CdTe: un futuro brillante?

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Previsioni molto rosee per il fotovoltaico a film sottile basato sul CdTe, tellururo di cadmio. Ma non tutti sono contenti di avere materiali percepiti come velenosi sul tetto.E poi, ci sarà abbastanza tellurio per l’espansione prevista?


Il mercato del fotovoltaico sta andando molto bene in tutto il mondo. Nonostante la crisi economica, la produzione continua a crescere, seppure non ai ritmi vertiginosi degli anni passati. Tuttavia, il fotovoltaico tradizionale, basato sul silicio, rimane costoso. Uno dei motivi è che per ottenere silicio puro a sufficienza per fare delle celle solari ci vogliono processi relativamente costosi e complessi. Si sta migliorando costantemente, ma il problema rimane.

Un modo per ridurre i costi è di utilizzare meno materiale possibile. Qui, un problema del silicio è che non lo si può fare troppo sottile per via di problemi che hanno a che fare con la sua struttura elettronica. Si può fare molto meglio con materiali diversi dal silicio, composti che assorbono di più la luce e si possono perciò fare molto più sottili. In questo modo, non solo si risparmia materiale, ma non è necessario che sia altrettanto puro del silicio – cosa che consente un ulteriore risparmio. Sono le celle dette “a film sottile” che si ottengono depositando strati di pochi milllesimi di millimetro su un substrato a basso costo, tipicamente vetro reso conduttore in superficie.

Tuttavia, fino ad oggi le celle a film sottile non hanno avuto una grande diffusione. Come succede spesso, certe cose che sembrano bellissime in teoria, poi si scontrano con la dura realtà pratica. Le celle a film sottile scontano la loro scarsa “maturità tecnologica” rispetto al silicio che è un materiale che si usa in elettronica ormai da parecchi decenni. Tuttavia, recentemente, c’è stato un notevole balzo in avanti nella tecnologia con l’introduzione sul mercato delle celle al CdTe (tellururo di cadmio), principalmente a opera di FIrst Solar, una ditta basata in Arizona.

Le celle al CdTe sono meno efficienti di quelle al silicio; si parla di un valore di circa il 10% contro circa il 16-18% per il silicio monocristallino. Ma costano meno anche se il costo più basso viene, parzialmente, vanificato dai maggiori costi necessari per installare su aree più grandi. Recentemente, First Solar ha annunciato nel suo sito di aver passato la barriera di un dollaro per watt di picco per celle commerciali. Questi bassi costi si riflettono in un basso impatto ambientale e un “payback” energetico molto breve: forse meno di un anno è necessario per i moduli al CdTe per restituire l’energia necessaria per costruirli. Non è detto che il CdTe sia superiore al silicio, anzi, è probabile che il silicio rimarrà ancora a lungo la tecnologia di base per il fotovoltaico. Ma, per molte applicazioni dove non ci sono problemi di area occupata, il CdTe può essere preferibile.

Ma, ahimè, il CdTe, composto di tellurio e di cadmio, ha un problema: il cadmio. Già quando si parla di silicio ci si trova gente preoccupatissima di mettere delle “cose” sul tetto che non sanno bene cosa sono, magari fanno male alla salute, e poi mamma mia chissà come si farà a riciclarle. Dopo che gli hai spiegato pazientemente che le celle al silicio non contengono nessun elemento nemmeno lontanamente velenoso o preoccupante, questi non sono ancora convinti. Ora, figuriamoci se viene fuori che ti metti il cadmio sul tetto…. Come minimo ti danno di nemico dell’umanità, peggio di Saddam Hussein.

Non c’è dubbio che il cadmio è un elemento tossico; d’altra parte è anche vero che da qui a proibire tutto e qualsiasi cosa che contiene cadmio ce ne passa. Purtroppo, per chi fa le leggi, la cosa più semplice è proibire, poi qualcuno si arrangerà. Per tante cose, però, i risultati sono controproducenti. La Commissione Europea sta brontolando da anni per cercare di sostituire  cose come il piombo e il cadmio negli aerei. Il piombo si usa nei circuiti integrati e il cadmio come rivestimento per alcune parti nei carrelli degli aerei di linea. Ma non si sono trovati modi per sostituirli ed è meglio lasciarli dove stanno piuttosto che rendere gli aerei meno sicuri.

Allora, stabilito che le celle solari di qualsiasi tipo sono cose di cui abbiamo disperatamente bisogno in questa fase di crisi energetica, si tratta allora di valutare se con le celle al CdTe ci sono veramente dei rischi causati dal cadmio (o anche dal CdTe stesso, tossico anche quello). La domanda à: ci sono degli scenari possibili in cui qualcuno potrebbe inalare cadmio, venire a contatto con il cadmio, o comunque riportare dei danni dal cadmio delle celle? La risposta è sostanzialmente negativa. Il tellururo di cadmio è un composto stabile, che non evapora a temperatura ambiente e che non è solubile in niente delle cose con cui potrebbe ragionevolmente venire a contatto quando si trova in forma di cella solare. L’unico scenario in cui ci potrebbero essere dei problemi è l’incendio dell’edificio sul cui tetto si trovano i pannelli al CdTe. Questa situazione è stata studiata in dettaglio: il risultato è che, in caso di incendio, il vetro fonde molto prima che il CdTe evapori, incapsulandolo e neutralizzando il rischio. Ci potrebbero essere delle piccole quantità di Cd che evaporano dai bordi del vetro delle celle, ma considerando la rarità degli incendi, le quantità di cadmio che si potrebbero rilasciare nell’ambiente sono veramente infinitesimali. Considerate questo in confronto a quello della tanta plastica normalmente contenuta negli edifici: in caso di incendio è tutta diossina che viaggia, per non parlare delle micropolveri e altre robacce.

C’è poi tutta una serie di considerazioni relative alla produzione e allo smaltimento delle celle. Qui, il fatto di lavorare con quantità molto piccole permette di mantenere una filiera pulita per tutto il ciclo di vita che include il recupero e lo smaltimento. Tutte queste cose sono spiegate in dettaglio in alcuni articoli pubblicati sulla letteratura scientifica. Insomma, veramente, preoccuparsi del cadmio nelle celle al CdTe è come preoccuparsi di avere il nodo alla cravatta storto mentre stai cercando di accaparrarti una delle scialuppe del Titanic.

Per finire questa carrellata sul CdTe, una considerazione sull’abbondanza degli elementi che compongono le celle. Abbiamo abbastanza tellurio e cadmio per produrre celle in quantità tale da avere un impatto sulla produzione energetica mondiale? Qui, aiuta molto il fatto che, trattandosi di film sottili, la quantità di materiale usato è molto piccola. Però, si parla comunque di oltre 100 tonnellate di cadmio e di tellurio per gigawatt di potenza di picco. Inoltre, sia il tellurio che il cadmio sono listati fra gli elementi che hanno già raggiunto il loro picco di produzione mondiale nell’articolo “peak minerals” di Ugo Bardi e Marco Pagani.

Nonostante il picco, tuttavia, la produzione mondiale annua di cadmio è ancora di oltre 20.000 tonnellate l’anno; più che sufficienti -anche se in calo – per qualsiasi ragionevole esigenza per le celle solari al CdTe nel prossimo futuro. Le riserve di cadmio rimanenti sono dell’ordine delle decine di migliaia di tonnellate, quindi anche qui non ci sono problemi per il futuro prevedibile. La questione è più complessa per quanto riguarda il tellurio. Secondo i dati dell’USGS , ci sono riserve che possiamo definire abbondanti, circa 22.000 tonnellate che, in teoria, basterebbero per oltre 200 GW di celle al CdTe. Questo non è poco: il totale di celle solari di tutti i tipi installato al mondo nel 2007 era ancora sotto i 10 GW. Però, è anche vero che la produzione attuale di tellurio è molto ridotta: i dati esatti non sono riportati sul sito dell’USGS ma,  da quello che si può leggere, si può evincere che si parla di qualche centinaio di tonnellate all’anno prodotte. Per il momento, è sufficiente, dato che la First Solar produce circa 1 GW/anno di celle al CdTe. Ma se la produzione deve aumentare, il tellurio potrebbe non bastare. Questo ha fatto parlare alcuni du un “futuro oscuro” per le celle al CdTe.

Il futuro è sempre oscuro in ogni caso. I limiti delle risorse planetarie sono ormai stati raggiunti per quasi tutte le risorse; si tratta quindi di adattarsi. La produzione di tellurio può essere certamente aumentata; è un elemento che, fino ad oggi, non ha avuto grandi sbocchi commerciali per cui investirci sopra può dare certamente dei risultati. Allo stesso tempo, può essere aumentata l’efficienza delle celle anche in termini di quantità di materiale necessario. Infine, se ricicliamo con attenzione questo materiale, i 200 GW potenziali che vengono dalle riserve note di tellurio sono destinati a durare per tempi molto lunghi. Quindi, per ora non ci sono grossi problemi per avere un contributo significativo del CdTe alla produzione di energia solare mondiale. Per il futuro, ci sono buone possibilità, basta non aspettarsi di continuare a crescere esponenzialmente per sempre.

7 comments ↓

#1 Lorenzo Montini on 05.11.09 at 23:05

Approfitto dell’articolo per una domanda a cui non sono riuscito a trovare una risposta. E’ possibile riciclare le vecchie celle di silicio per produrne di nuove con minore dispendio energetico (e magari economico)? Sarebbe molto interessante saperlo, perchè se così fosse nel lungo periodo l’EROEI e i costi dei pannelli al silicio migliorerebbero.

#2 Ugo Bardi on 05.12.09 at 21:12

Si, certamente è possibile ma credo che non ne valga la pena. Tempo fa avevo fatto questa domanda a chi si occupava di riciclaggio di “electronic waste”. Mi avevano detto che si poteva fare, ma che non si fa perché il silicio di recupero dalle celle richiedererebbe un trattamento di purificazione che non vale la pena di fare. Al momento, costa meno purificare il silicio metallurgico, però nel futuro può darsi che si cominci a riciclare il silicio delle celle o dai semiconduttori.

#3 riccardo on 05.13.09 at 12:37

approfitto per segnalare che, in caso di incendio con tetto fotovoltaico, i vigili del fuoco si guardano bene dal gettare acqua sul fuoco… cioè non spengono finchè non arriva la notte ed il pannello non è più in tensione

#4 Luigi Ruffini on 05.13.09 at 16:09

Hanno paura degli archi voltaici?

#5 Fotovoltaico al telluluro di cadmio: si o no? on 05.27.09 at 16:20

[…] il cadmio è anche riconosciuto come sostanza cancerogena. Scrive Aspo Italia: Non c’è dubbio che il cadmio è un elemento tossico; d’altra parte è anche vero che da qui […]

#6 Fotovoltaico al telluluro di cadmio: si o no? | Banda del Buco on 05.27.09 at 21:31

[…] il cadmio è anche riconosciuto come sostanza cancerogena. Scrive Aspo Italia: Non c’è dubbio che il cadmio è un elemento tossico; d’altra parte è anche vero che da qui […]

#7 ing. Mirko Paglia on 10.24.09 at 22:33

Vorrei rassicurare il Cadmio. I pannello fotovoltaico è in Tellururo di Cadmio! è un composto chimico cristallino molto stabile che a temperatura ambiente non rilascia Cadmio, è insolubile e non volatile. E’ praticamente inerte, viene continuamente prodotto nel momento in cui si estrae zinco o rame, viene prodotto anche se non viene consumato o utilizzato. Dati sulla produzione del cadmio si possono trovare tranquillamente in rete: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cadmium/
la produzione del cadmio è legata a quella dello zinco e quindi il cadmio prodotto in eccesso viene semplicemente immagazzinato. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/cadmium/mcs-2008-cadmi.pdf
Per quanto riguarda i processi di smaltimento, le celle fotovoltaiche al CdTe una volta finite il loro uso vengono recuperate e completamente riciclate: la più grande azienda produttrice di moduli al CdTe ha già preparato un processo di riciclo ed il costo di quest’ultimo è già incluso nel prezzo del modulo (che è comunque molto più basso rispetto ad un modulo al silicio). Per il pericolo incendio il CdTe si decompone con temperature che superano i 1000 gradi centrigradi ma essendo protetto da un doppio strato di vetro viene protetto ed inglobato in caso si superino i 1000°C (non lo si deve mettere sopra un capannone di vernici o petrolchimici!)
Cordiali saluti.