Germania: mai più nucleare?

Se non venite da Marte, probabilmente sapete che la Germania ha deciso di abbandonare l’energia nucleare. Lo avevamo scritto anche sul Post: dopo l’incidente a Fukushima, per la crescente pressione dell’opinione pubblica, Angela Merkel ha ordinato la chiusura dei reattori nucleari tedeschi, da qui al 2022.

Quanta energia producono i reattori nucleari tedeschi? Numeri alla mano, oggi siamo al 22 per cento della produzione elettrica nazionale. Le rinnovabili, dopo venti dieci anni di incentivi, ammontano a circa il 16 per cento. Il resto è produzione termoelettrica convenzionale (gas e carbone). È allora evidente che la quantità di energia prodotta col nucleare in Germania non è poca cosa. È possibile rimpiazzarla con le rinnovabili?

Se davvero l’obbiettivo dei tedeschi è rimpiazzare l’energia nucleare con una quota equivalente di energia rinnovabile, personalmente ho un’unica certezza: non sarà facile e, comunque vada, il passaggio non sarà indolore. In tal caso, è probabile che gran parte delle speranze riguarderanno solare ed eolico. Anzi, visto che l’eolico convenzionale (on-shore) in Germania è già abbondantemente sfruttato dove il territorio lo ha consentito, è probabile che le speranze tedesche per la produzione di energia elettrica si concentreranno sul solare fotovoltaico, che oggi produce solamente il 2 per cento dell’energia elettrica tedesca e ha dunque ampi margini di crescita.

Il costo di produzione del chilowattora fotovoltaico è oggi ancora molto l’alto, circa 3 volte più alto di gas e nucleare ma è in costante diminuzione. Lo avevamo visto poche settimane fa. Da qui al 2022 ci sono undici anni. L’EPIA (Associazione delle Industrie Fotovoltaiche Europee) stima che il solare fotovoltaico, con l’attuale decrescita dei prezzi, raggiungerà la grid parity intorno al 2020. Allora produrre energia dal sole dovrebbe costare quanto farlo dalle fonti convenzionali, realizzando i sogni di molti. È realistico assumere che la discesa dei prezzi del solare continuerà indefinitamente oppure esistono limiti fisici e tecnologici? Vediamolo.

Il fotovoltaico al silicio cristallino

La grande maggioranza dei pannelli solari oggi disponibili sul mercato è basata sulla tecnologia al silicio, detta anche di prima generazione. Le celle fotovoltaiche che assorbono la luce solare e la convertono in energia sono costruite utilizzando silicio policristallino, e vengono successivamente assemblate nel pannello vero e proprio.

Nell’ultimo decennio si è assistito a un sensibile miglioramento dei materiali per i moduli fotovoltaici e sulla conoscenza dei processi fisici di interazione tra luce e semiconduttori. Detto altrimenti, la ricerca ha fatto bene il suo lavoro e ottimizzato al meglio le celle di silicio, tanto che oggi l’attuale tecnologia del solare basata sul silicio ha praticamente raggiunto il suo limite. L’efficienza media dei moduli commerciali raggiunge infatti l’85 per cento del valore record ottenuto in laboratorio (1), lasciando spazio a miglioramenti d’efficienza di conversione solamente marginali.

Per quanto riguarda il costo dell’impianto per il solare fotovoltaico, più o meno la metà deriva dal costo dei moduli, mentre la restante metà da tutto il resto. A sua volta, un terzo del costo dei moduli deriva dal silicio policristallino di cui sono composte. Gran parte del silicio utilizzato è però sprecato, in quanto inutile per l’efficienza delle celle. Le celle fotovoltaiche vengono infatti tagliate in fette spesse 0.3 millimetri quando ne basterebbe un sesto per ottenere lo stesso risultato. Purtroppo allo stato attuale della tecnologia non è possibile scendere al limite teorico di 0.05 millimetri, dato che fette così sottili si romperebbero durante la successiva lavorazione nelle linee industriali. Se si potesse utilizzare il silicio al suo spessore teorico minimo si risparmierebbe oltre l’80 per cento del costo del materiale.

Secondo il modello standard della IEA usato nel precedente articolo, il costo di produzione di un chilowattora di solare fotovoltaico in Germania, con un costo attuale di 2500 euro al kW di potenza installata e trent’anni di durata dei pannelli, è di circa 24 centesimi di euro. Per raggiungere la grid parity, il costo dovrebbe scendere a 8-9 centesimi, valore che corrisponde con buona approssimazione al valore attuale del kWh nucleare. In altri termini, al costo attuale della tecnologia, sostituire l’energia prodotta dalle centrali nucleari con quella del solare fotovoltaico ai tedeschi costerebbe un botto. Per diminuire il costo di produzione del kWh solare sono possibili due soluzioni: diminuire il costo dei moduli o quello del resto del sistema dell’impianto fotovoltaico.

La tabella sotto mostra il costo di produzione del solare fotovoltaico allo stato attuale e nelle migliori prospettive di miglioramento tecnologico nella produzione dei moduli, di mercato per il resto del sistema, e di utilizzo minimo di silicio nelle celle.

È evidente che, anche considerando tutti i miglioramenti possibili contemporaneamente, il costo del kWh prodotto con il solare fotovoltaico basato sul silicio policristallino non raggiunge comunque la grid parity. Si ferma a circa 13 centesimi al kWh, ben più costoso degli 8-9 centesimi necessari alla convenienza economica. Detto altrimenti, la diminuzione dei costi per effetto dell’economia di scala non potrà evitare che il solare fotovoltaico si scontri contro i limiti fisici della tecnologia del silicio. Il che non vuol dire che i tedeschi si sono sparati sui piedi da soli, però.

Il fotovoltaico a film sottile

La tecnologia fotovoltaica dei moduli a film sottile, detta anche di seconda generazione, mira a ridurre il costo di produzione dei moduli sostituendo il silicio policristallino con altri semiconduttori meno costosi. Nei moduli a film sottile si usa una lastra di vetro come supporto per le celle solari. Ovviamente non è vetro normale, ma vetro trattato adeguatamente per depositarvi sopra i film sottili di cui sopra. Questa tecnologia è già sul mercato ma ancora in posizione minoritaria rispetto al silicio. Prezzo a parte, le differenze maggiori tra le due generazioni di solare fotovoltaico sono l’efficienza di conversione, che è maggiore nel caso del silicio policristallino, e la vita operativa dei moduli, leggermente minore nei film sottili.

Usiamo il solito modello standard della IEA per calcolare il costo di produzione del kWh del solare fotovoltaico a film sottile. Includendo correttamente i vari elementi di costo (2), allo stato attuale della tecnologia – 1000 euro/kW per moduli con efficienza del 10 per cento e durata di 25 anni – il costo di produzione del kWh fotovoltaico da film sottili è di circa 20 centesimi. Ancora alto. Al contrario del fotovoltaico a silicio, però, l’efficienza della tecnologia a film sottile non ha ancora raggiunto il limite. Includendo nel modello efficienza e vantaggi economici derivanti dal passaggio a grandi impianti – come per la tecnologia al silicio – si ricava il grafico sotto.

Tradotto in parole semplici, il grafico indica che la competitività economica del solare fotovoltaico a film sottile dipende dalla sua efficienza oltre che dal prezzo. Oggi siamo al 10-11 per cento, mentre è necessaria un’efficienza di conversione tra il 15 e il 20 per cento per raggiungere la grid parity e rendere economicamente conveniente la produzione di energia solare. E non è un aumento di poco conto.

Tirando le somme

Per abbandonare il nucleare e sostituire l’energia prodotta dall’atomo con altrettanta energia prodotta da fonti rinnovabili nel 2022, puntando sul solare fotovoltaico e volendo evitare di pagare una botta, i tedeschi hanno dieci anni a disposizione per:

- migliorare i processi industriali per la produzione dei pannelli
- creare le condizioni di mercato adatte per promuovere l’effetto di scala degli impianti
- investire pesantemente in ricerca e raddoppiare l’efficienza di conversione del solare fotovoltaico a film sottile

E devono farle tutte. Se manca anche una sola delle tre non va bene.

Cosa succede se non ci riescono? Semplice, si trovano senza energia nucleare da vendere e con energia fotovoltaica che costa un sacco. È molto probabile che da qui a cinque anni in Germania vi sarà un reality check sullo stato del progetto di abbandono del nucleare, con valutazione di quanto fatto e quanto ancora da fare. Se la situazione non dovesse rivelarsi promettente per il futuro, è molto probabile che si deciderà per il mantenimento delle centrali nucleari esistenti. L’alternativa sarebbe infatti dipendere dall’estero per le importazione di gas russo o di elettricità nucleare francese, oppure ritornare al carbone e produrre un’enorme quantità di anidride carbonica. Non è impossibile che da qui a cinque anni, aumenti indiscriminati del prezzo del petrolio e dell’energia possano ribaltare la percezione del nucleare nell’opinione pubblica, da pericoloso a salvifico, in virtù della quantità di energia prodotta nel momento del bisogno a un costo comunque contenuto.

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Note in tabella:
[1] “L’attuale tecnologia fotovoltaica permette di raggiungere la competitività economica?”, Domenico Coiante (2010).
[2] passaggio da impianti da 1 MW a 10 MW di potenza.

Note a pié pagina:
(1) Valore record in laboratorio: “Solar cell efficiency tables”, M.A. Green et al. (2009) – valore medio commerciale: Sunpower Corp. e Shell Power (2009).
(2) “Fotovoltaico di seconda generazione: limiti e possibilità”, Domenico Coiante (2010).

Si ringrazia tanto (ma proprio tanto) Domenico Coiante di ASPO-Italia per le discussioni, i dati, la conoscenza sull’energia e l’onestà intellettuale.