Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


lunedì 25 luglio 2016

Il fotovoltaico è una vera fonte energetica!

Da “Cassandra's Legacy”. Traduzione di MR

Questo è un commento di Luis De Souza su un recente articolo di Ferroni e Hopkirk che hanno riportato un rendimento energetico negativo degli impianti fotovoltaici in Svizzera (in altre parole, un ritorno energetico, EROEI, minore di 1). E' un risultato anomalo, considerando che un'analisi complessiva del campo ha riportato valori di EROEI di 11-12 per la tecnologia fotovoltaica più comune. Quindi cosa c'è di sbagliato nell'articolo di Ferroni e Hopkirk? Molte cose, pare. Qui, De Souza mostra che il fotovoltaico è una fonte di energia, persino in un paese non molto soleggiato come la Svizzera. De Souza conclude che qualcosa è andato incredibilmente storto nella procedura di revisione della rivista che ha pubblicato l'articolo di F&H, “Energy Policy”. Questo sembra essere vero e potrebbe interessarvi di sapere che è stata preparata e sottoposta alla rivista una confutazione di quell'articolo da parte di un gruppo di ricercatori esperti nel campo dei calcoli energetici. La confutazione scopre molte cose sbagliate in più nell'articolo di F & H che in quelli identificati da De Souza. In breve, Energy Policy è riuscita a pubblicare uno studio pieno di errori che non avrebbe mai dovuto essere pubblicato in una rivista scientifica. Sfortunatamente è stato fatto ed ora un sacco di persone lo usano a supporto della guerra alle rinnovabili. (U.B.)




Il fotovoltaico non è uno spreco energetico in Svizzera

Di  Luis De Souza

Energy Policy ha di recente pubblicato uno studio condotto sul EROEI delle tecnologie fotovoltaiche (FV) installate in Svizzera. Il risultato finale è una cifra notevolmente bassa, cioè 0,8:1. Ben al di sotto di qualsiasi valutazione del EROEI mai condotta su questa tecnologia energetica.

Un tale valore ha naturalmente deliziato coloro che fanno campagne contro l'energia rinnovabile, che prende per oro colato qualsiasi indizio di prestazione negativa. Tuttavia, da questo studio emerge immediatamente un numero: il rendimento energetico medio del ciclo di vita di 106kWh/m2/a. A quanto pare, uno sguardo più ravvicinato a questo singolo valore è sufficiente a negare l'ipotesi che il fotovoltaico in Svizzera sia un pozzo energetico.


Controllo di base

Il promo controllo che si può condurre su questo studio sul EROEI è quello di confrontarlo con valutazioni precedenti. Pedro Prieto e Charles Hall hanno prodotto quello che probabilmente è lo studio del EROEI più conservativo sul FV, concludendo con un valore di 2,4:1 per la Spagna. C'è molto da discutere in questo studio, in particolare la traduzione arbitraria di requisiti non fisici di un sistema FV in ingressi energetici, ma per lo scopo del confronto prendiamo come buono questo valore basso.

La radiazione solare annuale alla latitudine di Madrid (40° N) è nella gamma dei 2.000 kWh/m2. Alla latitudine di Berna (47° N) questo valore scende a 1.500 kWh/m2. Ipotizzando che gli ingressi energetici straordinariamente alti conteggiati da Prieto e Hall per la Spagna valgano anche per la Svizzera, si potrebbe applicare direttamente la regola del tre per conteggiare un valore di EROEI di 1,8:1

Notate qui che l'EROEI è una misura logaritmica. Pertanto 1,8:1 è considerevolmente più vicino a 2,4:1 che a 0,8:1. Queste semplici cifre cominciano a mostrare che c'è qualcosa di fondamentalmente imbarazzante nei risultati presentati da Ferroni e Hopkirk.


Perché energia per unità di area?

L'articolo in sé stesso non è molto dettagliato e lascia molto all'interpretazione del lettore. Tuttavia, c'è una cifra chiave in gioco in questo studio sul EROEI che emerge immediatamente: una produzione media di energia per la durata dell'impianto di 106 kWh/m2/a per i pannelli solari installati in Svizzera. Francamente, sembra una cifra stranamente bassa, ma c'è qualcosa di più problematico. Ogni modello di pannello solare è progettato e costruito in modo diverso, con celle distribuite in modi diversi. Persino fra quelli prodotti dagli stessi produttori, le capacità per unità di area possono essere molto diverse.

Il grafico sotto mostra le capacità per unità di area dei diversi modelli presenti sul mercato di diversi produttori, compresi i tre più importanti del mondo.



Anche se Ferroni e Hopkirk non indicano mai quale produzione energetica per capacità installata stiano usando, questo campione di capacità di un pannello per unità di area ci permette di approfondire un po'. La figura sotto presenta questi calcoli per questi stessi modelli di pannello.



Di nuovo, le cifre variano ampiamente, con la media che si trova al di sotto dei 700 Wh/Wp/a.


Confronto con PVGIS

PVGIS è una applicazione web sviluppata dal Joint Research Centre (JRC) che calcola la produzione energetica di un sistema FV tenendo conto dell'isolamento solare annuale, dell'orientamento del pannello e delle perdite di sistema di cablaggio, inverter, temperatura, riflettanza angolare ed altro. PVGIS non è stata aggiornata negli ultimi anni e per i sistemi più recenti so per esperienza che le sue stime del primo anno di produzione sono al ribasso dal 5% al 10%. Ma per questo esercizio i suoi risultati vengono presi per buoni.

La tavola sotto è il risultato prodotto da PVGIS per un sistema ipotetico classificato a 1kWp, orientato in modo ottimale ed installato intorno a dove vivo io, nel Cantono di Zurigo (47°N, nella Svizzera nordoccidentale). Il valore più rilevante in questo rapporto è la stima di produzione di energia: 1090 Wh/Wp/a. Anche se si tratta di una stima di un sistema orientato perfettamente, fornisce una buona misura di dove poggia realmente il valore di rendimento energetico annuale di Ferroni e Hopkirk.



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Confronto con le statistiche svizzere

Ferroni e Hopkirk citano le statistiche compilate dall'Ufficio Federale Svizzero per l'Energia (UFSE) come fonte del loro valore di106 kWh/m2/a. Ci sono numerosi documenti diversi nel sito web dell'UFSE che abbracciano tutti gli ambiti di produzione e consumo di energia.

In anni recenti l'UFSE ha prodotto un rapporto annuale sull'energia rinnovabile con una serie di valori importanti. Il rapporto del 2015 non è ancora disponibile, pertanto i valori usati qui vanno solo fino al 2014. Si tratta di tutti dati aggregati, ma sono già sufficienti a fornire un altro percorso di investigazione nel valore di Ferroni e Hopkirk.

Dopo aver letto questi rapporti, una cosa diventa evidente: l'UFSE non usa la misura di produzione di energia per unità di area citata da Ferroni e Hopkirk. Come mi aspettavo, i valori di generazione media di elettricità sono invece forniti in produzione di energia per capacità installata (Wh/Wp/a).

In secondo luogo, è importante notare che il FV è una cosa relativamente nuova in Svizzera, la capacità installata è aumentata solo di recente, quasi triplicando dal 2012 al 2014. Alla fine del 2014 c'erano 1060 Mwp di pannelli fotovoltaici installati in Svizzera, un valore che è cresciuto del 40% solo quell'anno. Durante il 2014la generazione di elettricità da Fv ha raggiunto gli 841 GWh.

Ipotizzando che tutti i nuovi sistemi installati nel 2014 fossero connessi alla rete dal primo gennaio, per l'anno viene fuori un valore di 794 Wh/Wp. Questo si trova ancora dal lato alto della possibile generazione per i valori di capacità installata usati da Ferroni e Hopkirk. Tuttavia, ipotizzando che questi nuovi sistemi fossero collegati alla rete ad un ritmo regolare per tutto l'anno, questo numero sale a 927 Wh/Wp. Si tratta di meno del 15% in meno della stima di PVGIS e probabilmente spiegabile con un orientamento non ottimale di alcuni sistemi ed una piccola percentuale di sistemi più vecchi e probabilmente meno efficienti. Di solito i sistemi tendono ad essere installati verso la fine dell'anno, per usufruire del quadro legislativo più favorevole.

Possibili cause

La prima causa che viene in mente per un valore  rendimento energetico così basso è un fattore di efficienza della cella sbagliato. Le celle FV vengono classificate in esperimenti controllati in cui la loro produzione energetica viene valutata ad una temperatura di 25°C e con una radiazione costante di 1 kW/m2. Questa valutazione è molto utile per confrontare diverse tecnologie di celle. Le celle cristalline moderne di larga diffusione raggiungono fattori di efficienza fra il 145 e il 16%, cioè convertono qwuella percentuale di radiazione incidente in corrente elettrica.

Visto che Ferronie Hopkirk presentano un rendimento medio di vita in energia per unità di area, questi autori potrebbero aver convertito la radiazione incidente in Svizzera direttamente in un rendimento energetico. Tuttavia, al posto di usare i valori sopra, il fattore di efficienza che hanno usato dev'essere stato nell'ordine del 8-9% per portare ad un valore di energia per capacità installata di circa 690 Wh/Wp/a. Fattori di conversione così bassi sono più comuni con le tecnologie a film sottile.

Una seconda ipotesi è l'impiego di un tasso di degrado della cella insolitamente alto. Le celle FV perdono le loro proprietà nel tempo, sia per il caldo al quale sono esposte sia per la radiazione solare in sé stessa. Anche se strumenti come PVGIS possono facilmente modellare le perdite di sistema, di solito lasciano fuori questo tasso di degrado. I centri di ricerca come il JRC hanno valutato le tecnologie FV per decenni, concludendo per un tasso di degrado del rendimento energetico nell'ordine dello 0,5%/a. Inoltre, questi studi a lungo termine indicano anche che le celle tendono a degradarsi in modo lineare.

La figura seguente presenta due tassi di degrado ipotetici che abbassano un pannello FV da 1090 Wh/Wp/a ad un rendimento medio di 690 Wh/Wp/a in un ciclo di vita di 25 anni: un degrado lineare di 33,5 Wh/Wp/a ed un declino logaritmico del 4%. In entrambi i casi il rendimento energetico scende sotto la metà prima della fine della vita del sistema.




Anche se questa seconda ipotesi è la mia preferita, non spiega l'impiego dello strano valore di energia per unità di area. Inoltre, questi tassi di degrado ipotizzavano che di fronte ad un rapido collasso della produzione di energia, i proprietari non attivino mai la garanzia del pannello.

Note finali

Sostituendo i valori di rendimento inspiegabilmente bassi usati in questo studio con quelli del UFSE è già sufficiente per portare il parco FV svizzero in un territorio di energia netta positiva. Tuttavia, tale risultato risulta ancora lontano dalle valutazioni precedenti del EROEI del FV, anche quelle molto conservative prodotte da Prieto e Hall. Così come le ipotesi di rendimento energetico si sono rivelate problematiche in questo studio, mi aspetto di trovare imbarazzi analoghi dal lato dell'ingresso energetico dell'equazione. Tuttavia, lascio che questo aspetto venga valutato da altri.

La pubblicazione di uno studio del genere da parte di un soggetto rinomato chiede una profonda riflessione. L'ultimo articolo che ho scritto in una rivista scientifica è stato per oltre due anni in revisione. Questo di solito è  un processo lento e doloroso. Essendo io stesso un editore e revisore di pubblicazioni scientifiche, sono faccio fatica a spiegare come sia riuscito un tale valore problematico di 106 kWh/m2/a a superare il processo del peer review. Avrebbe dovuto essere sollevata subito una bandierina rossa per chiunque abbia un minimo di famigliarità con la tecnologia fotovoltaica e l'economia, richiedendo un esame attento da parte dei revisori così come dell'editore. Qualcosa di fondamentale è andato storto nel processo di peer review su Energy Policy.


I messaggi da portare a casa

Il valore di EROEI concluso da Ferroni e Kopkirk per il FV è il più basso di sempre e ben al di sotto degli studi precedenti.

Questi autori usano unita di misura imbarazzanti che offuscano molto le loro ipotesi sui rendimenti energetici annuali.

In questo studio è stato usato un campione di diversi modelli di pannello indica un rendimento energetico inferiore ai 700 Wh/Wp/a.

Le statistiche ufficiali indicano un rendimento medio ben al di sopra dei 900 Wh/Wp/a per quanto riguarda il parco Fv svizzero. Ciò è in linea coi valori degli strumenti di valutazione di PVGIS.

Il processo peer review presso Energy Policy non funziona in modo appropriato.