dssc: sviluppi di una tecnologia integrabile su supporti ... · il costo stimabile di un pannello...

Tozzi Renewable Energy S.p.A.

DSSC:

Sviluppi di una tecnologia integrabile su supporti

vetrosi o ceramiche

Francesco Matteucci

TRE – Tozzi Renewable Energy

Tozzi Renewable Energy S.p.A.2

INDEX

Introduzione Gruppo TOZZI

DSSC – Dye Sensitized Solar Cell (aspetti tecnici/tecnologici e strategici)

Attività e Strategia di Daunia Solar Cell

Conclusioni


Introduzione Gruppo TOZZI


GRUPPO TOZZI

Installazioni elettro -strumentali: storico core business del Gruppo Tozzi oggi gestito dalla sub-holding Tozzi Industries.

Energie rinnovabili: Il Gruppo Tozzi definisce compiutamente la propria “green identity” attraverso la costituzione di

Tre S.p.A Tozzi Renewable energy che promuove e sviluppa impianti di produzione (idroelettrico, fotovoltaico, eolico e

biomassa), sino alla fase di cantierizzazione e successivo esercizio..

La storia di Tre S.p.A. è fortemente legata a quella del Gruppo Tozzi, impresa italiana con un’esperienza di oltre

cinquant’anni nei settori dell’impiantistica elettro - strumentale e dei quadri elettrici di strumentazione.

Oggi il Gruppo Tozzi presenta un’offerta di servizi e prodotti ampiamente diversificata e in seguito alla riorganizzazione

avvenuta nel 2006, il Gruppo è attualmente controllato da Tozzi Holding, guidata dalla famiglia Tozzi.


TOZZI RENEWABLE ENERGY

Pioniera tra gli operatori privati che investono nelle fonti rinnovabili, Tre si presenta sul mercato come

soggetto industriale in grado di portare a compimento l’iter necessario alla messa in esercizio di un

impianto, potendo contare sulle diverse competenze delle società di Tozzi Holding.

Le attività di Tre S.p.A:

Realizzazione di impianti;

Produzione di Energia Elettrica;

Vendita di Energia Elettrica;

Ricerca e Sviluppo.

ATTIVITA’

La TRE è attiva nello sviluppo e nella gestione di impianti mini-idroelettrici, fotovoltaici, parchi eolici on shore e off shore ed impianti

a biomassa (sia solida che liquida) attraverso le diverse società partecipate;

Oltre a produrre e vendere energia elettrica, Tre si propone, attraverso le società di Tozzi Holding, come EPC contractor per gli

impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili;

Con l’obiettivo di essere sviluppatore e produttore di tutte le tecnologie necessarie a realizzare impianti per la generazione distribuita di

energia da fonte rinnovabile, Tre ha avviato insieme ad alcune sue società partecipate progetti di ricerca, che toccano due macro ambiti:

produzione di energia rinnovabile (turbine eoliche di piccola taglia, celle fotovoltaiche di terza generazione, olio vegetale da Jatropha e

altre oleaginose); produzione e impiego di H2 da fonte rinnovabile (Elettrolizzatori PEM, Fuell Cell PEM, fitodepurazione da

microalghe).

TRE


TRE BUSINESS MODEL

TOZZI RENEWABLE ENERGY

compiere analisi e valutazioni preventive della sostenibilità e convenienza dei progetti da sviluppare;

sviluppare la progettazione (preliminare, definitiva ed esecutiva);

curare tutto il procedimento autorizzativo per l’Autorizzazione Unica (D.Lgs N 387 del 29/12/03);

definire la forma e il contenuto dei contratti per l’acquisizione della disponibilità dei terreni e l’eventuale stipula di

convenzioni con gli enti locali;

curare la manutenzione degli impianti;

fornire assistenza tecnica, contrattuale, amministrativa e finanziaria nella fase di realizzazione degli impianti.

Il valore aggiunto di Tre risiede nella sua capacità di presentarsi sul mercato come soggetto industriale, in grado di

portare a compimento tutto l’iter necessario alla messa in esercizio di un impianto, potendo contare sulle diverse

competenze delle società di Tozzi Holding.

Tre fornisce alle Società partecipate specifiche competenze per :


IMPIANTI IN ESERCIZIO

SERRACAPRIOLA CALVELLOMONTAGUTO

Parchi EoliciParco Entrata in esercizio Potenza (Mw) Produzione Annuale

(Mwh) Ore Equivalenti

(hhhh)

Calvello 2007 41,4 86.413 2.000

Candela 2009 39,1 73.429 2.000

Faeto 2009 14,0 38.976 2.784

Serracapriola 2009 42,0 91.854 2.187

Montaguto 2009 34,5 83.559 2.422

Totale in esercizio 171,0 374.231 2.278

Ascoli Satriano feb-12 90,5 221.075 2.500

Savignano Irpino gen-11 76,0 148.960 2.000

Mimiani gen-11 22,0 46.860 2.200

Totale in costruzione 190,5 416.895 2.230

Totale 361,5 791.126 2.226


IMPIANTI IN ESERCIZIO

POSCHIAVINO LAURIA & FIUMICELLOMALLERO

CENTRALI IDROELETTRICHECentrale Idroelettrica Entrata in Esercizio Potenza Installata (Mw) Produzione Annuale (Mwh) Ore Equivalenti (hhhh)

Mallero and Foraschetto 2001 5,10 12.200 2.392

Lauria and Fiumicello 2002 5,00 16.500 3.320

Entovasco 2003 1,36 2.500 1.838

Scerscen 2003 5,00 10.600 2.120

Bisolo 2005 10,00 18.000 1.800

Bocco 2007 2,32 6.000 2.582

Poschiavino 2009 1.35 5.242 3.883

Predarossa 2009 7,52 12.000 1.595

Rezzalasco 2010 12,00 22.000 2.087

Totale in Esercizio 49,65 105.042 2.115

Caldenno 2010 3,78 9.000 2.381

Boalzo 2011 1,40 6.000 4.285

Saiento 2011 3,27 10.000 3.058

Totale in costruzione 8,40 25.000 2.976

Totale 58,08 130.042 2.239


Tre vanta diversi impianti fotovoltaici in esercizio: due impianti situati presso le due sedi aziendali di Mezzano (RA) e Foggia e destinati

all’autoconsumo e altri due parchi di 35 Mw ciascuno, tra i più grandi d’Italia per potenza installata, situati in provincia di Ravenna (rispettivamente

Località Sant’Alberto e Alfonsine).

Per la novità delle soluzioni adottate e per la valorizzazione del contesto ambientale locale, merita di essere citato il pratopascolo fotovoltaico

situato nel comune di Ravenna (Località Sant’Alberto): è l’unico impianto in Italia ad essere concepito in maniera perfettamente integrata ad un

allevamento estensivo di ovini. Nell’area del parco è predisposta una zona adibita alla gestione e cura del pascolo con la presenza di locali per la

mungitura e la lavorazione del latte, sala mangiatoia e le sale di stagionatura dei prodotti caseari. Parallelamente all’ allevamento sarà avviata

infatti la produzione lattiero casearia finalizzata alla commercializzazione.

IMPIANTI FOTOVOLTAICI

IMPIANTO FOGGIAIMPIANTO MEZZANO (RA) IMPIANTO SANT’ALBERTO IMPIANTO ALFONSINE


IMPIANTI IN SVILUPPO

IDRO OFFSHOREBIOMASSASOLAREEOLICO

Il portfolio della TRE è composto da un grande numero di impianti in fase di sviluppo percirca 2700 MW così suddivisi:

Impianti Idroelettrici: in Italia e all’estero per una potenza di circa 150 MW;

Parchi Eolici on shore: oltre 1000 MW in Italia e 500 MW all’estero;

Parchi Eolici off shore: 750 MW in Italia;

Impianti fotovoltaici : oltre 100 MW.

Impianti a Biomassa solida: per una potenza complessiva di 50 MW

Impianti a Biomassa liquida: per una potenza complessiva di oltre 50 MW

Tozzi Renewable Energy S.p.A. 11

Sistemi per la generazione distribuita (GD)

Ricerca e Sviluppo TRE

2

1

3


Project

IDEA

Bibliographic

Research

Patent

SearchFeasibility Plan

Joinltab

(employees dedicated to the proejct)

Short/Medium term

Activities

Research Center

Contract or Scolarships

Private Laboratory

Scale up

Manufacturing

Jointlab carries on

Long-term

Activities

Strategia Tozzi “from Lab to Fab”


Mini e micro- eolico

TOZZI NORD

Turbina ad asse verticale

TN1.5 (in sviluppo)Turbina ad asse orizzontale

TN420 (in commercio)

Turbina ad asse orizzontale

TN535 (in sviluppo)

T o z z i N o r d - ha ideato, sviluppato e testato la gamma dei suoi prodotti puntando a due mercati:

produttori di energia elettrica da fonte mini-eolica: turbina eolica ad asse orizzontale di piccola taglia

(TN420 – TN535)

settore residenziale/domestico: turbina eolica ad asse verticale di piccola taglia (TN1.5)


Tecnologie per la produzione e impiego di idrogeno - Lo scopo del progetto è lo sviluppo, la realizzazione

e la produzione di sistemi per la produzione (elettrolizzatori) di idrogeno (H2) e l’impiego dello stesso per

produrre energia elettrica (celle a combustibile o fuel cell) basati su tecnologia PEM (polymer electrolyte

membrane).

Produzione e impiego di H2

Stack

Elettrolizzatore

PEM

Lay-out Laboratorio

Tecnologie Idrogeno

Mezzano

Componenti

Stack Fuel Cell

PEM

Bicicletta a pedalata assistita

alimentata ad H2 realizzata dal

Jointlab CNR-Tozzi


TRE è coinvolta nello sviluppo di piantagioni di Jatropha Curcas (Senegal, Madagascar) con lo scopo di

assicurare la fornitura di olio vegetale per i relativi impianti a biomassa liquida in fase di sviluppo.

Jatropha Curcas è un arbusto nativo del Centro America ed è tradizionalmente coltivato come

recinto vegetale in molti paesi tropicali e sub-tropicali

è facilmente coltivabile; infatti può crescere in terreni degradati e in zone soggette a scarse

precipitazioni (350-700 mm) e può essere irrigato anche con acque di scolo;

comincia la produzione di frutti dopo la seconda stagione delle piogge; raggiunge la maturità al

quinto anno ed ha una vita produttiva di più di 25 anni;

in condizioni ideali la sua produttività può raggiungere l e 6 tonnellate di semi per ettaro;

in condizioni ottimali i semi ottenuti possono produrre olio per una quantità pari a più del 35% del

loro peso per ettaro coltivato;

i semi di Jatropha possono anche essere bruciati per produrre energia, utilizzati come eccellente

fertilizzante organico e come materia prima per sapone di bassa qualità.

Progetto Jatropha Curcas

Frutto di Jatropha

Semi di

Jatropha

Pianta di

Jatropha


Fito-depurazione da microalghe

Sistema outdoor in grande scala (open

pond) di accrescimento algale

Sistema outdoor in piccola scala (vasca)

di accrescimento algale

Selezione e accrescimento delle

microalghe in laboratorio

Impiego di micro-alghe per fitodepurazione e produzione energetica – Lo scopo del progetto è quello di sviluppare il

know-how necessario a creare impianti di fito-depurazione tramite micro-alghe che verranno poi impiegate quale

biomassa per produrre energia tramite processi di digestione anaerobica (biometano) o combustione (oli combustibili).


DSSC – Dye Sensitized Solar Cell (aspetti tecnici/tecnologici e strategici)


Dispositivi DSSC – Principi e Funzionamento


Dispositivi - DSSC


Materiali DSSC


Materiali - Dye


Materiali - Elettroliti


Materiali - Controelettrodo


Materiali - Sigillante


Perchè DSSC


IL COSTO?

Crollo negli ultimi 2 anni del prezzo dei pannelli FV tradizionale (crisi mondiale, scale-up di

produttori cinesi, politica aggressiva di First Solar): si comprano oggi a 1.4€/Wp, con aspettativa di

scendere a 0.9€/Wp nel 2013

Il costo stimabile di un pannello DSSC è di 1.5-1.9 €/Wp in fase di start-up, e di 0.96-1.07€/Wp

a regime (fonte Solaronix, 3G Solar), con contributo dominante di materiali di pari al 70-75%

del totale (fonte DyeSol).

Non riteniamo l’attuale gap sufficiente a compensare il rischio di introduzione della

tecnologia DSSC su un mercato conservativo quale quello degli impianti di grossa taglia

per produzione di energia.

Le DSSC non sono oggi credibili come cost-competitors.

DSSC – Vantaggi Competitivi


L’EFFICIENZA

Le DSSC, pur essendo la tecnologia organica ibrida più efficiente, non sono ancora competitive su

larga area con FV di 1a e 2a generazione.

I migliori risultati raggiunti in letteratura sono di 10-12% su 1cm2, 7-8% su 100-200cm2, 5-6% su

500-900cm2.

Piccola area

Larga area



E’ necessario uscire dalla “gabbia” dell’ €/Wp e ripensare alle

possibili applicazioni facendo leva sui fattori differenziali unici di

questa tecnologia.



SPECIFICITA’

• Buona resa ai bassi livelli di illuminazione o incidenza obliqua

• Non necessitano di diodi di by-pass

• Bassa “embedded energy” e processi di fabbricazione puliti

OPZIONALE

• Colore modulabile

• Semitrasparenti e bifacciali

• Tandem product di “smart windows”

• Integrabilità su Vetro, Ceramica o Acciaio

• Integrabilità su supporti plastici flessibili

• Integrabilità in smart panels (con OLED o dispositivi fotocromici

DSSC – Fattori Differenziali


Opportunità

1. Ridefinizione vantaggiosa dei costi: nel BIPV si ragiona in €/m2, non

in €/Wp: con target h= 7% un pannello DSSC costerà 55€/m2 ,

competitivo con p-Si, a-Si e CdTe

2. Dal costo del pannello si scala quello del materiale architettonico

sostituito

3. Mercato recettivo per prodotti con richiamo estetico: scelta di

materiali semitrasparenti e dispositivi bifacciali

Sfide

Stabilità da garantire su 20 anni (IEC 61464): scelta di supporto rigido vetroso.

DSSC – Mercato BIPV


“revenues from building-integrated PV will grow from about $1.8 billion this year 2010, to reach over

$8.7 billion in 2016.” (fonte Nanomarkets)

“the global BIPV market will reach $8.2 billion in revenues by 2015 driven by the cost advantage that

BIPV can provide versus conventional PV solutions.” (fonte GMT Research)

“The market for silicon and inorganics in BIPV will account for $2 billion in 2013”

(fonte Pira International)

DSSC – Mercato BIPV


VINCOLI DI AFFIDABILITA’

Le DSSC non superano ancora i protocolli IEC61464, es. damp heat storage @85 C.

Necessità di sviluppare nuovi materiali e processi per garantire la stabilità su 20 anni:

• sigillanti innovativi ultra-resistenti: Glass frit

• Elettroliti innovativi a bassa volatilità: elettroliti gel

DSSC – Strategia Tecnica


VINCOLI DI AFFIDABILITA’

Le DSSC non superano ancora i protocolli IEC61464, es. damp heat storage @85 C.

Necessità di sviluppare nuovi materiali e processi per garantire la stabilità su 20 anni:

• sigillanti innovativi ultra-resistenti: Glass frit

• Elettroliti innovativi a bassa volatilità: elettroliti gel e liquido cristallini

VINCOLI DI COSTO

Necessità di integrazione verticale: sviluppo interno dei materiali più costosi

• nano TiO2 innovativa ad alta efficienza e basso costo

• sintesi a basso costo dei coloranti “tradizionali”

• processi automatici semplici di deposizione a stampa serigrafica dei materiali

DSSC – Strategia Tecnica


I due substrati vetrosi

costituiscono il 40% dei costi di

cella

Costo nano-TiO2

rilevante per

performances medio-alte

Costo colorante

“tradizionale”

homemade

Bill of Materials BOM = 70% dei costi finali di cella

DSSC – Bill of Materials (BOM)


Sul fronte brevettuale poche situazioni bloccanti e interesse crescente:

1. Brevetti originali di dispositivo DSSC (1989) da poco scaduti.

2. Brevetto di colorante “classico” N719 prossimo a scadenza (2012).

3. Brevetti successivi su ottimizzazione materiali o processi.

Num

ero

bre

ve

tti

Trend brevetti/anno (tot. = 2100)

DSSC – Proprietà Intellettuale


Attività e Strategia di Daunia Solar Cell


Jointlab CNR-NNL e Gruppo Tozzi

- Ricerca su nuovi materiali

Daunia Solar Cell R&D lab

- Sviluppo materiali e processi

- Linea pilota per assemblaggio celle

L’obiettivo è lo sviluppo industriale di celle FV di 3 generazione basate sulla tecnologia Dye Sensitized

Solar Cells (DSSC).

I moduli verranno realizzati per applicazioni di Building Integrated Photovoltaics (BIPV) a supporto

rigido.

Daunia Solar Cell è una start-up fondata nel 2008, controllata da T.R.E.

Daunia Solar Cell


Sviluppo Materiali

Critical aspects Strategy Developed know-

how

Glass + TCO Costs BUY

NanoTiO2 Cost Vs Efficiency MAKE 2 Patent pendings

NanoTiO2 paste Processing MAKE

Dye Cost Vs efficiency MAKE/BUY Scale-up of the start

of the art

Electrolyte Reliability Vs

Efficiency

MAKE (short term

BUY)

2 Patent pendings

Counter-electrode Cost BUY (Pt)/MAKE

(carbonaceous)

Experience

Contacts Cost BUY (Ag)

Sealant Reliability MAKE 1 Patent Pending


Materiali - Nano TiO2

Nano TiO2

FOTOCATALICO

SUPER IDROFILICO

INDUSTRIAL

COATING

ARCHITECTURAL

COATING

(per esterni ed interni)ENERGIA

INDUSTRIA

TESSILE

CERAMICHE E

SANITARI

PLASTICA

PP, PC,

PE, PET,

PVC e

RESINE

INCHIOSTRI

COSMESI

antibatterico

antimuffa

autopulente

deodorizzante

protezione raggi UV


• Obiettivo del progetto di DAUNIA è la messa a punto di una SINTESI INDUSTRIALMENTE

ACCESSIBILE con il conseguente ottenimento sia di una pasta di nanoTiO2 per le DSSC, sia di una

polvere e/o sospensione di nanoTiO2 ottimizzata per le diverse applicazioni.

50 nm

IMMAGINE TEM: nano rods IMMAGINE XRD

Anatase >98% wt/wt Dimensione particelle primarie: 10 - 30 nm

Materiali– NanoTiO2


Materiali- NanoTiO2

• DAUNIA SOLAR CELL ha già depositato domanda di brevetto N.PCT/IT/2008/000082 con titolo:

“Processo per la preparazione di nano materiali di biossido di titanio a forma e dimensioni controllate”.

R’OH + nROOH→ nH2O + nR’OR condensazione

Ti(OR)4 + nH2O→ Ti(OR)4-n(OH)n idrolisi

-- - →TiO2 + H2O nano particelle

Ad una veloce nucleazione segue un lento accrescimentoSospensione al 7 % di TiO2 wt/wt

Essiccamento con spray dry

SEM: Particolato solido di TiO2

Densità apparente:

0,92 g/cm3

Area superficiale (BET):

150-200 m2/g

(dopo trattamento di

calcinazione a 400 C)

Dimensione agglomerati:

d10: 0,51 μm

d50: 3,04 μm

d90: 15,10 μm


dye loading tkn Assorbanza

um mol/cm2*10^-7typical 6.15 1.07

max 6.50 1.19min 6.00 0.96

Profilometria screen-printed uniforme Particelle nanodisperse (< 10nm)

Assorbimento dye allo stato dell’arte Trasparenza ottima

Materiali- NanoTiO2


Prestazione in cella test DSSC fino al 7.9% di efficienza con 14um di spessore di TiO2-nanorods

(deposizione multipla)

Materiali- NanoTiO2


Gel polimerico = network polimerico + fase liquida

1. Il network polimerico, contenente opportuni eterocicli e metacrilati quale agente gelificante, ha funzione di

stabilizzatore strutturale.

2. La fase liquida, contenente solventi organici molecolari e la coppia redox I-/I3-, permette la migrazione degli

ioni.

Vantaggi:

stabilità termica dei polimeri ottenuti e bassa volatilità;

basso costo dei monomeri (commercialmente disponibili);

facile processo di polimerizzazione;

Criticità:

aumento di viscosità e diminuzione del coefficiente di diffusione: riduzione di Jsc;

Materiali-Elettroliti polimerici


Risultati ottenuti:

• Bassa temperatura di fusione compatibile con TiO2

• Matching del CTE con il substrato vetroso

• Resistenza ad aggressivi chimici, radiazione solare e shock termici

• Trasparenza e modulabilità cromatica

• Processabilità su scala industriale e basso costo

La sigillatura, principale limite alla stabilità di una DSSC, deve:

1. Proteggere da sostanze inquinanti esterne (umidità, gas atmosferici)

2. essere inerte all’aggressione chimica degli elettroliti interni

3. resistere a fotodegradazione e variazioni di temperatura

Scelta di sigillante inorganico vetroso GLASS FRIT: fusione di una

sospensione vetrosa depositata via serigrafia.

Materiali- Sigillante inorganico


Realizzazione di 100m2 di clean rooms cl. 10,000

per la linea pilota per assemblaggio prototipi

30x30cm

Raffinamento materiali

Deposizione materiali

Realizzazione Dispositivi

Area trattamenti termici


Realizzazione Dispositivi

Caratterizzazione microscopica e

controllo spessori

Riempimento elettrolita, colorante e

sigillatura finale

Postazione di final test: misure di efficienza ed

elettrochimiche

Celle 10x15cm in testing

Celle 10x15cm


GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE

FRANCESCO MATTEUCCI

Fax: +39 0544 525328

Tel: +39 0544 525328

E-mail: [email protected]

dssc: sviluppi di una tecnologia integrabile su supporti ... · il costo stimabile di un pannello...

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