Εικόνα 1: Φωτοβολταϊκές μονάδες πυριτίου
Οι εναλλακτικές τεχνολογίες ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία (Εικόνα 1) γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς σε όλο τον κόσμο. Το 2008, για πρώτη φορά, οι παγκόσμιες επενδύσεις σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας προσέλκυσαν περισσότερους επενδυτές από τα ορυκτά καύσιμα, συμψηφίζοντας 155 δισεκατομμύρια δολάρια σε καθαρό κεφάλαιο έναντι 110 δισεκατομμυρίων δολαρίων νέων επενδύσεων σε πετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακα. Μόνο η ηλιακή ενέργεια παρήγαγε 6,5 δισεκατομμύρια δολάρια σε παγκόσμια έσοδα το 2004 και αναμένεται σχεδόν να τριπλασιαστεί με προβλεπόμενα έσοδα 18,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων για το 2010.
Οι εναλλακτικές τεχνολογίες ενέργειας γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς σε όλο τον κόσμο λόγω της μεγαλύτερης ευαισθητοποίησης και των ανησυχιών σχετικά με τη ρύπανση και την παγκόσμια κλιματική αλλαγή . Οι τεχνολογίες εναλλακτικής ενέργειας προσφέρουν μια νέα επιλογή για την απόκτηση χρήσιμης ενέργειας από πηγές που έχουν μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο στον πλανήτη. Πόσο λιγότερο όμως;
Μια προηγούμενη δημοσιευμένη ανασκόπηση της ανάλυσης καθαρής ενέργειας των φωτοβολταϊκών με βάση το πυρίτιο [1] διαπίστωσε ότι όλοι οι τύποι φωτοβολταϊκών που βασίζονται σε πυρίτιο (άμορφο, πολυκρυσταλλικό και μονοκρύσταλλο) παρήγαγαν πολύ περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια της ζωής τους από ό,τι χρησιμοποιείται στην παραγωγή τους. Όλα τα σύγχρονα φωτοβολταϊκά πυριτίου πληρώνονται από άποψη ενέργειας σε λιγότερο από 5 χρόνια - ακόμη και σε εξαιρετικά μη βέλτιστα σενάρια ανάπτυξης.
Αυτό το άρθρο διερευνά όλες τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την παραγωγή και τη χρήση φωτοβολταϊκών (PV) πάνελ πυριτίου.
Περιεχόμενα
Τι είναι η Αξιολόγηση Κύκλου Ζωής (LCA);
Η Αξιολόγηση Κύκλου Ζωής (LCA) αξιολογεί τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις ενός προϊόντος ή μιας διαδικασίας από την παραγωγή έως τη διάθεση. [2] Μια ΑΚΖ ερευνά τις εισροές υλικών και ενέργειας που απαιτούνται για την παραγωγή και τη χρήση ενός προϊόντος, τις εκπομπές που σχετίζονται με τη χρήση του και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της απόρριψης ή της ανακύκλωσης. Η ΑΚΖ μπορεί επίσης να διερευνήσει το εξωτερικό κόστος, όπως ο μετριασμός του περιβάλλοντος, που καθίσταται απαραίτητο από την παραγωγή ή τη χρήση ενός προϊόντος. [3]
Εκτίμηση κύκλου ζωής φωτοβολταϊκών πάνελ πυριτίου
Η ακόλουθη ενότητα περιέχει μια σύντομη ανάλυση κύκλου ζωής των φωτοβολταϊκών πάνελ πυριτίου. Οι παράγοντες κύκλου ζωής που συζητήθηκαν περιλαμβάνουν: την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή, τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα του κύκλου ζωής και όλες τις εκπομπές ρύπανσης που παράγονται σε όλη τη διάρκεια ζωής ενός φωτοβολταϊκού πάνελ από: μεταφορά, εγκατάσταση, λειτουργία και απόρριψη.
Ενεργειακές απαιτήσεις για την παραγωγή
Manufacturing photovoltaics is overwhelmingly the most energy intensive step of installed PV modules. As seen in Figure 2, large amounts of energy are used to convert silica sand into the high purity silicon required for photovoltaic wafers. The assembling of the PV modules is another resource intensive step with the addition of high energy content aluminum framing and glass roofing.
Figure 2: Energy requirements of production stages in the manufacturing of PV panels as percentages of the Gross Energy Requirement (GER) of 1494 MJ/panel (~ 0.65m2 surface).[4]The environmental impact of a silicon photovoltaic module involves the production of three main components: the frame, the module, and balance-of-system components such as the rack and inverter.[3] Greenhouse gases are caused mostly by module production (81%), followed by the balance of system (12%) and frame (7%)[3]). Resource requirements of the production cycle are summarized in Figure 3.
Figure 3: The production cycle and required resources of a silicon module.[4]Lifecycle carbon dioxide emissions
Lifecycle carbon dioxide emissions refer to the emissions caused by the production, transportation, or installation of materials related to photovoltaic systems. In addition to the modules themselves, the typical installation includes electrical cable and a metal rack. Ground-mounted photovoltaic systems also include a concrete foundation. Remote installations may require additional infrastructure for transmission of electricity to the local electrical grid. In addition to materials, a life cycle analysis should include carbon dioxide emitted from vehicles during the transportation of photovoltaic modules between the factory, the warehouse, and the installation site. Figure 4 compares the relative contributions of these factors to the lifetime carbon dioxide impacts of five types of photovoltaic modules.[5]
Figure 4: Lifetime carbon dioxide emissions for large-scale photovoltaic installations, categorized according to component. This graph compares typical monocrystalline silicon modules (m-Si(a)), high-efficiency monocrystalline silicon (m-Si(b)), cadmium tellurium (CdTe), and copper indium selenium (CIS) modules. Graph by authors, based on.[5]Transportation emissions
Transportation accounts for about 9% of lifecycle emissions of photovoltaics.[5] Photovoltaic modules, racks, and balance-of-system hardware (such as cables, connectors, and mounting brackets) are frequently produced overseas and transported to the United States by ship.[6]Within the United States, these components are transported by truck to distribution centers and eventually to the installation site.
Installation emissions
Οι εκπομπές που σχετίζονται με την εγκατάσταση περιλαμβάνουν εκπομπές οχημάτων, κατανάλωση υλικών και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που σχετίζονται με τοπικές κατασκευαστικές δραστηριότητες για την εγκατάσταση του συστήματος. Αυτές οι δραστηριότητες παράγουν λιγότερο από το 1% των συνολικών εκπομπών του κύκλου ζωής του φωτοβολταϊκού συστήματος. [6]
Εκπομπές λειτουργίας
Δεν παράγονται εκπομπές αέρα ή νερού κατά τη χρήση των φωτοβολταϊκών μονάδων. Τα αεροδρόμια επηρεάζονται κατά την κατασκευή φωτοβολταϊκών μονάδων από εκπομπές διαλυτών και αλκοόλης που συμβάλλουν στον φωτοχημικό σχηματισμό όζοντος. Οι λεκάνες απορροής επηρεάζονται από την κατασκευή μονάδων από εξόρυξη φυσικών πόρων όπως χαλαζία, καρβίδιο του πυριτίου, γυαλί και αλουμίνιο. Συνολικά, η αντικατάσταση της τρέχουσας παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας του δικτύου με κεντρικά φωτοβολταϊκά συστήματα θα οδηγήσει σε μειώσεις κατά 89-98% στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, στους ρύπους με κριτήρια, στα βαρέα μέταλλα και στα ραδιενεργά είδη. [7]
Εκπομπές απόρριψης
Η απόρριψη φωτοβολταϊκών μονάδων πυριτίου δεν έχει προκαλέσει σημαντικές επιπτώσεις, επειδή οι εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιούνται μόνο από τα μέσα της δεκαετίας του 1980 και οι φωτοβολταϊκές μονάδες έχουν διάρκεια ζωής τουλάχιστον 30 ετών. [8] Φθενάκης κ.ά. (2005) [2] εντόπισε συγκεκριμένα την έλλειψη διαθέσιμων δεδομένων σχετικά με την απόρριψη ή την ανακύκλωση φωτοβολταϊκών μονάδων, επομένως αυτό το θέμα απαιτεί πιο ενδελεχή έρευνα.
LCA φωτοβολταϊκών σε σύγκριση με άλλες πηγές ενέργειας
Οι συνολικές εκπομπές του κύκλου ζωής που σχετίζονται με την παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας είναι ελαφρώς υψηλότερες (από το 2006, έχει μειωθεί σημαντικά τώρα) από εκείνες της πυρηνικής ενέργειας αλλά χαμηλότερες από εκείνες της παραγωγής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα. Οι εκπομπές αερίων θερμοκηπίου κύκλου ζωής από διάφορες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας παρατίθενται παρακάτω: [3]
- Φ/Β πυριτίου: 45 g/kWh
- Άνθρακας: 900 g/kWh
- Φυσικό αέριο: 400-439 g/kWh
- Πυρηνικά: 20-40 g/kWh
Κατά τη διάρκεια της ζωής τους 20-30 ετών, οι ηλιακές μονάδες παράγουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από αυτή που καταναλώθηκε κατά την παραγωγή τους. Ο χρόνος απόσβεσης ενέργειας ποσοτικοποιεί την ελάχιστη ωφέλιμη ζωή που απαιτείται για μια ηλιακή μονάδα να παράγει την ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή της μονάδας. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, ο μέσος χρόνος απόσβεσης ενέργειας είναι 3-6 χρόνια.
| Χώρα | Πόλη | Ηλιακή ακτινοβολία (kWh/m2) | Γεωγραφικό πλάτος | Υψόμετρο (m) | Ετήσια παραγωγή (kWh/kWp) | EPBT | ERF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Αυστραλία | Σίδνεϊ | 1614 | 33,55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
| Αυστρία | Βιέννη | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| Βέλγιο | Βρυξέλλες | 946 | 50,5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
| Καναδάς | Οττάβα | 1377 | 45,25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
| Τσεχική Δημοκρατία | Πράγα | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
| Δανία | Κοπεγχάγη | 985 | 55,75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
| Φινλανδία | Χέλσινκι | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
| Γαλλία | Παρίσι | 1057 | 48,52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
| Γαλλία | Μασσαλία | 1540 | 43,18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
| Γερμανία | Βερολίνο | 999 | 52,32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
| Γερμανία | Μόναχο | 1143 | 48,21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
| Ελλάδα | Αθήνα | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| Ουγγαρία | Βουδαπέστη | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
| Ιρλανδία | Δουβλίνο | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Ιταλία | Ρώμη | 1552 | 41,53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
| Ιταλία | Μιλάνο | 1251 | 45,28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
| Ιαπωνία | Τόκιο | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
| Δημοκρατία της Κορέας | Σεούλ | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
| Λουξεμβούργο | Λουξεμβούργο | 1035 | 49,62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
| Ολλανδία | Άμστερνταμ | 1045 | 52,21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
| Νέα Ζηλανδία | Ουέλινγκτον | 1412 | 41,17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
| Νορβηγία | Άσλο | 967 | 59,56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
| Πορτογαλία | Λισαβόνα | 1682 | 35,44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
| Ισπανία | Μαδρίτη | 1660 | 40,25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
| Ισπανία | Σεβίλλη | 1754 | 37,24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
| Σουηδία | Στοκχόλμη | 980 | 59,21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
| Ελβετία | Βέρνη | 1117 | 46,57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Τουρκία | Άγκυρα | 1697 | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
| Ηνωμένο Βασίλειο | Λονδίνο | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
| Ηνωμένο Βασίλειο | Εδιμβούργο | 890 | 55,57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| Ηνωμένες Πολιτείες | Βάσιγκτων | 1487 | 38,52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Παραδείγματα
βιβλιογραφικές αναφορές
- ↑ J. Pearce and A. Lau, "Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells", Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, εκδότης R. Cambell-Howe, 2002. pdf
- ↑Μετάβαση σε:2.0 2.1 Fthenakis, VM, EA Alsema, and MJ de Wild-Scholten (2005), Αξιολόγηση κύκλου ζωής φωτοβολταϊκών: Αντιλήψεις, ανάγκες και προκλήσεις, Συνέδριο ειδικών φωτοβολταϊκών IEEE, Ορλάντο, Φλόριντα.
- ↑Μετάβαση σε:3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V., and E. Alsema (2006), Χρόνοι απόσβεσης ενέργειας φωτοβολταϊκών, εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και εξωτερικό κόστος: κατάσταση 2004-αρχές 2005, Progress in Photovoltaics, 14, 275-280.
- ↑Μετάβαση σε:4.0 4.1 4.2 Αξιολόγηση κύκλου ζωής φωτοβολταϊκής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, A. Stoppato, Energy, Τόμος 33, Τεύχος 2, Φεβρουάριος 2008, Σελίδες 224-232
- ↑Μετάβαση σε:5.0 5.1 5.2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, and K. Kurokawa (2007), Συγκριτική μελέτη για την ανάλυση κόστους και κύκλου ζωής για 100 MW πολύ μεγάλης κλίμακας Φ/Β (VLS-PV ) συστήματα σε ερήμους που χρησιμοποιούν μονάδες m-Si, a-Si, CdTe και CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑Μετάβαση σε:6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, and K. Kurokawa (2007), Συγκριτική μελέτη για την ανάλυση κόστους και κύκλου ζωής για 100 MW πολύ μεγάλης κλίμακας Φ/Β (VLS-PV) συστήματα σε ερήμους που χρησιμοποιούν μονάδες m-Si, a-Si, CdTe και CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H., and E. Alsema (2008), Emissions from Photovoltaics Life Cycles. Environmental Science Technology, 42, 2168-2174.
- ↑ Luque, A., and S. Hegedus (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, Hoboken, NJ.