Energia Solare fotovoltaica - Responsible Research and Innovation issues Prof Daniela Cavalcoli
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Energia Solare fotovoltaica. Responsible Research and Innovation issues Prof Daniela Cavalcoli Dipartimento di Fisica e Astronomia, UNIBO Daniela.Cavalcoli@unibo.it
Energia solare, una buona idea, tra passato presente e futuro! “I’d put my money on the sun and solar energy. What a source of power! I hope we don’t have to wait ‘til oil and coal run out before we tackle that.” - Thomas Edison (1847-1931)
Solar impulse 2 BERTRAND PICCARD
Motivazioni. Perché l’incremento delle rinnovabili è importante per i governi e per i cittadini? • Migliorare la sicurezza energetica (IL FV è diffuso) • Incoraggiare lo sviluppo economico – di aree rurali – in settori high-tech NUOVI POSTI DI LAVORO! • Proteggere il clima e l’ambiente dagli impatti relativi all’uso dei combustibili fossili IEA INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, Information Paper, 2011 Simon Müller, Adam Brown, and Samantha Ölz
Quanta energia dal sole? Petrolio: ultima sorgente di petrolio Fotovoltaica Vento recuperabile ammonterebbe a e termica 1.7 × 1022 joules la quantità di energia che il sole fornisce in 1.5 giorni G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, March 2007 La quantità di energia che gli esseri umani consumano in 1 anno è pari circa a 4.6 × 1020 joule Idro- Geotermica-Biomasse è fornita alla terra dal sole in 1 ora
Capire il fenomeno: come avviene la conversione fotovoltaica Energia sole elettrica conver titore
Cella solare fotovoltaica. Come si produce? Si produce gratis? Ovviamente NO energia CONVERTITORE : cella materiale solare fotovoltaica CO2 Energia pulita? Il concetto ha significato ?
Produzione della cella solare (convertitore) • COSTI in termini energetici: quanta energia è necessaria per produrla (e quindi quanti €)? • MATERIALI Quali materiali sono necessari, sono materiali diffusi a livello globale o sono concentrati in un’area geografica? Sono tossici? • EFFICIENZA Il convertitore è efficiente? Produce molta più energia di quella necessaria per la sua realizzazione?
Fotovoltaico istallato nelle diverse regioni al 2014 Istallazioni cumulative totali al 2014 183 GWp. (grid e off grids). Italy https://www.ise.fraunhofer.de/en/downloads-englisch/pdf- files-englisch/photovoltaics-report-slides.pdf
I Costi: ci sono molti fattori che intervengono. Ma a che punto siamo ora? GRID PARITY NB A BTU (British Thermal Unit) is the amount of heat required to increase the http://www.pvparity.eu/ temperature of a pint of water (which weighs exactly 16 ounces) by one degree Fahrenheit. Mmbtu=106BTU
PV parity. Dove? http://www.pvparity.eu/ http://www.youtube.com/watch?v=JPUHgnEFJvY&list=PLmo6OBXJcmO375xT1DcYQzF9z4q0ZFC5o
La produzione e l’istallazione, il ruolo dell’ Asia https://www.ise.fraunhofer.de/en/downloads-englisch/pdf-files-englisch/photovoltaics-report- slides.pdf
Quindi il problema dei costi è stato risolto? • La diminuzione dei costi del PV è legata al basso costo dell’energia e del lavoro nei Paesi Asiatici • L’industria Europea legata al settore è fallita con conseguente perdita occupazionale • Come si risolve il problema?? Materali innovativi , nuova struttura della cella…. In altre parole: RICERCA SCIENTIFICA attenta agli impatti sulla società, cioè responsabile
Qual è il materiale/tecnologia ideale? Alta efficienza e bassi costi (ma non solo!) Alta efficienza Basso costo Tecnlogia attuale (alto costo) Efficienza medio-bassa 20x-100x 500x Cu(In,Ga)Se2 ~ 1-2 c-Si ~ 180 20x-100x
MATERIALI: efficienza di conversione Si Attualmente Si (quasi 95% del mercato) Esiste il materiale ideale? Pout η= (%) Pin Efficienza di conversione fotovoltaica
Quello che ha l’efficienza maggiore? Tandem, MJ alta efficienza 46% Pout η= (%) Pin CIGS, CdTe Non solo, ma anche il materiale che ha un minore impatto sull’ambiente, più diffuso.. perovskites
Quali Strategie (1) Cerchiamo l’ efficienza maggiore: celle tandem Dividiamo lo spettro solare in diverse regioni spettrali ed ognuna di queste è assorbita da un materiale diverso In, Ga, Ge materiali rari, As tossico! I costi di deposizione sono alti!
Quali Strategie (2): il materiale più promettente. ‘Perovskite’ descrive una classe di strutture cristalline Formula generica: ABX3 A B X CH3NH3+ Pb2+ I- CH3NH3PbI3 È il materiale giusto? Methylammonium-lead-iodide
Perovskite A grande catione coord 12 (Cs, RNH3; R: CH3) B piccolo catione a coord 6 (Pb, Sn, Ge) C anione a coordinazione 6 (alogenuro, Cl, Br, I), monovalente
Perché le perovskiti sono così interessanti per le applicazioni solari? • Si ottengono da soluzione(Tdep< 140°C). • Variamo la composizione chimica variano le proprietà. • Assorbono MOLTA luce solare • Presentano una buona qualità cristallina e quindi buone proprietà elettriche • Si auto riparano (?)
Assorbono MOLTA radiazione solare
Presentano una buona qualità cristallina E quindi buone proprietà elettriche, nelle perovskiti i portatori di carica vivono a lungo prima di ricombinarsi e quindi possiamo «raccogliere» Contatto barriera contatto ohmico corrente
Ma… • Non dobbiamo ignorare le problematiche ambientali. • Quanto rapidamente il Pb può disperdersi nell’abiente in caso di danneggiamento o incendio della cella? • Quale sarà l’effetto della diffusione di Pb nell’ambiente? PbI2 è solubile in acqua!
L’ impatto ambientale? PbI2 è solubile in acqua! Pb
Ma quanto Pb verrà disperso nell’ambiente? Tanto ? Poco? • Medium sized coal-burning power station, generating 1 GW, emits over 20 years (20 GW-yr energy supplied) 100 -1000 kg of Pb to the air. • Perovskite cell equivalent to this continuous environmental contamination;, • assume 1 gm Pb/m2 of 15% efficient (solar to AC electrical power) in PV modules, required to provide 20 GW/yr equivalent continuous power • Assume ~ 20% equivalent operation time, to convert peak to continuous power is a field containing ~30 tons of lead. • Assume lower 100 kg value of Pb emission for coal-fired power station: • If over 20 years less than one module out of 300 releases all its Pb to environment, there will be a reduction in Pb emission compared with best presently-available coal generation station.
In generale tutte le tecnologie consumano materiale ed energia, quanto materiale per le tecnologie attuali? The large-scale implementation of wind, PV, and CSP has the potential to reduce pollution- related environmental impacts of electricity production. The pollution caused by higher material requirements of these technologies is small compared with the direct emissions of fossil fuel-fired power plants. Bulk material requirements appear manageable but not negligible compared with the current production rates for these materials. Copper is the only material covered in our analysis for which supply may be a concern.
Ma.. Vale la pena fare tutto questo? • Come valutiamo se il materiale usato, l’energia spesa per costruire il convertitore è minore dell’energia che il convertitore può fornire? Se il gioco vale la candela?? Energy Pay-Back Time: Tempo necessario di funzionamento di un impianto per ripagare l’energia necesaria er produrlo
E quanta energia attualmente?? Attualmente Energy pay back time (EPBT) 20- 25 anni di garanzia per celle al Si EPBT of Multicrystalline Silicon PV Rooftop Systems
Il problema energetico e le possibili soluzioni • Per il 79% dei cittadini europei il prezzo del FV è inferiore del prezzo dell’energia residenziale • Transizione verso una LCE Low Carbon Economy possibile • Quale sarà la soluzione migliore? climate mitigation – Energy-mix (rinnovabili: sole, vento, geotermico, ecc..) basato sull’uso di materiali a bassa tossicità e low cost • Quali gli strumenti di valutazione? – LCA life cycle assessments servono per analizzare costi e benefici ambientali delle varie fonti
Che cosa abbiamo imparato? • Responsible Research and Innovation – is a transparent, interactive process by which societal actors and innovators become mutually responsive to each other with a view to the (ethical) acceptability, sustainability and societal desirability of the innovation process and its marketable products. • Von Schomberg, Rene ( 2013). "A vision of responsible innovation". In: R. Owen, M. • “We need to do much better at turning our research Heintz and J Bessant (eds.) Responsible Innovation. London: John Wiley, forthcoming into new and better services and products if we are to remain competitive on the global marketplace and improve the quality of life in Europe.” Europe’s flagship programme - Innovation Union
Cosa faremo noi in laboratorio? • Costruiremo una cella di Graetzel (antenata delle perovskiti) usando coloranti naturali • Vedremo se la cella funziona • La guarderemo al microscopio AFM- nanoeducator in remoto
Il ruolo delle nanotecnologie: Cella di Graetzel
Principio di funzionamento (1) • Un dye (colorante) è adsorbito nel biossido di titanio poroso • La molecola del dye assobe un fotone formando uno stato eccitato (dye*) • Lo stato eccitato si può pensare come una coppia elettrone- lacuna (eccitone).
Principio di funzionamento (2) • Gli elettroni raccolti dal TiO2 migrano al catodo • L’anodo è coperto da un catalizzatore (carbone) e inietta elettroni nella cella rigenerando lo ioduro • Il mediatore REDOX è ioduro/trioduro (I-/I3-) Perché è importante la nanostruttura in questo caso?
La cella si può realizzare anche in semplici passi, in un esperimento didattico • La cella può essere realizzata usando coloranti ottenuti da mirtilli, more, arance rosse, melograni, o melenzane! • https://www.youtube.com/watch?v=Qbsl1NP5uZI
Realizzazione delle celle al Liceo Galvani, Bologna
Esempi di exhibit
Esempi di exhibit • Ecolopoly
Dopo, «guarderemo» la superficie della cella alla nanoscala con un microscopio AFM «educational» Dove le punte si costruiscono..
Come è fatto un AFM? • Tubo piezoelettrico in grado di Interazione punta- muovere il campione campione → Forza • Una sottile punta che interagisce con il campione • Un fascio laser e un fotodiodo → rivelazione del segnale Durante la scansione viene mantenuta costante la deflessione e il segnale di feedback viene plottato nella mappa
GRAZIE al Progetto IRRESISTIBLE: www.irresistible-project.eu I miei collaboratori: dott.ssa Martina Perani, Gabriele Bertoldi
GRAZIE per l’ATTENZIONE! http://www.energiaperlitalia.it/
The Perovskite Bandgap can be tuned by Chemical Substitution The band gap can be tuned from 1.57 eV to 2.23 eV by substituting bromine for iodine in CH3NH3Pb(BrxI1-x)3 For hybrid tandem with CIGS eV data by McGehee group and Noh et al., Nano Lett. 2013 Eva Unger
Hybrid Tandem Architectures Glass Transparent Electrode Top Cell Transparent Electrode Top Cell Transparent Electrode Transparent Electrode Tunnel Junction/ Recomb Layer Bottom Cell Bottom Cell Rear Contact Rear Contact 4 Terminal 2 Terminal • Easier prototyping • Fewer layers that parasitically • No current matching required absorb • No tunnel junction or • Module fabrication easier
Our Semitransparent Perovskite Cells Colin Bailie, Grey Christoforo
The large-scale implementation of wind, PV, and CSP has the potential to reduce pollution- related environmental impacts of electricity production. The pollution caused by higher material requirements of these technologies is small compared with the direct emissions of fossil fuel-fired power plants. Bulk material requirements appear manageable but not negligible compared with the current production rates for these materials. Copper is the only material covered in our analysis for which supply may be a concern.
Che cosa è la Responsible Research and Innovation (RRI) ? • Definition: Responsible Research and Innovation is a transparent, interactive process by which societal actors and innovators become mutually responsive to each other with a view to the (ethical) acceptability, sustainability and societal desirability of the innovation process and its marketable products (in order to allow a proper embedding of scientific and technological advances in our society). • Von Schomberg, Rene (2013). "A vision of responsible innovation". In: R. Owen, M. Heintz and J Bessant (eds.) Responsible Innovation. London: John Wiley, forthcoming
Responsible Research and Innovation (RRI): six dimensions • People and civil society's engagement • Gender in research content and in careers • Open Access to research results • Science education • Ethics • Governance framework
Buon LAVORO! • This project has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme for research, technological development and demonstration • It is a coordination and support action under FP7-SCIENCE-IN- SOCIETY-2013-1, ACTIVITY 5.2.2 Young people and science: Topic SiS.2013.2.2.1-1 Raising youth awareness to Responsible Research and Innovation through Inquiry Based Science Education.
Puoi anche leggere
