FacciAmo Scuola - Lezione di Teoria

31/05/2019 FacciAmo Scuola - I.C.S. Anna Frank - Scuola Media Montecalvo in Foglia 1
Sentinelle dell'Energia
“FACCIAMO SCUOLA”

Indice
•
Presentazione
•
I cambiamenti climatici
•
L’importanza degli impianti fotovoltaici
•
Dalla cella all'impianto fotovoltaico
•
La potenza e l'efficienza dei moduli e la superficie
occupata
•
Fattori che influenzano la produzione di energia
elettrica
•
L'inverter
•
Schema di un impianto fotovoltaico domestico
•
Le pile a combustibile

Presentazione

Chi siamo
Associazione ambientalista di Pesaro
37 soci, di tutte le età
Ci occupiamo di
Energie rinnovabili, efficienza energetica, ecologia
(rispetto dell'ambiente) e riduzione della povertà
Sito internet: www.grupposelene.net
Facebook: Sentinelle Dell'Energia – Selene
Mail: grupposelene@gmail.com, Tel: 3407711315

Il progetto “A scuola di cucina solare”
1 Lezione di teoria in classe
1 Laboratorio pratico con
kit fotovoltaico e kit con
celle a combustibile

I cambiamenti climatici

Cambiamenti climatici
Variazioni a diverse scale spaziali e storico
temporali di uno o più parametri ambientali e
climatici nei loro valori medi
es.
Temperatura (media, massima e minima)
Precipitazioni
Nuvolosità
Temperatura degli oceani
Distribuzione e sviluppo di piante e animali

Gli ultimi cinque anni, dal 2014 al 2018, sono
stati i più caldi di sempre, secondo le rilevazioni
del NOAA e della NASA statunitensi
http://www.nationalgeographic.it/ambiente/clima/2019/02/07/news/
gli_ultimi_cinque_anni_sono_stati_i_piu_caldi_di_sempre-4286159/

Ormai quasi tutta la comunità scientifica mondiale (il
97% degli studiosi del clima) è concorde nell’affermare
che i cambiamenti climatici attuali sono dovuti
all’uomo.
(https://www.reccom.org/2019/02/27/levidenza-della-crisi-climatica-
causata-dalluomo-e-ora-classificata-al-livello-gold-standard/)

In particolare l’uomo attraverso l’estrazione e il consumo di
combustibili fossili e le deforestazioni sta aumentando la
concentrazione nell’atmosfera dei gas a effetto serra
(CO2, CH4, N2O, SF6, vapore acqueo, ecc)
L’aumento della concentrazione dei gas a effetto serra
comporta un aumento della temperatura media globale
terrestre e di conseguenza è responsabile di cambiamenti
importanti del clima

Concentrazione atmosferica della CO2 da 800mila anni fa fino al 2015, misurata in parti per milione (ppm).
I dati provengono da una serie di studi sui ghiacci polari e da siti di monitoraggio dell’aria nel mondo
(https://www.epa.gov/climate-indicators/climate-change-indicators-atmospheric-concentrations-greenhouse-gases)

Nel 2016 sono stati superati i 400 ppm di CO2 in atmosfera.
Nel 2017 si è registrato un aumento di 1,1°C della temperatura media globale.
Per evitare effetti irreversibili sul clima la comunità scientifica ritiene che non si debbano
superare gli 1,5°C di aumento della temperatura media globale.
https://www.cmcc.it/ipccitalia/ipcc-special-report-global-warming-of-1-5-c/
Ma se non facciamo di più per impedirlo, questo aumento di temperatura sarà raggiunto
Tra il 2030 e il 2052
(https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/summary-for-policy-makers/).
I cambiamenti climatici saranno molto più intensi se l’aumento della temperatura
media globale dovesse arrivare a 2°C.

Fenomeni legati ai cambiamenti climatici
Aumento dei fenomeni meteorologici estremi (alluvioni, siccità,
tempeste), sia per intensità che frequenza
Perdita di biodiversità
Innalzamento del livello dei mari
Scioglimento dei ghiacciai
Variazione dell’incidenza di alcune malattie infettive (es. in Africa)
Spostamento delle fasce climatiche
Variazioni nelle produzioni agricole

Le emissioni nette globali di gas serra
dovrebbero diminuire del 45% entro il 2030
rispetto ai valori del 2010
E dovrebbero arrivare a zero entro il 2050
(https://www.cmcc.it/ipccitalia/i-governi-
approvano-la-sintesi-per-decisori-politici-
dellipcc-special-report-on-global-warming-of-
1-5c/)

L’importanza degli
impianti fotovoltaici

Per raggiungere gli obiettivi climatici,
Le energie rinnovabili dovranno coprire tra il
70% e l’85% dell’energia elettrica nel 2050
(https://www.ipcc.ch/sr15/chapter/summary-
for-policy-makers/)

GSE, Rapporto Statitico 2017, solare fotovoltaico,
https://www.gse.it/documenti_site/Documenti%20GSE/Rapporti%20statistici/Solare
%20Fotovoltaico%20-%20Rapporto%20Statistico%202017.pdf

In Italia entro il 2030 il fotovoltaico
presumibilmente dovrà produrre più di 80
TWh all’anno
(https://www.qualenergia.it/articoli/20180619-
i-nuovi-scenari-energetici-che-si-aprono-con-
lobiettivo-2030/)

1 kW fotovoltaico → 1300 kWh/a
1 GW fotovoltaico → 1300 GWh/a → 1,3 TWh/a
Quindi
80 TWh → 61,54 GW

Dobbiamo passare da circa 20 GW del 2018 a
più di 61 GW nel 2030!
Sono quindi una media di
3,42 GW installati ogni anno!
Attualmente ogni anno in Italia se ne installano
circa 0,4 GW, quindi il nostro impegno
nazionale deve aumentare tanto!

Dalla cella all'impianto fotovoltaico

La cella fotovoltaica
La cella fotovoltaica è un dispositivo capace di convertire
l'energia luminosa in energia elettrica.
La cella fotovoltaica è realizzata con dei materiali semiconduttori,
come ad esempio il silicio. In particolare il silicio è diviso in due
“strati” o “porzioni”. Nel primo strato alcuni atomi di silicio sono
sostituiti con atomi donatori di elettroni (atomi di tipo n), come il
fosforo, l'arsenico e l'antimonio. Nel secondo strato, alcuni atomi di
silicio sono sostituiti con atomi accettori di elettroni (atomi di tipo
p), come il boro o l'alluminio.
I due strati diversi si trovano affacciati tra loro nella zona di
giunzione, detta giunzione p-n, che è una zona molto sottile ma
con un campo elettrico di intensità molto elevata (10'000 V/cm), che
tiene separati gli elettroni e le lacune della parte restante del silicio.
Quando la radiazione solare colpisce la cella, grazie all'effetto
fotovoltaico vengono liberati altri elettroni che si spostano verso
l'area in cui sono presenti gli atomi donatori di elettroni.
Mettendo due elettrodi alle estremità della cella è collegando gli
elettrodi ad un carico, è possibile generare una corrente elettrica
con la quale alimentare il carico.
FONTE DELLE IMMAGINI
1 fonte wikipedia https://it.m.wikipedia.org/wiki/File:4inch_poly_solar_cell.jpg licenza CC BY-SA 3.0
2 fonte wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/P%E2%80%93n_junction#/media/File:Pn-junction-equilibrium.png licenza CC BY SA 3.0

Dalla cella al generatore fotovoltaico
Cella fotovoltaica
Modulo fotovoltaico = insieme di
celle (spesso 48, 60, 72 o 96)
Pannello solare = insieme di
moduli connessi in serie e in
parallelo
Generatore o campo fotovoltaico
= insieme di pannelli fotovoltaici
collegati fra loro
1 fonte wikipedia https://it.m.wikipedia.org/wiki/File:4inch_poly_solar_cell.jpg licenza CC BY-SA 3.0
2 fonte wikipedia https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EffettoFotoelettrico.png licenza CC BY SA 3.0

Dalla cella al generatore fotovoltaico
Generatore fotovoltaico formato da due pannelli fotovoltaici
Ciascun pannello fotovoltaico è formato da 12 moduli fotovoltaici
In ogni pannello i moduli sono 3 file (stringhe) di 4 moduli collegati in serie. Le file sono poi collegate in
parallelo fra loro
Fonte wikipedia https://it.wikipedia.org/wiki/Modulo_fotovoltaico immagine di dominio pubblico

La potenza e l'efficienza dei moduli
fotovoltaici e la superficie occupata

Quale dev'essere la potenza del mio
impianto fotovoltaico?
Per sapere quale debba essere la potenza del mio impianto
fotovoltaico, devo innanzitutto calcolare quanta energia elettrica
consumo abitualmente in un anno.
Poi devo sapere che nella nostra città, un impianto fotovoltaico
da 1 kWp (1000 Wp)
produce in un anno circa 1200 kWh.
Quindi, se in un anno a casa io consumo 2400 kWh di energia
elettrica, avrò bisogno di un impianto da 2 kWp (2000 Wp).
Il Wp è il Watt di picco, indica cioè quanto produce il modulo
fotovoltaico quando la radiazione solare vale 1000 W/m2 e la
temperatura ambiente è di 25° C.

Il Wp è il Watt di picco, indica cioè quanto produce il modulo fotovoltaico quando la radiazione solare
vale 1000 W/m2 e la temperatura ambiente è di 25° C.
Per misurare i Wp di un modulo le aziende che producono i moduli fotovoltaici fanno degli appositi test
di laboratorio che permettono di certificare il modulo stesso prima di poterlo mettere in vendita.

L'efficienza di conversione
della radiazione solare (1)
100% della radiazione solare incidente
- 3% Fenomeni di riflessione e presenza dei contatti metallici
- 23% Fotoni poco energetici (no effetto fotovoltaico)
- 32% Fotoni troppo energetici (no effetto fotovoltaico)
- 8,5% Fenomeni di ricombinazione
- 20% Gradiente elettrico all'interno della cella
- 0,5% Perdite termiche dovute alla resistenza dei contatti
= 13% Energia elettrica utilizzabile ai morsetti della cella
Oggigiorno sul mercato si trovano moduli ad alta efficienza che possono convertire
oltre il 22% della radiazione solare incidente

Se due moduli fotovoltaici hanno tutte le caratteristiche uguali fra
loro (es. uguale potenza, uguale sensibilità rispetto alla
temperatura) ma hanno delle efficienze diverse, avranno anche
delle dimensioni diverse fra loro.
ESEMPIO
Ho due moduli fotovoltaici da 300 W, uno ha efficienza del 15%
e uno ha efficienza del 20%.
Allora, il primo occuperà una superficie di 2 m2, il secondo
occuperà una superficie di 1,5 m2.

Proviamo allora a calcolare l'efficienza dei moduli fotovoltaici dei
nostri kit!
Superficie del modulo:
S = 0,193 m * 0,245 m = 0,047 m2
Potenza del modulo:
P = 5 Wp
Radiazione solare di riferimento:
Pirr = 1000 W/m2
Efficienza del modulo:
P/Pirr/S = 5/1000/0,047 = 0,106 → 10,6%

Fattori che influenzano la produzione
di energia elettrica

I fattori principali che influenzano la produzione di
energia elettrica sono:
- intensità della radiazione solare;
- temperatura delle celle;
- inclinazione e orientamento dei pannelli fotovoltaici
Fattori che influenzano la produzione
di energia elettrica

La radiazione solare varia nell'arco della giornata e nei diversi mesi dell'anno e per questo varia la
potenza prodotta dai moduli fotovoltaici
Quindi se ho un pannello da 5 Wp, questo mi produce 5 Wp quando la radiazione solare è di 1000 W/
m2, mentre ad esempio quando la radiazione è di 500 W/m2 mi produce 2,5 W.

La radiazione solare varia nell'arco della giornata e nei
diversi mesi dell'anno e per questo varia la potenza
prodotta dai moduli fotovoltaici
Radiazione solare
Fonte dai pvgis, per maggiori informazioni vedi
https://www.grupposelene.net/radiazione_solare_e_produzione_da_fotovoltaico/

I moduli fotovoltaici producono meno energia quando la temperatura delle loro
celle aumenta.
Nelle schede tecniche dei moduli fotovoltaici, si trovano quindi descritti sia la
temperatura normale di funzionamento o NOCT, sia il coefficiente della
temperatura di Pmax, che indica di quanto si abbassa la potenza all'aumentare
della temperatura delle celle.
Ad esempio, se ho una temperatura di NOCT di 44°C e un coefficiente di
temperatura di Pmax di -0,29, allora se durante il funzionamento dell'impianto
fotovoltaico le celle si portassero a 70°C, allora la potenza diminuirebbe di 7,54
W!
Effetto della temperatura

I moduli fotovoltaici producono al meglio quando la radiazione solare li
colpisce perpendicolarmente alla loro superficie.
Però, se abbiamo un impianto fotovoltaico fisso, ad esempio sul tetto, i
raggi solari non saranno sempre perpendicolari, perché il sole nel corso
del giorno si “sposta” (in realtà è la terra che gira) è durante l'anno
cambia la propria altezza nel cielo.
Per questo quando progettiamo un impianto fisso dobbiamo decidere
quale inclinazione e quale orientamento dargli.
Questa scelta dipende anche dalla latitudine della città in cui ci troviamo.
Effetto dell'inclinazione e
dell'orientamento dei pannelli

Effetto dell'inclinazione e dell'orientamento dei pannelli
http://www.consulente-energia.com/ag-come-vanno-orientati-i-pannelli-fotovoltaici-il-
corretto-orientamento-e-inclinazione-dei-pannelli-moduli-in-un-impianto-fotovoltaico.html

L'inverter

Un impianto fotovoltaico produce una corrente ed una tensione continue.
Invece nelle nostre abitazioni, negli uffici e più in generale nei nostri
edifici noi utilizziamo delle correnti e delle tensioni che sono alternate.
Inverter
pulsating
direct
variable
alternating
t
i,v

Un impianto fotovoltaico produce una corrente ed una tensione continue.
Invece nelle nostre abitazioni, negli uffici e più in generale nei nostri
edifici noi utilizziamo delle correnti e delle tensioni che sono alternate.
Inverter
Per questo un impianto fotovoltaico
ha bisogno di un inverter per
convertire la corrente e la tensione
da continue ad alternate.
L'inverter inoltre comunica con
l'impianto elettrico di casa e con la
rete elettrica nazionale e protegge
sia l'impianto fotovoltaico che
l'impianto di casa e la rete elettrica
da eventuali malfunzionamenti di
uno dei circuiti.

Schema di un impianto fotovoltaico domestico

Immagine tratta da wikipedia e rilasciata con
Licenza CC BY 3.0
https://en.wikiversity.org/wiki/Materials_
Science_and_Engineering/Diagrams/
Transducers#/media/File:Fuell_cell-it.png
Funzionamento
- sono anche dette celle a combustibile
(dall’inglese fuel cell);
- dispositivo elettrochimico, permette di
ottenere energia direttamente da sostanze
come idrogeno o ossigeno, senza che avvenga
un processo di combustione termica;
- come nelle pile elettriche, nelle pile a combustibile
si genera una forza elettromotrice per mezzo
di una reazione elettrochimica;
- inoltre come nelle pile elettriche, anche nelle pile
a combustibile abbiamo un anodo (-) e
un catodo (+), che sono generalmente al platino e
fungono da catalizzatori;
- la reazione avviene tra un “combustibile”
e un “comburente”, che sono di solito l’idrogeno
e l’ossigeno;

Immagine tratta da wikipedia e rilasciata con
Licenza CC BY 3.0
https://en.wikiversity.org/wiki/Materials_
Science_and_Engineering/Diagrams/
Transducers#/media/File:Fuell_cell-it.png
- le pile a combustibile più diffuse sono le
Pile a membrana a scambio protonico, o
“PEM”;
- durante la reazione nell’anodo l’idrogeno
viene “spezzato” in ioni positivi ed elettroni.
Questi ultimi, passando
per un circuito esterno, generano elettricità;
- l’idrogeno viene scelto perché è facile da
Ionizzare (ha una bassa energia di attivazione);
- successivamente gli ioni idrogeno passano per
una membrana e raggiungono il catodo, dove
si combinano con gli elettroni e l’ossigeno
dell’aria generando acqua;

VANTAGGI (in generale)
Elevata efficienza di conversione diretta,
che va dal 40% al 60% a seconda della
temperatura di funzionamento
(in parte ridotta poi dai consumi dei processi
ausiliari di cella, come il pompaggio, il
riscaldamento, il raffreddamento
e la compressione dei reagenti gassosi).
L’efficienza è indipendente dal carico e dalle
dimensioni dell’impianto.
Modularità, con la possibilità di aumentare
la potenza installata all’aumentare del carico.
Ridotto impatto ambientale.
Possibile stoccaggio di energia quando impiegate
assieme alle fonti rinnovabili.

SVANTAGGI (in generale)
L’idrogeno è ancora molto costoso da acquistare,
anche se è facile trovare soluzioni economiche di
autoproduzione e produzione da fonti rinnovabili.
L’idrogeno può essere pericoloso, ma se si utilizzano
fonti a rilascio controllato come gli idruri metallici, può
essere più sicuro della benzina.
Il catalizzatore è molto sensibile alle impurità, per cui
l’idrogeno deve essere prodotto per elettrolisi oppure
deve essere depurato se prodotto con il reforming.
Il catalizzatore è costoso (attualmente al platino)
Rischio ghiaccio: per umidificare le membrane si usa
acqua, per cui c’è il rischio che si formi il ghiaccio.
Tecnologia nuova, quindi costi elevati e
assenza di infrastrutture.

CAMPO DI APPLICAZIONE
Elettronica: ci si aspetta che l’elettronica sia il
primo campo di applicazione per le celle a
combustibile (telefonini, computer e gruppi di
Continuità).
Automobili: sono allo studio diverse soluzioni
per lo stoccaggio dell’idrogeno (gas compresso,
idrogeno liquido, metanolo, idruri metallici.
Insieme a impianti a fonte rinnovabile
(intermittente): sistemi a idrogeno con impianto a
energia rinnovabile, ciclo a idrogeno (idrolisi,
stoccaggio e consumo) e batteria per lo stoccaggio
di breve periodo. Efficienze fino al 65%.
Centrali elettriche: pile (a ossido solido) in centrali a
turbogas a ciclo combinato. Efficienze termiche
fino al 70%.
Immagine tratta da wikipedia
https://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Mercedes-Benz_Viano_Proton_
Motor_Fuel_Cells_IAA_2016_(2)_
Travelarz.JPG
Author Travelarz [CC BY-SA 3.0 pl
(https://creativecommons.org/
licenses/by-sa/3.0/pl/deed.en)]

VANTAGGI E SVANTAGGI NELLE AUTOMOBILI
Vantaggi
Zero emissioni: se si opera con idrogeno puro l’unica
emissione delle celle è l’acqua, mentre se si usa un
reformer bisogna tenere conto delle sue emissioni
Rapida risposta al carico: rapida risposta al carico
durante la guida, mantenendo sempre una elevata
efficienza
Tempo di rifornimento confrontabile con quello dei veicoli
endotermici tradizionali
Svantaggi
Assenza di infrastrutture, possibile consumo energetico
per la produzione dell’idrogeno
Necessità di soluzioni di stoccaggio (alta pressione,
Idrogeno liquido, etc)
Immagine tratta da wikipedia
https://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Mercedes-Benz_Viano_Proton_
Motor_Fuel_Cells_IAA_2016_(2)_
Travelarz.JPG
Author Travelarz [CC BY-SA 3.0 pl
(https://creativecommons.org/
licenses/by-sa/3.0/pl/deed.en)]

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