Источник: appropedia.org
Фон
Технологии альтернативной энергетики, такие как фотоэлектрические модули (рис. 1), становятся все более популярными во всем мире. В 2008 впервые мировые инвестиции в альтернативные источники энергии привлекли больше инвесторов, чем ископаемого топлива, и принесли чистый 155 миллиард долларов чистого капитала против 110 миллиардов долларов новых инвестиций в нефть, природный газ и уголь. Одна только солнечная энергия принесла 6. 5 млрд. Долларов общемирового дохода в 2004 и, как ожидается, почти в три раза превысит прогнозируемый доход в размере 18. 5 миллиард за 2010.
Технологии альтернативной энергетики становятся все более популярными во всем мире из-за большей осведомленности и озабоченности по поводу загрязнения и глобального изменения климата. Технологии альтернативной энергии предлагают новую возможность получения полезной энергии из источников, которые оказывают меньшее воздействие на окружающую среду на планете. Но насколько меньше?
Предыдущий опубликованный обзор анализа чистой энергии фотовольтаики на основе кремния[1]обнаружили, что все типы кремниевых (аморфных, поликристаллических и монокристаллических) фотогальванических панелей генерировали гораздо больше энергии в течение своего срока службы, чем используются при их производстве. Все современные кремниевые фотоэлектрические системы окупают себя с точки зрения энергии менее чем за 5 лет - даже в сценариях с крайне неоптимальным развертыванием.
В этой статье рассматриваются все воздействия на окружающую среду, связанные с производством и сроком службы кремниевых фотоэлектрических (PV) панелей.
Что такое оценка жизненного цикла (LCA)
Оценка жизненного цикла (LCA) оценивает воздействие продукта или процесса на окружающую среду от производства до утилизации.[2], LCA исследует материальные и энергетические затраты, необходимые для производства и использования продукта, выбросы, связанные с его использованием, а также воздействие утилизации или переработки на окружающую среду. LCA может также исследовать внешние затраты, такие как смягчение воздействия на окружающую среду, которые необходимы при производстве или использовании продукта.[3].
Краткая история солнечной энергетики
Первый фотоэлектрический элемент был построен Чарльзом Фриттом, который построил 30-сантиметровый элемент из селена и золота в 1883[4], Современная кремниевая фотоэлектрическая технология была открыта в 1954 исследователями из Bell Labs, которые случайно разработали pn-переход, который позволяет фотоэлектрическим элементам производить полезное электричество[5], В 1958 НАСА начало использовать фотовольтаику в качестве систем резервного питания для своих спутников.[4]Первая резиденция на солнечных батареях была построена в университете штата Делавэр в 1973, а первый фотоэлектрический проект в мегаваттном масштабе был установлен в Калифорнии в 1984[4].
Анализ жизненного цикла фотоэлектрической панели Silicon
Следующий раздел содержит краткий анализ жизненного цикла кремниевых фотоэлектрических панелей. Обсуждаемые факторы жизненного цикла включают в себя: энергию, необходимую для производства, выбросы углекислого газа в течение жизненного цикла и все выбросы загрязнений, возникающие в течение срока полезного использования фотоэлектрических панелей: транспортировка, установка, эксплуатация и утилизация.
Требования к энергии для производства
Производство фотогальванического оборудования в подавляющем большинстве является самым энергоемким этапом из установленных фотоэлектрических модулей. Как видно на рисунке 2, большое количество энергии используется для преобразования кварцевого песка в кремний высокой чистоты, необходимый для фотоэлектрических пластин. Сборка фотоэлектрических модулей является еще одним ресурсоемким этапом с добавлением алюминиевого каркаса с высоким содержанием энергии и стеклянной кровли.
Рисунок 2: Потребности в энергии на этапах производства при производстве фотоэлектрических панелей в процентах от потребности в валовой энергии (GER) 1494 МДж / панель (~ 0. 65 м {{4 }} поверхность)[6].
Воздействие кремниевого фотоэлектрического модуля на окружающую среду включает производство трех основных компонентов: рамы, модуля и компонентов баланса системы, таких как стойка и инвертор.[3], Парниковые газы вызваны главным образом производством модуля (81%), за которым следует баланс системы (12%) и структуры (7%)[3]). Потребности в ресурсах производственного цикла приведены на рисунке 3.
Рисунок 3: производственный цикл и необходимые ресурсы кремниевого модуля[6].
Lifecyle Выбросы углекислого газа
Выбросы углекислого газа в течение жизненного цикла относятся к выбросам, вызванным производством, транспортировкой или установкой материалов, связанных с фотоэлектрическими системами. В дополнение к самим модулям, типичная установка включает в себя электрический кабель и металлическую стойку. Наземные фотоэлектрические системы также включают бетонный фундамент. Для удаленных установок может потребоваться дополнительная инфраструктура для передачи электроэнергии в местную электрическую сеть. В дополнение к материалам анализ жизненного цикла должен включать углекислый газ, выбрасываемый из транспортных средств при транспортировке фотоэлектрических модулей между фабрикой, складом и местом установки. На рисунке 4 сравнивается относительный вклад этих факторов в долговременное воздействие углекислого газа на пять типов фотоэлектрических модулей.[7].
Рисунок 4:Пожизненные выбросы углекислого газа для крупных фотоэлектрических установок, классифицированные по компонентам. На этом графике сравниваются типичные модули монокристаллического кремния (m-Si (a)), высокоэффективные модули монокристаллического кремния (m-Si (b)), теллура кадмия (CdTe) и селена меди-индия и селена (CIS). График авторов, основанный на[7].
Транспортные выбросы
На транспорт приходится около 9% выбросов фотоэлектрических систем в течение жизненного цикла[7], Фотоэлектрические модули, стойки и оборудование системного баланса (например, кабели, разъемы и монтажные кронштейны) часто производятся за рубежом и доставляются в Соединенные Штаты на корабле.[8].В Соединенных Штатах эти компоненты транспортируются на грузовиках в распределительные центры и, в конечном итоге, на место установки.
Выбросы при установке
Выбросы, связанные с установкой, включают выбросы транспортных средств, расход материалов и потребление электроэнергии, связанные с местными строительными работами для установки системы. Эти виды деятельности генерируют менее 1% от общего количества выбросов в течение жизненного цикла фотоэлектрической системы.[8].
Эмиссия при эксплуатации
При использовании фотоэлектрических модулей не образуются выбросы воздуха или воды. Воздухоплавания подвергаются воздействию во время строительства фотоэлектрических модулей от выбросов растворителя и спирта, которые способствуют фотохимическому образованию озона. Водоразделы подвержены влиянию строительства модулей от добычи природных ресурсов, таких как кварц, карбид кремния, стекло и алюминий. В целом, замена нынешней всемирной энергосистемы центральными фотоэлектрическими системами приведет к сокращению выбросов парниковых газов, загрязнителей, тяжелых металлов и радиоактивных видов на 89-98%.[9].
Утилизация выбросов
Утилизация кремниевых фотоэлектрических модулей не привела к значительным последствиям, поскольку крупномасштабные установки использовались только с середины 1980 г.г.[4], Fthenakis et al. (2005)[2]В частности, было выявлено отсутствие доступных данных по утилизации или переработке фотоэлектрических модулей, поэтому эта тема требует более тщательного изучения.
ДМС фотогальваники по сравнению с другими источниками энергии
Общие выбросы в течение жизненного цикла, связанные с производством фотоэлектрической энергии, выше, чем у ядерной энергетики, но ниже, чем у энергии, получаемой из ископаемого топлива. Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла нескольких технологий производства энергии перечислены ниже:[3].
Кремний PV: 45 г / кВтч
Уголь: 900 г / кВтч
Природный газ: 400-439 г / кВтч
Ядерная: 20-40 г / кВтч
В течение своего 20-30-летнего срока службы солнечные модули вырабатывают больше электроэнергии, чем было потреблено во время их производства. Время окупаемости энергии количественно определяет минимальный срок полезного использования, необходимый солнечному модулю для генерации энергии, использованной для производства модуля. Как показано в таблице 1, средний срок окупаемости энергии составляет 3-6 лет.
Таблица 1: время окупаемости энергии (EPBT) и коэффициенты возврата энергии (ERF) фотоэлектрических модулей, установленных в различных точках мира[6].
Страна | Город | Солнечная радиация | широта | высота над уровнем моря | Годовое производство | EPBT | ERF |
(КВт / м 2) | (m) | (КВт · ч / кВтп) | (лет) | ||||
Австралия | Сидней | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Австрия | Вена | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Бельгия | Брюссель | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Канада | Оттава | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Республика Чехия | Прага | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Дания | Копенгаген | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Финляндия | Хельсинки | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Франция | Париж | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Франция | Марсель | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Германия | Берлин | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Германия | Мюнхен | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Греция | Афины | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Венгрия | Будапешт | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Ирландия | Дублин | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Италия | Рим | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Италия | Милан | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Япония | Токио | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Республика Корея | Сеул | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Люксембург | Люксембург | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Нидерланды | Амстердам | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Новая Зеландия | Веллингтон | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Норвегия | Осло | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Португалия | Лиссабон | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Испания | Мадрид | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Испания | Севилья | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Швеция | Стокгольм | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Швейцария | Берн | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
индейка | Анкара | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
объединенное Королевство | Лондон | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
объединенное Королевство | Эдинбург | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Соединенные Штаты | Вашингтон | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Выводы
Кремниевые фотоэлектрические панели имеют низкое воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла по сравнению с большинством традиционных видов энергии, таких как уголь и природный газ. Наибольшие выбросы углерода, вызванные использованием фотоэлектрических панелей, связаны с производством модулей. Время окупаемости энергии (EPBT) варьируется между 3 и 6 годами для различных солнечных климатов по всему миру. В целом, кремниевые фотоэлектрические панели окупают необходимые первоначальные затраты на энергию для производства задолго до их полезного срока службы и являются чистыми генераторами энергии в течение большей части их срока полезного использования.
Ссылки
1 J. Пирс и А. Лау,&"Анализ чистой энергии для устойчивого производства энергии из кремниевых солнечных батарей на основе GG", Труды Американского общества инженеров-механиков "Солнечная" 2002: восход солнца в экономике надежной энергии, редактор Р. Камбелл -Howe, 2002.PDF
4 Луке А. и С. Хегедус (2003), Справочник по фотоэлектрической науке и технике, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Гетцбергер А. и В.У. Хоффманн (2005), «Генерация фотоэлектрической солнечной энергии», Springer, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
6 Оценка жизненного цикла производства фотоэлектрической электроэнергии, А. Стоппато, Энергия, Том 33, Выпуск 2, февраль 2 008, страницы 2 24-232
7 Ито, М., К. Като, К. Комото, Т. Кичими и К. Курокава (2007), Сравнительное исследование затрат и анализа жизненного цикла для 100 МВт очень крупномасштабные фотоэлектрические системы (VLS-PV) в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
8 Ито, М., К. Като, К. Комото, Т. Кичими и К. Курокава (2007), Сравнительное исследование затрат и анализа жизненного цикла для 100 МВт очень крупномасштабные фотоэлектрические системы (VLS-PV) в пустынях с использованием модулей m-Si, a-Si, CdTe и CIS, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
9 Фтенакис В., Ким Х. и Э. Алсема (2008), Выбросы от фотоэлектрических жизненных циклов. Технология наук об окружающей среде, 42, 2168-2174.
