Данные проектаАльтернативные энергетические технологии, такие как фотоэлектрические модули (рис. 1), становятся все более популярными во всем мире. В 2008 году впервые мировые инвестиции в альтернативные источники энергии привлекли больше инвесторов, чем в ископаемое топливо: чистый капитал составил $155 млрд против $110 млрд новых инвестиций в нефть, природный газ и уголь. Только солнечная энергия принесла мировой доход в 6,5 миллиардов долларов в 2004 году и, как ожидается, почти утроит эту цифру при прогнозируемых доходах в 18,5 миллиардов долларов в 2010 году.
Альтернативные энергетические технологии становятся все более популярными во всем мире из-за растущей осведомленности и обеспокоенности по поводу загрязнения окружающей среды и глобального изменения климата . Альтернативные энергетические технологии предлагают новый вариант получения полезной энергии из источников, оказывающих меньшее воздействие на окружающую среду планеты. Но насколько меньше?
Предыдущий опубликованный обзор анализа чистой энергии фотоэлектрических элементов на основе кремния [1] показал, что все типы фотоэлектрических систем на основе кремния (аморфные, поликристаллические и монокристаллические) за время своего существования генерируют гораздо больше энергии, чем используется при их производстве. Все современные кремниевые фотоэлектрические системы окупаются с точки зрения энергопотребления менее чем за 5 лет – даже при крайне неоптимальных сценариях развертывания.
В этой статье рассматриваются все воздействия на окружающую среду, связанные с производством и использованием кремниевых фотоэлектрических (PV) панелей в течение всего срока службы.
Содержание
Что такое оценка жизненного цикла (LCA)?
Оценка жизненного цикла (LCA) оценивает воздействие продукта или процесса на окружающую среду от производства до утилизации. [2] В рамках LCA исследуются материальные и энергетические затраты, необходимые для производства и использования продукта, выбросы, связанные с его использованием, а также воздействие утилизации или переработки на окружающую среду. LCA может также исследовать внешние затраты, такие как смягчение воздействия на окружающую среду, которые необходимы в связи с производством или использованием продукта. [3]
Оценка жизненного цикла кремниевой фотоэлектрической панели
В следующем разделе содержится краткий анализ жизненного цикла кремниевых фотоэлектрических панелей. Обсуждаемые факторы жизненного цикла включают в себя: энергию, необходимую для производства, выбросы углекислого газа в течение жизненного цикла и все выбросы загрязняющих веществ, образующиеся в течение срока службы фотоэлектрических панелей в результате: транспортировки, установки, эксплуатации и утилизации.
Энергетические потребности для производства
Производство фотоэлектрических модулей в подавляющем большинстве случаев является наиболее энергоемким этапом установки фотоэлектрических модулей. Как видно на рисунке 2, большое количество энергии используется для преобразования кварцевого песка в кремний высокой чистоты, необходимый для фотоэлектрических пластин. Сборка фотоэлектрических модулей — еще один ресурсоемкий этап, требующий добавления алюминиевого каркаса с высоким содержанием энергии и стеклянной крыши.
Воздействие кремниевого фотоэлектрического модуля на окружающую среду предполагает производство трех основных компонентов: каркаса, модуля и компонентов баланса системы, таких как стойка и инвертор. [3] Парниковые газы возникают в основном при модульном производстве (81%), за которым следует баланс системы (12%) и каркаса (7%) [3] ). Потребности в ресурсах производственного цикла представлены на рисунке 3.
Выбросы углекислого газа в течение жизненного цикла
Выбросы углекислого газа в течение жизненного цикла относятся к выбросам, вызванным производством, транспортировкой или установкой материалов, связанных с фотоэлектрическими системами. Помимо самих модулей, в типовую установку входит электрический кабель и металлическая стойка. Наземные фотоэлектрические системы также включают бетонный фундамент. Удаленные установки могут потребовать дополнительной инфраструктуры для передачи электроэнергии в местную электрическую сеть. Помимо материалов, анализ жизненного цикла должен включать углекислый газ, выделяемый транспортными средствами при транспортировке фотоэлектрических модулей между заводом, складом и местом установки. На рисунке 4 сравнивается относительный вклад этих факторов в влияние углекислого газа на срок службы пяти типов фотоэлектрических модулей. [5]
Выбросы от транспорта
На транспорт приходится около 9% выбросов фотоэлектрических систем в течение жизненного цикла. [5] Фотоэлектрические модули, стойки и оборудование для балансировки системы (например, кабели, разъемы и монтажные кронштейны) часто производятся за рубежом и доставляются в Соединенные Штаты на корабле. [6] В США эти компоненты доставляются грузовиками в распределительные центры и, в конечном итоге, на место установки.
Выбросы при установке
Выбросы, связанные с установкой, включают выбросы транспортных средств, расход материалов и потребление электроэнергии, связанные с местными строительными работами по установке системы. Эта деятельность генерирует менее 1% от общего объема выбросов в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы. [6]
Эксплуатационные выбросы
При использовании фотоэлектрических модулей не образуются выбросы в воздух или воду. При строительстве фотоэлектрических модулей воздухозаборы подвергаются воздействию выбросов растворителей и спиртов, которые способствуют фотохимическому образованию озона. На водоразделы влияет строительство модулей из добычи природных ресурсов, таких как кварц, карбид кремния, стекло и алюминий. В целом, замена нынешней мировой электросети центральными фотоэлектрическими системами приведет к сокращению выбросов парниковых газов, критических загрязнителей, тяжелых металлов и радиоактивных веществ на 89-98%. [7]
Выбросы при утилизации
Утилизация кремниевых фотоэлектрических модулей не вызвала значительных последствий, поскольку крупномасштабные установки используются только с середины 1980-х годов, а срок службы фотоэлектрических модулей составляет не менее 30 лет. [8] Фтенакис и др. (2005) [2] конкретно указали на отсутствие доступных данных об утилизации или переработке фотоэлектрических модулей, поэтому эта тема требует более тщательного исследования.
LCA фотоэлектрических систем по сравнению с другими источниками энергии
Общие выбросы в течение жизненного цикла, связанные с производством фотоэлектрической энергии, немного выше (по состоянию на 2006 год они значительно снизились), чем выбросы ядерной энергетики, но ниже, чем выбросы при производстве энергии на ископаемом топливе. Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла некоторых технологий производства энергии перечислены ниже: [3]
- Кремний фотоэлектрический: 45 г/кВтч
- Уголь: 900 г/кВтч
- Природный газ: 400-439 г/кВтч.
- Ядерная энергия: 20–40 г/кВтч.
За время своего срока службы 20–30 лет солнечные модули генерируют больше электроэнергии, чем было потреблено при их производстве. Время окупаемости энергии определяет минимальный срок полезного использования, необходимый солнечному модулю для выработки энергии, которая была использована для производства модуля. Как показано в Таблице 1, средний срок окупаемости энергии составляет 3-6 лет.
| Страна | Город | Солнечное излучение (кВтч/м2) | Широта | Высота (м) | Годовое производство (кВтч/кВтп) | ЭПБТ | ЭРФ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Австралия | Сидней | 1614 г. | 33,55 | 1 | 1319 | 3,728 | 7,5 |
| Австрия | Вена | 1108 | 48,2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| Бельгия | Брюссель | 946 | 50,5 | 77 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Канада | Оттава | 1377 | 45,25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6,8 |
| Чешская Республика | Прага | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
| Дания | Копенгаген | 985 | 55,75 | 1 | 850 | 5,786 | 4,8 |
| Финляндия | Хельсинки | 956 | 60,13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
| Франция | Париж | 1057 | 48,52 | 32 | 872 | 5,64 | 5 |
| Франция | Марсель | 1540 г. | 43,18 | 7 | 1317 | 3,734 | 7,5 |
| Германия | Берлин | 999 | 52,32 | 35 | 839 | 5,862 | 4,8 |
| Германия | Мюнхен | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5,5 |
| Греция | Афины | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3,848 | 7.3 |
| Венгрия | Будапешт | 1198 | 47,3 | 103 | 988 | 4,978 | 5,6 |
| Ирландия | Дублин | 948 | 53,2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Италия | Рим | 1552 г. | 41,53 | 15 | 1315 | 3,74 | 7,5 |
| Италия | Милан | 1251 | 45,28 | 103 | 1032 | 4,765 | 5,9 |
| Япония | Токио | 1168 | 35,4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
| Республика Корея | Сеул | 1215 | 37,3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5,7 |
| Люксембург | Люксембург | 1035 | 49,62 | 295 | 862 | 5.705 | 4,9 |
| Нидерланды | Амстердам | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
| Новая Зеландия | Веллингтон | 1412 | 41,17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
| Норвегия | Осло | 967 | 59,56 | 13 | 870 | 5,653 | 5 |
| Португалия | Лиссабон | 1682 г. | 35,44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7,9 |
| Испания | Мадрид | 1660 г. | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7,9 |
| Испания | Севилья | 1754 г. | 37,24 | 5 | 1460 г. | 3.368 | 8.3 |
| Швеция | Стокгольм | 980 | 59,21 | 16 | 860 | 5.718 | 4,9 |
| Швейцария | Берн | 1117 | 46,57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Турция | Анкара | 1697 г. | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
| Великобритания | Лондон | 955 | 51,3 | 20 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Великобритания | Эдинбург | 890 | 55,57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| Соединенные Штаты | Вашингтон | 1487 | 38,52 | 14 | 1249 | 3,937 | 7.1 |
Примеры
Рекомендации
- ↑ Дж. Пирс и А. Лау, «Анализ чистой энергии для устойчивого производства энергии из солнечных элементов на основе кремния», Труды Американского общества инженеров-механиков Solar 2002: Рассвет экономики надежной энергии, редактор Р. Кэмбелл-Хау, 2002. PDF
- ↑Перейти к:2.0 2.1 Фтенакис, В.М., Э.А. Алсема и М.Дж. де Вильд-Шолтен (2005), Оценка жизненного цикла фотоэлектрических систем: представления, потребности и проблемы, Конференция специалистов по фотоэлектрической энергии IEEE, Орландо, Флорида.
- ↑Перейти к:3,0 3,1 3,2 3,3 Фтенакис, В. и Э. Алсема (2006), Сроки окупаемости фотоэлектрической энергии, выбросы парниковых газов и внешние затраты: состояние 2004 – начала 2005 года, Прогресс в фотоэлектрической энергетике, 14, 275-280.
- ↑Перейти к:4.0 4.1 4.2 Оценка жизненного цикла фотоэлектрической генерации электроэнергии, А. Стоппато, Энергия, Том 33, Выпуск 2, февраль 2008 г., Страницы 224-232
- ↑Перейти к:5,0 5,1 5,2 Ито, М., К. Като, К. Комото, Т. Кичими и К. Курокава (2007), Сравнительное исследование стоимости и анализа жизненного цикла очень крупных фотоэлектрических систем мощностью 100 МВт (VLS-PV). ) системы в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS, Прогресс в фотовольтаике, 16, 17-30
- ↑Перейти к:6,0 6,1 Ито, М., К. Като, К. Комото, Т. Кичими и К. Курокава (2007), Сравнительное исследование стоимости и анализа жизненного цикла очень крупных фотоэлектрических установок мощностью 100 МВт (VLS-PV) системы в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS, Прогресс в фотоэлектрической энергетике, 16, 17-30
- ↑ Фтенакис В., Ким Х. и Э. Алсема (2008), Выбросы в результате жизненного цикла фотоэлектрических систем. Технологии экологических наук, 42, 2168–2174.
- ↑ Люке А. и С. Хегедус (2003), Справочник по фотоэлектрической науке и технике, Уайли, Хобокен, Нью-Джерси.