Approfondimenti sul mercato del solare fotovoltaico (PV): tendenze della produzione globale, analisi commerciale e aziende leader 2025-2037

Analisi comparativa della capacità produttiva di componenti fotovoltaici:

Un'analisi top-down della produzione del polisilicio

Il polisilicio ad elevata purezza viene generalmente ottenuto mediante raffinazione del silicio di grado metallurgico, utilizzato per produrre wafer solari, siliconi, semiconduttori e leghe di alluminio. Per garantire livelli di fornitura e purezza, i fornitori di MGS spesso integrano a monte e possiedono una parte significativa delle miniere di quarzo. Inoltre, la lavorazione del glutammato monosodico è tipicamente ad alta intensità energetica, rendendone indispensabile la produzione in luoghi con fonti di elettricità abbondanti e convenienti come la Malesia, la Norvegia, gli Stati Uniti e la regione cinese dello Xinjiang. Attualmente, la Cina domina quel mercato con oltre il 70% della capacità di produzione mondiale di MGS e dieci società cinesi rappresentano il 35% della capacità nazionale, mentre le prime cinque detengono circa il 25%.

Principali sedi di produzione di MGS e centri di produzione capacità produttiva (migliaia di tonnellate)

Fonte: DOE statunitense

Produzione di MGS in Nord America da parte dei principali contendenti (2022)

Il caso d'uso principale del polisilicio è il fotovoltaico (che costituisce l'80% della domanda), mentre l'altro è quello dei semiconduttori e dell'elettronica di consumo. Nonostante esistano diverse tecniche di produzione del polisilicio, alle quote di mercato maggiori vengono attribuiti due approcci generali. Il metodo del reattore a letto fluidizzato (FBR) rappresenta il 3%-5% della quota di mercato e il metodo di deposizione chimica in fase vapore di Siemens detiene una quota del 90%.  Il processo Siemens prevede il passaggio del precursore del silano o triclorosilano gassoso (TCS) sui filamenti di silicio riscaldati. I composti recuperati vengono ulteriormente lavorati per sintetizzare il polisilicio. Praticamente tutta la capacità produttiva del polisilicio si trova in 10 paesi, con la Cina che detiene il 72% della capacità globale. 

La presenza di forniture chiave in Cina è determinante nel determinare i costi dei componenti, compreso il polisilicio. Secondo l’EIA, i prezzi del polisilicio sono aumentati di tre volte, passando da 6,27 USD/kg nel giugno 2020 a 28,46 USD/kg nel giugno 2021. Ciò è attribuito a uno squilibrio tra domanda e offerta dovuto all’espansione della capacità di produzione di wafer e celle. Con il polisilicio che emerge come un collo di bottiglia critico, le entità a valle come i produttori di celle e wafer hanno accumulato strategicamente scorte di polisilicio per soddisfare la domanda prevista, in gran parte guidate dalla proliferazione dell’implementazione su scala industriale in Cina. Sulla base dei progetti annunciati, si prevede che la produzione di polisilicio raddoppierà la capacità nei prossimi anni. Alcuni dei nuovi impianti costruiti hanno capacità produttive di 30.000-70.000 tonnellate all'anno e sono previsti piani per costruire strutture con capacità superiori a 100.000 tonnellate.

Le aziende cinesi hanno voluto abbassare i prezzi del polisilicio creando impianti di produzione e produzione in aree con terreni, elettricità e costi di manodopera accessibili. Le province occidentali hanno un notevole sviluppo, tra cui la Mongolia Interna, il Quinghai, il Sichuan e, soprattutto, lo Xinjiang. Attualmente ospita il 54% e il 39% della produzione globale della Cina. Di seguito è riportata una stima del rendimento complessivo dei componenti solari fotovoltaici della Cina sulla base dei progetti attivi fino al 2022.

Il basso costo della manodopera cinese e la concentrazione della catena di fornitura fotovoltaica c-Si hanno rappresentato una barriera all'ingresso per altri operatori. Negli Stati Uniti la spesa per la manodopera rappresenta il 22% dei costi di produzione contro l'8% in Cina, il 36% dei costi di produzione dei wafer negli Stati Uniti contro il 23% in Cina e il 33% dei costi di produzione delle celle negli Stati Uniti contro l'8% in Cina.

Produzione di c-Si e CdTe e commercio globale:

Oltre il 75% dei moduli c-Si e CdTe importati dagli Stati Uniti nel 2020 proveniva da soli tre paesi del sud-est asiatico: Vietnam, Malesia e Tailandia, e il resto dalla Corea del Sud. Questi paesi del sud-est asiatico fanno molto affidamento su una catena di approvvigionamento cinese a monte. Nel 2020 gli Stati Uniti avevano una capacità operativa limitata di celle solari al silicio. Tuttavia, la successiva produzione upstream negli Stati Uniti ha guadagnato terreno e si è rivelata fondamentale per la crescente domanda solare del paese. Secondo il SEIA, nel 2019 sono state completate installazioni per un valore di 8,6 GW, con una crescita del 21% su base annua.

Fonte: NRELupdate of (Smith et al. 2021)

A causa delle lacune nella catena di fornitura globale del fotovoltaico, quali elevate spese in conto capitale e costi di manodopera, praticamente tutte le materie prime e i componenti c-Si vengono importati nelle nazioni occidentali dai paesi del sud-est asiatico. Questi costi di importazione aggiungono circa l’11% alle spese di produzione totali. Un rafforzamento della catena di fornitura nazionale del fotovoltaico ridurrebbe significativamente questi costi. Esistono percorsi per ridurre il delta dei costi con l’automazione nelle linee di assemblaggio di wafer e lingotti. Nel febbraio 2024, First Solar ha annunciato i suoi piani per investire 10 miliardi di dollari nel film sottile di CdTe negli Stati Uniti. I dati retrospettivi del 2023 hanno aggiunto 2,75 miliardi di dollari di valore alla capacità di produzione dei moduli, 900 milioni di dollari di valore economico e 2 miliardi di dollari di produzione.

Lingotti e wafer

Dieci aziende cinesi hanno prodotto il 98% dei wafer solari complessivi nel 2020, di cui tre società: LONGi, GCL e Zhonghuan hanno raccolto il 71% della capacità prodotta. Dal 2016 al 2020, le società sopra menzionate hanno aumentato la loro capacità collettiva da 29 GWdc (29% della capacità globale) a 173 GWdc (58% della capacità globale). Questa tendenza è stata seguita dalla rapida crescita della quota di mercato dei moduli fotovoltaici monocristallini.

Inoltre, a sette province cinesi sono stati attribuiti 10 GWdc di capacità di produzione di wafer. In particolare, Jiangsu, situato a nord di Shanghai, rappresentava il 28% della capacità totale di wafer della Cina, mentre al di fuori della Cina, l’Asia orientale contribuisce con 10 GWdc della capacità globale di wafer. Jinko Solar, con sede in Cina, ha annunciato i suoi piani per costruire un impianto per wafer e lingotti da 7 GWdc in Vietnam. Ciò mira a semplificare le operazioni di produzione di celle in Malesia e l'assemblaggio di moduli negli Stati Uniti. La società ha dichiarato che l'avvio del progetto è stato effettuato nel 2020, per aggirare le restrizioni commerciali degli Stati Uniti sui materiali di importazione. Questa espansione strategica sottolinea gli sforzi dell'azienda per costruire una solida catena di fornitura navigando al tempo stesso nelle mutevoli dinamiche commerciali.

Modulo e celle

Dall'implementazione dei nuovi crediti d'imposta sulla produzione, si è verificato un afflusso significativo di investimenti per costruire ed espandere l'intera catena di fornitura dei moduli solari, compresi lingotti, moduli, wafer e celle. Prima dell’entrata in vigore degli incentivi federali sulla produzione, la capacità di polisilicio era di circa 16,6 GW o 41.500 MT/anno e di 7 GW/anno di capacità dei moduli. La produzione di celle è stata effettuata onshore per la prima volta dal 2019 e si prevede che ulteriore capacità di celle sarà messa in linea entro la fine del 2025. Ad oggi, si è verificata una forte crescita nella produzione di moduli, passando da 7 GW prima dei crediti d'imposta federali sulla produzione a 44,4 GW nel dicembre 2024, segnando un aumento di oltre il 500%.

La catena di fornitura totale dei moduli negli Stati Uniti, compresi i progetti operativi, in costruzione e annunciati, ha raggiunto un valore stimato di 81,6 GW. La creazione della catena di fornitura dei moduli fotovoltaici è un processo lento a causa dei periodi di conformità, dei permessi, della costruzione e della messa in servizio. Più si sale lungo la scala della catena di fornitura, più lungo sarà il tempo di costruzione. Si prevede che i nuovi ampliamenti dello stabilimento continueranno nei prossimi anni.

L'India nel 2022 è stato l'unico paese a testimoniare un forte calo delle importazioni dalla Cina, a sostegno di un calo del 76% o di -7,5 GW su base annua. Nella prima metà del 2022 è stato osservato un crollo totale di 9,8 GW rispetto a 2,3 GW. Inoltre, le severe normative governative, inclusa l’imposizione di tariffe, hanno portato ad uno spostamento dalle importazioni all’utilizzo della capacità produttiva nazionale. Da allora la capacità produttiva locale di moduli solari dell'India è aumentata e l'India ha stabilito un punto di riferimento nelle esportazioni globali di moduli e pannelli solari Türkiye.

Nonostante gli sforzi in corso per separarsi dalla dipendenza dalla Cina per la fornitura di componenti, le esportazioni cinesi di pannelli solari sono aumentate del 34% nella prima metà del 2023. Ciò è fondamentale per soddisfare l'elevata domanda di energia in Europa e Sud Africa. La crescente attenzione alla transizione verso l’energia pulita ha ulteriormente aumentato la dipendenza dalle esportazioni solari cinesi. Del volume delle esportazioni del 90,4%, l'Europa è emersa come il maggiore importatore (58%), seguita dal Brasile che ha ricevuto 9,5 GW di pannelli solari prodotti in Cina nella prima metà del 2023. Si prevede che l'Africa sarà testimone del tasso di crescita delle importazioni più rapido, pari al 187%, mentre il governo sta cercando modi per mitigare la crescente crisi energetica, mentre la Cina sta sfruttando pesantemente il divario prevalente tra domanda e offerta.

Esportazioni solari cinesi nella prima metà del 2023, quota (%) in termini di valore in dollari

Fonte: Ember Energy

La crescita esponenziale del mercato del solare fotovoltaico sta influenzando positivamente il mercato globale dei semiconduttori. Nel 2022, i dispositivi sono stati il ​​33° prodotto più scambiato al mondo, con un commercio complessivo di 87,7 miliardi di dollari. Tra il 2021 e il 2022 i semiconduttori fotovoltaici/fotosensibili/LED sono cresciuti del 21,9%, da 72 miliardi di dollari a 87,7 miliardi di dollari, rappresentando lo 0,37% del commercio mondiale totale.

Crescita annuale del settore fotovoltaico e dell'energia Commercio globale di dispositivi a semiconduttore LED

Fonte: OEC

Commercio globale di dispositivi a semiconduttore fotovoltaici/LED

Fonte: OEC

Fine vita utile del fotovoltaico (EOL)

La crescente attenzione alla decarbonizzazione delle reti elettriche ha proporzionalmente aumentato le capacità di generazione e stoccaggio di energia solare in tutto il mondo. Per fare un esempio, per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione, gli Stati Uniti devono installare 30 GWac ogni anno dal 2025 al 2030. Nel 2021 sono stati installati 19 GW di capacità solare e la capacità cumulativa ha raggiunto i 100 GW negli Stati Uniti. Ciò significa che è probabile che l'installazione di nuovi sistemi aumenterà a un ritmo vertiginoso nei prossimi anni.

Sebbene la durata di vita di un sistema fotovoltaico sia di circa 25-35 anni, alcuni componenti del sistema, compresi i moduli, stanno già entrando nel flusso dei rifiuti. Inoltre, i moduli raggiungono la fine del loro ciclo di vita a causa di danni atmosferici, difetti di produzione o errori di installazione. Il volume annuale EOL dei moduli fotovoltaici raggiungerà il 12% dei rifiuti elettronici urbani annuali negli Stati Uniti entro la fine del 2050. Il 99% dei materiali dei moduli fotovoltaici non sono pericolosi e il 95% è completamente riciclabile con le tecnologie disponibili. Ciò costituisce una solida base per metodi di movimentazione dei materiali EOL sicuri e a basso impatto. Attualmente, i processi di gestione degli EOL sono sfavorevoli al riciclaggio. Il costo del riciclaggio dei moduli fotovoltaici presso i generatori di rifiuti è di 15-45 dollari per modulo, che è significativamente più alto della tassa di discarica di 1-5 dollari per ciascun modulo. Ciò a sua volta potrebbe avere un impatto sulle politiche federali e statali sul modo in cui vengono trattati i rifiuti.

Fonte: IRENA

Copertura del piano d'azione

Nel giugno 2021, il Solar Energy Technologies Office (SETO) ha emesso una RFI per sollecitare feedback da parte delle comunità di gestione dei rifiuti fotovoltaici in merito alle principali sfide nel trattamento degli EOL. Le risposte, le interviste agli esperti e le revisioni della letteratura sono state utilizzate per identificare potenziali aree di ricerca per semplificare e ottimizzare le pratiche PV EOL. Le risposte hanno sottolineato il ruolo delle politiche nella gestione dell'EOL e nello sviluppo di tecnologie di separazione per migliorare il recupero dei materiali.

Con il contributo delle parti interessate sulle sfide prevalenti nella progettazione dell'hardware, nella raccolta e nell'analisi dei dati e identificando il ruolo del DOE nella gestione dell'EOL, SETO ha lanciato nel 2021 un piano d'azione quinquennale.

Il piano del programma pluriennale 2021 è stato stabilito sulla base del workshop EOL del fotovoltaico 2021 e del feedback di RFI. Si concentra sui seguenti fattori abilitanti dell'economia circolare:

• Raccolta e raccolta dati analisi: sulla base del volume e della gestione dei rifiuti modellati, è evidente la necessità di raccolta, smistamento, trasporto e recupero dei materiali realistici. SETO mira a creare un database autonomo con 10 MW di dati EOL fotovoltaici raccolti entro la fine del 2025 e ad implementare standard di dati completi. Inoltre, i dati non riservati saranno resi pubblicamente accessibili alle comunità di gestione dei rifiuti, solare e politica.
• Sviluppo e sviluppo hardware ricerca sui processi: SETO enfatizza il miglioramento delle materie prime e dell'efficienza nell'utilizzo dell'energia per, a sua volta, ridurre al minimo le risorse necessarie per elaborare i materiali EOL e prolungare la durata dei componenti. Raccomanda che acciaio, Cu e Al siano venduti ai mercati dei rottami metallici all'EOL. Tuttavia, il recupero dell’argento dalla metallizzazione e la separazione di polimeri e compositi, compresi i fogli posteriori, sono alcune delle aree in cui il recupero dei materiali può risultare problematico. Si prevede che la ricerca volta a migliorare il tasso di recupero, riducendo al minimo l'onere dei costi di recupero, contribuirà a cambiare l'economia del riciclaggio del solare fotovoltaico.