La sostenibilità economica ed ambientale dei pannelli fotovoltaici : analisi degli impatti a fine vita

Lo scopo di questo elaborato è quello di evidenziare i benefici derivanti dalla diffusione della fonte di energia fotovoltaica, la necessità di una gestione sostenibile e responsabile della fase del fine vita degli impianti FV. Negli ultimi anni, per combattere l’emergenza del surriscaldamento globale, ci si sta muovendo verso un paradigma economico “green” che ha l'obiettivo di ridurre l'impatto ambientale delle attività antropiche e di promuovere la diffusione di tecnologie rispettose dell'ambiente. In questo quadro situazionale, le fonti di energie rinnovabili possono essere una parte importante della soluzione, in particolare può esserlo l’energia fotovoltaica. Il surriscaldamento globale è causato principalmente dall’aumento delle concentrazioni di gas serra in atmosfera (per esempio NOx , SOx, CO2), ed i suoi effetti minacciano milioni di persone, con un aumento del rischio di fame, di malattie e inondazioni; l’Italia per la sua conformazione idrogeologica è particolarmente a rischio agli effetti dell’aumento delle temperature, subendo gravi ripercussioni sia a livello economico (agricoltura, turismo, etc.) che sociale (qualità della vita, salute, etc.). Per fronteggiare la minaccia del cambiamento climatico sono state intraprese diverse azioni politiche importanti: il protocollo di Kyoto nel 1997, il “pacchetto clima-energia 20-20-20” nel 2007 ed in ultimo il COP 21 a Parigi (Dicembre 2015), con l’obiettivo di limitare le emissioni di gas serra. Ad oggi, lo sviluppo economico non può più prescindere dagli aspetti ambientali, ma è richiesta una compatibilità tra lo sviluppo delle attività economiche e la salvaguardia dell’ambiente. L’obiettivo è quello di perseguire uno sviluppo sostenibile, fondante su tre pilastri fondamentali: la sostenibilità economica, la sostenibilità ambientale e la sostenibilità sociale. La tecnologia FV si pone come soluzione a questi problemi, e si cercherà quindi di analizzare come i benefici derivanti dalla diffusione dell’energia FV siano in grado di contribuire a ciascun pilastro su cui si fonda il concetto di sviluppo sostenibile. • Sostenibilità economica: l’energia FV si configura come un vero e proprio “investimento pulito” che comporta una serie di benefici economici per l'intera società, generando ricadute positive sul PIL attraverso lo sviluppo industriale e la generazione di business correlati e permettendo, attraverso l’autoconsumo, di ottenere un considerevole risparmio in bolletta. • Sostenibilità ambientale: le soluzioni tecnologiche fornite dall’industria FV possono rappresentare uno strumento importante per fronteggiare i problemi ambientali, permettendo di ridurre le emissioni di gas serra, le perdite di rete ed il consumo di acqua. La generazione di energia elettrica da fonti FV ha un impatto ambientale molto minore di altre forme di generazione elettrica, e questo può essere ulteriormente ridotto implementando un corretto sistema di gestione dei moduli giunti a fine vita. • Sostenibilità sociale: Il risultato sociale della tecnologia FV è stato individuato nell’aumento dell’occupazione e nella maggiore flessibilità dell’accessibilità all’energia elettrica, che si traduce nella possibilità di elettrificare zone sottosviluppate del mondo. Prima di analizzare le caratteristiche delle principali tecnologie FV, viene spiegato il principio fisico della conversione fotovoltaica attraverso il quale si riesce ad ottenere energia dal Sole, successivamente si analizzano i componenti costitutivi di un sistema FV e si definisce la distinzione tra impianti stand-alone, non collegati alla rete elettrica, e impianti grid-connected, capaci di lavorare in regime di interscambio con la rete elettrica. L’attenzione poi si sposta sui due più importanti elementi del sistema FV: le celle FV che rappresentano l’unità fondamentale per la conversione della radiazione elettromagnetica solare in energia elettrica; e i pannelli FV che invece costituiscono l’unità commerciale di base. Si focalizza poi l’attenzione sulle tecnologie FV attualmente più diffuse (silicio cristallino e film sottile); le tecnologie fotovoltaiche sono classificate in I, II e III generazione. Le celle in silicio cristallino rappresentano la I generazione, mentre le celle a film sottile fanno parte della II generazione, i semiconduttori più utilizzati per la costruzione di questo tipo di celle sono silicio amorfo, diseleniuro di rame e di indio (CIS) e tellururo di cadmio (CdTe). La III generazione include invece tecnologie che sono ancora in fase prototipale e non state commercializzate su larga scala, come le celle solari sensibilizzate a colorante o le celle organiche. L’analisi si focalizza poi sulle risorse materiali necessarie per produrre le diverse tipologie di apparecchiature FV, la composizione di un dispositivo raramente è univoca, ma può variare a seconda della marca, del modello e delle caratteristiche tecnologiche proprie di ogni cella FV, per questo motivo si possono utilizzare soltanto dei valori medi. Queste diverse tecnologie FV hanno quote di mercato molto diverse; la tecnologia al silicio è stata la prima tecnologia FV e attualmente domina il mercato con una quota di circa il 92%, in particolare i pannelli di silicio policristallino e monocristallino hanno una quota di mercato del 55% e 45% rispettivamente (IRENA, 2016); pertanto nel seguito delle analisi verranno considerati soltanto i moduli al silicio cristallino. I materiali e i relativi valori utilizzati come riferimento per l’analisi successive di questo elaborato sono riportate nella tabella seguente. Risorse Composizione % Vetro 76 Alluminio 8 Silicio 5 Rame 1 Argento 0,004-0,006 polimero 10 La tecnologia FV consente la produzione di energia elettrica in modo sicuramente più sostenibile rispetto alla produzione di energia da fonti convenzionali (petrolio, carbone, gas naturale), in quanto non vi è consumo di energia durante il suo funzionamento, tuttavia una notevole quantità di energia è invece necessaria per la sua fabbricazione; ad esempio per produrre il silicio di grado solare utilizzato nella maggior parte degli impianti bisogna fondere la roccia di silice a temperature elevatissime. I continui progressi tecnologici dell’industria FV hanno permesso di ridurre drasticamente sia i costi di produzione che gli impatti ambientali negli ultimi 10 anni, passando dalle tecnologie di prima generazione a quelle di seconda di generazione. L’inarrestabile e continua diffusione del fotovoltaico nel mondo, ha sollevato l’interesse di molti ricercatori a condurre numerosi studi LCA (Life Cycle Assessment) sulle diverse tecnologie FV con lo scopo di individuare delle aree prioritarie di intervento per ridurre i consumi di energia primaria associati al ciclo di vita dei sistemi fotovoltaici. Così dopo aver introdotto la metodologia LCA ed aver indicato le linee guida per la procedura LCA riferita al FV stabilite dall’Agenzia internazionale dell’energia (AIE), si passano in rassegna alcuni indicatori significativi che caratterizzano l’impatto ambientale delle diverse tecnologie FV presenti in commercio. L’analisi degli indicatori permette di analizzare l’evoluzione e i miglioramenti tecnici che hanno caratterizzato i diversi moduli FV, nonché di confrontare la sostenibilità delle diverse tecnologie fotovoltaiche. Quindi, dopo aver analizzato le caratteristiche generali delle tecnologie FV si procede alla descrizione del mercato mondiale, caratterizzando gli sviluppi per ciascuna regione del mondo (Medio Oriente, Africa, Europa, America e Asia) e analizzando in dettaglio la situazione del mercato FV italiano al termine del 2015. Il contributo dell’energia FV al mix energetico italiano è il più alto al mondo, questa grande affermazione è stata resa possibile dai diversi meccanismi incentivanti fortemente remunerativi e all’avanguardia; le principali tipologie di tecnologie FV installate nel nostro territorio sono in silicio mono e policristallino, e la maggiore concentrazione di installazioni si rileva nelle Regioni del Nord. Le previsioni di crescita del mercato FV mondiale sono molto ottimiste, a far registrare i maggiori incrementi saranno le maggiori economie mondiali: USA, Cina e Giappone, seguite da diversi mercati emergenti (Cile, Honduras, Filippine). In Italia il mercato FV ha invece raggiunto la sua maturità, le previsioni di crescita sono infatti molto inferiori a quelle che si sono registrate negli anni passati; questo trend di contrazione è riconducibile soprattutto alla riduzione delle tariffe e alle modifiche relative alle modalità di accesso all'incentivazione. Il forte aumento della potenza installata a livello globale registrato negli ultimi anni, porterà inevitabilmente ad un grosso aumento della quantità di rifiuti FV prodotti nei prossimi decenni, e di conseguenza il processo di riciclaggio potrà risultare così vantaggioso anche economicamente e porterà a creare sistemi specializzati e performanti dedicati esclusivamente al trattamento dei pannelli. In particolare, un volume significativo di pannelli giunti a fine vita apparirà solo a partire dal 2035, traslando in avanti di 25 anni il picco di installazioni del 2010-2011 (BIO Intelligence Service, 2011). Questo giustifica lo sviluppo e l’adozione di tecniche di ”riciclaggio di elevato valore” nell’ambito della gestione dell’ ”end-of-life” per chiudere in maniera virtuosa il ciclo di vita di questi dispositivi, con l’obiettivo di minimizzare il carico ambientale complessivo. Si analizza poi nel dettaglio la Normativa relativa alla gestione delle attività di riciclaggio, evidenziando l’evoluzione legislativa che ha caratterizzato il nostro Paese, che ha sperimentato un periodo di “vuoto normativo” iniziale; i primi impianti incentivati con il I, II e III Conto Energia non furono infatti normati per quello che concerne la fase di riciclaggio e questo ha determinato la mancanza di un soggetto responsabile del trattamento di fine vita. Oggi la Direttiva di riferimento è la 2012/19/UE, recepita in Italia con il DLgs n. 49 del 14 marzo 2014, con la quale è stato sancito ufficialmente l’ingresso delle apparecchiature FV nel novero dei RAEE, con l’obiettivo di massimizzarne il riciclaggio attraverso l’obbligo di trattamento in impianti autorizzati aderenti ai Consorzi di raccolta. Prima dell’entrata in vigore del D.Lgs. 49/2014, le disposizioni adottate dal GSE (Gestore dei Servizi Energetici) sono state le uniche, ad aver disciplinato il fine vita dei moduli FV, peraltro circoscrivendo tale regolamentazione ai soli moduli installati nel IV e V Conto Energia. Il recepimento italiano della Direttiva 19/2012 articola efficacemente la responsabilità di un produttore di AEE, che ha l’ obbligo di iscrizione al Registro Nazionale dei soggetti obbligati al finanziamento dei sistemi di gestione dei RAEE, presso la Camera di Commercio di competenza. Dopo aver analizzato la normativa di riferimento, si definisce la classificazione dei RAEE “fotovoltaici”: • RAEE fotovoltaici “nuovi” e “storici”: la classificazione è operata a seconda se l’immissione sul mercato dei pannelli sia prima o dopo l’entrata in vigore del decreto legislativo 49/2014, ovvero prima del 12 aprile 2014; • RAEE fotovoltaici “domestici” e “professionali”: la classificazione dipende dal valore della potenza nominale installata, per i “domestici è inferiore a 10 kWp, per i professionali è superiore o uguale a 10 kWp. Quindi viene analizzata la diversa modalità di finanziamento delle operazioni di riciclaggio in dipendenza della categoria RAEE appartenente. Altro tema importante considerato è il revamping degli impianti fotovoltaici, ovvero il rifacimento degli impianti già esistenti, che può rappresentare il modo migliore per valorizzare lo “storico” installato. Una volta definito il quadro normativo si analizzano gli enti che operano il recupero: i Consorzi/Sistemi; oggi un produttore che immette un lotto di nuovi moduli sul mercato italiano è tenuto a comunicare tutti i codici dei moduli venduti ad un Consorzio, che li inserisce in un’apposita banca dati e ne garantisce il riciclo dei moduli fotovoltaici utilizzati al termine della loro vita utile. Il Consorzio per il recupero e il riciclaggio dei pannelli fotovoltaici più conosciuto a livello europeo, essendo anche il primo, è il PV Cycle, che raccoglie al suo interno produttori ed importatori leader di moduli FV e, con i suoi 237 membri, rappresenta più del 90% del mercato FV europeo. In Italia, i Sistemi/Consorzi sono accreditati dal GSE, che ha rilasciato un apposito Disciplinare Tecnico per la definizione e la verifica dei requisiti tecnici dei Sistemi/Consorzi , rispetto al quale i Consorzi devono risultare idonei; ad oggi sono stati accreditati 11 Consorzi. Entrando nello specifico, il riciclaggio di pannelli FV può essere ad elevato valore oppure a basso valore, il riciclaggio ad alto valore consiste nel recupero del silicio e di tutte le sostanze pregiate, quello a basso valore consiste invece nell’incenerimento previa rimozione del telaio in alluminio. Vengono quindi analizzati in dettaglio i processi di riciclaggio industrialmente realizzabili per i moduli FV al film sottile e al silicio: • Il processo della First Solar. • Il processo della Deutsch Solar. Considerando che i pannelli in silicio cristallino sono i più diffusi sul mercato, il processo della Deutsch Solar, ideato nel 2003 e successivamente migliorato per ridurre i consumi energetici e i costi previsti, sarà molto probabilmente il processo con maggior possibilità di applicazione. Dopo aver descritto i procedimenti operativi per le operazioni di riciclaggio dei moduli FV, si analizza l’impatto ambientale derivante da una corretta gestione dei moduli giunti a fine vita. Gli studi LCA spesso non valorizzano opportunamente l’impatto ambientale perché trascurano la fase di fine vita dei sistemi fotovoltaici. La fase di fine vita dei sistemi FV comprende la fase di disinstallazione, di raccolta, di trasporto dei moduli verso un impianto di trattamento ed il loro smaltimento o recupero, si comprende che considerarla negli studi LCA potrebbe influenzare significativamente il profilo ambientale e deve essere quindi valutata in dettaglio. Di conseguenza si riportano alcuni studi che valorizzano la riduzione degli impatti ambientali derivante dal corretto riciclaggio dei moduli FV al silicio e a film sottile, analizzando sia gli oneri ambientali legati al consumo di energia durante il trattamento termico e chimico, sia l’impatto ambientale positivo legato al recupero delle risorse. In seguito si analizzano le conseguenze derivanti da una corretta gestione dei moduli giunti a fine vita, considerandone sia i benefici ambientali che economici. Innanzitutto si caratterizza opportunamente il costo di riciclaggio, tenendo conto sia dei costi strettamente legati alle operazioni di riciclaggio (costi logistici e di trattamento), che dei costi generali (costi amministrativi, database e simili), arrivando a stimare un costo complessivo di gestione del fine vita di circa 8,8 € per modulo. Successivamente, si caratterizzano i benefici connessi al corretto riciclaggio dei sistemi FV: in primo luogo, quelli derivanti dal recupero dei materiali potenzialmente riciclabili o altrimenti valorizzabili, ed in secondo luogo, i benefici ambientali che si ripercuotono direttamente sul benessere e la salute delle persone, e di tutti gli organismi viventi dell’ecosistema. In particolare, un corretto sistema di gestione del fine vita dei moduli consentirebbe di evitare la perdita di risorse convenzionali, soprattutto vetro, alluminio, silicio e rame, e la perdita di risorse critiche, in particolare argento, indio, gallio e germanio. Una gestione impropria dei moduli FV alla fine della loro vita utile potrebbe, invece, determinare l’inquinamento delle discariche che non possiedono le misure di sicurezza per isolare i rifiuti elettronici, e rappresentare quindi una minaccia per l’ambiente e la salute umana. In accordo con la letteratura esistente i possibili impatti negativi per l’ambiente sono: • la lisciviazione del piombo dai moduli c-Si • la lisciviazione del cadmio dai moduli a film sottile Quindi, si propone un’analisi completa dei costi e dei ricavi connessi all’attività di riciclaggio dei moduli FV, per valutarne la convenienza economica. Innanzitutto, si caratterizzano i costi delle risorse convenzionali e critiche contenuti nei moduli FV, andando a stimare per ciascuno di essi l’andamento futuro, poiché il “boom” di rifiuti è previsto nel 2035. In seguito, si valorizza il “costo sociale” dei possibili danni connessi ad una gestione impropria dei moduli dismessi, utilizzando come riferimento uno studio condotto dalla Commissione europea, che stima i fattori di danno dei maggiori inquinanti. Dopo aver condotto queste analisi e aver valorizzato i benefici economici ed ambientali connessi all’attività di riciclaggio, viene stiamato il possibile guadagno. In particolare, considerando che nel 2035 il volume stimato di rifiuti è di 1,7 milioni di tonnellate di moduli, di cui 1,4 milioni derivanti da pannelli al c-Si (BIO Intelligence Service, 2011), le analisi si sono concentrate soltanto sulla tecnologia c-Si; i valori trovati sono riportati nella tabella seguente Risorse Quantità contenuta in un modulo Quantità riciclabile da un modulo Valore economico delle risorse recuperabili Vetro 15,2 Kg 14,44 Kg 0,92416 €/modulo Alluminio 1,6 Kg 1,6 Kg 2,7296 €/modulo Silicio 1 Kg 0,728 Kg 13,104 €/modulo Rame 0,2 Kg 0,18 Kg 0,783 €/modulo Argento 0,001 Kg 0,00098 Kg 1,00891 €/modulo Totale - - 18,55 €/modulo Il valore stimato non tiene però conto dell’efficienza del processo e quindi sovrastima il valore delle risorse realmente recuperabili; ipotizzando che i moduli c-Si vengano trattati attraverso il processo di riciclaggio della Deutsche Solar automatizzato, il cui tasso di riciclaggio è di 95,7% (BINE,2010), il potenziale economico effettivamente estraibile da ciascun modulo scenderebbe a 17,75 €. Quindi, secondo le ipotesi e le assunzioni dell’ analisi condotta, dal riciclaggio di ciascun modulo sarà possibile ricavare un guadagno di circa 17,75 - 8,8 € = 8,95 €/modulo. Volendo portare poi l’analisi ad un livello più ampio, in un’ottica di sostenibilità ambientale, è corretto aggiungere il ricavo indiretto derivante dal riciclaggio dei moduli FV. I moduli c-Si sono soggetti alla lisciviazione del piombo nel caso in cui siano esposti ad un pH basso, ovvero esposti alla pioggia. Questa lisciviazione può variare tra il 13% e il 90% del quantitativo di piombo contenuto in un pannello FV c-Si medio, ed il costo ambientale stimato parte quindi da un minimo di 2,64 €/modulo ad un massimo di 18,24 €/modulo. Si deduce quindi che il guadagno complessivo, inteso come guadagno per l'intera società, derivante da una gestione corretta dei moduli dismessi è sicuramente maggiore.