Оценка на жизнения цикъл (LCA) на силиконови PV панели

Източник: appropedia.org

Заден план

Технологиите за алтернативна енергия като фотоволтаичните модули (Фигура 1) стават все по-популярни в целия свят. В 2008 за първи път световните инвестиции в алтернативни енергийни източници привлякоха повече инвеститори, отколкото изкопаеми горива, като получиха 155 милиарда долара чист капитал срещу 110 милиарда нови инвестиции в петрол, природен газ и въглища. Самата слънчева енергия генерира $ 6. 5 милиарди приходи в световен мащаб в 2004 и се очаква почти да се утрои с прогнозираните приходи от $ 18. 5 милиард за 2010.

Технологиите за алтернативна енергия стават все по-популярни в целия свят поради по-голяма осведоменост и опасения относно замърсяването и глобалните климатични промени. Технологиите за алтернативна енергия предлагат нов вариант за получаване на полезна енергия от източници, които имат по-малко въздействие върху околната среда на планетата. Но колко по-малко?

Предишен публикуван преглед на анализа на нетната енергия на фотоволтаиците на основата на силиций^[1]установяват, че всички видове силициеви (аморфни, поликристални и монокристални) фотоволтаични PV генерират много повече енергия през целия си живот, отколкото се използва при производството им. Всички съвременни силиконови фотоволтаици плащат за себе си от гледна точка на енергия за по-малко от 5 години - дори при изключително неоптимални сценарии за внедряване.

Тази статия изследва всички въздействия върху околната среда, свързани с производството и използването на силиконови фотоволтаични (PV) панели през целия живот.

Какво е оценка на жизнения цикъл (LCA)

Оценка на жизнения цикъл (LCA) оценява въздействието на продукта или процеса върху околната среда от производството до изхвърлянето^[2], LCA изследва материалните и енергийните ресурси, необходими за производството и използването на даден продукт, емисиите, свързани с неговото използване, и въздействието върху околната среда от обезвреждането или рециклирането. LCA може също така да разследва външни разходи, като смекчаване на околната среда, които са необходими при производството или използването на продукт^[3].

Кратка история на слънчевата енергия

Първата фотоволтаична клетка е построена от Чарлз Фритс, който изгради 30-сантиметрова клетка от селен и злато в 1883^[4], Съвременната силиконова фотоволтаична технология е открита в 1954 от изследователи от Bell Labs, които случайно са разработили pn-кръстовището, което позволява на фотоволтаиците да произвеждат полезна електроенергия^[5], В 1958 НАСА започна да използва фотоволтаиците като резервни захранващи системи за своите спътници^[4]Първата резиденция със слънчева енергия е построена в Университета в Делауеър в 1973, а първият фотоволтаичен проект в мегават е инсталиран в Калифорния в 1984^[4].

Анализ на жизнения цикъл на силиконовия PV панел

Следващият раздел съдържа кратък анализ на жизнения цикъл на силиконовите PV панели. Обсъжданите фактори на жизнения цикъл включват: енергията, необходима за производството, емисиите на въглероден диоксид през целия цикъл и всички емисии от замърсяване, генерирани през полезния живот на фотоволтаичните панели: транспорт, монтаж, експлоатация и изхвърляне.

Изисквания за производство на енергия

Производството на фотоволтаици е най-енергоемката стъпка на инсталираните фотоволтаици. Както се вижда от фигура 2, големи количества енергия се използват за преобразуване на силициев пясък в силиций с висока чистота, необходим за фотоволтаични пластини. Сглобяването на фотоволтаичните модули е друга стъпка, интензивна на ресурсите, с добавяне на алуминиева рамка с високо енергийно съдържание и покрив от стъкло.

Въздействието върху околната среда на силиконовия фотоволтаичен модул включва производството на три основни компонента: рамката, модула и компонентите на баланс на системата като багажника и инвертора^[3], Парниковите газове се причиняват най-вече от производството на модули (81%), последвано от баланса на системата (12%) и рамката (7%)^[3]). Изискванията за ресурсите на производствения цикъл са обобщени на фигура 3.

Фигура 3: Производственият цикъл и необходимите ресурси на силиконов модул^[6].

Емисии на въглероден двуокис Lifecyle

Емисиите на въглероден диоксид от жизнения цикъл се отнасят до емисиите, причинени от производството, транспортирането или инсталирането на материали, свързани с фотоволтаичните системи. В допълнение към самите модули, типичната инсталация включва електрически кабел и метална поставка. Наземните фотоволтаични системи включват и бетонна основа. Отдалечените инсталации могат да изискват допълнителна инфраструктура за пренос на електричество в локалната електрическа мрежа. В допълнение към материалите анализът на жизнения цикъл трябва да включва въглероден диоксид, отделян от превозни средства по време на транспортирането на фотоволтаични модули между фабриката, склада и мястото за монтаж. Фигура 4 сравнява относителния принос на тези фактори към въздействието на въглеродния диоксид през целия живот на пет вида фотоволтаични модули^[7].

Фигура 4:Пожизнени емисии на въглероден диоксид за широкомащабни фотоволтаични инсталации, категоризирани според компонента. Тази графика сравнява типични монокристални силициеви модули (m-Si (a)), високоефективен монокристален силиций (m-Si (b)), кадмиев телур (CdTe) и мед индий селен (CIS). Графика по автори въз основа на[7].

Транспортни емисии

Транспортът представлява около 9% от емисиите на фотоволтаици в жизнения цикъл^[7], Фотоволтаичните модули, стелажите и хардуерът на баланса на системата (като кабели, конектори и монтажни скоби) често се произвеждат в чужбина и се транспортират до Съединените щати с кораб^[8]. Със Съединените щати тези компоненти се транспортират с камион до дистрибуторски центрове и евентуално до мястото на монтаж.

Инсталационни емисии

Емисиите, свързани с инсталирането, включват емисии от превозни средства, потребление на материали и потребление на електроенергия, свързани с местни строителни дейности за инсталиране на системата. Тези дейности генерират по-малко от 1% от общите емисии от жизнения цикъл на фотоволтаичната система^[8].

Емисии при експлоатация

Няма емисии въздух или вода, генерирани по време на използването на PV модули. Въздушните прозорци се влияят по време на изграждането на PV модули от емисии на разтворители и алкохол, които допринасят за образуването на фотохимичен озон. Водните басейни са повлияни от изграждането на модули от добив на природни ресурси като кварц, силициев карбид, стъкло и алуминий. Като цяло подмяната на сегашната световна електрическа мрежа с централни фотоволтаични системи би довела до 89-98% намаление на емисиите на парникови газове, критерии замърсители, тежки метали и радиоактивни видове^[9].

Изхвърляне на емисии

Изхвърлянето на силиконови фотоволтаични модули не е причинило значително въздействие, тъй като широкомащабните инсталации се използват само от средата на 1980 г.^[4], Fthenakis et al. (2005)^[2]конкретно идентифицира липсата на налични данни за изхвърляне или рециклиране на фотоволтаични модули, така че тази тема изисква по-задълбочено проучване.

LCA на фотоволтаици в сравнение с други източници на енергия

Общите емисии от жизнения цикъл, свързани с производството на фотоволтаична енергия, са по-високи от тези на ядрената енергия, но по-ниски от тези на производството на енергия от изкопаеми горива. По-долу са изброени емисиите на парникови газове от жизнения цикъл на няколко технологии за производство на енергия:^[3].

• Силиконов PV: 45 g / kWh

• Въглища: 900 г / кВтч

• Природен газ: 400-439 g / kWh

• Ядрена: 20-40 g / kWh

По време на своя 20-30 годишен живот, слънчевите модули генерират повече електроенергия, отколкото е била консумирана по време на тяхното производство. Времето за изплащане на енергия количествено определя минималния полезен живот, необходим за слънчевия модул за генериране на енергия, използвана за производството на модула. Както е показано в таблица 1, средното време за изплащане на енергия е 3-6 години.

Таблица 1: Време за изплащане на енергия (EPBT) и Коефициенти за връщане на енергия (ERF) на PV модули, инсталирани на различни места по света^[6].

Заключения

Силиконовите фотоволтаични панели имат нисък жизнен цикъл върху околната среда в сравнение с повечето конвенционални форми на енергия като въглища и природен газ. Най-големите въглеродни емисии, причинени от използването на PV панели, са тези, свързани с производството на модули. Времената за изплащане на енергия (EPBT) варират между 3 и 6 години за различни слънчеви климати по целия свят. Като цяло, силиконовите фотоволтаични панели изплащат необходимите първоначални разходи за енергия доста преди техния експлоатационен живот и са нетни генератори на енергия през по-голямата част от полезния им живот.

Препратки