II-2.2. SECONDA ANALISI
II.2.2.1. PROCESSI CIVILI COLLEGATI
Lo scopo di questo poche righe è quello di metter in risalto come le attività industriali mettano in moto tutta una serie di processi civili che vi ruotano attorno, esclusivamente ad esse dedicati.
Consideriamo la fase di produzione delle celle.
Per costruire gli impianti prima di tutto c’è bisogno di un apposito sito, di un terreno di una certa estensione, per es.: un ettaro. Sul terreno sorgerà prima di tutto lo stabilimento vero e proprio. Per esempio, un edificio in mattonato. Si considereranno quindi tutti i processi e le operazioni di ingegneria civile necessarie per la costruzione: spianamento del terreno, i cancelli, le mura di cinta, le porte di sicurezza, scale anti-incendio, tetti, mura, ecc., le quali rappresenteranno un costo fisso. Un costo variabile sarà invece rappresentato dall’energia elettrica spesa per l’illuminazione e il condizionamento dei locali macchine.
Accanto all’edificio che ospita la linea di produzione sorgeranno altre costruzioni: o Gli uffici del personale amministrativo
o Gli uffici della divisione R&S o La mensa aziendale
o Il parcheggio per le autovetture del personale I primi tre necessiteranno ognuno di:
o impianto elettrico e di illuminazione
o impianto di condizionamento e riscaldamento o impianto idrico – sanitario
Ognuno di questi tre impianti darà adito a dispendi energetici durante la vita aziendale.
Inoltre ogni dipendente si recherà giornalmente al posto di lavoro utilizzando, si suppone, un’automobile, e consumando quindi una certa quantità di carburante due volte al giorno, per i soli fini aziendali.
In riferimento a quanto appena detto, per tener conto di questi processi si potranno raccogliere i seguenti dati:
o Consumo di elettricità per gli uffici, la mensa, e l’illuminazione dell’area esterna in kWh/anno o Consumo di CH4 o altri combustibili per l’impianto di riscaldamento, in MJ/anno
o Consumo di acqua per gli uffici e la mensa, in m3/anno
Costruire un albero di cicli di vita per questi processi, dove l’U.F. è l’erogazione di un insieme determinato di servizi giornalieri all’interno degli edifici civili risulterebbe probabilmente troppo approfondito. Quest’operazione potrebbe comunque essere commissionata ad un ingegnere civile.
II-2.2.2. COSTI ENERGETICI FISSI E VARIABILI
Lo stabilimento che abbiamo impiantato su una zona di un ettaro, per produrre celle, rimarrà invariato fino al suo smantellamento o al successivo rimodernamento. Nell’arco di vita dello stabilimento dividiamo i costi energetici in fissi e variabili:
COSTI FISSI
o Edificazione degli stabili della zona
o Costruzione degli impianti elettrici, di condizionamento, idrici o Installazione delle macchine della linea di produzione
COSTI VARIABILI o Consumi di elettricità
o Consumi di combustibile per il riscaldamento o Manutenzione degli stabili
o Manutenzione degli impianti o Manutenzione dei macchinari
I costi fissi incideranno saranno espressi in MJ
I costi variabili, espressi in MJ/giorno, andranno moltiplicati per il numero di anni di vita dello stabilimento.
II-2.2.3. SICUREZZA SUL LAVORO
Riportiamo alcune note inerenti la sicurezza dei lavoratori durante processi di produzione dei dispositivi PV.
Sia i processi di estrazione che quelli di carboriduzione producono polveri, e conseguentemente rischi di contrarre silicosi. In più i forni producono monossido di carbonio e tutta una gamma di composti contenti silicio, sotto forme di poveri passibili di essere inalate (per esempio durante le operazioni di pulizia).
La produzione di clorosilano richiede l’uso di HCl, che è di per se corrosivo; per altro, risultano corrosivi gli stessi clorosilani, tossici e irritanti per la pelle e i polmoni. I lavoratori devono perciò indossare indumenti protettivi e maschere filtranti. Rischi aggiuntivi provengono dalla presenza nell’atmosfera di una miscela di aria e idrogeno, potenzialmente esplosiva (sono documentati casi di esplosione). Una soluzione consiste nell’evitare di concentrare quantità eccessive di silane, e nell’uso di contenitori speciali a tenuta stagna, progettati per resistere anche ad alte pressioni. Generalmente, inoltre, i letti fluidi nei quali viene usato tricolorosilano sono equipaggiati con dispositivi automatici anti-incendio.
Per quanto riguarda la crescita cristallina del silicio sotto vuoto, in questa fase si possono disperdere aerosol, che devono essere tenuti sotto controllo in gorgogliatori di lavaggio e filtri elettrostatici. Il drogaggio di tipo “p” può generare, come sottoprodotto, tricloruro di boro, che, reagendo con il vapor d’acqua, può essere facilmente assorbito dalla pelle. Il drogaggio di tipo “n”, invece, richiede ambienti sigillati per contenere i gas di POCl2 e P2O5.
La levigatura e la pulizia dei wafers produce macchie derivanti dal detergente usato, e contenti silicio. Si evitano questi problemi usando il procedimento di crescita dei nastri.
La serigrafia dei contatti è legata ad una serie di problemi ben noti nell’industria microelettronica (particelle metalliche, solventi organici).
La lampada allo xenon per il test di efficienza va accesa in camere speciali, per evitare il rischio di esposizione ai raggi ultravioletti. Il personale addetto alla sostituzione dei bulbi deve indossare maschere e guanti di sicurezza, nel caso vengano usate lampade al krypton pressurizzato.
Per quanto riguarda l’EVA, ci sono problemi legati alla salute dei lavoratori durante la sua manifattura. Durante le operazioni di saldatura nella fase di assemblaggio i fumi devono essere tenuti sotto controllo.
L’industria fotovoltaica è conscia di questi problemi. La tendenza è quella di sostituire gli operatori umani con robots..
II-2.2.4. TRASPORTI
La questione dei trasporti è alquanto complicata. Per un’analisi accurata, infatti, bisognerebbe considerare non solo l’attuale situazione, ma anche gli sviluppi e le implementazioni future sia della rete di trasporto sia dei mezzi, e la ripartizione di utilizzo tra le varie tipologie di mezzi, le scelte decisionali delle aziende relative alla situazione di mercato (es.:dal Giappone attualemente viene rifornita l’Africa; un domani l’Australia).
Nonostante queste complicatezze cerchiamo di fissare le idee stabilendo: A. Di limitarci a una “fotografia” della situazione attuale.
B. Di reperire necessariamente informazioni su: B1. La struttura delle reti di trasporto
B2. La localizzazione territoriale delle industrie coinvolte nel fotovoltaico.
Oltre alla localizzazione territoriale della industrie c’è da considerare tutto il vasto panorama delle utenze. Prendendo in considerazione l’Italia, e dividendola per regioni, in ogni regione si può stimare la distribuzione probabile delle utenze (estendendola, in un’analisi di secondo livello, in funzione del tempo) sul territorio; Confrontarla poi con la localizzazione dei distributori e calcolare l’insieme delle distanze medie di percorrenza. Iterando lo stesso procedimento a tutti gli anelli della catena dell’industria fotovoltaica (es.: dagli assemblatori ai distributori), per ogni fase si può stimare la via di trasporto più probabile: via aerea, via acqua, via terra. Per ogni trasporto si sottintende andata e ritorno; inoltre, per ogni trasporto si intende che esso può avvenire tramite mezzi propri delle aziende interessate o tramite mezzi e servizi noleggiati da terzi: in quest’ultimo caso, invece del viaggio di andata e ritorno, si considerano i tre viaggi base-luogo1, luogo1-luogo2, luogo2-base. Il consumo totale per ogni voce di trasporto sarà quindi la media dei consumi relativi a questi due casi, pesata secondo i coefficienti di probabilità che il trasporto avvenga nell’uno o nell’altro modo.
Elenco sequenziale trasporti spostamento delle macchine escavatrici dalla base al sito di estrazione;
ESTRAZIONE
viaggio dei camion di trasporto della sabbia alle industrie di separazione
SEPARAZIONE
viaggio dei camion caricati di sabbia di quarzite e silice alle industrie di produzione del silicio di grado metallurgico
PRODUZIONE MG-SI
I mezzi degli assemblatori trasportano i moduli ai distributori o direttamente ai luoghi di installazione. I distributori trasportano i moduli al luogo di installazione. I mezzi di sollevamento raggiungono il luogo di installazione
INSTALLAZIONE ESERCIZIO DELL’IMPIANTO
I mezzi trasportanti il personale per la manutenzione raggiungono il sito dell’impianto installato
MANUTENZIONE
I mezzi del personale addetto allo smantellamento raggiungono il sito dell’impianto, dove verranno caricati con i componenti smantellati
DISMISSIONE DELL’IMPIANTO
I mezzi carichi si dirigono ai siti di smaltimento e poi ritornano alla base
SMALTIMENTO E SEPARAZIONE DEI MATERIALI
Parte dei materiali vengono trasportati ad una discarica comune; gli altri materiali vengono trasportati alle discariche differenziate o ai siti di riciclaggio generale e/o specifico.
Per ogni tipologia (via aerea, acqua, terra) sarà necessario prendere in esame un mezzo di trasporto con caratteristiche campione, conoscerne il consumo specifico e i costi specifici di manutenzione, nonché la parte di vita utile del mezzo destinata all’industria fotovoltaica.
In ogni fase viene consumato carburante (per le stime si sceglierà un carburante campione: un mix pesato tra benzina, diesel, metano, idrogeno). Il calcolo di ogni contributo verrà effettuato moltiplicando il consumo specifico medio per le distanze medie percorse.
II-2.2.5. CONSIDERAZIONI ECONOMICHE
Attualmente il maggior problema del fotovoltaico è rappresentato dal costo.
Le voci che costituiscono il costo di un sistema fotovoltaico sono: costi di investimento, costi d'esercizio (manutenzione e personale) e altri costi (assicurazioni e tasse). Il costo d'investimento è in prima approssimazione diviso al 50% tra i moduli ed il resto del sistema. Nel corso degli ultimi due decenni il prezzo dei moduli è notevolmente diminuito al crescere del mercato.
La speranza è che i costi verranno abbattuti grazie alle economie di scala ed al miglioramento dei processi produttivi.
Vediamo alcuni dati economici più in dettaglio1.
Il costo medio di un’installazione PV è di 8 €/Wp per sistemi stand-alone e di 4÷5,5 €/Wp per un sistema grid-connected da 1÷3 kW; per il 2010 sono previsti abbassamenti rispettivamente a 3 €/Wp e 2,61 €/Wp; il costo dei moduli è di 2,8 €/Wp, dei quali 2,5 sono attribuibili alla cella. Per quanto riguarda il Balance Of System:
o L’inverter, se di potenza inferiore ai 500W, ha un costo di 1,2 €/Wp; 0,5 €/Wp se di taglia compresa tra 1 e 5 kW. 0,6 €/Wp se di potenza maggiore ai 5 kW.
o L’accumulatore ha un costo medio di 60÷140 €/kWh.
In ultima analisi l’energia fotovoltaica costa all’utente circa 0,5 €/kWh. L’investimento iniziale nell’impianto viene economicamente ripagato dopo una media di 10÷15 anni in presenza di sussidi statali, di 20 anni ca. in assenza di sussidi2.
I programmi di solarizzazione dei tetti a sovvenzione statale si stanno diffondendo un po’ ovunque (Giappone, Germania, Italia, U.S.A., ecc.). Il programma 10.000 tetti FV, varato in Italia nel giugno del 2001 e promosso dal Ministero dell’Ambiente, prevedeva un finanziamento statale fino al 75% in conto capitale. Si articola nel modo seguente:
o Per gli enti locali, le regioni e i privati, finanziamento fino al 75% iva esclusa, con un target di 2200 installazioni;
o Per le installazioni ad alta valenza architettonica un finanziamento fino all’85% iva esclusa. Per la realizzazione degli impianti di potenza compresa tra 1 e 5 KWp, il costo massimo d''investimento, riconosciuto dal programma, è fissato in £. 15.500.000 per KWp installato
La taglia dell''impianto, comunque, conviene sia tale che l'energia annua producibile dall'impianto medesimo sia inferiore al consumo energetico medio annuo del soggetto interessato in quanto è previsto, a fine anno, un conguaglio tra l'energia prelevata e immessa in rete, al massimo alla pari in quanto l'ENEL non paga le eccedenze di energia prodotta.
Figura 4 - Dati economici IEA, PVPS, Task 1 Nel seguito si riportano due esempi.
1. Esempio di calcolo del costo del kWh elettrico prodotto da un tetto fotovoltaico a Trapani.
Si assumono i seguenti parametri di calcolo: o tasso di sconto reale 5% (credito agevolato);
o tempo di ammortamento dell'impianto uguale al tempo di vita dello stesso, stimato in 25 anni (valore valido solo per moduli in silicio cristallino);
o efficienza del B.O.S.: 85%;
o costo annuo di manutenzione: 1% del costo capitale;
o dai costi è escluso il sistema di acquisizione dati, il cui prezzo è molto variabile. Si ricava la seguente tabella:
Tipo di impianto Integrato negli edifici
Potenza impianto (kWp) 3
2. Esempio relativo a un’installazione PV realizzata dall’AEP (Agenzia Energetica di Pisa) su un tetto di una scuola in provincia di Pisa.
Dati impianto
Potenza del modulo 85 Wp
Superficie modulo 0,63 m2
rendimento modulo 0,135
numero di moduli 62
superficie complessiva 39,06 m2
rendimento sistema inverter e controllo 0,75
Potenza installata 5.270 Wp
Insolazione giornaliera media annua 4,4 kWh/m2 giorno (Italia centrale, su piano inclinato di 30° e rivolto a Sud)
Energia elettrica mediamente prodotta in 1 giorno 17 kWh/giorno
Energia elettrica mediamente prodotta in 1 anno 6.348 kWh/anno
Analisi economica
Costo investimento
Descrizione materiale Costo (Lire)
Moduli fotovoltaici da 85 Wp L. 56.801.500 29.336 euro
Sostegni ed ancoraggi (5% del costo totale) L. 4.057.250 2.095 euro
Inverter (15% del costo totale) L. 12.171.750 6.286 euro
Cablaggi ed accessori vari (4% del costo totale) L. 3.245.800 1.676 euro
Progettazione ed Installazione (6% del costo totale) L. 4.868.700 2.514 euro
TOTALE (IVA esclusa) (1) L. 81.145.000 41.908 euro
Contributo % 75% -L. 60.858.750 -31.431 euro
IVA 10% L. 8.114.500 4.191 euro
TOTALE (IVA inclusa) L. 28.400.750 14.668 euro
Costo complessivo dell'investimento L. 28.400.750 14.668 euro
Detrazione IRPEF (su 5 anni) 36% L. 10.224.270 5.280 euro
durata dell'investimento 25 anni
tasso di interesse 6,0%
deriva dei costi energetici 3,0%
contributo
388,3 L/kWh 1.138,3 L/kWh
VAN 4,17 MLit
tasso di rendimento interno 7,66%
indice di profitto 1,15
Pay-Back semplice 13,3 anni
Pay-Back 17,2 anni
Note
(1) Si è ipotizzato un costo di investimento senza IVA pari a C = 13,5 + 10/P milioni di lire per kWp installato, dove P è la potenza installata, se P > 5 kW, altrimenti C = 15,5 milioni di lire per kWp installato.
(2) La quota parte dell'investimento autofinanziato è stata inserita nell'anno 0. (3) La quota parte del mutuo bancario è stata inserita nell'anno 0.
(4) Durata del mutuo senza tener conto dell'anno 0.
Per finire, riportiamo un diagramma relativo ai costi comparati per le tre generazioni di celle PV.
Figura 5 - Diagramma costo-efficienza per le ultime 3 generazioni di celle PV
II-2.2.6. DISPONIBILITÀ DELLA MATERIA PRIMA
Come già detto, il silicio è il materiale più abbondante sulla crosta terrestre. In natura, però, non si presenta alla strato puro, ma sottoforma di silicati ed altri composti, tra i quali prevale la silice (SiO2). Di seguito è riportata la composizione chimica media della crosta terrestre e del mantello.
