energie rinnovabili: Pannelli fotovoltaici

1. Roma Dipartimento di Scienze Sanità Pubblica Sanarelli Energie rinnovabili: Pannelli Fotolvoltaici Dott. Martino Massimiliano Trapani Sapienza Università di Roma Dott. Martino Massimiliano Trapani 1 giovedì 17 aprile 2008

2. Protocollo Di Kyoto Firmato nel dicembre del 1997 Il Protocollo impegna i paesi industrializzati e quelli a economia in transizione (i paesi dell’Est europeo) a ridurre complessivamente del 5,2 per centole principali emissioni di gas serra entro il 2010 e, più precisamente, nel periodo compreso tra il 2008 e il 2012. La riduzione complessiva del 5,2 per cento non è uguale per tutti i paesi. Per i paesi membri dell’Unione europea nel loro insieme la riduzione dovrà essere pari all’8 per cento, per gli USA al 7 per cento, per il Giappone al 6 per cento. Dott. Martino Massimiliano Trapani 2 giovedì 17 aprile 2008

3. STIME DEL CONSUMO ELETTRICO Le stime del consumo elettrico italiano per il 2006 sono di 351,6 TWh (miliardi di kWh), con un Tasso di incremento medio annuo del 2,8 % Nel 2005, in Italia sono stati prodotti circa 50 TWh da fonti rinnovabili, la maggior parte dei quali: 36 TWh da fonte idroelettrica; 6,15 TWh da biomassa e rifiuti; 5,32 TWh da fonte geotermica ; 2,34 TWh da centrali eoliche . Dott. Martino Massimiliano Trapani 3 giovedì 17 aprile 2008

4. Normativa Nazionale Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387 Attuazione della direttiva 2001/77/CE relativa alla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità. Gazzetta Ufficiale N. 45 del 23 Febbraio 2007 Criteri e modalita' per incentivare la produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare, in attuazione dell'articolo 7 del decreto legislativo 29 dicembre 2003, n. 387. Dott. Martino Massimiliano Trapani 4 giovedì 17 aprile 2008

5. Incentivi Statali Italiani Defiscalizzazione degli interventi in edilizia: si ha una riduzione dell'imponibile IRPEF (legge 449/97 e successive modifiche) del 36%, ratealizzabile in cinque o dieci anni, sui costi documentabili relativamente al ricorso a fonti rinnovabili e a interventi di risparmio energetico. Programma dei 10.000 tetti fotovoltaici: prevede la realizzazione in cinque anni di 10.000 impianti integrati negli edifici per una potenza complessiva installata di 50 Mw. Dott. Martino Massimiliano Trapani 5 giovedì 17 aprile 2008

8. Modulo Fotovoltaico Un modulo fotovoltaico è un dispositivo in grado di convertire l’energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è impiegato come generatore di corrente quasi puro in un impianto fotovoltaico . Può essere meccanicamente preassemblato a formare un pannello fotovoltaico Dott. Martino Massimiliano Trapani 7 giovedì 17 aprile 2008

9. Tecnologie a confronto Dei molti materiali impiegabili per la costruzione dei moduli fotovoltaici, il silicio è in assoluto il più utilizzato. Se si limita l'analisi ai soli prodotti commerciali, le tecnologie di realizzazione più comuni sono: Moduli cristallini Moduli a film sottile Dott. Martino Massimiliano Trapani 8 giovedì 17 aprile 2008

10. Cella Fotovoltaica La cella fotovoltaicaè l'elemento base nella costruzione di un modulo fotovoltaico, ma può venire anche impiegata singolarmente in usi specifici. La versione più diffusa di cella fotovoltaica, quella in materiale cristallino, è costituita da una lamina di materiale semiconduttore, il più diffuso dei quali è il silicio. Dott. Martino Massimiliano Trapani 9 giovedì 17 aprile 2008

11. Impianti Fotovoltaici Gli impianti fotovoltaici sono generalmente suddivisi in due grandi famiglie: Impianti ad isola; identifica quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed autosufficiente. Impianti connessi alla rete; identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale , ma che iniettano in rete la produzione elettrica risultante dal loro impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella della rete. Dott. Martino Massimiliano Trapani 10 giovedì 17 aprile 2008

12. Tipi di Impianti Fotovoltaici : Gli impianti fotovoltaici vengano suddivisi per dimensione in 3 grandi famiglie: Piccoli impianti: con potenza nominale inferiore a 20 kWp; Medi impianti:con potenza nominale compresa tra 20 kWp e 50 kWp; Grandi impianti: con potenza nominale maggiore di 50 kWp. Dott. Martino Massimiliano Trapani 11 giovedì 17 aprile 2008

13. Calcolo-Base Impianto Di seguito riportato l'esempio di calcolo-base di un impianto fotovoltaico per un'utenza (nucleo familiare tipo, composto da quattro persone), collegata alla rete esistente di distribuzione dell'energia elettrica. Località Firenze – (Italia ) Produzione richiesta 3000 Kwp/anno Area captante 30 mq Costo (compreso 10% IVA) 25.750 Euro Detrazione statale (75%) 17.400 Euro Detrazione IRPEF (36%) 2.950 Euro Costo netto 5.400 Euro Fabbisogno annuo 95% circa Dott. Martino Massimiliano Trapani 12 giovedì 17 aprile 2008

14. Dove può essere installato un impianto fotovoltaico in Italia? I moduli fotovoltaici possono essere collocati su qualsiasi pertinenza di un immobile (tetto, facciata, terrazzo, ecc…) o sul terreno. Requisiti ottimali d’installazione : Disponibilità di spazio necessario per installare i moduli; Corretta esposizione ed inclinazione della superficie dei moduli. Esposizione SUD (accettabile anche SUD-EST, SUD-OVEST, con ridotta perdita di produzione); Inclinazione dei moduli compresa fra 25° (latitudini più meridionali) e 35° (latitudini più settentrionali); Assenza di ostacoli in grado di creare ombreggiamento. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 13

15. Quanta elettricità produce un impianto fotovoltaico? (1) La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori: radiazione solare incidente sul sito d’installazione; orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli; assenza/presenza di ombreggiamenti; prestazioni tecniche dei componenti dell’impianto (moduli, inverter ed altre apparecchiature). giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 14

16. Quanta elettricità produce un impianto fotovoltaico? (2) Prendendo come riferimento un impianto da 1 kW di potenza nominale, con orientamento ed inclinazione ottimali ed assenza di ombreggiamento, non dotato di dispositivo di “inseguimento” del sole, in Italia è possibile stimare le seguenti producibilità annue massime: regioni settentrionali 1.000 – 1.100 kWh/anno regioni centrali 1.200 – 1.300 kWh/anno regioni meridionali 1.400 – 1.500 kWh/anno E’ opportuno sottolineare che il consumo annuo elettrico medio di una famiglia italiana è pari a circa 3.000 kWh. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 15

17. Mercato Fotovoltaico (1) Il mercato fotovoltaico mondiale ha conosciuto negli ultimi anni notevoli sviluppi, passando dai 46 Mwp/anno del 1990 ai 1256 Mwp prodotti nel 2004. Da molti anni gli incrementi del mercato si aggirano intorno al 35% annuo e le proiezioni prevedono che, dagli anni 2010 –2015, la tecnologia darà un contributo sempre più rilevante al fabbisogno elettrico mondiale. Si tratta non solo di un incremento di tipo quantitativo ma anche qualitativo, grazie soprattutto a realizzazioni molto avanzate sia a livello tecnologico che architettonico. I Paesi oggi maggiormente impegnati nel fotovoltaico sono: Giappone, Germania, USA, Olanda,Svizzera, Spagna, Austria e Regno Unito. I dati che seguono sono ricavati da tabelle IEA, International Energy Agency, rispecchiano la situazione alla fine del 2002. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 16

18. Mercato Fotovoltaico (2) Il mercato mondiale oggi è dominato da circa dieci grandi compagnie, che comprendono sia industrie petrolifere sia industrie che producono semiconduttori sia prodotti elettronici di largo consumo ed industrie fotovoltaiche pure . Alcune di queste hanno deciso di investire centinaia di milioni di dollari sulle fonti rinnovabili, e di realizzare impianti di produzione di celle fotovoltaiche di grandi dimensioni. Nel 2003 la produzione mondiale di celle fotovoltaiche è salita del 32% rispetto l’anno precedente. Questa crescita straordinaria è dovuta in parte ai miglioramenti tecnologici, ma soprattutto ai programmi di introduzione al mercato e agli incentivi statali. Nel 2004 si è avuta la conferma del trend positivo del mercato: maggiore del 67% rispetto al2003. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 17

19. Mercato Fotovoltaico (3) Il solare fotovoltaico oggi copre solo lo 0,05% della domanda di energia elettrica ma, a questi ritmi di crescita e considerando anche lo sviluppo della domanda elettrica globale, è prevedibile che possa coprire lo 0,5% nel 2010. Pertanto, il fotovoltaico avrà dopo il 2010 il suo massimo sviluppo di crescita e potrà coprire fra il 2025 e il 2030 il 10% della domanda mondiale di energia elettrica. Tuttavia c’è da ritenere che per questa tecnologia non ci saranno veri e propri limiti fisici perché, superati i problemi di acquisizione della materia prima, essa diventerà sempre più un elemento dell’ambiente costruito, quindi con un potenziale enorme. Il fotovoltaico potrà iniziare a raggiungere livelli di competitività economica proprio dopo il 2010, mentre una piena competitività è prevista nel 2030; giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 18

20. Mercato Europeo Nell'Unione Europea la crescita del solare fotovoltaico prosegue a ritmi esponenziali. Con il boom dei 410,5 MW installati durante il 2004 l'Europa oltrepassa per la prima volta la soglia complessiva di 1 GW di potenza fotovoltaica installata. Un tasso di crescita annuale pari al +69,2%. La forte crescita è stata trainata per l'88% dal mercato tedesco. La Germania mantiene la leadership europea nell'applicazione della tecnologia fotovoltaica diventando il primo paese al mondo in potenza fotovoltaica installata. A guidare la classifica solare in Europa la Germania con 794 MWp, seguono i Paesi Bassi con 47 MWp e la Spagna con 38 MWp. Quasi interamente il gigawatt di potenza FV installato in Europa rientra nella tipologia degli impianti connessi in rete. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 19

21. Mercato Tedesco Già nel 1991 il parlamento tedesco varava una legge che introduceva una tariffa maggiorata per la remunerazione dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. Nel 1999 è lanciato il programma 100.000 tetti Fv. In una prima fase il finanziamento a tasso agevolato offerto dal programma è stato insufficiente per stimolare la domanda di mercato. Solo l’abbinamento con la tariffa agevolata differenziata per fonte stabilita nel 2000 nella prima revisione della legge sulle rinnovabili ha consentito l’effettivo decollo del mercato Fv. Nel 2003, per assicurare la sopravvivenza dell’industria Fv tedesca e per preservare i relativi 6.000 posti di lavoro, il legislatore è intervenuto varando nel gennaio 2004 la legge a favore dell’elettricità . La nuova politica tedesca abbandona pertanto il contributo all'acquisto dei pannelli solari a favore dell'adozione di tariffe di acquisto agevolate. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 20

22. Mercato Italiano (1) Il fabbisogno elettrico italiano è di circa 280.000.000.000 di kWh l’anno La superficie del paese è di oltre 300.000 chilometri quadrati. La radiazione solare media è di circa 1.000 kWh/mq × anno. Cosicché una superficie complessiva di moduli fotovoltaici di 3.000 kmq (=3.000.000.000 di mq), pari all’1% del territorio, con un rendimento di conversione del 10%, produrrebbe tanta elettricità da coprire largamente quel fabbisogno. Il mancato decollo del fotovoltaico in Italia negli anni passati è stato legato soprattutto alla mancanza di tariffe incentivanti in grado di trasformare proprietari di terreni e fabbricati in veri imprenditori e produttori di energia. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 21

23. Mercato Italiano (2) In parole semplici il "conto energia" introduce la remunerazione differenziata per la produzione di energia elettrica dai pannelli solari. Ogni proprietario di pannelli solari autorizzato potrà rivendere l'energia prodotta dai propri pannelli alla rete elettrica nazionale. L'intervento ha lo scopo di aumentare la redditività degli investimenti d'impresa nel settore solare. Così, un qualsiasi proprietario di terreni aridi e incolti sarà maggiormente incentivato ad installarvi pannelli solari. Tutta l'energia elettrica prodotta dai sistemi fotovoltaici (misurata tramite un contatore che verrà installato a valle del sistema) verrà pagata per 20 anni con una tariffa molto interessante: 0,45 euro/kWh per gli impianti da 1 a 20 kWp, 0,47 euro/kWh nel caso di impianti da 20 a 50 kWp, mentre per i sistemi di potenza compresa tra 50 e 1000 kWp si stilerà una graduatoria per cui chi chiede di meno avrà più possibilità di vedersi assegnata la tariffa. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 22

24. Mercato Nipponico Nell’ultimo decennio, nessun altro paese al mondo ha impegnato tante risorse economiche a favore del solare Fv come il Giappone. Senza contare i cospicui programmi di ricerca industriale finanziati dal governo. Inizialmente il programma copriva il 50% dell’investimento solare Fv, attraverso l’erogazione di un contributo in conto capitale. Negli anni successivi il livello di incentivazione è stato ridotto gradualmente. Nella valutazione dell’incentivo occorre però tenere conto anche di altri due fattori: La possibilità per il consumatore proprietario di un impianto Fv di decurtare la produzione solare dal proprio consumo di energia elettrica. Inoltre, è stato notevole l’impegno sul Fv nel settore edile: la realizzazione contemporanea del sistema Fv come parte integrata nella struttura dell’edificio consente rilevanti riduzioni nei costi di realizzazione. giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 23

25. Vantaggi Tecnologia Fotovoltaica I vantaggi possono riassumersi in: assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante; risparmio di combustibili fossili; affidabilità degli impianti poiché non esistono parti in movimento; costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo; modularità del sistema (per aumentare la potenza dell’impianto è sufficiente aumentare il numero dei moduli). Peraltro è da tener presente che l’impianto fotovoltaico è caratterizzato da un elevato costo iniziale (dovuto essenzialmente all’elevato costo dei moduli) e da una produzione discontinua a causa della variabilità della fonte energetica (il sole). giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 24

26. Limiti degli impianti fotovoltaici I limiti principali allo sviluppo degli impianti fotovoltaici risiedono innanzitutto nell'alto costo degli impianti stessi e di conseguenza dell'energia prodotta. Secondo altri studi, per coprire il consumo energetico elettrico italiano sarebbero necessari 1.861 km². La superficie totale italiana è pari a 301.171 km², quindi servirebbe coprire lo 0,6% della superficie italiana per fare fronte al consumo elettrico nazionale. Considerando una superficie agricola utile di 13 milioni di ettari, si dovrebbe quindi coprire con campi fotovoltaici una superficie pari all'1,4% dei terreni agricoli. Dott. Martino Massimiliano Trapani 25 giovedì 17 aprile 2008

27. Prestazioni e Rendimenti Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. La garanzia oggi più comune è del 90% sul nominale per 10 anni e dell'80% sul nominale per 20 anni. I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 30 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 15-20 anni. Dott. Martino Massimiliano Trapani 26 giovedì 17 aprile 2008

28. Innovazioni L'università di Toronto ha inventato un materiale plastico che sfruttando nanotecnologie converte i raggi solari e infrarossi (quindi funziona anche con il tempo nuvoloso) in elettricità. Si prevede che costruendo i futuri pannelli fotovoltaici con questo materiale se ne aumenteranno le prestazioni di cinque volte. Può essere inoltre usato come generatore portatile e quindi essere spruzzato su superfici di altri materiali (ad esempio vestiti o su una batteria di auto a idrogeno). Si pensa che basterebbe ricoprire lo 0,1% della Terra di questa nuova tipologia di pannelli per sostituire tutte le centrali elettriche . Dott. Martino Massimiliano Trapani 27 giovedì 17 aprile 2008

29. Curiosità Il più grande impianto fotovoltaico in funzione al mondo è ubicato a Beneixama Alicante, Spagna, nella Comunità Valenciana. La sua potenza nominale è di 20 MWp. Dott. Martino Massimiliano Trapani 28 giovedì 17 aprile 2008

30. Conclusione Quando la Commissione Europea pubblicò nel 2002 il rapporto "EuropeanPhotovoltaicsProjects: 1999-2002", la capacità fotovoltaica installata nel continente era pari a circa 400 MW; L'obiettivo del Libro Bianco Europeo punta al raggiungimento di una capacità installata di almeno 3 GW entro il 2010; Con un incremento annuo del 30% ,(1GW può fornire energia per circa 350.000 utenze domestiche nel momento di massimo utilizzo). L'obiettivo è quello di arrivare entro il 2020 a quota 20%, un picco che, secondo la Commissione europea, permetterebbe di risparmiare ogni anno fino a 900 milioni di tonnellate di CO2, riducendo nel contempo il consumo di carburanti fossili sino a 300 milioni di tonnellate l'anno. Dott. Martino Massimiliano Trapani 29 giovedì 17 aprile 2008

31. Grazie Dell’ Attenzione giovedì 17 aprile 2008 Dott. Martino Massimiliano Trapani 30