Approfondimenti sul mercato del solare fotovoltaico (FV): tendenze di produzione globali, analisi del mercato e aziende leader 2025-2037

Analisi comparativa della capacità produttiva dei componenti fotovoltaici:

Un'analisi top-down della produzione di polisilicio

Il polisilicio ad alta purezza si ottiene in genere raffinando il silicio di grado metallurgico, utilizzato per produrre wafer solari, siliconi, semiconduttori e leghe di alluminio. Per garantire livelli di approvvigionamento e purezza, i fornitori di MGS spesso integrano a posteriori e possiedono una parte significativa delle miniere di quarzo. Inoltre, la lavorazione del glutammato monosodico è in genere ad alta intensità energetica, rendendo indispensabile la produzione in luoghi con fonti di elettricità abbondanti e accessibili come Malesia, Norvegia, Stati Uniti e la regione cinese dello Xinjiang. Attualmente, la Cina domina questo mercato con oltre il 70% della capacità produttiva mondiale di MGS e dieci aziende cinesi rappresentano il 35% della capacità nazionale, mentre le prime cinque ne detengono circa il 25%.

Principali sedi di produzione di MGS e Capacità produttiva (migliaia di tonnellate metriche)

Fonte: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Produzione di MGS in Nord America per i principali contendenti (2022)

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

La presenza di fornitori chiave in Cina è determinante nel determinare i costi dei componenti, incluso il polisilicio. Secondo l'EIA, i prezzi del polisilicio sono triplicati, passando da 6,27 dollari/kg a giugno 2020 a 28,46 dollari/kg a giugno 2021. Ciò è dovuto a uno squilibrio tra domanda e offerta dovuto all'espansione della capacità produttiva di wafer e celle. Con il polisilicio che si sta rivelando un collo di bottiglia critico, le aziende a valle, come i produttori di celle e wafer, hanno accumulato strategicamente scorte di polisilicio per soddisfare la domanda prevista, trainate in gran parte dalla proliferazione di installazioni su scala industriale in Cina. Sulla base dei progetti annunciati, si prevede che la capacità produttiva di polisilicio raddoppierà nei prossimi anni. Alcuni dei nuovi impianti costruiti hanno una capacità produttiva di 30.000-70.000 tonnellate all'anno e si prevede di costruire impianti con capacità superiori a 100.000 tonnellate.

Le aziende cinesi hanno cercato di abbassare i prezzi del polisilicio, creando impianti di produzione e producendo in aree con terreni, elettricità e costi di manodopera accessibili. Le province occidentali hanno una notevole espansione, tra cui la Mongolia Interna, il Quinghai, il Sichuan e, soprattutto, lo Xinjiang. Attualmente, quest'area ospita il 54% e il 39% della produzione globale cinese. Di seguito è riportata una stima della resa complessiva dei componenti fotovoltaici in Cina, basata sui progetti attivi fino al 2022.

I bassi costi di manodopera e la concentrata filiera fotovoltaica c-Si della Cina hanno rappresentato una barriera all'ingresso per altri operatori. Negli Stati Uniti la spesa per il lavoro 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 Thailandia, e il resto dalla Corea del Sud. Questi paesi del Sud-est asiatico dipendono fortemente da una catena di approvvigionamento cinese a monte. Gli Stati Uniti, nel 2020, disponevano di una capacità operativa limitata per le celle solari al silicio. Tuttavia, la successiva produzione a monte negli Stati Uniti ha guadagnato terreno e si è rivelata fondamentale per la crescente domanda di energia solare del paese. Secondo la SEIA, nel 2019 sono state completate installazioni per un valore di 8,6 GW, con una crescita annua del 21%.

Fonte: NRELupdate di (Smith et al. 2021)

A causa di lacune nella catena di approvvigionamento globale del fotovoltaico, come elevati costi di investimento e di manodopera, praticamente tutte le materie prime e i componenti in silicio composito vengono importati nei paesi occidentali dai paesi del Sud-est asiatico. Questi costi di importazione contribuiscono per circa l'11% alle spese di produzione totali. Un rafforzamento della catena di approvvigionamento nazionale del fotovoltaico ridurrebbe significativamente questi costi. Esistono soluzioni per ridurre il delta di costo con l'automazione nelle linee di assemblaggio di wafer e lingotti. Nel febbraio 2024, First Solar ha annunciato il suo piano di investire 10 miliardi di dollari in film sottile di CdTe negli Stati Uniti. I dati retrospettivi del 2023 hanno aggiunto 2,75 miliardi di dollari di valore alla capacità produttiva dei moduli, 900 milioni di dollari di valore economico e 2 miliardi di dollari di output.

Lingotti e wafer

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

Inoltre, sette province cinesi sono state attribuite a una capacità produttiva di wafer di 10 GWcc. In particolare, Jiangsu, situata 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 GWcc alla capacità globale di wafer. Jinko Solar, con sede in Cina, ha annunciato il suo piano di costruire un impianto per wafer e lingotti da 7 GWcc in Vietnam. L'obiettivo è semplificare le operazioni di produzione di celle in Malesia e l'assemblaggio dei moduli negli Stati Uniti. L'azienda ha dichiarato che l'avvio del progetto è avvenuto nel 2020, per aggirare le restrizioni commerciali statunitensi sui materiali d'importazione. Questa espansione strategica sottolinea gli sforzi dell'azienda per costruire una solida catena di fornitura, gestendo al contempo le mutevoli dinamiche commerciali.

Moduli e celle

Dall'introduzione dei nuovi incentivi fiscali per la produzione, si è registrato un afflusso significativo di investimenti per costruire ed espandere l'intera catena di fornitura dei moduli solari, inclusi lingotti, moduli, wafer e celle. Prima dell'entrata in vigore degli incentivi federali per la produzione, la capacità produttiva era di circa 16,6 GW, ovvero 41.500 MT/anno, per il polisilicio, e di 7 GW/anno per i moduli. La produzione di celle è stata trasferita in sede per la prima volta dal 2019 e si prevede che entro la fine del 2025 entrerà in funzione ulteriore capacità di celle. Ad oggi, la produzione di moduli ha registrato una forte crescita, passando da 7 GW, prima dei crediti d'imposta federali per la produzione, a 44,4 GW a dicembre 2024, con un aumento di oltre il 500%.

La catena di fornitura totale dei moduli negli Stati Uniti, inclusi i progetti operativi, in costruzione e annunciati, ha raggiunto un valore stimato di 81,6 GW. La definizione 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 nella scala della catena di fornitura, più lunghi sono i tempi di realizzazione. Si prevede che le nuove espansioni degli stabilimenti continueranno nei prossimi anni.

Nel 2022, l'India è stata l'unica nazione a registrare un calo significativo delle importazioni dalla Cina, che ha portato a un calo del 76%, pari a -7,5 GW su base annua. Nella prima metà del 2022 si è registrato un calo totale di 9,8 GW, rispetto ai 2,3 GW precedenti. Inoltre, le severe normative governative, tra cui l'imposizione di dazi, hanno portato a un passaggio dalle importazioni all'utilizzo della capacità produttiva nazionale. Da allora, la capacità produttiva locale di moduli solari in India è aumentata e l'India ha stabilito un punto di riferimento nelle esportazioni globali di moduli e pannelli solari. Nonostante i continui sforzi per svincolarsi dalla dipendenza dalla Cina per la fornitura di componenti, le esportazioni cinesi di pannelli solari sono aumentate del 34% nella prima metà del 2023. Questo è fondamentale per soddisfare l'elevata domanda di energia in Europa e Sudafrica. La crescente attenzione alla transizione verso l'energia pulita ha ulteriormente aumentato la dipendenza dalle esportazioni cinesi di energia solare. Del 90,4% del volume delle esportazioni, l'Europa è emersa come il maggiore importatore (58%), seguita dal Brasile, che riceverà 9,5 GW di pannelli solari prodotti in Cina nella prima metà del 2023. Si prevede che l'Africa registrerà il tasso di crescita delle importazioni più rapido, pari al 187%, poiché il governo sta cercando soluzioni per mitigare la crescente crisi energetica, mentre la Cina sta sfruttando ampiamente il divario tra domanda e offerta.

Esportazioni di energia solare della Cina nella prima metà del 2023, quota (%) in termini di valore in dollari

2,6%

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 valore complessivo di 87,7 miliardi di dollari. Tra il 2021 e il 2022, il valore dei semiconduttori fotovoltaici/fotosensibili/LED è cresciuto del 21,9%, passando da 72 miliardi di dollari a 87,7 miliardi di dollari, rappresentando lo 0,37% del commercio mondiale totale.

Crescita annua del fotovoltaico e Commercio globale di dispositivi a semiconduttore LED

Fonte: OEC

Commercio globale di dispositivi semiconduttori fotovoltaici/LED

Fonte: OEC

Fine vita del fotovoltaico (EOL)

La crescente attenzione alla decarbonizzazione delle reti elettriche ha aumentato proporzionalmente la capacità di generazione e accumulo di energia solare in tutto il mondo. Per contestualizzare, 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 aumenti a un ritmo sostenuto nei prossimi anni.

Sebbene la durata di vita di un impianto fotovoltaico sia di circa 25-35 anni, alcuni componenti dell'impianto, inclusi i moduli, stanno già entrando nel flusso dei rifiuti. Inoltre, i moduli raggiungono la fine del loro ciclo di vita a causa di danni causati da agenti atmosferici, difetti di produzione seriali o errori di installazione. Entro la fine del 2050, il volume annuo di moduli fotovoltaici destinati alla fine del ciclo di vita (EOL) raggiungerà il 12% dei rifiuti elettronici urbani annuali negli Stati Uniti. Il 99% dei materiali dei moduli fotovoltaici non è pericoloso e il 95% è completamente riciclabile con le tecnologie disponibili. Questo costituisce una solida base per metodi di gestione dei materiali destinati alla fine del ciclo di vita (EOL) sicuri e a basso impatto. Attualmente, i processi di gestione EOL non sono adatti al riciclo. Il costo del riciclo dei moduli fotovoltaici per chi genera rifiuti è compreso tra 15 e 45 dollari per modulo, una cifra significativamente superiore alla tariffa di smaltimento in discarica di 1-5 dollari per modulo. Ciò a sua volta avrà probabilmente un impatto sulle politiche federali e statali relative al trattamento dei rifiuti.

Fonte: IRENA

Copertura del piano d'azione

A giugno 2021, il Solar Energy Technologies Office (SETO) ha emesso una richiesta di informazioni per sollecitare un feedback dal settore fotovoltaico Le comunità di gestione dei rifiuti hanno affrontato le principali sfide legate al trattamento di fine ciclo di vita (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 di EOL del fotovoltaico. 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 degli stakeholder sulle sfide prevalenti nella progettazione hardware, nella raccolta e nell'analisi dei dati e nell'identificazione del ruolo del DOE nella gestione dell'EOL, nel 2021 il SETO ha implementato un piano d'azione quinquennale.

Il piano programmatico pluriennale 2021 è stato definito sulla base del workshop del 2021 sulla fine del ciclo di vita degli impianti fotovoltaici e del feedback delle richieste di informazioni (RFI). Si concentra sui seguenti fattori abilitanti di un'economia circolare:

• Raccolta e analisi dei dati: sulla base del volume e della gestione dei rifiuti modellati, è evidente la necessità di una raccolta, uno smistamento, un trasporto e un recupero realistici dei materiali. SETO mira a creare un database autonomo con 10 MW di dati sulla fine del ciclo di vita degli impianti fotovoltaici raccolti entro la fine del 2025 e a implementare standard di dati completi. Inoltre, i dati non riservati saranno resi pubblici alle comunità che si occupano di gestione dei rifiuti, energia solare e politiche.
• Sviluppo hardware e ricerca di processo: SETO sottolinea l'importanza di migliorare l'efficienza delle materie prime e dell'utilizzo dell'energia per ridurre al minimo le risorse necessarie per la lavorazione dei materiali a fine vita (EOL) e prolungare la durata dei componenti. Raccomanda che acciaio, rame e alluminio vengano venduti ai mercati dei rottami metallici a fine vita (EOL). Tuttavia, il recupero dell'argento dalla metallizzazione e la separazione di polimeri e compositi, inclusi i backsheet, sono alcune delle aree in cui il recupero dei materiali può essere problematico. Si prevede che la ricerca volta a migliorare il tasso di recupero, riducendo al minimo i costi di recupero, contribuirà a cambiare l'economia del riciclo del solare fotovoltaico.