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fotovoltaico: energia ed economia15-06-2008 11:36
Sezione
"Tecnologie Fotovoltaiche"


Autore della Tesi di Laurea:
Silvia Vazzoleretto


Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Gestionale
Dipartimento di Energetica e Macchine

Università degli studi di Udine
Solare fotovoltaico:
analisi energetica ed economica della
catena di produzione


Premessa-Introduzione

La tecnologia fotovoltaica è caratterizzata da una bassissima densità energetica, e quindi da una bassa producibilità specifica durante l'intera vita dell'impianto.
Di conseguenza, i costi energetici correlati alla costruzione dell'impianto possono essere dello stesso ordine di grandezza dell'energia producibile e non possono essere trascurati, se si vuole una valutazione corretta dell'efficienza energetica del sistema.
Nel passato alcune analisi avevano condotto a valutazioni molto drastiche, ed ancora oggi capita di sentir riemergere la credenza che il fotovoltaico richiederebbe molta più energia di quella che produrrà nella sua “pur lunga” vita. È la leggenda del “ritorno energetico negativo” che si può far risalire agli anni ‘70 quando i pannelli fotovoltaici erano nella loro infanzia e, in effetti, rendevano poco.
Lo studio più comunemente citato, a sostegno della tesi secondo cui il tempo di ritorno energetico dei moduli FV superi il loro tempo di vita, è l’analisi di Howard Odum sull’ “Emergia” delle celle solari nel suo libro Environmental Accounting (1996) [1]. Non sono state trovate pubblicazioni che si basino su tale studio, anzi, lo stesso è stato ormai plurime volte smentito da numerose pubblicazioni in merito, ma fino a qualche anno fa veniva ancora citato in discussioni meno formali come i web forum, ed ha contribuito ad insinuare il dubbio che i pannelli non siano in grado di ripagare la propria energia immagazzinata nel corso della vita utile.

Un sistema energetico è considerato sostenibile soltanto se l’energia che viene prodotta dall’impianto durante la sua vita attiva è superiore a quella che è stata necessaria per costruirlo, ed è per questo che, quale pietra di paragone tra varie tecnologie energetiche, viene usato l’Energy Pay Back Time (nel seguito indicato per brevità con l’acronimo EPBT). L’EPBT è definito come il tempo, in questo caso
misurato in anni, necessario perché un impianto produca una quantità di energia pari a quella che è stata necessaria per costruirlo. Per intuizione, è equivalente al noto concetto finanziario di “tempo di ritorno dell’investimento”, solamente espresso in termini energetici.
Ne consegue che una generica installazione risulta energeticamente sostenibile solo se l’energia prodotta durante il suo funzionamento è tale da compensare, nell’arco della vita operativa prevista, i costi energetici complessivamente sostenuti e valutati mediante la metodologia LCA “Life Cycle Assessment” (Valutazione del Ciclo di Vita applicata all’impianto). Questa procedura, definita nelle normative ISO 14040, mira a quantificare i carichi energetici ed ambientali per ogni fase della vita del prodotto, comprendendo l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, l’uso, l’eventuale riciclo e lo smaltimento finale.
In pratica per l’analisi LCA è in generale possibile seguire due approcci:
-- appoggiarsi a delle banche dati di riferimento sviluppate principalmente a partire dagli anni ‘90 (come ad esempio la banca dati dell’Ecoinvent), che consentono di offrire informazioni precise anche in riferimento allo specifico contesto produttivo. In quest’ultimo caso l’analisi LCA viene effettuata con software dedicati che includono nelle proprie librerie le informazioni contenute nei
database (come ad esempio il software Simapro che include i database dell’Ecoinvent);

valutare analiticamente tutti i processi per arrivare ad uno specifico prodotto, individuando i relativi consumi energetici e le ricadute ambientali.

La prima parte di questo studio mira ad applicare quest’ultimo procedimento per calcolare l’energia complessivamente necessaria a costruire un piccolo impianto fotovoltaico connesso alla rete da installare sul tetto, per tre diversi tipi di silicio impiegato. Si vogliono quindi confrontare i risultati con i dati riportati fino ad oggi dalla letteratura e, se ce ne saranno le ragioni, sfatare la leggenda del ritorno
energetico negativo per i pannelli FV.

Nel secondo capitolo si vuole verificare di quanto cambierebbe l’EPBT al variare delle ipotesi considerate nella valutazione iniziale, siano esse esterne al sistema oppure collegate alla variazione di alcuni parametri tecnologici.

Si passa poi ad analizzare l’attuale mercato dei sistemi FV, tutt’oggi in mano a solo tre Paesi, responsabili per oltre il 60% della produzione mondiale; nel terzo capitolo, si vuole provare se vi sia o meno corrispondenza tra i costi energetici e i costi economici degli elementi che costituiscono il modulo e in che misura il costo di produzione del modulo si ripartisca sui suoi componenti.
A partire dai costi si arriva a valutare i prezzi lungo la catena produttiva del modulo, con i relativi margini di guadagno trattenuti dai vari anelli, esaminando a quali voci sia attribuibile l’elevato prezzo che rende la tecnologia FV ancora piuttosto dispendiosa per il cliente finale. Si effettua infatti un confronto sul costo per l’utenza di un kWh prodotto da un impianto FV e quello prodotto dalle fonti energetiche tradizionali, includendo nell’analisi anche i cosiddetti “costi esterni”, ossia quei costi che sono esterni al sistema di mercato ma che vengono comunque “pagati” dalla comunità per effetto del peggioramento della qualità della vita.

La tematica ambientale è quella che guida il quarto capitolo, che si prefigge di quantificare le emissioni di CO2 evitate grazie all’installazione dei pannelli. Confrontando i mix energetici attualmente in uso in diversi Stati analizzati e le emissioni ad essi associati, si valuta in quali tra questi Paesi l’installazione di sistemi FV, consentirebbe maggiori benefici, in termini di CO2 risparmiata.
Approfondendo poi l’analisi sulla situazione italiana si determina quali sarebbero le conseguenze di un’estensione su larga scala della superficie ricoperta da pannelli, valutando quanta CO2 sarebbe possibile risparmiare nel caso si coprissero tutti i tetti e le coperture attualmente disponibili. Si calcola inoltre quali risulterebbero in questo caso i costi per la comunità dovuti al versamento, da parte del Gestore dei Servizi Elettrici, delle agevolazioni stabilite per le nuove installazioni FV dal Nuovo Conto
Energia del 2007.

Negli anni 2004-2006 sono stati intrapresi programmi di incentivazione in favore del fotovoltaico in diversi Paesi europei, con uno slancio più deciso per Germania, Spagna, Italia e Francia, per un totale di 4000 MW attualmente installati [57].
Con la Direttiva 2001/77/CE il Parlamento europeo riconosce che il potenziale di sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili è attualmente sottoutilizzato nella Comunità Europea, sentendo la necessità di promuovere in via prioritaria le fonti energetiche rinnovabili, alla luce anche degli obiettivi posti dal protocollo di Kyoto.
L’aumento dei consumi energetici nell’Unione Europea e l’insufficienza della produzione interna conducono inevitabilmente ad un aumento delle importazioni, andando a peggiorare la dipendenza dall’estero che continua a crescere e che nel 2007 era già del 50%. Inoltre le questioni ambientali legate ad un approvvigionamento basato sulle fonti fossili pesano oggi sulle spalle di tutti.
Esistono però degli ostacoli alla diffusione delle fonti di energia rinnovabile, sia di tipo naturale che di tipo finanziario. Si devono infatti prevedere significativi investimenti iniziali, come era stato fatto anche per le altri fonti energetiche come carbone, petrolio e nucleare; non sarebbe perciò immaginabile che il mercato energetico delle rinnovabili nell’Unione Europea si sviluppasse regolarmente senza un supporto politico di medio termine da parte delle autorità pubbliche.
Molti Paesi hanno quindi giudicato la tecnologia fotovoltaica come uno strumento utile per raggiungere gli obiettivi comunitari; gli incentivi sono nati con l’obiettivo di sostenere la diffusione di questa tecnologia nelle fasi iniziali per poter raggiungere adeguate economie di scala a livello produttivo e livelli di costo più accessibili per il cliente finale, provvedendo a colmare il divario tra le fonti rinnovabili e le fonti energetiche tradizionali.

Il quinto capitolo indaga le forme di agevolazione istituite a livello nazionale nei Paesi che attualmente più influiscono sul mercato mondiale del FV, analizzando i fattori critici di successo del loro mercato e le politiche che stanno alla base del loro sviluppo. Si confrontano poi gli obiettivi, in termini di potenza FV installata, che muovono i governi di tali Paesi, e quale quota il FV miri a rappresentare rispetto alla
produzione elettrica totale.

La tesi in versione integrale (pdf)
                                 
 


INDICE

1. TEMPO DI RITORNO ENERGETICO
1.1 L’ATTUALE TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
1.2 EPBT IN LETTERATURA
1.3 ANALISI DELL’EMBODIED ENERGY DI UN IMPIANTO

2. ANALISI PARAMETRICA
2.1 CONDIZIONI AL CONTORNO
2.2 IMPLICAZIONI DELLA TECNOLOGIA

3. I COSTI DI UN IMPIANTO FV
3.1 IL MERCATO DEL SILICIO
3.2 COSTI DI PRODUZIONE DI UN IMPIANTO
3.3 SVILUPPO DEL MERCATO FV
3.4 PREZZI DI VENDITA DELL’IMPIANTO
3.5 COSTO DI PRODUZIONE DEL KWH FOTOVOLTAICO
3.6 CONFRONTO COL PREZZO DEL KWH IMMESSO IN RETE
3.7 TEMPI DI RITORNO ECONOMICO DI UN IMPIANTO

4. EMISSIONI EVITATE 
4.1 ENERGIA RISPARMIATA
4.2 CO2 RISPARMIATA
4.3 CONFRONTO TRA FONTI RINNOVABILI

5. FOTOVOLTAICO ED INCENTIVAZIONI PER LE ENERGIE
5.1 IL FOTOVOLTAICO IN EUROPA
5.2 IL FOTOVOLTAICO NEL MONDO
5.3 SITUAZIONE ITALIANA
5.4 GERMANIA
5.5 SPAGNA
5.6 FRANCIA
5.7 GRECIA
5.8 GIAPPONE
5.9 STATI UNITI
5.10 COMPARAZIONE DELLE POLITICHE FV INTERNAZIONALI

6. CONCLUSIONI

LISTA DELLE TABELLE
TAB. 1-1: CONFRONTO TECNOLOGIE AL SILICIO CRISTALLINO E AL FILM SOTTILE
TAB. 1-2: RIEPILOGO PARAMETRI TECNOLOGIE 
TAB. 1-3: EBPT IN LETTERATURA 
TAB. 1-4: EFFICIENZA DELLE FONTI ENERGETICHE ANALIZZATE
TAB. 1-5: RENDIMENTO DI CONVERSIONE PER LE DIVERSE NAZIONI
TAB. 1-6: RISULTATI DI EPBT OTTENUTI PER LE TRE TECNOLOGIE. I RISULTATI SONO BASATI SU UN EL =35% E UNINSOLAZIONE DI 1700 KWH/M2/ANNO
TAB. 2-1: CARATTERISTICHE DELLIMPIANTO STUDIATO NELLANALISI PARAMETRICA
TAB. 2-2: FONTI DIVERSE DI COEFFICIENTI DI EMBODIED ENERGY
TAB. 3-1: PERCENTUALI DI RIPARTIZIONE DEL COSTO DELLIMPIANTO SUI SUOI COSTITUENTI NEL 2007
TAB. 3-2: COMPONENTI DI COSTO DEL MODULO FV
TAB. 3-3: COMPONENTI DI COSTO DELLIMPIANTO ESCLUDENDO I MODULI
TAB. 3-4: PREZZO DEL MODULO NEI SUOI COSTITUENTI
TAB. 3-5: PREZZO DEL MODULO NEI SUOI COSTITUENTI ESCLUSO I MODULI
TAB. 3-6: RIEPILOGO COSTI E PREZZI DELLIMPIANTO
TAB. 3-7: ATTRIBUZIONE DEI VALORI AI PARAMETRI DEL COSTO DEL KWH
TAB. 3-8: COSTO DEL KWH IN BASE AI PARAMETRI STABILITI
TAB. 3-9/ 3-10: COSTO DEL KWH IN VARIAZIONE DELLINSOLAZIONE
TAB. 3-11: COSTO DEL KWH IN VARIAZIONE DEL PREZZO DEI MODULI
TAB. 3-12: COSTO DEL KWH IN VARIAZIONE DELLEFFICIENZA DEI MODULI
TAB. 3-13: STIMA DEI COSTI ESTERNI SECONDO TRE DIVERSE FONTI DI INFORMAZIONE
TAB. 3-14: CONFRONTO DEL COSTO DEL KWH PER LE VARIE FONTI ENERGETICHE SE SI COMPRENDONO I COSTI ESTERNI
TAB. 3-15: CALCOLO DEL TEMPO DI RITORNO PER UN IMPIANTO FV
TAB. 4-1: EMISSIONI LEGATE AL CICLO DI VITA DELLE VARIE FONTI ENERGETICHE
TAB. 4-2: CARATTERIZZAZIONE DEI VARI PAESI IN BASE A FATTORE DI EMISSIONE E RENDIMENTO MEDIO DI CONVERSIONE
TAB. 4-3: VALORI RIPORTATI DALLA LETTERATURA PER LE EMISSIONI DI CO2 PER IL SILICIO CRISTALLINO
TAB. 4-4: VALORI RIPORTATI DALLA LETTERATURA PER LE EMISSIONI DI CO2 PER I FILM SOTTILI
TAB. 4-5 : TEMPI DI RITORNO DELLA CO2 PER I DIVERSI TIPI DI SILICIO
TAB. 4-6: INCENTIVI PREVISTI DALLA FINANZIARIA 2008 PER LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE
TAB. 5-1 : POTENZA TOTALE CUMULATA (MWP) NELL’UE
TAB. 5-2: I PIÙ GRANDI IMPIANTI AL MONDO
TAB. 5-3: TARIFFE INCENTIVANTI FISSATE DAL DM 28 LUGLIO 2005
TAB. 5-4: NUOVO CONTO ENERGIA, AGEVOLAZIONI E TERMINI DI APPLICAZIONE
TAB. 5-5: CONFRONTO TARIFFE NUOVO E VECCHIO CONTO ENERGIA
TAB. 5-6: SPESE STIMATE PER IL CONDIZIONAMENTO DEL MERCATO IN GERMANIA E LIMPIEGO DELLE RINNOVABILI NEI PROGRAMMI GOVERNATIVI PER LE ENERGIE RINNOVABILI FINO AL 2003.
TAB. 5-7: PIANO DI INCENTIVAZIONE IN VIGORE DALL’EEG TEDESCO DEL 2004
TAB. 5-8: TARIFFE INCENTIVANTI SPAGNOLE DETERMINATE DAL RD 661/2007
TAB. 5-9: FEED-IN TARIFF FRANCESE ATTIVO DAL LUGLIO 2006
TAB. 5-10: TARIFFE INCENTIVANTI PER IL GRID-CONNETTED IN GRECIA.
TAB. 5-11: PREZZI DEI SISTEMI PERWATT INSTALLATO E INCENTIVI PREVISTI.

La tesi in versione integrale (pdf)







            
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