Często, przeglądając różne fora, czy wątki dotyczące fotowoltaiki, można natknąć się na negatywne opinie dotyczące tej technologii. Jednym z argumentów przeciwników ogniw słonecznych jest bardzo długi czas zwrotu inwestycji ze względu na stosunkowo małą wydajność modułów fotowoltaicznych (PV) – nie jest to prawdą, czemu poświęcę oddzielny artykuł. Kolejnym zarzutem, który widziałem kilkakrotnie, jest podważanie ekologiczności ogniw słonecznych. Co prawda nikt nie zaprzecza „czystości” produkowanej energii, ale można spotkać się z opinią jakoby ilość wyprodukowanej energii przez cały okres żywotności modułów PV nie będzie w stanie zbilansować energii zużytej na wyprodukowanie takiego modułu. Takie pogląd rzeczywiście był prawdziwy w latach 80-tych XX wieku, kiedy badania były przeprowadzane na wczesnych prototypach modułów fotowoltaicznych, jednak technologia produkcji stała się bardziej wydajna, co prowadzi do mniejszego zużycia energii, a to bezpośrednio przekłada się na znaczne skrócenie czasu zwrotu nakładów energetycznych. Żeby poprawnie podejść do tego tematu, trzeba zapoznać się z pojęciem „oceny cyklu życia” z angielskiego – Life Cycle Assessment (LCA) – jest to metoda pozwalająca prześledzić szeroko rozumiany wpływ na środowisko danego urządzenia/źródła energii od „kołyski aż po grób”. Oznacza to, że brany jest pod uwagę każdy etap życia urządzenia – począwszy od pozyskania materiałów na produkcję przez proces wytwarzania, użytkowania, likwidacji, ponownego przetworzenia czy utylizacji. Składnikami LCA, którymi bierze się pod uwagę są:
- emisja gazów cieplarnianych,
- emisja metali ciężkich,
- dostępność zasobów,
- czas zwrotu nakładów energetycznych (Energy Payback Time – EPBT) .
Ostatni podpunkt, czyli czas zwrotu inwestycji energetycznych jest właśnie tym parametrem, który informuje nas, kiedy dane źródło energii zwróci energię zużytą na jego produkcję. Skupię się na oszacowaniu EPBT dla modułów fotowoltaicznych.
Cykl życia modułów fotowoltaicznych
Każdy z widocznych na powyższym rysunku etapów, charakteryzuje się różnym zapotrzebowaniem na energię. Ilość energii zależy również od elementu modułu fotowoltaicznego, który bierzemy pod uwagę. Na przykład przetworzenie piasku na tzw. krzem metalurgiczny, a następnie oczyszczenie go do poziomu, który jest akceptowalny w produkcji ogniw słonecznych, pochłania znaczące ilości energii. W poprawnej analizie trzeba również uwzględnić elementy składowe modułu, takie jak aluminiowa rama, kwarc na szybę, miedź na okablowanie itp.
Czas zwrotu nakładów energetycznych (EPBT)
Jest to parametr zdefiniowany, jako czas potrzebny, aby odnawialne źródło energii wygenerowało taką samą ilość energii, jaka była potrzebna do jego wyprodukowania.
EPBT=(E mat +E prod +E transp +E inst +E koniec )/(E gen -E użytkowanie )
Gdzie
E mat – energia potrzebna na wyprodukowanie poszczególnych elementów instalacji PV,
E prod – energia potrzebna na wyprodukowanie instalacji PV,
E transp – zapotrzebowanie na energię związane z transportem materiałów w czasie całego cyklu życia,
E inst – energia potrzebna na zainstalowanie systemu PV,
E koniec – energia potrzebna do likwidacji systemu,
E gen – roczna produkcja energii przez system PV,
E użytkowanie – roczne zapotrzebowanie na energię do obsługi instalacji PV.
Policzenie poszczególnych składników EPBT wymaga znajomości specyfiki danego kraju, ale zależy również od nasłonecznienia na danym obszarze oraz od wydajności analizowanych modułów słonecznych.
Rys.2 Czas zwrotu nakładów energetycznych na przestrzeni 40 lat.
We wczesnych badaniach cyklu życia modułów fotowoltaicznych zostało oszacowane, że całkowite zapotrzebowanie na energię dla fotowoltaiki waha się od 2400 – 7600 MJ/m 2 dla modułów multikrystalicznych oraz 5300 – 16500 MJ/m 2 dla modułów monokrystalicznych, co rzeczywiście
przełożyło się na wysoki współczynnik EPBT rzędu kilkudziesięciu lat (Rys. 2). Tak duże wartości wzięły się ze stosunkowo niskich wydajności modułów oraz z bardzo energochłonnego procesu Siemensa, który pozwala na produkcję monokryształu krzemu o czystości przekraczającej 9N (>99.9999999%). Wysoka czystość jest potrzebna w przemyśle elektronicznym, ale w fotowoltaice nie jest konieczna, dlatego współczesne technologie produkcji krzemowych ogniw słonecznych stosują tzw. zmodyfikowany proces Simensa, który wymaga dużo mniej energii. Oczywiście mniejsza czystość krzemu oznacza mniejszą wydajność ogniw słonecznych, ale spadek wydajności jest stosunkowo mały w porównaniu z oszczędnością energii. Dostępne publikacje analizujące cykl życia, a w szczególności EPBT przedstawiają obliczenia dla różnych wartości nasłonecznienia, dla różnych wydajności ogniw słonecznych oraz dla różnych sposobów montażu, dlatego trudno jest zrobić dokładne porównanie. Jednak podsumowując wyniki, wyłania się dość optymistyczna wizja dotycząca czasu zwrotu nakładów energetycznych, w zależności od warunków i technologii. W latach 2000 – 2006 ten czas waha od 6 lat do 11 miesięcy. Badania z roku 2009 dla systemów montowanych na dachu dla nasłonecznienia rzędu 1700 kWh/m 2 /y wykazały, że dla modułów z krzemu monokrystalicznego o wydajności 14%, EPB wynosi około 1.7 roku, i jest porównywalny z EPB dla krzemu multikrystalicznego. Należy mieć również na uwadze, że mamy rok 2019, a 10 lat rozwoju technologii we współczesnym świecie to bardzo długi okres, który jest poświęcony optymalizacji produkcji na każdym etapie. Najnowsze badania z roku 2018 pokazują, że czas zwrotu nakładów energetycznych dla współczesnych modułów fotowoltaicznych w zależności od użytej technologii waha się od roku do 1.5 roku (Rys.3).
Rys. 3 Czas zwrotu nakładów energetycznych w roku 2018 dla poszczególnych technologii:
Al-BSF (EGS) – standardowe moduły z tzw. krzemu elektronicznego o wysokiej czystości,
Al-BSF (SGS) – standardowe moduły z krzemu o obniżonej czystości do celów fotowoltaicznych, tzw. solar grade silicon (SGS),
Al-BSF (UMG-Si) – standardowe moduły z oczyszczonego krzemu metalurgicznego, tzw. upgraded metalurgical silicon (UMG-Si),
PERC (EGS) – wysokowydajne moduły PERC z krzemu elektronicznego,
PERC (SGS) – wyokowydajne moduły PERC z krzemu do celów fotowoltaicznych,
PERC (UMG-Si) – wysokowydajne moduły PERC z oczyszczonego krzemu metalurgicznego (UMG-Si)
Podsumowując przedstawione dane, jeśli weźmiemy pod uwagę czas życia instalacji fotowoltaicznych, który w najgorszym przypadku wynosi 25 lat, to czas zwrotu nakładów energetycznych rzędu 1.5 roku wydaje się bardzo niski. Czyli odpowiadając na pytanie zawarte w tytule artykułu: współczesne instalacje fotowoltaiczne bardzo szybko wyprodukują energię, która została zużyta na ich produkcję.
Źródła opracowania
- Life Cycle Inventories and Life Cycle Assessments of Photovoltaic Systems, Rolf Frischknecht et al., IEA PVPS Task 12 (2015).
- How Long Does it Take for Photovoltaics To Produce the Energy Used?, Vasilis Fthenakis, The National Society of Professional Engineers, FEBRUARY 2012.
- Photovoltaics Energy Payback Times, Greenhouse Gas Emissions and External Costs: 2004–early 2005 Status, Vasilis Fthenakis and Erik Alsema, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2006; 14.
- Life cycle assessment on PERC solar modules, Marina M. Lunardi et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 187 (2018).
