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1. Introduzione

Per diversi motivi che il dovere di concisione mi impedisce qui di richiamare, la tecnologia delle celle fotovoltaiche basata sul silicio cristallino, mono e policristallino, è attualmente quella più affidabile da applicare su larga scala, sia in impianti di piccola taglia per utenza domestica, sia in centrali di media e grande taglia diffuse sul territorio. Questa dote di grande affidabilità è legata soprattutto alle caratteristiche fisiche del silicio ed alla loro stabilità nel tempo. Se si volesse una prova di ciò, basterebbe considerare che le radioline a transistori al silicio messe in commercio nei primi anni ’60, sono ancora perfettamente funzionanti, (una volta che si provvedesse alla sostituzione dei condensatori elettrolitici presenti nei circuiti, poiché questi sicuramente si sono guastati). I transistori fanno ancora il loro bravo mestiere dopo oltre quaranta anni!

Per le celle fotovoltaiche incapsulate nei moduli esiste l’evidenza sperimentale di 25 anni di funzionamento ininterrotto e le previsioni lasciano intendere che una vita di 30 anni è altamente probabile. Inoltre, i miglioramenti di efficienza messi a punto in laboratorio, che ne hanno portato il valore al 24.7% nel silicio monocristallino ed al 19.8% in quello policristallino, sono attualmente in corso d’industrializzazione (ad esempio presso la BP Solar), di modo che sono oggi in commercio moduli con efficienza pari al 15% e sono annunciati sul mercato a breve moduli fotovoltaici con efficienza pari al 18%.

Eppure tutto ciò non basta a rendere il kWh prodotto con questa tecnologia competitivo con quello termoelettrico convenzionale.

Perché?


2. Produzione del silicio cristallino e suo costo

Per rispondere in modo esauriente alla domanda occorre entrare in alcuni dettagli tecnici circa la tecnologia di fabbricazione delle celle fotovoltaiche al silicio cristallino. Tale materiale è molto fragile, per cui lo spessore della fetta con cui si realizza la cella fotovoltaica non può scendere al di sotto dei 0.25 mm per il silicio monocristallino e 0.35 mm per quello policristallino, che ovviamente è ancora più fragile. Il peso di silicio presente in una cella oggi in commercio da (12.5x12.5 = 156 cm2) è nei due casi rispettivamente di circa 9 gr e 13 gr. Si deve poi tenere conto che, durante il taglio dei cristalli in fette, lo sfrido di silicio è uguale allo spessore delle fette. Quindi, contabilizzando la resa del solo taglio, per ciascuna fetta si è utilizzato circa 18 gr e 26 gr di silicio. Inoltre occorre contabilizzare anche gli scarti di silicio (parti terminali dei lingotti monocristallini, residui di squadratura dei lingotti policristallini, residui nel crogiolo, ecc), che si hanno a monte del taglio in fette, scarti che ammontano a circa il 45% del silicio di partenza (resa pari al 55%). Pertanto, tenendo presente la resa complessiva del processo, per ciascuna cella si consumano rispettivamente 33 gr e 47 gr di silicio.

Il silicio è l’elemento che, dopo l’ossigeno, risulta più abbondante nella crosta terrestre. Il biossido di silicio (SiO2 detto comunemente silice) è presente in grandissima quantità in molte rocce quarzifere ed in particolare nelle sabbie delle spiagge marine. Nonostante questa grande abbondanza, il costo del silicio puro incide in modo significativo sul costo del processo di produzione delle celle fotovoltaiche. Ciò è dovuto principalmente al fatto che il materiale da usare per le celle deve avere forma cristallina (cioè silicio monocristallino e/o policristallino) e la realizzazione di questo stato fisico richiede un adeguato grado di purezza. Avviene così che il costo del silicio (e quindi delle celle) è funzione del grado di purezza del materiale in relazione diretta. Il seguente grafico di Fig.1 mostra la situazione indicativa di tale andamento. Il costo più alto si trova intorno ai 200 euro/kg e si riferisce al silicio in lingotti monocristallini cresciuti con il metodo Czochralski o con il metodo della raffinazione per fusione a zone in forno a radiofrequenza. Questo tipo di silicio viene usato per la fabbricazione dei rivelatori per la spettrometria delle radiazioni nucleari.

 
   

Fig.1 – Costo del silicio cristallino in funzione del grado di purezza (Fonte: Elaborazione aggiornata da Califano: Course on PV Solar Devices, Urbino 1982)

La zona compresa fra 100 e 30 euro/kg si riferisce ancora ai lingotti di silicio monocristallino ottenuti con il metodo Czochralski. Tale materiale è detto di grado elettronico in quanto è usato per la realizzazione dei componenti elettronici, sia discreti, che integrati nei microcircuiti.

Al di sotto dei 30 euro/kg, inizia la zona del silicio a minore purezza che, in linea di principio, potrebbe essere usato per costruire le celle fotovoltaiche, detto pertanto silicio di grado solare. Il limite inferiore di questa zona è oggetto di discussione perché, quando si sale con la concentrazione d’impurezze al di sopra di una parte su 105, l’efficienza delle celle fabbricate con tale materiale diviene tanto bassa da non poter essere più interessante per la conversione fotovoltaica. In ogni caso, al di sopra di una parte su 104, tutti concordano nella impossibilità di utilizzo del silicio per le celle fotovoltaiche ad alta efficienza.

La zona a basso costo tra 1 e 4 euro/kg si riferisce al silicio di grado metallurgico, così come viene prodotto dalla silice per riduzione con idrogeno in forno elettrico ad arco.

Infine, la parte più bassa della curva si riferisce al materiale siliceo impiegato per la realizzazione delle leghe magnetiche FeSi con cui si fanno i lamierini dei trasformatori e dei motori elettrici.

Il motivo dell’andamento dei costi mostrato in Fig.1 diviene subito comprensibile, se si esamina la seguente Tab.1. E’ possibile notare nella parte di sinistra che, in corrispondenza della fase di deposizione del silicio purissimo in polvere microcristallina dal silano con il processo Siemens, il costo subisce un’impennata. Ciò avviene in conseguenza di due fattori: il brusco notevole aumento del consumo energetico e la bassa resa del processo di deposizione che è all’incirca del 37%. La conclusione è che la spesa energetica complessiva per il silicio di grado elettronico è pari a circa 575 kWh/kg ed il costo intorno ai 100 euro/kg. Quindi, vista la quantità di silicio impiegata in ogni cella, quando usiamo il silicio monocristallino di grado elettronico, abbiamo un costo energetico per il solo materiale (escluso il costo successivamente aggiunto dalle tecnologie di realizzazione delle celle) pari a circa 19 kWh/fetta ed un costo economico di circa 3.3 euro/fetta. Poiché la cella in questione produce (sotto illuminazione di picco di 1 kW/m2) una potenza di circa 2.2 Wp (efficienza 14%), il contributo al costo della potenza fotovoltaica del solo materiale delle celle si aggira intorno a 1.5 euro/Watt, che corrisponde pressappoco al 33% dell’intero costo di produzione dei moduli fotovoltaici a celle monocristalline (circa 4.5 euro/W).

Tab.1 – Processo schematico di produzione del silicio mono e policristallino
Materiale

Silicio monocristallino

Silicio policristallino

Fase del processo

Grado di purezza

Consumo energetico (kWh/kg)

Costo

cumulato

(euro/kg)

Grado di purezza

Consumo energetico (kWh/kg)

Costo

cumulato
(euro/kg)
Produzione Si metallurgico
SiO2 + C = Si + CO2
95%
30
0.9
95%
30
0.9
Produzione triclorosilano
Si + 3HCl = SiHCl3 +H2
98.9%
5
2
98.9%
5
2

Purificazione SiHCl3 (distillazione)

2 parti per miliardo (distillazione triplo stadio)

15
6.5
1 ppm (distillazione singolo stadio)
5
4.5

Deposizione Si puro microcristallino (reazione con H2 a 1000 °C, processo Siemens)

SiHCl3 +H2 = Si + 3HCl

2 ppmiliardo
450
60

1-10 ppm (processo Union Carbide alternativo a Siemens)

30
20-10
Fabbricazione monocristalli

1-0.1 ppmiliardo (Czochralski)

75
100-200
1-10 ppm
(casting)
30
40-30

Totale spesa energetica

575

Tot. spesa energetica
100
/

Fonte: Aggiornamento dati di archivio dell’autore

3. Il problema del silicio di grado solare e gli scarti dei monocristalli di grado elettronico

Pur rimanendo nel campo del silicio come materiale semiconduttore, si può considerare che non è necessario usare quello di grado elettronico per la tecnologia delle celle fotovoltaiche. E’ possibile realizzare celle di ottima efficienza anche con silicio di minore purezza chimica ed anche con materiale policristallino a grani grossi (detto anche semicristallino). Osservando il grafico di Fig.1, si nota subito che il costo di tale materiale si viene a situare intorno ai 10-20 euro/kg sulla base del grado di purezza chimica, costo che è situato intorno a valori della purezza di una parte su 100000. Quindi se fosse disponibile silicio di questa qualità, detto di grado solare, il costo delle celle fotovoltaiche potrebbe essere ridotto.

Osserviamo ora la parte sinistra della Tab.1. Notiamo che l’incremento maggiore di costo avviene in corrispondenza del processo di deposizione Siemens e che da tale incremento non si scappa se si vuole riportare a forma solida il silicio puro presente nella fase vapore dei clorosilani. E’ allora evidente che occorre escogitare un processo a basso costo, alternativo alla distillazione frazionata dei clorosilani per purificare il silicio metallurgico fino al grado richiesto per l’applicazione solare.

Purtroppo, ad oggi, tutti i tentativi, intrapresi a partire fin dagli anni ’80, per purificare direttamente con metodi chimici il silicio metallurgico non hanno avuto successo. Inoltre occorre registrare che, quando il silicio ha un grado d’impurezze a livello di una parte su centomila, non si riesce più ad ottenere la crescita di monocristalli di grandi dimensioni con il metodo Czochralski. I lingotti ottenuti hanno tutti natura semicristallina o policristallina, cosa che di per sé non avrebbe conseguenze negative sulla tecnologia fotovoltaica, in quanto celle di ottime prestazioni possono essere fabbricate con tale materiale. Purtroppo, però, nel materiale policristallino ha luogo, durante la fase di solidificazione dal silicio fuso, il fenomeno della segregazione delle impurezze alle interfaccie di separazione tra i cristalli e ciò produce un effetto di concentrazione di tali atomi lungo i bordi di grano. Quando il livello di concentrazione di certe impurezze elettricamente attive (come il boro in special modo) ha un valore alto, il fenomeno di segregazione produce effetti deleteri sul funzionamento della cella realizzata con il materiale policristallino. In particolare, l’effetto di segregazione nella fase di cristallizzazione del silicio in forma di policristalli colonnari fa addensare gli atomi di boro lungo le superfici di bordo dei grani. Quando poi si taglia il materiale in fette e si realizza la cella, le superfici di bordo dei grani vengono a costituire dei percorsi ad alta conduttività elettrica che cortocircuitano la giunzione np della cella con la conseguente drastica riduzione dell’efficienza a valori di scarso interesse.

Purtroppo, le varie tecniche di purificazione del silicio metallurgico con metodi diversi dalla distillazione frazionata dei clorosilani, finora tentate, si sono dimostrate poco efficaci nei confronti del boro (sempre presente in parte notevole nel silicio metallurgico). Sembra, pertanto, che lo stadio della formazione dei clorosilani e della loro distillazione sia un passaggio obbligato nel processo di purificazione del silicio. In ogni caso, il concetto del silicio di grado solare è così attrattivo che i tentativi di semplificazione proseguono mano a mano che divengono disponibili nuove tecniche di purificazione. Nel frattempo vengono sperimentate, come vedremo, strade completamente diverse basate sull’utilizzo del materiale purissimo in strati sottili (e quindi in piccolissima quantità).

Per il momento poniamo l’attenzione su un fatto che ha costituito finora una grande opportunità per la tecnologia fotovoltaica. Avviene infatti che le parti di testa e di coda dei lingotti di silicio Czochralski per uso elettronico vengono scartate perché esse non sono adeguate per la fabbricazione dei microcircuiti. In tali parti si addensa una concentrazione tale di impurezze e di difetti reticolari da impedirne l’uso (elettronico). Pertanto, il mercato del silicio puro ha visto l’offerta di questi scarti (detti silicio off grade) ad un costo intorno ai 10-15 euro/kg.

Il fotovoltaico ha approfittato finora di questo materiale seguendo due linee di produzione:

· La prima è semplicemente basata sulla nuova fusione degli scarti e la crescita di monocristalli con il metodo Czochralski. I lingotti così ottenuti hanno chiaramente una qualità non adatta alle applicazioni elettroniche, ma più che adeguata per quelle fotovoltaiche. Con riferimento alla parte sinistra della Tab.1, si vede che il costo aggiunto dalla fusione e crescita Czochralski è di circa 40 euro/kg che si vanno ad aggiungere ai 15 euro/kg del costo degli scarti. In totale pertanto si arriva a produrre un materiale di grado solare al costo di circa 55 euro/kg, che è circa la metà di quello del silicio di grado elettronico. Quindi il costo del solo materiale nelle celle (efficienza 14%) si riduce a circa 0.8 euro/Watt.

Poiché il silicio ottenuto in questo modo ha caratteristiche ancora molto buone per l’uso fotovoltaico, le celle fabbricate con questo materiale hanno efficienza commerciale abbastanza alta, intorno al 14%. Purtroppo però dal punto di vista della spesa energetica le cose non vanno altrettanto bene. Infatti al contenuto energetico degli scarti (che, ricordiamo, è di 575 kWh/kg) occorre aggiungere la spesa per la nuova fusione ed accrescimento in lingotto, che ammonta a circa 75 kWh/kg. In definitiva perciò avremo la spesa energetica di circa 650 kWh/kg, con un incremento del 13% ed il conseguente allungamento del tempo di ritorno dell’energia.

· La seconda linea di produzione, che è rappresentata nella parte di destra della Tab.1, è molto più ambiziosa. Essa si basa sul metodo di cristallizzazione per raffreddamento graduale dalla fase liquida del silicio fuso in grandi crogioli di quarzo o di grafite in forno a radiofrequenza (metodo detto del casting del silicio). La solidificazione dà luogo ad un grande lingotto (peso dell’ordine del mezzo quintale) costituito da un insieme di cristalli colonnari adiacenti uno all’altro. Il materiale ottenuto è quindi policristallino con grani grossi, di diametro dell’ordine del cm, che può essere lavorato meccanicamente in modo da ottenere fette dello spessore di 0.35 mm, di area pari a (12.5x12.5) = 156 cm2 e di peso pari a 12 gr (47 gr compresi i vari sfridi). Con questo materiale si realizzano celle aventi efficienza commerciale intorno al 13% (nella situazione industriale odierna di produzione in grande serie).

A sua volta il casting del silicio può essere applicato secondo due linee produttive a seconda della provenienza del materiale:

1. Silicio elettronico off grade

Poiché il metodo del casting ha una resa temporale in lingotto migliore del Czochralski, la produttività è più alta e quindi il costo è più basso. In pratica, partendo sempre dal costo degli scarti di circa 15 euro/kg, si riesce con questo metodo ad ottenere il materiale delle celle ad un costo di 45 euro/kg. Ciò significa che il silicio impiegato per ciascuna cella (sfrido compreso) costerà 2.1 euro, che riportato alla potenza generata per cella di 2 W ci dà un costo di circa 1 euro/W. L’incidenza sul costo delle celle è leggermente più alto rispetto al materiale monocristallino da off grade essendosi portato da 0.8 a 1 euro/W. Ciò è dovuto alla necessità di uno spessore maggiore della fetta (0.35 mm contro 0.25 mm) e ad una minore efficienza di conversione. Impropriamente questo tipo di silicio policristallino viene indicato come silicio solare e ciò contribuisce non poco a confondere le idee dei non addetti ai lavori.

2. A prescindere dal peggioramento del costo, la linea del casting è considerata più vantaggiosa perché essa è già pronta per accettare anche silicio proveniente da fonti diverse dal silicio off grade. Infatti, in linea di principio, il casting funziona anche con il silicio metallurgico (purché come si è detto sufficientemente purificato). Qualora si riuscisse a disporre di tale materiale, saremmo pronti a produrre il vero silicio solare a basso costo.

Comunque, un primo vantaggio è costituito dal miglioramento della spesa energetica. Infatti, a parità di potenza impiegata, la durata del processo di casting è inferiore a quella dell’accrescimento Czochralski e la resa in cristallo è più alta, la spesa energetica è inferiore. Il processo di casting aggiunge al prodotto una spesa di circa 30 kWh/kg.

La vera attrattiva del casting consiste nella possibilità di alimentare il processo con il materiale siliceo prelevato a monte dello stadio di purificazione e deposizione Siemens, quando la spesa energetica cumulata è ancora bassa, intorno a 30 euro/kg, di modo che, anche considerando i contributi successivi di uno stadio seguente di purificazione semplificata e quello del casting, si possa arrivare ad una spesa energetica complessiva per il materiale intorno ai 100 kWh/kg contro i 650 del processo Czochralski su silicio off grade . Questa interessante possibilità ha costituito la motivazione delle ricerche promosse dal Programma Fotovoltaico del DOE nel decennio ‘82-’92 e condotte dalla Union Carbide. In pratica si è provato a ridurre ad un solo stadio la distillazione del triclorosilano e a sperimentare un metodo di deposizione del silicio microcristallino in polvere diverso da quello Siemens, che è stato brevettato da Union Carbide. Il risultato di questo programma di ricerca ha portato a mettere a punto un processo industriale in grado di fornire sul mercato silicio microcristallino di grado solare ad un prezzo intorno ai 20 euro/kg. Tuttavia, poiché tale prezzo era leggermente superiore a quello del silicio di scarto dell’elettronica e poiché fino ad oggi il silicio off grade è stato presente sul mercato in quantità sufficiente ad alimentare la produzione fotovoltaica al costo di 10-15 euro/kg, il silicio di grado solare ha marcato il passo, mantenendosi soltanto a livello sperimentale di piccoli stock senza mai arrivare alla produzione industriale di massa.

4. Il boom del fotovoltaico e lo shortage del silicio

Le nuove condizioni al contorno determinatesi per la necessità di contrastare la crisi climatica ambientale ed il contemporaneo aumento del costo del petrolio e del gas naturale hanno cominciato a favorire l’uscita dei sistemi fotovoltaici fuori dal segmento del mercato di nicchia delle piccole applicazioni in cui tale tecnologia è stata finora confinata. In pochi anni il mercato mondiale si è triplicato arrivando ad un volume totale di circa 1000 MW all’anno. Il tasso di crescita annuale è oggi superiore al 40% e la domanda non accenna a diminuire. Purtroppo, sul fronte dei prezzi, si sta verificando il contrario di quanto ci si aspettava. Il boom della domanda di sistemi non sta producendo l’atteso calo dei prezzi necessario per arrivare alla competitività con le altre fonti d’energia. I prezzi, invece, tendono a salire o, nel caso migliore, a rimanere stabili. Tra le cause di questo effetto perverso, riveste una particolare importanza il fatto che la quantità disponibile di silicio off grade non riesce più a coprire la domanda dei fabbricanti di celle fotovoltaiche ed i prezzi di tale materiale si sono portati da 10 euro/kg intorno ai 30 euro/kg.

E’ in atto il cosiddetto shortage del silicio fotovoltaico, che era stato tanto temuto negli anni ‘80.

Ad esempio, in Italia il boom della domanda conseguente all’introduzione del sistema d’incentivazione governativo detto del Conto Energia sta producendo l’effetto di vedere una vera e propria caccia ai moduli fotovoltaici provenienti dall’estero, perché i costruttori nazionali non riescono a rifornirsi del silicio di grado solare di cui avrebbero bisogno per incrementare la produzione.

E’ evidente che una tale situazione è transitoria, perché l’incremento sostanziale della domanda di silicio di grado solare a questo punto rende concorrenziali processi del tipo di quello della Union Carbide, cosa che permetterà finalmente di far entrare in produzione industriale di grande scala tali processi.

In tal caso (vedi ultima colonna di Tab.1) si renderà disponibile silicio di grado solare ad un costo di circa 10 euro/kg (silicio solare vero), con il quale sarà possibile alimentare il processo di casting per arrivare ad un costo del materiale policristallino delle celle intorno a 30 euro/kg, corrispondente a circa 1.4 euro per cella da (12.5x12.5) =156 cm2 (2 W a efficienza 13%), con un costo di 0.7 euro/W.

Come si vede, in pratica si possono ottenere notevoli miglioramenti economici rispetto al casting del silicio off grade. Esiste, inoltre, una fondamentale differenza positiva per ciò che concerne la spesa energetica. Infatti, il ricorso al materiale di grado solare per alimentare il casting elimina la spesa energetica che accompagnava il materiale off grade (per essere stato sottoposto a due fasi di cristallizzazione Czochralski). La semplificazione del processo di purificazione con l’eliminazione di due stadi di distillazione porta ad una riduzione anche del contenuto energetico del materiale microcristallino di grado solare da cui parte il casting.

In conclusione, la disponibilità sul mercato del silicio solare, oltre ai benefici economici, porta una notevole riduzione del tempo di ritorno dell’energia. Si ha così che i moduli a silicio policristallino di grado solare che oggi cominciano ad essere impiegati per la produzione elettrica fotovoltaica, in sistemi collegati alla rete, hanno un tempo di ritorno energetico di poco meno di 2 anni nelle condizioni di funzionamento dell’Italia centro-meridionale e di circa 3 anni nel Nord Italia contro i corrispondenti 3 – 4.5 anni del silicio monocristallino (Alsema E. A. et al, The real environmental impacts of crystalline silicon PV modules: an analysis based on up-to-date manufacturers data, 20th European PV Solar Energy Conference, June 2005).

5. La questione della competitività

· L’incidenza del silicio

Come si è visto, il passaggio al silicio di grado solare potrà portare all’eliminazione dello shortage del materiale, liberando la crescita del mercato da questo ostacolo. Il conseguente aumento del volume delle vendite produrrà una ripresa della riduzione dei costi di produzione dei sistemi per effetto di scala. Il costo del kWh fotovoltaico si ridurrà in conseguenza, seguendo nel tempo la curva di apprendimento economico. Tale curva chiaramente tende ad un valore asintotico, che non potrà essere nullo. Infatti, anche se il costo del silicio di grado solare raggiungesse valori molto più bassi di quelli sopra considerati, rimarrebbero pur sempre gli altri costi, cioè quelli degli altri materiali, quelli delle tecnologie, quelli dei componenti convenzionali del sistema di produzione dell’elettricità. Per alcune di queste voci di costo, l’effetto di scala potrà anche produrre una riduzione (ad esempio le tecnologie di produzione delle celle e dei moduli per il passaggio a linee di produzione automatica di maggiore capacità), ma il costo dei materiali (metalli preziosi, prodotti chimici, vetro, plastica, strutture di sostegno, apparecchi elettronici, cavi, ecc) tenderà a crescere per il rincaro del petrolio o, nel caso migliore, rimarrà pressappoco invariato. Analogamente, la voce di costo del lavoro, che risente direttamente dell’aumento del costo della vita, tenderà a crescere nel tempo più dell’inflazione.

A questo punto, per analizzare tutti questi effetti, è necessario esaminare la ripartizione attuale dei costi di produzione per i vari componenti di un sistema fotovoltaico collegato alla rete (senza accumulo).

Cominciamo dal costo del silicio contenuto in una cella fotovoltaica e vediamo la struttura di tale costo.

Tab. 2 – Costo del silicio policristallino in fette: area (12.5x12.5) cm2,

spessore 0.35 mm, peso 12.7 gr.

Voci di costo
Resa
Costo progressivo del materiale lavorato
Casting lingotto silicio
1
50 (euro/kg)
Squadratura e selezione
0.6
83.3( euro/kg)
Taglio in fette
0.5
166.7 (euro/kg)
Scarto fette
0.8
208 (euro/kg)
Fetta da 156 cm2
/
2.65 (euro/fetta)
Fonte: Dati da fonte industriale rielaborati dall’autore

Poiché la nostra cella di riferimento ha un volume di 5.47 cm3 e la densità del silicio è pari a 2.33 gr/cm3, la quantità di silicio contenuto nella cella sarà di 12.74 gr, che al costo di 208 euro/kg porta il costo dovuto al silicio a 2.65 euro per cella.

Vediamo ora la struttura del costo dei moduli.

Tab.3 – Modulo fotovoltaico a silicio policristallino da 36 celle, potenza 72 Wp,

area 0.66 m2: struttura del costo di produzione1

Voce di costo
Costo

(cella da 156 cm2)

(euro)
Costo Wp

(effic. cella 13% = 2 W)

(euro/W)
Costo per m2
(euro/m2)
Incidenza per cento
(%)
Fetta silicio
2.65
1.325
169.9
51.1

Materiali, Tecnologie, Lavoro, Energia, Scarto celle, ecc.

2.53
1.265
162.2
48.9
Totale costo cella
5.18
2.59
332.1
100
Silicio 36 fette
95.4
1.325
169.7
37.1
Mat. e tecnologie 36 celle
91.08
1.265
162.1
35.4
36 celle (0.562 m2; 72 W)
186.48
2.59
331.8
72.5
Resa impannellamento 0.96
194.25
2.70
345.9
75.5

Materiali&Tecnologie impannellamento, Lavoro, Energia, ecc.

63
0.87
112.1
24.5

Costo del modulo (area attiva delle celle = 0.562 m2)

257.2
3.57
458.0
100

Costo modulo (Fattore riempimento modulo 0.85; area finale modulo 0.66 m2; 72 W; eff. mod. 11%)

257.2
3.57
389.7
/

1I dati hanno valore indicativo e si riferiscono ad una linea di produzione in Italia da 1 MW/anno di moduli da 36 celle da (12.5x12.5) cm2, efficienza 13%, potenza 2.1 Wp, area 0.66 m2

Fonte: Elaborazione dell’autore di dati da fonte industriale

Si può notare che, mentre il costo del silicio pesa sul costo totale della singola cella per circa il 51%, tale peso si riduce al 37% a livello di costo del modulo.

Quindi, l’azione di riduzione di questa voce di costo potrà avere effetti economici notevoli sul costo di produzione delle celle, un po’ meno su quello dei moduli e ancora meno a livello di costo dei sistemi. Infatti, l’effetto di tale azione verrà attenuato sensibilmente a causa dell’aggiunta dei costi degli altri componenti necessari per portare l’elettricità prodotta dai moduli al livello della sua vendita. In altri termini, con riferimento al nostro obiettivo di abbattimento del costo del kWh, le azioni sul silicio, da sole, non potranno avere un effetto decisivo.

Ma allora che cosa bisogna fare per ridurre in modo significativo il costo del kWh fino a renderlo competitivo?

· Il costo di produzione del kWh

Per rispondere a questa domanda, occorre ricordare che il costo del kWh nella sua forma concettuale più semplice è dato dal rapporto tra la spesa annuale sostenuta per l’impianto e il numero di kWh fotovoltaici che nel corso dell’anno vengono immessi nella rete.

Purtroppo, quando si va ad esplicitare questo concetto in funzione dei numerosi parametri fisici ed economici da cui esso dipende, le cose si complicano notevolmente. Pertanto, se si vogliono realmente capire le cose nei dettagli, non c’è altro modo che armarsi di pazienza e seguire il lungo percorso dei calcoli matematici. Tuttavia, per non annoiare il lettore, chiederò di essere creduto sulla fiducia circa il fatto che il costo del kWh è espresso dalla seguente espressione parametrica (Coiante D., Le nuove fonti di energia rinnovabile, cap.V, p. 536):

Dove hSTC è l’efficienza dei moduli misurata nelle condizioni standard di riferimento e i coefficienti numerici sono stati calcolati sulla base delle seguenti assunzioni:

· Fattore finanziario di annualità = 0.075 (vita operativa 30 anni, interesse reale 5%)

· Perdite dovute all’assemblaggio dei moduli nei pannelli 0.92, perdite dovute alla temperatura 0.92, perdite dovute alle apparecchiature elettroniche 0.95.

· Ore annuali equivalenti alla massima insolazione 1700 (sito centro-meridionale).

· Fattore di disponibilità dell’impianto 0.95.

Riferendo tutti i costi all’area totale del modulo, consideriamo i seguenti valori odierni per i sotto elencati parametri, lasciando il costo dei moduli Cm e la loro efficienza hSTC come variabili indipendenti:

· Costo delle strutture di sostegno Cst = 150 euro/m2.

· Costo del terreno Ct = 2.5 euro/m2 (terreni marginali).

· Costo annuale esercizio e manutenzione Ce&m = 2 euro/m2.

· Costo delle apparecchiature elettroniche 400 euro/kW

Pertanto la (1) diviene:



Osserviamo subito che il primo termine della somma rappresenta il contributo del costo dei moduli, il secondo quello delle strutture di sostegno e del terreno, il terzo è quello dovuto alle spese di esercizio e manutenzione ed infine il quarto è quello delle apparecchiature elettroniche di condizionamento della potenza (inverter ed interfaccia alla rete). Tanto per fissare le idee, inseriamo nell’espressione il valore attuale più comune in commercio dell’efficienza standard dei moduli hSTC = 11%. Allora i vari contributi assumono il seguente valore:

1) Moduli = 5.54 10-4 Cm;

2) Strutture e terreno = 8.6 eurocent/kWh

3) Esercizio e manutenzione = 1.5 eurocent/kWh

4) Potenza = 2.2 eurocent/kWh

Si può immediatamente vedere che, a prescindere dal primo contributo dovuto ai moduli, su cui per il momento non ci soffermiamo, l’ammontare complessivo degli altri è pari a 12.3 eurocent/kWh. Esso è abbondantemente al di sopra del livello di competitività rispetto alla termoelettricità convenzionale, livello che oggi possiamo porre a circa 7 eurocent/kWh. Quindi, riscopriamo il fatto a tutti noto che, anche a costo nullo dei moduli, l’elettricità fotovoltaica è lontana dalla concorrenzialità. La nostra analisi dettagliata, però, ci permette di precisare che l’origine di questo aspetto, sempre sottovalutato, sta nel costo troppo alto delle strutture di sostegno e delle apparecchiature elettroniche. Ne deriva che, mentre si pensa alla riduzione del costo dei moduli, occorre impegnarsi fortemente a ridurre le altre voci di costo fino a farle rientrare nell’ordine di qualche eurocent/kWh. E la cosa non è affatto facile, perché si tratta di tecnologie ormai ampiamente consolidate, che hanno raggiunto l’asintoto di costo. Ci aiuta in questo compito il fatto che, a parte il termine dovuto all’elettronica, in tutti gli altri contributi è presente l’efficienza dei moduli a dividere i costi. Individuiamo così l’importante ruolo che gioca l’efficienza di conversione sull’economia del prodotto finale. Ad esempio, se l’efficienza crescesse di un fattore due, i contributi si dimezzerebbero, portando così il loro ammontare nella zona della competitività.

Al di là del fatto non trascurabile che un raddoppio dell’efficienza è molto arduo da ottenere nella pratica, quello che importa sottolineare è che occorre sempre agire su due fronti: quello dell’abbassamento dei costi (aspetto squisitamente industriale del miglioramento delle tecnologie di produzione) e quello del miglioramento dell’efficienza attuale di conversione delle celle (aspetto di pertinenza prevalente della ricerca). Con l’azione puntata soltanto su uno dei due fronti non è possibile arrivare alla competitività del costo del kWh.

A questo punto occupiamoci del primo contributo. Considerando il risultato dell’analisi riportato in Tab.3 che fissa il costo attuale Cm = 390 euro/m2, il contributo al costo del kWh dell’elenco precedente diviene così pari a 21.6 eurocent/kWh, che sommato agli 12.3 delle altre voci di costo porta il valore complessivo a 33.9 eurocent/kWh, circa 5 volte al di sopra della competitività.

In conclusione, la situazione odierna del costo del kWh è riassunta nella seguente Tab.4.


Tab.4 – Struttura del costo del kWh

Contributi al costo del kWh

Centesimi di euro
Percentuale
Moduli
21.6
63.7

Strutture di sostegno e terreno

8.6
25.4
Esercizio e manutenzione
1.5
4.4
Elettronica di potenza
2.2
6.5
Totale
33.9
100

Ricordiamo ora che il costo del silicio incide sul costo del modulo per il 37%, mentre il 63% è dovuto agli altri materiali e alla tecnologia di fabbricazione. A questo punto abbiamo tutti gli elementi per stabilire quale peso ha il costo del silicio sul costo del kWh. Infatti, sulla base delle percentuali sopra indicate la quota del silicio sarà pari al 23.6% e quella del resto del modulo varrà il 39.4%.

In definitiva, quindi, l’incidenza odierna del silicio sul costo del kWh fotovoltaico è situata intorno al 24%. La conseguenza è che, anche se potessimo ridurre a zero questa voce di bilancio, il costo del kWh rimarrebbe abbondantemente fuori mercato, a meno che non si agisse robustamente a ridurre le altre voci di costo.

6. Il silicio cristallino in strato sottile

Lasciando da parte il silicio amorfo, che ha mostrato finora numerosi limiti: di durata, di adeguatezza dell’efficienza, di stabilità delle prestazioni nel tempo, una nota positiva ci giunge dal fronte della ricerca sui nuovi materiali. Sembra oggi percorribile la strada del silicio policristallino deposto in strato sottile su lastre di materiale isolante e inerte (vetro ad esempio). Come è noto, lo spessore di silicio necessario per avere il completo assorbimento della radiazione solare si aggira intorno ai 50 micron, ma nel caso in questione è possibile ridurre questo spessore a circa 4-5 micron con strati ottici a riflessione selettiva che intrappolano la luce all’interno dello strato di silicio fotosensibile. Lo strato di silicio viene deposto mediante un evaporatore a fascio di elettroni sotto vuoto direttamente dal silicio purissimo in polvere. Successivamente lo strato di silicio viene riscaldato a circa 1000 °C in modo da favorirne la cristallizzazione.

Vista la quantità infinitesima che viene deposta sulla lastra di supporto, il costo del materiale si riduce pressoché a zero e l’attuale stock di silicio elettronico presente sul mercato è più che sufficiente per garantire la crescita dell’industria fotovoltaica senza limiti. Quindi è superato il problema dello shortage del materiale.

Dalla conclusione del precedente paragrafo, però, balza evidente che ciò non sarebbe ancora sufficiente a portare il kWh nel campo della concorrenzialità, se questa nuova via non comportasse anche un consistente abbattimento del costo di produzione dei moduli. Ora questo è proprio ciò che avviene, perché il nuovo processo di deposizione del silicio permette il passaggio ad una nuova tecnologia dei moduli fotovoltaici, quella già messa a punto per l’uso dei film sottili (ad esempio, silicio amorfo, telluro di cadmio, diseleniuro di indio e rame, ecc,). In sostanza, l’uso del silicio policristallino in strato sottile comporta il cambiamento completo della tecnologia di fabbricazione delle celle e dei moduli, in quanto diviene praticabile la deposizione del materiale direttamente su aree delle dimensioni del modulo o, in una prima fase, su aree più piccole (submoduli), comunque molto più grandi di quelle delle celle singole convenzionali. Inoltre, i processi tecnologici a valle della deposizione del silicio possono essere completamente automatizzati (approfittando della tecnologia messa già a punto per i moduli a film sottile di altri materiali) in modo che il costo relativo viene fortemente ridotto. In conclusione, questa nuova tecnologia, che si sta oggi affacciando sul mercato, promette il superamento dello shortage del silicio e nel contempo l’abbattimento del costo dei moduli.

Il processo industriale, che si trova più vicino alla commercializzazione, è stato messo a punto dall’Università australiana del Nuovo Galles del Sud. La licenza è stata ceduta ad una società partecipata, la Crystalline Silicon on Glass (CGS), che sta realizzando in Germania, a Thaleim, uno stabilimento di produzione in cui ha investito 70 M$. L’inizio delle vendite è previsto per il 2006 con l’annunciata messa sul mercato di moduli fotovoltaici di area pari a 1.2 m2 ed efficienza 7.5-8.5% (Aberle A. G. et al., Recent Advances in Policrystalline Silicon Thin Film Solar Cells on Glass at UNSW, 31th IEEE PV Specialist Conference, Orlando(FL), 3-7 September 2005 ed anche Highlights in www.pv.unsw.edu.au/research/annualreports.asp )

Purtroppo, l’efficienza annunciata appare ancora bassa per permettere il raggiungimento della competitività, a meno che il costo di produzione (il prezzo di vendita ancora non è stato annunciato) non si abbassi di un fattore considerevole rispetto a quello dei moduli a celle di silicio policristallino oggi sul mercato.

Staremo a vedere.

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