Джерело: appropedia.org
Фон
Альтернативні енергетичні технології, такі як фотоелектричні модулі (мал. 1), стають все більш популярними у всьому світі. У 2008 вперше світові інвестиції в альтернативні джерела енергії привернули більше інвесторів, ніж викопне паливо, зарахувавши 155 мільярд чистого капіталу проти $ 110 мільярда нових інвестицій у нафту, природний газ та вугілля. Сонячна енергія генерувала $ 6. 5 мільярд світових доходів за 2004, і очікується, що майже втричі перевищить прогнозований дохід у розмірі $ 18. 5 млрд. 2010.
Технології альтернативної енергетики стають все більш популярними у всьому світі через підвищення обізнаності та занепокоєння щодо забруднення та глобальних змін клімату. Технології альтернативної енергетики пропонують новий варіант отримання корисної енергії з джерел, які мають менший вплив на навколишнє середовище на планету. Але наскільки менше?
Попередній опублікований огляд аналізу чистої енергії фотоелектричних засобів на основі кремнію[1]з'ясували, що всі типи кремнію (аморфний, полікристалічний та монокристалічний) на основі ПВ генерують набагато більше енергії протягом свого життя, ніж використовують у їх виробництві. Всі сучасні фотокремієві платять за енергію менше ніж за 5 років - навіть у дуже неоптимальних сценаріях розгортання.
У цій статті досліджено всі впливи на навколишнє середовище, пов’язані з виробництвом та впродовж життя використання кремнієвих фотоелектричних панелей (ПВ).
Що таке оцінка життєвого циклу (LCA)
Оцінка життєвого циклу (LCA) оцінює вплив продукту чи процесу на довкілля від виробництва до вивезення[2]. ДМС досліджує матеріальні та енергетичні ресурси, необхідні для виробництва та використання продукту, викиди, пов'язані з його використанням, та вплив на навколишнє середовище утилізації чи переробки. ДМС може також досліджувати зовнішні витрати, такі як пом'якшення навколишнього середовища, які є необхідними виробництвом або використанням товару[3].
Коротка історія сонячної енергії
Першу фотоелектричну камеру побудував Чарльз Фріттс, який побудував 30-сантиметрову клітинку з селену та золота в 1883[4]. Сучасні кремнієві фотоелектричні технології були відкриті в 1954 дослідниками Bell Labs, які випадково розробили pn-перехід, що дозволяє фотовольтаїкам виробляти корисну електрику[5]. У 1958 НАСА почала використовувати фотоелектрику як резервну систему живлення для своїх супутників[4]Перша резиденція, що працює на сонячних батареях, була побудована в Університеті Делавер у 1973, а перший фотогальванічний проект мегаватного масштабу був встановлений у Каліфорнії у 1984[4].
Аналіз життєвого циклу панелі кремнію
Наступний розділ містить короткий аналіз життєвого циклу кремнійорганічних панелей. Обговорювані фактори життєвого циклу включають: енергію, необхідну для виробництва, викиди вуглекислого газу за життєвий цикл та всі викиди забруднення, що утворюються протягом терміну корисного використання панелей ПВ: транспортування, установка, експлуатація та утилізація.
Вимоги до енергії для виробництва
Виробництво фотоелектрики - це найбільш енергоємний крок встановлених фотомодулів. Як видно на малюнку 2, велика кількість енергії використовується для перетворення кремнеземного піску в кремній високої чистоти, необхідний для фотоелектричних пластин. Збірка ПВ-модулів - це ще один ресурсоємний крок із додаванням високоякісного алюмінієвого обрамлення та скляної покрівлі.
Рисунок 2: Енергетичні потреби на етапах виробництва ПВ панелей у відсотках від валової потреби в енергії (GER) 1494 МДж / панель (~ 0. 65 м {{4 }} поверхня)[6].
Вплив фотоелектричного фотоелектричного модуля на навколишнє середовище передбачає виробництво трьох основних компонентів: рами, модуля та компонентів балансу системи, таких як стелаж та інвертор[3]. Парникові гази спричинені в основному виробництвом модулів (81%), а потім балансом системи (12%) і рамкою (7%)[3]). Ресурсні вимоги виробничого циклу узагальнені на рисунку 3.
Рисунок 3: Виробничий цикл і необхідні ресурси кремнійорганічного модуля[6].
Викиди вуглекислого газу Lifecyle
Викиди вуглекислого газу за життєвим циклом стосуються викидів, викликаних виробництвом, транспортуванням або установкою матеріалів, пов'язаних з фотоелектричними системами. Крім самих модулів, типова установка включає електричний кабель та металеву стійку. Наземні фотоелектричні системи також включають бетонну основу. Віддаленим установкам може знадобитися додаткова інфраструктура для передачі електроенергії до локальної електричної мережі. Крім матеріалів, аналіз життєвого циклу повинен включати вуглекислий газ, що виділяється з транспортних засобів під час транспортування фотоелектричних модулів між заводом, складом та місцем установки. На малюнку 4 порівнюється відносний внесок цих факторів у життєвий вплив діоксиду вуглецю протягом п'яти типів фотоелектричних модулів[7].
Малюнок 4:Пожиттєві викиди вуглекислого газу для масштабних фотоелектричних установок, класифіковані за компонентами. Цей графік порівнює типові модулі монокристалічного кремнію (m-Si (a)), високоефективний монокристалічний кремній (m-Si (b)), телурій кадмію (CdTe) та міді селену індію (CIS). Графік за авторами на основі[7].
Викиди на транспорт
На транспортування припадає близько 9% викидів фотоелектрики в життєвий цикл[7]. Фотоелектричні модулі, стелажі та обладнання для системного балансу (наприклад, кабелі, роз'єми та кріпильні кронштейни) часто виробляються за кордоном і транспортуються до США судном[8]. У США ці компоненти транспортуються вантажними автомобілями до розподільчих центрів і, нарешті, до місця установки.
Установочні викиди
Викиди, пов'язані з установкою, включають викиди автомобілів, споживання матеріалів та споживання електроенергії, пов’язані з місцевими будівельними заходами для встановлення системи. Ці дії генерують менше 1% від загальної кількості викидів у фотоелектричну систему[8].
Операційні викиди
Під час використання ПВ модулів не утворюються викиди повітря або води. На повітряні прорізи впливають під час побудови ПВ-модулів від викидів розчинників та спирту, які сприяють утворенню фотохімічного озону. На вододіли впливає побудова модулів з видобутку природних ресурсів, таких як кварц, карбід кремнію, скло та алюміній. Загалом, заміна поточної світової електромережі на центральні системи ПВ призведе до скорочення викидів парникових газів на 89-98%, критеріїв забруднюючих речовин, важких металів та радіоактивних видів[9].
Викиди викидів
Утилізація кремнієвих фотоелектричних модулів не спричинила суттєвих наслідків, оскільки широкомасштабні установки використовуються лише з середини 1980-х рр. № 39, а фотоелектричні модулі мають тривалість життя щонайменше 30 років[4]. Fthenakis та ін. (2005)[2]конкретно виявив відсутність наявних даних щодо утилізації та переробки фотоелектричних модулів, тому ця тема вимагає більш ретельного дослідження.
LCA фотоелектрики порівняно з іншими джерелами енергії
Загальні викиди в життєвий цикл, пов'язані з виробництвом фотоелектричної енергії, вищі, ніж у ядерної енергії, але нижчі, ніж у виробництві енергії викопного палива. Викиди парникових газів у життєвому циклі декількох технологій вироблення енергії наведені нижче:[3].
Кремнієвий ПВ: 45 г / кВт / год
Вугілля: 900 г / кВт * год
Природний газ: 400-439 г / кВт / год
Ядерна: 20-40 г / кВт / год
Протягом свого 20-30-річного життя сонячні модулі виробляють більше електроенергії, ніж було спожито під час їх виробництва. Час окупності енергії кількісно визначає мінімальний термін корисного використання, необхідний для сонячного модуля для генерації енергії, яка була використана для виробництва модуля. Як показано в таблиці 1, середній час окупності енергії становить 3-6 років.
Таблиця 1: Часи окупності енергії (EPBT) та коефіцієнти повернення енергії (ERF) PV-модулів, встановлених у різних місцях по всьому світу[6].
Країна | Місто | Сонячна радіація | Широта | Висота | Річне виробництво | EPBT | ERF |
(кВт / год 2) | (m) | (кВт / год / кВт) | (років) | ||||
Австралія | Сідней | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Австрія | Відень | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Бельгія | Брюссель | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Канада | Оттава | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Чеська Республіка | Прага | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Данія | Копенгаген | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Фінляндія | Гельсінкі | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Франція | Париж | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Франція | Марсель | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Німеччина | Берлін | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Німеччина | Мюнхен | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Греція | Афіни | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Угорщина | Будапешт | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Ірландія | Дублін | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Італія | Рим | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Італія | Мілан | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Японія | Токіо | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Республіка Корея | Сеул | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Люксембург | Люксембург | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Нідерланди | Амстердам | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Нова Зеландія | Веллінгтон | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Норвегія | Осло | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Португалія | Лісабон | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Іспанія | Мадрид | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Іспанія | Севілья | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Швеція | Стокгольм | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Швейцарія | Берн | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
Туреччина | Анкара | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Об'єднане Королівство | Лондон | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Об'єднане Королівство | Едінбург | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Сполучені Штати | Вашингтон | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Висновки
Кремнієві фотоелектричні панелі мають низький вплив на довкілля життєвого циклу порівняно з більшістю звичайних форм енергії, таких як вугілля та природний газ. Найбільшими викидами вуглецю, спричиненими використанням ПВ панелей, є ті, які пов'язані з виробництвом модулів. Час окупності енергії (EPBT) коливається в межах від 3 до 6 років для різних сонячних кліматів у всьому світі. Загалом, кремнієві фотоелектричні панелі окупають необхідні передові енерговитрати за виробництво задовго до їх корисного використання та є чистими генераторами енергії протягом більшої частини терміну їх використання.
Список літератури
1 J. Пірс та А. Лау,&"Аналіз чистої енергії для сталого виробництва енергії з сонячних батарей на основі кремнію GG"; Матеріали Американського товариства інженерів-механіків Сонячний 2002: Схід сонця про надійну економію енергії, редактор Р. Кембел -Дуже, 2002.pdf
4 Лук, А. та С. Гегед (2003), Довідник з фотоелектричної науки та техніки, Вілі, Хобокен, Нью-Джерсі.
5 Гецбергер, А. та В. Ю. Гофман (2005), генерація фотоелектричної сонячної енергії, Спрингер, Нью-Йорк, Нью-Йорк.
6 Оцінка життєвого циклу вироблення фотоелектричної електроенергії, А. Стоппато, Енергія, Том 33, Випуск 2, лютий 2 008, Сторінки 2 24-232
7 Іто, М., К. Като, К. Комото, Т. Кічімі та К. Курокава (2007), порівняльне дослідження аналізу витрат та життєвого циклу для 100 MW дуже масштабні системи PV (VLS-PV) у пустелях, що використовують модулі m-Si, a-Si, CdTe та СНД, Прогрес у фотоелектричній електроенергії, 16, 17-30
8 Іто, М., К. Като, К. Комото, Т. Кічімі та К. Курокава (2007), порівняльне дослідження аналізу витрат та життєвого циклу для 100 MW дуже масштабні системи PV (VLS-PV) у пустелях, що використовують модулі m-Si, a-Si, CdTe та СНД, Прогрес у фотоелектричній електроенергії, 16, 17-30
9 Фтенакіс, В., Кім, Х. та Е. Альсема (2008), викиди з життєвих циклів фотоелектрики. Технологія екологічних наук, 42, 2168-2174.
