Izvor: appropedia.org
pozadina
Alternativne energetske tehnologije, poput fotonaponskih modula (slika 1), postaju sve popularnije širom svijeta. U 2008 po prvi put su svjetska ulaganja u alternativne izvore energije privukla više investitora nego fosilnih goriva, ostvarujući neto 155 milijardu dolara neto kapitala u odnosu na 110 milijardu novih ulaganja u naftu, prirodni plin i ugljen. Sama solarna energija stvorila je $ 6. 5 milijardu svjetskih prihoda u 2004, a očekuje se da se gotovo udvostruči sa planiranim prihodima od 18. 5 milijardu za 2010.
Tehnologije alternativne energije postaju sve popularnije u cijelom svijetu zbog veće svijesti i zabrinutosti glede zagađenja i globalnih klimatskih promjena. Tehnologije alternativne energije nude novu mogućnost dobivanja korisne energije iz izvora koji na planet imaju manji utjecaj na okoliš. Ali koliko manje?
Prethodni objavljeni pregled analize neto energije fotovoltaika na bazi silicija[1]utvrdili su da sve vrste silicija (amorfni, polikristalni i monokristalni) PV generiraju tijekom svog životnog vijeka puno više energije nego što se koristi u njihovoj proizvodnji. Svi moderni silikonski PV-ovi plaćaju sebe u smislu energije za manje od {1}} godina, čak i u scenarijima izrazito neoptimalne primjene.
Ovaj članak istražuje sve utjecaje na okoliš povezane s proizvodnjom i vijekom upotrebe silikonskih fotonaponskih (PV) ploča.
Što je procjena životnog ciklusa (LCA)
Procjena životnog ciklusa (LCA) procjenjuje utjecaje proizvoda ili procesa na okoliš od proizvodnje do odlaganja[2], LCA istražuje materijalne i energetske unose potrebne za proizvodnju i uporabu proizvoda, emisije povezane s njegovom uporabom i utjecaje okoliša na odlaganje ili recikliranje. LCA također može ispitati vanjske troškove, poput ublažavanja stanja okoliša, koji su potrebni proizvodnjom ili uporabom proizvoda[3].
Kratka povijest solarne energije
Prvu fotonaponsku ćeliju sagradio je Charles Fritts, koji je od selena i zlata sagradio 30 cm u 1883[4], Suvremenu silicijumsku fotonaponsku tehnologiju otkrili su u 1954 istraživači iz Bell Labs-a, koji su slučajno razvili pn-spoj koji omogućuje fotonaponskim proizvodima da proizvode korisnu električnu energiju[5], U 1958 NASA je počela koristiti fotonaponske uređaje kao sigurnosne sustave napajanja za svoje satelite[4]Prvo prebivalište na solarni pogon izgrađeno je na Univerzitetu u Delaveru u {{}}, a prvi fotonaponski projekt megavata instaliran je u Kaliforniji u 1984[4].
Analiza životnog ciklusa silicijskih PV ploča
Sljedeći odjeljak sadrži kratku analizu silicijskih PV ploča u životnom ciklusu. Razmatrani faktori životnog ciklusa uključuju: energiju potrebnu za proizvodnju, emisiju ugljičnog dioksida u životnom ciklusu i sve emisije onečišćenja nastale tijekom PV korisnih ploča, vijek trajanja: transport, ugradnja, rad i odlaganje.
Energetski zahtjevi za proizvodnju
Proizvodnja fotonaponskih materijala izuzetno je energetski intenzivan korak instaliranih PV modula. Kao što se vidi na slici 2, velike količine energije koriste se za pretvaranje silikatnog pijeska u silicij visoke čistoće potreban za fotonaponske rezance. Sastavljanje PV modula još je jedan korak s intenzivnim resursima s dodatkom aluminijskog uokvirivanja i staklenih krovova sa visokim sadržajem energije.
Slika 2: Energetski zahtjevi faza proizvodnje u proizvodnji PV ploča kao postotak bruto energetske potrebe (GER) od 1494 MJ / ploča (~ 0. 65 m {{4 }}površinski)[6].
Utjecaj silikonskog fotonaponskog modula na okoliš uključuje proizvodnju tri glavne komponente: okvir, modul i komponente ravnoteže sustava kao što su stalak i pretvarač[3], Staklenički plinovi uglavnom nastaju proizvodnjom modula (81%), nakon čega slijedi ravnoteža sustava (12%) i okvira (7%)[3]). Potrebe za resursima proizvodnog ciklusa sažete su na slici 3.
Slika 3: Proizvodni ciklus i potrebni resursi silicijskog modula[6].
Emisije ugljičnog dioksida životnog ciklusa
Emisija ugljičnog dioksida u životnom ciklusu odnosi se na emisije uzrokovane proizvodnjom, transportom ili ugradnjom materijala koji se odnose na fotonaponske sustave. Osim samih modula, tipična instalacija uključuje električni kabel i metalni nosač. Fotonaponski sustavi ugrađeni u zemlju uključuju i betonski temelj. Udaljene instalacije mogu zahtijevati dodatnu infrastrukturu za prijenos električne energije na lokalnu električnu mrežu. Pored materijala, analiza životnog ciklusa treba uključivati ugljični dioksid koji se emitira iz vozila tijekom prijevoza fotonaponskih modula između tvornice, skladišta i mjesta instalacije. Slika 4 uspoređuje relativni doprinos ovih faktora životnom utjecaju ugljičnog dioksida za pet vrsta fotonaponskih modula[7].
Slika 4,Doživotna emisija ugljičnog dioksida za velike fotonaponske instalacije, kategorizirana prema komponenti. Ovaj grafikon uspoređuje tipične monokristalne silicijske module (m-Si (a)), monofristalni silicij visokog učinka (m-Si (b)), kadmij-telur (CdTe) i balen-indijum-selen (CIS). Grafikon prema autorima, na temelju[7].
Emisije u prometu
Prijevoz čini oko 9% emisije fotonaponskih materijala u životnom ciklusu[7], Fotonaponski moduli, nosači i hardver za ravnotežu sustava (poput kablova, konektora i nosača) često se proizvode u inozemstvu i prevoze se u Sjedinjene Države brodom.[8].U Sjedinjenim Državama ove se komponente prevoze kamionom do distribucijskih centara i na kraju do mjesta ugradnje.
Instalacijske emisije
Emisije povezane s ugradnjom uključuju emisiju vozila, potrošnju materijala i potrošnju električne energije povezane s lokalnim građevinskim aktivnostima za instalaciju sustava. Ove aktivnosti stvaraju manje od 1% ukupnih emisija iz fotonaponskog sustava u životnom ciklusu[8].
Radne emisije
Ne postoje emisije zraka ili vode tijekom upotrebe PV modula. Zračni zidovi utječu prilikom izgradnje PV modula iz emisija otapala i alkohola koji doprinose fotokemijskom stvaranju ozona. Vodostaji utječu izgradnjom modula iz vađenja prirodnih resursa poput kvarca, silicij-karbida, stakla i aluminija. Sveukupno, zamjena trenutne svjetske električne energije u mreži sa središnjim PV sustavima dovela bi do 89-98% smanjenja emisija stakleničkih plinova, kriterija zagađivača, teških metala i radioaktivnih vrsta[9].
Odlaganje emisija
Odlaganje silikonskih fotonaponskih modula nije prouzročilo značajne učinke, jer se instalacije velikih razmjera koriste od sredine 1980. g. Br. 39; s fotonaponskim modulima životni vijek je najmanje 30 godina[4], Fthenakis i sur. (2005)[2]posebno je utvrdio nedostatak dostupnih podataka o zbrinjavanju ili recikliranju fotonaponskih modula, pa ova tema zahtijeva temeljitiju istragu.
LCA fotonaponskih sustava u usporedbi s drugim izvorima energije
Ukupne emisije u životnom ciklusu povezane s proizvodnjom fotonaponske energije veće su od emisija nuklearne energije, ali niže od emisije energije fosilnih goriva. Emisije stakleničkih plinova životnog ciklusa nekoliko tehnologija proizvodnje energije navedene su u nastavku:[3].
Silicijski PV: 45 g / kWh
Ugljena: 900 g / kWh
Prirodni plin: 400-439 g / kWh
Nuklearno: 20-40 g / kWh
Tijekom svog 20-30 godina života, solarni moduli proizvode više električne energije nego što je potrošena tijekom proizvodnje. Vrijeme povratka energije kvantificira minimalni korisni vijek potreban solarnom modulu za stvaranje energije koja je korištena za proizvodnju modula. Kao što je prikazano u tablici 1, prosječno vrijeme povrata energije je 3-6 godina.
Tablica 1: Vrati povrata energije (EPBT) i faktori povrata energije (ERF) PV modula instaliranih na raznim mjestima širom svijeta[6].
Zemlja | Grad | Solarno zračenje | širina | Visina | Godišnja proizvodnja | EPBT | ERF |
(KWh / m 2) | (m) | (KWh / kWp) | (godine) | ||||
Australija | Sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Austrija | Beč | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgija | Brisel | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Otava | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Češka Republika | Prag | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Danska | Kopenhagen | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Finska | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Francuska | Pariz | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Francuska | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Njemačka | Berlin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Njemačka | Minhen | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Grčka | Atina | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Mađarska | Budimpešta | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Irska | Dablin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Italija | Rim | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Italija | Milano | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japan | Tokijo | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Republika Koreja | Seul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luksemburg | Luksemburg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Nizozemska | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Novi Zeland | čizma | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norveška | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugal | Lisabon | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Španija | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Španija | Sevilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Švedska | Stockholm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Švicarska | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
purica | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Ujedinjeno Kraljevstvo | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Ujedinjeno Kraljevstvo | Edinburg | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Ujedinjene države | Vašington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Zaključci
Silicijski PV paneli imaju nizak utjecaj na okoliš u životnom ciklusu u usporedbi s većinom konvencionalnih oblika energije, poput ugljena i prirodnog plina. Najveće emisije ugljika uzrokovane uporabom PV panela su one povezane s proizvodnjom modula. Vrijeme povrata energije (EPBT) varira u rasponu od 3 do 6 godina za različite solarne klime širom svijeta. Sveukupno, silicijski PV paneli vraćaju potrebne gornje troškove energije znatno prije njihovog korisnog vijeka i neto su generatori energije većinu svog korisnog vijeka.
Reference
1 J. Pearce i A. Lau,&"Analiza neto energije za održivu proizvodnju energije iz solarnih ćelija na bazi silicija"; Zbornik radova Američkog društva strojarskih inženjera Solar 2002: Izlazak sunca o pouzdanoj energetskoj ekonomiji, urednik R. Cambell -Howe 2002.pdf
4 Luque, A. i S. Hegedus (2003), Priručnik fotonaponske znanosti i inženjerstva, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A. i VU Hoffmann (2005), fotonaponska generacija solarne energije, Springer, New York, NY.
6 Procjena životnog ciklusa proizvodnje fotonaponske električne energije, A. Stoppato, energija, volumen 33, izdanje 2, veljača 2 008, stranice 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), uporedna studija o analizi troškova i životnog ciklusa za 100 MW vrlo velikih PV (VLS-PV) sustava u pustinjama koji koriste m-Si, a-Si, CdTe i CIS module, Napredak u fotonaponskim okvirima, 16, 17-30
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi i K. Kurokawa (2007), uporedna studija o analizi troškova i životnog ciklusa za 100 MW vrlo velikih PV (VLS-PV) sustava u pustinjama koji koriste m-Si, a-Si, CdTe i CIS module, Napredak u fotonaponskim okvirima, 16, 17-30
9 Fthenakis, V., Kim, H. i E. Alsema (2008), emisije iz životnih ciklusa fotonaponskih elemenata. Tehnologija zaštite okoliša, 42, 2168-2174.