La maggior parte dei pannelli solari che coprono i tetti, i campi e i deserti del mondo oggi condividono lo stesso ingrediente: il silicio cristallino. Il materiale, realizzato in polisilicio grezzo, viene modellato in wafer e collegato in celle solari, dispositivi che convertono la luce solare in elettricità. Recentemente, la dipendenza dell'industria da questa singolare tecnologia è diventata una sorta di ostacolo. I colli di bottiglia della catena di forniturastanno rallentandonuove installazioni solari in tutto il mondo. Principali fornitori di polisilicio nella regione cinese dello Xinjiang —accusato di ricorrere al lavoro forzato degli uiguri– si trovano ad affrontare le sanzioni commerciali statunitensi.
Fortunatamente, il silicio cristallino non è l’unico materiale che può aiutare a sfruttare l’energia solare. Negli Stati Uniti, scienziati e produttori stanno lavorando per espandere la produzione della tecnologia solare al tellururo di cadmio. Il tellururo di cadmio è un tipo di cella solare a “film sottile” e, come suggerisce il nome, è molto più sottile di una cella solare tradizionale. Oggi i pannelli utilizzano tellururo di cadmioforniscono circa il 40%.del mercato statunitense dei servizi pubblici e circa il 5% del mercato solare globale. E trarranno vantaggio dai venti contrari che affliggono il settore solare in generale.
"È un momento molto instabile, soprattutto per la catena di approvvigionamento del silicio cristallino in generale", ha affermato Kelsey Goss, analista di ricerca solare per il gruppo di consulenza energetica Wood Mackenzie. “C’è un grande potenziale per i produttori di tellururo di cadmio di conquistare maggiori quote di mercato nel prossimo anno”. Soprattutto, ha osservato, dal momento che il settore del tellururo di cadmio si sta già espandendo.
A giugno, il produttore di energia solare First Solar lo aveva annunciatoinvestire 680 milioni di dollariin una terza fabbrica solare al tellururo di cadmio nel nord-ovest dell'Ohio. Una volta terminato l'impianto, nel 2025, l'azienda sarà in grado di produrre nell'area 6 gigawatt di pannelli solari. Ciò è sufficiente per alimentare circa 1 milione di case americane. Un'altra azienda solare con sede nell'Ohio, Toledo Solar, è recentemente entrata nel mercato e sta producendo pannelli al tellururo di cadmio per i tetti residenziali. E a giugno, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e il suo Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili, o NREL,ha lanciato un programma da 20 milioni di dollariaccelerare la ricerca e far crescere la filiera del tellururo di cadmio. Uno degli obiettivi del programma è quello di aiutare a isolare il mercato solare statunitense dai vincoli di fornitura globale.
I ricercatori dell’NREL e della First Solar, precedentemente chiamata Solar Cell Inc., hanno lavorato insieme dall’inizio degli anni ’90 per svilupparetecnologia del tellururo di cadmio. Il cadmio e il tellururo sono sottoprodotti rispettivamente della fusione dei minerali di zinco e della raffinazione del rame. Mentre i wafer di silicio sono collegati insieme per creare cellule, il cadmio e il tellururo vengono applicati come uno strato sottile – circa un decimo del diametro di un capello umano – su una lastra di vetro, insieme ad altri materiali conduttori di elettricità. First Solar, oggi il più grande produttore di film sottile al mondo, ha fornito pannelli per impianti solari in 45 paesi.
La tecnologia presenta alcuni vantaggi rispetto al silicio cristallino, ha affermato la scienziata del NREL Lorelle Mansfield. Ad esempio, il processo a film sottile richiede meno materiali rispetto all’approccio basato su wafer. La tecnologia a film sottile è adatta anche per l’uso in pannelli flessibili, come quelli che coprono zaini o droni o sono integrati nelle facciate e nelle finestre degli edifici. È importante sottolineare che i pannelli a film sottile funzionano meglio a temperature elevate, mentre i pannelli in silicio possono surriscaldarsi e diventare meno efficienti nel generare elettricità, ha affermato.
Ma il silicio cristallino ha il sopravvento in altri aspetti, come l’efficienza media, ovvero la percentuale di luce solare che i pannelli assorbono e convertono in elettricità. Storicamente, i pannelli in silicio hanno avuto efficienze più elevate rispetto alla tecnologia al tellururo di cadmio, anche se il divario si sta riducendo. I pannelli in silicio prodotti industrialmente di oggi possono raggiungere efficienze didal 18 al 22%., mentre First Solar ha riportato un'efficienza media del 18% per i suoi pannelli commerciali più recenti.
Tuttavia, la ragione principale per cui il silicio ha dominato il mercato globale è relativamente semplice. "Tutto si riduce al costo", ha detto Goss. “Il mercato solare tende ad essere fortemente guidato dalla tecnologia più economica”.
Il silicio cristallino costa da 0,24 a 0,25 dollari per produrre ogni watt di energia solare, una cifra inferiore a quella degli altri concorrenti, ha affermato. First Solar ha affermato di non riportare più il costo per watt per produrre i suoi pannelli al tellururo di cadmio, ma solo che i costi sono “diminuiti in modo significativo” dal 2015, quando l’aziendacosti riportati di $ 0,46 per watt- e continuano a diminuire ogni anno. Ci sono alcune ragioni per la relativa economicità del silicio. La materia prima polisilicio, utilizzata anche nei computer e negli smartphone, è più ampiamente disponibile e poco costosa rispetto alle forniture di cadmio e tellururo. Con l’aumento delle fabbriche di pannelli in silicio e relativi componenti, i costi complessivi di produzione e installazione della tecnologia sono diminuiti. Anche il governo cinese ha pesantementesostenuto e sovvenzionatoil settore solare al silicio del paese, tanto è verocirca l'80%.della catena di fornitura mondiale per la produzione di energia solare passa ora attraverso la Cina.
Il calo dei costi dei pannelli ha determinato il boom globale del solare. Negli ultimi dieci anni, la capacità solare installata totale nel mondo ha visto un aumento di quasi dieci volte, da circa 74.000 megawatt nel 2011 a quasi 714.000 megawatt nel 2020.secondol’Agenzia internazionale per le energie rinnovabili. Gli Stati Uniti rappresentano circa un settimo del totale mondiale, e ora lo è anche l’energia solareuna delle fonti più grandidi nuova capacità elettrica installata ogni anno negli Stati Uniti.
Allo stesso modo si prevede che il costo per watt del tellururo di cadmio e di altre tecnologie a film sottile diminuirà con l’espansione della produzione. (Primo Solar diceche quando aprirà la sua nuova struttura in Ohio, la società offrirà il costo per watt più basso dell'intero mercato solare.) Ma il costo non è l'unico parametro che conta, come chiariscono gli attuali problemi della catena di fornitura del settore e le preoccupazioni sulla manodopera.
Mark Widmar, amministratore delegato di First Solar, ha affermato che l'espansione da 680 milioni di dollari prevista dalla società fa parte di uno sforzo più ampio per costruire una catena di fornitura autosufficiente e “disaccoppiare” l'industria solare statunitense dalla Cina. Sebbene i pannelli al tellururo di cadmio non utilizzino polisilicio, First Solar ha percepito altre sfide che il settore deve affrontare, come gli arretrati indotti dalla pandemia nel settore del trasporto marittimo. Ad aprile, First Solar ha dichiarato agli investitori che la congestione nei porti americani stava bloccando le spedizioni di pannelli dai suoi stabilimenti in Asia. L'aumento della produzione statunitense consentirà all'azienda di utilizzare strade e ferrovie per spedire i suoi pannelli, non navi mercantili, ha affermato Widmar. E il programma di riciclaggio esistente dell’azienda per i suoi pannelli solari le consente di riutilizzare i materiali più volte, riducendo ulteriormente la sua dipendenza da catene di approvvigionamento e materie prime estere.
Mentre First Solar produce pannelli, gli scienziati dell'azienda e della NREL continuano a testare e migliorare la tecnologia del tellururo di cadmio. Nel 2019, i partnersviluppato un nuovo approcciociò comporta il “drogaggio” dei materiali a film sottile con rame e cloro per ottenere efficienze ancora più elevate. All'inizio di questo mese, NRELha annunciato i risultatidi un test sul campo durato 25 anni presso la sua struttura all'aperto a Golden, in Colorado. Una serie di 12 pannelli al tellururo di cadmio funzionava all'88% della sua efficienza originale, un risultato notevole per un pannello rimasto all'esterno per oltre due decenni. Il degrado “è in linea con ciò che fanno i sistemi al silicio”, secondo il comunicato NREL.
Mansfield, lo scienziato del NREL, ha affermato che l'obiettivo non è sostituire il silicio cristallino con il tellururo di cadmio o stabilire che una tecnologia sia superiore all'altra. "Penso che ci sia posto per tutti sul mercato e ognuno di essi ha le proprie applicazioni", ha affermato. “Vogliamo che tutta l’energia venga destinata a fonti rinnovabili, quindi abbiamo davvero bisogno di tutti questi diversi tipi di tecnologia per affrontare questa sfida”.
Orario di pubblicazione: 17 settembre 2021