• disponibilità diffusa della fonte solare
• totale modularità (da pochi Watt ai MegaWatt)
• produzione di energia in vicinanza del carico
• utilizzo di superfici marginali
• elevata affidabilità
• minima esigenza di manutenzione 
• l’incentivazione statale mediante il Conto Energia

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La Tecnologia Fotovoltaica

Nel panorama delle fonti rinnovabili il solare fotovoltaico si distingue per la semplicità del sistema di conversione energetica (peraltro, completamente modulare), il basso impatto ambientale e la richiesta di manutenzione molto contenuta. La tecnologia fotovoltaica, infatti, è caratterizzata da un processo di conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica, che avviene interamente all’interno della cella solare (o, più in generale, dispositivo fotovoltaico). Un numero limitato di celle (elettricamente collegate tra loro e protette, mediante un apposito “contenitore”, dagli agenti meccanici e atmosferici) costituisce il modulo, l’unità elementare di un impianto di produzione, la cui potenza nominale può quindi variare in un intervallo molto esteso (da qualche centinaio di W a decine di MW).

Gli impianti di produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica si distinguono, sia per uso finale dell’energia prodotta (alimentazione di utenze isolate o immissione dell’energia nella rete elettrica), sia per modalità di “raccolta” dell’energia solare che raggiunge il nostro pianeta (“fotovoltaico piano fisso”, tipicamente privo di dispositivi ottici preposti alla concentrazione della  adiazione incidente, e “fotovoltaico a concentrazione”, sempre abbinato ad apparati di movimentazione per “l’inseguimento del sole”).

La tecnologia fotovoltaica è relativamente giovane e alquanto costosa; essa risale alla fine degli anni cinquanta nell’ambito dei programmi spaziali, per i quali era necessario disporre di una fonte di energia affidabile e inesauribile, e solo a seguito della prima crisi petrolifera viene impiegata anche nel settore delle applicazioni terrestri. Ciononostante, grazie anche alle sue peculiarità, risolve efficacemente i problemi di elettrificazione delle utenze isolate (tipicamente quelle lontane dalla rete e quelle nei Paesi in via di sviluppo). Dopo un primo periodo di sperimentazione (mediante la realizzazione e l’esercizio di impianti fotovoltaici con potenze nominali prevalentemente comprese tra le centinaia e le migliaia di kW), si è sempre più affermato l’impiego del fotovoltaico per la generazione distribuita di energia, sia attraverso l’integrazione dei sistemi nel settore residenziale, dei servizi e dell’arredo urbano (“building integration”), sia attraverso l’installazione di piccole centrali fotovoltaiche (da 1 MW tipicamente) installate al suolo.

Al di là di quelle che possono essere le numerose varianti (molte delle quali ancora allo studio o in fase di messa a punto presso i laboratori di ricerca e sviluppo) sui singoli passi di processo per la realizzazione dei diversi tipi di dispositivi fotovoltaici, in termini di produzione commerciale sono oggi di fatto disponibili due tecnologie: la prima, basata sul silicio cristallino (mono- e multicristallino), e la seconda basata sui film sottili (tra i quali il silicio amorfo). I moduli fotovoltaici realizzati con dispositivi al silicio cristallino occupano una percentuale intorno al 96% del mercato mondiale, mentre la restante parte del mercato a film sottile riguarda essenzialmente quelli al silicio amorfo e, parzialmente, quelli basati su celle a film sottile policristallino. La causa di ciò è da ricercarsi, nel caso dei moduli al silicio amorfo, nelle limitate efficienze di conversione della luce solare in energia elettrica (5-7%) e, negli altri casi, nell’effettiva difficoltà di reperire in commercio moduli fotovoltaici differenti da quelli a base di silicio cristallino e di silicio amorfo.

Il costo d’investimento e la producibilità di un impianto fotovoltaico sono, di fatto, gli unici fattori che determinano il costo dell’energia elettrica prodotta mediante la tecnologia fotovoltaica e sono, a loro volta, fortemente dipendenti dalle caratteristiche del materiale impiegato e dai processi utilizzati nella fabbricazione del dispositivo o, in altri termini, dall’efficienza di conversione e dal costo di produzione del dispositivo stesso. L’attuale efficienza di conversione delle celle commerciali al silicio cristallino è, in genere, compresa tra il 13% e il 18%, mentre per i moduli fotovoltaici al silicio amorfo essa varia tipicamente tra il 5% e il 9% (il valore più elevato riguarda, in generale, i dispositivi multigiunzione); circa i costi, oggi il dispositivo si aggira sui 3,5 €/Wp, mentre il costo per l’investimento dell’intero impianto fotovoltaico chiavi in mano varia tra 5.000 e 7.000 €/kWp.

La ricerca nazionale nel settore fotovoltaico è essenzialmente concentrata, quindi, sulle tecnologie di fabbricazione dei dispositivi e, in misura minore, sui materiali; essa, inoltre, si distingue fortemente per settore di applicazione: mentre per gli usi spaziali l’attenzione prevalente è sull’efficienza di conversione, sul peso, sulle dimensioni e sull’affidabilità della cella (che deve lavorare in condizioni ambientali estreme), per il settore terrestre si punta prioritariamente alla riduzione del costo dell’energia prodotta.

Fra le attività di ricerca per le applicazioni spaziali (la cui descrizione è rinviata ad altra sede), figurano le tecnologie per la realizzazione di dispositivi a multigiunzione ad altissima efficienza (tipicamente InGaP/GaAs/Ge, con efficienze dell’ordine del 35%), i quali possono anche essere utilizzati per applicazioni terrestri negli impianti fotovoltaici a concentrazione.

Per quanto riguarda il fotovoltaico per gli usi terrestri, le attività di ricerca e sviluppo riguardano quattro principali temi: silicio cristallino (nel medio termine), film sottili e i dispositivi a bassissimo costo (nel lungo termine) e, in un futuro meno prossimo, i dispositivi ad altissima efficienza (cioè, prossima al limite termodinamico di conversione della radiazione solare in energia elettrica).

La tecnologia del silicio cristallino, sebbene sia fra tutte quella più matura e la meno promettente al contempo, gode ancora di molta attenzione da parte dei ricercatori, sia perché è, di fatto, la più diffusa, sia perché ancora passibile di una limitata riduzione dei costi di produzione. Più precisamente, si mira, in fabbrica, all’uso di fette di silicio più sottili  e di dimensioni maggiori (sopra i 12,5 x 12,5 cm2) nonché all’introduzione di processi sperimentati con successo in laboratorio, come la tecnologia a base serigrafica e trattamento superficiale al nitruro di silicio e la tecnica dei contatti sepolti e dell’emitter selettivo; inoltre, una certa rilevanza è attribuita ai materiali e alle tecnologie per l’incapsulamento del modulo, anch’essi cruciali per abbattere i costi. Parte di queste attività vengono svolte presso l’ENEA, in collaborazione con Eni Tecnologie: esse riguardano l’industrializzazione di processi di laboratorio per celle di grande area (150 cm2), a basso costo ed alta efficienza ( >17%).

Relativamente ai film sottili, l’attenzione della ricerca fotovoltaica è in massima parte rivolta al silicio amorfo (anche su substrati flessibili): ricerca di base e ricerca industriale sono entrambe coinvolte nello sviluppo di questa tecnologia. In particolare diversi laboratori di ricerca lavorano per migliorare l’efficienza di conversione delle celle solari su piccola area mentre la ricerca industriale punta a effettuare lo scale-up della tecnologia sulla larga area.

Silicio amorfo a parte, sostanziali progressi sono stati registrati nello sviluppo di celle a base di telluriuro di cadmio (CdTe), di diseleniuro di indio e rame (CIS), di diseleniuro di indio rame e gallio (CIGS) e di altri film sottili policristallini, per i quali acquista spesso importanza lo sviluppo di substrati trasparenti flessibili e di film trasparenti conduttori.

I moduli fotovoltaici al CdTe, per esempio, stanno dimostrando una buona stabilità ai vari test di invecchiamento accelerato: un’efficienza del 10,5% è stata raggiunta con moduli da 0,13 m2 di produzione industriale.

L’interesse per questa tecnologia fotovoltaica è anche italiano: tra gli impegni del Governo sull’attuazione nazionale del Protocollo di Kyoto figura un progetto pilota per la realizzazione di moduli fotovoltaici a film sottile e ad alta efficienza. Il mondo della ricerca fotovoltaica guarda con attenzione anche il silicio microcristallino, un materiale che, rispetto al silicio amorfo, ha caratteristiche strutturali tali da consentire la realizzazione di dispositivi fotovoltaici con un’efficienza stabile più elevata. In questo campo, viene condotta presso ENEA un’attività di ricerca e sviluppo di tecnologie di preparazione dei film sottili per realizzare moduli fotovoltaici di grande area, con buona efficienza stabile ( >8%) su substrati economici, anche flessibili (progetto TEFIS del MIUR). Altre attività di ricerca sui film sottili policristallini sono prevalentemente concentrate presso l’Università di Parma per la crescita mediante sputtering, su larga area, di strati di film sottili policristallini per realizzare celle di CuInGaSe2/CdS con l’obiettivo di celle d’efficienza superiore al 12% nonché l’ingegnerizzazione del processo di realizzazione di celle solari a base di CdTe/CdS.

Esistono anche approcci ibridi per la realizzazione di celle di silicio cristallino di altaefficienza, ove la giunzione viene realizzata a bassa temperatura con delle tecniche mutuate dalla tecnologia del film sottile di silicio. Lo sviluppo di moduli fotovoltaici a eterogiunzione di silicio amorfo su silicio cristallino, realizzati mediante processi interamente automatizzati, affidabili e a bassa temperatura, costituisce uno specifico tema sul quale, attraverso collaborazioni nell’ambito di progetti comunitari, è presente anche l’ENEA.

Per quanto riguarda le celle fotovoltaiche a bassissimo costo (inferiore a 1€/Wp, contro i circa 3,5 €/Wp dell’attuale mercato), appaiono molto promettenti i dispositivi fotovoltaici basati sull’uso di materiali organici (polimeri) con tecniche di stampa per la produzione di celle (printed organic solar cell) o altri materiali e quelli ibridi (organici/inorganici), i cui valori di efficienza conversione (attualmente compresa tra il 3% e il 5%) e stabilità nel tempo (stimata non superiore a qualche anno, nelle migliori delle ipotesi) sono in aumento. Indicazioni alquanto attraenti provengono anche dalla tecnologia dell’ossido di rame (Cu2O), sulla quale è impegnato anche l’ENEA: la ricerca su queste celle fotovoltaiche non è mai stata particolarmente intensa e l’efficienza massima finora ottenuta è solo dell’1,6%, nonostante dovrebbe essere possibile realizzare dispositivi fotovoltaici con minori problemi di stabilità rispetto alle tecnologie concorrenti (silicio amorfo, celle organiche o dye sensitized), con efficienze superiori al 10% e costo dell’ordine di 0,2 €/Wp.

In un’ottica decisamente più lontana, sono inquadrate le attività esplorative su nuovi materiali e strutture del dispositivo fotovoltaico per l’altissima efficienza, recentemente avviate presso i principali centri di ricerca. Gli approcci e le strade intraprese sono alquanto diversi tra loro e tutti, per il momento, ad elevato rischio: è attualmente in corso, presso l’ENEA, una valutazione per individuare la strada da percorrere, tenendo anche conto di competenze e infrastrutture di ricerca disponibili presso i laboratori dell’Ente.

Tra le altre attività di ricerca e sviluppo intraprese a livello internazionale, sebbene con un impegno complessivo mediamente più contenuto, figura il fotovoltaico “a concentrazione” che, rispetto al fotovoltaico “piano fisso”, presenta vari aspetti da approfondire: la struttura di cella fotovoltaica  è più sofisticata (per poter ottenere alti valori di efficienza in presenza di una maggiore radiazione solare incidente), il modulo fotovoltaico che ospita le celle presenta una maggiore complessità, dovuta alla numerosità dei componenti fotovoltaici da assemblare e ai problemi di tenuta e di smaltimento del calore e, infine, l’eliostato, il sistema di supporto dei moduli capace di "puntare" costantemente il sole. Anche in Italia vengono condotte attività in questo specifico settore, sia di ricerca e sviluppo, sia di sperimentazione sul campo e dimostrazione (ENEA, Progetto PhoCUS).

Il mercato mondiale dell’energia solare fotovoltaica continua ad espandersi rapidamente; nel 2004 la produzione di celle fotovoltaiche è passata dagli oltre 700 MWp ai 1.200 MWp circa, con una crescita superiore al 60% in un solo anno

   - Produzione di celle fotovoltaiche per area geografica. Anno 2003

Europa                   25,8%

Giappone                51,8%

Resto del mondo      10,8%

Stati Uniti                11,6%

Fonte: elaborazioni su dati EurObserv’ER

 Leader mondiale nella produzione di celle fotovoltaiche è il Giappone con una quota di oltre il 50% sul totale mondiale: le due maggiori aziende del settore, la Sharp e la Kyocera, sono infatti giapponesi. L’Asia, nel suo complesso, ha una quota di mercato sempre più alta, pari al 58,6% a livello mondiale, con la Cina in crescita. Seguono l’Europa, con il 25,8%, dove leader incontrastata è la Germania, e gli Stati Uniti, con una quota pari al 11,5% .

Leader incontrastata nella produzione di celle fotovoltaiche  resta la società giapponese Sharp, con una quota di mercato pari al 25,8% (era del 26,4% nel 2003): nel 2004 sono state prodotte 324 MW di potenza (erano 198 MW nel 2003, con un incremento annuale del 64%).

Le altre aziende leader sono Kyocera con 105 MW (8,3 % delle celle), BP Solar con 85 MW (6,8%) e Mitsubishi Electric con 75 MW (6%), che hanno una produzione complessiva di celle fotovoltaiche pari a 265 MW, ancora inferiore a quella della sola Sharp. La Germania conta più di trenta aziende, che producono oltre il 50% delle celle fotovoltaiche totali realizzate in Europa; l’azienda tedesca più grande è la RWE Solar, che tuttavia detiene il secondo posto dietro la spagnola Isofoton.

La produzione di celle e moduli fotovoltaici è concentrata in poche aziende; nel 2003 l’85% della produzione totale è da attribuire alle prime dieci del settore.

Per quanto riguarda la tecnologia, la quota di produzione di celle al silicio è in crescita e resta la predominante con il 94,2% del totale prodotto.

Il silicio multi-cristallino, con il 56,9% del mercato, risulta essere il più utilizzato rispetto al mono-cristallino, all’amorfo e al film sottile.

Tuttavia, nuova spinta sta avendo il silicio mono-cristallino, che nel 2004 è passato ad una quota di mercato del 36,2% (era del 32,2% nel 2003) a causa della crescente domanda di celle fotovoltaiche a più elevato rendimento. Il Giappone è il maggiore produttore di celle al silicio multicristallino e a film sottile (silicio amorfo e altri materiali); per quanto riguarda le celle al silicio mono-cristallino, invece, il primo posto spetta all’Europa.

 Per ciò che concerne gli inverter, invece, sul mercato internazionale sono attualmente presenti più di 296 modelli e taglie diverse. L’inverter non costituisce unicamente una componente che permette la conversione di corrente diretta in corrente alternata compatibile con la rete, ma un dispositivo in grado di monitorare l’intero sistema e la connessione in rete.

Quasi la metà della produzione mondiale di inverter avviene in Europa, con la Germania che da sola produce il 48% del totale. Altri produttori significativi a livello mondiale sono gli USA con il 12% del mercato, il Giappone con il 9% e il Canada con il 7%. In crescita anche in questo settore la produzione dei paesi emergenti del sud-est asiatico (Taiwan 2%).

Per ciò che concerne il valore del mercato fotovoltaico, nella sola Germania, che detiene oltre l’85% del mercato europeo, si stimano nel 2004 circa 20.000 occupati nel settore fotovoltaico, con un fatturato annuo di oltre i 1700 M€.

Mercato degli impianti fotovoltaici in Italia

In Italia, dopo una fase di grandi investimenti nel fotovoltaico durante gli anni 80 e i primi anni 90, il mercato fotovoltaico ha subìto una forte contrazione, in palese controtendenza con i paesi più industrializzati.

Negli ultimi anni, una certa espansione del settore fotovoltaico si è determinata con i nuovi programmi di incentivazione promossi dal Ministero dell’Ambiente e dalle Regioni.

Ad oggi, il mercato del settore fotovoltaico in Italia, che ha raggiunto nel 2003 un valore di circa 38 M€, vede la presenza di diverse tipologie di operatori:

- società nazionali produttrici di componenti e apparecchiature fotovoltaiche (celle, moduli fotovoltaici, inverter, regolatori di tensione, quadri elettrici ecc.);

- distributori di apparecchiature e componenti fotovoltaici prodotti all’estero;

- società dedicate alla sistemistica (progettazione e installazione di impianti fotovoltaici complessi);

- installatori di impianti fotovoltaici.

 Secondo recenti studi, nel mercato degli impianti di energia elettrica da fonte solare si registra una maggiore competizione su fattori legati al prezzo e alla qualità delle celle e dei moduli fotovoltaici.

Si verifica, infatti, una pressione concorrenziale molto elevata da parte degli operatori che utilizzano moduli fotovoltaici a basso costo provenienti, per la maggior parte, dai paesi asiatici.

Gli impianti fotovoltaici sono di piccole e medie dimensioni, realizzati anche per utenti privati, per cui non si richiedono grosse capacità di autofinanziamento ed, infine, rilevanti sono anche gli aspetti legati alla progettazione e assistenza; quest’ultimo risulta spesso un fattore critico di successo dal momento che i clienti sembrano premiare gli operatori che danno maggiore supporto postvendita.

Celle e moduli fotovoltaici prodotti in Italia

In Italia, possono essere individuati due grandi produttori di celle fotovoltaiche: Enitecnologie SpA, che dal 1° gennaio 2004 ha incorporato Eurosolare e Helios Technology.

La produzione, che riguarda sia celle di silicio mono-cristallino che multi-cristallino, ha raggiunto un valore di quasi 8 MW nel 2004 (Tabella 7.4).

Il maggiore produttore di moduli fotovoltaici è Enitecnologie, che ha assorbito Eurosolare, i cui mezzi di produzione hanno una massima capacità produttiva di 9 MWp/anno (12 MW/p entro il 2005).

La produzione comprende sia celle a silicio mono-cristallino che multi-cristallino, nonché specifici moduli fotovoltaici per tetti e facciate, realizzati utilizzando prevalentemente wafer importati dalla Cina.

Enitecnologie ha infatti trasferito ad una joint-venture italo-cinese la tecnologia di produzione di wafer di silicio multi-cristallino.

I wafer al silicio monocristallino, invece, sono reperiti sul mercato internazionale.

Helios Tecnology ha, invece, una massima capacità produttiva di 3 MWp/anno per 2 turni, e produce celle e moduli, di potenza variabile tra i 20 Wp e 80 Wp, esclusivamente da silicio mono-cristallino, da wafer acquistati sul mercato internazionale.

Oltre alle due aziende citate sono presenti in Italia numerose società, specializzate nella realizzazione di moduli fotovoltaici ottenuti per incapsulamento di celle medianti appositi laminatoi; si stima che la produzione di questi moduli, destinati prevalentemente all’esportazione, in particolare in Germania, si sia attestata nel 2004 intorno a 15 MW.

In generale, la maturazione della tecnologia fotovoltaica ha portato ad una diminuzione dei costi dei moduli di circa 10 volte e al raddoppio del rendimento di sistema in 20 anni. Il prezzo medio del modulo è leggermente diminuito nel corso del 2004, raggiungendo un valore di 3,0 €/W per ordini di volume ragionevoli; viceversa, al dettaglio i prezzi raggiungono un valore di circa 3,8 €/W.

Balance of System

Si annoverano tra i produttori di altri componenti e sistemi oltre 15 produttori di inverter, connettori e regolatori di carica per uso fotovoltaico. Per ciò che concerne gli inverter il prezzo medio per kVA risulta variabile in funzione di impianti collegati alla rete o meno; si riportano di seguito i prezzi medi per kVA per impianti collegati alla rete.

Sono state individuate, inoltre, società produttrici di batterie con una specifica esperienza nel settore fotovoltaico. Le batterie per uso fotovoltaico devono infatti possedere le seguenti caratteristiche: basso valore di autoscarica, lunga vita stimata, manutenzione quasi nulla, elevato numero di cicli di carica e scarica. Il prezzo pagato per tali componenti varia notevolmente in funzione del volume di vendita e di numerose altre variabili impiantistiche.

A questi produttori si aggiungono, come detto, numerosi distributori di moduli fotovoltaici e componenti prodotti all’estero, e rivenditori che progettano e realizzano gli impianti offrendoli sul mercato nella formula “impianto chiavi in mano”. Sono presenti, infine, imprese di servizi, tra i quali gli installatori e coloro che si occupano della manutenzione dell’impianto.

Prospettive del Fotovoltaico in Italia

Il fotovoltaico appare tra le più promettenti tecnologie "rinnovabili" in grado di produrre energia elettrica su grande scala, soprattutto in Italia dove i livelli di insolazione sono elevati. Il Piano Energetico Nazionale (PEN) del 1988, nell'intento di diversificare le fonti di produzione e di ridurre la percentuale di energia importata, attribuiva al fotovoltaico un ruolo rilevante nell'ambito delle fonti rinnovabili definendo diverse azioni per il suo sviluppo.

Al fine di incoraggiare ed accelerare la diffusione del  fotovoltaico (e delle altre fonti di energia rinnovabile) è in vigore, e potenzialmente operante, in Italia, un sistema di regolamenti e sussidi. La legge 9 del 1991, consente agli investitori privati di produrre energia da fonti rinnovabili e di immetterla nella rete elettrica nazionale. L'ENEL deve acquistare questa energia ad un prezzo fisso imposto dal Comitato interministeriale prezzi (CIP).

Gli esperti concordano sul fatto che la sorte "finale" del fotovoltaico (e in generale delle energie rinnovabili) si giocherà su tempi lunghi in tutto il mondo (ma particolarmente nei paesi sviluppati che sono i più energivori) su uno scacchiere che dovrà  considerare anche la necessità di salvaguardia dell'ambiente insieme al progressivo impoverimento delle risorse di combustibili fossili.
Dal punto di vista della tecnologia, è opinione diffusa che nei prossimi anni, a livello di produzione industriale, continuerà a regnare la tecnologia del silicio cristallino. Pertanto gli sforzi di ricerca e sviluppo su di essa continuano al fine di facilitare la sempre maggiore diffusione del fotovoltaico consentendo allo stesso tempo la redditività delle industrie. Un contributo essenziale al raggiungimento della economicità dell'energia da fotovoltaico deve essere dato dalle azioni sui componenti non fotovoltaici del sistema (il cosiddetto BOS - Balance of system). In questo settore è indispensabile il contributo delle società elettriche.