LCA of silicon PV panels/vi
Các công nghệ năng lượng thay thế như mô- đun quang điện (Hình 1) đang trở nên phổ biến hơn trên toàn 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 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. Riêng năng lượng mặt trời đã tạo ra 6,5 tỷ đô la doanh thu trên toàn thế giới vào năm 2004 và dự kiến sẽ tăng gần gấp ba lần với doanh thu dự kiến là 18,5 tỷ đô la vào 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 lớn hơn về ô nhiễm và biến đổi khí hậu toàn cầu. Các công nghệ năng lượng thay thế cung cấp một lựa chọn mới để có được năng lượng hữu ích từ các nguồn có tác động ít hơn đến môi trường trên hành tinh. Nhưng ít hơn bao nhiêu?
Một bài đánh giá đã 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 của chúng. Tất cả các PV silicon hiện đại đều tự trả tiền cho chính chúng về mặt năng lượng trong vòng chưa đầy 5 năm - ngay cả trong các kịch bản triển khai cực kỳ không tối ưu.
Bài viết này khám phá tất cả các tác động môi trường liên quan đến việc sản xuất và sử dụng trọn đời các tấm pin quang điện silicon (PV).
Contents
Đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA) là gì?
Đánh giá vòng đời (LCA) đánh giá tác động môi trường của một sản phẩm hoặc quy trình từ khâu sản xuất đến khâu thải bỏ. [2] LCA điều tra các đầu vào về vật liệu và năng lượng cần thiết để sản xuất và sử dụng một sản phẩm, lượng khí thải liên quan đến việc sử dụng sản phẩm đó 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 tác động đến môi trường, là cần thiết do quá trình sản xuất hoặc sử dụng một sản phẩm. [3]
Đánh giá vòng đời tấm pin quang điện silicon
Phần sau đây có một phân tích vòng đời ngắn gọn về các tấm pin quang điện silicon. Các yếu tố vòng đời được thảo luận bao gồm: năng lượng cần thiết để sản xuất, lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời và tất cả các khí thải ô nhiễm được tạo ra trong suốt vòng đời hữu ích của tấm pin quang điện từ: vận chuyển, lắp đặt, vận hành và thải bỏ.
Nhu cầu năng lượng cho sản xuất
Sản xuất pin quang điện là bước tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong số các mô-đun PV đã lắp đặt. Như thấy trong Hình 2, một lượng lớn năng lượng được sử dụng để chuyển đổi cát silica thành silicon có độ tinh khiết cao cần thiết cho các tấm wafer quang điện. Việc lắp ráp các mô-đun PV là một bước tiêu tốn nhiều tài nguyên khác với việc bổ sung thêm khung nhôm có hàm lượng năng lượng cao và mái kính.
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 của hệ thống như giá đỡ và biến tần. [3] Khí nhà kính chủ yếu là do sản xuất mô-đun (81%), tiếp theo là cân bằng của hệ thống (12%) và khung (7%) [3] ). Yêu cầu về tài nguyên của chu kỳ sản xuất được tóm tắt trong Hình 3.
Lượng khí 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 vật liệu liên quan đến hệ thống quang điện gây ra. Ngoài các mô-đun, quá trình lắp đặt thông thường bao gồm cáp điện và giá đỡ kim loại. Hệ thống quang điện lắp trên mặt đất cũng bao gồm một nền bê tông. Các hệ thống lắp đặt từ xa có thể yêu cầu cơ sở hạ tầng bổ sung để truyền điện đến lưới điện địa phương. Ngoài vật liệu, phân tích vòng đời nên bao gồm lượng khí thải carbon dioxide từ các phương tiện trong quá trình vận chuyển các mô-đun quang điện giữa nhà máy, kho và địa điểm lắp đặt. Hình 4 so sánh mức đóng góp tương đối của các yếu tố này vào tác động của khí thải carbon dioxide trong suốt vòng đời của năm loại mô-đun quang điện. [5]
Khí thải giao thông
Vận chuyển 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 (như cáp, đầu nối và giá đỡ) thường được sản xuất ở nước ngoài và vận chuyển đến Hoa Kỳ bằng tàu biển. [6] Trong phạm vi Hoa Kỳ, các thành phần này được vận chuyển bằng xe tải đến các trung tâm phân phối và cuối cùng là đến địa điểm lắp đặt.
Phát thải lắp đặt
Lượng khí thải liên quan đến lắp đặt bao gồm khí thải từ xe cộ, tiêu thụ vật liệu và tiêu thụ điện liên quan đến các hoạt động xây dựng tại địa phương để lắp đặt hệ thống. Các hoạt động này tạo ra ít hơn 1% tổng lượng khí thải trong vòng đời của hệ thống quang điện. [6]
Khí thải hoạt động
Không có khí thải hoặc nước thải nào được tạo ra trong quá trình sử dụng các mô-đun PV. Các lưu vực không khí bị ảnh hưởng trong quá trình xây dựng các mô-đun PV từ khí thải dung môi và cồn góp phần vào quá trình hình thành ôzôn quang hóa. Các lưu vực nước bị ảnh hưởng bởi việc xây dựng các mô-đun từ việc khai thác các nguồn tài nguyên thiên nhiên như thạch anh, silicon carbide, thủy tinh và nhôm. Nhìn chung, việc thay thế điện lưới toàn cầu hiện tại bằng các hệ thống PV trung tâm sẽ dẫn đến giảm 89-98% lượng khí thải nhà kính, các chất ô nhiễm tiêu chuẩn, kim loại nặng và các loài phóng xạ. [7]
Phát thải thải bỏ
Việc thải bỏ các mô-đun quang điện silicon không gây ra tác động đáng kể vì các cơ sở lắp đặt quy mô lớn chỉ mới được sử dụng từ giữa những năm 1980 và các mô-đun quang điện có tuổi thọ ít nhất là 30 năm. [8] Fthenakis et al. (2005) [2] đã xác định cụ thể tình trạng thiếu dữ liệu có sẵn về việc thải bỏ hoặc tái chế các mô-đun quang điện, do đó chủ đề này cần được điều tra kỹ lưỡng hơn.
LCA của quang điện so với các nguồn năng lượng khác
Tổng lượng khí thải vòng đời liên quan đến sản xuất năng lượng quang điện cao hơn một chút (tính đến năm 2006, con số này hiện đã giảm đáng kể) so với năng lượng hạt nhân nhưng thấp hơn so với sản xuất năng lượng nhiên liệu hóa thạch. Lượng khí thải nhà kính vòng đời của một số công nghệ sản xuất năng lượng được liệt kê dưới đây: [3]
- Silicon PV: 45 g/kWh
- Than: 900 g/kWh
- Khí thiên nhiên: 400-439 g/kWh
- Hạt nhân: 20-40 g/kWh
Trong suốt vòng đời 20-30 năm của mình, 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 tuổi thọ hữu ích tối thiểu cần thiết để một mô-đun năng lượng mặt trời tạo ra năng lượng đã 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 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Úc | Sydney | 1614 | 33,55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7,5 |
| Áo | Viên | 1108 | 48,2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| Bỉ | Brussel | 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 | Copenhagen | 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 |
| Đức | Béc-lin | 999 | 52,32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
| Đức | Munich | 1143 | 48,21 | 515 | 960 | 5.123 | 5,5 |
| Hy Lạp | Athens | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| Hungari | Budapest | 1198 | 47,3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
| Ai-len | Dublin | 948 | 53,2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Ý | La Mã | 1552 | 41,53 | 15 | 1315 | 3,74 | 7,5 |
| Ý | Milan | 1251 | 45,28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
| Nhật Bản | Tokyo | 1168 | 35,4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
| Cộng hòa Hàn Quốc | Seoul | 1215 | 37,3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
| Luxemburg | Luxemburg | 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 | Stockholm | 980 | 59,21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
| Thụy Sĩ | Bern | 1117 | 46,57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Thổ Nhĩ Kỳ | Ankara | 1697 | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
| Vương quốc Anh | Luân Đôn | 955 | 51,3 | 20 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Vương quốc Anh | Edinburgh | 890 | 55,57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| Hoa Kỳ | Washington | 1487 | 38,52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Ví dụ
Tài liệu tham khảo
- ↑ J. Pearce và A. Lau, "Phân tích năng lượng ròng để sản xuất năng lượng bền vững từ các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên silicon", Biên bản báo cáo của Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ về năng lượng mặt trời 2002: Bình minh trên nền kinh tế năng lượng đáng tin cậy, biên tập viên R. Cambell-Howe, 2002. pdf
- ↑Nhảy lên tới: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 IEEE, Orlando, Florida.
- ↑Nhảy lên tới:3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V. và E. Alsema (2006), Thời gian hoàn vốn năng lượng quang điện, lượng khí thải nhà kính và chi phí bên ngoài: Tình hình 2004-đầu năm 2005, Tiến bộ trong quang điện, 14, 275-280.
- ↑Nhảy lên tới:4.0 4.1 4.2 Đánh giá vòng đời của sản xuất điện quang điện, A. Stoppato, Năng lượng, Tập 33, Số 2, Tháng 2 năm 2008, Trang 224-232
- ↑Nhảy lên tới:5.0 5.1 5.2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi và K. Kurokawa (2007), Nghiên cứu so sánh về phân tích chi phí và vòng đời cho hệ thống PV quy mô cực lớn 100 MW (VLS-PV) ở sa mạc sử dụng mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Tiến bộ trong quang điện, 16, 17-30
- ↑Nhảy lên tới:6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi và K. Kurokawa (2007), Nghiên cứu so sánh về phân tích chi phí và vòng đời cho hệ thống PV quy mô cực lớn 100 MW (VLS-PV) ở sa mạc sử dụng mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Tiến bộ trong quang điện, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H., và E. Alsema (2008), Phát thải từ vòng đời của 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.