L'analisi del ciclo di vita di un impianto fotovoltaico è caratterizzata da una fase di difficile interpretazione in termini di energia richiesta ed emissioni di CO2,eq: si tratta della costruzione dei moduli fotovoltaici, come già accennato in 2.4.3. La difficoltà consiste nel non poter individuare un valore univoco di CED e GWP riferiti all'unità funzionale di 1 m2 o di 1 Wp: ciò è dovuto a molteplici fattori che, però, possono essere ricondotti a due cause principali. La prima riguarda le caratteristiche tecniche dei moduli, in particolare l'efficienza: la continua ricerca nel campo della conversione fotoelettrica ha permesso di migliorare i parametri produttivi ottenendo un'efficienza di conversione migliore e, di conseguenza, un maggior rapporto tra potenza di picco e superficie del pannello. Questo incide sull'energia richiesta per produrre un'unità superficiale di modulo poiché implica una minor spesa energetica per ottenere un'uguale potenza. Da questo punto di vista, quindi, è molto influente l'anno di costruzione del modulo FV: ad esempio, nel caso nazionale analizzato in 2.4.3 si è scelto di considerare il 2011 come anno di riferimento. La motivazione è che in quell'anno in Italia vi è stata la maggior crescita di potenza, ossia il maggior numero di pannelli installati, passando dai quasi 3600 MW del 2010 a più di 13000 MW a fine 2011. La seconda causa della variabilità nei dati in letteratura è dovuta al sistema di generazione dei Paesi produttori, ossia sia all'efficienza di conversione caratterizzante il parco produttivo elettrico, sia alla composizione tecnologica del parco stesso. In altre parole, la fase di produzione del modulo fotovoltaico richiede più o meno determinati quantitativi di energia elettrica e termica: ogni Paese produttore però ha una propria efficienza di conversione da MJp a kWhel, dipendente sia dalla maturità del sistema produttivo sia dalla sua composizione in termini di risorse (termoelettrico, rinnovabile, nucleare). Il fattore che riassume questo passaggio è il coefficiente di conversione, già analizzato in 1.6. Lo Stato di riferimento diviene dunque un secondo fattore fondamentale per una corretta interpretazione dell'energia necessaria alla produzione dei moduli FV.
L'analisi proposta si basa su studi riferiti ad un periodo che va dal 2000 al 2013, con impianti installati principalmente in Cina ed Unione Europea. In Tabella 3.5 si riportano le varie fonti adottate e, per ognuna di esse, la tipologia di pannello e di impianto studiato, informazioni necessarie poiché si intende inizialmente distinguere tra impianti di piccola e grande taglia; inoltre, è importante ricavare un andamento specifico per le tre tipologie di moduli adottate, essendo queste di base caratterizzate da processi produttivi differenti con conseguenti richieste energetiche diverse. Il confronto tra i dati forniti dai precedenti studi viene basato sulla conversione dell'energia richiesta nei processi produttivi (fornita in MJprimari) in termini di kWhel necessari alla produzione di un'unità di modulo FV, espressa in m2 o Wp. Questa conversione è necessaria per permettere un confronto in termini di energia elettrica effettiva, escludendo la variabilità dovuta all'efficienza di conversione da energia primaria ad elettrica caratteristica per ogni Stato considerato. Per l'Italia si adotta l'efficienza di conversione fornita dall'ARERA (sottosezione 1.6.3.2) pari a 0.47, mentre per gli altri Stati i valori sono forniti direttamente dai testi analizzati. I valori di energia richiesta che si ottengono vengono riportati sia in termini di kWh sia di MJp, sempre riferiti alla fase di produzione del modulo fotovoltaico, escludendo quindi i sistemi ausiliari associati.
I valori presentati in Tabella 3.5 sono riportati anche in Figura 3.7, dove la CED ricavata da ogni testo è messa in relazione con l'anno di costruzione del modulo. Le sei curve che si ottengono rappresentano le tre tipologie di pannelli analizzate (monocristallino, policristallino, amorfo) in relazione alle dimensioni degli impianti in cui sono installate (impianti di piccola o grande taglia). Al fine di identificare dei valori medi utili al calcolo delle emissioni specifiche di CO2,eq, in Figura 3.8 gli stessi dati sono raggruppati in tre serie, diversificate solo per tipo di modulo;
con l'ausilio di una curva di tendenza lineare si ricava un valore medio per ogni tecnologia (Tabella 3.6).
Dall'andamento delle linee di tendenza si può concludere che l'energia CED diminuisca passando dal 2000 al 2013, rispecchiando quanto ci si aspetterebbe considerando l'evoluzione tecnologica dei moduli fotovoltaici.
La determinazione dei fattori di emissione specifici per i moduli considerati si basa su quanto affermato in [53], dove si fornisce un'analisi relativa al 2011 di impianti in Europa e Cina. Partendo da quei dati, si estrapolano i valori relativi a CED e GWP per moduli costruiti in Europa e li si adeguano proporzionalmente con quanto ricavato dall'analisi in Figura 3.8; i risultati conclusivi sono presentati in Tabella 3.6.
75 Tabella 3.5 Dati di letteratura relativi alla richiesta energetica di un modulo fotovoltaico.
Emodulo [MJeq/m2] 1640.987 1640.987 1951.889 1944.077 3200 2200 700 3000 2400 800 2421.089 1500.357 1508.302 886.976 3463.660 2598.434 1717.660 3879.124 2516.909 3063.830 1402.912 1695.857 712.206 705.487
Emodulo [MJeq/Wp] 10.256 10.256 11.482 11.436 20.067 15.689 8.704 18.794 16.800 9.800 14.242 9.377 11.790 12.944 24.740 19.685 14.936 26.766 16.999 20.694 9.944 12.027 10.146 10.078
Emodulo [kWhel/m2] 214.240 214.240 254.830 253.810 417.778 287.222 91.389 391.667 313.333 104.444 316.087 195.880 196.917 115.800 452.200 339.240 224.250 506.441 328.596 400.000 183.158 221.404 92.982 92.105
Emodulo [kWhel/Wp] 1.339 1.339 1.499 1.493 2.620 2.048 1.136 2.454 2.193 1.279 1.859 1.224 1.539 1.690 3.230 2.570 1.950 3.494 2.219 2.702 1.298 1.570 1.325 1.316
Vita [anno] 25 25 25 25 30 30 30 25 25 25 [-] [-] 30 30 30 30 30 [-] 30 30 30 30 30 30
Efficienza [%] 15 - 16 15 - 16 16 - 18 16 – 18 15.9 14 8 16 14.3 8.2 17 16 12.8 6.9 14 13.2 11.5 14.5 14.8 14.8 14.1 14.1 7 7
Potenza specifica [Wp/m2] 160 160 170 170 159 140 80 160 143 82 170 160 128 69 140 132 115 145 148 148 141 141 70 70
Impianto taglia grande taglia piccola taglia grande taglia piccola taglia grande taglia grande taglia grande taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia grande taglia grande taglia grande taglia grande taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola taglia piccola
Modulo policristallino policristallino monocristallino monocristallino monocristallino policristallino amorfo monocristallino policristallino amorfo monocristallino policristallino policristallino amorfo monocristallino policristallino ribbon policristallino monocristallino monocristallino policristallino policristallino amorfo amorfo
Stato Cina Cina Cina Cina UE UE UE UE UE UE UE UE Cina Cina UE UE UE Germania UE UE UE UE UE UE
Anno analisi 2013 2013 2013 2013 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2011/2015 2011/2015 2000 2000 2004 2004 2004 2003 2011 2011 2011 2011 2009 2009
Riferimento [54] [54] [54] [54] [55] [55] [55] [55] [55] [55] [56] [56] [35] [35] [57] [57] [57] [58] [53] [53] [53] [53] [53] [53]
76
a) CED fotovoltaico [kWh/Wp]
b) CED fotovoltaico [kWh/m2]
Figura 3.7 Rappresentazione dati di letteratura su CED fotovoltaico (a, b).
c) Andamento CED fotovoltaico [kWh/Wp]
77
d) Andamento CED fotovoltaico [kWh/m2]
Figura 3.8 Andamento CED fotovoltaico per le tre principali tecnologie di pannello (c, d).
Tabella 3.6 Valori CED e GWP finali, 2011.
Tecnologia modulo fotovoltaico
Valori CED e GWP da [53] Valori CED e GWP ricavati
CED GWP CED GWP
[kWhel/kWp] [kgCO2,eq/kWp] [kWhel/kWp] [kgCO2,eq/kWp]
Monocristallino 2219.3 1220 2220 1220
Policristallino 1298.2 757 1700 991
Amorfo 1324.6 827 800 499
78