Kilde: appropedia.org
Baggrund
Alternative energiteknologier som fotovoltaiske moduler (figur 1) bliver mere populære rundt omkring i verden. I 2008 trak verdensomspændende investeringer i alternative energikilder for første gang flere investorer end fossile brændstoffer, og nettingkapitalen 155 milliarder $ mod $ 110 milliarder nye investeringer i olie, naturgas og kul. Solenergi genererede alene 6. 5 milliarder i verdensomspændende omsætning i 2004 og forventes næsten tredobling af det med forventede indtægter på $ 18. 5 milliarder for 2010.
Alternative energiteknologier bliver mere og mere populære i hele verden på grund af større opmærksomhed og bekymring omkring forurening og globale klimaforandringer. Alternative energiteknologier tilbyder en ny mulighed for at få nyttig energi fra kilder, der har mindre miljøpåvirkning på planeten. Men hvor meget mindre?
En tidligere offentliggjort gennemgang af nettoenergianalysen af siliciumbaseret fotovoltaik[1]fandt, at alle typer silicium (amorf, polykrystallinsk og enkelt krystal) -baseret PV genererede langt mere energi i løbet af deres levetid, end der bruges i deres produktion. Alle moderne silicium-PV betaler for sig selv med hensyn til energi på mindre end 5 år - selv i meget suboptimale implementeringsscenarier.
Denne artikel undersøger alle miljøpåvirkningerne, der er forbundet med produktion og levetid anvendelse af solcelle fotovoltaiske (PV) paneler.
Hvad er en livscyklusvurdering (LCA)
En livscyklusvurdering (LCA) evaluerer miljøpåvirkningerne af et produkt eller en proces fra produktion til bortskaffelse[2]. En LCA undersøger materialer og energitilførsler, der kræves for at producere og bruge et produkt, emissionerne forbundet med dets anvendelse og miljøpåvirkningerne ved bortskaffelse eller genanvendelse. LCA kan også undersøge eksterne omkostninger, såsom miljøafbrydelse, der er nødvendigt ved produktion eller brug af et produkt[3].
Kort historie om solenergi
Den første fotovoltaiske celle blev bygget af Charles Fritts, der byggede en 30 cm-celle fra selen og guld i 1883[4]. Moderne fotovoltaisk siliciumteknologi blev opdaget i 1954 af forskere i Bell Labs, som ved en fejltagelse udviklede pn-krydset, der gør det muligt for fotovoltaik at producere nyttig elektricitet[5]. I 1958 begyndte NASA at bruge fotovoltaik som sikkerhedskopieringssystemer til sine satellitter[4]Den første solcelledrevne bolig blev bygget på University of Delaware i 1973, og det første fotovoltaiske megawatt-skala-projekt blev installeret i Californien i 1984[4].
Silicium PV-panelens livscyklusanalyse
Det følgende afsnit indeholder en kort livscyklusanalyse af silicium-PV-paneler. De drøftede livscyklusfaktorer inkluderer: den energi, der kræves til produktion, livscyklussen kuldioxidemissioner og alle forureningsemissioner genereret gennem en PV-panel brugbar levetid fra: transport, installation, drift og bortskaffelse.
Energikrav til produktion
Fremstilling af fotovoltaik er overvældende det mest energikrævende trin af installerede PV-moduler. Som det ses i figur 2, bruges store mængder energi til at omdanne silicasand til silicium med høj renhed, der kræves til fotovoltaiske skiver. Samlingen af PV-modulerne er et andet ressourceintensivt trin med tilføjelse af aluminiumsrammer med højt energiindhold og glastagning.
Figur 2: Energikrav til produktionstrin ved fremstilling af PV-paneler i procent af brutto-energikravet (GER) på 1494 MJ / panel (~ 0. 65 m {{4 }}overflade)[6].
Miljøpåvirkningen af et fotovoltaisk modul af silicium involverer produktion af tre hovedkomponenter: rammen, modulet og balance-af-systemkomponenter såsom reol og inverter[3]. Drivhusgasser er hovedsageligt forårsaget af modulproduktion (81%), efterfulgt af balance i systemet (12%) og ramme (7%)[3]). Ressourcebehov for produktionscyklussen er sammenfattet i figur 3.
Figur 3: Produktionscyklus og nødvendige ressourcer i et siliciummodul[6].
Emissioner fra livscyle kuldioxid
CO2-emissioner i livscyklus refererer til emissionerne forårsaget af produktion, transport eller installation af materialer relateret til fotovoltaiske systemer. Ud over selve modulerne inkluderer den typiske installation elektrisk kabel og et metalstativ. Jordmonterede fotovoltaiske systemer inkluderer også et betonfundament. Fjerninstallationer kan kræve yderligere infrastruktur til transmission af elektricitet til det lokale elektriske net. Ud over materialer bør en livscyklusanalyse omfatte kuldioxid, der udsendes fra køretøjer under transport af fotovoltaiske moduler mellem fabrikken, lageret og installationsstedet. Figur 4 sammenligner de relative bidrag fra disse faktorer til levetiden for kuldioxidpåvirkninger af fem typer fotovoltaiske moduler[7].
Figur 4:Levetid kuldioxidemissioner i storskala fotovoltaiske installationer, kategoriseret efter komponent. Denne graf sammenligner typiske monokrystallinske siliciummoduler (m-Si (a)), højeffektiv monokrystallinsk silicium (m-Si (b)), cadmium Tellurium (CdTe) og kobber indium selen (CIS) moduler. Graf af forfattere, baseret på[7].
Transportemissioner
Transport tegner sig for ca. 9% af livscyklusemissionerne fra solceller[7]. Fotovoltaiske moduler, stativer og balance mellem systemer (såsom kabler, stik og monteringsbeslag) produceres ofte i udlandet og transporteres til USA med skib[8].I De Forenede Stater transporteres disse komponenter med lastbil til distributionscentre og til sidst til installationsstedet.
Installationsemissioner
Emissioner, der er forbundet med installationen, inkluderer køretøjsemissioner, materialeforbrug og elforbrug i forbindelse med lokale byggeaktiviteter til installation af systemet. Disse aktiviteter genererer mindre end 1% af de samlede livscyklusemissioner fra det fotovoltaiske system[8].
Operation Emissioner
Der genereres ingen luft- eller vandemissioner under brug af PV-moduler. Airsheds påvirkes under konstruktionen af PV-moduler fra opløsningsmiddel- og alkoholemissioner, der bidrager til fotokemisk ozondannelse. Vandskader påvirkes af konstruktionen af moduler fra udvinding af naturressourcer såsom kvarts, siliciumcarbid, glas og aluminium. Samlet set ville udskiftning af nuværende verdensomspændende netelektricitet med centrale PV-systemer føre til 89-98% reduktion i drivhusgasemissioner, kriterier forurenende stoffer, tungmetaller og radioaktive arter[9].
Bortskaffelsesemissioner
Bortskaffelse af fotovoltaiske moduler af silicium har ikke forårsaget væsentlige påvirkninger, fordi store installationer kun har været i brug siden midten af 1980' s og fotovoltaiske moduler har en levetid på mindst 30 år[4]. Fthenakis et al. (2005)[2]specifikt identificeret en mangel på tilgængelige data om bortskaffelse eller genanvendelse af fotovoltaiske moduler, så dette emne garanterer en mere grundig undersøgelse.
LCA for fotovoltaik sammenlignet med andre energikilder
De samlede emissioner af livscyklus, der er forbundet med produktion af fotovoltaisk energi, er højere end kernekraftudslippet, men lavere end produktion af fossil brændstofenergi. Nedenstående liste over drivhusgasemissioner fra flere energiproduktionsteknologier er vist:[3].
Silicium PV: 45 g / kWh
Stenkul: 900 g / kWh
Naturgas: 400-439 g / kWh
Kerne: 20-40 g / kWh
I løbet af deres levetid på 20-30 år genererer solcellemoduler mere elektricitet, end der blev brugt under deres produktion. Energietilbageførsel kvantificerer den minimale brugstid, der kræves for et solcellemodul til at generere den energi, der blev brugt til at producere modulet. Som vist i tabel 1 er den gennemsnitlige tilbagebetalingstid for energi 3-6 år.
Tabel 1: Energy Pay Back Times (EPBT) og Energy Return Factors (ERF) for PV-moduler installeret forskellige steder i verden[6].
Land | By | Solstråling | Breddegrad | Højde | Årlig produktion | EPBT | ERF |
(KWh / m 2) | (m) | (KWh / kWp) | (flere år) | ||||
Australien | Sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Østrig | Wien | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgien | Bruxelles | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Canada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Tjekkiet | Prag | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Danmark | København | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Finland | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Frankrig | Paris | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Frankrig | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Tyskland | Berlin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Tyskland | München | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Grækenland | Athen | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Ungarn | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Irland | Dublin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Italien | Rom | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Italien | Milano | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japan | Tokyo | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Republikken Korea | Seoul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luxembourg | Luxembourg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Nederlandene | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
New Zeland | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norge | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugal | Lissabon | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Spanien | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Spanien | Sevilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Sverige | Stockholm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Schweiz | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
Kalkun | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Det Forenede Kongerige | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Det Forenede Kongerige | Edinburgh | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Forenede Stater | Washington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
konklusioner
PV-paneler af silicium har en lav livscykluspåvirkning på miljøet sammenlignet med de fleste konventionelle energiformer som kul og naturgas. De største kulstofemissioner forårsaget af brugen af PV-paneler er dem, der er forbundet med modulproduktion. Tilbagebetalingstid for energi (EPBT) varierer mellem 3 og 6 år for forskellige sol klimaer over hele verden. Samlet set tilbagebetaler silicium-PV-paneler de krævede energiproduktionsomkostninger på forhånd godt inden deres brugbare levetid og er en nettoenergegenerator for størstedelen af deres brugstid.
Referencer
1 J. Pearce og A. Lau," Net Energy Analyse til bæredygtig energiproduktion fra siliciumbaserede solceller" ;, Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell -Howe, 2002.pdf
4 Luque, A. og S. Hegedus (2003), Håndbog for Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A. og VU Hoffmann (2005), Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, New York, NY.
6 Livscyklusvurdering af fotovoltaisk elproduktion, A. Stoppato, Energi, Volumen 33, udgave 2, februar 2 008, sider 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi og K. Kurokawa (2007), en sammenlignende undersøgelse af omkostnings- og livscyklusanalyse for 100 MW meget store PV (VLS-PV) systemer i ørkener ved hjælp af m-Si, a-Si, CdTe og CIS moduler, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi og K. Kurokawa (2007), en sammenlignende undersøgelse af omkostnings- og livscyklusanalyse for 100 MW meget store PV (VLS-PV) systemer i ørkener ved hjælp af m-Si, a-Si, CdTe og CIS moduler, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
9 Fthenakis, V., Kim, H. og E. Alsema (2008), emissioner fra Photovoltaics livscyklusser. Miljøvidenskabsteknologi, 42, 2168-2174.
