Un'energia primaria (il Sole) e un materiale essenziale utilizzato per la conversione (il silicio), entrambi inesauribili a misura d'uomo (diciamo per milioni di anni), un procedimento di conversione diretto (radiazione/energia elettrica) senza parti in movimento e un prodotto finale (energia elettrica), che l'uomo conosce e utilizza da quasi due secoli; un mix talmente accattivante che non stupisce abbia immediatamente affascinato non solo il grande pubblico ma anche studiosi e tecnici. Il fotovoltaico, (denominiamo con questo termine sia gli studi sia la tecnica afferente a questo campo, abbreviazione FV) si colloca nel settore delle tecniche di utilizzo dell'energia solare, a sua volta compresa nel più vasto campo delle energie alternative.
Qualche numero: Il mondo e l'Italia
Non è questa la sede per un esame del mercato del FV; tuttavia è essenziale fissare alcuni dati fondamentali relativi all'Italia e al mondo, per definire l'attuale posizione del nostro paese, in quanto ciò è necessario per stabilire le strategie relative alla ricerca e allo sviluppo industriale del settore. Il tasso di crescita del valore della potenza, in megawatt, degli impianti FV installati nel mondo è molto elevato (come il 43,6% nel 2007 rispetto al 2006); le previsioni per gli anni successivi, anche in presenza dell'attuale crisi, sono per una ulteriore crescita. Per quanto riguarda la potenza totale degli impianti FV installati nel mondo va notato che in Spagna la potenza installata è oltre cinque volte quella italiana, e in Germania addirittura 32 volte.
La Value Chain
Mentre la conversione FV si presenta in modo semplice, non così appare il processo che trasforma un sasso di silice in un prodotto tecnologicamente raffinatissimo, qual è il silicio che viene impiegato per la costruzione delle celle FV e, più in generale in una molteplicità di dispositivi semiconduttori, universalmente utilizzati in elettronica. Per completezza bisognerebbe anche indicare le fasi che, dalla miniera da cui si ricava il minerale porta, attraverso procedimenti minerari e metallurgici alla produzione del cosiddetto Metallurgical Silicon.
La crisi e il fotovoltaico
Il mondo è cambiato nella seconda metà dell'anno 2008, come forse mai nell'ultimo mezzo secolo, e la crisi non è solo finanziaria ma ovviamente coinvolge anche l'economia reale e la vita di tutti gli uomini in tutti i continenti; essa probabilmente sarà lunga e anche i cosiddetti esperti non sono in grado di fissare date e decorso della malattia. Alcuni hanno posto l'accento sul fatto che una ripresa dello sviluppo non potrà prescindere da un diverso approccio riguardo alle fonti energetiche, in particolare a quelle rinnovabili e in esse il FV. Abbiamo ritenuto utile integrare quanto abbiamo a suo tempo scritto sul FV, aggiornando lo stato dell'arte alla luce dell'attuale situazione, chiedendo il parere a esperti nel mondo della scienza, della tecnologia e dell'industria.
La scienza e la ricerca
Nel campo delle energie alternative l'energia fotovoltaica è forse la più citata e la meno razionalmente conosciuta. Presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica del Politecnico di Torino, nel Gruppo Sistemi Elettrici per l'Energia, lavorano ricercatori che si occupano, a vario titolo, di questioni scientifiche e tecniche sulle energie rinnovabili. Il 17 febbraio 2009 nella sede del Politecnico è stato tenuto un seminario sul FV, introdotto dal Prof. Roberto Napoli, Ordinario di Impianti Elettrici e Preside vicario della I Facoltà di Ingegneria, che ha anche presentato un'interessante relazione tecnico-industriale. Abbiamo intervistato l'ingegner Filippo Spertino, laureato in Ingegneria Elettrica, Ricercatore Confermato dal 2001, autore di oltre 60 pubblicazioni, che nella sua relazione fatto il punto sulla situazione attuale nella filiera del FV.
- È abbastanza noto, anche tra i non specialisti, che la produzione del silicio utilizzato nelle celle FV richiede l'impiego di notevoli quantità di energia; si pone allora la domanda, che ci sembra preliminare, sulla possibilità che il bilancio energetico a fine vita degli impianti solari sia in attivo. Cosa può dirci in merito?
Ovviamente questo aspetto quantitativo è stato preso in considerazione in via teorica e sperimentale ed è stata definita la grandezza EPBT (Energy Pay Back Time) ovvero "Tempo di ritorno energetico", cioè dopo quanto tempo il modulo fotovoltaico, esposto al sole, restituisce sotto forma di energia elettrica l'energia totale impiegata nella sua produzione. Abbiamo parlato di verifica sperimentale, poiché l'energia prodotta da una cella FV dipende da molti fattori, tra cui il rendimento effettivo dell'impianto e il sito in cui l'impianto è collocato. Abbiamo pertanto effettuato verifiche per un tempo opportuno su un certo numero di impianti di diversa potenza, situati nella città di Torino o nelle sue vicinanze, quindi con insolazioni medie abbastanza basse, per avere un risultato conservativo. Risulta un valore di EPBT minore di 4 anni. Considerato che la vita di una cella può essere prevista di almeno 20 anni, il risultato è sicuramente soddisfacente. Si tenga conto che alcuni moduli installati a bordo di satelliti hanno più di 30 anni di vita. Un secondo punto di discussione sulla possibilità di un uso pratico del FV riguarda la superficie necessaria per i pannelli FV. Anche questo è un dato che dipende in maniera preponderante dal sito in cui è installato un impianto. Diamo due esempi.
1 - Un valore medio per l'Italia può essere il seguente: per ricavare una potenza di picco di 1 kW occorrono 10 m2. Per quanto riguarda l'energia, misure sperimentali a Torino per periodi di tempo sufficientemente lunghi, hanno fornito il valore medio, per ogni kW installato, di una energia di 1200 kWh/anno.
2 - Un calcolo teorico estremizzato è il seguente. Se per ipotesi si volesse soddisfare il fabbisogno annuo di energia elettrica in Italia unicamente col FV, quanta superficie ci vorrebbe? I calcoli riportati nella Tab. 4 indicano che occorrerebbe una superficie pari allo 0,91% del territorio italiano. Pertanto, se per esempio si volesse produrre il 10% del fabbisogno italiano mediante energia fotovoltaica, la superficie necessaria sarebbe lo 0,091% del suolo.
- Qual è, a suo avviso, lo sviluppo prevedibile del fotovoltaico nel prossimo futuro?
Tutti i dati raccolti in sede internazionale sia dei consuntivi dell'ultimo decennio, sia le previsioni delle più importanti organizzazioni del settore, indicano una crescita dell'impiego del FV. L'attuale crisi mondiale e alcune decisioni politiche, come quelle del Presidente degli Stati Uniti, sembra indichino che queste previsioni sono ragionevoli.
La produzione di silicio
Esistono in Italia imprenditori che considerano il settore dell'energia fotovoltaica una opportunità e non un sogno? Una risposta affermativa ci sembra la nascita della Silfab, prima azienda italiana che si propone di operare nella produzione di polysilicon di alta qualità, un componente importante nella catena produttiva del FV. L'ambizioso progetto nasce su iniziativa di alcuni imprenditori, fra cui Franco Traverso, pioniere del fotovoltaico in Italia e con la partecipazione anche di investitori stranieri, come la taiwanese Sino-American Silicon Product. La sede legale della Silfab è a Padova, mentre l'insediamento produttivo è a Borgofranco d'Ivrea, nei dintorni di Torino. L'ingegner Fabio Fizzotti, con un know how specialistico acquisito in numeroso anni di esperienza, è il Plant Manager dello stabilimento di Borgofranco; egli ci ha rilasciato una lunga intervista che dobbiamo inevitabilmente riassumere.
Nello stabilimento si svolge un processo di carattere chimico e fisico-chimico, mediante il quale si passa dal "silicio metallurgico", con purezza di 98 ÷ 99% al silicio iperpuro policristallino grado 9N, denominato polysilicon.
- La materia prima che verrà impiegata nell'impianto di Borgofranco è il silicio metallurgico; ci può dire se esiste in Italia qualche stabilimento che lo produca?
No, non esiste in Italia un produttore; la produzione avviene per esempio in Sud America, soprattutto in Brasile, nel Nord Europa, in Francia, partendo dalla quarzite o altri minerali ad elevato tenore di silice (SiO2); il processo è una riduzione carbotermica, con notevole consumo di energia.
- Qual è il prodotto finale dello stabilimento?
Il prodotto finale è silicio iperpuro policristallino grado 9N specificamente destinato all'impiego per la costruzione di pannelli fotovoltaici (polysilicon).
- Esistono altri fabbricanti in Italia che producono questo materiale?
No, attualmente. Vi è da dire che anche per il FV si è usato il silicio di grado elettronico, destinato cioè alla fabbricazione dei vari tipo si semiconduttori, con caratteristiche di purezza superiori e pertanto normalmente più costoso; ciò è talvolta avvenuto, con condizioni di mercato dei semiconduttori debole e conseguente riduzione del prezzo.
- La vostra produzione è destinata esclusivamente al FV oppure può essere destinata all'impiego elettronico?
L'attuale impostazione del progetto Silfab prevede la destinazione del prodotto per la filiera fotovoltaica. Il prodotto di grado elettronico ha, per alcuni suoi componenti specifici tra i quali il carbonio, una purezza leggermente maggiore di quella del prodotto progettato da Silfab; pertanto attualmente il target di mercato per la nostra azienda è il settore FV.
- Qual è lo stato di avanzamento dello stabilimento che lei dirigerà?
Per lo stabilimento sono in fase di definizione alcuni dettagli della progettazione e il completamento dell'iter autorizzativo relativo alla particolare tipologia di questo stabilimento chimico, autorizzazioni che si trovano allo stadio finale da parte degli enti competenti. Il progetto complessivo, dall'inizio della costruzione all'inizio della produzione richiede circa 18 mesi, considerando che si tratta di una tecnologia ben assestata e tenendo conto dell'esperienza dello staff tecnico. Pertanto si può prevedere lo start-up produttivo in un periodo dalla seconda dalla metà alla fine del 2010; ci sarà poi una rampa di aumento di produzione per andare a pieno regime nel 2011.
- Quali sono le principali caratteristiche dello stabilimento e quale sarà l'iter produttivo?
La superficie totale dello stabilimento è di 150.000 mq. Lo stabilimento è stato progettato per entrare in funzione in due fasi. Il dimensionamento dello stabilimento è progettato per la produzione di 5000 tonnellate all'anno di prodotto finale; nella prima fase verranno realizzati: la linea di produzione per una produzione annua di 2500 tonnellate; le infrastrutture generali (impianti elettrici di alimentazione, servizi generali, sale controllo e monitoraggio, uffici, serbatoi, logistica, ecc.) dimensionate per 5000 t/anno.
Nella seconda fase la linea di produzione sarà implementata per il raggiungimento di 5000t/anno. L'investimento per la prima fase è di 300 milioni di euro e sono previsti 300 addetti.
- Quali sono le applicazioni specifiche del prodotto?
Sono due per il mercato FV: creare la cella monocristallina con apposito metodo di rifusione e ricristallizazione in un unico cristallo; utilizzarlo come materia prima per le celle policristalline, dopo opportuni trattamenti di rifusione e formatura di barre.
L'elettronica di potenza
Elettronica Santerno è una storica azienda italiana fondata nel 1970 nel campo dell'elettronica di potenza e dell'automazione, che dal 2006 fa parte del Gruppo Carraro e che oggi dà occupazione a oltre 350 dipendenti nelle società controllate. Elettronica Santerno, è attualmente tra le prime aziende italiane in grado di proporre al mercato una gamma completa di convertitori elettronici di potenza per il settore industriale, con inverter vettoriale sensorless a controllo di coppia V/F fino a 2000 kW. L'attività dell'azienda si è allargata ai convertitori utilizzati nel fotovoltaico. L'ingegner Gian Luca Ragazzini, direttore R&S, ha cortesemente risposto ad alcune nostre domande.
- Quali sono attualmente le più importanti attività dell'azienda, in particolare nel fotovoltaico?
Lo sviluppo di applicazioni nel settore delle energie rinnovabili ha inizio alla fine degli anni '80, con prodotti per il pompaggio (SolarDrive) e per l'immissione in rete di energia, in collaborazione con Enel ed Enea. Elettronica Santerno è diventata una tra le aziende leader nel campo della progettazione e produzione di convertitori elettronici di potenza su scala mondiale, destinati all'automazione industriale, alle energie rinnovabili e alla trazione ibrida, con sedi in Italia a Imola e Milano, e uffici di rappresentanza in Brasile, Russia, India e Cina. All'interno del mercato del fotovoltaico, Elettronica Santerno ha oggi un'ampia gamma di prodotto da 2 kW a 560 kW con inverter singolo, declinata in circa 80 modelli, in grado soddisfare ogni tipo di esigenza. La capacità tecnica nell'impiantistica, permette inoltre di fornire la catena completa di trasformazione, dalle cassette di parallelo stringa, direttamente allacciate ai pannelli fotovoltaici, fino ai quadri di media tensione, con la sola esclusione di cavi e pannelli.
- Quali sono gli aspetti tecnici della vostra produzione nel fotovoltaico?
Nella gamma monofase il prodotto Sunway M XR è adatto a impianti da 2 kWp a 7 kWp, con allaccio alla rete monofase, e in configurazione trimonofase, fino a 21kWp senza organi esterni. Nella gamma trifase, il prodotto Sunway TG permette di realizzare impianti con allaccio in BT ed in MT, da 20 kWp fino a decine di MWp. Disponiamo di un prodotto di elevata qualità, in versioni differenti secondo il mercato di destinazione, costantemente aggiornato con l'evoluzione normativa, che in questo settore è molto rapida. I controlli qualità in produzione, così come l'uso di uno strumento di Product Lifecycle Management, permettono di mantenere costante la qualità del prodotto e tenere sotto controllo le modifiche al progetto e in produzione. Il progetto, basato sull'esperienza del mondo dell'automazione industriale, ha reso possibile un rapido adattamento al mercato delle energie rinnovabili. Particolare attenzione è stata posta al contesto normativo italiano, che presenta importanti differenze rispetto al mercato europeo. Le macchine sono, infatti, omologate per allaccio alla rete Enel, sia in bassa tensione che in media tensione, comprendendo come accessori i principali organi di manovra e protezione richiesti dalle normative di impianto. La gamma accessori è completata dal telecontrollo, interamente sviluppato dal nostro centro R&D, che permette la supervisione completa in tempo reale dell'intero impianto, dalla postazione di controllo del cliente. In caso di necessità si è dunque in grado di utilizzare questo strumento per diagnosticare la situazione, e intervenire immediatamente a correggere eventuali problemi sull'impianto.
- Quali sono i principali impianti nel fotovoltaico che avete realizzato?
A testimonianza di capacità progettuali e industriali di prim'ordine, Elettronica Santerno ha realizzato, nel corso del 2008, un impianto da 26 MWp, con 160 inverter Sunway TG 145-800V da 100kW di uscita AC e 32 inverter Sunway Tg 385-800 V per la Spagna, che ha rappresentato il principale mercato con oltre 100 unità vendute (più di 100 MW).
- Quale è il suo giudizio sullo sviluppo del settore fotovoltaico in Italia?
Il mercato in Italia è in crescita costante; nel 2008 si sono superati i 230 MW installati/anno, e per il 2009 si prevede un ulteriore aumento. Nel mercato domestico Elettronica Santerno ha una quota superiore al 30%, con risultati ancora migliori nella fascia di potenze superiori ai 30kW, dove si colloca al quarto posto nella graduatoria mondiale dei costruttori di inverter centrali.
