UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Tesi di Laurea in Energetica Aspetti normativi ed energetici

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNOFacoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea in Energetica

Aspetti normativi ed energetici relativi agli impianti fotovoltaici

Relatore: Candidato:Prof. Ing. Carlo Renno Daniele Balzano Matr. 465/450

Descrizione dell’attività di tesi

A. Trattazione della normativa applicata ai sistemi fotovoltaici ed energetici

B. Descrizione del funzionamento degli impianti fotovoltaici

C. Descrizione dello studio di fattibilità

D. Applicazione della vigente normativa ad un’utenza domestica

E. Applicazione del Solar Cooling: ad un veicolo frigorifero e ad un frigorifero domestico

Normativa relativa ai sistemi fotovoltaici (A/1)

•Decreti del 22/12/00 e 16/03/01

•Decreto 28 luglio 2005

•Decreto Fotovoltaico del 19/02/07

Decreti del 22/12/00 e 16/03/01 (A/2)

•Programma dei “10000 tetti fotovoltaici”

•Contributo statale a fondo perduto sull’installazione di impianti fotovoltaici

•Detrazione massima ottenibile pari al 75%

Decreto 28 luglio 2005 (A/3)

•L’impianto si paga interamente

• Gli incentivi arrivano attraverso l'energia generata con il fotovoltaico (vecchio conto energia)

• La produzione potrà essere venduta alla rete elettrica a tariffe incentivanti

• Prevede incentivi per la produzione di energia elettrica da impianti fotovoltaici con taglie comprese tra 1 kW e 1.000 kW di potenza

Decreto Fotovoltaico del 19/02/07 (A/4)

• L’impianto si paga interamente

• Gli incentivi arrivano attraverso l'energia generata con il fotovoltaico (nuovo conto energia)

• La produzione potrà essere venduta alla rete elettrica a tariffe incentivanti

• Prevede incentivi per la produzione di energia elettrica da impianti fotovoltaici con taglie a partire da 1 kW fino a potenza illimitata.

Tariffe Incentivanti (A/5)

Vecchio conto energiaTariffe incentivanti per il fotooltaico relativamente alle domande presentate nel corso degli anni 2005 e 2006

Potenza nominale P (kW)

Tariffa incentivante

1 kW ≤ Pn ≤ 20 kW

0,445 Euro/kWh

20 kW < Pn ≤ 50 kW

0,460 Euro/kWh

50 kW < Pn < 1000 kW

Massimo 0,490 Euro kWh

Nuovo conto energiaNon Integrato

Parzialmente integrato

Integrato

1 ≤ Pn ≤ 3 kW

0,40 € 0,44 € 0,49 €

3 < Pn ≤ 20 kW

0,38 € 0,42 € 0,46 €

Pn > 20 kW

0,36 € 0,40 € 0,44 €

Conclusioni del confronto (A/6)

• Gli impianti costruiti al suolo sono soggette a tariffe nettamente inferiori a quelle precedenti

•Gli impianti fino a 20 kW devono acquisire anche il premio previsto la certificazione energetica per essere convenienti

• Gli impianti integrati architettonicamente sono i più convenienti

• La decurtazione annuale delle tariffe è del 2% invece del 5%

• Mancato aggiornamento all’andamento del costo della vita

Descrizione del funzionamento degli impianti fotovoltaici (B/1)

Effetto Fotoelettrico

La conversione fotovoltaica è un fenomeno fisico che permette di trasformare direttamente l'energia luminosa in energia elettrica in strutture elementari, le celle fotovoltaiche. L'effetto fotovoltaico consiste nella generazione di una differenza di potenziale elettrico, grazie all'integrazione di un flusso di energia radiante con la materia.

Descrizione del funzionamento degli impianti fotovoltaici (B/2)

Le celle sono costituite da due strati in contatto fra loro: uno strato è di tipo n, caratterizzato da una certa quantità di elettroni e uno strato è di tipo p, in cui si ha un eccesso di cariche positive. Nella zona di contatto tra i due strati, si crea una barriera di potenziale. A causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo strato p a quello n, ma non è possibile il passaggio inverso. Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il circuito ci sarà circolazione di corrente grazie al passaggio degli elettroni che si ricombinano con le lacune. È importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p.

L’efficienza della cella (B/3)Le cause di inefficienza sono essenzialmente dovute al fatto che:

•l’eccesso di energia dei fotoni non genera corrente ma viene dissipata in calore all’interno della cella;

•non tutti i fotoni penetrano all’interno della cella, in parte vengono riflessi;

•solo una parte dell’energia acquisita dall’elettrone viene trasformata in energia elettrica

•non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono separate dal campo elettrico di giunzione, una parte si ricombina all’interno della cella;

•la corrente generata è soggetta e perdite conseguenti alla presenza di resistenze serie.

Celle fotovoltaiche “passive” (B/4)Un team di studenti del MIT ha progettato un sistema che potrebbe consentire hai pannelli fotovoltaici e solari di seguire il sole senza motori o sistemi di controllo remoto elettrico. Utilizzando la differenza di temperatura dello spettro del cielo si modificano le proprietà del materiale di supporto delle celle fotovoltaiche. Le celle solari che seguono il sole riescono ad essere più efficaci del 38% nel generare energia rispetto alle tradizionali celle in posizione fissa.

I moduli Fotovoltaici (B/5)

• Sono composti da 36 o 72 celle collegate elettricamente in serie

• Hanno una superficie che varia da 0,5 a circa 1,3 m2

• Ha una potenza che va dai 55 ai 160 Wp

• Hanno un rendimento complessivo del 10-13%

Tipologie di impianti fotovoltaici (B/6)

Gli impianti FV possono operare in modo autonomo oppure in parallelo alla rete elettrica.

• I sistemi autonomi o isolati sono utilizzati per elettrificare utenze situate in località non raggiunte dalla rete elettrica o in luoghi dove il collegamento alla rete sarebbe troppo costoso.

• I sistemi fotovoltaici collegati alla rete (grid connected) possono essere grandi impianti per la produzione centralizzata e i cosiddetti “tetti fotovoltaici”, impianti di piccola taglia integrati nei tetti e nelle facciate degli edifici. Tali impianti sono utilizzati dove la produzione di energia elettrica da fonte convenzionale è costosa e/o a elevato impatto ambientale.

I Vantaggi del Fotovoltaico (B/7)

• L’energia solare non fa rumore, non produce scorie e non emette cattivi odori

• Sfrutta aree che altrimenti rimarrebbero inutilizzate

• L’energia elettrica viene generata direttamente sul punto di consumo evitando perdite dovute al trasporto ed ai cambi di tensione

•Ha durata di vita superiore ai 30 anni

• Ha costi di manutenzione molto bassi

• L’energia viene prodotta quando più ce n’è bisogno

• Modularità

• Veloce e semplice da installare

• Basse emissioni di CO2

Descrizione dello studio di fattibilità (C/1)

• Viene definito in base ai consumi di energia elettrica dell'utenza

• Viene concepito per integrare il 60-70% del fabbisogno elettrico

• Se l'obiettivo è il risparmio sulla propria bolletta energetica conviene operare in regime di "scambio sul posto" dimensionando l'impianto in base ai propri consumi

• Se l'obiettivo è fare un investimento "finanziario" si deve operare in regime di vendita e l'impianto va progettato in base alle risorse disponibili (capitale, superficie per l'istallazione dell'impianto, possibilità di allaccio alla rete, ecc.)

Parametri Energetici (C/2)

L.C.A.: Life Cycle Assessment

La valutazione del ciclo di vita mira a quantificare i costi energetici e ambientali di un generico componente durante l’intero arco della sua vita.Applicando questo concetto a componenti di impianti adibiti alla produzione di energia elettrica, si giunge a definire l’Energy Pay Back Time. I principali parametri sono:

• Gross Energy Requirement

• Global Warming Potential 100

• Acidificazione potenziale

• Photo-smog

•Eutrofizzazione

Parametri Energetici (C/3)

• Emissioni di CO2: per produrre un chilowattora elettrico vengono bruciati mediamente l'equivalente di 2,56 kWh sotto forma di combustibili fossili e di conseguenza emessi nell'aria circa 0,53 kg di anidride carbonica

• Risparmio di combustibile: per ogni kWh elettrico occorre bruciare circa 0,25 kg di combustibili fossili

Parametri economici (C/4)

• Simple Pay-Back period: numero di anni necessari affinchè i risparmi conseguiti eguaglino il sovraccosto d’investimento iniziale

• Discounted Pay-Back period: numero di anni necessari affinchè i risparmi conseguiti eguaglino il sovraccosto d’investimento iniziale tenendo conto della correzione del valore temporale del denaro

• Valore Attuale Netto: è l’ importo che esprime quanto valore genererà un investimento

Dimensionamento dell’impianto fotovoltaico (C/5)

Orientamento (gradi) Inclinazione

(gradi)

20 30 45 60 90

0 (Sud) 1,11 1,13 1,11 1,03 0,75

± 15 1,10 1,12 1,11 1,03 0,76

± 30 1,09 1,11 1,10 1,03 0,78

± 45 1,07 1,09 1,08 1,02 0,79

± 60 1,05 1,06 1,04 0,99 0,78

± 90 (Est-Ovest) 0,99 0,97 0,94 0,88 0,70

Applicazione della normativa ad un’utenza domestica (D/1)

I dati di progetto considerati sono i seguenti:

• località: Roma

• potenza impianto tradizionale: 3 kW

• consumo energetico annuo: 4.200 kWh/anno di energia elettrica

• pannelli fotovoltaici integrati architettonicamente

• inclinazione pannelli: 30°

• orientamento pannelli: SUD

• integrazione solare: 93%

• energia solare incidente utile: 1.752 kWh/ m2

• costo di ogni kWp: 5.000 €

Applicazione della normativa ad un’utenza domestica (D/2)DATI UNITA’ DI MISURA

Energia Solare Incidente Utile 1.752 kWh/ m2

Rendimento di Conversione 75%

Rendimento celle fotovoltaiche 17%

Energia elettrica fornita unitaria 253 kWh/ m2

Superficie impianto fotovoltaico 15,5 m2

Numero di moduli necessari 18 n

Massima potenza nominale modulo 110 Wp

Potenza di picco 2 kWp

Produzione attesa a kWp 1.192 kWh/kWp anno

Produzione annua attesa 2,4 MWh/anno

Risparmio annuale sui consumi di energia elettrica

550,00 €/anno


DATI Caso detrazioni 75% UNITA’ DI MISURA

Flusso di cassa (Fk) 490,00 €/anno

Costo complessivo impianto

(comprensivo di IVA)

10.000,00 €

Costo complessivo impianto (senza IVA) 8.000,00 €

Massima detrazione ottenibile 75%

Costo effettivo dell’impianto (SC,

Sovraccosto Iniziale)

4.000,00 €

Simple Pay-Back (SPB) 8,2 anni

Tasso di Attualizzazione 2%

Ammortamenti in N anni 5

Discounted Pay-Back (DPB) 9 anni

Valore Attuale Netto (VAN) 2.600,00 €


DATI Caso vecchio conto energia UNITA’ DI MISURA

Costo complessivo impianto 10.000,00 €

Contributo Conto Energia 0,445 €/kWh

Produzione Annua di energia dell’impianto fotovoltaico

3.900 kWh

Ricavo annuale dal contributo in conto

energia

1.735,50 €/anno

Tariffa Energia Elettrica 0,18 €/kWh

Risparmio annuale in bolletta 702 €/anno

Costo Gestione 85 €

Flusso di cassa 2.352 €

Simple Pay-Back (SPB) 4,2 Anni

Discounted Pay-Back (DPB) 4,7 Anni



DATI Caso nuovo conto energia UNITA’ DI MISURA

Costo complessivo impianto 10.000,00 €


Produzione Annua di energia dell’impianto fotovoltaico

3.900 kWh

Ricavo annuale dal contributo in conto

energia

1.911,00 €/anno


Risparmio annuale in bolletta 702 €/anno


Flusso di cassa 2.528,00 €





0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Senza conto energia Vecchio conto energia Nuovo conto energia

8,2

4,2 3,9

9

4,7 4,4Simple Pay-Back

Discounted Pay-Back


0 €

5.000 €

10.000 €

15.000 €

20.000 €

25.000 €

Senza conto energia Vecchio conto energia Nuovo conto energia

2.600 €

21.660 €

24.025 €Valore Attuale Netto

Valore Attuale Netto


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Confronto in % tra il caso con le detrazioni e il

vecchio conto energia

Confronto in % tra il caso con le detrazioni e il nuovo conto energia

Confronto in % tra il nuovo e il vecchio conto

energia

49% 52%

7%

48% 49%

6%

88% 89%

10%

Simple Pay Back

Discounted Pay Back



37000

38000

39000

40000

41000

42000

43000

44000

45000

46000

Vecchio conto energia Nuovo Conto energia

40.065 €

45.320 €

Guadagni ottenibili in euro (€) dal conto energia nella vita utile dell'impianto (25 anni)

Guadagni ottenibili in euro (€) dal conto energia nella vita utile dell'impianto (25 anni)

Analisi energetica e ambientale (D/10)

• Emissioni di CO2: per ogni kWh di energia elettrica prodotta mediante impianto fotovoltaico si evitano 0,532 kg di C02, quindi

3.900 kWh x 0,532 kg = 2075 kg/anno = ca. 2,1 tonnellate di CO2/anno risparmiate

• Energia primaria risparmiata: equivalente alla quantità di energia primaria necessaria a produrre in forma convenzionale l’energia elettrica consumata. L’efficienza di conversione del sistema di produzione di energia elettrica italiano è del 37%, quindi 3.900 kWh / 0,37 = 10.500 kWh/anno

• Analisi LCA: per tale analisi si tiene conto che occorrono 15 MWh per produrre 1 kWp. Essendo il nostro impianto capace di produrre 3 kWp occorrono 15 MWh x 2 kWp = 30 MWh = 30.000 kWh di energia primaria per produrre tale impianto fotovoltaico. Considerando che il nostro impianto risparmia 10.500 kWh/anno di energia primaria, diremo che l’impianto impiega 30.000 / 10.500 = 2,9 anni per rientrare dall’investimento energetico.

Altri esempi di applicazione (D/11)

Deserto del SaharaConsiderando che la popolazione mondiale è di circa 5,5 miliardi di individui e che il fabbisogno pro-capite è di 1,5 TEP (Tonnellate di Petrolio Equivalente) con 1 TEP = 11,630 MWh possiamo dire che il fabbisogno mondiale di energia elettrica è pari a circa9,6x10^10 MWh. Volendo soddisfare tale richiesta occorrerebbe approssimativamente un’area di tali dimensioni


0

1

2

3

4

5

6

Deserto Sahara Europa del Nord

3,5

4,6

3,8

5,1

Simple Pay Back

Discounted Pay Back

22.500 €

23.000 €

23.500 €

24.000 €

24.500 €

25.000 €

25.500 €

26.000 €

26.500 €

27.000 €

27.500 €

Deserto Sahara

Europa del Nord

27.244 €

24.244 €




Il MIT ha scoperto il modo di utilizzare l'energia in eccesso prodotta dai pannelli fotovoltaici per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno e ottenere elettricità anche di notte. Il sistema prevede di utilizzare l'elettricità prodotta da una cella fotovoltaica o da qualsiasi altra fonte di energia per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno gassosi, poi ricombinati all'interno di una cella a combustibile per produrre energia elettrica anche di notte per le abitazioni e le auto, senza emissioni di CO2.

Solar cooling: raffreddare con il sole (E/1)

Le tecnologie prese in considerazione sono le seguenti: • sistemi interamente solari (autonomi) • sistemi solari assistiti da una macchina frigorifera a compressione • sistemi con un’elevata percentuale di copertura solare • sistemi frigoriferi ad assorbimento a due effetti, alimentati da collettori solari ad alto rendimento• dessiccant cooling

Solar cooling: raffreddare con il sole (E/2)

Veicolo frigorifero (E/3)


• località: Roma

• potenza necessaria a refrigerare il veicolo: 16,6 kWh/giorno

• spesa annua di combustibile per la refrigerazione: 1.022 €/anno

• pannelli fotovoltaici applicati sulla sup. laterale e superiore

• superficie massima sfruttabile: 31,8 m2






0

5

10

15

20

25

30

35

Pannelli superiori

Pannelli superiori e

laterali

25,828,5

3033,2

Simple Pay Back

Discounted Pay back

-12.000 €

-10.000 €

-8.000 €

-6.000 €

-4.000 €

-2.000 €

0 €

Pannelli superiori

Pannelli superiori e

laterali

-3.154 €

-11.050 €



Veicolo frigorifero (E/5)DATI UNITA’ DI MISURA

Superficie utilizzabile per l’impianto

fotovoltaico

31,8 m2

Superficie unitaria modulo fotovoltaico 0,87 m2



Potenza di picco 4 kWp

Produzione attesa a kWp 1.192 kWh/kWp anno

Produzione annua attesa 4.768 kWh/anno

Fattore correttivo relativo

all’inclinazione dei pannelli

0,75

Produzione giornaliera attesa 13,1 kWh/giorno

Fabbisogno giornaliero di energia

elettrica del camion-frigo

16,6 kWh/giorno

Percentuale di energia elettrica che

l’impianto fotovoltaico riesce a coprire

61%


DATI Caso con le detrazioni 75% UNITA’ DI MISURA

Risparmio di combustibile (espresso in

litri)

1,3 l

Prezzo medio del combustibile 1,40 €/l

Risparmio giornaliero di combustibile 1,82 €

Risparmio annuo di combustibile (Fk,

Flusso di cassa)

665,00 €

Costo impianto fotovoltaico senza

detrazione

20.000,00 €

Costo impianto fotovoltaico con le

detrazioni del 75% (SC)

5.000,00 €

Simple Pay Back 7,5 anni

Discounted Pay Back 8,3 anni

Valore Attuale Netto 3.950,00 €


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Pannelli applicati solo sulla parte superiore con

detrazioni del 30%


detrazioni del 50%


detrazioni del 75%

18

12,9

6,4

18,4

14,2

7,1

Simple Pay Back

Discounted Pay Back

-1.000 €

-500 €

0 €

500 €

1.000 €

1.500 €

2.000 €

-815 €

147 €

1.800 €




0

5

10

15

20

25

Pannelli applicati

sulla parte superiore e laterale

con detrazioni

del 30%

Pannelli applicati


con detrazioni

del 50%

Pannelli applicati


con detrazioni

del 75%

21

15

7,5

23,2

16,6

8,3

Simple Pay Back

Discounted Pay Back

-6.000 €

-5.000 €

-4.000 €

-3.000 €

-2.000 €

-1.000 €

0 €

1.000 €

2.000 €

3.000 €

4.000 €

-5.050 €

-1.050 €

3.950 €



Analisi Energetica e Ambientale (E/9)

Emissioni di CO2: per ogni kWh di energia elettrica prodotta mediante impianto fotovoltaico si evitano 0,532 kg di C02, quindi

4.768 kWh x 0,532 kg = 2.540 kg/anno di CO2 risparmiati

Energia primaria risparmiata: equivalente alla quantità di energia primaria necessaria a produrre in forma convenzionale l’energia elettrica consumata. L’efficienza di conversione del sistema di produzione di energia elettrica italiano è del 37%, quindi 4.768 kWh / 0,37 = 12.887 kWh/anno

Analisi LCA: per tale analisi si tiene conto che occorrono 15 MWh per produrre 1 kWp. Essendo il nostro impianto capace di produrre 4 kWp occorrono

15 MWh x 4 kWp = 60 MWh = 60.000 kWh

di energia primaria per produrre tale impianto fotovoltaico. Considerando che il nostro impianto risparmia 12.887 kWh/anno di energia primaria, diremo che l’impianto impiega 60.000 / 12.887 = 4,7 anni

per rientrare dall’investimento energetico

Applicazioni del solar cooling (E/10)

•Veicolo frigorifero adibito al trasporto di derrate alimentari deperibili integrato con pannelli solari

•Frigorifero domestico utilizzato in zone degradate o disastrate adibito alla conservazione di farmaci salvavita

Frigorifero domestico (E/11)


• località: zone degradate o disastrate

• potenza necessaria al frigorifero: 560 kWh/anno

• pannelli fotovoltaici integrati architettonicamente



• integrazione solare: 100%




DATI UNITA’ DI MISURA

Energia Solare Incidente Utile 2.628 kWh/ m2

Rendimento di Conversione 75%

Rendimento celle fotovoltaiche 17%

Fattore Correttivo 1,13

Energia elettrica fornita unitaria 378,6 kWh/ m2

Superficie impianto fotovoltaico 1,5 m2

Superficie unitaria modulo fotovoltaico 0,87 m2



Potenza di picco 0,22 kWp


DATI UNITA’ DI MISURA

Costo Effettivo dell’Impianto (SC,

Sovraccosto Iniziale)

1.100,00 €


Risparmio annuale 124,00 €/anno


Ricavo annuale dal contributo in

conto energia

275,00 €/anno


Flusso di cassa 314,00 €





3,3

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

Frigorifero domestico allocato in zone particolari

3,5

3,9

Simple Pay Back

Discounted Pay Back

0 €

500 €

1.000 €

1.500 €

2.000 €

2.500 €

3.000 €

3.500 €

Frigorifero domestico allocato in zone

particolari

3.130 €



ConclusioniFotovoltaico applicato ad un’utenza domestica

1. Primo caso: detrazioni del 75%

• Risparmio in bolletta;

• Tempi di ritorno: circa 9 anni;

• Poco conveniente.

2. Secondo caso: “vecchio conto energia”

• Le tariffe favorivano l’installazione di impianti ubicati al suolo;


• Guadagni ottenibili in 25 anni: circa 40.000 €;

• Risparmio in bolletta.

3. Terzo caso: “nuovo conto energia”,

• Agevolazioni per le utenze domestiche;


• Guadagni ottenibili in 25 anni: circa 45.000 €;

• Risparmio in bolletta

ConclusioniFotovoltaico applicato al solar cooling

4.Veicolo frigorifero•Elevati costi di realizzazione: da 6.000 a 20.000 €;

•Elevati tempi di ritorno: da 26 a 33 anni;

•Non compatibile con la vita utile del veicolo;

•Incentivazioni nulle da parte dello stato.

5.Veicolo frigorifero (detrazioni del 75%) •Contenuti costi di realizzazione: circa 5.000 €;

•Contenuti tempi di ritorno: circa 8 anni;

•Compatibile con la vita utile del veicolo;

•Basso margine di convenienza.

6.Frigorifero domestico• bassi costi di realizzazione: circa 1.000 €;

•Installazione semplice e veloce;

•Bassi tempi di ritorno: circa 4 anni

…grazie per l’attenzione!

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