Źródło: appropedia.org
tło
Technologie energii alternatywnej, takie jak moduły fotowoltaiczne (rysunek 1), stają się coraz bardziej popularne na całym świecie. W 2008 po raz pierwszy światowe inwestycje w alternatywne źródła energii przyciągnęły więcej inwestorów niż paliwa kopalne, uzyskując netto 155 miliardów dolarów kapitału netto w porównaniu z 110 miliardami dolarów nowych inwestycji w ropę naftową, gaz ziemny i węgiel. Sama energia słoneczna wygenerowała 6. 5 miliardów dolarów światowych przychodów w 2004 i oczekuje się, że prawie trzykrotnie wzrośnie z przewidywanymi przychodami w wysokości 18. 5 miliard na 2010.
Technologie energii alternatywnej stają się coraz bardziej popularne na całym świecie ze względu na większą świadomość i obawy związane z zanieczyszczeniem oraz globalną zmianą klimatu. Alternatywne technologie energetyczne oferują nową opcję uzyskiwania użytecznej energii ze źródeł, które mają mniejszy wpływ na środowisko na planetę. Ale o ile mniej?
Wcześniej opublikowany przegląd analizy energii netto fotowoltaiki na bazie krzemu[1]odkryli, że wszystkie typy PV na bazie krzemu (amorficzne, polikrystaliczne i monokryształowe) generowały znacznie więcej energii w ciągu ich życia, niż jest to wykorzystywane do ich produkcji. Wszystkie nowoczesne krzemowe ogniwa fotowoltaiczne zwracają się za energię w ciągu mniej niż 5 lat - nawet w wysoce nieoptymalnych scenariuszach wdrażania.
W tym artykule zbadano wszystkie wpływy na środowisko związane z produkcją i dożywotnim użyciem krzemowych paneli fotowoltaicznych (PV).
Co to jest ocena cyklu życia (LCA)
Ocena cyklu życia (LCA) ocenia wpływ produktu lub procesu na środowisko od produkcji do unieszkodliwienia[2]. LCA bada nakłady materiałowe i energetyczne wymagane do wytworzenia i użytkowania produktu, emisje związane z jego użytkowaniem oraz wpływ unieszkodliwiania lub recyklingu na środowisko. LCA może również zbadać koszty zewnętrzne, takie jak łagodzenie wpływu na środowisko, które są niezbędne w związku z produkcją lub użyciem produktu[3].
Krótka historia energii słonecznej
Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne zostało zbudowane przez Charlesa Frittsa, który zbudował ogniwo 30 cm z selenu i złota w 1883[4]. Nowoczesna krzemowa technologia fotowoltaiczna została odkryta w 1954 przez badaczy z Bell Labs, którzy przypadkowo opracowali złącze pn, które umożliwia fotowoltaice wytwarzanie użytecznej energii elektrycznej[5]. W 1958 NASA zaczęła wykorzystywać fotowoltaikę jako zapasowe systemy zasilania dla swoich satelitów[4]Pierwsza rezydencja zasilana energią słoneczną została zbudowana na University of Delaware w 1973, a pierwszy projekt fotowoltaiczny na skalę megawatową został zainstalowany w Kalifornii w 1984[4].
Analiza cyklu życia panelu fotowoltaicznego
Poniższa sekcja zawiera krótką analizę cyklu życia silikonowych paneli fotowoltaicznych. Omawiane czynniki cyklu życia obejmują: energię potrzebną do produkcji, emisje dwutlenku węgla w całym cyklu życia oraz wszystkie emisje zanieczyszczeń generowane przez cały okres użytkowania paneli fotowoltaicznych z: transportu, instalacji, eksploatacji i unieszkodliwiania.
Wymagania energetyczne do produkcji
Produkcja fotowoltaiki jest zdecydowanie najbardziej energochłonnym etapem zainstalowanych modułów fotowoltaicznych. Jak widać na rysunku 2, duże ilości energii są wykorzystywane do przekształcania piasku krzemionkowego w krzem o wysokiej czystości wymagany dla płytek fotowoltaicznych. Montaż modułów fotowoltaicznych jest kolejnym etapem wymagającym dużych zasobów, z dodaniem aluminiowej ramy o wysokiej zawartości energii i szklanego dachu.
Rysunek 2: Zapotrzebowanie energetyczne etapów produkcji przy produkcji paneli fotowoltaicznych jako procent zapotrzebowania na energię brutto (GER) wynoszące 1494 MJ / panel (~ 0. 65 m {{4 }}powierzchnia)[6].
Wpływ krzemowego modułu fotowoltaicznego na środowisko wiąże się z produkcją trzech głównych komponentów: ramy, modułu i elementów bilansu systemu, takich jak szafa i falownik[3]. Gazy cieplarniane są spowodowane głównie przez produkcję modułów (81%), a następnie saldo systemowe (12%) i ramkę (7%)[3]). Wymagania dotyczące zasobów w cyklu produkcyjnym zostały podsumowane na rysunku 3.
Rysunek 3: Cykl produkcyjny i wymagane zasoby modułu krzemowego[6].
Emisje dwutlenku węgla Lifecyle
Emisje dwutlenku węgla w cyklu życia odnoszą się do emisji spowodowanych produkcją, transportem lub instalacją materiałów związanych z systemami fotowoltaicznymi. Oprócz samych modułów, typowa instalacja obejmuje kabel elektryczny i metalowy stojak. Naziemne systemy fotowoltaiczne zawierają również betonowy fundament. Instalacje zdalne mogą wymagać dodatkowej infrastruktury do przesyłania energii elektrycznej do lokalnej sieci elektrycznej. Oprócz materiałów analiza cyklu życia powinna obejmować dwutlenek węgla emitowany z pojazdów podczas transportu modułów fotowoltaicznych między fabryką, magazynem i miejscem instalacji. Rysunek 4 porównuje względny udział tych czynników we wpływach dwutlenku węgla w ciągu życia pięciu rodzajów modułów fotowoltaicznych[7].
Rysunek 4:Dożywotnia emisja dwutlenku węgla w wielkoskalowych instalacjach fotowoltaicznych, sklasyfikowana według części. Ten wykres porównuje typowe moduły monokrystalicznego krzemu (m-Si (a)), wysokowydajny krzem monokrystaliczny (m-Si (b)), tellur kadmu (CdTe) i moduły selenowo-miedziowe (CIS). Wykres autorów na podstawie[7].
Emisje z transportu
Transport stanowi około 9% emisji w całym cyklu życia fotowoltaiki[7]. Moduły fotowoltaiczne, szafy i sprzęt równoważący system (takie jak kable, złącza i wsporniki montażowe) są często produkowane za granicą i transportowane statkiem do Stanów Zjednoczonych[8]W Stanach Zjednoczonych elementy te są transportowane ciężarówkami do centrów dystrybucyjnych i ostatecznie na miejsce instalacji.
Emisje instalacyjne
Emisje związane z instalacją obejmują emisje z pojazdów, zużycie materiałów i zużycie energii elektrycznej związane z lokalnymi pracami budowlanymi w celu zainstalowania systemu. Działania te generują mniej niż 1% całkowitych emisji w cyklu życia systemu fotowoltaicznego[8].
Emisje z operacji
Podczas korzystania z modułów fotowoltaicznych nie powstają emisje do powietrza lub wody. Na konstrukcje modułów fotowoltaicznych wpływają na kurniki powietrzne z emisji rozpuszczalników i alkoholu, które przyczyniają się do fotochemicznego tworzenia się ozonu. Na rozlewiska wody wpływa konstrukcja modułów wydobywających zasoby naturalne, takie jak kwarc, węglik krzemu, szkło i aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, zamiana obecnej światowej sieci elektrycznej na centralne systemy fotowoltaiczne doprowadziłaby do 89-98% redukcji emisji gazów cieplarnianych, kryteriów zanieczyszczeń, metali ciężkich i gatunków radioaktywnych[9].
Emisje do usuwania
Pozbywanie się krzemowych modułów fotowoltaicznych nie spowodowało znaczących skutków, ponieważ instalacje na dużą skalę były używane dopiero od połowy 1980 r.' si moduły fotowoltaiczne mają żywotność co najmniej 30 lat[4]. Fthenakis i in. (2005)[2]konkretnie wskazał brak dostępnych danych na temat utylizacji lub recyklingu modułów fotowoltaicznych, dlatego ten temat wymaga dokładniejszych badań.
LCA fotowoltaiki w porównaniu do innych źródeł energii
Całkowite emisje w cyklu życia związane z produkcją energii fotowoltaicznej są wyższe niż w przypadku energii jądrowej, ale niższe niż w przypadku produkcji energii z paliw kopalnych. Emisje gazów cieplarnianych w całym cyklu życia kilku technologii wytwarzania energii wymieniono poniżej:[3].
Krzem PV: 45 g / kWh
Węgiel: 900 g / kWh
Gaz ziemny: 400–439 g / kWh
Jądrowy: 20–40 g / kWh
Przez 20-30 lat eksploatacji moduły słoneczne wytwarzają więcej energii elektrycznej niż zużyto podczas ich produkcji. Czas zwrotu energii określa minimalny okres użytkowania wymagany dla modułu słonecznego do wytworzenia energii, która została użyta do wytworzenia modułu. Jak pokazano w tabeli 1, średni czas zwrotu energii wynosi 3-6 lat.
Tabela 1: Czasy zwrotu energii (EPBT) i współczynniki zwrotu energii (ERF) modułów PV zainstalowanych w różnych lokalizacjach na całym świecie[6].
Kraj | Miasto | Promieniowania słonecznego | Szerokość | Wysokość | Roczna produkcja | EPBT | ERF |
(kWh / m 2) | (m) | (kWh / kWp) | (lata) | ||||
Australia | Sydnej | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Austria | Wiedeń | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgia | Bruksela | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Republika Czeska | Praga | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Dania | Kopenhaga | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Finlandia | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Francja | Paryż | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Francja | Marsylia | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Niemcy | Berlin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Niemcy | Monachium | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Grecja | Ateny | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Węgry | Budapeszt | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Irlandia | Dublin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Włochy | Rzym | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Włochy | Mediolan | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japonia | Tokio | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Republika Korei | Seul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luksemburg | Luksemburg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Holandia | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Nowa Zelandia | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norwegia | Osło | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugalia | Lizbona | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Hiszpania | Madryt | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Hiszpania | Sewilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Szwecja | Sztokholm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Szwajcaria | Berno | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
indyk | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Zjednoczone Królestwo | Londyn | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Zjednoczone Królestwo | Edynburg | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Stany Zjednoczone | Waszyngton | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Wnioski
Krzemowe panele fotowoltaiczne mają niewielki wpływ na środowisko w porównaniu z większością konwencjonalnych form energii, takich jak węgiel i gaz ziemny. Największe emisje węgla spowodowane użyciem paneli fotowoltaicznych to te związane z produkcją modułów. Czasy zwrotu energii (EPBT) wahają się od 3 do 6 lat dla różnych klimatów słonecznych na całym świecie. Ogólnie rzecz biorąc, krzemowe panele fotowoltaiczne zwracają wymagane wstępne koszty energii produkcji na długo przed ich użytecznym okresem użytkowania i stanowią generatory energii netto przez większą część okresu ich użytkowania.
Bibliografia
1 J. Pearce i A. Lau,&„Analiza energii netto w celu zrównoważonej produkcji energii z ogniw słonecznych na bazie krzemu GG”, Postępowanie American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, redaktor R. Cambell -Jak 2002.pdf
4 Luque, A. i S. Hegedus (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A., i VU Hoffmann (2005), Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, New York, NY.
6 Ocena cyklu życia wytwarzania energii fotowoltaicznej, A. Stoppato, energia, tom 33, numer 2, luty 2 008, strony 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), Badanie porównawcze dotyczące analizy kosztów i cyklu życia dla 100 Systemy MW na bardzo dużą skalę (VLS-PV) na pustyniach z wykorzystaniem modułów m-Si, a-Si, CdTe i CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), Badanie porównawcze dotyczące analizy kosztów i cyklu życia dla 100 Systemy MW na bardzo dużą skalę (VLS-PV) na pustyniach z wykorzystaniem modułów m-Si, a-Si, CdTe i CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
9 Fthenakis, V., Kim, H. i E. Alsema (2008), Emisje z fotowoltaicznych cykli życia. Environmental Science Technology, 42, 2168–2174.
