Università di Roma Sapienza. Facoltà di Economia

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1 Università di Roma Sapienza Facoltà di Economia Corso di laurea magistrale in Economia Aziendale TESI DI LAUREA PROGETTAZIONE A MINOR IMPATTO AMBIENTALE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO: ANALISI ECONOMICA AMBIENTALE (In collaborazione con l ENEA) Relatore: Ch.mo Prof. Enrico Laghi Studente: Iannotti Mario Correlatore: Matricola: Dott. Ing. Paolo Neri a.a. 2009/2010

2 Introduzione La domanda di energia cresce nel mondo ad un tasso sostenuto, soprattutto per il contributo dei Paesi asiatici ed in particolare Cina ed India. Il Protocollo di Kyoto, elaborato nel 1997 ed entrato in vigore il 16 febbraio 2005, introduce degli obiettivi quantitativi di riduzione per i soli Paesi industrializzati, in base al principio di responsabilità comune ma differenziata. Il Protocollo di Kyoto rappresenta il primo importante simbolo della crescente preoccupazione riguardante le tematiche ambientali e, insieme, il primo e ancora unico - strumento assunto a livello internazionale per dare una risposta comune alla sfida dei cambiamenti climatici. In questo scenario macroeconomico gli investimenti in energia rinnovabile (fotovoltaico, eolico, ecc.) ritrovano un riscontro sempre maggiore tra i player dei mercati. Gli indirizzi contenuti nel Protocollo, infatti, hanno favorito in tutti gli Stati aderenti l introduzione di meccanismi di incentivazione per la produzione di energia da fonti ad emissioni zero. In Italia, a partire dal 2005, sono stati previsti dei meccanismi di incentivazione alla produzione di energia da fonti rinnovabili differenziati per fonte. Accanto alle misure di legge riferite ai certificati verdi, giudicate in alcuni casi insufficienti a rendere sostenibili economicamente le iniziative di investimento (es. impianti fotovoltaici), è stato introdotto il meccanismo del c.d. Conto Energia. Si tratta di una sorta di bonus riconosciuto dal Gestore dei Servizi Energetici (GSE) ai produttori di energia, in termini di prezzo di vendita dell energia prodotta. Nell ultimo anno, inoltre, il sistema industriale del nostro Paese sta iniziando a colmare un gap produttivo di tecnologia in questo settore, riducendone progressivamente il valore delle importazioni nette e favorendo così i processi di approvvigionamento di prodotti necessari alla realizzazione degli impianti. Investimento in nuove tecnologie che costituisce una condizione necessaria ma non sufficiente per la realizzazione di soluzioni eco sostenibili che sono vincolate ad una vitale condizione definita e delineata dall investimento in Capitale Umano e quindi nella Ricerca. Questo è un punto cruciale su cui voglio soffermarmi con maggiore attenzione. L Italia non sempre riesce ad avere la giusta forza e l intraprendente coraggio di credere nella ricerca, essenziale ed indispensabile per l evoluzione di un sistema economico basato sulla conoscenza e sull innovazione tecnologica. Ringrazio la mia Università per avermi dato la possibilità di studiare un anno all estero grazie al progetto Europe Erasmus Programme. L anno scorso sono stato per un anno in Finlandia, ad Helsinki, un Paese che definirei completamente diverso dall Italia, per cultura, per clima, per mentalità e per storia. E proprio su quest ultimo aspetto che voglio soffermarmi. Dopo la caduta del muro di Berlino, e quindi del più importante partner commerciale del paese baltico, l Unione Sovietica, l economia subisce una tremenda battuta II

3 d arresto. Il tasso di disoccupazione arriva a toccare il 17 % della forza lavoro (Fonte Istat) e il prodotto interno crolla di quasi 40 punti percentuali tra il 1990 e il Dopo 15 anni ci troviamo di fronte ad uno dei Paesi più competitivi del mondo (global Economic Forum Global Competitiveness Report), in cui si è riusciti a coniugare una crescita media del PIL di oltre il 3,5% annuo tra il 1997 e il 2007 (Eurostat) con una forte attenzione agli impatti ambientali che una crescita così sostenuta può comportare. Cosa è successo in 15 anni in Finlandia? I politici finlandesi hanno seguito l ortodossia neoliberista tanto in voga negli anni 90, ossia liberalizzazione del mercato del lavoro, decentramento della contrattazione, generalizzato taglio della spesa pubblica in particolare quella destinata alla protezione sociale (pericolosa per la produttività perché rende tutti i lavoratori terribilmente pigri). Niente di tutto ciò. I policy makers finlandesi hanno deciso di andare controcorrente: hanno preferito adottare una ben focalizzata politica industriale aumentando gli investimenti in Ricerca & Sviluppo e in formazione, specialmente a livello universitario, compensando i costi in termini di disoccupazione e consentendo di mantenere un elevato livello di protezione e tutele sociali per le fasce più deboli. Quest esempio dimostra il potente effetto anticiclico della spesa per l istruzione. Tra i fattori strategici che spingono la crescita di lungo periodo dell economia vi sono senz altro la formazione e le politiche per la ricerca e l innovazione. Ecco la vera sfida dell Ita lia: comprendere e investire in capitale umano generale ed universitario il che favorisce l adozione di nuove tecnologie che allo stesso tempo comporta la riduzione del rischio di disoccupazione dovuta a skill mismatches (ovvero un cattivo incontro tra qualifiche richieste dalle imprese e quelle offerte dalla forza lavoro). Sfida verso la tecnologia necessaria per una grande economia quale quella italiana all interno del mondo globalizzato, dove la tecnologia costituisce il pilastro fondamentale per affrontare quella forte competitività che sta caratterizzando il contesto economico mondiale. Mi sono dilungato nel raccontare la mia esperienza che tanto mi ha fatto riflettere e tanto mi stimola a lottare. Lottare per migliorare dei meccanismi economici potenzialmente fonte di grande ricchezza. L opportunità che la Sapienza mi ha dato devo ricambiarla e il prezzo è dato dalla mia capacità di cercare di importare quei miglioramenti, costituiti da meccanismi politici, economici e culturali che in Finlandia sono normalità. E proprio questo il senso di un esperienza di un anno all estero, essere come una spugna che tutto assorbe e tutto vede. Separare i pro e i contro di un sistema e sviluppare una capacità di analisi critica che si conclude con la voglia di importare ed adattare degli automatismi che un sistema democratico, economicamente efficiente deve possedere. III

4 1 Uno sguardo al fotovoltaico 1.1 Produzione di energia elettrica da fotovoltaico Il termine fotovoltaico deriva dall unione di due parole Foto deriva dal greco phos che significa luce, e Volt che prende le sue radici dallo scienziato italiano Alessandro Volta il primo a studiare il fenomeno elettrico e l inventore della pila. Il termine fotovoltaico significa letteralmente : elettricità prodotta dalla luce.la teoria fisica che spiega l effetto fotoelettrico, del quale l effetto fotovoltaico rappresenta una sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il premio Nobel. L effetto fotoelettrico ha avuto la sua prima applicazione commerciale nel 1954 quando, nei laboratori della BELL, fu realizzata la prima cella fotovoltaica in silicio monocristallino. Gli impianti fotovoltaici consentono di trasformare, direttamente e istantaneamente, l energia solare in energia elettrica senza l uso di alcun combustibile. Producono elettricità là dove serve, non richiedono praticamene manutenzione, non danneggiano l ambiente e offrono il vantaggio di essere costruiti su misura, secondo le reali necessità dell utente. [39] Dal silicio alla cella fotovoltaica Il silicio è il secondo elemento per abbondanza in natura: il 90% della crosta terrestre è costituito infatti da silicati. Ma affinché il silicio acquisisca la proprietà semiconduttrice è necessaria un elevata purezza. Attraverso complessi processi di purificazione e distillazione si devono infatti allontanare le tracce delle molteplici sostanze indesiderate per ottenere silicio utilizzabile a scopo fotovoltaico. Il primo passo dei processi tradizionali è costituito dalla produzione di Triclorosilano, ottenuto a partire dal silicio metallurgico prodotto per carboriduzione della silice. Con reazione di acido cloridrico sul silicio metallurgico si ricava il TCS (triclorosilano), che allontana le contaminazioni di ferro, alluminio e boro. La produzione del lingotto inizia sottoponendo il silicio policristallino, materiale costituito da cristalli di silicio disallineati (policristallo), di grado solare a ulteriore purific azione con attacchi acidi. Viene quindi inserito in un reattore dove avviene la cristallizzazione, effettuata con due modalità diverse: l una per la produzione del lingotto in policristallino a forma di parallelepipedo, l altra per la produzione del lingotto in monocristallino a forma cilindrica. Il processo produttivo parte dalla crescita del lingotto sino ad arrivare al taglio del wafer. Nel caso del mono cristallino si procede con le operazioni di rettifica del lingotto cilindrico per ottenere il formato squadrato. Entrambi i tipi di lingotto, mono e policristallino, vengono successivamente 1

5 tagliati in sezioni sottili corrispondenti alle dimensioni del wafer. Infine si passa alla purificazione finale delle superfici, per allontanare qualunque contaminazione cristallino. Figura 1.1: Dal silicio al wafer I wafer in silicio monocristallino o policristallino sono il materiale di partenza per la produzione della cella fotoconduttrice che consente di catturare l energia luminosa e di convertirla in energia elettrica. Le celle fotovoltaiche sono fatte essenzialmente di silicio e si distinguono in tre tipi principali: Celle in silicio monoscristallino: sono ottenute a partire da un unico grande cristallo di silicio. Hanno colore uniforme e scuro tra il blu notte e il nero. Vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale è un alto rendimento (fino al 18%). Questo tipo di celle è però molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Generalmente di forma quadrata con spigoli smussati, particolare che permette di distinguerli dagli altri tipi e che formano dei piccoli rombi bianchi tra le celle. Rendono meglio delle celle in silicio policristallino in condizioni di esposizione ottimale (luce perpendicolare e assenza di nuvole). Celle in silicio policristallino: vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti a partire da molti cristalli di silicio. Hanno forma quadrata e colore bluastro con riflessi determinati dal posizionamento casuale dei singoli cristalli. Le celle sono unite tra di loro senza spazi intermedi.. Il rendimento è minore (10/14%), ma minore è anche il prezzo Celle in silicio amorfo, anche dette "a film sottile": Sono formate da strisce di silicio amorfo. Rendono nettamente meno delle celle cristalline a parità di superficie occupata, ma hanno un costo per Watt inferiore, infatti, questo tipo di cella ha il rendimento minore (circa 4/8%), ma si adatta anche al caso di irraggiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse). La produttività è molto variabile nel tempo e la durata della produzione inferiore a quelle cristalline. [40] 2

6 Figura 1.2: Differenti tipi di celle: monocristallina, policristallina e a film sottile [40] L effetto fotovoltaico all interno della cella e sua composizione. E nella cella che si sviluppa l effetto fotovoltaico, tecnologia che permette di produrre energia elettrica mediante la conversione diretta della luce del sole senza l utilizzo di combustibili e senza parti meccaniche in movimento. Tale fenomeno avviene nella cella fotovoltaica costituita, da una sottile lamina di un materiale semiconduttore, il silicio. Quando un fotone dotato di sufficiente energia viene assorbito nel materiale semiconduttore di cui è costituita la cella, si crea una coppia di cariche elettriche di segno opposto, un elettrone (carica di segno negativo) ed una lacuna (cioè una carica positiva). Si dice allora che queste cariche sono disponibili per la conduzione di elettricità. Per generare effettivamente una corrente elettrica, però, è necessaria una differenza di potenziale, e questa viene creata grazie all introduzione di piccole quantità di impurità nel materiale che costituisce le celle. Queste impurità, chiamate anche droganti, sono in grado di modificare profondamente le proprietà elettriche del semiconduttore. Se, come comunemente accade, il materiale semiconduttore è il silicio, introducendo atomi di fosforo si ottiene la formazione di silicio di tipo n, caratterizzato da una densità di elettroni liberi (cariche negative) più alta di quella presente nel silicio normale (intrinseco). La tecnica del drogaggio del silicio con atomi di boro porta, invece, al silicio di tipo p in cui le cariche libere in eccesso sulla norma sono di segno positivo. Una cella fotovoltaica richiede l intimo contatto, su una grande superficie, di due strati di silicio p ed n. Nella zona di contatto tra i due tipi di silicio, detta giunzione p-n, si ha la formazione di un forte campo elettrico. Le cariche elettriche positive e negative generate, per effetto fotovoltaico, dal bombardamento dei fotoni costituenti la luce solare, nelle vicinanze della giunzione vengono separate dal campo elettrico. Tali cariche danno luogo a una circolazione di corrente quando il dispositivo viene connesso ad un carico. 3

7 Figura 1.3: Conversione fotovoltaica dell energia solare: l effetto fotovoltaico[40] Il processo più comunemente impiegato per ottenere silicio monocristallino per uso elettronico parte dalla preparazione di silicio metallurgico (puro al 98% circa), mediante riduzione della silice (SiO2) con carbone in forni ad arco. Dopo alcuni processi metallurgici intermedi consistenti nella: o o purificazione del silicio metallurgico a silicio elettronico (processo Siemens); conversione del silicio elettronico a silicio monocristallino (metodo Czochralskj). Vengono ottenuti lingotti cilindrici (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di lunghezza) di silicio monocristallino, solitamente drogato p mediante l aggiunta di boro. Questi lingotti vengono quindi affettati in wafer di spessore che va dai 0,25 ai 0,35mm. Da alcuni anni l industria fotovoltaica sta sempre più utilizzando il silicio policristallino, che unisce ad un grado di purezza comparabile a quello del monocristallino costi inferiori. I lingotti di policristallino, anch essi di solito drogati p, sono a forma di parallelepipedo e vengono sottoposti al taglio, per ottenerne fette di 0,2-0,35mm di spessore. 4

8 In pratica la tipica cella fotovoltaica è costituita da un sottile wafer, di spessore di 0,25-0,35 mm circa, di silicio mono o policristallino, opportunamente drogato. Essa è generalmente di forma quadrata e di superficie pari a circa 100 cm2 (anche fino a 400 cm2) e si comporta come una minuscola batteria, producendo, nelle condizioni di insolazione standard (1kW/m2) e a 25 C, una potenza di 1,5 W. L attuale processo di fabbricazione delle celle si basa sull utilizzo di: silicio monocristallino dell industria elettronica, materiale molto puro rispetto alle esigenze della tecnologia fotovoltaica; silicio policristallino ottenuto da fusione degli scarti dell industria elettronica, solidificazione direzionale e riduzione del lingotto in fette. In passato, i piccoli ma sempre crescenti volumi di produzione caratteristici dell attuale fase di sviluppo dell industria fotovoltaica sono stati perfettamente compatibili con la quantità, ovviamente limitata, di tali materiali di scarto. Però, per offrire un contributo veramente significativo alla produzione di energia elettrica totale, il fotovoltaico deve raggiungere volumi di produzione enormemente superiori agli attuali e assolutamente non compatibili con la dipendenza da un materiale prodotto da altre industrie e per altri scopi. L industria fotovoltaica avrà bisogno di materia prima per le celle, a basso costo, in gran quantità, preparato espressamente per la fabbricazione delle celle. Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell industria fotovoltaica, forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico; esse ve ngono quindi assemblate in modo opportuno a costituire un unica struttura: il modulo fotovoltaico. Il modulo rappresenta di fatto il componente elementare dei sistemi fotovoltaici, una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili. Il processo di fabbricazione dei moduli è articolato in varie fasi: connessione elettrica, incapsulamento, montaggio della cornice e della scatola di giunzione. La connessione elettrica consiste nel collegare in serie-parallelo le singole celle per ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati; al fine di ridurre le perdite per disaccoppiamento elettrico è necessario che le celle di uno stesso modulo abbiano caratteristiche elettriche simili tra loro. L incapsulamento consiste nell inglobare le celle fotovoltaiche tra una lastra di vetro e una di plastica. È importante che l incapsulamento, oltre a proteggere le celle, sia trasparente alla radiazione solare, stabile ai raggi ultravioletti e alla temperatura, abbia capacità autopulenti e consenta di mantenere bassa la temperatura delle celle. In linea di principio la vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell incapsulamento a determinare la durata di vita del modulo, oggi stimab ile in anni. Il 5

9 montaggio della cornice conferisce al modulo maggiore robustezza e ne consente l ancoraggio alle strutture di sostegno. I moduli in commercio attualmente più diffusi (con superficie attorno a 0,5-2 m2) utilizzano celle al silicio mono e policristallino e prevedono tipicamente un minimo di 36 e un massimo di 72 celle legate elettricamente in serie. Il modulo così costituito ha una potenza che va da 50 a 240 Wp a seconda del tipo e dell efficienza delle celle. I moduli comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo del 12-16%. [41] L efficienza di conversione di una cella solare fotovoltaica è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè correlati allo stesso fenomeno fotoelettrico e quindi inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico. Attualmente il materiale più usato per la fabbricazione di una cella fotovoltaica è lo stesso silicio adoperato dall industria elettronica, il cui processo di fabbricazione presenta costi molto alti, non giustificati dal grado di purezza richiesto dal fotovoltaico, inferiore a quello necessario in elettronica. Un altro importante aspetto da analizzare è la quantità di energia che ci arriva dal sole, infatti, all interno del sole, a temperature di alcuni milioni di gradi centri gadi, avvengono incessantemente reazioni termonucleari di fusione che liberano enormi quantità di energia sottoforma di radiazioni elettromagnetiche. Una parte di questa energia, dopo aver attraversato l atmosfera, arriva al suolo con un intensità di circa 1000W/m 2 (irraggiamento al suolo in condizioni di giornata serena e sole a mezzogiorno). Questo enorme flusso di energia che arriva sulla terra è pari a volta l attuale consumo energetico mondiale. Di questa energia, però, solo una parte può essere utilizzata dagli impianti fotovoltaici. La quantità di energia solare che arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente raccolta da un dispositivo fotovoltaico dipende dall irraggiamento del luogo. L irraggiamento è, infatti, la quantità di energia solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, tipicamente un giorno (kwh/m 2 /giorno). Il valore istantaneo della radiazione solare incidente sull unità di superficie viene invece denominato radianza (kw/m 2 ). L irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia ecc..) e dipende dalla latitudine del luogo, cresce cioè quanto più ci si ci avvicina all equatore. In Italia, l irraggiamento media annuale varia da 3,6 kwh/m 2 /giorno della pianura padana ai 4,7 kwh/m 2 /giorno del centro e ai 5,4 kwh/m 2 /giorno della Sicilia. [42] 6