Valutazioni ambientali del ciclo di vita di un impianto fotovoltaico

Tesi di Valentina Mazzarini                           --> presentazione (ppt)

Lo studio svolto con questa tesi vuole promuovere l’utilizzo del fotovoltaico e valutare tramite la metodologia LCA gli impatti ambientali ad esso correlati.

Lo studio è suddiviso in tre sezioni principali, nella prima viene effettuata la fattibilità tecnica dell’impianto fotovoltaico da installare a Jesi valutando due alternative di progettazione; nella seconda parte viene svolta l’analisi ambientale dell’impianto ed infine, nell’ultima sezione, verranno presentate le valutazioni economiche riguardanti l’impianto stesso.

Nella fase di progettazione dell’impianto fotovoltaico di Jesi sono state esaminate due configurazioni.

Con la prima configurazione si vuole garantire il massimo irraggiamento, ottenuto con un azimuth pari a 0° ed un angolo di tilt di 30°, in questo caso però a causa del fenomeno dell’ombreggiamento tra le stringhe non è possibile installare una potenza nominale che consenta di coprire il fabbisogno energetico dell’impresa di Jesi. Per tale motivo è stata valutata la seconda configurazione che presenta un azimuth pari a -54° ed un angolo di tilt di 3°, con tali parametri otteniamo un valore inferiore dell’irraggiamento, ma grazie all’assenza del fenomeno dell’ombreggiamento tra le file, è possibile coprire l’intera superficie del solaio. Con tale configurazione l’energia prodotta consente di soddisfare il fabbisogno dell’impresa di Jesi. Nelle successive analisi ambientali verrà valutata la seconda alternativa.

L’analisi ambientale è stata svolta mediante la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), che permette la valutazione degli impatti ambientali lungo tutte le fasi del ciclo di vita. Il ciclo di vita di un prodotto considera tutti i processi che prendono luogo dall’estrazione delle materie prime passando per la produzione, l’uso ed il mantenimento del prodotto, fino al riutilizzo e smaltimento di tutti i rifiuti finali.

Per effettuare le analisi che caratterizzano lo studio si è utilizzato il software SimaPro (versione 7.1.5) e le metodologie impiegate nel presente studio sono: Eco-indicator99, Impact 2002+, EPS 2000, EDIP 2003 ed IPCC 100a.

La prima LCA sviluppata ha come obiettivo la valutazione del danno ambientale dell’impianto fotovoltaico di Jesi, i confini del sistema vanno dall’estrazione delle materie prime per la produzione dell’impianto fino alla fase di uso dello stesso. L’unità funzionale analizzata è rappresentata dall’energia elettrica prodotta durante tutta la vita dell’impianto (di 30 anni) pari a 644'971 kWh, considerando una riduzione di efficienza nella conversione di energia pari all’1% annuo.

Dai risultati della prima analisi effettuata con Eco-indicator99 emerge che il danno complessivo è pari a 3'991,4 Pt, il contributo maggiore è dato dalla categoria Resources(72,38%), seguita da  Human health (21,46%), e da Ecosystem Quality (6,16% ). L’efficienza di conversione è pari al 3,9% perciò con 1 MJ di energia non rinnovabile (utilizzata durante la fase di produzione dell’impianto) otteniamo 3,9 MJ di energia “pulita”. Mentre l’EPBT (Energy Pay Back Time), che rappresenta il rapporto dell’energia consumata durante le fasi di produzione e quella prodotta durante la vita del sistema, per dell’impianto è di circa 8 anni, mentre per il pannello è di circa 5 anni.

La seconda analisi è stata effettuata con Impact 2002+ e dai risultati ottenuti il danno ambientale totale vale 13,435 Pt , ed in questo caso la categoria di impatto più colpita è Human health (36,76%), seguito da Resources (30,02% ); da Climate change (27,11% )e da Ecosystem Quality (6,11%). L’efficienza di conversione vale 3,61%, mentre l’EPBT dell’impianto è di 7 anni e 8 mesi, mentre quello del pannello è di circa 5 anni.

Dai risultati con EPS 2000 che valuta in termini monetari l’impatto ambientale, il danno totale vale 81'765 ELU(corrispondenti agli €),al quale il contributo maggiore è determinato da Abiotic stock resource (79,95%), seguito da Human health (12,6%), da Ecosystem production capacity (7,37% ), e da Biodiversity (0,09%).

La successiva analisi è stata svolta con EDIP 2003, dai risultati si evince che l’impatto totale vale 772,6 Pt dovuto a Resources per il 72.05% , seguita da  Human toxicity soil per il 10.07%, da Radioactive waste per il 5.83%, da Global warming 100° per il 0.74% , e da Ozone depletion per il 0.22%.

Infine con IPCC sono state calcolate le tonnellate di anidride carbonica equivalenti che sono pari a 37'086,2 kg, tale valore è determinato principalmente dalla produzione del pannello, seguito dalla fabbricazione della struttura di sostegno.

Per quanto riguarda l’end of life dei moduli in Silicio Policristallino è stato preso in considerazione il processo di riciclo di Deutsche Solar, costituito da due fasi principali: in primo luogo avviene il trattamento termico che permette la separazione dei materiali; e successivamente si ha il trattamento chimico delle celle che consente di ottenere un silicio con le caratteristiche adatte per la produzione di un nuovo modulo.

A seguito dell’importanza del fine vita, sono stati proposti quattro tipi di modellizzazione del riciclo in virtù dei confini del sistema considerati.

La prima ipotesi considera le seguenti fasi:

ü  Trasporto da Jesi a Freiberg;

ü  Trattamento termico per la separazione dei materiali;

ü  Trattamento chimico per il recupero del silicio;

ü  Produzione di semilavorati dall’impianto primario.

Inoltre viene inserito il prodotto evitato rappresentato dai materiali primari di cui si evita la nuova produzione per effetto del processo di riciclo. Dall’analisi dei risultati effettuata con IMPACT si evince che il danno vale -0,395 Pt, il contributo maggiore è dato dal trattamento chimico, seguito dalla produzione dei semilavorati dall’impianto primario, mentre il prodotto evitato consente di abbattere l’impatto complessivo con il suo contributo negativo.

Nella seconda ipotesi vengono ampliati i confini della funzione di riciclo con la prima ipotesi fino alla produzione dell’impianto fotovoltaico secondario. I prodotti evitati corrispondono a quelli definiti nella prima supposizione ed in più vengono inserite le energie necessarie per la produzione del pannello in silicio policristallino. Il danno complessivo vale 0,049 Pt ed è dovuto principalmente al trattamento chimico ed alle energie utilizzate per la produzione dell’impianto secondario.

La terza ipotesi  viene sviluppata come la prima, la differenza principale riguarda l’esclusione dei prodotti evitati che non sono inseriti nell’analisi e l’utilizzo del concetto di co-prodotto.

Il co-prodotto viene utilizzato quando i flussi di input e di output di un processo devono essere attribuiti a più prodotti che sfruttano la medesima procedura, perciò risulta necessario introdurre una base di allocazione, che consente la ripartizione dei flussi in entrata ed in uscita. I due co-prodotti, nella seguente supposizione, sono rappresentati dalla funzione di riciclo dell’impianto FV primario e dall’impianto secondario. L’impatto ambientale complessivo vale 0,029 Pt ed è causato principalmente dal trattamento termico e dalla produzione dei semilavorati.

Con l’ultima ipotesi di riciclo vengono considerate sono le seguenti fasi: trasporto da Jesi a Freiberberg; trattamento termico per la separazione dei materiali costituenti; la produzione dei semilavorati dall’impianto primario e lo smaltimento in discarica dei materiali non recuperabili.  Il danno totale vale 0,033 Pt ed è dovuto principalmente al trasporto e alla produzione dell’alluminio secondario.

I risultati ottenuti con la terza e quarta ipotesi sono molto simili, ciò sta ad avvalorare la correttezza dell’allocazione su base energetica.

Dopo aver definito le quattro ipotesi di riciclo si è passati alla valutazione del ciclo di vita considerando anche tali processi. Dal confronto dei quatto LCA di tipo “cradle to grave”e “cradle to cradle” con le diverse ipotesi di riciclo emerge che con l’ipotesi 1, valida quando si allargano i confini del sistema fino alla produzione dei semilavorati ottenuti dal riciclo,  si ha una riduzione del danno del 19.58%, tale riduzione è dovuta all’utilizzo del prodotto evitato. Mentre con le altre ipotesi si ha un aumento del danno tra 1’1 e il 3%. La principale differenza tra le prime due ipotesi sta nell’attribuzione alla seconda delle energie necessarie per la produzione del pannello secondario, anche se entrambe contemplano il concetto del prodotto evitato, che quindi riduce l’impatto ambientale complessivo.

Successivamente sono state confrontate le diverse fonti rinnovabili e non per la produzione di un 1 kWh, dall’analisi risulta che il danno minore è prodotto dalle energie rinnovabili, e tra queste quello inferiore è dell’energia idroelettrica. L’impatto ambientale maggiore è dovuto all’energia da carbone, seguito da quella del petrolio e dal gas naturale. Inoltre è importante ricordare che mentre per le energie rinnovabili gli impatti ambientali si registrano durante la fase di produzione dell’impianto, per le energie non rinnovabili si hanno soprattutto durante la fase di uso e manutenzione.

In seguito sono state comparate le tecnologie fotovoltaiche presenti nel mercato: Silicio policristallino, Silicio monocristallino e Tellurio di Cadmio. Dall’analisi si nota che il fotovoltaico in silicio policristallino è quello che produce il minor danno, mentre la tecnologia a film sottile (CdTe) produce il maggior impatto (18.37% in più del multi-Si).

Infine viene messo a confronto il danno ambientale dovuto all’inserimento di uno strato di isolante nelle pareti dell’edificio dell’impresa di Jesi con un impianto fotovoltaico in silicio policristallino. Dalla comparazione si nota che aumentando la percentuale di energia risparmiata, attraverso l’utilizzo dello strato di isolante, incrementa il vantaggio nell’uso di quest’ultimo.

Nell’ultima fase di studio è stata presa in considerazione la valutazione economica dell’impianto FV, in primo luogo sono stati valutati: il VAN (analizzato per i 30 anni di vita dell’impianto) che risulta pari a 87975 € ed il PBT (tempo di recupero di investimento) che vale 8 anni e 4 masi. Successivamente sono stati confrontati i costi interni ed esterni relativi all’impianto. Il costo esterno è stato valutato con EPS 2000 e con Eco-Indicator 99 (modificato dal gruppo di studio); con il primo metodo risulta essere pari a 81'765 €, mentre con il secondo vale 2327 €. Tale divergenza tra i due metodi è dovuta alla diversa considerazione riguardo la categoria delle risorse. I costi esterni sono sostenuti dalla comunità come gli incentivi del Conto Energia dati ai possessori degli impianti fotovoltaici, mentre il VAN rappresenta il guadagno per l’impresa che installa l’impianto FV.

A seguito degli eccessivi costi che devono essere sostenuti dalla comunità si è pensato di sviluppare un calcolo sperimentale degli incentivi. Tramite il confronto con EPS tra un impianto a gas e il nostro impianto FV con la prima ipotesi di riciclo, si sono ottenuti i costi relativi ai due impianti per la produzione della stessa quantità di energia. Dal rapporto della differenza dei precedenti costi e l’energia prodotta durante i 20 anni considerati nel Conto Energia, è stato ricavato il valore dell’incentivo pari a 0,321 €/kWh che risulta essere inferiore rispetto a quello elargito dallo Stato (0,377 €/kWh per gli impianti parzialmente integrati).

Infine è stato presentato un foglio di calcolo che consente, variando alcuni parametri di progettazione, di dimostrare come si modificano gli impatti ambientali correlati all’impianto FV, senza l’utilizzo del software per l’elaborazione dell’analisi.