Solare fotovoltaico: crisi attuale e tecnologia futura

L'energia solare è il futuro? L'industria fotovoltaica è attualmente in crisi. Tuttavia, la tecnologia è in costante miglioramento, con la nascita di nuove celle solari e l'ingresso della Cina nel mercato delle energie rinnovabili. Questi sviluppi potrebbero rinvigorire l'intero settore.

In futuro tutto sarà alimentato dall'energia solare? Si potrebbe pensare che sia improbabile, dato che il gas naturale è più popolare che mai e l'industria solare è in crisi dal 2011. Tuttavia, la Cina sta cercando di entrare nel mercato delle energie rinnovabili e sono state sviluppate nuove celle solari. Questo potrebbe aprire la strada a un futuro brillante per l'energia solare. Vediamo i fattori economici e tecnologici in gioco.

Le tecnologie disponibili oggi

Rassegna ParisTech. Oggi l'energia solare fotovoltaica è prodotta principalmente da celle di silicio di prima generazione. Ma si stanno sviluppando nuove generazioni. Può presentarci rapidamente le tecnologie coinvolte e le loro sfide?

Didier Roux. Le celle al silicio rimangono la tecnologia principale utilizzata oggi, e non ha ancora detto la sua ultima parola. Ricordiamo il principio della cella fotovoltaica. È semplice e conosciuto fin dal XIX secolo, anche se ci è voluto Einstein per capire la fisica della luce.

La luce è costituita da fotoni, che potremmo definire come pacchetti di energia elementare, con una massa. Quando entrano in contatto con la materia, la loro massa si trasforma in energia, ad esempio sotto forma di calore. In alcuni casi, e in particolare in quello dei semiconduttori, di cui il silicio fa parte, questa energia può essere utilizzata per estrarre elettroni. Si tratta del cosiddetto effetto fotoelettrico. Le celle di prima generazione sono componenti elettronici che catturano e incanalano questi elettroni per produrre corrente continua.

Perché si usa il silicio? Semplicemente perché è abbondante in forma purificata (grazie all'industria elettronica) e ha le proprietà richieste. Possiamo quindi distinguere diverse configurazioni: i moduli solari monocristallini sono più costosi ma hanno una buona resa per m². I moduli policristallini hanno un rendimento leggermente inferiore, ma sono decisamente più economici. Infine, vanno menzionati i moduli basati sul silicio amorfo, la cui struttura non è cristallina. La loro efficienza è inferiore. Le celle in silicio amorfo sono un esempio di celle di seconda generazione: le cosiddette celle a film sottile.

Questa tecnologia a film sottile sembra ricevere molta attenzione al giorno d'oggi. Di cosa si tratta esattamente?

Hai ragione, il vero problema oggi sono i film sottili. Diversi attori industriali, tra cui First Solar negli Stati Uniti e Saint-Gobain in Francia, hanno investito in questa tecnologia, che offre vantaggi reali.

Di cosa si tratta? In sostanza, l'idea è quella di depositare strati molto sottili, dell'ordine di qualche micron, su un substrato (vetro, metallo, plastica). Per le celle industriali oggi i materiali utilizzati sono principalmente di due tipi: tellururo di cadmio (CdTe) o strati composti da quattro componenti (rame, indio, gallio e selenio).

Avete già menzionato i loro vantaggi: sappiamo per esempio che con questo metodo possiamo produrre moduli con una superficie molto più ampia e soprattutto tagliarli facilmente.

Il vantaggio principale è che, grazie alla quantità di materiale utilizzato e ai metodi di deposizione, nella fase industriale queste tecnologie saranno più economiche. Non sono ancora completamente mature a livello industriale, ma, date le installazioni attuali, i progressi sono rapidi. La tecnologia CdTe è già meno costosa di quella del silicio policristallino.

Prima di dare uno sguardo allo stato del mercato e alle condizioni per lo sviluppo di questa seconda generazione, può parlarci un po' della terza e quarta generazione, che sono ancora in fase di ricerca e sviluppo?

Ha ragione a sottolinearlo, stiamo parlando di tecnologie che per ora esistono solo in laboratorio. Sotto il termine comune di terza generazione vengono raggruppate tecnologie molto diverse tra loro. In alcuni casi utilizzano molecole organiche e/o nanoparticelle minerali. Questi sistemi sono in grado di assorbire la luce e trasportare elettroni. Si tratta di sistemi complessi che presentano una certa fragilità intrinseca alle radiazioni. Queste tecnologie sono interessanti perché hanno il potenziale per essere molto economiche e possono dare rendimenti intorno al 10% (ad esempio nel caso delle celle di Graetzel). Ma presentano ancora un inconveniente, per ora irrisolto, che è la degradazione della parte organica dei sistemi. Ciò comporta una durata di vita notevolmente inferiore rispetto ai 20-30 anni delle celle convenzionali.

Le celle a concentrazione multigiunzione sono quelle che io chiamo la quarta generazione: sono costituite da una pila di strati che recuperano energia dalle diverse porzioni dello spettro della luce solare. Il loro principale svantaggio oggi è il prezzo molto elevato. Tuttavia, non ci sono grossi ostacoli a che questa quarta generazione diventi un giorno redditizia. Si tratta semplicemente di migliorare i costi di tutti gli anelli della catena.

Ma vorrei sottolineare un altro aspetto: questa tecnologia sarà meno in competizione con le tecnologie che abbiamo citato oggi che con l'energia solare termica, a volte con una concentrazione di CSP, per l'energia solare concentrata.

Perché?

Perché queste tecnologie richiedono molta luce solare e sistemi di inseguimento, che permettono ai moduli di seguire il sole. Con gli strati sottili ci troviamo in una configurazione molto diversa, che rimane efficiente per la radiazione indiretta o diffusa. Le celle a multigiunzione, come l'energia solare concentrata, sono davvero efficaci solo con radiazioni molto intense. Si adattano bene alle regioni desertiche. Le due tecnologie saranno quindi in competizione.

Precisamente, se qualche anno fa sono apparsi grandi progetti di solare a concentrazione, oggi questa tecnologia sembra essere un po' superata.

È vero, e non è molto difficile da capire: se oggi il CSP non è in crescita, è semplicemente perché il fotovoltaico convenzionale è diventato più redditizio. Siemens, ad esempio, si è ritirata dal progetto Desertec. Ma non parlerei di abbandono. Come il forno solare di Font-Romeu, si tratta di sistemi pilota, sui quali è necessario fare ancora molti progressi. Sebbene l'energia solare sia conosciuta da diversi decenni, in termini tecnologici non ha il grado di maturità industriale del fotovoltaico. Nella produzione mondiale, dovrebbe rappresentare appena l'1% delle capacità fotovoltaiche installate: c'è ancora margine di miglioramento.

A volte si sente dire che l'implementazione di questi impianti in aree desertiche, lontane dai luoghi di consumo, implica un investimento significativo in termini di distribuzione, e quindi un costo aggiuntivo?

È vero, l'idea di produrre in zone desertiche per poi rifornire i Paesi occidentali ha lo svantaggio di aggiungere perdite di trasporto. Tuttavia, i Paesi vicini a queste aree desertiche hanno sempre più bisogno di elettricità e la loro popolazione è in rapida crescita. I concentrati di energia solare, o domani le celle a multigiunzione, possono rappresentare una soluzione importante per alimentarli. I ricercatori stanno lavorando: i problemi di trasporto a lunga distanza sono ancora oggetto di molto lavoro e le soluzioni esistono.

Prospettive future per l'energia solare

La natura intermittente della produzione è spesso presentata come uno dei principali ostacoli allo sviluppo del fotovoltaico.

È vero. Una crescita della produzione di elettricità solare richiederà lo sviluppo di capacità di stoccaggio dell'elettricità, una delle principali sfide per l'energia in generale. Ci sono possibili soluzioni "stoccaggio chimico, ad esempio tramite idrogeno, stoccaggio meccanico", ma per il momento queste soluzioni non sono ancora industriali. Va notato che l'immaginazione e la creatività su questo tema non mancano. Il problema è piuttosto quello di trovare un processo redditizio sul mercato. Questo problema deve essere affrontato e non c'è dubbio che si svilupperanno soluzioni industriali.

C'è anche il problema della distribuzione, con le famose reti intelligenti?

Le due cose sono collegate. Le reti intelligenti, cioè le reti sofisticate e pilota, sono necessarie per accettare forme di tecnologie sempre meno flessibili e più disperse sulla rete. È un elemento di progresso. Ma sorgono anche delle domande: abbiamo davvero bisogno di creare grandi reti ovunque? Non sarebbe più sensato sviluppare sistemi e storage più indipendenti? In un villaggio indiano privo di elettricità, se si dispone di un metodo di accumulo efficiente, ci si può ragionevolmente porre la domanda: ho interesse a collegarmi alla rete o a produrre la mia elettricità, immagazzinarla ed essere autonomo? È lo stesso problema degli apparecchi telefonici a filo rispetto ai telefoni cellulari. Ci sono Paesi che stanno trascurando il telefono fisso. Domani, forse, i Paesi che non hanno ancora investito in grandi reti preferiranno sviluppare piccole reti autonome piuttosto che grandi reti connesse. Forse è questo il significato delle reti intelligenti per loro. Oggi, se sapessimo come immagazzinare a un costo ragionevole, ci sono molti posti nel mondo in cui non saremmo interessati a creare una rete.

Gli oppositori dell'energia solare sottolineano che rimane molto costosa. Quando sarà redditizia senza sussidi?

Vorrei iniziare respingendo l'idea che la produzione di un modulo fotovoltaico consumi più energia di quanta ne produca durante la sua vita utile (circa dieci anni). Questo era vero negli anni '60, ma oggi il cosiddetto "ritorno energetico" va da uno a tre anni, a seconda della regione e della tecnologia.

Consideriamo ora la competitività dell'energia solare rispetto ad altre forme di produzione di elettricità. È importante sapere che quando parliamo di elettricità non dobbiamo pensare allo stesso modo se stiamo parlando di un campo di collettori costruito e gestito da un'azienda industriale o del tetto di un privato. Per un'azienda industriale, ciò che conta è il costo di produzione dell'elettricità rispetto a un'altra tecnologia. Per un privato, invece, è il prezzo a cui acquista l'elettricità che entra in gioco.

Cominciamo con gli individui. Si parla di parità di rete quando il costo di produzione è uguale al prezzo di mercato. Ciò significa che la rilevanza dell'energia solare non è la stessa nei diversi Paesi. In Francia, ad esempio, la preponderanza dell'energia nucleare consente ai privati di beneficiare di un'elettricità piuttosto economica. Ma il recente calo dei costi del fotovoltaico, su cui torneremo più avanti, ha contribuito a cambiare la situazione. Il costo di produzione per un privato, spalmando gli investimenti su 20 anni, rappresenta circa 0,2 euro per kWh, mentre il prezzo dell'elettricità in Francia è di 0,1 euro per kWh. Quindi non siamo ancora alla parità di rete. È il caso, invece, dell'Italia, sia perché l'elettricità è più costosa sia perché c'è più sole. Anche i tedeschi, che pagano circa 0,3 euro per kWh, sono in rete, come alcune regioni americane, in California o nello Utah, ma non ancora sulla costa orientale.

Lo spettacolare calo del costo dei pannelli ha contribuito a rendere l'energia solare più competitiva, ma gli effetti di questo calo non devono essere sopravvalutati. In Francia, il prezzo del pannello rappresenta solo il 20% degli investimenti per un tetto, il 50% per un impianto di produzione. È quindi soprattutto sul resto che ci si aspetta un risparmio: l'installazione, le attrezzature connesse. L'installazione di pannelli fotovoltaici su un tetto in Germania costa circa la metà di quanto costa in Francia.

Consideriamo ora la questione dal punto di vista dei produttori di energia elettrica. Qui si confrontano essenzialmente i costi di produzione, anche se si possono prendere in considerazione considerazioni ambientali o di indipendenza energetica. E poiché si tratta di investimenti, sembra più corretto confrontare l'elettricità solare con quella delle future centrali nucleari, e non con quelle attualmente in funzione e avviate quarant'anni fa. Prendiamo ancora la Francia: per una centrale solare nel sud del Paese, il costo di produzione è di 0,1 euro per KWh, contro gli 0,08 euro previsti dalle centrali nucleari di terza generazione di tipo EPR. La differenza esiste ancora, ma non è più così significativa come tre anni fa, quando andava da 1 a 4.

Dinamiche di mercato

Come lei ha detto, parte di questa riduzione dei costi deriva dal crollo dei prezzi dei pannelli. Gli anni 2011-2012 sono stati molto difficili per l'industria fotovoltaica, con il fallimento di molti produttori di moduli in Europa e negli Stati Uniti. A che punto è il settore oggi?

La situazione è paradossale. Questa è la crisi dei produttori di moduli: tutti stanno perdendo soldi, compresi i produttori cinesi. Ma i produttori di energia elettrica, d'altro canto, acquistano moduli a prezzi molto bassi. Molti progetti di campi fotovoltaici vengono avviati oggi in California o in Italia, in zone dove c'è molta luce solare, perché è redditizio.

Oggi l'Asia è responsabile di circa il 70% della produzione mondiale di pannelli. E le fabbriche cinesi operano a meno del 50% della loro capacità, perché non ci sono abbastanza acquirenti. È evidente che esiste un problema di sovraccapacità a livello globale.

In una situazione come questa, se si gioca sulla verità dei prezzi, alcune di queste aziende dovrebbero fallire. Ma le autorità cinesi, che ne sono consapevoli, stanno facendo due cose. In primo luogo, non chiedono il rimborso degli investimenti. È una forma di sovvenzione. D'altra parte, hanno lanciato un grande piano di attrezzature fotovoltaiche che, a lungo termine, permetterà di assorbire parte della sovraccapacità.

Come descriverebbe la strategia cinese: si tratta di una guerra commerciale volta a rovinare la concorrenza?

Non credo. Penso che si siano lasciati trascinare negli investimenti senza prevedere il rischio di sovraccapacità. Ma è la reazione delle autorità che mi sembra interessante: se i cinesi decidono di non chiudere le fabbriche, continueremo quindi a produrre molti pannelli solari in Cina, e questo probabilmente porterà alla morte di tutti gli altri produttori, tranne pochi attori che sopravviveranno perché fanno alta qualità come Sun Power. È probabile che entro il 2020 i produttori cinesi saranno quasi soli sul mercato. E così, man mano che la domanda recupera terreno rispetto all'offerta, la produzione di pannelli dovrebbe tornare a essere redditizia. Se invece si verifica un consolidamento degli operatori e una massiccia chiusura di capacità in Cina, i prezzi dei moduli aumenteranno e gli operatori internazionali torneranno a essere redditizi.

Alcune aziende possono sperare di sopravvivere, perché hanno accettato di cambiare completamente il loro modello di business. È il caso dell'azienda americana First Solar, specializzata nella tecnologia del tellururo di cadmio a film sottile. Produceva i moduli più economici, ma con il calo dei prezzi si è indebolita. I suoi dirigenti hanno quindi optato per un cambiamento strategico: l'azienda ha iniziato a produrre elettricità. Produce e installa i suoi moduli (anche in Cina!), produce e vende elettricità.

Ma First Solar è un caso isolato e il rapido calo dei prezzi di prima generazione ha danneggiato molto un settore che non era ancora tecnologicamente maturo. Le capacità di innovazione sono state distrutte e l'apprendimento industriale non ha ancora avuto il tempo di realizzarsi. Con poche eccezioni, il settore è attualmente troppo in ritardo per recuperare i bassi prezzi di vendita dei produttori cinesi di pannelli industriali al silicio attraverso una riduzione dei costi.

Potenzialmente, la tecnologia a film sottile ha i mezzi per farlo. Ma se non si cambiano i modelli di business per superare la crisi, si deve accettare di perdere denaro per alcuni anni prima di poter essere redditizi. Questa è l'equazione da risolvere. Questo può essere fatto solo con il sostegno degli investitori, compresi gli Stati. Non stiamo parlando di uno sforzo di ricerca, ma di uno sforzo industriale. La sfida è costruire fabbriche sempre più grandi, che costano sempre di più, per produrre oggetti che si vendono per un certo periodo di tempo in perdita. Non è facile da accettare. Ma alcuni investitori si stanno assumendo il rischio, e non da poco: Warren Buffet ha appena investito in centrali fotovoltaiche della SunPower in California.

Anche i produttori cinesi di pannelli sono interessati alla seconda generazione?

Penso che stiano andando in questa direzione. Oggi tutti i produttori cinesi puntano sul silicio, ma hanno capito che la generazione futura è quella dei film sottili. First Solar ha lanciato quest'anno un progetto da 30 MW con un partner cinese. La Cina sta investendo. I suoi produttori impareranno e riacquisteranno le tecnologie dei concorrenti che stanno soffrendo.

Qual è il bilancio delle imprese europee?

Non credo che i produttori di pannelli francesi o tedeschi possano sopravvivere se non succede nulla. Ma stiamo parlando di un gioco complesso, in cui i vincitori non sono necessariamente ovvi. I produttori cinesi stanno perdendo denaro. Chi compra i moduli da loro sono privati e industriali europei e americani. Ciò significa che lo Stato cinese sovvenziona la produzione di elettricità in Europa e negli Stati Uniti.

Ci sono stati dubbi sulla strategia di sovvenzionare le tariffe di alimentazione in Europa. Possiamo discutere i meriti delle sovvenzioni statali per aiutare la nascita di un settore industriale in Europa, e va detto che c'è un rischio per il settore tedesco (l'unico che è stato effettivamente creato). Ma questa è solo una parte della storia. Perché gli industriali tedeschi hanno sviluppato un'industria di macchine utensili che serve a produrre i pannelli, e i loro principali clienti sono i cinesi. Uno dei motivi principali per cui i tedeschi non hanno insistito molto nel porre barriere all'ingresso dei pannelli fotovoltaici cinesi è che loro stessi vendono macchine per la produzione di pannelli ai cinesi. In totale, le sovvenzioni pubbliche hanno contribuito a sviluppare e rafforzare un settore industriale strategico.

Fonte: paristechreview.com