Fotovoltaika a její ekologický dopad: Studie a perspektivy

Fotovoltaika, tedy přeměna slunečního záření na elektřinu, patří v současnosti k velmi žádaným obnovitelným zdrojům energie. Rozvoj fotovoltaiky je logickým krokem a posílení výrobních možností na území Evropy rovněž.

Cílem Evropské unie je získávat do roku 2030 téměř jednu třetinu (32 %) vyrobené elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Pomoci má projekt PILATUS, podpořený evropským grantem Horizon Europe ve výši 10,5 milionu eur. Cílem je zvýšit výrobní kapacitu fotovoltaických článků v Evropě a současně snížit dopad na životní prostředí. Odborníci plánují využít moduly s vysokou účinností, vyrobené s ohledem na recyklaci použitých materiálů, které splňují nejpřísnější evropské ekologické požadavky.

„Plánovaná pilotní linka na výrobu fotovoltaických modulů zvýší současnou celkovou kapacitu výroby fotovoltaických článků v Evropě o třicet procent,“ uvádí Martin Ledinský. Roční výrobní kapacita pilotního provozu dosáhne minimálně 170 MWp.

Výkonnější a ekologičtější solární články

Projekt PILATUS využije patentovanou technologii křemíkových solárních článků s kontakty na zadní straně článků, na jejíž tvorbě se tým českých vědců podílel. „Články mají oba kontakty na zadní straně. Osvětlenou stranu článku v tomto případě nestíní žádné neprůhledné kovové kontakty, což v kombinaci s optimální pasivací (tvorbou ochranné vrstvy) povrchových defektů umožní vyrobit sluneční články s účinností fotovoltaické přeměny vyšší než 26 %.

Na zadní straně desky křemíkového krystalu se nanesením jen několik nanometrů tenkých proužků amorfního křemíku připraví kladné a záporné elektrody. Tato varianta výroby je sice technicky náročnější, ale umožňuje využít i světlo dopadající na spodní stranu panelu, odražené od plochy pod panelem. Ideální sklon současných panelů je 30 až 35 stupňů, s orientací na jih.

Čtěte také: Minimalizace rizik u fotovoltaiky

Další výhodou používané technologie je možnost kolmé instalace článků. Takové panely by se v budoucnu mohly využívat v zemědělství, a na jedné ploše tak kombinovat jak výrobu elektřiny, tak i pěstování plodin. Nové solární články budou efektivnější a ekologičtější. Vyšší účinnost ve spojení s menší plochou potřebnou pro instalaci představují oproti čínské konkurenci ekonomicky šetrnější variantu.

„Pokud chceme být konkurenceschopní, musíme přijít s novou vysoce účinnou technologií, díky které bude fotovoltaika cenově dostupná a zároveň bude splňovat i přísné ekologické požadavky.

Srovnání s jinými metodami snižování emisí

Vědci z izraelského Weizmannova vědeckého institutu spočítali, jak dlouho by trvalo fotovoltaickým elektrárnám a zalesňovacím projektům, než vyrovnají svůj oteplovací vliv způsobený zatmavením půdy. Výsledky prokázaly, že v suchých oblastech mohou být fotovoltaická pole při zmírňování dopadů klimatické změny více než 50krát efektivnější než zalesňování.

Vědci vytvořili novou metriku nazvanou „dobu dosažení zlomu“ (break-even time, BET), která vypočítává čas, který obě technologie potřebují k ovlivnění emisí uhlíku a vyrovnání dopadů oteplování způsobených zatmavením půdy. Tmavá zastavěná či zalesněná půda totiž odráží méně slunečních paprsků než světlý písek, tím pádem dochází k ohřevu oblasti (podobný vliv má například tání ledovců, kdy ústup bílého ledu vede ke snížení míry odrazu slunečního záření zpět do vesmíru).

„Získaná energie z fotovoltaických elektráren může výrazně přispět k snížení antropogenních emisí uhlíku. Obnova lesů může hrát důležitou doplňkovou roli v úsilí o zmírnění dopadů klimatické změny tím, že okamžitě odstraňuje atmosférický oxid uhličitý,“ vysvětlili vědci pro PV Magazine.

Čtěte také: Život s úsměvem a ohledem na přírodu

Pro zjištění které využití půdy je efektivnější, vědci zkoumali jih Izraele, typickou suchou lokalitu, kde nejsou doposud ani lesy, ani fotovoltaické elektrárny. Co se týče vlivu fotovoltaiky na teplotu povrchu, vědci provedli výzkum na fotovoltaickém poli v pouštní oblasti v údolí Arava v Izraeli. To bylo porovnáno s měřením z okolní oblasti.

Podle měření dosahovalo citelné teplo na fotovoltaické elektrárně 359 wattů na metr čtvereční, zatímco na ploše bez solárních panelů v okolí to bylo 199 wattů na metr čtvereční. Fotovoltaická elektrárna by podle výpočtů potlačila emise uhlíku ve výši 14,9 kilogramů na metr čtvereční za rok. Co se týče vlivu zalesňování na teplotu, vědci provedli měření v lese Yatir na severním okraji izraelské Negevské pouště.

Měření ukázala, že citelné teplo v zalesněné oblasti bylo 522 wattů na metr čtvereční, zatímco v bezlesnatém okolí to bylo 225 wattů na metr čtvereční. Podle výpočtů byla míra potlačení emisí uhlíku díky fotosyntéze 0,15 kilogramů na metr čtvereční za rok.

„Výsledky ukazují, že v suchých oblastech jsou fotovoltaická pole více než 50krát účinnější než zalesňování,“ uvedli vědci, přičemž dodali, že fotovoltaická pole dosahují rentability po přibližně 1,4-3,6 letech, zatímco zalesňování trvá 94-175 let.

V dalším kroku výzkumu vědci vypočítali dobu dosažení rentability fotovoltaických polí a zalesňování v jiných klimatických pásmech, konkrétně v mírném a tropickém podnebí. Výsledky byly založeny na předchozích studiích provedených v Německu a v Panamě. Výzkumníci zjistili, že i v těchto oblastech jsou fotovoltaická pole efektivnější než zalesňování.

Čtěte také: Eko prací prášky: Jak vybrat ten správný?

„Výroba elektřiny z fotovoltaických panelů může zabránit mnohem většímu množství emisí uhlíku než zalesňování dokáže zachytit,“ zjistili vědci, avšak dodávají: „Aktivní odstraňování v minulosti emitovaného uhlíku a jeho možné dlouhodobé ukládání ve formě biomasy a půdní organické hmoty však poskytuje zalesňování významnou ekologickou výhodu.“

Agrovoltaika: Kombinace výroby energie a zemědělství

Agrovoltaické systémy představují ekologicky přínosný způsob zvýšení výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Jde o solární systémy umožňující na stejné ploše současně vyrábět solární energii a pěstovat zemědělské plodiny. Agrovoltaické elektrárny je ideální instalovat na trvalých kulturách, jako jsou chmelnice, vinice nebo ovocné sady. V Česku je zatím agrovoltaika většinou ve fázi zkušebních projektů.

Jak se dá skloubit výroba elektrické energie a pěstování plodin, zkoumají například vědci už třetím rokem v malém atriu uprostřed pavilonu Technické fakulty České zemědělské univerzity v Praze. Pětikilowattová elektrárna produkuje elektrickou energii, která se využívá pro tepelná čerpadla, robotické sekačky, senzorovou techniku nebo zavlažování.

Během tří let se ukazuje, že rozdíly v kvalitě mezi malinami pod soláry a nezastíněnými o kus dál nejsou statisticky významné. U zastíněných plodů je sice pozorován nižší podíl cukru a vyšší podíl kyselin, jsou ale také v mnohem lepší kondici. Zastínění zároveň poskytovalo ochranu před krupobitím a dalšími extrémními projevy počasí.

„Maliny pod panely působily vitálně a dobře snášely podmínky. Ukázalo se, že díky dlouhému období květu představují stálý zdroj potravy pro opylovače. Bylo pod nimi velmi živo, co se týče včel a čmeláků. Zastínění navíc snižovalo stres z horka, nedocházelo k popálení listů ani jejich zasychání. Využití agrovoltaiky nad porosty drobného ovoce představuje v českých podmínkách zajímavou, ale technicky náročnější možnost.

Konstrukce solárních panelů navíc může omezovat pohyb sklizňových strojů či robotických ramen. „Perspektivní variantou je využití fotovoltaické konstrukce například u lískových oříšků, kde by panely mohly být umístěny v meziřadí. Při výzkumu se zaměřuje i na další faktory. Například zkoumá, jak rostliny ovlivňují samotnou výrobu elektrické energie.

Podle Global Market Insights měl celosvětový trh s agrovoltaikou v roce 2024 hodnotu 6,3 miliardy dolarů. Podle údajů evropské asociace SolarPower Europe bylo loni na celém světě instalováno 597 GW nových solárních elektráren.

Experti odhadují, že v roce 2030 by fotovoltaika mohla celosvětově dodávat výkon přes 7 TW, čímž by její podíl na obnovitelných zdrojích vzrostl na 65 procent. Zároveň předpokládá, že půjde především o pokrytí velké vlastní spotřeby, ať už přímo v místě výroby, nebo sdílením či přes partnerského obchodníka do vlastních provozů. „Prodej vyrobené elektřiny nepovažujeme za prioritu a měl by probíhat v menší míře. Primární je místní spotřeba.

Agrovoltaické systémy mohou také zvýšit ekonomickou hodnotu českých farem. „Budou mít nižší náklady na energie, efektivnější provoz. K tomu možná přilepšení za případný prodej přebytků. Je to podobné, jako když prodáváte dům. Podle oslovených odborníků je potenciál agrovoltaiky vzhledem k energetickým potřebám Česka téměř neomezený.

V západní Evropě je agrovoltaika vnímána jako součást solárního sektoru a vzhledem k pokračující klimatické změně o ni roste zájem ze strany zemědělců. „Agrovoltaické projekty budou mít životnost minimálně 35-40 let. Když se podíváme na postup a dopady klimatické změny za posledních například 15 let, zjistíme, že agrovoltaika je naopak příležitost a nástroj, jak zajistit energetickou a potravinovou bezpečnost,“ říká Bím.

Evropa by díky agrovoltaice mohla na pouhém procentu půdy nainstalovat 944 GW energie, což je více než celý cíl EU pro fotovoltaiku na rok 2030. „Kromě ochrany proti klimatickým extrémům mohou zemědělci generovat dodatečné příjmy z prodeje elektřiny, zatímco investoři mají možnost podpořit udržitelnost a inovace.

Technické nároky na agrovoltaiku se od klasické fotovoltaiky liší. Každý projekt je unikátní a vyžaduje specifický přístup, zejména při výběru konstrukce, výšky panelů a jejich rozmístění, aby neomezovaly zemědělskou činnost. Klíčová je podle Matějoviče správná projektová příprava, tedy pečlivé sladění energetických potřeb s požadavky zemědělských plodin nebo zvířat.

„Agrovoltaika je zajímavá svou flexibilitou a schopností přinášet inovativní řešení. Například koncept, kdy se pod solárními panely pasou ovce, je velmi populární v zahraničí. Pomáhá udržovat vegetaci bez nutnosti sekání a snižuje provozní náklady až o 30 procent. Výstavbou fotovoltaických elektráren se zabývá také společnost Greenbuddies.

Obvyklý výkon agrovoltaiky se liší podle typu pěstované plodiny a její tolerance ke stínění, obvykle je na stejné ploše zhruba poloviční oproti standardní pozemní fotovoltaice. „Tedy kolem 0,5 MWp na jeden hektar. Největší potenciál u nás vidí v trvalých travních porostech. „Ty tvoří více než čtvrtinu veškeré zemědělské půdy v Česku.

Současné výzvy a budoucnost fotovoltaiky

Evropská asociace SolarPower Europe zveřejnila analýzu vývoje solárního trhu pro období 2024-2028. Podle ní Česká republika ve výstavbě zdrojů solární energie nadále zaostává za řadou zemí jako je Slovinsko, Polsko či Estonsko. Rozvoj tohoto segmentu zpomaluje v celé Evropě, v Česku je ale trend ještě citelnější. Vliv na to mají podle studie i kroky současné vlády, které znejišťují investory, odrazují je od nových projektů a narušují předvídatelné podnikatelské prostředí.

Podle analýzy Česko ve výstavbě zdrojů solární energie nadále ztrácí za řadou jiných států. Přitom jde o klíčový faktor pro zajištění konkurenceschopnosti a bezpečnosti naší země. Obnovitelné zdroje hrají mimo jiné zásadní roli pro ukončení závislosti na ruských fosilních palivech,“ uvedl výkonný ředitel Solární asociace Jan Krčmář.

Podle studie SolarPower Europe patří Česká republika mezi nejprůmyslovější ekonomiky EU v přepočtu na obyvatele, přičemž automobilový, chemický a ocelářský průmysl nedokážou pokrýt svou energetickou poptávku pouze pomocí střešních fotovoltaických instalací. Jsou zapotřebí větší solární projekty.

Studie v tomto kontextu upozorňuje, že v současné době česká vláda znovu hrozí odebrání státem garantované podpory. Tato nejistota se podle analýzy odráží i v datech instalací solárů: v první polovině roku 2024 bylo připojeno pouze 25 projektů nad 1 MW, většinou velké střešní fotovoltaiky.

„Zaostáváme kvůli absolutní destrukci předvídatelného podnikatelského prostředí. Investoři žijí v neustále nejistotě, zda politici před volbami neudělají další populistickou otočku v podpoře starších solárních projektů, která byla za poslední léta snížená už desetkrát. To negativně dopadá i na bankovní sektor. Mnoho investorů se totiž spoléhalo na dlouhodobé záruky státu a vzali si na rozjetí projektů bankovní úvěry na 20 let, čemuž odpovídají i splátky. Pokud stát sliby náhle poruší, budou mít velké problémy splácet a řada z nich zkrachuje. Pro banky by to znamenalo kolaps úvěrů za 30 miliard, tedy největší šok za poslední desítky let.

Podle Krčmáře vkládal podnikatelský sektor naděje do současné vlády, že situaci stabilizuje. Ukázal se ale pravý opak. „Sněmovna schválila kontroverzní návrhy ministerstva financí k obnovitelným zdrojům, které mají za cíl pouze odebrat tisíce subjektům podporu a před jejichž negativními důsledky varovala řada organizací. Návrhy jsou v rozporu s českou a evropskou legislativou, nalomí důvěru investorů a výrazně zpomalí rozvoj nových obnovitelných zdrojů energie.

Plovoucí fotovoltaika (FPV)

Rozvoj solární energetiky v Česku i ve světě naráží na zásadní limit - nedostatek vhodných ploch na pevnině. Zatímco zemědělská půda je cenná a brownfieldy mají své limity, jedno efektivní řešení se doslova nabízí - plovoucí fotovoltaika (FPV). Tato technologie využívá dosud nevyužité vodní plochy a zároveň přináší řadu technologických i ekologických výhod. Zatímco ve světě jde už o zavedenou technologii, u nás se objevují teprve první projekty.

Plovoucí fotovoltaické elektrárny jsou v zásadě klasické solární panely umístěné na lehkých plovoucích konstrukcích, které jsou kotvené ke dnu nebo břehům. Elektřina je odváděna ke břehu a dále do distribuční soustavy nebo přímo k odběrateli. Jednou z největších předností je chladicí efekt vody, díky němuž mohou panely pracovat při nižší teplotě a dosahovat vyšší účinnosti. Podle studií se efektivita výroby oproti pozemním instalacím zvyšuje o pět až deset procent, v některých případech ještě více.

Instalace na vodních plochách mají navíc pozitivní vliv na hospodaření s vodou, protože zastínění omezuje odpařování. Studie ukazují, že při správném umístění nedochází k významnému ohrožení vodní fauny a flóry. Naopak mohou nastat pozitivní efekty - panely částečně stíní hladinu, čímž omezují růst nežádoucích sinic a řas a tím přispívají ke zlepšení kvality vody. Zároveň snižují odpar, což je přínosné zejména v oblastech využívajících nádrže pro zásobování pitnou vodou či zavlažování. Tímto způsobem mohou plovoucí elektrárny přispívat k ochraně vodních zdrojů i ekosystémů.

V České republice však stále chybí specifický právní rámec pro FPV. Energetický zákon (č. 458/2000 Sb.) zahrnuje všechny zdroje výroby elektřiny, FPV nevyjímaje. Pokud je FPV součástí vodního díla, považuje se za stavební úpravu, jinak spadá pod vodní zákon (č. 254/2001 Sb.), což někdy vyžaduje registraci jako plavidlo a povolení od vodoprávního úřadu.

V zahraničí se plovoucí fotovoltaika již osvědčila ve velkém měřítku. Například Čína provozuje instalace o výkonu stovek megawattů a významné projekty vznikají i v Japonsku, Indii či Evropě, Nizozemsku a Portugalsku. Podle výpočtů by celosvětové využití pouhých 30 % plochy umělých vodních nádrží mohlo přinést přes devět tisíc terawatthodin elektřiny ročně.

Česká republika tedy zatím stojí teprve na začátku. První pilotní projekt spustil ČEZ na přečerpávací elektrárně ve Štěchovicích v roce 2022 a ukázal potenciál pro budoucí rozvoj FPV.

Environmentální dopady výroby a recyklace solárních panelů

Většina environmentálních a klimatických expertů se shoduje, že pokud má lidstvo zastavit či alespoň zpomalit klimatické změny, musí přejít na obnovitelné zdroje energie. Nejvíc naděje se vkládá do solární energetiky. Faktem je, že výroba elektřiny ze solárních článků snižuje množství znečišťujících látek a emisí skleníkových plynů o 90 procent ve srovnání s konvenčními technologiemi na bázi fosilních paliv. Poslední dobou však přibývají výzkumy, které poukazují i na negativní environmentální dopady fotovoltaiky, související s výrobou solárních panelů či jejich recyklací a likvidací. Jak moc je tedy solární energetika „čistá“?

Jenom na území České republiky se v současné době nachází odhadem 200 000 - 230 000 tun solárních panelů. Vstupujeme do epochy, kdy fotovoltaika přestává být jen marginální alternativou a stává se mainstreamem. A i zde platí, že větší měřítko přináší také větší problémy, které před tím nebyly patrné.

Kromě skla, které tvoří 63 % hmotnosti každého panelu, se při výrobě užívají hliník a některé vzácné či těžké (polo)kovy jako křemík, stříbro, měď nebo olovo. Ačkoliv má samotný solární panel daleko k toxickému nebo jinak nebezpečnému odpadu, přeci jenom může obsahovat nebezpečné látky. Většina panelů v ČR je křemíkových, ale na trhu jsou i tenkovrstvé panely využívající kadmium.

Kromě kadmia obsahují panely i jiné potenciálně škodlivé látky, běžně užívané i v elektrotechnickém průmyslu. Kupříkladu fluorid sírový, který je podle IPCC (Mezivládní panel pro změny klimatu) definován jako skleníkový plyn, přičemž za posledních 16 let se jeho koncentrace v ovzduší téměř zdvojnásobila.

Na každou kilowatthodinu elektřiny vyrobené ze slunečního záření tak podle Ferroniho připadá 978 gramů skleníkových plynů v ekvivalentu oxidu uhličitého, jež vznikly při výrobě a přepravě fotovoltaických panelů. Navíc při zpracování křemíku vzniká fluorid dusitý (NF3), který je dle nejnovějších výzkumů dvanáct tisíckrát účinnější skleníkový plyn než oxid uhličitý.

Dalším problémem je, že většina produkce solárních panelů dnes je z Číny, kde 80 procent elektřiny pochází z uhelných elektráren. Vědci z Northwestern University zjistili, že uhlíková stopa panelu z Číny je dvakrát větší, než panelu z Evropy. Nejsou ani tak důsledkem efektivnější výroby, jako spíše důsledkem přesunu továren ze Západu do Číny a jiných asijských států, kde je levnější pracovní síla i energie a kde nejsou tak přísné environmentální předpisy jako v zemích EU nebo ve Spojených státech amerických.

SVTC se zaměřuje především na solární boom, sbírá a vyhodnocuje data, které ji poskytnou výrobci solárních panelů. Cílem SVTC je vytvořit a prosadit mezinárodně platné environmentální standardy pro fotovoltaický průmysl. Její snahy však komplikuje neochota mnoha společností poskytnout detaily o jejich výrobních technologiích.

Panel je vhodné vyměnit tehdy, když jeho účinnost poklesne pod 20 %. Seriózní výrobci uvádějí pokles o 10 % po uplynutí zhruba 10 let a pokles účinnosti pod 20 % po uplynutí zhruba 25 let. Samozřejmě, tato doba se může díky vývojářům postupně prodloužit, ale to nic nemění na tom, že fotovoltaika bude vždy přispívat k hromadění tzv. elektronického odpadu. Naštěstí na to mysleli výrobci již od počátků a panely se tedy nebudou kupit na skládkách, ale je možné je do značené míry recyklovat.

Recyklují se jak poškozené, tak i nepoškozené panely. Zpravidla se panel nejprve zahřeje, čímž se uvolní pojidla. Pak se jednotlivé materiály mechanicky nebo chemicky od sebe oddělí. Při tomto způsobu recyklace všeobecně platí, že hliníkový rám se zrecykluje kompletně a sklo s křemíkem vykazují přibližně jen 10 % odpadu.

V EU byl v roce 2009 ustanoven Systém recyklace EPIA, fungující však pouze na dobrovolné bázi. Členové systému se zavázali k odběru minimálně 65 % fotovoltaických panelů instalovaných v Evropě od roku 1990 a následně z nich recyklovat 85 % materiálů. Není však úplně jasné, co se bude dít se zbytkem panelů. Skončí na skládkách nebo se budou exportovat do zemí globálního Jihu?

tags: #fotovoltaika #ekologicky #dopad #studie

Oblíbené příspěvky:

• Metody konzervace šetrné k přírodě
• Zápachové znečištění ovzduší
• Recenze učitelů ZŠ
• Shrnutí článku: Lynn White a ekologická krize
• Definice a kontext ohrožení života