Meddig él a napelem?

A napelemes iparág rohamos fejlődésével egyidejűleg egyre szaporodnak a valótlanságot, téveszméket tartalmazó hírek, melyek az internet segítségével gyorsan terjednek. Ezek a tévhitek egyaránt lehetnek ártalmatlanok, kevéssé károsak, de lehetnek nagyon károsak is. A nagyon káros kategóriába tartozik a napelemek élettartamát firtató megtévesztő hírek is. Bizonyos oldalak a nézettségi index, kattintási szám növelése érdekében valótlan, ellenőrizetlen cikkeket közölnek. A tévhitek okai: szándékos torzítás piaci/üzleti érdekek miatt, egyszerű naiv tájékozatlanság. Az esetek többségében ez komoly félrevezetést jelent a gyanútlan felhasználó, de még az „átlagszakember” számára is. Ez esetekben felmerül az internetes oldalak szerkesztőinek felelőssége is. Cikkünk célja a téveszmék és tévhitek eloszlatása. Szerző: Véghely Tamás napenergia szakértő Az EU-Solar Zrt. szakmai tanácsadója

ÉLETTARTAM – KIHORDÁS, MEGTÉRÜLÉS, ELÉVÜLÉS

Elsőként próbáljuk meg tisztázni néhány alapvető fogalmat. Élettartam alatt azt az időt (napok, évek) értjük, mely során az eszköz (jelen esetben a napelem) képes az eredeti szándék szerint a feladatát teljesíteni. Bizonyos esetekben ez teljesítmény csökkenéssel járhat, de a működőképesség megmarad. Megtérülési idő alatt azt az időt értjük, amely során a befektetés (projekt) null-szaldóssá válik. Innentől kezdve nyereséget termel (turn-over point). A napelemes rendszerek esetében ez korábban (1980-2010 évek) 16-22 év volt, mostanra ez jelentősen lecsökkent, mintegy 10-15 év közé. A csökkenésben jelentős szerepe van a technológia iránti elhivatottságnak, valamint a támogatásoknak is. A megtérülési számítások során nemcsak a napelemet kell figyelembe venni, hanem a teljes rendszert is (BOS: Bottom of system/teljes rendszerköltség, LCOE: Levelized cost of electricity). A kihordási idő alatt értjük azt az időtartamot, amely alatt a gyártmány tökéletesen ellátta a feladatát, de az amortizációs ideje lejárt. A napelemek esetében ez egybeeshet a megtérülés minimális idejével. Az elévülési idő egy jól meghatározható, de nehezen számszerűsíthető adat, mely termékenként, használati módtól, technológiai fejlettségtől (state-of-art) függően széles határok között változhat. Egy viszonylag új termék is gyorsan „elévülhet”, ha a technológia gyorsan fejlődik. Például, ha lényegesen nagyobb hatásfokú napelemek jelennek meg.

MITŐL FÜGG AZ ÖREGEDÉS?

Jelen technológiai tudás szerint háromféle módon tudnak a gyártók napelemeket előállítani. Időben a legrégibb (és ezért az egyik legmegbízhatóbb) a szelet alapú gyártás. Ennek során félvezető alapú (többnyire szilícium) vékony szeleteket (200-400 mikron) hoznak létre (mono- kristályos, vagy polikristályos szeletek). A szeletbe magas hőmérsékletű diffúziós folyamatokkal ellenőrzötten adalékolt anyagokat (doppolás, P, B elemekkel) visznek be. Ezáltal a szeletben egy fényre érzékeny, funkcionális rétegszerkezet jön létre (félvezető PIN dióda) melyben a fény hatására töltéshordozók válnak szét (pozitív, negatív töltéssel, exciton párok). A töltéseket kivezetve áramot kapunk, ami a napsugárzás fényenergiájából származik. Ez a technológia magas hőmérsékletet, drága anyagokat igényel. Ezért merült fel egy olcsóbb előállítás igénye, melyet a vékonyréteg technológia valósít meg. Ez esetben olcsó üveghordozóra „füstszerűen vékony” rétegeket visznek fel vákuumban (vákuumgőzölés, vagy CVD, PECVD eljárások). A rétegek összes vastagsága 1 mikron körül mozog. Ez a szerkezet ugyanúgy képes a foto-elektromos (photo-voltaic, PV) hatás előállítására, melynek elméleti vizsgálatáért Einstein Nobel-díjat is kapott. Ez az előállítási mód olcsóbb és egyszerűbb. A harmadik típushoz soroljuk az újabb (2015-2020 kutatásokkal) kidolgozott technológiákat (festék alapú napelem, DYE, hibrid-mikrokristályos, Perovskit, nano-technológiák, stb.,). Ezek még kevésbé bevizsgált termékek. Több tíz év tapasztalata és milliónyi vizsgálat alapján tipikusnak és általános érvényűnek mondhatjuk, hogy mindegyik gyártási technológia végterméke lassú öregedést mutat 0,5-1% értékben (Pmax kimeneti teljesítmény, „lassú természetes degradáció”). Meg kell említenünk, hogy a vékonyréteg technológia bevezetésének kezdetén aggodalmat keltett egy időszakos jelenség – a Stabler-Wronsky hatás –, mely gyorsabb öregedést mutatott. A jelenséget azóta alaposan tanulmányozták.

1. ábra - A vékonyréteg napelemek degradációs folyamata (Stabler-Wronsky effektus).

2. ábra - A szelet alapú napelemek öregedése

3. ábra - A Dunasolar vékonyréteg napelemek (2j-a_Si) öregedése (70 napos vizsgálat során, 2000-2003, Budapest)

A stabilizációs folyamat az első 15-60 kWh besugárzás (mintegy egy hét, erős napsütésben) alatt lezajlódik. A tapasztaltabb vékonyréteg gyártók az eladás/árképzés során figyelembe veszik ezt a hatást, és a stabilizált értékkel számolnak.

A DEGRADÁCIÓ HATÁSA A MEGTÉRÜLÉSRE LCOE

Amint láttuk az öregedés (lassú degradáció) mindegyik technológiában jelen van, de kissé másképpen. A folyamatot több egyéb tényező is lassíthatja, vagy inkább gyakrabban gyorsíthatja. Az öregedési folyamatok gyorsabbak az alábbi hatások esetében:

• PID (potencial induced degradation),
• LID (LeTid), (light induced degradation),
• CID (Charge induced degradation),
• extrém klimatikus viszonyok (meleg, pára, sósköd, ammónia),
• helytelen kivitelezés.

4. ábra - A degradációs folyamatok hatása az LCOE mutatókra.

Az öregedési folyamatokat jelentősen befolyásolhatja a telepítési környezet is. A napelem gyártók a gyártmány kibocsátása előtt – a szabvány szerint előírt – teszt vizsgálatokat végeznek, hogy az adott termék megfelel-e a klimatikus követelményeknek. A megrendelő felelőssége, hogy azt a terméket válassza, amely a klimatikus zónánk megfelel.

5. ábra - A klímazónák hatása az öregedésre

GYÁRTÁS, SZERELÉS, KARBANTARTÁS, TECHNOLÓGIA

Érdekes (de talán nem véletlen?), hogy az újabban gyártott napelemek gyorsabban degradálódnak, mint a korábban gyártott társaik.  (2020, Solar Daily weboldal, https://www.solardaily.com/ ). Az egyik legújabb „termék”, a PERC napelem, egy ígéretes technológia, de még sok vizsgálatot igényel. (www.pv-tech.org  2018, https://www.pv-tech.org/guest-blog/is-letid-degradation-in-perc-cells-another-degradation-crisis-even-worse-th )

6. ábra - Mono és multi kristályos PERC napelem öregedés vizsgálata (PV-Tech.org közlése nyomán)

A telepítés folyamata során a napelemeknek sok veszélyes „folyamatot kell átvészelniük” míg munkába állhatnak. A napelemes rendszer rendszertechnikailag többnyire soros elemekből áll össze, melyek egymással szoros kölcsönhatásban vannak. Helytelen választások, döntések rejtett hibát okozhatnak.

7. ábra - a), b). Sajnos, a leggyakoribb sírfelirat a napelem temetőben: Senki nem tudta hogyan kell velem bánni.

A mai napelemek az alábbi technológiákkal készülnek:

• szelet alapú gyártás (kristályos napelem, mono, c_Si, polikristályos, p_Si),
• vékonyréteg napelem (a_Si, 1j, 2j, 3j, CdTe, CIS, CIGS),
• festék alapú (Dye, organic),
• multikristályos (v. mikrokristályos, a mono és a vékonyréteg házasítása),
• PERC (mono, és poli),
• bifacial (kétoldalas).

Ezek közül nem mindegyik tekinthető gyártmánynak. Új termékek esetében a média gyorsan reagál, és azonnal szenzációként közli le a javuló paramétereket (pl. teljesítmény növekedést), mely sokszor megtévesztheti a piacot (indokolatlanul felpörgeti). Ilyen esetekkel találkozhatunk a PERC (Passive Emitter Rear Contact) szeletek megjelenésével, vagy kétoldalas (bifacial) napelemekkel kapcsolatosan. A PERC napelemek vizsgálata ugyan évek óta nagy erőkkel folyik, a publikációk a következtetések tekintetében azonban a tudósok nagyon visszafogottak és óvatosak. Általánosságban a fejlesztések eredménye többnyire egy új termék, egy új készülék, de ez még nem mindig tekinthető azonnal gyártmánynak, ezért piaci helytállása (garancia) is vizsgálandó. Amíg egy újdonságból termék válik, az gyakorta több évet is igénybe vehet (a piac azonban a szabályokat felrúgva, – az azonnali profit reményében – azonnal „ráharap”. Az áldozat azonban többnyire a vevő. Gyártmánynak azt a dolgot nevezzük, amely a következő paraméterekkel rendelkezik:

• bármikor, bármilyen mennyiségben változatlanul gyártható, kellő felkészültséggel,
• garanciális feltételei átláthatók, és kidolgozottak,
• bevizsgált termék (a szakma által elfogadott és minősített laboratóriumi vizsgálatoknak megfelel),
• megfelelő (kipróbált, ellenőrzött) használati utasításokkal rendelkezik (vevői, telepítői, karbantartói utasítások),
• alkalmazása (pl. rendszerbe illesztése) kiszámítható, áttekinthető.

REJTETT HIBÁK

A napelemek és a napelemes rendszerek esetében fontos szerepet kapnak a rejtett hibák. Ezeket – mint nevük is sugallja – nehéz észrevenni, felderítésükhöz gyakorlott szekértő kell. A rejtett hibák keletkezésének, illetve jelenlétének igen sok oka lehet (gyártás, szállítás, tervezés, telepítés), ezért jelen terjedelemben ezt nem tudjuk részletesen elemezni. Most csak egy rövid felsorolással tudjuk áttekinteni  (PID /PID-s, PID-p/, LID, LeTID, CID, blind-spot, EVA hibák).

8. ábra - Elszíneződéssel járó öregedési folyamatok különféle gyártású, szelet alapú napelemeken

A napelemek teljes élettartama alatt többféle hiba jelentkezhet, melyeknek jellegzetes előfordulási idejük van. Ezen hibák egy részét mutatja be a 9. ábra. A legfontosabbak a korai és középidős hibák, mert jelentősen befolyásolják a megtérülést. Ezek a diagrammok több ezer napelemes rendszer (milliós nagyságrendű napelem) vizsgálata és elemzése alapján készültek, ezért tipikusnak tekinthetők. 9. ábra - A napelemes rendszerek hibáinak tipikus előfordulási időrendje (forrás IEA)

A napelemek „élettartamának” egy másik szokásos/tipikus – és talán még szemléletesebb – ábrázolása az úgynevezett „fürdőkád” görbe (10. ábra). Ez a diagram is a meghibásodások számát mutatja az teljes „kihordási idő” függvényében, csak fordítva, ezért is „fürdőkád görbe” az elnevezése. A nagy nemzeti és nemzetközi napenergia szervezetek (NREL, IEA, IRENA, SANDIA, SEIA, ACORE, ASES, ISES, stb.) komolyan foglalkoznak az élettartam, és az ezzel szorosan összefüggő meghibásodások/degradáció kérdésével. 10. ábra - A napelemek tipikus „fürdőkád” görbéje. (forrás IRENA)

A relatíven magas meghibásodás egyben kockázatot is jelent. Figyeljük meg az alsó narancs-sávban, hogy a kivitelező (EPC), a bérlők/kölcsönadók (lenders), és az igazi tulajdonosok (project owner/community) mind jelentősen más-más kockázatot viselnek! Gyakori hibát okoznak a havária esetek is (viharkár, állatok kártevése, vandál rongálás, karbantartás hiánya). A gondos/körültekintő tervezés, megfelelő anyagválasztás, felkészült/gyakorlott kivitelezés képes jelentősen ellensúlyozni a havária károkat.

11. ábra - Viharkár egy napelemes rendszerben.

Végezetül egy igen jó hír! A napelemek iparszerű gyártása az 1970-es 80-as években indult meg. Napjainkban sorra bukkannak fel hírek, melyek arról számolnak be, hogy a réges-régi napelemek milyen kiválóan teljesítenek (30-50%), és még mindig használhatók.

12. ábra - Matuzsálem korú napelem, de kiváló paraméterekkel teljesít

ÖSSZEFOGLALÁS

A napelem ipar többféle technológiával gyártja a napelemeket. Kiforrott technológiának az nevezhető, mely megfelelő színvonalon gépesített, legalább 5-10 éves gyártási kultúrával és ilyen szintű alkalmazási tapasztalatokkal rendelkezik. Minden típusú napelem lassú öregedéssel jellemezhető, melynek mértéke 0,5-1%/év. A napelemek sokáig „élnek”, a hirtelen halál (1-5 év közötti időszak) oka valamilyen rendellenesség, hiba, vagy helytelen kezelés. Azt, hogy meddig működőképes egy napelem, pontosan megmondani nem tudjuk, a gyártók sem. Ezért került bevezetésre a „Limited Power Guarantee”, azaz korlátolt teljesítmény garancia. A pénzügyi számítások mintegy 25+ év „kihordási” idővel számolnak. Előkerültek azonban 20-40 éves napelemek is, melyek még működőképesek (30-50% teljesítménnyel). Mivel ez az emberiség egyik legígéretesebb energiaforrása (nemcsak földi viszonyok között!) intenzív kutatások folynak a hatásfok növelésére (mely ma kereskedelmi szinten 22-24%, kutatási szinten 40%) és a költségek csökkentésére. Az új fejlesztések eredményét nem lehet azonnal gyártmánynak tekinteni. A stabil, megbízható napelem piacnak gyártmányokra kell épülnie. A mesterségesen és extraprofit céllal felpörgetett kereskedelem legnagyobb vesztesei a vevők, megrendelők. Hasznos tanácsok:

• Minden napelem öregszik, de mintegy 30 évig biztosan nem „hal meg végelgyengülésben”.
• A várható, mintegy 25+ (30 év), bőven túl van megtérülési, kihordási, elévülési időkön.
• Az öregedés mértéke 0,5 – 1 % tipikusan.
• A megtérülési számításokat az LCOE és BOS költségek, és az öregedés figyelembevételével javasolt elvégezni.
• A tudás legnagyobb ellensége nem a tudatlanság, … hanem a tudás illúziója.
• Egy, a piacon hirtelen megjelenő új termék szinte biztos, hogy nem tekinthető gyártmánynak, ezért fenntartással kell kezelni.
• A havária esemény nem mindig okoz „hirtelen halált”.
• A „fürdőkád görbe” szerint kockázat különféle mértékben oszlik meg.
• Gondos, szakszerű szerelés, megfelelő karbantartás még a havária esemény hatását is csökkentheti, vagy semlegessé teheti.