La produzione di elettricità con sistemi fotovoltaici (PV) sta registrando rilevanti sviluppi tecnologici e di mercato.
di Alessandro Ovi
Abbiamo già affrontato più volte su TR (per esempio, nel n. 4/2007 e 5/2008) il tema della produzione di elettricità con sistemi fotovoltaici (PV). Lo riprendiamo ora per fare il punto della
situazione, dato che la rapida evoluzione sia dei mercati sia delle tecnologie permette alcune interessanti riflessioni.
Il mercato
Il mercato del solare fotovoltaico è forse quello che nel prossimo futuro registrerà il più alto tasso di crescita, almeno il 30 per cento l’anno, arrivando nel 2012 a una capacità installata di 44.000 MWp a fronte dei 9.000 MWp dell’inizio del 2008 (Tav. 1).
Le proiezioni sopraindicate tengono conto del fatto che, da un paio d’anni in Europa e ora negli Stati Uniti, sono state attuate politiche di sostegno allo sviluppo delle energie da fonti rinnovabili (il 20 per cento dell’energia utilizzata dovrà essere da fonti rinnovabili nel 2020 in Europa e il 10 per cento nel 2012 negli Stati Uniti).
La crescita è molto probabilmente destinata ad aumentare ulteriormente dopo il 2012 quando in alcuni importanti aree del mondo, tra le quali Califorrnia, Spagna, Italia, il costo dell’energia prodotta raggiungerà, anche senza incentivi di Stato, la cosidetta «grid parity» ovvero un costo uguale a quello dell’elettricità prodotta nei modi convenzionali.
Tassi di crescita ancora superiori potranno derivare dall’avvio di produzione di elettricità PV nei paesi ad alto irraggiamento e a elevata necessità di energia elettrica come quelli africani per alcuni dei quali (sponda sud del Mediterraneo) esistono già grandi progetti di sviluppo quali Desertec (TR n. 5/2008).
La distribuzione geografica dell’andamento della domanda nel tempo è riportata nella Tavola 2.
La domanda che fino al 2007 era concentrata per quasi l’80 per cento in Europa (di cui oltre due terzi in Germania) tenderà a espandersi negli Stati Uniti, in Cina e Giappone.
L’economia del settore PV sta cambiando molto rapidamente. La forte concorrenza sta spingendo verso il basso i prezzi. Ad abbassare i prezzi contribuiscono anche la crisi economica e una temporanea sovracapacità produttiva pianificata nel 2006, quando fu risolto il problema della scarsità delle forniture di silicio.
Il conseguente calo della redditività ha provocato la scomparsa dei produttori «marginali» e avviato un processo di consolidamento del settore.
Tra le prime dieci aziende, la prima detiene una quota di mercato, nel 2008, dell’11 per cento e l’ultima del 3 per cento, con quartier generale in Germania, Giappone, Cina, Stati Uniti, Taiwan (Tavola 3).
è interessante notare, tuttavia, che le maggiori società americane hanno insediamenti produttivi molto importanti in Germania, attirate dalla vicinanza al mercato, dagli incentivi dello Stato e dei Lander e dalle ottime possibilità di collaborazione con ambienti di ricerca e sviluppo tecnologico di ottimo livello (TR n. 4/2007, sul solare nel Brandeburgo).
Le tecnologie
A tutt’oggi sono presenti o in fase di avanzato sviluppo industriale tre famiglie di tecnologia.
1) silicio cristallino
2) film sottili
3) sistemi a concentrazione.
La tecnologia del silicio cristallino che usa «wafers» (fette) tratte da cristalli di silicio, è quella a tutt’oggi più utilizzata (oltre il 90 per cento della capacità installata nel mondo). Il suo futuro è però limitato dalla necessità di utilizzare quantitativi rilevanti di silicio senza, per ora, una grande prospettiva di riduzione dei costi di produzione.
I film sottili, di silicio amorfo, di telluro di cadmio o di miscele CIS (Copper, Indium, Selenium) o CIGS (Copper, Indium, Gallium, Selenium), una volta trovate le giuste miscele dei materiali, utilizzano sistemi per la loro deposizione a costo relativamente basso e soggetto a rilevanti economie di scala.
I sistemi che utilizzano specchi per concentrare la luce su superfici ridotte di materiale PV hanno grandi potenziali di sviluppo, ma sono ancora a livello sperimentale.
Nella Tavola 4 sono riportati i contributi alla potenza installata ogni anno da ognuna delle tre famiglie tecnologiche.
La famiglia tecnologica che già dallo scorso anno ha iniziato una rapida crescita a scapito del silicio cristallino, è quella dei film sottili, la quale a sua volta contiene diverse tecnologie ben definite quanto a costi di produzione, disponibilità dei materiali e prestazioni.
Comune a tutte è il deposito di strati diversi di materiale su substrati rigidi (vetro) o anche flessibili (plastica) per CIS e CIGS.
Le efficienze arrivano oggi al 10 per cento per il silicio amorfo multistrato (15 per cento per la struttura cosidetta «triple junction» di Sharp, in laboratorio), al 9-10 per cento per il telluro di cadmio (con un obiettivo del 12 per cento di First Solar), al 10 per cento per CIGS.
Tutte le tecnologie a film sottili hanno mostrato efficienze a livello di laboratorio assai piu che nei prodotti su scala industriale, il che fa pensare che esistano margini di miglioramento interessanti sul fronte della ingegnerizzazione dei processi produttivi.
Il silicio cristallino ha invece raggiunto prestazioni abbastanza vicine a quelle di laboratorio: i miglioramenti sono legati soprattutto a innovazioni nelle modalità con cui i materiali PV vengono depositati sulle superfici dei supporti rigidi o flessibili che siano.
Mentre nelle celle a silicio cristallino la riduzione dei costi dipende soprattutto da un utilizzo di quantitativi di silicio sempre inferiori, nelle celle con silicio amorfo a film sottile il miglioramento dipende dall’aumento della efficienza di conversione della energia solare in elettricità senza incrementi dei costi di produzione.
La deposizione dei CIGS viene eseguita per co-evaporazione, «sputtering», elettroimpiantazione o stampa. Per ora i processi più utilizzati sono i primi due, che stanno però portando a efficienze assai inferiori alle attese. La stampa, lanciata su scala industriale da Nanosolar, deve ancora dimostrare di saper ripetere su grande scala le prestazioni ottenute in laboratorio. Se ciò avvenisse, i bassi costi di produzione renderebbero il processo di gran lunga il più attraente.
Sia il PV con telluro di cadmio che quello CIS o CIGS presentano problemi di scarsità dei materiali (indio), o di una certa pericolosità (cadmio).
La produzione odierna sarebbe in grado di produrre pannelli per una potenza annua complessiva di circa 20MWp che corrisponderebbe alla domanda annua del 2015.
Nel complesso tutte le tecnologie sopra elencate si presentano con obiettivi di costo al di sotto di un dollaro per Wp entro i prossimi tre anni.
Potranno risultare molto utili, al di là della produzione dei moduli a costi sempre più bassi, processi di integrazione verticale per la produzione di pannelli, fino alla integrazione nei moduli stessi dei convertitori per inserire in rete la elettricità prodotta. Le aziende leader per ogni tecnologia sono: per il silicio amorfo, Sharp, Q-cells e Mitsubishi; per il telluro di cadmio, First Solar; per CIS e CIGS, Q-cells e Nanosolar.
Anche in Italia esiste una realtà importante, che utilizza una tecnologia con telluro di cadmio, sviluppata alla Università di Parma.
Si tratta di Arendi SpA controllata da Euro Energy Srl di Emma Marcegaglia e da Alchimia SpA di Marina Salamon. A fine di quest’anno è previsto installi una prima linea produttiva per 30 MWp all’anno.
La crisi economica ha creato a molte delle Start Up serie difficoltà per la scarsità di fondi in grado di sostenere la loro crescita, nel passaggio dal laboratorio alla produzione industriale, (così come ha colpito duramente il valore in borsa dei titoli delle società quotate).
Ma la speranza in un grande futuro per le migliori tecnologie PV non è mai venuta meno.
Cito un caso che conosco personalmente: quello di Solexant, una società di Silicon Valley che sviluppa tecnologie fotovoltaiche di terza generazione (nano materiali stampabili su superfici rigide o flessibili).
Solexant, un paio d’anni fa, era pronta a investire in un impianto produttivo su scala industriale in Europa ed era anche venuta in Italia per verificare eventuali opportunità. La crisi finanziaria ha però rallentato il processo, ma comunque un primo impianto pilota in California è stato realizzato e la sfida verso costi sempre più bassi e prestazioni sempre più alte continua.
Come Solexant, stanno avanzando decine di Start Up con la stessa convinzione che nella scienza sta la soluzione di ogni problema. Ne ha contate cinquanta a inizio anno «Photon», la rivista americana del PV.
Ma nuove idee continuano ad avanzare nei laboratori di ricerca.
Pensare che da uno sforzo tanto largo non arrivino presto la tecnologie vincenti per tutte le possibili applicazioni (dalle «solar farms» ai tetti delle case, dalle assolate terre d’Africa, alle città della California o del sud dell’Europa) pare davvero poco credibile.
