Izvor: appropedia.org
Pozadina
Alternativne energetske tehnologije, poput fotonaponskih modula (slika 1), postaju sve popularnije širom svijeta. U 2008 po prvi put su svetske investicije u alternativne izvore energije privukle više investitora nego fosilnih goriva, ostvarujući neto 155 milijardu dolara neto kapitala u odnosu na 110 milijardu novih ulaganja u naftu, prirodni gas i ugljen. Samo solarna energija stvorila je $ 6. 5 milijardu svetskih prihoda u 2004, a očekuje se da se skoro udvostruči sa projektovanim prihodima od 18. 5 milijardu za 2010.
Alternativne energetske tehnologije postaju sve popularnije širom svijeta zbog veće svijesti i zabrinutosti u vezi zagađenja i globalnih klimatskih promjena. Alternativne energetske tehnologije nude novu opciju za dobivanje korisne energije iz izvora koji na planetu imaju manje utjecaja na okoliš. Ali koliko manje?
Prethodni objavljeni pregled neto energije analize fotonaponskih materijala na bazi silicija[1]utvrdili su da svi tipovi silicija (amorfni, polikristalni i monokristalni) PV generiraju daleko više energije tokom svog životnog vijeka nego što se koriste u njihovoj proizvodnji. Svi moderni silikonski PV-ovi plaćaju sebe u smislu energije za manje od 5 godina, čak i u scenarijima izrazito podopptimalne primene.
Ovaj članak istražuje sve utjecaje na okoliš povezane s proizvodnjom i vijekom upotrebe silikonskih fotonaponskih (PV) ploča.
Šta 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 upotrebu proizvoda, emisije povezane s njegovom uporabom i uticaje odlaganja ili recikliranja na okoliš. LCA takođe može ispitati vanjske troškove, poput ublažavanja životne sredine, koji su potrebni proizvodnjom ili upotrebom proizvoda[3].
Kratka istorija solarne energije
Prvu fotonaponsku ćeliju sagradio je Charles Fritts, koji je izradio ćeliju od 30 cm od selena i zlata u 1883[4]. Suvremenu silicijumsku fotonaponsku tehnologiju otkrili su u 1954 istraživači iz Bell Labs-a, koji su slučajno razvili pn-spoj, koji omogućava fotonaponskim proizvodima da proizvode korisnu električnu energiju[5]. U 1958, NASA je počela koristiti fotonaponske sisteme kao rezervne sisteme napajanja za svoje satelite[4]Prva rezidencija na solarni pogon izgrađena je na Univerzitetu u Delaveru u {{}}}, a prvi fotonaponski projekat veličine megavata instaliran je u Kaliforniji u 1984[4].
Analiza životnog ciklusa silicijumske PV ploče
Sljedeći odjeljak sadrži kratku analizu silikonskih PV ploča u životnom ciklusu. Faktori životnog ciklusa o kojima se raspravlja uključuju: energiju potrebnu za proizvodnju, emisiju ugljičnog dioksida u životnom ciklusu i sve emisije zagađenja nastale tijekom PV korisnog vijeka korisnog vijeka: transport, ugradnju, rad i odlaganje.
Energetski zahtjevi za proizvodnju
Izrada 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 silikon visoke čistoće potreban za fotonaponske rezance. Sastavljanje PV modula je još jedan korak koji intenzivno troši resurse, uz dodavanje aluminijumskog okvira i staklenih krovova visokog sadržaja.
Slika 2: Energetske potrebe u fazama proizvodnje PV ploča kao procenti bruto energetske potrebe (GER) od 1494 MJ / ploča (~ 0. 65 m {{4 }} površina)[6].
Utjecaj silicijumskog 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 sistema (12%) i okvira (7%)[3]). Potrebe za resursima proizvodnog ciklusa sumirane su na slici 3.
Slika 3: Proizvodni ciklus i potrebni resursi silicijumskog modula[6].
Emisije ugljen-dioksida životnog ciklusa
Emisija ugljičnog dioksida u životnom ciklusu odnosi se na emisije izazvane proizvodnjom, transportom ili ugradnjom materijala koji se odnose na fotonaponske sisteme. Pored samih modula, tipična instalacija uključuje električni kabel i metalni nosač. Prizemni fotonaponski sistemi takođe sadrže betonski temelj. Udaljene instalacije mogu zahtijevati dodatnu infrastrukturu za prijenos električne energije na lokalnu električnu mrežu. Pored materijala, analiza životnog ciklusa treba da uključi ugljični dioksid koji se emitira iz vozila tokom transporta fotonaponskih modula između tvornice, skladišta i mjesta instalacije. Slika 4 uspoređuje relativni doprinos ovih faktora životnom utjecaju ugljen-dioksida pet vrsta fotonaponskih modula[7].
Slika 4:Doživotna emisija ugljičnog dioksida za velike fotonaponske instalacije, kategorizirana prema komponenti. Ovaj grafikon uspoređuje tipične monokristalne silicijumske module (m-Si (a)), visoko efikasne monokristalne silicijume (m-Si (b)), kadmijum-telur (CdTe) i bakar-indijum-selen (CIS) module. Grafikon prema autorima, na osnovu[7].
Emisije u transportu
Transport čini oko 9% emisije fotonaponskih materijala u životnom ciklusu[7]. Fotonaponski moduli, nosači i hardver za ravnotežu sistema (poput kablova, konektora i nosača) često se proizvode u inostranstvu i prevoze se u Sjedinjene Države brodom.[8].U Sjedinjenim Državama ove komponente se kamionima prevoze do distributivnih centara i eventualno do mjesta instalacije.
Instalacijske emisije
Emisije povezane s ugradnjom uključuju emisiju vozila, potrošnju materijala i potrošnju električne energije povezane sa lokalnim građevinskim aktivnostima za instalaciju sustava. Ove aktivnosti stvaraju manje od 1% ukupnih emisija iz fotonaponskog sistema u životnom ciklusu[8].
Radne emisije
Ne postoje emisije u zrak ili vodu nastale tokom upotrebe PV modula. Zračni zidovi utiču tokom izgradnje PV modula iz emisija rastvarača i alkohola koji doprinose fotohemijskom stvaranju ozona. Vodostaji su pod utjecajem izgradnje modula za vađenje prirodnih resursa, poput kvarca, silicijum-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, kriterijuma zagađivača, teških metala i radioaktivnih vrsta[9].
Emisija za odlaganje
Odlaganje silikonskih fotonaponskih modula nije prouzrokovalo značajne uticaje, jer se velike instalacije koriste od sredine 1980-ih&# {2}}, a fotonaponski moduli imaju životni vek najmanje 30 godina[4]. Fthenakis i dr. (2005)[2]posebno je utvrdio nedostatak dostupnih podataka o odlaganju ili recikliranju fotonaponskih modula, pa ova tema zahtijeva temeljitiju istragu.
LCA fotonaponskih sistema u odnosu na druge izvore energije
Ukupne emisije u životnom ciklusu povezane sa proizvodnjom fotonaponske energije veće su od emisija nuklearne energije, ali niže od emisije energije fosilnih goriva. Emisije stakleničkih plinova iz životnog ciklusa nekoliko tehnologija proizvodnje energije navedene su u nastavku:[3].
Silicijum PV: 45 g / kWh
Ugljen: 900 g / kWh
Prirodni plin: 400-439 g / kWh
Nuklearno: 20-40 g / kWh
Tokom svog 20-30 godina života, solarni moduli proizvode više električne energije nego što je potrošena tokom proizvodnje. Vrijeme povrata energije kvantificira minimalni korisni vijek potreban solarnom modulu za stvaranje energije koja je korištena za proizvodnju modula. Kao što je prikazano u Tabeli 1, prosječno vrijeme povrata energije je 3-6 godina.
Tabela 1: Vreme povrata energije (EPBT) i faktori povrata energije (ERF) PV modula instaliranih na različitim lokacijama širom sveta[6].
Država | Grad | Solarno zračenje | Zemljopisna širina | Nadmorska 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 | Briselu | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Ottawa | 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 |
Nemačke | Berlin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Nemačke | 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 | Milan | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japan | Tokio | 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 |
Holandija | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Nova Zeland | Wellington | 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 |
Švajcarska | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
Turska | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
ujedinjeno kraljevstvo | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
ujedinjeno kraljevstvo | Edinburgh | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Sjedinjene Države | Washington | 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 kao što su ugljen i prirodni plin. Najveće emisije ugljika uzrokovane uporabom PV panela su one povezane s proizvodnjom modula. Vreme povrata energije (EPBT) varira između 3 i 6 godina za razne solarne klime širom sveta. Sveukupno, silicijski PV paneli vraćaju potrebne prvobitne troškove proizvodnje energije prije njihovog korisnog vijeka i neto su generator za većinu svog korisnog vijeka.
Reference
1 J. Pearce i A. Lau, GG, "Analiza neto energije za održivu proizvodnju energije iz solarnih ćelija na bazi silicija", Zbornik radova Američkog društva inženjera strojarstva 2002: Izlazak sunca o pouzdanoj ekonomiji energije, urednik R. Cambell -Oh, 2002.pdf
4 Luque, A. i S. Hegedus (2003), Priručnik za fotonaponsku nauku i inženjerstvo, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A. i VU Hoffmann (2005), fotonaponska generacija solarne energije, Springer, New York, NY.
6 Procena životnog ciklusa proizvodnje fotonaponske električne energije, A. Stoppato, energija, volumen 33, izdanje 2, februar 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 veoma velikih PV (VLS-PV) sistema u pustinjama koji koriste m-Si, a-Si, CdTe i CIS module, Napredak u fotonaponskim uslovima, 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 veoma velikih PV (VLS-PV) sistema u pustinjama koji koriste m-Si, a-Si, CdTe i CIS module, Napredak u fotonaponskim uslovima, 16, 17-30
9 Fthenakis, V., Kim, H. i E. Alsema (2008), emisije iz životnih ciklusa fotovoltaike. Tehnologija nauke o životnoj sredini, 42, 2168-2174.
