La ricerca eni sull'energia solare - Roberto Fusco Istituto eni - Donegani Novara
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La ricerca eni sull’energia solare Roberto Fusco Istituto eni – Donegani Novara 16°Workshop T.A.C.E.C.: Efficienza Energetica e Tecnologie Chimiche nelle Produzioni Elettriche e Energetiche Milano, 23/05/2013
Outline L’energia solare Le attività di ricerca dell’eni sull’energia solare Solare termodinamico a concentrazione Concentratori solari luminescenti Celle polimeriche Celle ibride Scissione fotoelettrochimica dell’acqua
Fonti di energia rinnovabile: disponibilità
Idroelettrica Geotermica
Consumo
Solare Vento
globale
Distribuzione dell’energia solare nel mondo
Valori di picco: da 500 a 2200 kWh/m2
Valori medi annui: da 40 a 400 kWh/m2
Problemi dello sfruttamento dell’energia solare
• diffusa
• intermittente
• deve essere trasformata e accumulata per essere utilizzata:
queste trasformazioni implicano notevoli perdite!
R&D eni sull’energia solare
Energia
solare
Solare Concentratori
termodinamico Concentrazione Solari
a concentrazione Luminescenti
Celle solari Celle solari
ibride Conversione polimeriche
H2 da H2O
Stoccaggio per scissione
fotoelettrochimica
Solare termodinamico a concentrazione
CSP
CSP (Concentrating Solar Power)
Obiettivi: 1) concentrazione della radiazione solare
2) conversione in energia termica ad alta temperatura
3) conversione in energia meccanica e quindi elettrica
Diverse tecnologie:
Collettori parabolici lineari
Sistemi a torre Dischi parabolici
Collettori lineari Fresnel
CSP (Concentrating Solar Power)
Attività in corso presso l’Istituto eni Donegani:
sviluppo di componenti originali:
- studio di coating selettivi per tubi ricevitori che permettano di
aumentare la temperatura di lavoro (550°C) utilizzando materiali ad elevata
resistenza termica e bassa emissività (collaborazione con VeTec)
- fluidi termovettori a basso costo che permettano di aumentare la
temperatura di lavoro fino a 550°C e con punto di fusione inferiore a 130°C
- collettore parabolico a basso costo (collaborazione con MIT)
realizzazione impianto pilota a collettori parabolici lineari come unità
di testing
3 brevetti
Impianto SEGS (California)
Concentratori Solari Luminescenti (LSC)
I concentratori solari luminescenti (LSC)
LASTRA FOTOATTIVA
Lastra trasparente contenente molecole fluorescenti originali eni
che assorbono luce solare UV-VIS e la convertono in radiazione
RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE compresa in un’intervallo spettrale dove le celle FV hanno i
rendimenti più elevati
PROPAGAZIONE GUIDATA
UV IR IR la radiazione convertita si propaga
VIS per effetto guida d’onda nel piano
della lastra fino a raggiungerne i bordi
CONCENTRAZIONE SU CELLE FV
la radiazione assorbita dall’ampia area
superficiale viene così concentrata sui
sottili bordi della lastra dove sono
poste celle FV di piccole dimensioni
VIS IR IR
RADIAZIONE TRASMESSA
Sfruttando questi principi si possono ottenere lastre trasparenti fotoattive
che possono essere utilizzate per realizzare finestre e pannelli colorati
fotovoltaici.LSC eni
Vantaggi e applicazioni dei LSC
1. Concentrazione della luce solare = riduzione dei costi di investimento.
2. Concentrazione spettralmente selettiva = riduzione del surriscaldamento delle celle FV
3. Sfruttamento della radiazione diffusa = stazionamento fisso e buona efficienza anche in
condizioni di cielo nuvoloso
4. Ottimizzazione dell’accordo spettrale = miglior sfruttamento delle celle FV
5. Pannelli FV trasparenti
6. Pannelli FV caratterizzati da superfici curve.
Potenziali applicazioni:
- lastre fotovoltaiche trasparenti
- pannelli fotovoltaici opachi.
Questi dispositivi possono trovare ampia applicazione nel settore dell’edilizia,
(Building Integrated PhotoVoltaics, BIPV), per il quale si prevede un forte
sviluppo nei prossimi anni.I risultati della ricerca eni sulle lastre fotoattive Identificati nuovi coloranti fluorescenti a basso autoassorbimento Messi a punto sintesi e processi originali Depositate 16 domande di brevetto Realizzati prototipi di vari colori e dimensioni fino a 110 x 70 cm2 Realizzato un impianto dimostrativo (pensilina fotovoltaica) presso la sede R&M di Roma nel novembre 2012
Il progetto pensilina Il 27 novembre 2012 è stato inaugurato un impianto dimostrativo basato sulla tecnologia dei LSC eni.consistente in una pensilina fotovoltaica per la ricarica di biciclette elettriche. Lo scopo è di verificare l’applicabilità di questa tecnologia su scala maggiore e le prestazioni “sul campo” di questi dispositivi nel tempo e nelle varie condizioni di illuminazione. Sulla base dei risultati raggiunti si valuteranno le condizioni per la loro commercializzazione.
Possibili esempi applicativi Palazzo dei Congressi Saia Barbarese Topouzanov architectes Montréal, Québec 2003
Celle fotovoltaiche
Come funziona una cella fotovoltaica
Griglia di contatto anteriore
Semiconduttore n
Semiconduttore p
Conduttore elettrico posteriore
Supporto
e- e-
e-
Metallo e-
e-
e-
Voc
+ +
Metallo
Semiconduttore p Semiconduttore n
Donatore AccettoreRecord di efficienza delle celle fotovoltaiche
Celle solari polimeriche
Polimeri semiconduttori
I polimeri semiconduttori sono caratterizzati
dalla presenza di doppi legami coniugati nella
catena principale. Questo provoca un
delocalizzione elettronica e una diminuzione
dell’energia del gap.
10.00
8.00
6.00
4.00
GAP
2.00
E (eV)
0.00
-2.00 LUMO
-4.00
HOMO
-6.00
-8.00
-10.00
0 2 4 6 8 10 12
Numero di doppinlegami coniugatiCelle solari polimeriche
Scopo
Sviluppo di celle solari basate su composti organici e polimerici nanostrutturati
Attività hν
HOMO
Progettazione e sintesi di materiali polimerici LUMO
LUMO
nanostrutturati e-
SOMO
Progettazione e assemblaggio di celle solari
Valutazione della stabilità e della scalabilità
R
N
Donatore
N N
X
Anodo
-
+
Catodo
AccettoreCelle solari polimeriche: attività e risultati
Avviata una collaborazione con il centro di eccellenza
finlandese VTT (Technical Research Centre of Finland) per lo
sviluppo di processi di stampa continui tipo roll-to-roll, per
la realizzazione di celle fotovoltaiche polimeriche utilizzando
materiali proprietari eni
• Realizzate le prime celle solari organiche (convenzionali
e inverse) stampate su substrato flessibile e incapsulate
(“sheet process”)
• Realizzati moduli di superficie di 225 cm2
• Realizzati dimostratori consistenti in calcolatrici portatili
alimentale da moduli di 50 cm2
• Progettata linea roll to roll per la produzione di moduli
flessibili
23 brevetti
27 pubblicazioniCelle solari ibride: Dye Sensitized Solar Cells (DSSC)
Celle solari ibride - DSSC
Supporto
Elettrodo
Elettrolita
Colorante
TiO2
Elettrodo trasparente
Vetro
Rappresentano un modo per sviluppare celle FV senza silicio
Ottenibili con diversi assorbimenti e colori, semplici da realizzare, a basso costo
Scopo
Sviluppo di celle solari basate su nuovi coloranti e materiali nanostrutturati
Attività
Progettazione e preparazione di nuovi coloranti, materiali, elettroliti ed
elettrodi nanostrutturati
Progettazione e assemblaggio di celle
Valutazione della stabilità e della scalabilitàDye Sensitized Solar Cells - DSSCs
Attività
Coloranti
Sintesi e sviluppo di
Variazione della morfologia e coloranti
dll’area superficiale della TiO2
TiO2 Elettrolita Nuove fornulazioni di
elettroliti liquidi
Tecniche di stampa Elettrodi
Sviluppo di nuovi
elettrodi
6 brevettiScissione fotoelettrochimica dell’acqua
Scissione fotoelettrochimica dell’acqua (Photosplitting)
Scopo
• Stoccaggio dell’energia solare sotto forma di idrogeno o di carburanti
attraverso la reazione con CO2
• Ossidazione di inquinanti nella la depurazione delle acque
Attività
Sviluppo di materiali per celle fotoelettrochimiche
Miglioramento dell’efficienza e riduzione dei costi
Progettazione di sistemi combinati e/o integrati
e e
O2 e e H2 H2 + ½ O2 H2O
H2O
Cella fotoelettrochimica
Photoelectrochemical cell Stoccaggio
Hydrogendell’idrogeno
storage Cella aFuel cell
combustibileFotoanodi nanostrutturati
WO3-anodico
WO3 – solgel Fe2O3 + Ti –spray TiO2-anodico 20-100 nm
20-80 nm 20-60 nm 20-80 nm Area max. 50 cm2
Area max. 100 cm2 Area max. 100 cm2 Area max. 110 cm2Impianti dimostrativi all’aperto
DEMO1 DEMO2
Basato su TiO2 Basato su WO3
29
29Possibili applicazioni della tecnologia del photosplitting
• Electricità : H2 solare in fuel cell per generare generate electricità off-grid
• Storage energetico : accumulo come energia chimica
• Ambiente : trattamento photoredox di acque inquinate
• Carburanti : reazione di H2 con CO2 per produrre idrocarburi
• Autotrasporto : addizione di H2 a CH4 nei veicoli per ridurre le emissioni
30Collaborazioni nazionali e internazionali
Questi progetti vengono svolti anche avvalendosi di numerose collaborazioni
con enti accademici e di ricerca nazionali e internazionali
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