Le tecnologie energetiche alternative come i moduli fotovoltaici (Figura 1) stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo. Nel 2008, per la prima volta, gli investimenti mondiali in fonti energetiche alternative hanno attirato più investitori rispetto ai combustibili fossili, fruttando 155 miliardi di dollari di capitale netto a fronte di 110 miliardi di dollari di nuovi investimenti in petrolio, gas naturale e carbone. L’energia solare da sola ha generato entrate mondiali per 6,5 miliardi di dollari nel 2004, e si prevede che quasi triplicherà tale cifra con un fatturato previsto di 18,5 miliardi di dollari per il 2010.
Le tecnologie energetiche alternative stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo a causa della maggiore consapevolezza e preoccupazione riguardo all’inquinamento e al cambiamento climatico globale . Le tecnologie energetiche alternative offrono una nuova opzione per ottenere energia utile da fonti che hanno un minore impatto ambientale sul pianeta. Ma quanto di meno?
Una precedente revisione pubblicata sull’analisi energetica netta del fotovoltaico a base di silicio [1] ha rilevato che tutti i tipi di fotovoltaico a base di silicio (amorfo, policristallino e monocristallo) hanno generato molta più energia nel corso della loro vita rispetto a quella utilizzata nella loro produzione. Tutti i moderni impianti fotovoltaici in silicio si ammortizzano in termini di energia in meno di 5 anni, anche in scenari di implementazione altamente subottimali.
Questo articolo esplora tutti gli impatti ambientali associati alla produzione e all'utilizzo durante tutta la vita dei pannelli fotovoltaici (FV) in silicio.
Contenuti
Che cos'è la valutazione del ciclo di vita (LCA)?
Una valutazione del ciclo di vita (LCA) valuta gli impatti ambientali di un prodotto o processo dalla produzione allo smaltimento. [2] Una LCA indaga gli input di materiali ed energia necessari per produrre e utilizzare un prodotto, le emissioni associate al suo utilizzo e gli impatti ambientali dello smaltimento o del riciclaggio. L'LCA può anche indagare sui costi esterni, come la mitigazione ambientale, resi necessari dalla produzione o dall'utilizzo di un prodotto. [3]
Valutazione del ciclo di vita dei pannelli fotovoltaici in silicio
La sezione seguente contiene una breve analisi del ciclo di vita dei pannelli fotovoltaici in silicio. I fattori del ciclo di vita discussi includono: l'energia richiesta per la produzione, le emissioni di anidride carbonica del ciclo di vita e tutte le emissioni inquinanti generate durante la vita utile di un pannello fotovoltaico da: trasporto, installazione, funzionamento e smaltimento.
Fabbisogno energetico per la produzione
La produzione di impianti fotovoltaici è in gran parte la fase a maggior consumo energetico dei moduli fotovoltaici installati. Come mostrato nella Figura 2, vengono utilizzate grandi quantità di energia per convertire la sabbia silicea nel silicio ad elevata purezza richiesto per i wafer fotovoltaici. L'assemblaggio dei moduli fotovoltaici è un'altra fase ad alto impiego di risorse con l'aggiunta di strutture in alluminio ad alto contenuto energetico e coperture in vetro.
L'impatto ambientale di un modulo fotovoltaico in silicio coinvolge la produzione di tre componenti principali: il telaio, il modulo e i componenti di equilibrio del sistema come il rack e l'inverter. [3] I gas serra sono causati principalmente dalla produzione di moduli (81%), seguita dal bilancio tra sistema (12%) e telaio (7%) [3] ). I requisiti di risorse del ciclo produttivo sono riepilogati nella Figura 3.
Emissioni di anidride carbonica nel ciclo di vita
Le emissioni di anidride carbonica nel ciclo di vita si riferiscono alle emissioni causate dalla produzione, trasporto o installazione di materiali relativi ai sistemi fotovoltaici. Oltre ai moduli stessi, l'installazione tipica comprende cavo elettrico e rack metallico. Gli impianti fotovoltaici a terra prevedono anche una fondazione in cemento. Le installazioni remote possono richiedere infrastrutture aggiuntive per la trasmissione dell'elettricità alla rete elettrica locale. Oltre ai materiali, un'analisi del ciclo di vita dovrebbe includere l'anidride carbonica emessa dai veicoli durante il trasporto dei moduli fotovoltaici tra la fabbrica, il magazzino e il luogo di installazione. La Figura 4 confronta i contributi relativi di questi fattori agli impatti dell'anidride carbonica nel corso della vita di cinque tipi di moduli fotovoltaici. [5]
Emissioni dei trasporti
I trasporti rappresentano circa il 9% delle emissioni del ciclo di vita del fotovoltaico. [5] I moduli fotovoltaici, i rack e l'hardware di bilanciamento del sistema (come cavi, connettori e staffe di montaggio) vengono spesso prodotti all'estero e trasportati negli Stati Uniti via nave. [6] Negli Stati Uniti, questi componenti vengono trasportati tramite camion ai centri di distribuzione ed infine al luogo di installazione.
Emissioni degli impianti
Le emissioni associate all'installazione includono le emissioni dei veicoli, il consumo di materiali e il consumo di elettricità associati alle attività di costruzione locali per installare il sistema. Queste attività generano meno dell'1% delle emissioni totali del ciclo di vita dell'impianto fotovoltaico. [6]
Emissioni operative
Non si generano emissioni nell'aria o nell'acqua durante l'utilizzo dei moduli fotovoltaici. Durante la costruzione dei moduli fotovoltaici gli airshed vengono influenzati dalle emissioni di solventi e alcol che contribuiscono alla formazione di ozono fotochimico. I bacini idrografici sono influenzati dalla costruzione di moduli derivanti dall'estrazione di risorse naturali come quarzo, carburo di silicio, vetro e alluminio. Nel complesso, la sostituzione dell’attuale rete elettrica mondiale con sistemi fotovoltaici centrali porterebbe a riduzioni dell’89-98% delle emissioni di gas serra, degli inquinanti essenziali, dei metalli pesanti e delle specie radioattive. [7]
Emissioni di smaltimento
Lo smaltimento dei moduli fotovoltaici in silicio non ha causato impatti significativi perché le installazioni su larga scala sono in uso solo dalla metà degli anni '80 e i moduli fotovoltaici hanno una durata di vita di almeno 30 anni. [8] Fthenakis et al. (2005) [2] hanno specificamente identificato una mancanza di dati disponibili sullo smaltimento o sul riciclaggio dei moduli fotovoltaici, quindi questo argomento merita un'indagine più approfondita.
LCA del fotovoltaico rispetto ad altre fonti energetiche
Le emissioni totali del ciclo di vita associate alla produzione di energia fotovoltaica sono leggermente più elevate (a partire dal 2006, ora sono notevolmente diminuite) rispetto a quelle dell’energia nucleare, ma inferiori a quelle della produzione di energia da combustibili fossili. Le emissioni di gas serra nel ciclo di vita di diverse tecnologie di generazione di energia sono elencate di seguito: [3]
- Silicio FV: 45 g/kWh
- Carbone: 900 g/kWh
- Gas naturale: 400-439 g/kWh
- Nucleare: 20-40 g/kWh
Nel corso della loro vita di 20-30 anni, i moduli solari generano più elettricità di quella consumata durante la loro produzione. Il tempo di recupero energetico quantifica la vita utile minima richiesta affinché un modulo solare generi l'energia utilizzata per produrre il modulo. Come mostrato nella Tabella 1, il tempo medio di recupero energetico è di 3-6 anni.
| Paese | Città | Radiazione solare (kWh/m2) | Latitudine | Altitudine (m) | Produzione annua (kWh/kWp) | EPBT | FER |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Australia | Sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
| Austria | Vienna | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| Belgio | Bruxelles | 946 | 50,5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
| Canada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
| Repubblica Ceca | Praga | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
| Danimarca | Copenaghen | 985 | 55,75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
| Finlandia | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
| Francia | Parigi | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
| Francia | Marsiglia | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
| Germania | Berlino | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
| Germania | Monaco | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
| Grecia | Atene | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| Ungheria | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
| Irlanda | Dublino | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Italia | Roma | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
| Italia | Milano | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
| Giappone | Tokio | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
| Repubblica di Corea | Seul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
| Lussemburgo | Lussemburgo | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
| Paesi Bassi | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
| Nuova Zelanda | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
| Norvegia | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
| Portogallo | Lisbona | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
| Spagna | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
| Spagna | Siviglia | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
| Svezia | Stoccolma | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
| Svizzera | Berna | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Tacchino | Ankara | 1697 | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
| Regno Unito | Londra | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
| Regno Unito | Edimburgo | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| stati Uniti | Washington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Esempi
Riferimenti
- ^ J. Pearce e A. Lau, "Analisi dell'energia netta per la produzione di energia sostenibile da celle solari a base di silicio", Atti dell'American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editore R. Cambell-Howe, 2002. PDF
- ↑ Salta a:2.0 2.1 Fthenakis, VM, EA Alsema e MJ de Wild-Scholten (2005), Valutazione del ciclo di vita del fotovoltaico: percezioni, bisogni e sfide, IEEE Photovoltaics Specialists Conference, Orlando, Florida.
- ↑ Salta a:3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V. e E. Alsema (2006), Tempi di ammortamento dell'energia fotovoltaica, emissioni di gas serra e costi esterni: stato 2004-inizio 2005, Progress in Photovoltaics, 14, 275-280.
- ↑ Salta a:4.0 4.1 4.2 Valutazione del ciclo di vita della produzione di energia elettrica da fotovoltaico, A. Stoppato, Energia, Volume 33, Numero 2, Febbraio 2008, Pagine 224-232
- ↑ Salta a:5.0 5.1 5.2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi e K. Kurokawa (2007), Uno studio comparativo sull'analisi dei costi e del ciclo di vita per 100 MW very large-scale PV (VLS- PV) nei deserti utilizzando moduli m-Si, a-Si, CdTe e CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑ Salta a:6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi e K. Kurokawa (2007), Uno studio comparativo sull'analisi dei costi e del ciclo di vita per 100 MW very large-scale PV (VLS-PV ) sistemi nei deserti che utilizzano moduli m-Si, a-Si, CdTe e CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H. e E. Alsema (2008), Emissioni provenienti dai cicli di vita del fotovoltaico. Tecnologia delle scienze ambientali, 42, 2168-2174.
- ^ Luque, A. e S. Hegedus (2003), Manuale di scienza e ingegneria fotovoltaica, Wiley, Hoboken, NJ.