Rysunek 1: Silikonowe moduły fotowoltaiczne
Alternatywne technologie energetyczne, takie jak moduły fotowoltaiczne (rys. 1), cieszą się coraz większą popularnością na całym świecie. W 2008 r. po raz pierwszy światowe inwestycje w alternatywne źródła energii przyciągnęły więcej inwestorów niż paliwa kopalne, generując kapitał netto o wartości 155 miliardów dolarów w porównaniu z nowymi inwestycjami w ropę naftową, gaz ziemny i węgiel o wartości 110 miliardów dolarów. Sama energia słoneczna wygenerowała w 2004 r. światowy dochód w wysokości 6,5 miliarda dolarów, a oczekuje się, że będzie on prawie trzykrotnie większy przy przewidywanych dochodach na rok 2010 na poziomie 18,5 miliarda dolarów.
Technologie energii alternatywnych stają się coraz bardziej popularne na całym świecie ze względu na większą świadomość i obawy dotyczące zanieczyszczeń i globalnych zmian klimatycznych . Alternatywne technologie energetyczne oferują nową możliwość pozyskiwania użytecznej energii ze źródeł, które mają mniejszy wpływ na środowisko na planecie. Ale o ile mniej?
W poprzednim opublikowanym przeglądzie analizy energii netto fotowoltaiki na bazie krzemu [1] stwierdzono, że wszystkie typy fotowoltaiki na bazie krzemu (amorficzne, polikrystaliczne i monokrystaliczne) wytwarzają w ciągu swojego życia znacznie więcej energii, niż zużywa się do ich produkcji. Wszystkie nowoczesne krzemowe fotowoltaiki zwracają się pod względem energii w czasie krótszym niż 5 lat – nawet w bardzo nieoptymalnych scenariuszach wdrożenia.
W tym artykule zbadano wszystkie skutki dla środowiska związane z produkcją i użytkowaniem krzemowych paneli fotowoltaicznych (PV) przez cały okres ich użytkowania.
Zawartość
Co to jest ocena cyklu życia (LCA)?
Ocena cyklu życia (LCA) ocenia wpływ produktu lub procesu na środowisko od produkcji do utylizacji. [2] LCA bada nakłady materiałów i energii wymagane do wytworzenia i wykorzystania produktu, emisję związaną z jego użytkowaniem oraz wpływ utylizacji lub recyklingu na środowisko. LCA może również zbadać koszty zewnętrzne, takie jak łagodzenie skutków dla środowiska, które są niezbędne w wyniku produkcji lub stosowania produktu. [3]
Ocena cyklu życia krzemowych paneli fotowoltaicznych
Poniższa sekcja zawiera krótką analizę cyklu życia krzemowych paneli fotowoltaicznych. Omawiane czynniki cyklu życia obejmują: energię wymaganą do produkcji, emisję dwutlenku węgla w cyklu życia oraz wszystkie emisje zanieczyszczeń generowane w okresie użytkowania paneli fotowoltaicznych z: transportu, instalacji, eksploatacji i utylizacji.
Zapotrzebowanie energetyczne produkcji
Produkcja fotowoltaiki jest w przeważającej mierze najbardziej energochłonnym etapem instalowanych modułów fotowoltaicznych. Jak widać na rysunku 2, do przekształcenia piasku krzemionkowego w krzem o wysokiej czystości wymagany do produkcji płytek fotowoltaicznych zużywa się duże ilości energii. Montaż modułów fotowoltaicznych to kolejny etap wymagający dużych zasobów, obejmujący dodanie aluminiowej ramy o wysokiej zawartości energii i szklanego dachu.
Rysunek 2: Zapotrzebowanie na energię na etapach produkcji paneli fotowoltaicznych jako procent zapotrzebowania na energię brutto (GER) wynoszącego 1494 MJ/panel (powierzchnia ~ 0,65 m2). [4]Wpływ krzemowego modułu fotowoltaicznego na środowisko obejmuje produkcję trzech głównych komponentów: ramy, modułu i elementów równoważących system, takich jak szafa i falownik. [3] Gazy cieplarniane powstają głównie w wyniku produkcji modułów (81%), a następnie w pozostałej części systemu (12%) i ramy (7%) [3] ). Wymagania dotyczące zasobów cyklu produkcyjnego podsumowano na rysunku 3.
Rysunek 3: Cykl produkcyjny i wymagane zasoby modułu krzemowego. [4]Emisje dwutlenku węgla w cyklu życia
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 obejmują również betonowy fundament. Instalacje oddalone mogą wymagać dodatkowej infrastruktury do przesyłu energii elektrycznej do lokalnej sieci elektrycznej. Oprócz materiałów analiza cyklu życia powinna uwzględniać dwutlenek węgla emitowany przez pojazdy podczas transportu modułów fotowoltaicznych pomiędzy fabryką, magazynem i miejscem instalacji. Rysunek 4 porównuje względny udział tych czynników w wpływie dwutlenku węgla w całym okresie użytkowania pięciu typów modułów fotowoltaicznych. [5]
Rysunek 4: Emisje dwutlenku węgla w całym cyklu życia z wielkoskalowych instalacji fotowoltaicznych, w podziale na komponenty. Ten wykres porównuje typowe moduły z krzemu monokrystalicznego (m-Si(a)), wysokowydajne moduły z krzemu monokrystalicznego (m-Si(b)), telluru kadmowego (CdTe) i modułów miedziowo-indowo-selenowych (CIS). Wykres autorstwa autorów na podstawie. [5]Emisje z transportu
Transport odpowiada za około 9% emisji fotowoltaiki w całym cyklu życia. [5] Moduły fotowoltaiczne, stojaki i sprzęt zapewniający równowagę systemu (taki jak kable, złącza i wsporniki montażowe) są często produkowane za granicą i transportowane statkiem do Stanów Zjednoczonych. [6] Na terenie Stanów Zjednoczonych komponenty te są transportowane ciężarówkami do centrów dystrybucyjnych i ostatecznie do miejsca instalacji.
Emisje instalacji
Emisje związane z instalacją obejmują emisję pojazdów, zużycie materiałów i zużycie energii elektrycznej związane z lokalnymi pracami budowlanymi związanymi z instalacją systemu. Działania te generują mniej niż 1% całkowitych emisji w całym cyklu życia systemu fotowoltaicznego. [6]
Emisje operacyjne
Podczas użytkowania modułów fotowoltaicznych nie powstają żadne emisje do powietrza ani wody. Podczas budowy modułów fotowoltaicznych wpływ na przegrody powietrzne mają emisje rozpuszczalników i alkoholu, które przyczyniają się do fotochemicznego tworzenia się ozonu. Na zlewnie wpływa budowa modułów pochodzących z wydobycia zasobów naturalnych, takich jak kwarc, węglik krzemu, szkło i aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, zastąpienie obecnej światowej sieci energetycznej centralnymi systemami fotowoltaicznymi doprowadziłoby do redukcji emisji gazów cieplarnianych, substancji zanieczyszczających, metali ciężkich i substancji radioaktywnych o 89–98%. [7]
Emisje utylizacyjne
Utylizacja krzemowych modułów fotowoltaicznych nie spowodowała znaczących skutków, ponieważ wielkoskalowe instalacje są stosowane dopiero od połowy lat 80. XX wieku, a żywotność modułów fotowoltaicznych wynosi co najmniej 30 lat. [8] Fthenakis i in. (2005) [2] wyraźnie zidentyfikowali brak dostępnych danych na temat utylizacji lub recyklingu modułów fotowoltaicznych, dlatego temat ten wymaga dokładniejszego zbadania.
LCA fotowoltaiki na tle innych źródeł energii
Całkowite emisje w cyklu życia związane z produkcją energii fotowoltaicznej są nieco wyższe (od 2006 r. obecnie znacznie się obniżyły) niż emisje generowane przez energię jądrową, ale niższe niż emisje powstające w przypadku wytwarzania energii z paliw kopalnych. Poniżej wymieniono emisje gazów cieplarnianych w cyklu życia kilku technologii wytwarzania energii: [3]
- Krzem PV: 45 g/kWh
- Węgiel: 900 g/kWh
- Gaz ziemny: 400-439 g/kWh
- Energia jądrowa: 20–40 g/kWh
W ciągu 20-30 lat życia moduły fotowoltaiczne wytwarzają więcej energii elektrycznej, niż zużyto podczas ich produkcji. Czas zwrotu energii określa minimalny okres użytkowania wymagany, aby moduł fotowoltaiczny wygenerował energię zużytą do jego wytworzenia. Jak pokazano w Tabeli 1, średni czas zwrotu energii wynosi 3-6 lat.
| Kraj | Miasto | Promieniowanie słoneczne (kWh/m2) | Szerokość | Wysokość (m) | Produkcja roczna (kWh/kWp) | EPBT | ERF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Przykłady
Bibliografia
- ↑ J. Pearce i A. Lau, „Analiza energii netto dla zrównoważonej produkcji energii z ogniw słonecznych opartych na krzemie”, Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, wyd. R. Cambell-Howe, 2002. pdf
- ↑Skocz do:2.0 2.1 Fthenakis, VM, EA Alsema i MJ de Wild-Scholten (2005), Ocena cyklu życia fotowoltaiki: Percepcje, potrzeby i wyzwania, Konferencja specjalistów w dziedzinie fotowoltaiki IEEE, Orlando na Florydzie.
- ↑Skocz do:3,0 3,1 3,2 3,3 Fthenakis, V. i E. Alsema (2006), Czas zwrotu energii fotowoltaicznej, emisje gazów cieplarnianych i koszty zewnętrzne: stan 2004-początek 2005 r., Progress in Photovoltaics, 14, 275-280.
- ↑Skocz do:4.0 4.1 4.2 Ocena cyklu życia fotowoltaicznej generacji energii elektrycznej, A. Stoppato, Energy, tom 33, wydanie 2, luty 2008, strony 224-232
- ↑Skocz do:5,0 5,1 5,2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), A porównawcze badanie dotyczące analizy kosztów i cyklu życia dla 100 MW bardzo dużej skali PV (VLS-PV ) systemy na pustyniach wykorzystujące moduły m-Si, a-Si, CdTe i CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑Skocz do:6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), Studium porównawcze dotyczące analizy kosztów i cyklu życia dla bardzo dużej skali PV o mocy 100 MW (VLS-PV) systemy na pustyniach wykorzystujące moduły m-Si, a-Si, CdTe i CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H. i E. Alsema (2008), Emisje z cyklów życia fotowoltaiki. Technologia nauk o środowisku, 42, 2168-2174.
- ↑ Luque, A. i S. Hegedus (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, Hoboken, NJ.