È tutta una questione di soldi. Perché le soluzioni tecnologiche apparentemente grandi a volte possono fallire

Quando ero più giovane, credevo che la scienza da sola potesse risolvere qualsiasi sfida tecnologica e che qualunque soluzione fosse tecnicamente la migliore avrebbe vinto. È stato solo dopo aver trascorso alcuni anni nell'industria che mi sono reso conto di come l'economia, le forze di mercato e la concorrenza svolgano ruoli altrettanto importanti (e talvolta più importanti). Una soluzione tecnologica che potrebbe sembrare eccellente sulla carta può, ho imparato, essere trascinata verso il basso da difficoltà pratiche e scadenze scadenti.

Per chiunque sviluppi nuove tecnologie, è quindi importante stabilire punti di revisione sui progetti, valutare continuamente il mercato e la concorrenza e controllare regolarmente la prontezza della propria tecnologia in modo spassionato ed equilibrato. Mi vengono in mente dozzine di tecnologie che non hanno funzionato come previsto. Ma qui esplorerò il fotovoltaico a "concentrazione solare" (CPV), dispositivi che generano elettricità utilizzando lenti o specchi curvi per concentrare la luce solare su minuscole celle solari.

Mi è stato ricordato questo argomento mentre scrivendo sulla cella solare più efficiente del mondo, che è stato sviluppato nel 2019 presso il National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti. È un dispositivo CPV e ha un'efficienza da record del 47.1% se illuminato da 143 soli. A prima vista, il dispositivo sembra incredibile dato che gli odierni pannelli fotovoltaici in silicio (FV) hanno un'efficienza di solo il 22%.

Perché il fotovoltaico a concentrazione, che una volta veniva pubblicizzato come la prossima grande novità, è caduto nel dimenticatoio?

Certo, la maggior parte delle installazioni di CPV sembra impressionante e futuristica, ma i fotovoltaici in silicio a schermo piatto sono diminuiti così tanto di prezzo che i tentativi di implementare CPV si sono quasi fermati dal 2017 (anche se la ricerca su di essi è continuata). È per questo che i CPV, che una volta erano pubblicizzati come la prossima grande novità, sono caduti nel dimenticatoio?

Le forze di mercato

La ricerca sui CPV è iniziata a metà degli anni '1970 dopo lo shock dell'embargo petrolifero in Medio Oriente (prog. Fotovoltaggio. ris. appl. 8 93). La maggior parte del lavoro si è svolta presso i Sandia National Laboratories nel New Mexico, con il primo sistema costituito da una lente di Fresnel acrilica che focalizzava la luce solare su celle fotovoltaiche in silicio. Le celle sono state raffreddate dall'acqua per impedire loro di riscaldarsi e perdere efficienza; usavano anche un sistema di tracciamento, quindi erano sempre rivolti verso il sole.

Altre società si sono subito cimentate, con sistemi CPV sviluppati da tutti, da Motorola e Boeing a GE e RCA. Da questo primo lavoro sono emersi diversi progetti dimostrativi su larga scala di successo, in particolare il progetto Soleras da 350 kW in Arabia Saudita e il sistema Entech da 300 kW ad Austin, in Texas. Il primo ha funzionato ininterrottamente dal 1981 per oltre 15 anni e ha fornito preziose informazioni sugli aspetti pratici e sui costi operativi dei CPV.

Durante i primi anni '1980, tuttavia, il lavoro si fermò quando passò l'urgenza della crisi energetica. Con il petrolio e il gas naturale che si sono dimostrati molto più abbondanti del previsto, il costo di questi combustibili è crollato. Quindi, una volta che i fondi federali statunitensi per i CPV sono diventati scarsi, la maggior parte dei partecipanti ha abbandonato. La ricerca è stata ridotta, anche se pochi devoti hanno continuato a perseguire il sogno.

È stato facile attribuire la perdita di interesse per i CPV ai bassi prezzi del gas naturale o alla mancanza di volontà politica. Ma il problema più grande era che i sistemi CPV non si vendevano. I normali pannelli solari fotovoltaici in silicio piatto, al contrario, hanno centinaia di applicazioni, dalla navigazione alle telecomunicazioni. Sono incredibilmente affidabili, mancano di parti mobili e richiedono pochissima manutenzione.

I fotovoltaici solari sono particolarmente utili per le persone nei paesi in via di sviluppo, che ora li utilizzano per l'illuminazione, la refrigerazione e il pompaggio dell'acqua, soprattutto se in aree remote dove non sono disponibili altre fonti di energia. In poche parole, nessuna di queste applicazioni è particolarmente adatta per i CPV, che erano convenienti solo per impianti superiori a 100 kW.

Una nuova alba?

Il mercato dei CPV è migliorato in seguito allo sviluppo nei primi anni 2000 di CPV multi-giunzione "tandem" ad alta efficienza, che combinano il silicio con un semiconduttore III-V come l'arseniuro di gallio. In effetti, dal 2010 sono stati commissionati in tutto il mondo vari progetti CPV multi-megawatt che utilizzano tali dispositivi. I moderni sistemi commerciali hanno efficienze fino al 42% e l'Agenzia internazionale per l'energia ritiene che questo potrebbe salire al 50% entro la metà degli anni '2020.

Eppure anche questi CPV superiori non sono perfetti, poiché necessitano di sistemi di tracciamento attivi in ​​​​modo che siano sempre rivolti verso il sole e un raffreddamento speciale. Questa è molta complessità aggiuntiva per l'efficienza extra. Inoltre, le celle non funzionano altrettanto bene in condizioni nebbiose o inquinate perché lo spettro non corrisponde alle celle spettralmente "sintonizzate". Le giornate nuvolose sono un altro problema perché la luce solare non è abbastanza concentrata.

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Queste limitazioni dei sistemi fotovoltaici multi-giunzione riducono la loro potenza e incidono sull'economia con maggiori costi di capitale e spese di manutenzione. È difficile vedere come possano migliorare i pannelli solari fotovoltaici, il cui prezzo è diminuito dell'82% tra il 2010 e il 2019, secondo il Agenzia internazionale per le energie rinnovabili.

Il calo del costo del fotovoltaico solare a pannello piatto è stato principalmente guidato dalle economie di scala, ma anche il governo cinese ha svolto un ruolo. Sovvenzionando pesantemente la sua industria solare fotovoltaica, alcuni hanno discusso che la Cina è stata in grado di vendere pannelli solari negli Stati Uniti e in Europa per meno di quanto costa produrli e spedirli. Conosciuta come "dumping", la pratica ha allontanato i concorrenti e consentito ai fornitori cinesi di accaparrarsi il mercato.

Con l'economia che ora favorisce così fortemente il fotovoltaico solare a pannello piatto, le prospettive a breve termine per l'industria CPV sono svanite. Molti dei più grandi impianti di produzione di CPV hanno chiuso le operazioni, tra cui quelli di Suncore, Soitec, Amonix e SolFocus. I fotovoltaici solari a schermo piatto, nonostante siano meno efficienti, hanno vinto la giornata grazie alla semplice economia.

Tuttavia, non tutto è perduto. Forse è prevista una seconda età dell'oro per la tecnologia dei concentratori solari che utilizza l'energia concentrata per riscaldare i liquidi, con il calore immagazzinato convertito in elettricità quando il sole non splende. È un'affascinante possibilità di cui parlerò il mese prossimo.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/its-all-about-the-money-why-seemingly-great-technological-solutions-can-sometimes-fail/