZIONE MONDIALE DI ELETTRICITÀ Fonte: European Renewable Energy Council (EREC), 2004 1
  3. 3. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O Nella figura 1 è interessante notare la FIGURA 2 - SCHEMA DEL FOTOVOLTAICO previsione per la fornitura di elettricità dalle energie rinnovabili per il 2040, co- me esse contribuiscano per più dell’80% alla fornitura globale di elettricità e con una buona parte fornita dai sistemi foto- voltaici.A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O Il FOTOVOLTAICO: UN FATTORE IMPORTANTE • Aumento del Prezzo del Petrolio (100$ al Barile/Gennaio 2008) • Necessità di una politica energetica • Incremento delle energie rinnovabili per un ‘Mix Energetico’ • Sviluppo tecnologico del Fotovoltaico Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney OBIETTIVI: SITUAZIONE DEL FOTOVOLTAICO voltaica come invece è accaduto nei paesi gia. Questa tariffa incentivante può essere • Minore costo dell’ impianto IN ITALIA europei sopra menzionati. concessa a tutti gli impianti fotovoltaici con • Maggiore efficienza Tuttavia dal Settembre del 2005 è attivo un potenza superiore ad 1 kWp, mentre l’ente • Aumento delle applicazioni architettoniche Nel corso degli ultimi anni in molti paesi sistema di incentivazione denominato “Con- pubblico preposto a fornire questo incenti- europei si è verificata una notevole crescita to Energia” per la produzione di Energia elet- vo è il GSE (Gestore dei Servizi Elettrici). Le dell’utilizzo di impianti fotovoltaici, come trica attraverso impianti fotovoltaici. In data modifiche introdotte a febbraio 2007 preve- PERCHÉ È CONVENIENTE USARE in Germania, Olanda e Svizzera mentre in molto recente, febbraio 2007, sono stati in- dono che la richiesta al GSE per la conces- MAGGIORMENTE L’ENERGIA SOLARE? Italia il mercato è sempre stato limitato ad trodotti cambiamenti radicali allo schema sione della tariffa incentivante debba esser un uso particolare da parte di utenze disagia- originario. La caratteristica fondamentale di fatta immediatamente dopo l’inizio del fun- L’energia solare è un combustibile: te oppure da impianti sperimentali che so- questo sistema di incentivazione è quella di ziamento dell’impianto fotovoltaico. • Gratuito no stati realizzati con finanziamenti pubbli- dare un valore all’energia prodotta dall’im- • Rinnovabile, in quanto praticamente inesauribile ci e prevalentemente utilizzati per lo studio pianto secondo una tariffa incentivante. In • Non inquinante, in quanto il suo utilizzo non determina alcuna emissione di sostanza di questa nuova tecnologia e per le sue ap- altre parole, se lo Stato riconoscesse ai cit- BASE DEL FOTOVOLTAICO/ inquinante e di anidride carbonica, principale plicazioni. Tra l’altro va segnalato che da tadini ed alle aziende titolari di impianti fo- DATI/TECNOLOGIA responsabile dell’effetto serra e del parte dei vari governi che si sono succeduti tovoltaici oltre ad un contributo sulla pro- riscaldamento serra e del riscaldamento nel corso degli anni non è mai stata avviata duzione di energia elettrica, anche un siste- L’effetto fotovoltaico globale in atto una campagna di finanziamenti a fondo ma di sgravi fiscali più vantaggiosi e finan- L’ effetto fotovoltaico converte la luce del • Accessibile a tutti perduto per coprire i costi iniziali di acqui- ziamenti di altra natura, ci sarebbe una mag- sole direttamente in elettricità. sto ed installazione della tecnologia foto- gior attrattiva verso questo tipo di tecnolo- Fu scoperto per la prima volta nel 1860 ed2 3
  4. 4. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O è dovuto ad una caratteristica fisica dei ma- pannello rettangolare, spesso pochi millime- Elementi di un impianto fotovoltaico teriali detti «semiconduttori», tra cui il sili- tri, con una superficie fra 0,1 e 3 m2 del pe- Un impianto fotovoltaico è costituito da una cio (usato anche nei componenti elettroni- so di qualche chilogrammo, con prestazioni serie di pannelli fotovoltaici collegati fra lo- ci), il boro e il fosforo (questi ultimi servo- differenti a seconda della qualità delle celle ro ed appoggiati ad una struttura che li sor- no per dare la positività e la negatività). utilizzate della relativa tecnologia di fabbri- regge e provvede al loro orientamento, dan- Quando un raggio luminoso colpisce la cel- cazione. do un’inclinazione rispetto al piano orizzon- la solare alcuni fotoni (particelle di energia tale che in Italia è ottimale di circa 30°. che lo compongono) trasferiscono la loro Sistemi fotovoltaici I pannelli fotovoltaici sono collegati ad unA M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O energia agli elettroni che, incominciando a I sistemi fotovoltaici si dividono in due tipi: inverter che è un dispositivo elettronico che muoversi in una direzione particolare, crea- 1. Sistemi “Stand Alone“ o con accumulo, consente di adeguare l’energia elettrica pro- no corrente elettrica continua. Facendo pas- quando l’unica fonte di energia utilizza- dotta dai moduli alle necessità delle appa- sare per fili metallici molto sottili la corrente ta per alimentare una utenza isolata è l’e- recchiature elettriche o alla rete, effettuando ottenuta e aggiungendo altre correnti prove- nergia solare fotovoltaica. la trasformazione della corrente da continua nienti da altre cellule simili che compongo- 2. Sistemi “Grid Connected“ o connessi in ad alternata con una frequenza di 50 Hz. no il pannello, si può raggiungere la poten- rete (Tetti Fotovoltaici), quando l’energia Successivamente sulla linea è installato un za necessaria all’uso desiderato (Figura 2). elettrica prodotta con il sistema fotovol- misuratore di energia che serve a misurare Le celle fotovoltaiche sono fatte di sottili fet- taico viene immessa direttamente nella e conteggiare l’energia prodotta dall’im- te di silicio, spesse da 0,3 a 0,5 mm, di for- ma circolare, rettangolare o ottagonale. Le rete dell’utente per effettuare lo scambio pianto e quella immessa nella rete. Com- due superfici della cella vengono metalliz- di energia elettrica con il proprio fornito- pletano l’impianto quadri, cavi, interruttori FIGURA 3 - MODULO FOTOVOLTAICO zate per permettere il loro collegamento elet- re (Fonte: Tecnosolar). ed altri dispositivi di protezione. trico. Nella parte da esporre al sole, la me- FIGURA 4 - SCHEMA DI UN PICCOLO IMPIANTO FOTOVOLTAICO CONNESSO ALLA RETE tallizzazione assume la forma tipica di una griglia affinché la luce solare possa passare. Le celle fotovoltaiche cristalline sono usual- mente disposte in strati sottili e piani colle- gati fra loro, oppure quelle a film sottile, possono essere ottenute creando una pelli- cola sottile ed uniforme ricavata distribuen- do il materiale polverizzato direttamente su un supporto, grazie alle tecnologie del vuo- to. Essendo la cella fotovoltaica costituita da un materiale molto delicato, viene pro- tetta nella parte superiore da un vetro o da un altro materiale trasparente e specifica- Fonte: Prof. Martin A. Green, University of New South Wales, Sydney mente trattato (Figura 3). Fonte: Enel Il dispositivo più utilizzato consiste in un4 5
  5. 5. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O Vantaggi della tecnologia Per fabbricare i moduli l’industria del foto- La tecnologia fotovoltaica offre particolari voltaico usa il silicio cristallino oppure la vantaggi: tecnologia più avanzata del film sottile. Nel • Non produce alcun tipo di inquinamen- caso del cristallino vengono comunemente to ambientale. utilizzati wafer di silicio monocristallino • La manutenzione è minima. (single-Si) o policristallino (poli-Si) mentre • Può essere utilizzata ovunque quando ci tecnologie emergenti prevedono l’utilizzo sia luce solare. di silicio deposto sotto forma di nastri (rib-A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O • Non ci sono perdite nella linea elettrica bon-Si). In ogni caso, il processo di fabbri- essendo l’impianto installato vicino agli cazione delle celle per la realizzazione dei apparecchi che lo utilizzano. moduli fotovoltaici è quello tipico dell’in- • Varie applicazioni, da pochi milliwatt a dustria dei semiconduttori. molti megawatt, e la potenza dell’impian- I fabbricanti di cellule solari poi assembla- to può essere modificata senza problemi. no le cellule nei moduli o vendono le stes- • L’area occupata da un sistema fotovol- solari si usa di più il silicio policristallino. Il se a fabbricanti di moduli per il loro mon- Dati del fotovoltaico taico di 1 MW (1.000 kW) è di circa 1,5 pannello che viene usato maggiormente è taggio. Poiché la prima applicazione impor- • L’energia solare globale che arriva sulla ettari (15.000 m 2). L’impegno del terri- quello “a doppio vetro” dove la cella foto- tante del fotovoltaico è quella di ricaricare terraferma è superiore di oltre 2.000 volte torio è dovuto per il 50% alle aree oc- voltaica è incapsulata tra due strati di vetro le batterie, molti moduli in vendita sul mer- agli attuali consumi energetici mondiali. cupate dai moduli e dalle parti del siste- ad alta resistenza e uniti con uno strato di cato sono progettati per dare corrente con- • La produzione degli impianti fotovoltaici ma e per l’altro 50% alle aree “di rispet- silicone trasparente. tinua ad una intensità leggera ai 12 V. attualmente installati in Italia è stimabile to”, di fatto libere, ma necessarie per FIGURA 5 - PANORAMICA GENERALE DELLE TECNOLOGIE DEL FOTOVOLTAICO in 120 milioni di kWh/anno. evitare l’ombreggiamento reciproco del- • La produzione di energia è uguale alla le file di moduli. CELLULE SOLARI potenza dell’impianto per le ore “equi- • Una centrale di 1 MW può fornire l’ener- valenti” del suo sfruttamento (dipendenti gia necessaria a soddisfare la domanda Cristallino Film sottile dal sito). di circa 500 utenti. • Producibilità = Potenza x ore-equivalenti Silicio Silicio Silicio Diseleniuro (kWh/anno) = (kW) x (1.200 h/anno) Tecnologie del fotovoltaico sul mercato Monocristallino Policristallino Amorfo di Indio e Rame (CIS) • Il consumo tipico di una famiglia di 4 Le celle fotovoltaiche sono costituite in sili- Tellurio di Cadmio (CdTe) persone in un anno = 2.500-3.500 kWh. cio di diverse tipologie: • L’area occupata dai moduli fotovoltaici • silicio monocristallino; di un impianto da 1 kW è circa 10 m2. • silicio policristallino; • L’area di un generatore fotovoltaico che • silicio amorfo. può soddisfare la domanda di una fami- Poiché il silicio monocristallino ha costi di glia tipo è di circa 15-30 m2 in una loca- produzione più elevati rispetto al policri- Fonte: Prof. Silke Krawietz, Building Integration of Photovoltaics, 2008 lità dell’Italia meridionale. stallino, attualmente per costruire i pannelli6 7
  6. 6. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O FIGURA 6 - DISTRIBUZIONE PER TECNOLOGIE Tecnologia fotovoltaica del film sottile DELLA PRODUZIONE MONDIALE DI CELLE FOTOVOLTAICHE Per la fabbricazione del film sottile esistono quattro tecnologie avanzate. I loro nomi de- Altro rivano dal materiale utilizzato nelle cellule: Film sottili 3% Silicio 7% tellurio di cadmio (CdTe), diseleniuro di indio monocristallino 32% e rame (copper indium diselenide – CIS), si- licio amorfo (a-Si) e film sottile di silicio (thin film-Si). Il silicio amorfo è l’unico che ha unaA M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O produzione commerciale, mentre le altre tre tecnologie si stanno progressivamente avvi- cinando al mercato. I moduli a film sottile superficie e efficienza ed hanno in comune anche le forti sinergie con l’industria di vetri sono fabbricati direttamente sul substrato, una serie di principi generali. In ognuna del- per l’architettura e l’industria di pannelli piat- Silicio senza bisogno di processi intermedi di fab- le tecnologie del film sottile soltanto una pic- ti offrono importanti opportunità per la fab- policristallino bricazione (Fonte: Retscreen). colissima quantità di materiale semicondut- bricazione su grande scala e a basso costo. 58% Il film sottile del fotovoltaico è una tecnolo- tore è usato (in genere sono di spessore di L’industria dei pannelli fotovoltaici a film sot- gia a basso costo, a causa dei minori costi per 0,001 mm) ed il materiale utilizzato per la tile sta decollando e la sfida è adesso aumen- Fonte: European Commission, Directorate J – Energy, ‘A vision for Photovoltaic technology’, 2005 il materiale e la produzione. Ci sono tre protezione come vetro o plastica è relativa- tare abbastanza velocemente per stabilire una tecnologie di film sottili su base inorganica e mente poco costoso. La disponibilità di presenza significativa nel mercato del foto- Un tipico modulo al silicio cristallino con- tutte hanno realizzato moduli solari a grande un’ampia scelta di attrezzature per la deposi- voltaico. La probabile evoluzione delle capa- siste in una serie di circuiti di circa 36 cel- zione ed i relativi processi tecnologici, come cità produttive già è mostrata nella figura 8. FIGURA 7 - FILM-SOTTILE CON TRASPARENZA, lule inserite in una protezione di vetro o ASITHRU® MODULO FIGURA 8 - EVOLUZIONE DELLA CAPACITÀ PRODUTTIVA MONDIALE DEI FILM SOTTILI plastica per prevenire danni all’ambiente SU SCALA MONDIALE NEI PROSSIMI ANNI circostante ed atmosferico. Questa prote- 1.400 – zione è rinchiusa in una cornice e provvi- Production capacities in MW/a sta di contatti elettrici o scatola di connes- 1.200 – CdTe sione (junction box). L’efficienza della con- 1.000 – a-Si/rel. versione normale da energia solare ad ener- CIS 800 – Total gia elettrica per un normale modulo di sili- thin films cio cristallino varia dall’11% al 15%. 600 – Come si è visto, il materiale di cui è com- 400 – posta la cella, la sua struttura molecolare e la configurazione elettronica sono gli ele- 200 – menti che maggiormente influiscono sulle 0– prestazioni del dispositivo. Attualmente, il 2005 2006 2007 2008 2009 2010 mercato del fotovoltaico è dominato dalle Year Fonte: Tecnosolar.net tecnologie al silicio. Fonte: Schott Solar GmbH8 9
  7. 7. SISTEMI FOTOVOLTAICI E LORO APPLICAZIONI A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O APPLICAZIONI FIGURA 10 - COPERTURA SEMITRASPARENTE CON PANNELLI FOTOVOLTAICI. STILLWELL STAZIONE DI NEW YORK, INAUGURAZIONE 2005 DEL FOTOVOLTAICO Sistemi di utilizzo: l’energia fotovoltaica La tecnologia fotovoltaica consente di tra- sformare direttamente le radiazioni solari in energia nelle situazioni più diverse: dalle ca- se o comunità isolate ai sistemi di segnala-A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O zione aerei, marittimi e terrestri, dagli im- pianti di telecomunicazione a quelli di dis- salazione di acque marine, dosatori di clo- ro, protezione catodiche, dall’illuminazione pubblica ai sistemi di refrigerazione, fino al- le centrali di produzione collegate alla rete FIGURA 9 - FACCIATA CON PANNELLI FOTOVOLTAICI, SEDE CENTRALE AUDI DI INGOLSTADT, ASI OPAK® MODULI Fonte: Schott Solar GmbH elettrica e alle generazioni di energia elettri- di elettricità è la rete a fornire l’energia ri- ca integrata negli edifici (tetti fotovoltaici). chiesta. Viceversa, se il sistema fotovoltaico Il grande interesse verso il fotovoltaico na- produce più energia di quanta sia effettiva- sce dalle seguenti sue caratteristiche: dispo- mente richiesta dal carico, il surplus viene nibilità sul territorio della fonte solare, mo- trasferito alla rete e contabilizzato. dularità, affidabilità, minime esigenze di Questi sistemi ovviamente non hanno bi- manutenzione, assenza di emissioni inqui- sogno di batterie, perchè è la rete stessa che nanti in loco (Fonte: Tecnosolar). sopperisce alla fornitura di energia elettri- ca nei momenti di scarsa o assente insola- Tetti fotovoltaici / Facciate fotovoltaiche zione! Sono sistemi permanentemente collegati al- la rete elettrica; nelle ore in cui il generato- L’efficienza dell’impianto fotovoltaico Fonte: Schott Solar GmbH re fotovoltaico non è in grado di produrre La produzione di energia tramite gli impian- l’energia necessaria a coprire la domanda ti fotovoltaici dipende da vari fattori:10 11
  8. 8. rare i diversi valori di insolazione media di Milano (1.372,4 kWh/m2 anno), di Roma (1.737,4 kWh/m2 anno) e di Trapani (1.963,7 kWh/m2 anno). Anche le caratte- ristiche morfologiche e atmosferiche della zona hanno un ruolo importante nel deter- minare la potenza della radiazione solare e la raccolta di energia fotovoltaica.A M B I E N T E E R I S PA R M I O E N E R G E T I C O • Efficienza dei moduli fotovoltaici. In con- dizioni “standard” d’insolazione (1.000 W/m2, temperatura del modulo di 25°C) si stima che l’efficienza dei moduli foto- voltaici oscilli mediamente tra 13-15% (Fonte Ecoage). • Aumento dell’efficienza dei moduli e cel- le solari, allo scopo di renderle più van- • Superficie dell’impianto. L’inclinazione taggiose (tra le altre ricerche in corso nel ideale dei pannelli solari rispetto al terre- campo dello sviluppo delle nuove cellule no è di 30°. Per le altre pendenze la per- solari e la loro riduzione di costi). dita oscilla dal -10% per inclinazioni oriz- • Diminuzione e riduzione dei costi di pro- zontali (tetto piano) e -35% per inclina- duzione per i moduli del fotovoltaico ed zioni completamente verticali (pareti i componenti del sistema. Una generale esterne). riduzione dei prezzi del fotovoltaico ed • Posizione dei pannelli rispetto al sole. I una più diffusa applicazione andranno di pannelli devono essere esposti a sud per pari passo. ricevere il massimo irraggiamento solare. Sono attese nuove forme architettoniche e Orientando i pannelli verso sud-est o ver- variazioni del design con l’integrazione di so sud-ovest si ottiene una perdita del - nuovi moduli e cellule fotovoltaiche negli 5%. È importante anche correggere l’incli- edifici. La ricerca nel campo delle nuove nazione in base alla propria latitudine. forme della tecnologia fotovoltaica (ad L’inclinazione dei pannelli deve essere ag- esempio, la Terza Generazione delle cellu- giustata con angolo di inclinazione pari le solari, etc.) sono in futuro molto promet- alla latitudine locale sottratta di 10° circa. tenti e possono portare sicuramente profon- • Potenza della radiazione solare. L’ener- de innovazioni, nel lungo termine, insieme gia solare irraggia diversamente una loca- ad una attesa maggiore efficienza ed a una lità del nord e del sud Italia. Basti conside- riduzione di costi nello stesso tempo.12
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