Il grande balzo in avanti di Solar

Per vedere il futuro dell'energia solare, fai un viaggio in treno di un'ora nell'entroterra da Shanghai e poi un taxi a tutto volume attraverso lo smog di Wuxi, una città cinese in rapida crescita di cinque milioni di abitanti. Dopo aver attraversato un parco industriale, arriverai alla porta d'ingresso di Suntech Power, un'azienda che in pochi anni dalla sua fondazione è diventata il più grande produttore mondiale di pannelli solari in silicio cristallino.

I pannelli solari coprono l'intera facciata della sede tentacolare di otto piani. Quasi 2.600 pannelli lunghi due metri formano la più grande facciata solare connessa alla rete al mondo. Insieme a una serie di 1.800 pannelli più piccoli sul tetto, può generare un megawatt di potenza in una giornata di sole. Si prevede che produrrà oltre un milione di chilowattora di elettricità in un anno, abbastanza per più di 300 persone in Cina.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2010

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Nel 2001, quando è stata fondata Suntech, tutte le fabbriche di pannelli solari in Cina operanti a pieno regime avrebbero impiegato sei mesi per costruire abbastanza pannelli per una matrice così massiccia. La prima fabbrica di Suntech, aperta nel 2002, ha ridotto quel tempo a poco più di un mese. Oggi l'azienda può produrre così tanti pannelli in meno di un turno di 12 ore. Entro la fine di quest'anno, i lavoratori potrebbero aver finito per l'ora di pranzo. La capacità di produzione di Suntech è aumentata da 10 megawatt all'anno nel 2002 a ben oltre 1.000 megawatt oggi. La produzione solare cinese nel suo insieme ha aumentato la sua capacità da due megawatt nel 2001 a oltre 4.000 megawatt.

Questa rapida crescita, alimentata da un'incessante riduzione dei costi, ha permesso ai produttori cinesi di superare quelli di Stati Uniti, Giappone e Germania in meno di un decennio per diventare la più grande fonte di pannelli solari al mondo. In tutto il mondo, i pannelli solari cinesi hanno rappresentato circa la metà delle spedizioni totali nel 2009. E si prevede che questa quota cresca quest'anno. Dei 10 maggiori produttori di pannelli solari, la metà ha sede in Cina. Nel 2007, i produttori statunitensi hanno fornito il 43% dei pannelli per un programma di sconti solari in California. Il resto proveniva quasi esclusivamente da Giappone e Germania; solo il 2% proveniva dalla Cina. Ora le aziende cinesi forniscono il 42% dei pannelli e la quota degli Stati Uniti è scesa al 15% secondo un'analisi di Nathaniel Bullard di Bloomberg New Energy Finance.

Nel 2004, la produzione di pannelli solari in silicio costava in media circa 3,20 dollari per watt. A questo punto, secondo gli analisti dell'industria solare della Photon Consulting di Boston, un produttore cinese può produrli per un minimo di $ 1,28 per watt, mentre il produttore occidentale più economico produrrà una tecnologia comparabile per circa $ 2,00 per watt. Non solo questo vantaggio di costo ha reso i produttori cinesi dominanti nel settore, ma ha anche contribuito a ridefinire le prospettive per l'energia solare, avvicinandola a quella che gli addetti ai lavori chiamano grid parity, il punto in cui è economica quanto l'elettricità sulla rete elettrica, la maggior parte dei quali è generata con combustibili fossili. In circa cinque anni, dovremmo essere in grado di raggiungere la parità di rete in almeno il 30-50 percento del mercato globale, afferma Zhengrong Shi, fondatore e CEO di Suntech, parlando dal suo spazioso ufficio che si affaccia sul retro dell'enorme facciata solare.

Volto del solare: Un'enorme facciata di pannelli fotovoltaici accoglie i visitatori presso la sede di Suntech a Wuxi, in Cina.

La strategia di Suntech finora è stata quella di tagliare il costo per watt riducendo le spese di produzione di pannelli solari. Ma raggiungere la parità di rete richiederà anche di aumentare l'efficienza dei pannelli in modo che ciascuno produca più watt. Sotto la guida di Shi, che era un ricercatore solare prima di diventare un uomo d'affari, l'azienda ha sviluppato un nuovo modo di produrre pannelli solari; i moduli multicristallini realizzati lo scorso anno hanno battuto un record di 15 anni di efficienza nella conversione della luce solare in elettricità. Pochi mesi dopo, Suntech ha aumentato ancora una volta il livello di efficienza. E il laboratorio dell'azienda dispone di prototipi che promettono risultati ancora migliori. Se questi progressi andranno a buon fine, potrebbe finalmente aprire la strada al sogno di Shi di energia solare a prezzi accessibili.

Ricchezze e stracci

Shi riflette in molti modi la complessità della Cina contemporanea. Nonostante sia nato e cresciuto a meno di 100 chilometri dalle sue fabbriche di Wuxi, ha iniziato la sua carriera in Australia, dove ha vissuto per un decennio ed è diventato cittadino prima di tornare in Cina nel 2000 per approfittare del boom economico del Paese. Devo ottenere un visto per lavorare in Cina, dice Shi con un accenno di accento australiano, ridendo. Nonostante la sua ricchezza e la sua posizione dirigenziale, ha l'aria casual ma sicura di un ricercatore, indossando un semplice cappotto sportivo e una camicia a righe con colletto aperto. Ma il suo aspetto rilassato e i modi disinvolti australiani smentiscono la sua ambizione e i suoi stretti legami con il suo paese natale. Diverse copie di copertine di riviste che lo raffigurano come il Re Sole ( Forbes Asia ) e il nuovo re cinese del solare ( Fortuna ) sono disposti con cura intorno al suo ampio ufficio, tra citazioni di accademie nazionali e altri premi. Salutare i visitatori nell'ingresso è una versione enorme del Ch'an Chu, il simbolo cinese di prosperità: un rospo di pietra che stringe in bocca una moneta delle dimensioni di un piatto da portata.

La figura, che è anche un simbolo di fortuna, è appropriata. Nel 2005, quando i prezzi del petrolio erano volatili e molti paesi, in particolare in Europa, stavano spingendo per ridurre le emissioni di anidride carbonica, Shi ha reso pubblica la Suntech alla Borsa di New York. Nel 2006 è diventato il settimo uomo più ricco della Cina, con un patrimonio netto di oltre 1,4 miliardi di dollari, secondo Forbes . Ma l'uomo che ha reso possibile Suntech per poco non è entrato nel solare.

I genitori di Shi, agricoltori rurali lasciati indigenti dalle carestie che affliggevano la Cina nei primi anni '60, furono costretti a darlo in adozione a un caro amico di famiglia quando era un bambino. Eccelleva a scuola, ottenendo infine una laurea in scienze ottiche e un master in fisica dei laser. Shi ha fatto domanda per studiare all'estero, come hanno fatto molti studenti di talento in Cina alla fine degli anni '80. Fu approvato, non per gli studi negli Stati Uniti, come si aspettava, ma in Australia. Conoscendo poco il paese, si è basato sul suggerimento di uno dei suoi colleghi di incontrare Martin Green, il direttore del Photovoltaics Centre of Excellence presso l'Università del New South Wales, famoso per aver inventato un approccio alle celle solari al silicio che efficienze record raggiunte. Ha fatto domanda per un posto di ricerca retribuito, ma Green mi ha immediatamente rifiutato, ricorda Shi. Invece, Green lo convinse a studiare per un dottorato di ricerca. Ha completato la laurea in soli due anni e mezzo e nel 1995 ha iniziato a lavorare presso Pacific Solar, una startup nata dal laboratorio di Green che stava commercializzando un nuovo tipo di cella solare a film sottile.

Nel 2000, Shi era direttore esecutivo della startup, ma le notizie sulla crescita dell'industria solare in Europa e in Giappone lo rendevano impaziente. Ho visto l'opportunità del boom solare, dice. Nel frattempo, la tecnologia di Pacific Solar impiegava troppo tempo per essere introdotta sul mercato. Il film sottile a quel punto non era ancora pronto, dice Shi. Ha anche intravisto un'opportunità in Cina, dove i costi erano bassi e nessuno comprendeva veramente la tecnologia e il settore. Dopo 10 anni all'estero, è tornato in Cina e ha presentato un business plan ai politici responsabili del Wuxi New District, un parco industriale ad alta tecnologia a circa un'ora da dove era cresciuto. Il suo piano era quello di realizzare pannelli solari convenzionali in silicio e farlo a buon mercato. I funzionari del governo lo hanno rifiutato, suggerendo che anche il suo approccio conservatore fosse un passo avanti, ricorda. Sebbene i venture capitalist e le grandi società che offrono joint venture siano ormai comuni in Cina, all'epoca erano rari. Quindi Shi trascorse i successivi 10 mesi facendo collegamenti e corteggiando politici mentre lui, sua moglie e i loro due figli piccoli vivevano dei suoi risparmi. La vera sfida è stata convincere i funzionari del governo locale che potevo avere successo nel settore del solare e non solo nel laboratorio solare, dice. Alla fine gli hanno offerto $ 6 milioni, raccolti da aziende statali locali, per avviare Suntech.

Il fondatore e CEO di Suntech, Zhengrong Shi, posa su una terrazza fuori dal suo ufficio, con la facciata sullo sfondo.

Shi ha tenuto d'occhio ogni opportunità per tagliare i costi. Ha comprato attrezzature usate. Ha aiutato un'azienda giapponese a progettare una nuova macchina in cambio di uno sconto. E dove poteva, ha trovato il modo di sostituire le macchine con manodopera a basso costo.

I metodi di produzione utilizzati da Shi per far decollare l'azienda sono ancora visibili nella fabbrica, accessibile attraverso le porte sul retro dell'edificio della sede. I lavoratori, anziché i costosi robot utilizzati nelle fabbriche solari in Giappone e in Occidente, trasferiscono uno per uno i wafer di silicio sottili come il guscio d'uovo su rack in grado di resistere a forni ardenti dove le temperature raggiungono i 1.000 °C. L'operazione potrebbe essere automatizzata, ma il lavoro umano costa meno e può ridurre i tassi di rottura. Le macchine vengono utilizzate dove ne vale la pena: in un'altra stazione, si testa la potenza delle celle finite con un lampo di luce prima che i bracci robotici le mettano nei contenitori in base alle prestazioni. Un equipaggio umano ordina ulteriormente quelle cellule, identificando sottili gradazioni nel colore blu intenso. (Tutto questo ordinamento viene fatto per garantire la consistenza delle celle che entrano in un pannello.) In un altro edificio, i lavoratori saldano le celle solari in strisce, quindi le allineano a occhio su una scatola luminosa per formare le righe e le colonne di celle che compongono un pannello solare completo. Per finire i pannelli, coppie di operai incollano a mano i telai e li puliscono con uno straccio.

Su richiesta

Quando Shi ha fondato Suntech nel 2001, il suo tempismo non avrebbe potuto essere migliore. La produzione di energia solare in Cina era quasi inesistente, quindi aveva poca concorrenza interna. Allo stesso tempo, il mercato mondiale iniziava a crescere. Gli incentivi sui prezzi per l'energia solare che il parlamento tedesco ha autorizzato nel 2000 stavano appena entrando in vigore (vedi L'esperimento tedesco) ; dopo che tali sussidi sono stati aumentati nel 2004, la Germania è diventata il più grande mercato mondiale per i pannelli solari e la più grande fonte di entrate di Suntech.

Quando altri governi hanno introdotto i propri incentivi per l'installazione di fonti di energia rinnovabile, la domanda è aumentata vertiginosamente e i costruttori hanno iniziato a rischiare con i pannelli solari economici provenienti dalla Cina. Nel 2005 e nel 2006 non sono riuscito a ottenere i pannelli solari, afferma Barry Cinnamon, CEO di Akeena Solar, un installatore solare e uno dei primi clienti di Suntech in California. La domanda era molto più grande dell'offerta. Qualsiasi azienda, in qualsiasi parte del mondo, in grado di realizzare un pezzo di vetro con fili su di esso che generassero elettricità quando il sole lo colpiva, poteva venderne quanti ne volevano. Non solo Suntech poteva soddisfare la sua richiesta, ma era disposta a soddisfare le richieste di Akeena. La cosa interessante di Suntech era che erano disposti a costruire un pannello solare appositamente progettato per noi, dice. Nessun altro lo farebbe.

Negli anni successivi alla fondazione di Suntech da parte di Shi, il numero totale di watt prodotti dall'industria solare è raddoppiato all'incirca ogni due anni. Suntech è rimasta all'avanguardia, raddoppiando in media la propria produzione ogni anno fino al 2009, quando la recessione ha rallentato le cose. Quest'anno è probabile che la sua produzione cresca ancora del 100%; l'azienda impiegherà 12.000 lavoratori. Il governo ha recentemente reso Suntech ammissibile a $ 7,3 miliardi di prestiti attraverso la Banca cinese per lo sviluppo per finanziare un'espansione ancora maggiore.

I progressi della Cina
Fonte: Photon Consulting
*Per i produttori più economici in ogni paese

Nel frattempo, centinaia di altre società solari sono state fondate in Cina e molte sono diventate importanti fornitori in tutto il mondo. Yingli Green Energy, con sede vicino a Pechino, ha una quota del mercato californiano ancora maggiore rispetto a Suntech, sebbene produca complessivamente meno pannelli. Ha anche costi ancora più bassi. Altri, come JA Solar, Trina Solar e China Sunergy, stanno rapidamente guadagnando il riconoscimento del marchio in tutto il mondo. Gran parte dell'industria può essere fatta risalire a Green e al suo laboratorio nel New South Wales; i suoi ex studenti sono leader chiave in aziende che insieme producono il 60 percento dei pannelli solari fabbricati in Cina. Ma se Green ha fornito gran parte della formazione tecnica, attribuisce a Shi il merito di aver contribuito a creare l'industria in forte espansione della nazione. Gli ex studenti hanno avuto un grande impatto in Cina, dice. Ma, aggiunge, darei tutto il merito a Zhengrong Shi per aver tracciato il sentiero che gli altri hanno seguito.

Trucchi verdi

Quando ha fondato Suntech, Shi sapeva che era possibile produrre celle solari quasi due volte più potenti di quelle prodotte dalla linea della sua prima fabbrica. Green le preparava da anni nel suo laboratorio. Se si alterano le proprietà elettroniche dei wafer di silicio di altissima qualità secondo schemi precisi e quindi si tracciano contatti elettrici estremamente sottili sulle loro superfici anteriore e posteriore per estrarre la corrente elettronica, le celle risultanti catturano molta più corrente rispetto alle celle convenzionali. L'unico problema è che i metodi di Green si basano su una tecnologia di elaborazione avanzata e costosa presa in prestito dall'industria dei semiconduttori. Le celle costano circa 100 volte tanto quanto le celle solari convenzionali come quelle che Suntech ha prodotto finora.

L'Università del New South Wales aveva cercato senza successo di commercializzare la tecnologia per 20 anni, ma Shi era determinato a trovare un modo. La chiave era identificare metodi a basso costo per ottenere gli stessi effetti con silicio di qualità commerciale prontamente disponibile. Indicando i suoi 45 brevetti e 65 brevetti in attesa, Suntech afferma di aver avuto successo, ma è segreto sui dettagli. Solo tre dipendenti hanno assistito all'intero processo di realizzazione dei suoi nuovi prodotti. Sappiamo che chiunque abbia visto l'intera linea sarà preso di mira con molto, molto entusiasmo da altre aziende, afferma Stuart Wenham, chief technology officer di Suntech. Wenham, un collega di Green al New South Wales e di Shi alla Pacific Solar, è stato portato in Suntech nel 2005 per produrre le celle avanzate. Il dottor Shi era così determinato a mantenere tutto questo confidenziale che ha acquistato la propria azienda di apparecchiature per realizzare l'attrezzatura per questa tecnologia, dice.

Il processo prevede la sostituzione di un passaggio chiave nella produzione di celle solari convenzionali: la serigrafia. Per estrarre la corrente elettrica da una cella, i produttori stampano linee di pasta d'argento sulla sua superficie frontale. Quanto più vicini tra loro questi elettroni-

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I progressi della Cina
Fonte: Photon Consulting
*Per i produttori più economici in ogni paese

le linee conduttive sono, più efficientemente raccolgono la carica dal silicio. Se troppa superficie della cella è ombreggiata dalle linee, tuttavia, la cella non può assorbire abbastanza luce. Più sottili sono le linee, più si avvicinano senza causare questo problema, ma il processo di stampa non può renderle più sottili di circa 120 micrometri.

I ricercatori di Suntech hanno sviluppato un modo per trattare chimicamente il wafer di silicio in bande strette. Queste aree trattate attirano l'argento, che forma linee metalliche larghe appena 20 micrometri. Oltre a produrre linee più sottili, il processo consente di risparmiare sui costi dei materiali utilizzando wafer di silicio così sottili che le apparecchiature per la serigrafia potrebbero romperle mentre stampano le linee sulla loro superficie. Sostituisce anche un trattamento utilizzato nella produzione convenzionale che riduce l'efficienza delle celle danneggiando la superficie del silicio. I migliori moduli realizzati con la nuova tecnologia convertono circa il 18% dell'energia della luce in elettricità, rispetto al 13% dei pannelli solari originali dell'azienda. Il prossimo anno Suntech intende lanciare una versione più recente della tecnologia, che i test preliminari suggeriscono migliorerà l'efficienza di un altro uno o due punti percentuali. Il miglioramento potrebbe sembrare modesto, ma una maggiore efficienza ha un grande impatto sul costo dell'elettricità risultante. Come regola generale, un miglioramento dell'efficienza di un punto percentuale può ridurre i costi di oltre il 6%.

Suntech sta anche finanziando collaborazioni con università, tra cui il New South Wales e la Swinburne University of Technology di Melbourne, per sviluppare celle solari che aggirano un limite fondamentale del fotovoltaico odierno: non possono assorbire tutte le lunghezze d'onda della luce solare e non possono convertire tutta l'energia in molte di quelle lunghezze d'onda in carica elettronica. Un investimento chiave è nella plasmonica, che sfrutta il fatto che le particelle metalliche depositate sulla superficie di una cellula possono guidare l'energia della luce in modo che rimbalzi avanti e indietro all'interno della cellula invece di essere riflessa indietro. Lo sfruttamento di questo effetto potrebbe consentire ai ricercatori di ridurre la quantità di materiale semiconduttore attivo in una cella solare di ordini di grandezza, o anche di realizzare celle con materiali molto più economici del silicio cristallino purificato (vedi Fotovoltaico che intrappola la luce , maggio/giugno 2010). Questi concetti probabilmente non troveranno la loro strada nei prodotti commerciali nei prossimi 10-20 anni, afferma Wenham. Ma alla fine lo faranno.

Sul punto

Nonostante la rapida crescita di Suntech e dell'industria solare in tutto il mondo, l'energia solare contribuisce ancora con una minima parte dell'elettricità totale prodotta ogni anno. Negli Stati Uniti, è leggermente superiore allo 0,1 percento. È un errore di arrotondamento, afferma Nathaniel Bullard, analista di Bloomberg New Energy Finance.

È difficile proiettare il corso dell'industria ancora piccola. Per prima cosa, tutte le previsioni su quando l'energia solare potrebbe raggiungere la parità di rete sono piene di incertezze, dice Bullard. Per fare solo un esempio, si consideri che oggi gli stessi pannelli solari rappresentano meno della metà del costo totale della tecnologia. Anche i costi di installazione, apparecchiature aggiuntive come inverter, vendita e marketing da parte degli installatori e, soprattutto, i finanziamenti dovranno essere ridotti. Inoltre, quando si tratta di grid parity, il prezzo che i produttori di impianti fotovoltaici addebitano per i loro prodotti è in realtà più significativo del denaro che costa realizzarli, e ciò dipenderà dal mercato. Se la domanda di fotovoltaico rimane alta, in parte perché gli incentivi statali in Germania e altrove la sostengono, i pannelli solari potrebbero rimanere abbastanza costosi da mantenere il prezzo dell'energia solare ben al di sopra di quello dell'elettricità dalla rete.

Inoltre, non è ancora chiaro quale tecnologia sia più adatta per un uso diffuso dell'energia solare. Tra dieci anni, i pannelli solari che la maggior parte delle persone acquista potrebbero non essere nemmeno fatti di silicio. Il passaggio sarebbe difficile per Suntech. Sebbene abbia le competenze per cambiare direzione, i suoi bassi costi di produzione dipendono dagli investimenti in attrezzature e dagli accordi con i fornitori di silicio. Nel frattempo, le aziende rivali hanno un vantaggio sulle tecnologie che utilizzano altri materiali. First Solar, con sede a Tempe, AZ, produce celle solari a film sottile fatte di cadmio e tellurio per persino meno per watt rispetto alle aziende cinesi che producono celle al silicio. Certo, la tecnologia di First Solar converte solo l'11% circa della luce solare in elettricità; quell'efficienza relativamente bassa si traduce in costi di installazione più elevati e limita le applicazioni per le quali è utile. Tuttavia, il solare a film sottile rappresenta una quota costantemente maggiore del mercato complessivo, dal 3% nel 2003 a oltre il 15% oggi.

Tuttavia, nonostante tutta questa incertezza, Shi rimane convinto che l'energia solare basata sul silicio sia sul punto di diventare competitiva senza sussidi governativi. L'idea che l'energia solare dovrà attendere una svolta per raggiungere la parità di rete è una schifezza, dice. Aggiunge: Non stiamo parlando di scienza missilistica. Stiamo parlando di ingegneria di base.

Kevin Bullis è Revisione della tecnologia l'editore di energia.

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