O energii ze słońca zawsze krążyły liczne mity. Niektórzy uważają, że instalacje fotowoltaiczne (PV) są zbyt drogie, aby w nie inwestować, a zimą i tak nie ma z nich pożytku – więcej na ten temat przeczytasz tutaj. Inni twierdzą, że produkcja komponentów do instalacji PV generuje więcej CO2, niż wynosi redukcja emisji w związku z korzystaniem z nich. W naszym artykule analizujemy wplyw fotowoltaiki na srodowisko i redukcje emisji CO2.
Na pierwszy rzut oka odpowiedź na pytanie, czy instalacja fotowoltaiczna (PV) zmniejsza emisję CO2, wydaje się prosta: promienie słoneczne + moduły = energia. Podczas bezpośredniego użytkowania nie dochodzi do emisji CO2. Co do zasady jest to prawdą. Ale tylko na pierwszy rzut oka.
Przecież moduły fotowoltaiczne, falownik i, w razie potrzeby, magazyn energii muszą zostać umieszczone na dachu i w pomieszczeniu technicznym oraz uruchomione. Zanim będzie to możliwe, muszą zostać dowiezione na miejsce za pomocą odpowiedniego środka transportu. A zanim to nastąpi, ktoś musi wydobyć niezbędne materiały, przerobić je i wyprodukować z nich poszczególne elementy instalacji PV. Jednym z punktów, który zbyt często jest pomijany, jest utylizacja: co dzieje się z zużytymi elementami instalacji fotowoltaicznej? Niezależnie od tego, czy trafiają na wysypisko, czy do spalarni odpadów, czy są przynajmniej częściowo poddawane recyklingowi, w różnym stopniu zanieczyszczają środowisko.
Jak widać, łańcuch wartości technologii fotowoltaicznej obejmuje różne sektory przemysłowe i usługowe:
- Wydobycie surowców
- Produkcja poszczególnych elementów
- Transport
- Czynności montażowe i konserwacyjne
- Zagospodarowanie odpadów i recykling
Aby dowiedzieć się, czy dzięki fotowoltaice możliwa jest redukcja emisji gazów cieplarnianych, musimy przyjrzeć się bliżej ich cyklowi życia – od kołyski po grób. Jako podstawę posłużą nam badania Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) oraz Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Ten ostatni poświadczył przeprowadzoną przez firmę Fronius we współpracy z to4to – together for tomorrow analizę cyklu życia falownika Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Na wstępie należy zaznaczyć, że dane dotyczą generalnie modułów fotowoltaicznych, a w szczególności falowników Fronius. Nie rozpatrujemy cykli życia i emisji CO2 falowników innych producentów.
Poza tym w rzeczywistości musielibyśmy mówić o ekwiwalentach CO2, ponieważ są też inne gazy cieplarniane, które wpływają na potencjał tworzenia efektu cieplarnianego. Dla uproszczenia jednak na tym blogu zwykle piszemy o emisjach CO2 fotowoltaiki.
1. Wydobycie surowców i elementy a bilans CO2instalacji fotowoltaicznej
Produkcja modułów i falowników fotowoltaicznych zależy od wydobycia i przerobu pewnych rzadkich surowców. Piasek kwarcowy jest jednym z najważniejszych surowców, ponieważ z niego otrzymuje się krzem, który jest niezbędny w modułach i elementach półprzewodnikowych. Proces wymaga wysokich temperatur od 1500 do 2000°C, co czyni go najbardziej energochłonną fazą w produkcji instalacji PV. Duża rolę odgrywa miks energetyczny zużywanej energii.
| Czy wiesz, że…? Dziewięciu z dziesięciu największych producentów polikrzemu pochodzi z Chin. Łącznie mają oni 93,5% udziału w rynku. W miksie energetycznym Chin średnio 61% przypada na węgiel. Ma to duży wpływ na ślad węglowy. Produkcja modułów fotowoltaicznych w Chinach wiąże się z emisją średnio 810 kg gazów cieplarnianych na kilowat szczytowej mocy modułu. Nawet 50% emisji przypada na produkcję krzemu. Dla porównania: produkcja porównywalnych modułów w Niemczech wiąże się z emisją około 580 kg CO2 na kilowat szczytowej mocy modułu*. *Źródło: https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2021/european-glass-glass-photovoltaic-modules-are-particularly-climate-friendly.html |
Łatwo jest nie docenić znaczenia szkła w budowie modułów. Jednak lwia część masy, czyli 70%, przypada na materiał pozyskiwany z piasku. Chociaż jego produkcja jest mniej energochłonna niż oczyszczanie krzemu, to szkło ma wpływ na ogólny bilans energetyczny ze względu na swoją masę. W przypadku modułów z folią do tego dochodzi aluminiowa rama, która powoduje od 10 do 15% całkowitego śladu węglowego modułu fotowoltaicznego. Produkcja aluminium wymaga również pochłania duże ilości energii elektrycznej.
Inne materiały niezbędne w przemyśle fotowoltaicznym to miedź i cyna, a także srebro, złoto i pallad. Te ostatnie metale szlachetne są w szczególności uważane za surowce krytyczne. Przy okazji naprowadza to nas na następny niezbędny element fotowoltaiczny: falownik.
Jako producent falowników mamy luksus informacji z pierwszej ręki: na elementy przypada ponad 40% całkowitego śladu węglowego falownika Fronius Symo GEN24 10.0 Plus, jeśli jest używany w austriackiej instalacji fotowoltaicznej (PV). Uderzające jest to, że chociaż elementy półprzewodnikowe stanowią tylko marginalną część masy falownika – czyli 0,1% – są one odpowiedzialne za 23,9% jego śladu węglowego na poziomie elementów. Kondensatory i płytki drukowane są również jednymi z bardziej energochłonnych elementów falownika Fronius. Mimo że stanowią one zaledwie 3,2% i 2,5% jego masy, to są przyczyną 18,5% całkowitej ilości 315,6 kg CO2 emitowanego przez elementy. Odwrotnie jest z tworzywem sztucznym i aluminium używanymi w produkcji. Ponieważ Fronius wykorzystuje aluminium z odzysku, szkodzi ono mniej środowisku niż wskazywałby jego wysoki udział w masie, czyli 29,1%. Na ten lekki metal przypada mianowicie około 15,2% śladu węglowego elementów.
2. Produkcja fotowoltaiki a jej ekobilans
W trackie produkcji ogniw fotowoltaicznych oczyszczony krzem jest cięty na cienkie płytki, tak zwane wafle, i oczyszczany. Proces ten pochłania dużo energii i jest odpowiedzialny za 15 do 20% całkowitej emisji. Późniejsza produkcja ogniw, w której wafle są szorstkowane, domieszkowane i laminowane, generuje dalsze 10 do 15% emisji CO2 instalacji fotowoltaicznej (PV). Podczas domieszkowania obce atomy są celowo wprowadzane do krzemu w celu wytworzenia dodatnio i ujemnie naładowanej strony, a tym samym umożliwienia przepływu energii.
Natomiast na produkcję falownika Fronius przypada tylko przeliczalna część emisji CO2. Oprócz aluminium z odzysku emisję gazów cieplarnianych w produkcji znacznie zmniejsza miks energetyczny z energii ze słońca z dachu własnej hali produkcyjnej i zielonej energii elektrycznej z sieci. Tylko 1,3% całkowitej emisji przypada na energię zużywaną w procesie produkcyjnym.
3. Wpływ transportu na ekobilans fotowoltaiki
Transport surowców do producenta elementów, dostawa elementów na miejsce montażu, a następnie do zakładu utylizacji ma jedynie niewielki wpływ na ślad ekologiczny instalacji fotowoltaicznych (PV). Niemniej jednak nie chcemy go lekceważyć. Im dalej przebiega trasa transportu, tym większa jest wymagana ilość energii. Komponenty importowane z Azji do Europy mają większy ślad węglowy.
Decydujące znaczenie ma nie tylko odległość, ale także środek transportu. Chociaż samolotem można szybko dostarczyć elementy fotowoltaiczne do miejsca przeznaczenia, to transport lotniczy powoduje największą emisję gazów cieplarnianych na transportowany element. Transport morski jest bardziej efektywny, ale trwa dłużej. Przykładowo statek kontenerowy płynie z Szanghaju do Europy Zachodniej prawie miesiąc. Transport samochodowy i kolejowy wypadają pośrednio pod względem śladu ekologicznego.
Jak transport wpływa na ślad węglowy modułów fotowoltaicznych? Około 3% całkowitej emisji CO2 przypada na import modułów fotowoltaicznych z Chin do Europy. To nie brzmi zbyt dramatycznie. Niemniej jednak moduły fotowoltaiczne europejskiej produkcji są przeciętnie znacznie bardziej przyjazne dla środowiska. Ich oszczędność na emisjach CO2, w porównaniu z azjatyckimi odpowiednikami, wynosi około 40% ze względu na niskoemisyjny miks energetyczny w produkcji i krótsze drogi transportu, jak podał Instytut Fraunhofera w komunikacie prasowym z 2021 roku.
Po stronie falownika dostawy mają jeszcze mniejszy udział w emisji – potwierdza to przykład firmy Fronius, na który już się powoływaliśmy. „Ponieważ unikamy transportu lotniczego, a zamiast tego korzystamy z pociągów, ciężarówek i kontenerowców, redukujemy emisję CO2. Dostawa surowców i wysyłka do klientów w Austrii generuje zaledwie 1,1% całkowitej emisji falownika Fronius” – mówi Anthony Moises, ekspert ds. energii ze słońca we Fronius International. W przypadku eksportu falownika proporcja ta nieznacznie wzrasta.
4. Montaż, konserwacja i eksploatacja instalacji fotowoltaicznej
Montaż elementów fotowoltaicznych i ich konserwacja również generują tylko niewielki jednocyfrowy udział procentowy całkowitego śladu węglowego instalacji fotowoltaicznej (PV). Stosowanie maszyn i narzędzi, które są zasilane częściowo elektrycznie, a częściowo za pomocą paliw kopalnych, powoduje jedynie znikome emisje gazów cieplarnianych.
O wiele ciekawiej jest z eksploatacją: wszyscy wiedzą, że słońce nie świeci w nocy. Instalacje PV – zwłaszcza te niezintegrowane z akumulatorem – są zatem „bezczynne” przez 50% czasu i nie wytwarzają energii. „Falownik jednak nigdy nie śpi” – tłumaczy Anthony Moises. „Z jednej strony regularnie sprawdza, czy sieć publiczna jest stabilna. Z drugiej strony, zawsze jest gotowy do wykrycia następnego wschodu słońca i kierowania przepływami energii. Komunikacja z inteligentnymi licznikami, magazynami energii i aplikacjami monitorującymi również wymaga niewielkiego zużycia energii”. Razem to tzw. zużycie nocne wynosi od 2 do 10 W (bez akumulatora) lub od 20 do 200 W (z integracją z akumulatorem). Właściwie to niewiele. Ale ponieważ falowniki pracują latami, ślad węglowy fotowoltaiki w trakcie zużycia nocnego sumuje się w całkiem pokaźną liczbę. Zwłaszcza, jeśli to zapotrzebowanie nie jest pokrywane z własnej energii z akumulatora, lecz z publicznej sieci zasilającej.
W falowniku Fronius GEN24 10.0 Plus na zużycie nocne przypada 37,6% (AT) lub 47,2% (DE) całkowitego śladu węglowego. Dokładna proporcja zależy w dużej mierze od lokalnego miksu energetycznego i może być jeszcze wyższa w innych krajach. Na przykład w Australii udział zużycia nocnego w całkowitej emisji CO2 falownika wynosi 63%.
Chociaż sprawność falownika Fronius przekracza 98%, to podczas jego pracy występują straty w postaci ciepła. Ich udział w śladzie węglowym fotowoltaiki wynosi 22,5% (AT) i 19,6% (DE).
5. Recykling instalacji fotowoltaicznych
Instalacja PV może działać przez kilkadziesiąt lat. Ale nawet najlepsze elementy kiedyś się zużywają. Na szczęście większość elementów fotowoltaicznych jest zdatna do recyklingu. Istnieją różne strategie zarządzania wycofaniem z eksploatacji (EoL management). O ile składowanie na wysypisku i spalanie w całości są dodatkowym obciążeniem dla środowiska, to recykling może znacznie poprawić bilans CO2 instalacji PV.
Potencjalnie najkorzystniejszy dla środowiska jest recykling po wcześniejszym demontażu na poszczególne materiały. Chodzi o odzyskanie posortowanych surowców wtórnych w jak najczystszej formie i usunięcie szkodliwych substancji. Po demontażu niektóre materiały, np. szkło i aluminium, można z łatwością wysortować i wykorzystać, podczas gdy krzem wymaga obróbki termicznej. W temperaturze powyżej 500°C odchodzi od laminatu. W późniejszym czyszczeniu chemicznym są usuwane pozostałości srebra, miedzi, lutu miękkiego i tworzyw sztucznych, aby odzyskany krzem można było przerobić z powrotem na krzem krystaliczny i wykorzystać do produkcji nowych modułów fotowoltaicznych. Z przeciętnego modułu fotowoltaicznego można odzyskać około trzech kilogramów krzemu i kilka gramów srebra i miedzi. Wskaźnik recyklingu modułów fotowoltaicznych wynosi do 95%.
Zużyte falowniki również doskonale nadają się do recyklingu. W niektórych krajach recykling jest wymagany przez prawo. W austriackim rozporządzeniu w sprawie zużytego sprzętu elektrycznego nakazany jest odzysk co najmniej 85% materiałów z falowników, modułów fotowoltaicznych i magazynów energii. Recyklingowi podlegają: aluminium stosowane w radiatorach i obudowach, miedź zawarta w cewkach i przewodach oraz niewielkie ilości metali szlachetnych, które są wykorzystywane w płytkach drukowanych. Natomiast tworzywa sztuczne mogą być poddawane recyklingowi tylko w ograniczonym zakresie. Po utylizacji są one zwykle spalane w celu wytworzenia energii.
Generalnie utylizacja elementów fotowoltaicznych powoduje od 2 do 5% ich całkowitej emisji gazów cieplarnianych. Z drugiej strony recykling materiałów pozwala na znacznie mniejszą emisję niż gdyby pozyskiwać je od nowa, a tym samym umożliwia energooszczędną produkcję nowych elementów instalacji. Za produkty może nawet przysługiwać kredyt węglowy, jeśli efektywnie zarządza się wycofaniem z eksploatacji.
W przypadku Fronius Symo GEN24 10.0 Plus recykling metalu z późniejszym spalaniem odpadów daje 20 kg kredytu węglowego. Natomiast składanie na składowisku generowałyby 6,8, a samo spalanie odpadów 2,6 kg ekwiwalentu CO2 (patrz wykres).
Na ile fotowoltaika naprawdę zmniejsza emisję CO2? Przykładowe obliczenie redukcji CO2 instalacji fotowoltaicznej
To wszystko jest ładnie powiedziane. Nadal jednak nie wiemy, na ile instalacje fotowoltaiczne (PV) zmniejszają emisję CO2 w porównaniu z prądem sieciowym. Weźmy zatem na przykład dwie instalacje PV, których pełny cykl życia będzie trwał 30 lat. Pierwsza znajduje się w Wiedniu, druga we Frankfurcie. Obie instalacje mają tyle samo modułów o łącznej mocy 10 kWp oraz falownik Fronius GEN24 10.0 Plus. W naszym przykładzie zakładamy wymianę falownika po 20 latach. Oznacza to, że w bilansie rozpatrujemy wpływ na środowisko 1,5 falownika. Obie instalacje PV należy porównać z miksem energetycznym danego kraju.
Stosunek kosztów do korzyści jest o tyle jasny, że ślad węglowy wiedeńskiej instalacji PV wynosi około 10,8 t, a tej we Frankfurcie jest nieco wyższy, ze względu na dłuższe trasy transportu i to, że miks energetyczny w Niemczech generuje więcej emisji.
Instalacje PV mogą szybko zrekompensować ten wpływ na środowisko, ponieważ każda kilowatogodzina energii wyprodukowanej w okresie 30 lat „kosztuje” tylko 28,7 lub 30,7 g ekwiwalentu CO2. Jest to znacznie bardziej opłacalne niż ekwiwalent 344 g CO2 produkcji energii w Niemczech. Konkretnie, w Niemczech na instalacji PV wystarczy 1,7 roku użytkowania, aby zaoszczędzić całą emisję CO2 związaną z jej produkcją. Wartość tę – 1,7 roku – nazywamy zatem „czasem zwrotu CO2”, jak widać w tabeli. Termin ten opisuje czas, jaki musi upłynąć, aby instalacja PV zrekompensowała swoją własną emisję CO2. W Austrii trwa to prawie rok dłużej, ale z ekologicznego punktu widzenia energia ze słońca spłaca się tutaj także dość szybko.
W ciągu trzydziestu lat austriacka instalacja może mieć saldo netto ponad 115 t ekwiwalentu CO2, podczas gdy niemiecka nawet jeszcze więcej, czyli 177,9 t. Jest to 11,8 i 17,2 razy więcej niż emisja spowodowana produkcją i montażem systemu.
Skąd tak duża różnica? To, co na pierwszy rzut oka wydaje się dziwne, można łatwo wyjaśnić. Niemiecki miks energetyczny znacznie różni się od austriackiego. O ile w Austrii dominuje energetyka wodna i wiatrowa, Niemcy mają w swoim miksie energetycznym znacznie więcej węgla brunatnego i kamiennego oraz gazu ziemnego – źródeł energii, które odznaczają się większym śladem węglowym. Konkretnie, od 75 do 80% energii elektrycznej, która płynie w austriackich gniazdkach, pochodzi ze źródeł odnawialnych, w Niemczech jest to obecnie około 57%.
| AT | DE | ||
| Globalny koszt GWP w kg ekwiwalentu CO2 (30 lat, cała instalacja PV, 1,5 falownika) | kg CO2e | 10 755,95 | 10 989,65 |
| Całkowita redukcja emisji CO2 (kg ekwiwalentu CO2, 30 lat) | kg CO2e | – 126 399,09 | – 188 940,91 |
| Saldo netto | kg CO2e | – 115 643,14 | – 177 951,26 |
| Stosunek korzyści do kosztów | 11,8 | 17,2 | |
| Czas zwrotu CO2 | lata | 2,6 | 1,7 |
Podsumowanie: Fotowoltaika jest ekologiczna
Wydobycie surowców, produkcja poszczególnych elementów, transport, czynności montażowe i konserwacyjne, zagospodarowanie odpadów i recykling: wszystkie te czynniki mają istotny wpływ na bilans CO2 instalacji fotowoltaicznej (PV).
Technologia fotowoltaiczna jest faktycznie zależna od pewnych rzadkich metali szlachetnych, aluminium, szkła i krzemu, których pozyskanie wiąże się z dużym zużyciem energii. Wiele produktów pochodzi z krajów, w których energia jest wytwarzana głównie w elektrowniach węglowych, co ma negatywny wpływ na ich bilans ekologiczny. Trasy dostaw surowców i produktów do miejsca przeznaczenia nie mogą być pomijane w analizie cyklu życia systemów fotowoltaicznych, podobnie jak zagospodarowanie odpadów po zakończeniu okresu eksploatacji elementów.
Niemniej jednak nasze dwie przykładowe instalacje w Austrii i Niemczech mogą przynieść olbrzymie korzyści w postaci zmniejszenia emisji CO2 energii PV. W zależności od miksu energetycznego w danym kraju, ich emisja wyrażona w ekwiwalencie CO2 jest 11,8 lub 17,2 razy niższa niż emisja gazów cieplarnianych powstała podczas produkcji. Oczywiście każda instalacja PV jest inna ze względu na swoją lokalizację i elementy oraz będzie wytwarzała różne ilości energii ze słońca w trakcie swojej eksploatacji.
W skrócie: z perspektywy ochrony środowiska fotowoltaika jest opłacalna.
Wskazówka: W tym artykule odnieśliśmy się do danych Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) oraz Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). W obliczeniach wykorzystano średnią różnych typów modułów pod względem ich sprawności i śladu węglowego. Przecież istnieją różne typy modułów o różnej jakości, które są głównie, ale nie tylko, produkowane w Azji. Jeśli chodzi o falownik, skorzystaliśmy z informacji z naszej własnej firmy i wystawiliśmy do wyścigu nasz Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Ponieważ we Fronius radzimy sobie bez transportu lotniczego i w produkcji korzystamy z energii z własnego dachu, a także z zielonej energii z sieci, możemy zmniejszyć ślad węglowy naszych falowników. Oznacza to, że wskaźniki posiadanej lub planowanej instalacji PV mogą różnić się od podanych w artykule, gdyby użyto produktu innego producenta falowników.
Chcesz dowiedzieć się więcej o korzyściach dla środowiska wynikających z zastosowania urządzenia Fronius Symo GEN24 10.0 Plus? W naszej analizie cyklu życia znajdziesz wiele innych interesujących faktów i danych liczbowych.
