Studio del fotovoltaico bifacciale operante in esterna e valutazione dello stoccaggio di energia attraverso la produzione di idrogeno e ammoniaca.

With the increase in world population and the consequent energy demand, the detrimental effects of fossil fuels and non-renewable energy on the environment cannot be disregarded. Renewable energy systems are the way to build a sustainable and clean future that supports further economic growth. Among renewable energy sources, solar energy is the most promising because of the large flux of photons that arrive on Earth. Several photovoltaic technologies are available in the market; however, bifacial photovoltaics represent a promising technology for the future development of photovoltaics. Silicon heterojunction bifacial solar cells show the best results in terms of energy yield and power output. The first part of this dissertation covers two aspects of bifacial photovoltaic technology: the improvement of the previous mathematical model and the electrical characterization of two bifacial mini-modules operating outdoors. The main results show how the peculiar capacity of the bifacial solar cell to harvest light also by the back side grants extra power compared with the monofacial standard cell and how the environmental variables affect the electrical performance, especially temperature and solar spectral irradiance. The intrinsic variability of the power output of renewables requires a system for energy conversion and subsequent storage. Therefore, it is crucial to develop a process that can produce an energy vector that can convert electricity into chemicals or other forms of energy suitable for storage. Wherefore, in the second part of the dissertation, the focus is set solar hydrogen production via proton exchange membrane electrolyser and its optimal coupling with photovoltaic systems previously discussed and on the production of ammonia via electrochemical reduction of nitrogen gas. Results confirm an excellent match between the bifacial solar module and the proton exchange membrane electrolyser in real outdoor conditions. The system has produced positive results with 4.2 gr of H2 h−1m−2 and solar to hydrogen efficiency of 13.5 %. Finally, electrochemical nitrogen reduction has been evaluated in a water solution. For this purpose, iron-based catalysts were characterized and tested. Catalysts covered with nanoparticles exhibit a high electrochemical active area and showed excellent activity for nitrogen reduction reaction, with a faradaic efficiency of 15% and a maximum ammonia production rate of 85μgmg−1 cat h−1

Con l'aumento della popolazione mondiale e la conseguente richiesta di energia, gli effetti dannosi sull'ambiente derivanti dal consumo di combustibili fossili non può più essere trascurato. Le fonti energetiche rinnovabili costituiscono un modo per costruire un futuro sostenibile e pulito favorendo la crescita economica. Tra le fonti energetiche rinnovabili, l'energia solare è la più promettente considerando in grande flusso di fotoni che arrivano sulla Terra, ed attualmente esistono sul mercato diverse tecnologie fotovoltaiche in grado di convertire questa energia in elettricità. Tra queste, il fotovoltaico bifacciale rappresenta una tecnologia promettente per il futuro sviluppo del e. Celle solari bifacciali in silicio mostrano i migliori risultati in termini di resa energetica e potenza erogata. La prima parte di questa dissertazione sarà divisa in due sezioni: la realizzazione di un modello matematico previsionale e la caratterizzazione elettrica di due minimoduli bifacciali in un campo prova. I risultati principali mostrano come la capacità peculiari della cella solare bifacciale garantisce potenza extra rispetto alla cella standard monofacciale potendo contare sulla raccolta della luce anche dal lato rivolto verso il terreno e come le variabili ambientali influenzino le prestazioni elettriche, in particolare la temperatura e lo spettro solare. La variabilità intrinseca della produzione di energia da fonti rinnovabili richiede sistemi di conversione dell'energia e relativo accumulo. Pertanto, è cruciale sviluppare un processo in grado di produrre un vettore energetico che possa convertire l'elettricità in sostanze chimiche o altre forme di energia adatte allo stoccaggio. Pertanto, nella seconda parte della dissertazione, il focus è centrato sulla produzione di idrogeno tramite un elettrolizzatore a membrana a scambio protonico e di ammoniaca tramite riduzione elettrochimica di azoto gassoso. Inoltre, si è valutato l’accoppiamento con i sistemi fotovoltaici discussi in nella prima parte della tesi. I risultati ottenuti confermano un'ottima accoppiate tra i moduli solari bifacciali e l'elettrolizzatore a membrana a scambio protonico. Il sistema ha dato risultati positivi con 4.2 gr di H2 h−1m−2 di produzione ed un’efficienza, da solare a idrogeno, del 13,5 %. Infine, sono stati caratterizzati e testati catalizzatori a base di ferro e suoi ossidi per la riduzione elettrochimica dell’azoto gassoso in ammoniaca. Gli elettrodi ricoperti di nanoparticelle presentano un’elevata area attiva e hanno mostrato un'eccellente attività catalitica per la reazione di riduzione dell'azoto, con un'efficienza faradaica del 15% e una produzione massima di ammoniaca di 85μgmg−1cat h−1.