6_fusco_sc_23-05-2013

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
Solare
Vento
Consumo
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
termodinamico
a concentrazione
Celle solari
ibride
Concentrazione
Concentratori
Solari
Luminescenti
Conversione
Celle solari
polimeriche
Stoccaggio
H2 da H2O
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
Collettori lineari Fresnel
Sistemi a torre
Dischi parabolici
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
UV
IR IR
VIS
PROPAGAZIONE GUIDATA
la radiazione convertita si propaga
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-
ee+
Voc
+
Metallo
Semiconduttore p Semiconduttore n
Donatore
Accettore
Record 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
E (eV)
4.00
GAP
2.00
0.00
LUMO
-2.00
-4.00
HOMO
-6.00
-8.00
-10.00
0
2
4
6
8
10
Numero di doppinlegami coniugati
12
Celle solari polimeriche
Scopo
Sviluppo di celle solari basate su composti organici e polimerici nanostrutturati
Attività
Progettazione e sintesi di materiali polimerici
nanostrutturati
Progettazione e assemblaggio di celle solari
Valutazione della stabilità e della scalabilità
Donatore
R
N
N
N
X
Anodo
+
Accettore
-
Catodo
hν
HOMO
LUMO
LUMO
eSOMO
Celle 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 pubblicazioni
Celle 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 scalabilità
Dye Sensitized Solar Cells - DSSCs
Attività
Coloranti
Variazione della morfologia e
dll’area superficiale della TiO2
TiO2
Tecniche di stampa
Sintesi e sviluppo di
coloranti
Elettrolita
Nuove fornulazioni di
elettroliti liquidi
Elettrodi
Sviluppo
elettrodi
di
6 brevetti
nuovi
Scissione 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
O2
e
e
H2
H2 + ½ O2
e
H2O
H2O
Photoelectrochemical
cell
Cella
fotoelettrochimica
cell
Hydrogendell’idrogeno
storage
Stoccaggio
Cella aFuel
combustibile
Fotoanodi nanostrutturati
WO3 – solgel
20-80 nm
Area max. 100 cm2
Fe2O3 + Ti –spray
20-60 nm
Area max. 100 cm2
TiO2-anodico
20-80 nm
Area max. 110 cm2
WO3-anodico
20-100 nm
Area max. 50 cm2
Impianti dimostrativi all’aperto
DEMO1
Basato su TiO2
DEMO2
Basato su WO3
29
29
Possibili 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
30
Collaborazioni nazionali e internazionali
Questi progetti vengono svolti anche avvalendosi di numerose collaborazioni
con enti accademici e di ricerca nazionali e internazionali
Grazie per l’attenzione!