Considerații privind problemele de mediu apărute din cauza instalării sistemelor fotovoltaice

Gheorghe Badea, Lucian Rus, Gheorge Naghiu

Instalarea și operarea unor sisteme care exploatează energia solară prin conversie fotovoltaică, intens promovate în multe state europene prin stabilirea unor tarife preferențiale de cumpărare a energiei electrice produsă cu ajutorul acestor instalații, au ca și efect direct ample transformări ale teritoriului unde sunt amplasate,  cum ar fi:  utilizarea terenului, eliminarea vegetației existente, impactul vizual asupra peisajului, schimbări de microclimat, orbire prin reflexia razelor soarelui. Intensitatea redusă a energiei solare, asociată cu valorile reduse ale coeficientului de conversie a energiei solare cu ajutorul celulelor fotovoltaice, face ca dimensiunea acestor sisteme să devină un factor foarte important din punct de vedere al influențelor asupra mediului înconjurător. Odată cu apariția stimulentelor financiare pentru instalarea unor sisteme care exploatează energiile regenerabile, care au la bază de cele mai multe ori și politici de conservare a teritoriilor, inclusiv a teritoriilor protejate, a avut loc și o creștere rapidă a  preocupărilor comunităților locale și a guvernelor cu privire la impactul asupra mediului, teritoriului și a peisajului produs de aceste tehnologii. În lucrare sunt prezentate principalele influențe asupra mediului înconjurător produse din cauza instalării unor sisteme fotovoltaice și unele soluții care pot ajuta la evitarea apariției acestora.

1. INTRODUCERE

Instalarea și operarea sistemelor pentru exploatarea energiei solare prin conversie fotovoltaică reprezintă o importantă cauză a transformării peisajelor din zonele în care sunt amplasate. Intensitatea energiei solare are un nivel destul de redus, chiar dacă acest tip de energie este uniform distribuită pe suprafața Pământului, acest lucru, combinat cu eficiența foarte redusă pe care o au celulele fotovoltaice, face ca dimensiunile fizice ale unui astfel de sistem de producere a energiei să fie relativ mari dacă sunt raportate la unitatea de energie produsă, având astfel influențe importante asupra zonei în care sunt amplasate, cu atât mai mult cu cât puterea pe care trebuie să o livreze sistemul respectiv este mai ridicată. În ultima perioadă, atât factorii care au jucat un rol important în ceea ce privește răspândirea sistemelor fotovoltaice, cât și factorii care au generat anumite îngrijorări cu privire la răspândirea rapidă a sistemelor PV au primit o atenție sporită din partea comunităților locale și a guvernelor țărilor în care acest fenomen a luat amploare în ultimul timp.

2. FACTORII CARE INFLUENTEAZĂ PRODUCTIA DE ENERGIE ȘI SUPRAFETELE DE TEREN UTILIZATE

2.1. Caracteristicile modulelor fotovoltaice

Producerea de energie electrică prin conversia fotovoltaică a energiei solare se face în prezent prin intermediul a trei generații de panouri fotovoltaice care au la bază materiale semiconductoare, fiecare dintre tehnologii având un impact diferit asupra mediului înconjurător.

Modulele fotovoltaice care fac parte din prima generație sunt confecționate din celule cu siliciu cristalin (monocristalin sau policristalin), acestea fiind de altfel cele mai răspândite și folosite mai ales în componența unor sisteme fotovoltaice montate direct pe sol. A doua generație este formată din module cu celule din siliciu amorf, introduse pe piață doar cu câțiva ani în urmă, care au o eficiență mai scăzută în comparație cu celulele din siliciu cristalin, dar se pot utiliza cu succes în cazul unor aplicații unde este nevoie de flexibilitate în instalare. În prezent se află în stadiu de cercetare și dezvoltare a treia generație de module fotovoltaice, aceea a celulelor organice, cum sunt cele foto-electrochimice sau cele cromo-sensibilizate. Ca și rezultat al necesității integrării modulelor fotovoltaice în structura clădirii, așa numitele BIPV (building integrated PV) – sisteme fotovoltaice integrate în clădire – au fost dezvoltate celule fotovoltaice semitransparente, care pot fi incluse în anvelopa clădirii, fiind componente care asigură pătrunderea unei anumite cantități de lumină solară, o protecție împotriva supraîncălziri (reducând astfel energia consumată pentru climatizare pe perioadă verii) și produc în același timp energie electrică. Există trei modalității pentru a se obține semitransparența modulelor fotovoltaice:

• îndepărtarea cu ajutorul laserului a unor porțiuni din material;
• utilizarea unor materiale care sunt semitransparente, în cazul celulelor foto-electrochimice sau a celor cromo-sensibilizate;
• separarea celulelor fotovoltaice, care are ca și efect creșterea dimensiunii modulelor pentru aceeași putere.

2.2. Caracteristicile sistemului și problema unghiului și orientării modulelor fotovoltaice

Producția efectivă de energie electrică a unui sistem fotovoltaic depinde de următorii factori: eficiența de conversie a celulelor PV, caracteristicile tehnice ale sistemului și radiația solară interceptată de modulele PV. Eficiența celulelor PV, care are o limită teoretică de 30%, variază între limita inferioară de 4% obținută în cazul celulelor cu siliciu amorf și limita superioară de 22% pentru cele mai performante celule cu siliciu cristalin. În mod uzual, celulele cu siliciu cristalin care sunt folosite în practică au eficiențe cuprinse între 10 și 15%, în funcție de tehnologia utilizată la producerea lor, decizia privind modelul utilizat fiind influențată mai ales de disponibilitățile financiare ale proiectului, aceasta fiind cauza pentru care celulele fotovoltaice nu sunt componenta de proiectare a sistemului care are un rol substanțial în creșterea cantității de energie produsă de către sistem. Al doilea factor include toate componentele sistemului electric care transportă energia electrică de la panouri la rețeaua publică sau direct la consumatori pentru instalațiile independente, cum ar fi bateriile sau invertoarele. La fel ca și în primul caz, posibilitățile de alegere a acestor componente sunt limitate și nu au o mare influență asupra creșterii de energie produsă. Al treilea factor devine astfel cel mai important din punct de vedere al posibilității de creștere a cantității de energie electrică generată, deoarece cantitatea de radiație solară colectată depinde de unghiul și orientarea suprafeței modulelor PV, de topografia site-ului și de condițiile climatice.

3. ANALIZA LITERATURII DE SPECIALITATE

Evaluarea impactului asupra mediului produs de sistemele fotovoltaice este subiectul a numeroase studii încă de la începuturile dezvoltării acestei tehnologii, aceste cercetării fiind concentrate mai ales pe impactul energetic și asupra mediului, atât direct și indirect, însă nu special pe impactul teritorial sau asupra peisajului. În majoritatea studiilor este evidențiat impactul pozitiv al instalațiilor PV, însă în cele mai multe cazuri aceste afirmații se bazează numai pe considerentele de energie și mediu. Chiar dacă la început, energia consumată pentru producerea panourilor fotovoltaice era mult mai mare decât energia pe care acestea o puteau livra pe durata vieții lor, făcându-le total  neatractive din punct de vedere economic și ecologic, în prezent, datorită avansului tehnologic, s-a ajuns la o durată de amortizare a investiției în panouri fotovoltaice de 2 până la 6 ani, în funcție de nivelul de însorire al site-ului și de tipul de instalare. În ceea ce privește impactul asupra mediului, unul din primii cercetători care s-a ocupat de acest aspect a fost inginerul german TL. Neff, care amintea de următoarele influențe asupra mediului: utilizarea terenului, impactul asupra microclimatului site-ului și emisia de agenți poluatori. Studiul respectiv reflectă efectul pozitiv pe care îl au instalațiile fotovoltaice asupra mediului.

4. TIPURI DE IMPACT

4.1. Utilizarea terenurilor

Pentru sistemele fotovoltaice care folosesc un unghi de înclinare al modulelor de aproximativ 35°, valoare optimă pentru latitudini de 46° ca și în cazul României, aria proiectată pe sol a unui sistem fotovoltaic de 1 kWp este cuprinsă între 6.6 și 8.2 m2 în funcție de radiația solară și de tipul panourilor fotovoltaice. Această valoare are un caracter pur teoretic, pentru că între fiecare din șirurile de panouri fotovoltaice trebuie prevăzută o distanță minimă pentru a se evita umbrirea reciprocă. Această distanță poate fi determinată fie cu ajutorul informațiilor din literatura de specialitate, fie cu ajutorul unor simulări detaliate, realizate cu ajutorul programelor de calcul. Făcând trecerea de la module la sistemul fotovoltaic, se poate concluziona că aria întregului sistem va fi de aproximativ două ori mai mare decât valoarea teoretică a modulelor exprimată în funcție de putere. În funcție de energia produsă de sistemul fotovoltaic această suprafață are valori cuprinse între 28 și 42 m2/MWh în funcție de valorile radiației solare și de unghiul de înclinare al panourilor fotovoltaice din sistem. Trebuie menționat faptul că, dintre toate sistemele energetice, cele fotovoltaice utilizează cele mai mari suprafețe de teren raportat la cantitatea de energie produsă. În cazul sistemelor fotovoltaice care sunt amplasate pe clădiri, gradul de  utilizare a solului este irelevant, pentru că sunt incluse în amprenta la sol a clădiri, de aceea primul pas care trebuie făcut înaintea construirii unor parcuri fotovoltaice de mari dimensiuni și mari „consumatoare de teren” este utilizarea într-o proporție cât mai mare a zonelor disponibile de pe anvelopele clădirilor pentru amplasarea de sisteme fotovoltaice.

4.2. Reducerea terenului cultivabil

Sistemele solare de capacitate medie și mare, amplasate direct pe sol, pot reprezenta nu numai o sursă importantă de utilizare a terenului, ci și o cauză a reducerii terenurilor cultivabile, dacă în prealabil terenul pe care este amplasat parcul fotovoltaic era utilizat în agricultură. Prin urmare, producția de energie electrică cu ajutorul unor astfel de sisteme poate intra în competiție cu producția de alimente, la fel cum s-a întâmplat în cazul cultivării plantelor folosite direct la producția de energie. Cercetătorul italian D. Russi a realizat un studiu cu privire la această problemă, evidențiind faptul că beneficiile generate de o unitate mare de producție a biodieselului în Italia nu depășesc costurile necesare raportate la suprafața de teren ocupată care ar fi scoasă astfel din circuitul agricol, ceea ce implică o creștere considerabilă a importului de produse alimentare și probleme de mediu în sectorul agricol. Pe baza acestor considerente se poate spune că realizarea unor parcuri fotovoltaice de mare putere, amplasate direct pe sol trebuie luată în considerare numai în cazul în care instalațiile PV care întră în structura clădirilor nu sunt rentabile din punct de vedere economic sau energetic.

5. CONCLUZII

Odată cu creșterea rapidă a numărului de instalații fotovoltaice este necesară elaborarea la nivel internațional, și nu numai, a unor criterii care să asigure protecția mediului și o dezvoltarea sustenabilă în domeniul sistemelor folosite pentru producerea de energie electrică cu ajutorul soarelui. Deși în unele state există deja anumite reglementări specifice, elaborate de autoritățile locale în încercarea de a atenua problemele apărute ca urmare a amplasării unor instalații fotovoltaice, multe din efectele cauzate de către aceste sunt încă dificil de evitat, mai ales în cazul sistemelor de putere mare care ocupă o suprafață întinsă de teren.

În momentul de față astfel de probleme de mediu pot fi atenuate sau chiar evitate, chiar și în lipsa unei legislații în domeniu, prin alegerea corespunzătoare a tipului modulelor fotovoltaice și prin stabilirea optimă a unghiului de înclinare a panourilor în funcție de latitudinea la care este situat site-ul. Aceste măsuri, care pot fi luate încă din faza incipientă a unor astfel de investiții, influențează cu preponderență numai impactul asupra terenului, pentru evitarea celorlalte efecte nedorite ale construirii unor parcuri PV fiind necesare măsuri mult mai elaborate, care trebuie impuse eventual chiar prin reglementări legislative.

Articolul integral il puteti citi in editia tiparita a revistei Electricianul nr. 2/2012.

Pentru abonament la revista Electricianul accesati: http://www.artecno.ro/abonamente/abon.html