Da sempre l’energia solare è al centro di miti e convinzioni errate. C’è chi ritiene che il fotovoltaico sia un investimento troppo costoso e che in inverno sia comunque inutile (qui puoi trovare maggiori informazioni a riguardo). Altri invece sostengono che la produzione dei componenti fotovoltaici generi più CO2 rispetto alla riduzione delle emissioni che si ottiene grazie al loro funzionamento. C’è qualcosa di vero in queste affermazioni? Esaminiamo a fondo la questione e analizziamo l’impronta ecologica degli impianti fotovoltaici.
Il fotovoltaico riduce le emissioni di CO2? A prima vista, la risposta sembra semplice: raggi solari + pannelli = corrente. Da questo punto di vista, l’utilizzo diretto non comporta emissioni di CO2 . In linea di principio è vero, ma solo a prima vista.
I pannelli solari, l’inverter e, se necessario, il sistema di accumulo devono essere installati sul tetto, nel locale tecnico e messi in funzione. Perché questo sia possibile, la consegna deve essere effettuata da un mezzo di trasporto adeguato. E prima ancora, bisogna procurarsi i materiali necessari alla produzione, trattarli e trasformarli nei prodotti che compongono un impianto fotovoltaico. Inoltre, un aspetto che troppo spesso viene trascurato riguarda il riciclo: cosa succede ai componenti fotovoltaici alla fine del loro ciclo di vita? L’impatto ambientale cambia a seconda della destinazione dei materiali: discarica, incenerimento oppure riciclo, anche solo parziale.
Come vedi, la filiera del fotovoltaico coinvolge numerosi settori dell’industria e dei servizi:
- Estrazione delle materie prime
- Fabbricazione dei singoli componenti
- Trasporto
- Lavori di montaggio e manutenzione
- Gestione dei rifiuti e riciclo
Per capire se gli impianti fotovoltaici consentono di ridurre le emissioni di gas a effetto serra, dobbiamo esaminarne più da vicino il ciclo di vita, dalla fabbricazione allo smaltimento. La base della nostra analisi sono gli studi dell’Agenzia internazionale per l’energia (AIE) e del Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Quest’ultimo ha certificato l’analisi del ciclo di vita di Fronius Symo GEN24 10.0 Plus condotta da Fronius in collaborazione con to4to – together for tomorrow. Va quindi precisato fin dall’inizio che i dati si concentrano sui pannelli solari in generale e sugli inverter Fronius in particolare e non prenderemo in considerazione i cicli di vita e le emissioni di CO2 di altri produttori di inverter.
Peraltro, in realtà dovremmo dire sempre CO2 equivalente, poiché i gas a effetto serra che contribuiscono al riscaldamento globale sono diversi. Per semplicità, in questo articolo parleremo per lo più di emissioni di CO2.
1. A quanto ammonta il consumo energetico durante l’estrazione di materie prime e componenti?
La produzione di pannelli solari e inverter dipende dall’estrazione e dalla lavorazione di alcune materie prime rare. La sabbia di quarzo rappresenta una delle materie prime più importanti, dato che serve per ottenere il silicio, indispensabile per la produzione di moduli e componenti a semiconduttore. Il processo richiede temperature elevate, comprese tra 1500 e 2000 °C; questa è la fase a più alto consumo energetico nella produzione di pannelli solari. Il mix energetico utilizzato svolge un ruolo fondamentale.
| Lo sapevi? Nove dei dieci maggiori produttori di polisilicio hanno sede in Cina e, nel complesso, detengono una quota di mercato pari al 93,5%. In Cina circa il 61% dell’energia proviene dal carbone una delle fonti più inquinanti in termini di emissioni di CO2. In Cina, la produzione di pannelli solari emette in media 810 kg di gas a effetto serra per ogni kilowatt di potenza nominale del modulo. Circa la metà delle emissioni è attribuibile alla produzione di silicio. Facendo un confronto, moduli simili di produzione tedesca emettono circa 580 kg di CO2 per kilowatt di potenza nominale del modulo*. *Fonte: https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2021/european-glass-glass-photovoltaic-modules-are-particularly-climate-friendly.html |
Inoltre, spesso si sottovaluta l’importanza del vetro nella produzione di pannelli. La maggior parte del peso, ovvero il 70%, è dovuta a questo materiale, ricavato dalla sabbia. Sebbene la sua produzione richieda meno energia rispetto alla lavorazione del silicio, il vetro incide in modo significativo sul bilancio energetico complessivo a causa della sua massa. Nei moduli con pellicola si aggiunge il telaio in alluminio, che ha un contributo compreso tra il 10 e il 15% all’impronta di carbonio complessiva di un modulo solare, dato che anche la produzione di alluminio richiede grandi quantità di corrente.
Altri materiali indispensabili per il settore fotovoltaico sono il rame, lo stagno, l’argento, l’oro e il palladio; soprattutto questi due metalli preziosi sono considerati materie prime critiche. Arriviamo così al prossimo componente essenziale di un impianto fotovoltaico: l’inverter.
Essendo produttori di questi articoli, disponiamo di informazioni di prima mano: quando l’inverter Fronius Symo GEN24 10.0 Plus viene utilizzato in un impianto fotovoltaico austriaco, oltre il 40% dell’impronta di carbonio complessiva è attribuibile ai suoi componenti. Quello che colpisce è che sebbene i componenti a semiconduttore rappresentino solo una percentuale marginale del peso dell’inverter, più precisamente lo 0,1%, sono responsabili del 23,9% della sua impronta di carbonio a livello di componenti. Anche i condensatori e le schede elettroniche rientrano tra i componenti ad alto consumo energetico di un inverter Fronius: sebbene rappresentino solo il 3,2% e il 2,5% del suo peso, sono responsabili del 18,5% dei 315,6 kg di CO2 emessi complessivamente dai componenti. La situazione è invece diversa per quanto riguarda la plastica e l’alluminio: poiché Fronius utilizza alluminio riciclato, nonostante questo metallo leggero costituisca ben il 29,1% del peso, il suo impatto ambientale è minore e contribuisce al 15,2% circa dell’impronta di carbonio dei componenti.
2. Quanto CO2 viene prodotto durante la fabbricazione di pannelli fotovoltaici e inverter?
Per la produzione di celle solari, il silicio purificato deve essere tagliato in sottili fette, i cosiddetti “wafer”, e sottoposto a pulizia. Questo processo richiede molta energia ed è responsabile del 15-20% delle emissioni totali. La successiva fase di produzione delle celle, durante la quale i wafer vengono irruviditi, drogati e laminati, genera un ulteriore 10-15% delle emissioni di CO2. Durante il processo di drogaggio, vengono introdotti in modo mirato atomi estranei nel silicio per creare un lato con carica positiva e uno con carica negativa, rendendo così possibile il flusso di corrente.
La produzione di un inverter Fronius, invece, rappresenta solo una parte modesta delle sue emissioni di CO2. Oltre all’uso di alluminio riciclato, il mix energetico composto dall’energia solare prodotta dal tetto del nostro capannone e dall’energia pulita proveniente dalla rete riduce in modo significativo le emissioni di gas a effetto serra generate dalla produzione. Solo l’1,3% delle emissioni totali è attribuibile all’energia impiegata nel processo di produzione.
3. Che rilevanza assume il trasporto nell’impronta ecologica del fotovoltaico?
Il trasporto delle materie prime al produttore dei componenti, la consegna dei componenti al sito dell’impianto e successivamente all’impianto di riciclaggio hanno un impatto minimo sull’impronta ecologica di un impianto fotovoltaico; tuttavia, non vogliamo trascurare questo aspetto. Naturalmente, più lungo è il percorso di trasporto, maggiore è l’energia necessaria. I componenti importati in Europa dall’Asia generano un’impronta di carbonio maggiore.
Non è solo la distanza a essere determinante, ma anche il mezzo di trasporto utilizzato: sebbene gli aerei cargo possano trasportare rapidamente a destinazione i componenti per i moduli solari, generano al contempo le emissioni di gas a effetto serra più elevate per singolo componente trasportato. La via marittima è più efficiente, ma richiede più tempo: per il viaggio da Shanghai all’Europa occidentale su una nave portacontainer, ad esempio, bisogna calcolare poco meno di un mese. Infine, il trasporto su camion e su treno ha un’impronta ecologica di medie dimensioni.
In che modo il trasporto influisce sull’impronta di CO2 dei moduli fotovoltaici? Circa il 3% dell’impronta di carbonio complessiva dei pannelli solari provenienti dalla Cina è attribuibile all’importazione in Europa. Questo dato non sembra così drammatico; tuttavia, i pannelli solari di fabbricazione europea sono in media nettamente più ecologici. Rispetto alle loro controparti asiatiche, grazie al mix energetico a basse emissioni utilizzato nella produzione e alle distanze di trasporto più brevi, c’è una riduzione delle emissioni di CO2 del 40% circa, come calcolato dall’Istituto Fraunhofer per un comunicato stampa del 2021.
Per quanto riguarda gli inverter, le catene di approvvigionamento contribuiscono in misura ancora minore alle emissioni, soprattutto se consideriamo nuovamente l’esempio di Fronius. “Evitando il trasporto aereo e puntando invece su treni, camion e navi portacontainer, riduciamo le emissioni di CO2. La consegna delle materie prime e la spedizione ai clienti in Austria rappresentano appena l’1,1% delle emissioni totali degli inverter Fronius”, spiega Anthony Moises, esperto di energia solare presso Fronius International GmbH. Nel caso delle esportazioni, invece, ovviamente la quota aumenta in lieve misura.
4. Quanto impattano sull’ambiente l’installazione e la manutenzione di un impianto fotovoltaico?
Anche l’installazione dei componenti e la loro manutenzione generano solo una piccola percentuale a una cifra dell’impronta di carbonio complessiva di un impianto fotovoltaico. L’utilizzo di macchinari e utensili alimentati in parte dall’energia elettrica e in parte da fonti energetiche fossili comporta emissioni di gas a effetto serra trascurabili.
Il funzionamento, invece, risulta molto più interessante: tutti sanno che di notte il sole non c’è. Gli impianti fotovoltaici, in particolare quelli senza collegamento a un sistema di accumulo, rimangono quindi “inattivi” per il 50% del tempo e non producono corrente. “L’inverter, però, non dorme mai”, spiega Anthony Moises. “Da un lato, verifica a intervalli regolari se la rete pubblica è stabile. Dall’altro, è sempre pronto a ripartire, seguendo il sorgere del sole e convogliando l’energia prodotta. Anche la comunicazione con gli Smart Meter, le batterie di accumulo e le app di monitoraggio comporta un leggero consumo di energia”. Complessivamente, questo cosiddetto consumo notturno ammonta a 2-10 watt (senza batteria) o a 20-200 W (con collegamento alla batteria). Una quantità di poco conto, in realtà. Tuttavia, poiché gli inverter rimangono in funzione per anni, l’impronta di carbonio derivante dal fabbisogno energetico notturno va ad accumularsi nel tempo, soprattutto quando non viene coperto dalla propria batteria di accumulo, ma dalla rete elettrica pubblica.
Nel caso di Fronius GEN24 10.0 Plus, il consumo notturno è responsabile rispettivamente del 37,6% (AT) e del 47,2% (DE) della sua impronta di CO2 complessiva. La percentuale esatta dipende in larga misura dal mix energetico tipico del Paese e può risultare ancora più elevata in altri Stati: in Australia, il consumo notturno è responsabile di oltre il 63% dell’impronta di carbonio complessiva dell’inverter.
Sebbene l’inverter Fronius abbia un rendimento superiore al 98%, durante il funzionamento si verificano perdite sotto forma di calore, responsabili rispettivamente del 22,5% (AT) e del 19,6% (DE) dell’impronta di carbonio.
5. Riciclo e smaltimento: come si riduce l’impatto ambientale dei pannelli fotovoltaici?
Un impianto fotovoltaico dura diversi decenni, ma prima o poi, anche i componenti migliori smettono di funzionare. Fortunatamente, la maggior parte dei componenti dei moduli solari può essere riciclata. Esistono diverse strategie per la gestione del fine vita (End of Life): mentre lo smaltimento in discarica e l’incenerimento totale comportano un ulteriore impatto ambientale, riciclare i componenti può migliorare notevolmente l’impronta di carbonio di un prodotto.
Il massimo beneficio ambientale si ottiene smontando i singoli componenti prima di riciclarli, con l’obiettivo di recuperare i materiali riciclabili separandoli il più possibile per tipo e di eliminare le sostanze nocive. Una volta smontato, i singoli componenti, come il vetro e l’alluminio, possono essere separati direttamente e riutilizzati, mentre il silicio richiede un trattamento termico a temperature superiori a 500 °C per staccarsi dal laminato. Il successivo processo di lavaggio chimico rimuove i residui di argento, rame, stagno per saldare e materie plastiche, consentendo al silicio recuperato di fungere da base per nuovi cristalli di silicio e di essere utilizzato nei moduli fotovoltaici. Da un modulo solare standard si possono recuperare circa tre chilogrammi di silicio e diversi grammi di argento e rame. Nel caso dei moduli solari, la percentuale di materiali riciclabili raggiunge il 95% del peso del modulo.
Anche gli inverter che hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita si prestano benissimo a essere riciclati. In alcuni Paesi, farlo è obbligatorio per legge: l’Austria, ad esempio, nel “Regolamento sui rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche”, impone un tasso di recupero dei materiali pari almeno all’85% per gli inverter, i moduli solari e le batterie di accumulo. Anche l’alluminio utilizzato per i dissipatori di calore e gli involucri, il rame contenuto nelle bobine e nei cavi e le piccole quantità di metalli preziosi, indispensabili per le schede, possono essere riciclati. Le materie plastiche, invece, sono riciclabili solo in misura limitata e dopo lo smaltimento vengono solitamente incenerite per la produzione di energia.
Complessivamente, lo smaltimento dei componenti fotovoltaici è responsabile di una quota compresa tra il 2% e il 5% delle loro emissioni totali di gas a effetto serra. Allo stesso tempo, riciclare i materiali comporta una notevole riduzione delle emissioni rispetto alla loro produzione ex novo e consente così di realizzare nuovi componenti per gli impianti in modo efficiente dal punto di vista energetico. Se i prodotti vengono gestiti in modo efficace alla fine del loro ciclo di vita, possono addirittura ottenere un credito di CO2.
Nel caso di Fronius Symo GEN24 10.0 Plus, il riciclaggio dei metalli seguito dall’incenerimento dei rifiuti genera un credito di CO2 pari a 20 kg. Lo smaltimento in discarica e il semplice incenerimento dei rifiuti genererebbero invece rispettivamente 6,8 e 2,6 kg di CO2 equivalente (vedi grafico).
Quanto CO2 si risparmia con un impianto fotovoltaico? I vantaggi ambientali in numeri
Detto questo, rimane ancora aperta una domanda: qual è il reale impatto ambientale dei pannelli fotovoltaici rispetto alla corrente di rete? Per il nostro esempio, prendiamo in esame due impianti fotovoltaici fittizi considerando il loro intero ciclo di vita di 30 anni. Il primo si trova a Vienna, il secondo a Francoforte. Entrambi gli impianti dispongono dello stesso numero di pannelli, con una potenza complessiva di 10 kWp, e di un inverter Fronius GEN24 10.0 Plus. Nel nostro esempio ipotizziamo la sostituzione dell’inverter dopo 20 anni, per cui nel nostro calcolo teniamo conto dell’impatto ambientale di 1,5 inverter. I due impianti fotovoltaici devono anche essere confrontati con il mix energetico tipico del Paese.
Il rapporto costi-benefici parla chiaro: l’impronta di carbonio dell’impianto fotovoltaico di Vienna è pari a circa 10,8 tonnellate, mentre quella dell’impianto di Francoforte è leggermente superiore, a causa delle distanze di trasporto più lunghe e del mix energetico locale, caratterizzato da emissioni più elevate.
Gli impianti fotovoltaici possono compensare rapidamente questo impatto ambientale, poiché ogni chilowattora di corrente prodotta “costa” solo 28,7 o 30,7 g di CO2 equivalente su un arco temporale di 30 anni. Si tratta di un valore nettamente inferiore rispetto ai 344 g di CO2 equivalente generati in media da un chilowattora di elettricità nel mix energetico tedesco. In concreto, in Germania, un impianto fotovoltaico impiega 1,7 anni per compensare le emissioni di CO2 generate dalla sua produzione. Questo valore di 1,7 anni è definito “tempo di recupero dell’investimento in CO2“, come si può vedere dalla tabella seguente; questo termine indica il tempo necessario a un impianto fotovoltaico per ripagare il proprio debito di CO2. In Austria ci vuole quasi un anno in più, ma dal punto di vista ambientale l’energia solare ripaga il proprio costo abbastanza rapidamente anche qui.
Nel corso dei suoi trent’anni di attività, l’impianto in Austria è in grado di generare un beneficio netto di oltre 115 tonnellate di CO2 equivalente, mentre quello in Germania addirittura di 177,9 tonnellate, quindi molto di più. Si tratta rispettivamente di 11,8 e 17,2 volte il costo sostenuto per la realizzazione e l’installazione dell’impianto.
Qual è il motivo di questa netta differenza? A prima vista questo divario può creare confusione, ma la spiegazione è semplice: Il modo in cui la Germania produce energia è diverso rispetto all’Austria. Mentre l’Austria punta principalmente sull’energia idroelettrica ed eolica per la propria fornitura energetica, la Germania integra nella propria produzione grandi quantità di lignite, carbone e gas naturale, fonti energetiche che presentano un’impronta di carbonio più elevata. Per chiarire meglio: il 75-80% della corrente che esce dalle prese austriache proviene da fonti rinnovabili, mentre in Germania la percentuale è attualmente pari al 57% circa.
| AT | DE | ||
| Impatto GWP in kg di CO2 eq. a livello globale (30 anni, impianto FV completo, 1,5 inverter) | kg di CO2e | 10 755,95 | 10 989,65 |
| Beneficio totale in termini di CO2 (kg CO2-eq., 30 anni) | kg di CO2e | – 126 399,09 | – 188 940,91 |
| Beneficio netto | kg di CO2e | – 115 643,14 | – 177 951,26 |
| Rapporto benefici/costi | 11,8 | 17,2 | |
| Tempo di recupero dell’investimento in CO₂ | Anni | 2,6 | 1,7 |
Conclusioni
L’estrazione delle materie prime, la produzione dei componenti, il trasporto, l’installazione, la manutenzione e la gestione dei rifiuti, incluso il riciclo, sono tutti fattori che incidono significativamente sull’impronta di carbonio di un impianto fotovoltaico.
È vero che la tecnologia solare dipende da alcuni metalli preziosi rari, dall’alluminio, dal vetro e dal silicio, la cui estrazione richiede un notevole dispendio energetico. Molti di questi prodotti provengono inoltre da Paesi che soddisfano gran parte del proprio fabbisogno energetico tramite centrali a carbone, il che incide negativamente sul loro impatto ambientale. Nell’analisi del ciclo di vita degli impianti fotovoltaici, non si devono trascurare né i sistemi di trasporto delle materie prime e dei prodotti fino alla loro destinazione finale, né la gestione dei rifiuti una volta che i componenti hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita.
Ciononostante, i nostri due impianti di esempio in Austria e Germania sono in grado di generare un enorme risparmio in termini di CO2: a seconda del mix energetico del singolo Paese, consentono di risparmiare una quantità di CO2 equivalente pari a 11,8 o 17,2 volte le emissioni dei gas a effetto serra generate dalla loro produzione. Naturalmente, ogni impianto fotovoltaico è unico per via della sua ubicazione e dei suoi componenti e, nel corso del suo funzionamento, produrrà una quantità di energia solare variabile.
In poche parole: sì, dal punto di vista ambientale il fotovoltaico è conveniente.
Avvertenza: per questo articolo abbiamo fatto riferimento ai dati dell’Agenzia internazionale per l’energia (AIE) e del Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Nei calcoli è stato utilizzato il valore medio di diversi tipi di moduli in termini di efficienza e impronta ecologica. Esistono infatti diversi tipi di moduli di qualità variabile, prodotti prevalentemente in Asia, ma non solo. Per quanto riguarda l’inverter, abbiamo attinto alle nostre risorse interne e abbiamo scelto il nostro Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Poiché noi di Fronius rinunciamo al trasporto aereo e produciamo i nostri prodotti utilizzando l’energia elettrica generata dal nostro tetto e l’energia pulita, siamo in grado di ridurre l’impronta di carbonio dei nostri inverter. Ciò significa che i dati relativi a un impianto fotovoltaico esistente o in progettazione potrebbero differire da quelli indicati nell’articolo, qualora fosse installato un prodotto di un altro produttore di inverter.
Volete saperne di più sui vantaggi ambientali del Fronius Symo GEN24 10.0 Plus? Nella nostra analisi del ciclo di vita troverete molti altri dati e cifre interessanti.
