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Il Giappone può riconquistare la sua energia solare?
Il modo in cui il Paese del Sol Levante ha costruito e perso il suo predominio nel fotovoltaico mostra quanto le rinnovabili rimangano vulnerabili al cambiamento delle politiche e delle politiche nazionali. 18 dicembre 2014
Ci sono 38 °C nella penisola di Atsumi a sud-ovest di Tokyo: un'ondata di caldo mortale ha attanagliato gran parte del Giappone alla fine di questa estate. All'interno degli uffici di una centrale elettrica di nuova costruzione gestita dalla società di materie plastiche Mitsui Chemicals, l'AC sta esplodendo. All'esterno, 215.000 pannelli solari stanno convertendo la luce solare in 50 megawatt di elettricità per la rete locale. Tre turbine eoliche alte 118 metri erette nel sito aggiungono sei megawatt di capacità di generazione per sostenere i pannelli solari durante l'inverno.
L'impianto di Mitsui è solo una delle migliaia di installazioni di energia rinnovabile in corso mentre il Giappone affronta la sua terza estate consecutiva senza l'uso dei reattori nucleari che avevano fornito quasi il 30% della sua elettricità. In Giappone le persone si riferiscono al terremoto e al disastro nucleare della centrale nucleare di Fukushima Daiichi della Tokyo Electric Power Company l'11 marzo 2011 come Three-Eleven. La contaminazione radioattiva ha costretto più di 100.000 persone a evacuare e ha terrorizzato altri milioni di persone. Ha anche inviato un'onda d'urto attraverso il già fragile settore manifatturiero del Giappone, che è il secondo datore di lavoro del paese e rappresenta il 18% della sua economia.
Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2015
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Undici dei 54 reattori nucleari del Giappone sono stati chiusi il giorno del terremoto. Un anno dopo tutti i reattori in Giappone erano fuori servizio; ognuno doveva essere aggiornato per soddisfare standard di sicurezza elevati e quindi mettersi in coda per le ispezioni. Durante la mia visita di quest'estate, il Giappone era ancora senza energia nucleare e solo il risparmio energetico aggressivo ha tenuto le luci accese. Nel frattempo, il paese utilizzava così tanto combustibili fossili importati che i prezzi dell'elettricità erano aumentati di circa il 20% per le case e del 30% per le imprese, secondo il Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria (METI) del Giappone.

La cosiddetta Arca Solare di Sanyo Electric, costruita nel 2001 durante il periodo di massimo splendore del boom solare iniziale del paese, è stata progettata per generare 630 kilowatt di energia, rendendolo uno degli impianti solari più grandi del mondo. Vanta 5.046 pannelli solari.
La crisi energetica post-Fukushima, tuttavia, ha alimentato le speranze per l'industria delle energie rinnovabili del paese, in particolare le sue attività solari. Come una delle sue ultime mosse prima di lasciare l'incarico nell'estate del 2011, il primo ministro Naoto Kan ha stabilito tariffe feed-in potenzialmente redditizie per stimolare l'installazione di energia solare, eolica e altre forme di energia rinnovabile. Le tariffe feed-in fissano una tariffa maggiorata alla quale le utility devono acquistare l'energia generata da tali fonti.
L'incentivo del governo è ciò che ha motivato Mitsui a utilizzare finalmente il terreno originariamente acquistato per una fabbrica di materie plastiche per automobili che non è mai stata costruita perché le case automobilistiche hanno spostato le attività di produzione all'estero. Il sito era rimasto inattivo per 21 anni prima che Mitsui costituisse un consorzio per aiutare a finanziare un investimento di 180 milioni di dollari in pannelli solari e turbine eoliche. Muovendosi rapidamente, Mitsui ei suoi sei partner si sono qualificati per le tariffe feed-in 2012 che promettevano impianti solari su scala industriale 40 yen (35 centesimi) per kilowattora generato per 20 anni. A quel prezzo, dice Shin Fukuda, l'ex ingegnere nucleare che gestisce l'attività energetica e ambientale di Mitsui, il consorzio dovrebbe riguadagnare il proprio investimento in 10 anni e raccogliere sostanziali profitti dalla struttura rinnovabile per almeno un altro decennio.
Durante la notte, il Giappone è diventato il mercato solare più caldo del mondo: in meno di due anni dopo lo scioglimento di Fukushima, il paese ha più che raddoppiato la sua capacità di generazione solare. Secondo METI, gli sviluppatori hanno installato quasi 10 gigawatt di capacità di generazione rinnovabile fino alla fine di aprile 2014, inclusi 9,6 gigawatt di fotovoltaico. (I reattori nucleari di Fukushima Daiichi avevano una capacità di 4,7 gigawatt; nel complesso, il paese ha circa 290 gigawatt di capacità di generazione di elettricità installata.) Tre quarti della nuova capacità solare era in installazioni su larga scala come quella di Mitsui.
Eppure questa esplosione della capacità solare segna un trionfo agrodolce per i produttori di pannelli solari giapponesi, che avevano guidato la progettazione del fotovoltaico negli anni '80 e lanciato l'industria solare globale negli anni '90. Amaro perché la maggior parte dei milioni di pannelli installati sono importazioni effettuate fuori dal paese. Anche alcuni produttori giapponesi, tra cui Sharp leader di mercato, hanno iniziato ad acquistare pannelli prodotti all'estero ea venderli in Giappone.
Il modo in cui il Giappone, un tempo il produttore di semiconduttori più avanzato al mondo e pioniere nell'utilizzo di questa tecnologia per la produzione di celle fotovoltaiche, ha ceduto la sua industria solare è una storia di insicurezza nazionale, potere monopolistico e politica guidata dal denaro. È anche una storia con lezioni importanti per coloro che credono che la forza delle tecnologie rinnovabili fornirà incentivi sufficienti ai paesi per trasformare le loro abitudini energetiche.
In Giappone, per la maggior parte degli anni 2000, gli impressionanti progressi nel fotovoltaico sono stati ignorati perché i potenti servizi pubblici del paese hanno esercitato i loro muscoli politici per favorire l'energia nucleare. E nonostante la crescente domanda dei consumatori di energia solare e il forte disprezzo pubblico per il nucleare, la stessa cosa potrebbe accadere di nuovo. Un paese con poche risorse di combustibili fossili e ricordi cupi del disastro di Fukushima sfrutterà la sua esperienza tecnica per riconquistare la sua posizione di leader nella produzione di fotovoltaico, o si allontanerà ancora una volta dalle energie rinnovabili?
Ricco
Più lunga di tre campi da calcio e alta più di 37 metri, l'Arca Solare è chiaramente visibile dal Tokkaido Shinkansen mentre il treno proiettile attraversa il Giappone centrale. La struttura, ricoperta di pannelli fotovoltaici, sembra un tempio dell'energia di un'altra epoca, un'epoca in cui il Giappone possedeva l'industria dell'energia solare. Sanyo ha eretto l'Arca nel 2001, disponendo su di essa 5.046 pannelli solari in grado di generare 630 kilowatt di elettricità non inquinata.
L'era che ha dato origine a questa impresa è iniziata con la crisi energetica degli anni '70, quando l'impennata dei prezzi globali del petrolio ha colpito l'economia manifatturiera giapponese guidata dalle esportazioni. Il paese ha sfruttato il suo dominio nella produzione di chip semiconduttori elettronici per perseguire alternative per un'energia più pulita e sicura nel fotovoltaico. E a differenza di altri paesi, come gli Stati Uniti, è rimasto fedele ai conseguenti programmi di sviluppo solare anche quando i prezzi del petrolio sono diminuiti negli anni '80. Tra il 1985 e il 2007, i ricercatori giapponesi hanno depositato più del doppio dei brevetti nelle tecnologie solari rispetto agli inventori rivali statunitensi ed europei messi insieme. Aziende come Sharp, Sanyo Electric, Panasonic e Kyocera sono diventate i leader indiscussi della tecnologia solare. I produttori giapponesi hanno iniziato ad aumentare le vendite e le installazioni solari negli anni '90. Nel 2001 la produzione totale di energia solare in Giappone era 500 volte superiore a quella di un decennio prima, un decennio in cui la produzione solare statunitense è aumentata di un misero 15%.

Un'immagine della televisione giapponese cattura il fumo che sale dopo un'esplosione di idrogeno nell'unità 3 di Fukushima Daiichi il 14 marzo 2011, giorni dopo il terremoto iniziale. Dopo il disastro di Fukushima, tutti i reattori nucleari del Paese sono stati chiusi.
Poi tutto si è fermato un decennio fa quando il paese ha puntato il suo futuro sull'energia nucleare.
I piani nucleari del governo erano ambiziosi: quando Fukushima Daiichi si sarebbe sciolto, avrebbero richiesto 14 reattori aggiuntivi entro il 2030, il che avrebbe quasi raddoppiato la produzione nucleare per rappresentare il 50% della fornitura di energia del Giappone. Nel frattempo, le vendite di fotovoltaico in Giappone sono diminuite durante la metà degli anni 2000 e nel 2007 i produttori giapponesi avevano ceduto la leadership del mercato globale a produttori statunitensi, cinesi ed europei. In pochi anni, il paese era passato da leader del settore ad è stato.
Ciò che ha allontanato il Giappone dal sole è stata una miscela perniciosa di percezione, cultura e politica. L'energia nucleare aveva un'aura di forza, mentre l'energia basata su fonti di energia rinnovabile intermittente sembrava debole e inaffidabile, un'impressione incoraggiata dai potenti servizi pubblici del paese. Sebbene il Giappone abbia numerose località ideali per l'energia eolica e solare, le compagnie elettriche hanno convinto il pubblico che le scelte energetiche erano limitate. Siamo davvero fortemente convinti che ci manchino risorse e che il Giappone debba dipendere dal carburante importato, afferma Mika Ohbayashi, direttore della Japan Renewable Energy Foundation con sede a Tokyo.
Ciò che ha allontanato il Giappone dal sole è stata una miscela perniciosa di percezione, cultura e politica.
Il punto di vista dei servizi di pubblica utilità era colorato dall'interesse personale. Le 10 utility del Giappone erano (e rimangono) monopoli verticali. Ciascuno controlla la generazione, la trasmissione e la distribuzione di energia nella rispettiva regione e le sue reti sono progettate per fornire elettricità da centrali elettriche centralizzate, compresi i grandi reattori nucleari. Mancano, per progettazione, delle interconnessioni che facilitano l'uso sicuro della generazione di energia variabile. Nella maggior parte dei paesi industrializzati, i governi hanno smantellato i monopoli nei mercati dell'energia, liberando gli operatori delle reti di trasmissione per costruire quelle interconnessioni, ma i servizi pubblici giapponesi hanno contrastato la tendenza alla deregolamentazione. Il problema dell'interconnessione è ulteriormente aggravato da un artefatto: due frequenze AC che dividono a metà il sistema elettrico del Paese. Il Giappone orientale opera a 50 hertz, mentre il Giappone occidentale utilizza una potenza di 60 hertz, una barriera che si è rivelata paralizzante nel 2011, subito dopo il disastro di Fukushima, quando una Tokyo improvvisamente sottodimensionata ha potuto accedere a una piccola parte del surplus di energia di Osaka.
Alla domanda sul motivo per cui il Giappone ha scelto di non spingere l'energia solare in modo aggressivo quando dominava l'industria globale, l'ex primo ministro Kan mi ha detto che attribuisce la colpa ai servizi pubblici del paese: il motivo è molto chiaro. Le compagnie elettriche, le persone che volevano promuovere il nucleare, erano contrarie.
Rinascita
In una suddivisione che si estende su un terreno bonificato nella baia di Ashiya, una città tra Osaka e Kobe, sta prendendo forma un complesso residenziale di 400 unità chiamato Smart City Shio-Ashiya (Salty-Ashiya), frutto dell'ingegno della controllata Panasonic PanaHome. Una domenica di luglio, i pannelli solari in cima a ciascuna delle 50 case costruite fino ad oggi stanno pompando energia in eccesso nella rete locale e i venditori di PanaHome stanno vendendo una coppia con bambini piccoli sui benefici energetici delle case e sulla resistenza ai terremoti.
Le case a due piani di Shio-Ashiya includono riscaldamento e raffreddamento geotermico e altre caratteristiche di design ecologico per ridurre al minimo il consumo di energia, mentre i pannelli solari sul tetto ad alta efficienza massimizzano la produzione di energia. Il surplus di energia dovrebbe, secondo Saho Watanabe, commessa di PanaHome, far guadagnare ai residenti circa 100.000 yen ($ 825) ogni anno. Watanabe propone un'altra caratteristica, che dovrebbe essere inestimabile quando la griglia si abbassa, ad esempio in caso di terremoto o tifone. Apre un armadio nella sala da pranzo di una casa modello per rivelare una batteria al litio che, lavorando con un sistema di gestione dell'energia vicino alla cucina, può far funzionare l'aria condizionata/pompe di calore della famiglia, l'illuminazione del primo piano e il frigorifero per circa due giorni.
Le speranze di Panasonic nel solare si basano su una tecnologia inventata dai ricercatori di Sanyo negli anni '90 e acquisita da Panasonic quattro anni fa, quando le società si sono fuse. Le celle solari combinano le tecnologie convenzionali del silicio cristallino e del silicio amorfo a film sottile per ottenere un'efficienza relativamente elevata nella conversione della luce solare in elettricità. Chiamata HIT, per eterogiunzione con strato sottile intrinseco, la tecnologia ibrida è diventata un pilastro della strategia solare dell'azienda.
Shingo Okamoto, uno scienziato dei materiali che ha trascorso la sua carriera presso Sanyo Electric prima di diventare direttore della ricerca e sviluppo solare per il gruppo aziendale EcoSolutions di Panasonic, afferma che i pannelli stanno guadagnando prezzi premium nelle vendite nazionali perché producono molta più elettricità da un determinato tetto rispetto ai pannelli policristallini più economici che dominano il mercato. Supponendo che ogni famiglia consumi elettricità alla media giapponese di 1.400 kilowattora all'anno durante le ore diurne, dice, una famiglia con il sistema Panasonic avrà il 52% in più di energia in più da restituire alla rete rispetto a una casa con un normale sistema solare .
L'elettricità residenziale in Giappone è costosa: a 24,33 yen (20 centesimi) per kilowattora nel 2013, era quasi il doppio della media degli Stati Uniti. E dato che i prezzi dell'elettricità continueranno sicuramente a salire, afferma Okamoto, i sistemi fotovoltaici sul tetto più efficienti avranno un forte vantaggio. Quando ci siamo incontrati a luglio presso lo stabilimento Panasonic di Shiga, a est di Kyoto, lo stabilimento aveva appena iniziato a spedire il suo pannello più nuovo e potente. I progressi dietro il pannello, che utilizza celle con un'efficienza del 22,5 percento, includono una pellicola di dispersione della luce sul retro per migliorare l'assorbimento della luce. Le catene di montaggio erano in funzione 24 ore al giorno per stare al passo con la domanda interna.
Ulteriori progressi sono in cantiere. Ad aprile, il gruppo di Okamoto ha prodotto una cella solare al silicio che ha raggiunto il 25,6% di efficienza, battendo il record mondiale di 15 anni fa del 25,0%. Sebbene il record sia stato stabilito in laboratorio utilizzando un dispositivo prototipo, Okamoto prevede che il gruppo alla fine sarà in grado di produrre celle commerciali la cui efficienza è entro pochi punti percentuali dal limite teorico del silicio cristallino, il 29%.
Ripotenziamento
Attraverso le montagne costiere dai reattori distrutti a Fukushima Daiichi e dal paesaggio contaminato che hanno creato, una delle strutture più avanzate al mondo dedicata alla ricerca e sviluppo delle energie rinnovabili si sta attrezzando. Il complesso da 100 milioni di dollari è stato inaugurato ad aprile a Koriyama, il centro commerciale della prefettura di Fukushima, e riunisce ricerche precedentemente disparate delle agenzie scientifiche e tecnologiche del Giappone. L'istituto non è qui per caso. È un impegno esplicito per la regione emotivamente ed economicamente devastata.
La verdeggiante prefettura a nord di Tokyo rimane spopolata dopo il terremoto, lo tsunami e le crolli del marzo 2011. Molti degli oltre 100.000 residenti resi senza casa dai disastri non torneranno mai più. Non è facile sostituire residenti e attività commerciali perduti in un'area nota per la contaminazione radioattiva. I monitor della radioattività a energia solare a Koriyama mostrano che l'aria è sicura, ma a 100 chilometri a est, la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) lotta ancora per impedire che la contaminazione inquini sia le acque sotterranee che il mare.
La struttura di ricerca e sviluppo di Koriyama vanta laboratori all'avanguardia per cristallizzare, affettare e modellare wafer di silicio e la sua linea di produzione può sfornare fino a 360 wafer all'ora. All'esterno, sono in fase di test una varietà di fotovoltaici, insieme a una turbina eolica di modeste dimensioni e una grande batteria collegata alla rete. Il suo programma più ambizioso è diretto da Makoto Konagai, uno dei più celebri scienziati solari del Giappone, che si è trasferito a Koriyama dal Tokyo Institute of Technology. Il suo obiettivo è superare il limite di efficienza teorica delle celle al silicio, dimostrando tassi del 30% entro il 2016 e fino al 40% entro il 2021. È un piano ambizioso, ma tre grandi produttori, tra cui Panasonic, hanno firmato.
Mentre alcuni altri ricercatori cercano alternative più efficienti al silicio, che rappresenta il 90% dell'attuale produzione solare, Konagai cerca di riprogettare la cella di silicio dall'alto verso il basso. Uno dei suoi team, ad esempio, sta sviluppando un metodo di colata per produrre lingotti di silicio di qualità superiore. Un altro team sta ripensando al modo in cui le strutture dei semiconduttori sono modellate per trasformare i wafer di silicio in cellule: il piano di Konagai è di incidere o costruire strutture verticali larghe solo pochi nanometri, quasi 100.000 volte più strette del wafer di silicio stesso. Se le sue simulazioni sono buone, i nanofili o le nanopareti risultanti altereranno il comportamento elettrico del silicio all'interno, aumentando il suo potenziale di assorbire la luce e raccogliere carica elettrica.
Nel giugno 2011, il precedente governatore pro-nucleare di Fukushima, Yuhei Sato, ha dichiarato che Fukushima dovrebbe puntare il suo futuro sulle energie rinnovabili. Gli attivisti della comunità hanno avviato dozzine di progetti in tutta la prefettura e nel 2012 hanno fissato l'obiettivo di aumentare le energie rinnovabili dal 22% al 100% della sua fornitura di energia entro il 2040.

In ottobre, i lavoratori hanno osservato una gru sollevare una sezione di un velo di radiazioni che era stato posizionato sopra un reattore a Fukushima dopo il terremoto. Il sollevamento della copertura ha esposto i detriti all'interno dell'edificio distrutto per la prima volta dal 2011.
La fredda realtà della difficile situazione energetica del Giappone, tuttavia, è che ambizioni così audaci rischiano di non essere all'altezza. Il tipo di espansione solare che ci si può aspettare dalle sole tariffe feed-in non è in grado di raggiungere gli obiettivi della prefettura, o addirittura di sostituire l'energia che una volta la flotta nucleare giapponese ha fornito. E le forze politiche ed economiche non sembrano favorire politiche che amplierebbero le energie rinnovabili in modo più drammatico.
Le proiezioni della Japan Photovoltaic Energy Association, un gruppo commerciale con sede a Tokyo, suggeriscono che le installazioni solari annuali raggiungeranno il picco quest'anno di appena sette gigawatt. Il gruppo prevede che la capacità solare totale installata in Giappone raggiungerà i 102 gigawatt entro il 2030, il che sarebbe sufficiente per soddisfare solo una piccola parte del fabbisogno elettrico del Paese. Un moderato dispiegamento dell'energia eolica fornirebbe elettricità aggiuntiva. Ma il Giappone ha bisogno di molto di più. Mentre i consumatori e l'industria giapponesi hanno ridotto la domanda di energia dal 2011, i servizi pubblici hanno coperto la maggior parte del deficit nucleare aumentando la combustione di gas naturale, petrolio e carbone importati. I combustibili fossili rappresentavano circa l'89% della produzione di elettricità del Giappone nel 2012. Di conseguenza, le sue emissioni totali di gas serra erano superiori del 7% in quell'anno rispetto al 2010.
Le prospettive per le energie rinnovabili potrebbero peggiorare. Per proteggersi dalla possibilità che potrebbero non essere in grado di riavviare i reattori nucleari, le utility stanno costruendo una nuova generazione di centrali elettriche a carbone. Secondo il conteggio di Ohbayashi, sono attualmente in fase di sviluppo circa 13 gigawatt di nuova generazione di energia a carbone.
Nel frattempo, il costo relativamente alto dell'energia solare giapponese minaccia di incitare a una reazione contro le energie rinnovabili, incoraggiata dalle utility pro-nucleari. Non c'è dubbio che con l'attuale fotovoltaico, la produzione di energia sia costosa, afferma Okamoto, esprimendo il suo punto di vista personale piuttosto che quello di Panasonic. Teme le reazioni negative dei contribuenti, le cui bollette energetiche in aumento pagano le tariffe che finanziano gli impianti fotovoltaici sui tetti e nelle centrali elettriche come quella di Mitsui Chemicals: se continuiamo ad espandere la nostra attività con l'attuale livello di costi, potremmo avere obiezioni.
Inoltre, sembra che la vecchia politica a favore del nucleare stia tornando. Sebbene i sondaggi di opinione mostrino costantemente che la maggioranza dei giapponesi si oppone al riavvio dei reattori inattivi dei servizi pubblici, il primo ministro Shinzo Abe giura di riavviare quelli ritenuti sicuri dall'Autorità di regolamentazione nucleare giapponese. A luglio l'agenzia ha rilasciato la prima certificazione di questo tipo a una coppia di reattori nell'isola meridionale di Kyushu, anche se i centri di controllo di emergenza fuori sede istituiti dopo Fukushima devono ancora essere completati e i reattori sono pericolosamente vicini a un vulcano attivo. Le pastiglie di iodio sono state rapidamente distribuite ai vicini dei reattori e il riavvio, che ha stabilito i precedenti, è previsto a breve, dopo aver ottenuto il via libera dal governatore locale e dalla città ospitante dell'impianto, Satsumasendai, la cui economia è paralizzata senza lavoro, denaro delle tasse e affari che l'impianto fornisce.
Allo stesso tempo, i servizi pubblici stanno ritardando le connessioni alla rete per gli sviluppi rinnovabili o impongono tariffe per l'aggiornamento della rete che rendono irrealizzabili i progetti rinnovabili. Il pushback sta colpendo più duramente l'energia eolica. Lo scarso mercato giapponese delle turbine eoliche lo è in realtà rallentato da Fukushima.
Quest'estate METI ha lanciato un comitato per gestire l'attuazione delle nuove politiche energetiche. Un argomento: i recenti sforzi dei servizi pubblici e del governo per limitare ulteriori installazioni solari. Ohbayashi afferma che METI sta facendo marcia indietro perché ha valutato male il potenziale commerciale delle energie rinnovabili e il loro potenziale impatto sui servizi pubblici. Dice Ohbayashi, non prevedevano la crescita esplosiva del fotovoltaico.
Il governo giapponese ha in programma di rivedere radicalmente il mercato all'ingrosso balcanizzato e la rete elettrica del paese, preparandosi a un futuro in cui i produttori competono per il diritto di fornire energia. In quello scenario, l'energia rinnovabile potrebbe prosperare.
Il passaggio più critico, tuttavia, è ancora lontano anni: costringere le utility integrate verticalmente a separare le loro attività di generazione e trasmissione di energia. La disaggregazione è essenziale per creare condizioni di parità per i produttori e un sistema ottimizzato per fornire l'energia più economica e più pulita disponibile in tempo reale.
La riprogettazione della rete per accogliere massicci flussi di energie rinnovabili come l'eolico e il solare è un percorso potenzialmente costoso per il Giappone. Tuttavia, non è necessariamente più costoso del percorso di ritorno al nucleare che l'attuale governo e le utility stanno tracciando. Considerare il costo dell'assicurazione contro gli incidenti e gli aggiornamenti per prevenirli potrebbe raddoppiare il costo dell'energia nucleare.
Come mi ha detto l'ex primo ministro Naoto Kan, il disastro di Fukushima Daiichi ha alterato per sempre l'economia dell'energia nucleare. In passato si diceva che l'energia nucleare fosse in grado di fornire energia a un costo molto basso, ma ora sappiamo che non è corretto, ha affermato. Tale calcolo presupponeva che non potessero verificarsi incidenti. Ora sappiamo che possono.
Peter Fairley è un redattore collaboratore di Revisione della tecnologia del MIT.
