Livscykelbedömning (LCA) av kisel PV-paneler

Källa: appropedia.org

Bakgrund

Alternativa energitekniker som fotovoltaiska moduler (figur 1) blir mer populära runt om i världen. I 2008, för första gången, drog världsomspännande investeringar i alternativa energikällor fler investerare än fossila bränslen, netting med 155 miljarder dollar i nettokapital mot $ 110 miljarder nya investeringar i olja, naturgas och kol. Solenergi genererade ensam 6. 5 miljarder i globala intäkter på 2004 och förväntas nästan tredubbla det med beräknade intäkter på $ 18. 5 miljarder för 2010.

Alternativ energiteknologi blir allt populärare över hela världen på grund av ökad medvetenhet och oro för förorening och globala klimatförändringar. Alternativ energiteknik erbjuder ett nytt alternativ för att få användbar energi från källor som har mindre miljöpåverkan på planeten. Men hur mycket mindre?

En tidigare publicerad granskning av nettenergianalysen av kiselbaserad fotovoltaik^[1]fann att alla typer av kisel (amorf, polykristallin och enkelkristall) -baserade PV genererade mycket mer energi under deras livslängd än vad som används i deras produktion. All modern PV-kisel betalar för sig själva i termer av energi på mindre än 5 år - även i mycket suboptimala distributionsscenarier.

Den här artikeln undersöker alla miljökonsekvenser som är förknippade med produktion och livslängd av användning av fotovoltaiska paneler (kisel).

Vad är en livscykelbedömning (LCA)

En livscykelbedömning (LCA) utvärderar miljöpåverkan av en produkt eller process från produktion till bortskaffande^[2]. En LCA undersöker material- och energiinsatserna som krävs för att producera och använda en produkt, de utsläpp som är förknippade med dess användning och miljöpåverkan av bortskaffande eller återvinning. LCA kan också undersöka externa kostnader, till exempel miljöreducering, som behövs genom produktion eller användning av en produkt^[3].

Kort historia om solkraft

Den första fotovoltaiska cellen byggdes av Charles Fritts, som byggde en 30 cm cell från selen och guld i 1883^[4]. Modern kiselfotovoltaisk teknik upptäcktes i 1954 av forskare i Bell Labs, som av misstag utvecklade pn-korsningen som gör det möjligt för fotovoltaik att producera användbar elektricitet^[5]. I 1958 började NASA använda fotovoltaik som reservkraftsystem för sina satelliter^[4]Den första solenergidrivna bostaden byggdes vid University of Delaware i 1973, och det första fotovoltaiska projektet med megawatt skala installerades i Kalifornien i 1984^[4].

PV-panelens livscykelanalys

Följande avsnitt innehåller en kort livscykelanalys av PV-paneler av kisel. Livscykelfaktorerna som diskuteras inkluderar: energin som krävs för produktionen, livscykeln koldioxidutsläpp och alla föroreningsutsläpp som genereras genom en PV-panel livslängd från: transport, installation, drift och bortskaffande.

Energikrav för produktion

Tillverkning av fotovoltaik är överväldigande det mest energikrävande steget med installerade PV-moduler. Som framgår av figur 2 används stora mängder energi för att omvandla kiseldioxid till kisel med hög renhet som krävs för fotovoltaiska skivor. Montering av PV-modulerna är ytterligare ett resurskrävande steg med tillägg av aluminiumramar med hög energiinnehåll och glasstak.

Miljöpåverkan av en fotovoltaisk modul av kisel innebär produktion av tre huvudkomponenter: ramen, modulen och system-balanskomponenter som stativ och växelriktare^[3]. Växthusgaser orsakas främst av modulproduktion (81%) följt av systembalansen (12%) och ram (7%)^[3]). Resurskraven för produktionscykeln sammanfattas i figur 3.

Bild 3: Produktionscykeln och nödvändiga resurser för en kiselmodul^[6].

Utsläpp från livscyle koldioxid

Livslängd koldioxidutsläpp hänvisar till utsläpp orsakade av produktion, transport eller installation av material relaterade till fotovoltaiska system. Förutom själva modulerna inkluderar den typiska installationen elektrisk kabel och ett metallställ. Markmonterade fotovoltaiska system inkluderar också en betongfundament. Fjärrinstallationer kan kräva ytterligare infrastruktur för överföring av el till det lokala elnätet. Förutom material bör en livscykelanalys inkludera koldioxid som släpps ut från fordon under transport av fotovoltaiska moduler mellan fabriken, lagret och installationsplatsen. Figur 4 jämför de relativa bidragen från dessa faktorer till livslängden på koldioxidpåverkan hos fem typer av fotovoltaiska moduler^[7].

Skiss 4:Livslängd koldioxidutsläpp för storskaliga fotovoltaiska installationer, kategoriserade efter komponent. Detta diagram jämför typiska monokristallina kiselmoduler (m-Si (a)), högeffektiv monokristallint kisel (m-Si (b)), kadmium Tellurium (CdTe) och kopparindiumselen (CIS) moduler. Graf av författare, baserat på[7].

Transportutsläpp

Transport står för cirka 9% av livscykelutsläppen från fotovoltaik^[7]. Fotovoltaiska moduler, stativer och maskinvarubalans (som kablar, kontakter och monteringsfästen) produceras ofta utomlands och transporteras till USA med fartyg^[8]. I USA transporteras dessa komponenter med lastbil till distributionscenter och så småningom till installationsplatsen.

Installationsutsläpp

Utsläpp förknippade med installationen inkluderar fordonsutsläpp, materialförbrukning och elförbrukning i samband med lokal byggverksamhet för att installera systemet. Dessa aktiviteter genererar mindre än 1% av de totala livscykelutsläppen från det fotovoltaiska systemet^[8].

Driftutsläpp

Det genereras inga luft- eller vattenutsläpp vid användning av PV-moduler. Luftskador påverkas under konstruktion av PV-moduler från lösningsmedel och alkoholutsläpp som bidrar till fotokemisk ozondannelse. Vattendrag påverkas av konstruktion av moduler från utvinning av naturresurser som kvarts, kiselkarbid, glas och aluminium. Sammantaget skulle ersättning av nuvarande elnät över hela världen med centrala PV-system leda till 89-98% minskningar av utsläpp av växthusgaser, kriterier föroreningar, tungmetaller och radioaktiva arter^[9].

Avfallshantering

Bortskaffandet av fotovoltaikmoduler av kisel har inte orsakat någon betydande påverkan eftersom storskaliga installationer endast har använts sedan mitten av 1980' s och fotovoltaiska moduler har livslängder på minst 30 år^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]specifikt identifierade en brist på tillgängliga data om bortskaffande eller återvinning av solcellsmoduler, så detta ämne garanterar en grundligare undersökning.

LCA för fotovoltaik jämfört med andra energikällor

De totala livscykelutsläppen som är förknippade med fotovoltaisk energiproduktion är högre än kärnkraftsproduktionen men lägre än de för produktion av fossila bränslenergier. Nedan listas livslängden av växthusgaser från flera energiproduktionstekniker:^[3].

• Kisel PV: 45 g / kWh

• Kol: 900 g / kWh

• Naturgas: 400-439 g / kWh

• Kärnkraft: 20-40 g / kWh

Under deras livslängd på 20-30 år genererar solmoduler mer el än vad som förbrukades under deras produktion. Återbetalningstiden kvantifierar den lägsta livslängd som krävs för en solmodul för att generera den energi som användes för att producera modulen. Som visas i tabell 1 är den genomsnittliga återbetalningstiden för energi 3-6 år.

Tabell 1: Energy Pay Back Times (EPBT) och Energy Return Factors (ERF) för PV-moduler installerade på olika platser runt om i världen^[6].

Slutsatser

PV-paneler av kisel har en låg livscykelpåverkan på miljön jämfört med de flesta konventionella energiformer som kol och naturgas. De största koldioxidutsläppen orsakade av användning av PV-paneler är de som är förknippade med modulproduktion. Återbetalningstider för energi (EPBT) varierar mellan 3 och 6 år för olika sol klimat runt om i världen. Sammantaget återbetalar PV-paneler av kisel de erforderliga energikostnaderna för produktion långt innan deras användbara livslängd och utgör en nettogenerator för större delen av deras livslängd.

referenser