Các công nghệ năng lượng thay thế như mô-đun quang điện (Hình 1) đang trở nên phổ biến hơn trên thế giới. Năm 2008, lần đầu tiên các khoản đầu tư trên toàn thế giới vào các nguồn năng lượng thay thế đã thu hút nhiều nhà đầu tư hơn so với nhiên liệu hóa thạch, thu về 155 tỷ đô la vốn ròng so với 110 tỷ đô la đầu tư mới vào dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than đá. Chỉ riêng năng lượng mặt trời đã tạo ra 6,5 tỷ đô la doanh thu trên toàn thế giới trong năm 2004 và dự kiến sẽ tăng gần gấp ba lần với doanh thu dự kiến là 18,5 tỷ đô la cho năm 2010.
Các công nghệ năng lượng thay thế đang ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới do nhận thức và mối quan tâm ngày càng cao về ô nhiễm và biến đổi khí hậu toàn cầu . Các công nghệ năng lượng thay thế đưa ra một lựa chọn mới để thu được năng lượng hữu ích từ các nguồn ít gây tác động đến môi trường hơn trên hành tinh. Nhưng ít hơn bao nhiêu?
Một đánh giá được công bố trước đây về phân tích năng lượng ròng của quang điện dựa trên silicon [1] đã phát hiện ra rằng tất cả các loại PV dựa trên silicon (vô định hình, đa tinh thể và đơn tinh thể) tạo ra nhiều năng lượng hơn trong suốt vòng đời của chúng so với năng lượng được sử dụng trong quá trình sản xuất. Tất cả PV silicon hiện đại đều tự trả tiền bằng năng lượng trong vòng chưa đầy 5 năm - ngay cả trong các tình huống triển khai dưới mức tối ưu cao.
Bài viết này tìm hiểu tất cả các tác động môi trường liên quan đến việc sản xuất và sử dụng lâu dài các tấm quang điện silicon (PV).
Contents
Đánh giá Vòng đời (LCA) là gì?
Đánh giá Vòng đời (LCA) đánh giá các tác động môi trường của một sản phẩm hoặc quy trình từ sản xuất đến thải bỏ. [2] LCA điều tra nguyên liệu và năng lượng đầu vào cần thiết để sản xuất và sử dụng sản phẩm, lượng khí thải liên quan đến việc sử dụng sản phẩm và tác động môi trường của việc thải bỏ hoặc tái chế. LCA cũng có thể điều tra các chi phí bên ngoài, chẳng hạn như giảm thiểu môi trường, cần thiết cho việc sản xuất hoặc sử dụng sản phẩm. [3]
Vòng đời của tấm pin mặt trời Silicon
Phần sau đây chứa một phân tích ngắn gọn về vòng đời của các tấm pin silicon PV. Các yếu tố vòng đời được thảo luận bao gồm: năng lượng cần thiết cho sản xuất, lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời và tất cả lượng khí thải ô nhiễm được tạo ra trong suốt thời gian sử dụng hữu ích của tấm pin mặt trời từ: vận chuyển, lắp đặt, vận hành và thải bỏ.
Yêu cầu năng lượng cho sản xuất
Sản xuất quang điện là bước sử dụng nhiều năng lượng nhất trong các mô-đun PV được lắp đặt. Như đã thấy trong Hình 2, một lượng lớn năng lượng được sử dụng để chuyển đổi cát silic thành silic có độ tinh khiết cao cần thiết cho các tấm quang điện. Việc lắp ráp các mô-đun PV là một bước sử dụng nhiều tài nguyên khác với việc bổ sung khung nhôm và mái kính có hàm lượng năng lượng cao.
Tác động môi trường của mô-đun quang điện silicon liên quan đến việc sản xuất ba thành phần chính: khung, mô-đun và các thành phần cân bằng hệ thống như giá đỡ và biến tần. [3] Khí nhà kính chủ yếu do sản xuất mô-đun (81%), tiếp theo là sự cân bằng của hệ thống (12%) và khung (7%) [3] ). Yêu cầu nguồn lực của chu kỳ sản xuất được tóm tắt trong Hình 3.
Phát thải carbon dioxide trong vòng đời
Lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời đề cập đến lượng khí thải do sản xuất, vận chuyển hoặc lắp đặt các vật liệu liên quan đến hệ thống quang điện gây ra. Ngoài các mô-đun, cài đặt điển hình bao gồm cáp điện và giá đỡ kim loại. Hệ thống quang điện gắn trên mặt đất cũng bao gồm một nền bê tông. Việc lắp đặt từ xa có thể yêu cầu cơ sở hạ tầng bổ sung để truyền điện tới lưới điện địa phương. Ngoài vật liệu, phân tích vòng đời phải bao gồm carbon dioxide thải ra từ các phương tiện trong quá trình vận chuyển các mô-đun quang điện giữa nhà máy, nhà kho và địa điểm lắp đặt. Hình 4 so sánh sự đóng góp tương đối của các yếu tố này với tác động của carbon dioxide trong vòng đời của năm loại mô-đun quang điện. [5]
Khí thải giao thông
Giao thông vận tải chiếm khoảng 9% lượng khí thải trong vòng đời của quang điện. [5] Các mô-đun quang điện, giá đỡ và phần cứng cân bằng hệ thống (chẳng hạn như dây cáp, đầu nối và giá đỡ) thường được sản xuất ở nước ngoài và vận chuyển đến Hoa Kỳ bằng tàu. [6] Tại Hoa Kỳ, các bộ phận này được vận chuyển bằng xe tải đến các trung tâm phân phối và cuối cùng là đến địa điểm lắp đặt.
Phát thải cài đặt
Khí thải liên quan đến lắp đặt bao gồm khí thải xe cộ, tiêu thụ vật liệu và tiêu thụ điện liên quan đến các hoạt động xây dựng địa phương để lắp đặt hệ thống. Các hoạt động này tạo ra ít hơn 1% tổng lượng phát thải trong vòng đời của hệ thống quang điện. [6]
Phát thải hoạt động
Không có khí thải hoặc nước thải được tạo ra trong quá trình sử dụng các mô-đun PV. Airsheds bị ảnh hưởng trong quá trình xây dựng các mô-đun PV từ khí thải dung môi và cồn góp phần hình thành ôzôn quang hóa. Lưu vực sông bị ảnh hưởng bởi việc xây dựng các mô-đun từ việc khai thác tài nguyên thiên nhiên như thạch anh, cacbua silic, thủy tinh và nhôm. Nhìn chung, việc thay thế điện lưới hiện tại trên toàn thế giới bằng các hệ thống PV trung tâm sẽ giúp giảm 89-98% lượng phát thải khí nhà kính, các chất gây ô nhiễm tiêu chí, kim loại nặng và các loại phóng xạ. [7]
Xử lý khí thải
Việc loại bỏ các mô-đun quang điện silicon không gây ra tác động đáng kể vì các cài đặt quy mô lớn chỉ được sử dụng từ giữa những năm 1980 và các mô-đun quang điện có tuổi thọ ít nhất 30 năm. [8] Fthenakis et al. (2005) [2] đã xác định cụ thể việc thiếu dữ liệu sẵn có về việc xử lý hoặc tái chế các mô-đun quang điện, vì vậy chủ đề này cần được điều tra kỹ lưỡng hơn.
LCA của quang điện so với các nguồn năng lượng khác
Tổng lượng phát thải trong vòng đời liên quan đến sản xuất năng lượng quang điện cao hơn một chút (tính đến năm 2006, hiện nay con số này đã giảm đáng kể) so với năng lượng hạt nhân nhưng thấp hơn so với sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Phát thải khí nhà kính trong vòng đời của một số công nghệ sản xuất năng lượng được liệt kê dưới đây: [3]
- Silic PV: 45 g/kWh
- Than: 900 g/kWh
- Khí tự nhiên: 400-439 g/kWh
- Hạt nhân: 20-40 g/kWh
Trong vòng đời 20-30 năm của chúng, các mô-đun năng lượng mặt trời tạo ra nhiều điện hơn mức tiêu thụ trong quá trình sản xuất. Thời gian hoàn vốn năng lượng định lượng thời gian sử dụng hữu ích tối thiểu cần thiết cho mô-đun năng lượng mặt trời để tạo ra năng lượng được sử dụng để sản xuất mô-đun. Như thể hiện trong Bảng 1, thời gian hoàn vốn năng lượng trung bình là 3-6 năm.
| Quốc gia | Thị trấn | Bức xạ mặt trời (kWh/m2) | vĩ độ | Độ cao (m) | Sản lượng hàng năm (kWh/kWp) | EPBT | ERF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Châu Úc | Sydney | 1614 | 33,55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7,5 |
| Áo | Viên | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| nước Bỉ | Bruxelles | 946 | 50,5 | 77 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Canada | Ottawa | 1377 | 45,25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6,8 |
| Cộng hòa Séc | Praha | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
| Đan mạch | Cô-pen-ha-ghen | 985 | 55,75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
| Phần Lan | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
| Pháp | Paris | 1057 | 48,52 | 32 | 872 | 5,64 | 5 |
| Pháp | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7,5 |
| nước Đức | Béc-lin | 999 | 52,32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
| nước Đức | München | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5,5 |
| Hy Lạp | Athens | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| Hungary | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
| Ireland | Đu-blin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Nước Ý | la Mã | 1552 | 41,53 | 15 | 1315 | 3,74 | 7,5 |
| Nước Ý | milan | 1251 | 45,28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5,9 |
| Nhật Bản | Tokyo | 1168 | 35,4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
| Hàn Quốc | Seoul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5,7 |
| Lúc-xăm-bua | Lúc-xăm-bua | 1035 | 49,62 | 295 | 862 | 5.705 | 4,9 |
| Hà Lan | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
| New Zealand | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6,7 |
| Na Uy | oslo | 967 | 59,56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
| Bồ Đào Nha | Lisboa | 1682 | 35,44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7,9 |
| Tây ban nha | Madrid | 1660 | 40,25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7,9 |
| Tây ban nha | Sevilla | 1754 | 37,24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
| Thụy Điển | X-tốc-khôm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4,9 |
| Thụy sĩ | Bern | 1117 | 46,57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Thổ Nhĩ Kỳ | Thổ Nhĩ Kỳ | 1697 | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | số 8 |
| Vương quốc Anh | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Vương quốc Anh | Edinburg | 890 | 55,57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| Hoa Kỳ | Hoa Thịnh Đốn | 1487 | 38,52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Ví dụ
Tham khảo
- ↑ J. Pearce và A. Lau, "Phân tích năng lượng ròng để sản xuất năng lượng bền vững từ pin mặt trời dựa trên silicon", Kỷ yếu của Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ Năng lượng mặt trời 2002: Mặt trời mọc trên nền kinh tế năng lượng đáng tin cậy, biên tập viên R. Cambell-Howe, 2002. pdf
- ↑Nhảy lên:2.0 2.1 Fthenakis, VM, EA Alsema, và MJ de Wild-Scholten (2005), Đánh giá vòng đời của quang điện: Nhận thức, nhu cầu và thách thức, Hội nghị Chuyên gia Quang điện của IEEE, Orlando, Florida.
- ↑Nhảy lên:3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V., và E. Alsema (2006), Thời gian hoàn vốn năng lượng quang điện, phát thải khí nhà kính và chi phí bên ngoài: tình trạng 2004-đầu 2005, Tiến bộ trong quang điện, 14, 275-280.
- ↑Nhảy lên:4.0 4.1 4.2 Đánh giá vòng đời của quá trình phát điện quang điện, A. Stoppato, Energy, Tập 33, Số 2, Tháng 2 năm 2008, Trang 224-232
- ↑↑↑Nhảy lên:5,0 5,1 5,2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, và K. Kurokawa (2007), Một nghiên cứu so sánh về phân tích chi phí và vòng đời của điện mặt trời quy mô rất lớn 100 MW (VLS-PV ) các hệ thống trong sa mạc sử dụng các mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑Nhảy lên:6,0 6,1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, và K. Kurokawa (2007), Một nghiên cứu so sánh về chi phí và phân tích vòng đời cho 100 MW điện mặt trời quy mô rất lớn (VLS-PV) các hệ thống trong sa mạc sử dụng các mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H., và E. Alsema (2008), Phát thải từ Vòng đời Quang điện. Khoa học Công nghệ Môi trường, 42, 2168-2174.
- ↑ Luque, A., và S. Hegedus (2003), Sổ tay Khoa học và Kỹ thuật Quang điện, Wiley, Hoboken, NJ.