Umanità Nova, n.23 del 22 giugno 2008, anno 88

Dall'oro nero all'oro grigio. Fonti alternative: l'energia solare


Secondo le analisi degli esperti dell'Agenzia Internazionale per l'Energia, il costo del petrolio era previsto in costante crescita dal 2000 al 2030. L'incremento atteso veniva stimato intorno ad una quota media di 10 dollari l'anno.
Oggi, si può verificare quanto queste previsioni fossero inattendibili visto che, dopo aver sfondato la barriera dei 100 dollari al barile, il prezzo dell'oro nero continua a salire, ben 30 dollari in più solo negli ultimi sei mesi.
L'economia del pianeta, in particolare quella dei paesi industrializzati, è basata sullo sfruttamento dell'energia accumulata nei combustibili fossili tra cui il petrolio svolge un ruolo fondamentale.
Sappiamo, fin troppo bene, quante guerre e situazioni di degrado sociale traggano origine dal controllo strategico dell'energia e quale sia il "peso" degli stati e delle multinazionali che sfruttano i giacimenti sparsi per il mondo.
Di fronte ad una probabile sopravvalutazione della capacità estrattiva, il picco di disponibilità del petrolio potrebbe essere molto più prossimo di quanto indicato dagli addetti ai lavori e, di conseguenza, gli scenari cui potremmo andare incontro sono tutto fuorché tranquillizzanti.
È in questo contesto che i sostenitori del nucleare e del carbone "sgomitano", tentando di approfittare della situazione, per aprire ulteriori prospettive alle proprie opzioni, la minaccia dell'emergenza energetica e la disinformazione sono classici strumenti per questo tipo di propaganda.
È naturale, quindi, che si ritorni, anche dalle pagine di questo giornale, spesso su tali temi.
Mai come ora, l'attenzione è puntata anche sulle cosiddette energie alternative, in questa occasione ci pare opportuno mettere a fuoco una delle possibili fonti, in particolare ci riferiamo all'energia solare.
Per la verità, parlare d'energia alternativa riferendoci al sole risulta una contraddizione dato che il contenuto energetico degli stessi combustibili fossili deriva, in ultima analisi, dalla radiazione che la stella Sole ha inviato verso la Terra in epoche passate.
Comunque sia, l'energia solare che ogni giorno giunge gratuitamente sulla superficie terrestre si può "catturare" attraverso la tecnologia fotovoltaica. Questa si basa sulla capacità di materiali semiconduttori, quali il silicio, di convertire le radiazioni solari in corrente elettrica. L'elemento base di un impianto è la cella fotovoltaica, una sottilissima lamina di silicio, che assemblata in più unità costituisce un modulo fotovoltaico. Più moduli collegati insieme formano un generatore fotovoltaico che può essere utilizzato in due tipologie d'impianto: i sistemi autonomi o stand alone (per alimentare un edificio isolato e lontano dalla rete di distribuzione) oppure connessi alla rete elettrica o grid connected (come nel caso di edifici di un centro abitato sui cui tetti siano stati installati dei moduli fotovoltaici o di nuovi impianti realizzati al suolo proprio per immettere energia nella rete elettrica).
Le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono suscettibili di variazioni, anche consistenti, in dipendenza di molteplici fattori tra cui: il rendimento dei materiali di cui sono composti, la durata e l'intensità dell'irraggiamento solare che varia a seconda della stagione e della nuvolosità, l'angolazione secondo cui giungono sulla superficie i raggi solari in relazione alla latitudine, la temperatura cui sono sottoposti i materiali in esercizio, la pulizia della superficie trasparente che riveste il modulo.
La "vita" dei prodotti attualmente disponibili copre un arco di 30 anni e forse più; è prevedibile che l'obsolescenza dei moduli sarà, in futuro, più condizionata dall'innovazione tecnologica che dal deteriorarsi dei materiali.
L'efficienza nella trasformazione diretta da energia solare in energia elettrica per questa tecnologia è buona, grazie a pannelli di qualità, con un rendimento che supera il 18 %, ma sicuramente suscettibile di miglioramento visto che a livello sperimentale le percentuali di conversione superano il 25%.
È però doveroso sottolineare che anche l'opzione solare non è esente, almeno nell'attuale sistema economico, da contraddizioni e limiti.
Partiamo dal costituente base delle celle fotovoltaiche: il silicio. Con una quota del 25,8 per cento, questo elemento chimico di simbolo Si della tavola periodica degli elementi è secondo soltanto all'ossigeno per presenza nella crosta terrestre. Prima di poterlo utilizzare bisogna estrarlo e raffinarlo, con processi chimico-fisici, dalle rocce e sabbie quarzose che lo contengono in maggior quantità.
Il silicio non è però soltanto un metallo della tavola periodica, è pure una materia prima negoziata a livello mondiale, con quotazioni che attualmente raggiungono i massimi storici.
Facendo riferimento alla nota legge della domanda e dell'offerta, nella definizione di un prezzo di un bene, vista l'abbondanza dell'elemento e pur considerando i costi di trasformazione, l'attuale valutazione non sarebbe giustificata. Ci sono delle spiegazioni?

Il mercato del Silicio
Il mercato mondiale di questo metallo è controllato da pochissimi fornitori, tra cui: il gruppo chimico giapponese Tokuyama, la statunitense Hemlock e la tedesca Wacker Chemie.
Alla recente esplosione della domanda di celle fotovoltaiche si contrappone un'offerta ridotta di silicio raffinato, questo perché, fino a poco tempo fa, per produrre i componenti base dei moduli si utilizzava, quasi esclusivamente, il silicio preparato per il settore elettronico che necessita di un grado di purezza elevato ("grado elettronico") ma ha anche costi dieci volte superiori a quello meno puro ("grado solare") ma ugualmente adatto alla costruzione delle celle fotovoltaiche. L'assurdo è che a causa dell'attuale organizzazione industriale, attualmente si trovano sul mercato gli scarti del silicio "elettronico" a costi inferiori a quelli eventualmente dovuti per produrre silicio di grado solare.

Ovviamente non c'era interesse economico per le aziende produttrici ad investire i nuove linee di raffinazione per un prodotto di nicchia e l'industria fotovoltaica (FV) si è forzatamente approvvigionata impiegando il silicio avanzato dagli impieghi del settore elettronico.
Ecco perché il prezzo del silicio è poi aumentato all'aumentare della richiesta determinata dallo sviluppo dal settore solare. Non ci si deve meravigliare, quindi, se gli operatori del settore hanno iniziato a riferirsi al silicio definendolo "oro grigio".
La questione dei costi ha dunque frenato la diffusione degli impianti solari. Ma, se fino a pochi anni fa la maggior parte del silicio era acquisita dall'industria dei semiconduttori, già per la fine del 2007 era atteso il "sorpasso" dell'industria FV, dato che questa è cresciuta negli ultimi anni al ritmo del 40-45% contro il 10% della crescita del comparto elettronico.
I rapporti stanno cambiando e gli "squali" del mercato si attrezzano per non perdere le nuove opportunità di profitto, basti pensare che la tristemente famosa Union Carbide ha già brevettato un processo di raffinazione adatto a produrre silicio di qualità solare con un costo energetico pari ad un sesto di quello in uso.
Allo stesso tempo i produttori di silicio hanno annunciato un incremento di almeno 30.000 tonnellate di nuova materia prima entro il 2010; di questa la gran parte sarà dedicata a soddisfare la crescente domanda dell'industria FV.
Si pensi ad esempio che i piani della Cina prevedono che la sua quota nella produzione di polisilicio passerà dall' 1,6% dei primi anni 2000 al 25% entro il 2010. Oltre ai colossi citati in precedenza stanno investendo su nuove linee produttive la REC, norvegese, oltre ad aziende presenti a Taiwan ed in Sud Corea.
Singolare a questo proposito ricordare che secondo un regolamento dell'Unione Europea (Regolamento CE n. 785/2005 del Consiglio, del 23 maggio 2005) è previsto un dazio antidumping sulle importazioni di silicio metallico (di purezza inferiore al 99,99%, quello che non si utilizza in elettronica) originario della Repubblica popolare cinese. L'aliquota del dazio applicabile al prezzo netto, franco frontiera comunitaria è pari al 49 %.
Risulta quindi sorprendente leggere, da un ANSA del 29 aprile '08, che l'azienda cinese Trina Solar ha scelto il silicio italiano della Silfab, azienda italiana dell'hinterland torinese, per produrre le sue celle fotovoltaiche.
La fornitura riguarda polisilicio vergine necessario a produrre 225 MW di moduli solari, con un accordo di sei anni, secondo il quale la Silfab consegnerà in Cina il silicio necessario.
Con le mie, scarse, conoscenze economiche l'unica spiegazione plausibile che mi sono dato è che l'industria cinese ha programmato un ambizioso incremento produttivo per cui il silicio di casa non basterà, quindi oggi si firmano contratti per rastrellarlo sul mercato internazionale per poi esportare il concorrenziale prodotto finito, cioè i moduli fotovoltaici.
L'Associazione europea dell'industria fotovoltaica (Epia) conta a breve termine e grazie a favorevoli condizioni di sviluppo del settore, di incrementare il mercato fotovoltaico del 37% entro il 2010, con l'obiettivo finale di raggiungere la potenza istallata di 5600 MWp (Mega Watt- di picco). Il settore fotovoltaico si prepara così a convertirsi in uno dei comparti più dinamici dell'economia globale.
Per fare un confronto, è utile sapere che 5600 MW di energia, costituiscono l'equivalente produttivo di dieci centrali termoelettriche tradizionali.
Nonostante gli sviluppi tecnologici, secondo le previsioni dell'Epia, il mercato del fotovoltaico nel 2010 dipenderà ancora per l'80% dal silicio.

Nuove soluzioni tecnologiche
I moduli realizzati a partire dal silicio cristallino rappresentano, infatti, circa il 91% del mercato. Tale tecnologia è matura sia in termini di rendimento ottenibile (13-15% per i prodotti commerciali medi) che di costi di produzione (circa 2-2,5 €/Wp)
Il silicio cristallino (mono/poli o amorfo), è impiegato in una sottile fetta di spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm. Il monocristallino ha rendimenti di conversione pari al 15-17%, mentre il policristallino, caratterizzato da un minore costo di produzione, presenta rendimenti del 12-14%, più bassi per la presenza di un maggior grado di impurità. Il silicio amorfo, utilizzato nella tecnologia a "film sottile", viene invece "spruzzato" su una superficie di supporto. Tale tecnologia presenta una convenienza maggiore rispetto alle precedenti, in quanto, per la produzione delle celle viene usata una quantità inferiore di materiale. Inoltre possiede un'ampia versatilità e flessibilità di impiego. L'unico svantaggio, non ancora risolto, è la bassa efficienza dovuta alla struttura cristallina instabile del silicio amorfo.
Esiste anche la possibilità di produrre celle fotovoltaiche attraverso la deposizione di uno strato sottilissimo di silicio di "grado elettronico" su di un substrato inerte isolante.
Il vantaggio di questa tecnologia è dovuto principalmente al fatto che viene utilizzata una quantità di silicio infinitesimale rispetto alla produzione in wafer tradizionale e questo renderebbe di fatto inutile la produzione di silicio di grado solare dato che gli scarti del silicio "elettronico" diventerebbero immediatamente sufficienti a sostenere la domanda per decenni.
I moduli a film sottile sono ottenuti depositando pochi micron di materiali semiconduttori su dei substrati di basso costo (vetro, metallo o plastica). La scelta dei materiali semiconduttori è fatta sulla base della loro capacità di assorbimento della radiazione solare. Moduli a film sottile sono realizzati utilizzando anche materiali come: il Diseleniuro di Rame e Indio (CIS, CIGS nel caso di aggiunta di Gallio, 10-12%), o il Tellururo di Cadmio (CdTe, 9%). I film di materiale semiconduttore possono essere depositati direttamente su larga area (fino a superfici maggiori di 5m2) utilizzando tecniche di deposizione a basso consumo di energia: in tal caso è, quindi, breve il cosiddetto payback time, ossia quanto tempo deve operare un impianto fotovoltaico per produrre l'energia impiegata per fabbricarlo. Tuttavia la scarsa disponibilità di indio e selenio potrebbe costituire un ostacolo per uno sviluppo su larga scala.
Al costo dell'energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici è necessario sommare anche altre voci, vale a dire: quelle per le strutture di sostegno, per le apparecchiature elettroniche, per l'installazione e la manutenzione dell'impianto.
Tuttavia se da un lato la competitività del kwh fotovoltaico non potrà essere migliorata oltre un certo limite, dall'altra i costi crescenti dell'energia elettrica da fonte convenzionale e la crescente consapevolezza dei costi nascosti, pagati dalla collettività e dall'ambiente, dovuti all'utilizzo delle fonti fossili e del nucleare, contribuiranno a rendere sempre più competitiva anche da un punto di vista mercantilistico la produzione elettrica fotovoltaica.
Sono comunque molte le sperimentazioni nel comparto solare finalizzati alla sviluppo di nuove tecnologie.
Alcuni ricercatori della Washington University hanno creato in laboratorio un nuovo modello di celle solari organiche, le cosiddette dye-sensitized, di forma sferica e di dimensioni microscopiche, grazie all'ausilio delle nanotecnologie.
Si tratta in realtà di micro granuli raggruppati a formare sfere più grandi, ma comunque di dimensioni infinitesime, in grado di catturare la radiazione luminosa e di convertirla in energia elettrica con un'efficienza esattamente doppia rispetto alle celle organiche convenzionali.
Grazie all'utilizzo di ossido di zinco l'efficienza ottenuta con queste innovative celle a micro granuli è stata pari al 6,2% contro il valore di 2,4 % delle celle dye-sensitized convenzionali a mini particelle.
Siamo molto distanti dall'efficienza dei moduli al silicio ma anche questo settore della ricerca potrà contribuire all'utilizzo della fonte solare.
Dal fronte aziendale la Nanosolar ha dichiarato che sarà la prima azienda fornitrice di energia da fonte alternativa a vendere i propri moduli al costo di 0.7 euro/watt, ancora meno del carbone, del quale un nuovo impianto di produzione costa circa 1.4 euro/watt, e dei film sottile oggi in commercio che costa in media 2.4 euro/watt.
Il progetto prevede un campo di celle solari multigiunzione combinate in un concentratore di raggi solari, denominato tecnologia CPV. In questo tipo di celle il concentratore ha le dimensioni di 1 cm2, in grado di generare la stessa energia di 500 cm2 quadrati di celle solari convenzionali.
Dall'IBM del Vermont, la più grande azienda di informatica nel mondo, l'invenzione di un processo che permette di riutilizzare le cialde di silicio scartate dalla produzione dei circuiti dei computer per utilizzarle nella produzione di celle fotovoltaiche. Il segreto sta nel "pulire" la superficie della cialda di silicio, cioè nel rimuovere le microparticelle depositate in superficie durante la lavorazione per i chips, rendendole nuovamente utilizzabili per un altro tipo di impiego, in questo caso per i moduli fotovoltaici, evitando una perdita economica e la riduzione in polvere di cialde di silicio altrimenti inutilizzate, per un totale di tre milioni di cialde ogni anno, cui viene risparmiata la pietosa fine in discarica.
All'11° Annual Global Energy Forum di Washington, Sungri, un'impresa della Silicon Valley, specializzata in progettazione e sviluppo di sistemi ad energia solare, ha annunciato il suo ultimo lavoro Xtreme Concentrated Photovoltaics ™ (XCPV™). Si tratta di un tipo di fotovoltaico "concentrato" che utilizza dispositivi ottici robotizzati combinati con chip, dotato di una capacità di convogliare la luce 1600 volte più efficiente dei sistemi tradizionali. Sì, perché l'alta efficienza di XCPV permetterà di produrre energia elettrica ad un costo all'ingrosso di soli 4,9 centesimi al kWh. "Ottenere energia solare a cinque centesimi al kWh costituirebbe una svolta mondiale" ha detto Craig Goodman, presidente della National Energy Marketers Association. "Renderebbe la generazione elettrica da fotovoltaico conveniente come quella da carbone, gas naturale o altre fonti non rinnovabili, senza rendere necessario alcun tipo di sovvenzione". (Ricordiamo a questo proposito le sovvenzioni incenerite dai termovalorizzatori che hanno bruciato rifiuti che uno scandaloso provvedimento, CIP 6/92, ha assimilato a fonti rinnovabili).
Nell'ambito del progetto Industria 2015, del Ministero dello Sviluppo Economico, l'Università di Ferrara, in partnership con aziende quali ST-Microelectronics, ENI ed ENEL, ha sviluppato un nuovo sistema fotovoltaico. Si tratta di una parabola con una lente che concentra la luce fino a duecento volte su un sistema di microspecchi, la suddivide in quattro lunghezze d'onda e le invia a quatto diverse celle fotovoltaiche ottimizzate per lavorare su quelle lunghezze. La sua efficienza, al contrario del 15% del silicio, è già del 40% e, entro qualche anno, potrebbe arrivare fino al 50%. "Un progetto in grado di produrre il 10% dell'energia elettrica in Italia, cioè 35106 MWh/anno – spiega il coordinatore del gruppo di ricerca, professor Giuliano Martinelli – costa alcuni miliardi di euro, cioè meno del risparmio derivato dal costo del petrolio necessario a produrre la stessa quota di energia per un anno. Ogni italiano consuma circa tre tonnellate di petrolio l'anno per un costo complessivo di 63 miliardi di euro. Risparmiando il 10% – conclude Martinelli – si guadagnerebbero ben sei miliardi di euro l'anno".
Queste informazioni, al di là delle specifiche tecnologie sperimentate, ci danno l'idea di quali margini di progresso siano disponibili. Pur affrontando solo il tema del fotovoltaico, se a questo associamo i vantaggi del solare termico cioè quello che garantisce il riscaldamento dell'acqua e la consapevolezza che la principale fonte di energia alternativa è quella misurata in negajoule, cioè quella che non si è usata grazie al risparmio energetico, risulta chiara quale sia la strada da percorrere.
Il KWh prodotto per via FV ha un valore intrinsecamente superiore a qualsiasi altro, dato che questa tecnologia permette la produzione e il consumo per via distribuita, ossia: permette la decentralizzazione degli impianti, ha un basso impatto ambientale sul territorio, riduce tutte le perdite di energia della rete elettrica (viadotti, trasformatori ecc.), non richiede controllo sociale, utilizza una fonte rinnovabile ed accessibile a tutti, con una produzione che, pur discontinua, ha il picco massimo proprio nelle ore dove serve più energia elettrica (durante il giorno) e si annulla di notte nelle ore dove ne serve meno.
È evidente che la vera potenzialità dell'energia solare non è semplicemente tecnica ma sociale e politica. Non si farà la rivoluzione con l'energia, ma credo sia fin troppo evidente che una società autogestita e rispettosa dell'uomo e dell'ambiente non si potrà certo sviluppare attraverso l'impiego del petrolio, del carbone o, men che meno, del nucleare.

MarTa


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