La “grid parity” del fotovoltaico

In questo nuovo articolo, Domenico Coiante ci spiega in maniera analitica che il raggiungimento della completa competitività economica del solare fotovoltaico rispetto alle altre fonti di energia è ancora lungi dall'essere conseguita e che a tale scopo sono necessari ancora degli avanzamenti tecnologici. In particolare, ciò che ostacola la riduzione dei costi di produzione sembra essere proprio il costo dei componenti impiantistici diversi dai moduli fotovoltaici.

Scritto da Domenico Coiante

Da qualche tempo, sempre più frequentemente, appaiono sulla stampa articoli che annunciano come sia ormai a portata di mano il conseguimento della competitività del fotovoltaico per gli impianti direttamente connessi alla rete elettrica, cioè la desiderata “grid parity” tra il costo di produzione del kWh fotovoltaico con quello dei kWh convenzionali che circolano nella rete. Gli annunci più recenti sono quello dell’EPIA (Associazione delle Industrie Fotovoltaiche Europee), che colloca tale evento intorno al 2020, cioè entro circa 9 anni, disponibile cliccando qui e quello comparso sulla rivista “Quale Energia” (www.qualenergia.it), che lo colloca addirittura nel 2013.

Per vedere quanto c’è di vero in queste previsioni, proviamo a riportare i fatti che dovrebbero caratterizzare scientificamente il conseguimento della parità.
Innanzi tutto stabiliamo il significato del concetto di parità economica, o di competitività. Il kWh fotovoltaico è immesso nella rete elettrica ed è pagato allo stesso prezzo dei kWh convenzionali che in quel momento vi stanno circolando. Il prezzo dell’elettricità è regolato dalla legge della domanda e dell’offerta e quindi può variare da una località all’altra, da un’ora all’altra e da un giorno all’altro. Ad esempio, nel corso della giornata il prezzo d’acquisto della rete può variare da circa 5 c€/kWh delle ore notturne a circa 9 c€/kWh nelle ore di punta intorno a mezzogiorno. Allora il confronto andrebbe rigorosamente fatto istante per istante seguendo l’andamento temporale del prezzo. Tuttavia, per lo scopo del nostro lavoro e per non complicare troppo le cose, prendiamo come riferimento il prezzo medio giornaliero unificato su scala nazionale (PUN), che si trova pubblicato sul sito del Gestore del Mercato Elettrico (www.mercatoelettrico.org/It/). Mentre scrivo queste note il PUN odierno medio (24/05/2011) vale 7,51 c€/kWh. In definitiva, per essere competitivo, il kWh fotovoltaico deve costare al massimo questa cifra.

In un mio precedente lavoro, disponibile qui è stato calcolato il costo di produzione del kWh fotovoltaico come:

CkWh = [(AEP)]-1{[QN (1-Tb/dQd)(1-T)-1](B + KR) + KEM} KI

Dove i vari parametri hanno i seguenti valori:
• AEP (annual energy production) = produttività specifica annuale netta espressa in kWh/kW = DH/Ip = 1200 kWh/kWp (media nazionale);
• QN = r/[1 – (1+r)^-N] = fattore di annualità = 0,06505;
• r = tasso annuale d’interesse reale = 5%;
• N = vita operativa dell’impianto = 30 anni;
• T = rateo delle tasse dirette = 0,33;
• b = quota parte dell’investimento in apparati tecnici riconosciuta per il deprezzamento = 0,5;
• d = numero di anni in cui avviene il deprezzamento = 12;
• Qd = r/[1 – (1+r)^-d] = fattore di annualità per l’ammortamento = 0,1295 ;
• B = fattore di maggiorazione del costo di capitale per l’aumento dei prezzi durante la costruzione della centrale = 1;
• KR = frazione dell’investimento per l’acquisto delle parti di ricambio durante l’esercizio = 0,1;
• KEM = frazione dell’investimento impiegata per la spesa annuale di esercizio e manutenzione = 0,01;
• KI = costo specifico dell’impianto espresso in €/kWp;
• D = nmis nth nin ncp = fattore di prestazione dell’impianto = 0,75;
• nmis = fattore di mismatching nell’assemblaggio dei moduli in pannelli = 094;
• nth = fattore medio di temperatura per il riscaldamento dei moduli durante il funzionamento = 0,92;
• nin = fattore medio d’invecchiamento dei moduli nell’arco della vita operativa = 0,93;
• ncp = rendimento del condizionamento di potenza (inverter, ecc.) = 0,94;
• H = insolazione media annuale sui moduli espressa in kWh/m2 = 1600 kWh/m2;
• Ip = intensità della radiazione di picco espressa in kW/m2 = 1 kW/m2.

Inserendo i valori indicati nell’espressione precedente si ricava per il costo del kWh l’espressione:

CkWh = 8,783 10-5 KI

Considerando che il costo specifico dell’impianto fotovoltaico chiavi in mano si aggira oggi intorno a KI = 3000 €/kWp, si ottiene il valore attuale medio in Italia del costo di produzione:

CkWh = 26,3 c€/kWh

Siamo perciò ancora un fattore 3,5 sopra al livello di parità.
Usando ora la stessa espressione come un’equazione per determinare il costo dell’impianto che corrisponde alla parità a 7,51 c€/kWh, otteniamo per KI il valore:

KI0 = 855 €/kWp

Pertanto la parità potrà essere ottenuta solo quando il costo totale dell’impianto scenderà dagli attuali 3000 a 855 €/kWp. Sorgono allora due domande:

1. E’ possibile ottenere questo valore?
2. Se ciò è possibile, quando potrà avvenire?

Vediamo, pertanto, che il quesito circa il conseguimento della parità richiede una risposta positiva alla prima domanda e solo dopo aver verificato questo fatto possiamo cercare di rispondere alla seconda. Evidentemente le previsioni riportate nei due lavori citati danno per scontata la risposta positiva alla prima domanda e cercano di rispondere alla seconda sulla base dell’estrapolazione della curva che esprime l’abbassamento del costo di produzione del kWh in funzione del tempo. Ciò presuppone l’ipotesi che la tendenza attuale di sviluppo possa continuare per gli anni a venire con almeno lo stesso valore presente del tasso annuale di decrescita dei costi. Pertanto la previsione non è basata sulla stima probabilistica del permanere delle condizioni al contorno che stanno permettendo l’abbassamento del costo, ma esprime l’ottimistico desiderio che le cose proseguano indisturbate come ora.

Di fatto, gli esperti di questo genere di previsioni sanno che il modo più corretto di affrontare l’argomento è quello di tracciare la curva d’apprendimento economico e di ragionare su di essa. Proviamo a fare tale operazione con l’intento di verificare la validità delle previsioni.
Ammettiamo per il momento che il costo dell’impianto si sia ridotto agli 855 €/kWp che permettono la parità. Supponiamo che tale costo sia dovuto per il 60% ai moduli fotovoltaici e il 40% al resto del sistema. Avremo così un costo dei moduli pari a circa 513 €/kWp e 342 €/kWp per il resto del sistema.

Tra il prezzo di un prodotto commerciale immesso nel mercato e il numero dei pezzi, venduti cumulativamente nel corso degli anni, esiste una precisa relazione matematica, che può essere rappresentata graficamente su scala bilogaritmica come una funzione lineare decrescente (naturalmente in condizioni ideali di libero mercato e in assenza di vincoli limitativi esterni). In tale rappresentazione il prezzo cala al crescere del volume cumulativo delle vendite. Per capire meglio, basta pensare al prezzo dei telefoni cellulari e a come esso sia calato al crescere della diffusione capillare nell’uso. E’ una legge generale di scala che viene indicata come legge d’apprendimento economico del mercato. L’autore di queste note ha potuto seguire personalmente l’andamento storico dei dati di prezzo relativi ai moduli fotovoltaici a partire dal 1975 ed ha ricostruito (anche avvalendosi di altre fonti di osservazione) la relativa curva d’apprendimento, mostrata in figura.
Ogni punto rappresenta la coppia di valori, prezzo-volume di mercato, di quell’anno. Si parte dal 1975 e si arriva al 2010. I punti sperimentali si dispongono lungo una retta come previsto dalla teoria fino al 2003. Da quell’anno, per i successivi cinque anni, i punti stazionano sullo stesso livello di prezzo discostandosi dalla retta ed infine recuperano verso l’andamento teorico nel 2010.
Lo scostamento degli ultimi anni coincide con l’introduzione nei paesi europei delle incentivazioni governative che hanno causato un eccesso di domanda rispetto alla capacità dell’offerta con conseguente lievitazione anomala dei prezzi.

L’adeguamento della capacità produttiva industriale, nel frattempo intervenuto, sta riportando il sistema nella logica d’apprendimento. Il punto rappresentativo del 2010 si colloca molto vicino al prolungamento della retta, lasciando presumere il prossimo riallineamento all’andamento rettilineo precedente. Assumendo ciò come un’ipotesi probabile, possiamo estrapolare la curva d’apprendimento fino ad incontrare il valore del prezzo dei moduli ritenuto capace di produrre il kWh a costo competitivo. Come visto sopra, tale valore è pari a 513 €/kWp, cioè circa 0,7 $/Wp (1 € = 1,3 $), che nel nostro grafico è rappresentato dalla linea scura orizzontale. L’incontro tra la curva d’apprendimento estrapolata e questo livello avviene per un volume cumulato delle vendite pari all’incirca a 300000 MWp.

Essendo consapevoli di aver azzardato l’ipotesi della ripresa dell’apprendimento normale, la probabilità del raggiungimento della competitività per la coppia di valori, prezzo 0,7 $/Wp – volume di mercato 300000 MWp, ha un margine di confidenza molto alto. Fino a questo punto ci sentiamo abbastanza tranquilli circa la previsione. E’ il passaggio successivo di sostituire la scala dei volumi di mercato con quella temporale che possiede un grado di aleatorietà molto alto. Infatti nulla ci autorizza a dire, a parte la speranza, che il divario tra le vendite cumulate del 2010, circa 40000 MW (www.epia.org “Global market outlook for photovoltaics until 2015”), e il traguardo dei 300000 MW possa essere colmato in tre anni. Significherebbe ammettere che il volume delle vendite possa aumentare a circa 80000 MW all’anno contro i 16500 MW registrati nel 2010.
Viceversa, nell’ipotesi conservativa che in media il volume annuale delle vendite si mantenga per gli anni a venire sul valore di 16500 MW del 2010, il valore cumulativo del mercato raggiungerebbe i 300000 MW in circa 15 anni.
Considerando che il volume annuale delle vendite mostra una tendenza alla crescita, la previsione dell’EPIA di circa 9 anni appare abbastanza realistica.
Pertanto, riassumendo il nostro ragionamento, possiamo dire che, se fosse possibile ridurre il costo degli impianti fotovoltaici a circa 855 €/kWp (60% moduli e 40% resto del sistema), la competitività sarebbe raggiunta entro i prossimi 9-10 anni.

A questo punto, però, è necessario verificare che effettivamente la risposta alla prima domanda sia positiva.
E qui, purtroppo, le cose si complicano notevolmente. Infatti, le analisi economiche applicate alla tecnologia fotovoltaica attuale (silicio cristallino, film sottili, efficienza di conversione commerciale massima al 12-16%) mostrano la presenza di un costo limite per il resto del sistema a circa 1000 €/kWp, cosa che porta il costo totale intorno a un costo limite di 1500 €/kWp (vedere questo mio precedente articolo), il che significa un costo minimo di produzione del kWh pari a 13,1 c€/kWh, ancora non competitivo.

In definitiva, allo stato attuale della tecnologia fotovoltaica e in una stretta logica di mercato, la risposta alla prima domanda è negativa e, pertanto, le previsioni temporali circa il raggiungimento della “grid parity” hanno poco senso. A meno che non si facciano entrare in gioco due aspetti concomitanti: i benefici economici connessi ai vantaggi ambientali del fotovoltaico, cioè il ricorso esplicito alle esternalità, e il passaggio a nuove tecnologie produttive a più alta efficienza in grado di ridurre la superficie degli impianti e, quindi, di abbassare sensibilmente il costo del resto del sistema. Ma questo è un altro discorso.