Energetyczny okres zwrotu (EPBT) paneli fotowoltaicznych oraz turbin wiatrowych

Przy okazji rozmów i dyskusji na temat zrównoważonego rozwoju i wykorzystania OZE pojawiają się wątpliwości nad stosowaniem tego typu rozwiązań, właśnie ze względu na aspekty prośrodowiskowe. Panuje przekonanie, że wytwarzanie paneli PV oraz turbin wiatrowych związane jest z bardzo duży obciążeniem środowiska na etapie produkcji i późniejszej utylizacji.

Spróbowaliśmy zbadać to zagadnienie i znaleźć twarde dowody na poparcie lub obalenie tych tez. W literaturze funkcjonuje pojęcie Energy Payback Time, EPBT jest to wskaźnik w odniesieniu do odnawialnych źródeł energii. Oznacza czas, w którym dana technologia (np. panele fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe) wyprodukuje tyle energii, ile zużyto na jej wytworzenie i instalację oraz Carbon Payback Time, CPBT) – czas, po jakim system energetyczny zrównoważy emisję CO₂ powstałą podczas jego produkcji i montażu, zastępując bardziej emisyjne źródła energii.

Większość dostępnych danych dotyczy EPBT – i przede wszystkim takie podejście zastosuję do dalszych analiz. CPBT może zakłamywać rzeczywistość, jeśli np. producent paneli PV stosuje wyłącznie energię odnawialną o zerowej emisji – wtedy taki okres CPBT mógłby wynosić teoretycznie zero. Podobnie w sieciach energetycznych z zerową emisją (bazujących tylko na OZE) tego typu urządzenia nigdy nie wykazałyby zwrotu CPBT. Energetyczny okres zwrotu (EPBT) pozostanie zawsze istotnym wskaźnikiem, ponieważ niezależnie od źródła energii w fabryce, panele PV muszą „spłacić” energię zużytą na ich produkcję, transport i montaż. Jest to wartość bardziej uniwersalna i niezależna od systemu energetycznego danego kraju czy fabryki.
Trend związany z energetycznym czy ekologicznym okresem zwrotu jest bardzo dynamiczny. Zmienia się z roku na rok – ze względu na bardzo szybki rozwój technologii. W latach 1996-1998 dla paneli monokrystalicznych wynosił od 3 do 10 lat zamontowanych w południowej Europie. Obecnie wynosi 1 rok lub nawet poniżej jednego roku! [1].
Szczegółowe informacje dla poszczególnych technologii w dalszej części artykułu.

Panele fotowoltaiczne (PV)

W zależności od technologii (monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz cienkowarstwowe/Thin-Film) energetyczny okres zwrotu (EPBT) jest zróżnicowany. Wynika to ze zróżnicowanych procesów produkcyjnych, a także ze sprawności samych paneli.

Monokrystaliczne moduły krzemowe

Wczesne analizy EPBT dla monokrystalicznych paneli fotowoltaticznych (np. artykuł [2] z roku 2015) wskazywały EPBT nawet koło 3–4 lat przy umiarkowanym nasłonecznieniu, lecz dzięki wzrostowi sprawności i redukcji energochłonności produkcji (np. cieńsze wafle, większe ingoty) osiągnięto dziś wartości około 1 roku w słonecznych regionach.
Współczesne panele mono-Si mają średni energetyczny okres zwrotu rzędu ~1–2 lat, zależnie od miejsca instalacji. Od miejsca instalacji zależy ilość energii jaką mogą wyprodukować panele. Według Fraunhofer ISE system PV wyprodukowany w Europie i zainstalowany w północnej Europie potrzebuje około 1,1 roku na zrównanie energii włożonej, podczas gdy na południu Europy (większe nasłonecznienie) tylko około 0,9 roku [1].

Polikrystaliczne moduły krzemowe

W przypadku Paneli multi-Si (polikrystaliczne), które są nieco mniej energochłonne w produkcji niż mono-Si, EPBT jest jeszcze krótszy. Średnie wartości historycznie (2015) wynosiły ok. 2–3 lat [2] przy typowym nasłonecznieniu, choć obecnie technologia poli-Si jest wypierana przez sprawniejsze mono-Si. Przy porównywalnych warunkach polikrystaliczne panele mogły osiągać zwrot energii ~10–20% szybciej niż monokrystaliczne.
Moduły cienkowarstwowe (np. CdTe, CIGS, a-Si)
Cienkowarstwowe PV mają najkrótszy EPBT dzięki mniejszemu zużyciu materiałów i energii w produkcji. Przykładowo, moduły CdTe (kadmo-tellurki) odnotowują średni EPBT ~1,0 roku lub krócej [2], co jest najniższą wartością spośród głównych technologii PV. Meta-analiza literatury (2000–2013) wykazała, że spośród głównych technologii PV CdTe ma najniższy EPBT (~1 rok), następnie CIGS i amorficzny Si, potem poli-Si, a najwyższy – mono-Si (do ok. 4 lat) [2].
W najlepszych warunkach (bardzo duże nasłonecznienie, np. strefy pustynne) cienkowarstwowe panele mogą osiągać zwrot energii nawet w nieco poniżej roku. Dla kontekstu, 20-letnia eksploatacja systemu PV (Sycylia) może wyprodukować ~20 razy więcej energii niż zużyto do jego wytworzenia [1].

Turbiny wiatrowe – EPBT na lądzie i morzu

Warto przyjrzeć się innemu popularnemu rozwiązaniu w zakresie generowania energii elektrycznej z OZE jakim są turbiny wiatrowe.

Turbiny wiatrowe lądowe (onshore) charakteryzują się bardzo krótkim okresem zwrotu energii, liczonym w miesiącach. Typowo duża turbina lądowa (multi-MW) spłaca energię wytworzenia w ok. 5–8 miesięcy w zależności od warunków wiatrowych [3]. Producent Vestas podaje, że w wysokiej wietrzności turbina 4,2 MW (V117) osiąga neutralność energetyczną po ~4,8 miesiąca, w średnich warunkach model V136 – ~6,1 miesiąca, a przy słabszym wietrze model V150 – ~7,6 miesiąca [3]. Nowsze badania potwierdzają te rzędy wielkości – np. analiza LCA farmy wiatrowej (41 turbin, Nowa Zelandia, 2024) wskazuje EPBT ~0,4–0,5 roku (ok. 6 miesięcy) [4]. Podobne wartości (~0,43–0,53 roku) uzyskano we wcześniejszych analizach 2-MW turbin wiatrowych w USA [5]. Oznacza to, że w ciągu zaledwie połowy pierwszego roku działania turbiny „oddają” energię zużytą na ich produkcję, transport, budowę i utrzymanie.
Farmy off-shore wymagają większych nakładów (masywne fundamenty, instalacje na morzu), ale też zwykle pracują przy silniejszych i bardziej stabilnych wiatrach. Średni EPBT turbin morskich wynosi ok. 1 rok (12–18 miesięcy). Przykładowo, najnowsza turbina offshore 15 MW (Vestas V236) zainstalowana w warunkach wysokiej wietrzności ma energetyczny breakeven ~13,4 miesiąca [3].
Nawet przy uwzględnieniu pełnego cyklu życia (produkcja, transport, montaż, eksploatacja, demontaż) turbiny morskie zwracają energię wielokrotnie przed końcem swojego ~25-letniego życia użytkowego.
Podobnie jak w PV, lokalne warunki silnie wpływają na EPBT turbin wiatrowych. Prędkość i dostępność wiatru są kluczowe – turbiny wietrznych obszarów (np. nadmorskie tereny, Wyspy Brytyjskie, Patagonia) spłacają się energetycznie szybciej niż te w regionach o słabszym wietrze. Nawet jednak na obszarach o umiarkowanym wietrze większość turbin osiąga zwrot energii w ciągu mniej niż 1 roku.
Wysoka sprawność energetyczna energetyki wiatrowej jest obserwowana globalnie – np. farmy wiatrowe w Europie Płn. mają średni czas zwrotu energii ok. 5–7 miesięcy, co znajduje odzwierciedlenie w znikomym śladzie węglowym w przeliczeniu na kWh [4].
Z kolei bardzo specyficzne lokalizacje (np. głębokowodne farmy morskie, obszary słabowietrzne) mogą wydłużyć EPBT do kilkunastu–kilkudziesięciu miesięcy, ale i tak znacznie poniżej żywotności turbiny.

Podsumowanie

Aktualne badania i raporty branżowe jednomyślnie wskazują, że zarówno fotowoltaika, jak i energetyka wiatrowa mają krótki energetyczny okres zwrotu. W związku z tym ekologiczny okres zwrotu będzie również krótki – szczególnie w krajach gdzie Energy-mix oparty jest na energetyce węglowej – jak w Polsce. Panele fotowoltaiczne najnowszych generacji zwykle odzyskują energię produkcji w ciągu 1–3 lat (przy typowej eksploatacji >25 lat) w zależności od technologii i nasłonecznienia. Turbiny wiatrowe – zwłaszcza lądowe – wyróżniają się jeszcze krótszym EPBT rzędu kilku miesięcy.
Różnice technologiczne (mono vs. poli vs. cienkowarstwowe PV; onshore vs. offshore wiatraki) wpływają na te wartości, ale postęp technologiczny zmniejsza te rozbieżności. Kluczowe znaczenie ma lokalizacja: intensywność promieniowania słonecznego lub wiatru determinują, czy zwrot nastąpi bliżej dolnej czy górnej granicy zakresu. Mimo początkowego “śladu” energetycznego, energia odnawialna bardzo szybko się spłaca energetycznie, a przez resztę czasu dostarcza wielokrotnie więcej energii, niż zużyto na jej wytworzenie. Wskazuje to na ogromny dodatni bilans energetyczny OZE w skali cyklu życia urządzeń [6].

Źródła i literatura

[1] Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, PSE Projects GmbH, Photovoltaics Report, Freiburg, 29 July 2024
[2] Khagendra P. Bhandari, Jennifer M. Collier, Randy J. Ellingson, Defne S. Apul, Energy payback time (EPBT) and energy return on energy invested (EROI) of solar photovoltaic systems: A systematic review and meta-analysis, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 2015
[3] Energy Payback & Return on Energy, Vestas, https://www.vestas.com/en/sustainability/environment/energy-payback
[4] Wind Farms Can Offset Their Emissions Within Two Years, Environment coastal&offshore, https://ecomagazine.com/news/industry/wind-farms-can-offset-their-emissions-within-two-years
[5] Karl R. Haapala, Preedanood Prempreeda, Comparative life cycle assessment of 2.0 MW wind turbines, Oregon State University, Int. J. Sustainable Manufacturing, 2014
[6] PV FAQ, What is the energy payback for PV?, U.S. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy
[7] Luiz Felipe Souza Fonseca, Monica Carvalho, Greenhouse gas and energy payback times for a wind turbine installed in the Brazilian Northeast, Frontiers in Sustainability, Volume 3 - 2022 | https://doi.org/10.3389/frsus.2022.1060130