Livssyklusvurdering (LCA) av PV-paneler av silisium

Kilde: appropedia.org

Bakgrunn

Alternative energiteknologier som fotovoltaiske moduler (figur 1) blir mer populære rundt om i verden. I 2008, for første gang, trakk verdensomspennende investeringer i alternative energikilder flere investorer enn fossilt brensel, og nettet kapital på 155 milliarder dollar mot $ 110 milliarder nye investeringer i olje, naturgass og kull. Solenergi alene genererte $ 6. 5 milliarder i verdensomspennende omsetning i 2004, og forventes å nesten tredobles det med anslåtte inntekter på $ 18. 5 milliarder for 2010.

Alternative energiteknologier blir stadig mer populære over hele verden på grunn av større bevissthet og bekymring rundt forurensning og globale klimaendringer. Alternative energiteknologier tilbyr et nytt alternativ for å skaffe nyttig energi fra kilder som har mindre miljøpåvirkning på planeten. Men hvor mye mindre?

En tidligere publisert gjennomgang av nettenergianalysen av silisiumbasert fotovoltaikk^[1]fant at alle typer silisium (amorf, polykrystallinsk og enkrystall) -basert PV genererte langt mer energi i løpet av levetiden enn det som ble brukt i deres produksjon. All moderne silisium-PV betaler for seg i form av energi på mindre enn 5 år - selv i svært suboptimale distribusjonsscenarier.

Denne artikkelen undersøker alle miljøkonsekvensene forbundet med produksjon og levetid bruk av solcelle fotovoltaiske paneler.

Hva er en livssyklusvurdering (LCA)

En livssyklusvurdering (LCA) evaluerer miljøkonsekvensene av et produkt eller prosess fra produksjon til avhending^[2]. En LCA undersøker material- og energitilførselene som kreves for å produsere og bruke et produkt, utslippene forbundet med dets bruk og miljøbelastningen av avhending eller gjenvinning. LCA kan også undersøke eksterne kostnader, for eksempel miljøbekjempelse, som blir gjort nødvendige ved produksjon eller bruk av et produkt^[3].

Kort historie om solenergi

Den første fotovoltaiske cellen ble bygget av Charles Fritts, som bygde en 30 cm-celle fra selen og gull i 1883^[4]. Modern silisium fotovoltaisk teknologi ble oppdaget i 1954 av forskere i Bell Labs, som ved et uhell utviklet pn-krysset som gjør det mulig for fotovoltaikk å produsere nyttig strøm^[5]. I 1958 begynte NASA å bruke fotovoltaikk som reservekraftsystemer for satellittene^[4]Den første solenergidrevne boligen ble bygget ved University of Delaware i 1973, og det første fotovoltaiske megavatt-prosjektet ble installert i California i 1984^[4].

PV-panelets livssyklusanalyse av silisium

Følgende avsnitt inneholder en kort livssyklusanalyse av silikon-PV-paneler. Livssyklusfaktorene som diskuteres inkluderer: energien som kreves for produksjonen, livssyklusen karbondioksidutslipp, og alle forurensningsutslippene som genereres gjennom en PV-panel levetid fra: transport, installasjon, drift og avhending.

Energikrav for produksjon

Å produsere solcelleanlegg er overveldende det mest energikrevende trinnet med installerte PV-moduler. Som det fremgår av figur 2, brukes store mengder energi til å konvertere silikasand til silisium med høy renhet som kreves for fotovoltaiske skiver. Montering av PV-modulene er et annet ressurskrevende trinn med tilsetning av aluminiumsrammer med høyt energiinnhold og glasstak.

Miljøpåvirkningen av en fotovoltaisk modul av silisium innebærer produksjon av tre hovedkomponenter: rammen, modulen og balansen mellom systemkomponenter som stativ og omformer^[3]. Klimagasser er forårsaket for det meste av modulproduksjon (81%), etterfulgt av balansen i systemet (12%) og ramme (7%)^[3]). Ressursbehov for produksjonssyklusen er oppsummert i figur 3.

Figur 3: Produksjonssyklusen og nødvendige ressurser til en silisiummodul^[6].

Utslipp fra livscyle karbondioksid

Utslipp av livssyklus karbondioksid refererer til utslippene forårsaket av produksjon, transport eller installasjon av materialer relatert til solcelleanlegg. I tillegg til selve modulene inkluderer den typiske installasjonen elektrisk kabel og et metallstativ. Jordmonterte solcelleanlegg inkluderer også et betongfundament. Fjerninstallasjoner kan kreve ytterligere infrastruktur for overføring av elektrisitet til det lokale elektriske nettet. I tillegg til materialer, bør en livssyklusanalyse inkludere karbondioksid som slippes ut fra kjøretøy under transport av solcellemoduler mellom fabrikken, lageret og installasjonsstedet. Figur 4 sammenligner de relative bidragene til disse faktorene til levetiden av karbondioksidpåvirkninger fra fem typer solcellemoduler^[7].

Figur 4:Levetid utslipp av karbondioksid for storskala solcelleanlegg, kategorisert etter komponent. Denne grafen sammenligner typiske monokrystallinske silisiummoduler (m-Si (a)), høyeffektiv monokrystallinsk silisium (m-Si (b)), kadmium tellur (CdTe) og kobber indium selen (CIS) moduler. Grafikk av forfattere, basert på[7].

Transportutslipp

Transport utgjør omtrent 9% av livssyklusutslippene til solcelleanlegg^[7]. Fotovoltaiske moduler, stativer og maskinvarebalanse (for eksempel kabler, kontakter og monteringsbraketter) produseres ofte utenlands og transporteres til USA med skip^[8].I USA blir disse komponentene fraktet med lastebil til distribusjonssentre og etter hvert til installasjonsstedet.

Installasjonsutslipp

Utslipp knyttet til installasjon inkluderer kjøretøyutslipp, materialforbruk og strømforbruk knyttet til lokal byggeaktivitet for å installere systemet. Disse aktivitetene genererer mindre enn 1% av de totale livssyklusutslippene fra det solcelleanlegget^[8].

Operasjon Utslipp

Det genereres ingen luft- eller vannutslipp under bruk av PV-moduler. Luftskader påvirkes under konstruksjonen av PV-moduler fra løsemiddel- og alkoholutslipp som bidrar til fotokjemisk ozondannelse. Vannskader påvirkes av konstruksjon av moduler fra utvinning av naturressurser som kvarts, silisiumkarbid, glass og aluminium. Generelt vil erstatning av gjeldende verdensomspennende nettelektrisitet med sentrale PV-systemer føre til 89-98% reduksjon i klimagassutslipp, kriterier forurensende stoffer, tungmetaller og radioaktive arter^[9].

Avhending utslipp

Avhending av fotovoltaiske moduler av silisium har ikke gitt vesentlig innvirkning fordi store installasjoner bare har vært i bruk siden midten av 1980' s og fotovoltaiske moduler har levetid på minst 30 år^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]spesifikt identifisert mangel på tilgjengelige data om avhending eller gjenvinning av solcellemoduler, så dette emnet garanterer en grundigere undersøkelse.

LCA of Photovoltaics sammenlignet med andre energikilder

De totale livssyklusutslippene knyttet til fotovoltaisk energiproduksjon er høyere enn kjernekraft, men lavere enn energiproduksjonen fra fossilt brensel. Nedenfor er listet ut klimagassutslipp fra flere energiproduksjonsteknologier:^[3].

• Silisium PV: 45 g / kWh

• Kull: 900 g / kWh

• Naturgass: 400-439 g / kWh

• Atom: 20-40 g / kWh

I løpet av 20-30 års levetid produserer solcellemoduler mer strøm enn det som ble brukt under produksjonen. Tilbakebetalingstid for energi kvantifiserer den minimale levetiden som kreves for en solcellemodul for å generere energien som ble brukt til å produsere modulen. Som vist i tabell 1 er gjennomsnittlig tilbakebetalingstid for energi 3-6 år.

Tabell 1: EPBT (Energy Pay Back Times) og Energy Return Factors (ERF) for PV-moduler installert på forskjellige steder i hele verden^[6].

konklusjoner

PV-paneler av silisium har miljøpåvirkning med lav livssyklus sammenlignet med de fleste konvensjonelle energiformer som kull og naturgass. De største karbonutslippene forårsaket av bruk av PV-paneler er de som er forbundet med modulproduksjon. EPBT (Energy Pay Back Times) varierer mellom 3 og 6 år for forskjellige sol klimaer rundt om i verden. Totalt sett betaler PV-paneler av silisium de nødvendige energikostnadene på produksjonen i god tid før deres levetid, og er en nettoenergi-generator for mesteparten av deres levetid.

referanser