ENERGETICKÁ NÁVRATNOST FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ V PODMÍNKÁCH ČESKÉ REPUBLIKY

Jednou z nejrozšířenějších je domněnka, že fotovoltaické elektrárny nikdy nevyprodukují tolik energie, kolik bylo spotřebováno při jejich vlastní výrobě.

Na internetových diskusních fórech se pravidelně objevují podobné názory: „Vždyť ta ptákovina za dobu své životnosti nevyrobí ani tolik energie, kolik se spotřebovalo na její výrobu a instalaci. A to nepočítám ani s tím, že 10 až 20% energie, kterou to vyrobí sežere ten informační panel a monitorovací systém onoho zeleného zázraku.“

Pro zodpovědné potvrzení nebo vyvrácení této rozšířené domněnky je nutné srovnat všechny dostupné výzkumy, které se tomuto tématu věnují. Cílem této přehledové studie je tudíž nalézt odpověď na tuto výzkumnou otázku:

Jaká je doba energetické návratnosti pozemních a střešních fotovoltaických systémů připojených na síť (on - grid) v podmínkách České republiky?

Pro určení „podmínek České republiky“ jsem vycházel z dat ze systému PVGIS  Institutu pro životní prostředí a udržitelnost (Joint Research Centre pod Evropskou komisí). Údaje se liší v závislosti na sklonu plochy (horizontální, vertikální a optimální) a liší se v různých zdrojích , pro potřeby této studie uvažuji jako průměrný roční úhrn slunečního záření 1100 kWh/m2 při otimálním sklonu plochy.

Koncept doby energetické návratnosti (energy payback time)

Všechny výzkumy, které shrnuje tato studie, pracují s konceptem doby energetické návratnosti (energy pay back time, EBPT), což je  je energetická analogie ekonomické návratnosti. Definuje čas, za který fotovoltaický panel vyrobí tolik energie, kolik bylo potřeba na jeho výrobu.

EPBT je definována jednoduchým vztahem:

EPBT = E input / E saved,

kdy E input představuje veškerou energii vstupující během celého životního cyklu panelu (zahrnuje např. energii potřebnou k výrobě, energii nutnou k instalaci, energie spotřebovanou během vlastního provozu, energii potřebnou pro likvidaci panelu) a E saved  je průměrné množství energie vyrobené panelem za rok provozu.

Analýza relevantních výzkumných studií

Srovnáním různých výsledků, které přinášejí analyzované studie, se pokusím zodpovědět výzkumnou otázku.

Vyhledal jsem všechny výzkumy energetické návratnosti fotovoltaických systémů publikované po roce 2000 dostupné v elektronických databazích Blackwell Synergy, JSTOR, ProQuest 5000, Science Direct a na internetu prostřednictvím vyhledávače Google.

Tomuto vymezení odpovídalo sedm studií, které jsem dále analyzoval. Níže stručně shrnuji  nejdůležitější poznatky každé studie:

1 – Doba energetické návratnosti a emise CO2 u fotovoltaických systémů

Alsema (2000) v tomto výzkumu dochází k následujícím výsledkům: „Doba energetické návratnosti je u současných systémů připojených na síť 2 – 3 roky v slunečném klimatu a prodlužuje se na 4 – 6 let (a více) v méně příhodných podmínkách."

V podmínách České republiky je doba energetické návratnosti 4 – 5 let u střešních a 6 let u pozemních instalací.

2 – Energetická náročnost fotovoltaických systémů

Blakers a Weber (2000) došli metodou modelování k závěru, že doba energetické návratnosti fotovoltaických systémů v podmínkách města Sydney je 8,3 let v případě střešních systémů a 11,5 let v případě pozemních instalací.

Je třeba vzít v úvahu, že podmínky Sydney (1926 kWh/m2/rok) jsou o 30% - 70% lepší než v České republice, kde by doba energetické návratnosti vycházela na 14 respektive 19,3 let. Tato studie pochází z roku 2000, od té doby se doba energetické návratnosti zkrátila, jak to tato studie předpokládá a jak dokazují následující studie.

Přesto z této studie jasně vyplývá, že energetická bilance fotovoltaických systémů, jejichž životnost je přibližně 30 let, je jednoznačně pozitivní.

3 – Empirická perspektiva doby energetické návratnosti fotovoltaických modulů

Knapp a Jester (2000) se zaměřili na dobu energetické návratnosti fotovoltaických modulů z monokrystalického křemíku (sc-Si), které se v současné době běžně používají, a zatím málo rozšířených tenkovrstvých modulů ze sloučeniny mědi, india a selenidu (CuInSe2 nebo CIS - thin film copper indium diselenide modules).

Tato studie je velmi přínosná především díky odlišné metodologii – na rozdíl od ostatních citovaných studií bylo minimalizováno modelování výrobního procesu. Výzkumníci používali především empirická data přímým měřením spotřebované energie, výrobní data, účty za energie a suroviny v továrnách na fotovoltaické moduly firmy Siemens Solar Industries.

S těmito daty došli k následujícím výsledkům:

Doba energetické návratnosti monokrystalických modulů je 3.3 roky a u tenkovrstvých modulů 1,8 let při průměrné ročním úhrn slunečního záření 1700 kWh/m2 .

Pokud tyto výsledky přepočtu na podmínky České republiky, doba energetické návratnosti vychází na 5,1 let u monokrystalických modulů a 2,78 let u tenkovrstvých modulů.

4 – Srovnávací studie vybraných environmentálních indikátorů fotovoltaické elektřiny ve městech OECD

Mezinárodní energetická agentura (International Energy Agency) vydala roku 2006 tuto rozsáhlou srovnávací studii energetické návratnosti fotovoltaické elektřiny, pro jejíž účely byly hodnoceny fotovoltaické systémy architektonicky integrované do budov, připojené na rozvodnou síť vyrobené z komponentů běžně dostupných na trhu (standardních modulů z multikrystalického křemíku a standardních invertorů připojených na síť).

Do výzkumu bylo zahrnuto 41 měst v 26 zemích OECD. V žádném ze 41 zkoumaných měst nepřevýšila doba energetické návratnosti střešních systémů dobu 3,3 roky.

Jedním ze zkoumaných měst je i Praha, kde dochází k výsledkům 3,1 let pro střešní systémy při uvažování stejného ročního úhrnu slunečního záření jako tato studie.

5 – Reálné environmentální dopady fotovoltaických modulů z krystalického křemíku: analýza založená na aktuálních datech výrobce

Alsema a de Wild-Scholten (2005) společně s devíti americkými a evropskými FV společnostmi sesbírali data životního cyklu (Life Cycle Inventory data), které reprezentují stav výrobní technologie modulů z krystalického křemíku v roce 2004. Data pokrývají všechny procesy od produkce surového křemíku po výrobu finálního modulu.

Na základě těchto nově sesbíraných dat dokazují, že fotovoltaické systémy založené na krystalickém křemíku jsou v dobré konkureční pozici vůči jiným energetickým technologiím. Doba energetické návratnosti byla vypočtena na 1,5 – 2,5 roku v podmínách jižní Evropy (roční úhrn záření 1700 kWh/m2), a 2,6 – 4,4 let v podmínkách střední Evropy (roční úhrn záření 1100 kWh/m2).

6 – Environmentální dopady fotovoltaické výroby elektřiny – kritické srovnání možností energetických zdrojů

Autoři této studie se zabývají možností uplatnění fotovoltaiky v budoucím portfoliu technologií málo náročných na uhlík jako budoucího zdroje udržitelné energie. Dospěli k závěru, že fotovoltaická energie je v dobré pozici na to, aby byla součástí tohoto porfolia, zvláště pokud se podaří snížit finanční náklady na výrobu panelů.

V rámci této studie byly také hodnoceny environmentální dopady fotovoltaické výroby energie včetně doby energetické návratnosti. V podmínkách České republiky by byla doba energetické návratnosti 2,8 – 3,6 let v závislosti na typu použité technologie (ribbon, multikrystalický nebo monokrystalický křemík).

7 – Analýza životního cyklu fotovoltaické elektrárny instalované na zemi a připojené na síť: případová studie fotovoltaické elektrárny Springerville firmy Tucson Electric Power

Tato případová analýza životního cyklu zahrnuje výrobu všech komponentů (fotovoltaické panely na bázi článků z multikrystalického křemíku jsou zarámované, výkon 300 Wp), stavbu fotovoltaické elektrárny, administraci, údržbu, bezpečnostní opatření a dokonce i používání vozidla pro zaměstnance, kteří dojíždějí do práce.

Výpočet byl proveden modelování pomocí systému GREET1.6 a systému pro analýzu životního cyklu LISA. Doba životnosti elektrárny byla uvažována 30 let.

Odhadovaná doba energetické návratnosti je 2.8 let díky velmi vysokému ročnímu úhrnu slunečního záření (2100 kWh/m2). Pokud uvažují se slabším zářením (1700 kWh/m2 jako v jižní Evropě), prodlouží se doba energetické návratnosti na 3,5 let. Výroba panelu představuje naprostou většinu (88%) celkové energie v rámci celém životním cyklu fotovoltaické elektrárny.

Tyto výsledky odpovídají době energetické návratnosti 5,4 let v podmínkách České republiky.

Závěr

Srovnávané studie pocházejí od různých výzkumných institucí a vědců, kteří používali různé metodologické přístupy (od modelování po empirické případové studie). Nenašel jsem žádný zásadní rozpor v použitých metodologiích ani v uváděných datech, výsledky jsou konzistentní, což výrazně zvyšuje jejich validitu a reliabilitu.

Doba energetické návratnosti v podmínkách České republiky se podle šesti studií pohybuje v rozmezí 2,6 – 6 let v závislosti na typu použité technologie a typu instalace. Střešní systémy mají dobu energetické návratnosti kratší než pozemní instalace. Pouze výsledky jedné studie z roku 2000  odpovídají době 14 – 19 let v podmínkách České republiky. Jedním z možných vysvětlení, proč tato studie přináší tyto výsledky, je technologický vývoj křemíkových panelů od roku 2000 spojený s nižší energetickou náročností, který také v této studii předpovídají.

Všechny studie dokazují, že doba energetické návratnosti je výrazně kratší než doba životnosti panelů - fotovoltaické panely vyrobí více energie, než bylo potřeba k jejich vlastní výrobě. Po uplynutí této doby produkují čistý energetický zisk.

Ačkoli se výsledky jednotlivých srovnávaných studií mírně liší, žádná ze studií neprokazuje (ani nenaznačuje), že by doba energetické návratnosti byla delší než životnost fotovoltaické elektrárny. Doměnku, že „fotovoltaické elektrárny nikdy nevyrobí tolik energie, kolik bylo potřeba na jejich výrobu“ všechny studie jednoznačně vyvrací.

Použité studie:

1) Alsema, E.A. (2000): Energy Pay-Back Time and CO2 emissions of PV Systems. Progress In Photovoltaics: Research and Applications, vol 8(1): p. 17-25.

2) Blakers, A., Weber, K. (2000).  The energy intensity of photovoltaic systems. Centre for Sustainable Energy Systems, Engineering Department, Australian National University, Camberra, Australia.

3) Knapp, K. E., Jester, T. L. (2000). An Empirical Perspective on the Energy Payback Time for Photovoltaic Modules. Solar 2000 Conference, Madison, Wisconsin. June 16-21.

Stručné shrnutí této studie vyšlo jako časopisový článek:

Knapp, K. E., Jester, T. L. (2000). PV Payback. Home Power #80. December 2000 / January 2001

4) International Energy Agency (2006): Compared Assessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities. IEA PVPS Task 10, Activity 4.4. Report IEA-PVPS T10-01:2006.

5) Alsema, E.A., de Wild-Scholten, M.J. (2005): The real environmental impacts of crystalline silicon PV modules : an analysis based on up-to-date manufacturers data. 20th European PV Solar Conference, Barcelona, 6 – 10 June 2005.

6) Alsema, E.A., de Wild-Scholten, M.J., Fthenakis, V.M. (2006): Environmental Impacts of PV electricity generation – a critical comparison of energy supply options. 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden,Germany, 4-8 September 2006

7) Mason, J. (2004): Life Cycle Analysis of a Field, Grid-Connected, Multi-Crystalline PV Plant: A Case Study of Tucson Electric Power’s Springerville PV Plant. Final Report for Tucson Electric Power. Dostupný na WWW: <www.nrel.gov/pv/thin_film/docs/final_lca_sgs_pv_plant_tucson.doc>

Použité internetové zdroje:

Photovoltaic Geographical Information system. Geographical  Assessment of Solar Resource and Performance of Photovoltaic Technology. Dostupný na WWW: <http://sunbird.jrc.it/pvgis/apps/radmonth.php?lang=sk&map=europe>

Czech RE Agency (Česká agentura pro obnovitelné zdroje energie). Fotovoltaika pro každého: Přírodní podmíny v ČR. Dostupný na WWW: http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika#podminky

Vašek Wortner

Autor je  studentem environmentálních studií na Fakultě sociálních studií MU. Tato studie vznikla jako součást stáže v Hnutí DUHA.

Zdroj: Časopis Alternativní energie - www.alen.cz