Sistemi Ibridi Fotovoltaico-Termici
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Sistemi Ibridi
Fotovoltaico-Termici
La potenzialità degli impianti
fotovoltaico- cogenerativi
Ing. Carlo Privato
Responsabile Laboratorio Tecnologie Fotovoltaiche
ENEA – Centro Ricerche Portici
carlo.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)
Cogenerazione
Solare Fotovoltaico (PV)
Energia Elettrica
kWhe
Utenza Elettrica/Rete
Cogenerazione
PV/T Cogenerazione
Moduli Ibridi CPV/T
Piani PV/T Moduli Ibridi
kWhe + kWht Concentrazione
Solare Termico (T) CPV/T
Energia Termica a Bassa T kWhe + kWht
kWht
Riscaldamento fluidi
“T < 60 ºC “
Solare Termodinamico (TD)
Energia Termica a Media-
Alta T
kWht
Processi e cicli
“T > 100 ºC “
PV/T Piano: funzionamento
Fluido out
Energia
elettrica
Modulo FV
incapsulat
PV/T a liquido Con e senza vetro
o PV/T ad aria (glazed – unglazed)
Fluido in
Celle fotovoltaiche convenzionali in
silicio policristallino o a film sottile
PV/T Piano: La tecnologia
TESPI (I)
PV TWINS (NL)
SOLARHYBRID (D)
Ibridi PV/T Piano: Pro e Contro
Vantaggi
1. Migliore sfruttamento energia solare incidente
2. Minore superficie captazione occupata a parità di energia elettrica e termica
prodotta 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
PV/T a Concentrazione (CPV/T): la tecnologia
Celle FV a
concentrazione
Riflettore
Circuito di
raffreddamento
Luce
concentrata
Radiazione
solare diretta
Inseguimento
solare ad 1 asse
PV/T a Concentrazione (CPVT)
Esempi commerciali
Absolicon (Sweden)
Moduli CPV/T in prova c/o CR ENEA
Trisaia
Dati Tecnici
Lunghezza modulo da 6 m
Larghezza 1,1 m
Peso 195 kg
Concentrazione 10X
Produzione di calore a
50 °C (Madrid) 3610 kWh/anno
Area utile 5,8 m2
Potenza elettrica
(1000 W/m2 25 °C) 550 W
Isc 13 A
Voc 51 V
Produzione elettrica 700 kWh/anno
Area utile 4,9 m2
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
Cella ENEA: c-Si per una tecnologia robusta
e poco costosa, max temp. 100°C
Linear front grid
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
Square front grid: 20% at 200 suns
Attività in corso:
Progetto Apollon (VII FP)
Progetto SCOOP (Industria 2015)
Ibridi CPV/T: Pro e Contro
Vantaggi
1. Possibile utilizzo di celle fotovoltaiche a concentrazione ad alta efficienza
2. Calore disponibile a livelli di temperatura più elevati (migliore qualità del
calore prodotto)
3. Possibile riduzione complessiva dei costi per un ridotto impiego di materiali
attivi 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 temperatura
insostenibibili per il ricevitore
5. Adatto per siti caratterizzati da alta radiazione diretta
6. Assenza normativa e restrizioni sull’accesso alle incentivazioniIl campo delle possibili applicazioni
Temperatura = Livello di qualità del calore
Ibridi piani PV/T Ibridi a concentrazione
kWhe + kWht CPVT
kWh
“60 ºC e>+TkWh t °C “
< 130
“T < 60 ºC “
Riscaldamento Largo campo di applicazioni: processi,
acqua/ambienti cicli
Dissalazione Calore di
Raffreddamento - Cicli frigoriferi processo
ad assorbimento Vapore
Cicli frigoriferi ad assorbimento a
doppio effetto
Riscaldamento
acqua e aria
0 5 100 150 200°C (Temperatura)
• Settore civile
0
– 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 Italia
Globale su piano orizzontale
1600-1800 kWh/m2
Centro-Sud Italia
Diretta su piano a
inseguimento
1200-1600 kWh/m2
(moto N-S e E-O)La producibilità energetica utile:
il bilancio energetico (Caso reale PV/T)
Collettori con prestazioni commerciali IBRIDO Piano PV/T
Efficienza energetica media annua
S=1 m2
ηpv=12%
•Fotovoltaico:ηpv=12% Edc=192 kWhe (En. Elettrica)
ηpv/t=56%
•Termico:ηth=50% Hi=1600 kWh/m2
Eth=704 kWht (En. Termica)
ηth=50%
Eloss=704 kWh (Perdite)
Energia annua ottenibile
1 m2 di superficie di collettore ibrido PV/T
• 190 kWhe annui di Energia Elettrica
• 700 kWht annui di Energia termica
Benefici ambientali
190 kWhe ≈ risparmio di ≈ 475 kWh energia primaria
emissione evitata di 127 kg CO2 in atmosfera
700 kWht ≈ risparmio ≈ 875 kWh energia primaria
emissione evitata di 175 kg CO2 in atmosferaLa producibilità energetica utile:
il bilancio energetico (Caso reale CPV/T)
Collettori con prestazioni commerciali Caso CHAPS
Efficienza energetica media annua
S=1 m2
ηpv=12%
•Fotovoltaico:ηpv= 12% Edc=192 kWhe (En. Elettrica)
ηpv/t=72%
•Termico:ηth= 68% Hi=1600 kWh/m2
Eth=957 kWht (En. Termica)
ηth=68%
Eloss=451 kWh (Perdite)
Energia annua ottenibile
1 m2 di superficie di collettore ibrido PV/T
• 190 kWhe annui di Energia Elettrica
• 950 kWht annui di Energia termicaLe Valutazioni economiche
Il valore dell’energia ?
Quale valore economico associare all’energia prodotta?
• L’energia elettrica fotovoltaica ha un valore economico diretto e ben
definito:
¾ Costo evitato della equivalente fornitura (Bolletta elettrica)
• ≈ 0,15-0,25 €/kWhe
¾ Eventuali incentivi cumulabili (vedi tariffe incentivanti Conto Energia) )
• ≈ 0,30-0,40 €/kWhe
• L’energia termica ha un valore che dipende strettamente dalle specifiche
condizioni dell’utenza, ovvero dal sistema con cui in alternativa essa viene
prodotta, dipende quindi da:
¾ Costo evitato energia elettrica equivalente da scalda-acqua elettrico
• ≈ 0,17-0,28 €/kWht
¾ Costo evitato del gas equivalente da caldaia a gas di piccola taglia
• ≈ 0,09-0,11 €/kWht
¾ Costo evitato energia primaria per processo, medie-grandi taglie, etc…
• ≈ 0,04-0,09 €/kWhtLe Valutazioni economiche
Il ritorno dell’investimento ?
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 creare
condizioni di mercato nell’ottica della competitività dell’applicazioneIl mercato del Solare Termico:Europa/Italia (2008)
N.B: Direttiva 20-20-20 non distingue
tra energia elettrica e termica per il
raggiungimento degli obiettivi al 2020
Italia si trova nettamente al di sotto
della media europea
Thermal Market Italy (glazed
collector) (18 kWt per migliaia di abitanti)
295 MWt/3.300 MWt ~ 9%Contesto di riferimento:
Il contributo e la diffusione del fotovoltaico
Potenza cumulata totale impianti fotovoltaici entrati in esercizio con il conto
energia (dati GSE)
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 alLa 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 che
necessità di essere ampliata e dettagliata con urgenza
2. La normativa dei moduli termici è consolidata per quelli piani mentre è ancora
in 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 ibridiLa Cogenerazione Fotovoltaico-Termica (PV/T)
Conclusioni
¾La tecnologia ibrida PV/T ha grandi potenzialità per tutte le applicazioni in è
previsto un consumo sia di energia elettrica che di energia termica (residenziale,
servizi, agricoltura, industria)
¾L’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)
¾E’ 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.
¾I 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
¾Ci sono limiti nella normativa e nell’accesso a forme di incentivazione.ENEA Centro Ricerche Portici Tel: 081 7723201 Fax: 081 7723493 www.ene1.portici.enea.it Grazie per l’attenzione
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