Forrás: appropedia.org
Háttér
Az alternatív energia technológiák, mint például a fotovoltaikus modulok ( 1 ábra) egyre népszerűbbek szerte a világon. A 2008 -ben először az alternatív energiaforrásokba történő világméretű befektetések vonzottak több befektetőt, mint a fosszilis tüzelőanyagok, és 155 milliárd dollár nettó tőkét vontak le, szemben a 110 milliárd dollár új olajbefektetéssel, földgáz és szén. A napenergia önmagában 6. 5 milliárd dolláros bevételt generált világszerte 2004, és várhatóan majdnem megháromszorozódik, ha a becsült bevétel 18. 5 milliárd dollár a 2010 számára.
Az alternatív energia technológiák egyre népszerűbbek az egész világon a szennyezés és a globális éghajlatváltozás fokozottabb tudatossága és aggodalmak miatt. Az alternatív energiatechnológiák új lehetőséget kínálnak a hasznos energia megszerzésére olyan forrásokból, amelyek kevésbé gyakorolják a bolygóra a környezetet. De mennyivel kevesebbet?
A szilícium-alapú fotovoltaikus elemek nettó energia-elemzésének korábbi közzététele[1]megállapította, hogy az összes szilícium (amorf, polikristályos és monokristályos) alapú PV-k élettartama során sokkal több energiát generálnak, mint amennyit előállításaik során felhasználnak. Az összes modern szilícium PV kevesebb, mint 5 év alatt fizeti meg az energiát - még a rendkívül nem optimális telepítési helyzetekben is.
Ez a cikk a szilícium fotovillamos (PV) panelek gyártásával és élettartamú használatával kapcsolatos összes környezeti hatást feltárja.
Mi az életciklus-értékelés (LCA)
Az életciklus-értékelés (LCA) értékeli egy termék vagy folyamat környezeti hatásait a termeléstől az ártalmatlanításig[2]. Egy LCA megvizsgálja a termék előállításához és használatához szükséges anyag- és energiafelhasználást, a felhasználáshoz kapcsolódó kibocsátásokat, valamint az ártalmatlanítás vagy újrahasznosítás környezeti hatásait. Az LCA megvizsgálhatja azokat a külső költségeket is, mint például a környezet csökkentése, amelyeket egy termék előállítása vagy használata szükségessé tesz.[3].
A napenergia rövid története
Az első fotoelektromos cellát Charles Fritts építette, aki a 1883 -ben 30 cm-es cellát készített szelénből és aranyból[4]. A modern szilícium fotovoltaikus technológiát a 1954 kutatók fedezték fel a Bell Labs kutatói között, akik véletlenül kifejlesztették azt a pn-csomópontot, amely lehetővé teszi a fotovoltaikus elemek hasznos elektromos áram előállítását.[5]. A 1958 -ben a NASA műholdainak tartalék energiaellátó rendszereként kezdett használni a fotovoltaikus rendszereket[4]Az első napenergiával működő házat a Delawarei Egyetemen építették 1973 -ben, és az első megawatt méretű fotovoltaikus projektet Kaliforniában telepítették 1984[4].
Szilícium PV panel életciklus-elemzése
A következő szakasz a szilícium PV panelek rövid életciklus-elemzését tartalmazza. A tárgyalt életciklus-tényezők a következők: a termeléshez szükséges energia, az életciklus során a szén-dioxid-kibocsátás és az összes szennyezőanyag-kibocsátás, amelyet a fotovoltaikus panelek hasznos élettartama során generálnak: szállítás, telepítés, üzemeltetés és ártalmatlanítás.
A gyártás energiakövetelményei
A fotovoltaikus elemek gyártása a beszerelt fotovoltaikus modulok túlnyomó része a leginkább energiaigényes lépés. Amint az a 2 ábrán látható, nagy mennyiségű energiát kell felhasználni a szilícium-homok átalakítására a fotovoltaikus ostyákhoz szükséges nagy tisztaságú szilíciummá. A PV-modulok összeszerelése újabb erőforrás-igényes lépés nagy energiatartalmú alumíniumkeretes és üvegtetős fedél hozzáadásával.
2 ábra: A PV panelek gyártása során a gyártási szakasz energiaigénye a 1494 MJ / panel bruttó energiaszükségletének (GER) százalékában (~ 0. 65 m {{4 }}felület)[6].
A szilícium fotovoltaikus modul környezeti hatása három fő alkotóelem előállítását foglalja magában: a keretet, a modult és a rendszer egyensúlyának alkotóelemeit, például az állványt és az invertert.[3]. Az üvegházhatású gázokat elsősorban a modul előállítása okozza (81%), majd a rendszer (12%) és a keret egyensúlya (7%).[3]). A termelési ciklus erőforrásigényét a 3 ábra foglalja össze.
3 ábra: A szilikon modul gyártási ciklusa és szükséges forrásai[6].
Életciklus szén-dioxid-kibocsátás
Az életciklus során a szén-dioxid-kibocsátás a fotovoltaikus rendszerekhez kapcsolódó anyagok gyártása, szállítása vagy telepítése által okozott kibocsátásokra vonatkozik. A tipikus telepítés magán a modulokon kívül elektromos kábelt és fémtartót is tartalmaz. A földre szerelt fotovoltaikus rendszerek tartalmaznak egy konkrét alapot is. A távoli telepítésekhez további infrastruktúrára lehet szükség a villamos energia továbbításához a helyi elektromos hálózatba. Az anyagok mellett az életciklus-elemzésnek ki kell terjednie a járművek által kibocsátott szén-dioxidra a fotovoltaikus modulok szállításakor a gyár, a raktár és a telepítési hely között. A 4 ábra összehasonlítja ezen tényezők relatív hozzájárulását az ötféle fotovoltaikus modul élettartamú szén-dioxid hatásához[7].
Ábra 4:Az életen át tartó szén-dioxid-kibocsátás nagyméretű fotovoltaikus berendezéseknél, összetevők szerint kategorizálva. Ez a grafikon összehasonlítja a tipikus monokristályos szilícium modulokat (m-Si (a)), a nagy hatékonyságú monokristályos szilíciumot (m-Si (b)), a kadmium-tellúr (CdTe) és a réz-indium-szelén (CIS) modulokat. Grafikon a szerzők alapján,[7].
Szállítás kibocsátása
A szállítás a fotovoltaikus elemek életciklus-kibocsátásának körülbelül 9% -át teszi ki[7]. A fotovoltaikus modulokat, állványokat és a rendszer egyensúlyi hardvereit (például kábelek, csatlakozók és szerelőkonzolok) gyakran tengerentúlon gyártják, és hajóval szállítják az Egyesült Államokba[8].Az Egyesült Államokban ezeket az alkatrészeket teherautóval szállítják az elosztóközpontokba és végül a telepítési helyre.
Telepítési kibocsátások
A telepítéshez kapcsolódó kibocsátások magukban foglalják a jármű kibocsátását, az anyagfogyasztást és a rendszer telepítéséhez szükséges helyi építési tevékenységekhez kapcsolódó villamosenergia-fogyasztást. Ezek a tevékenységek a fotovoltaikus rendszer teljes életciklus-kibocsátásának kevesebb, mint 1% -át generálják[8].
Működési kibocsátások
A PV-modulok használata során nem keletkeznek levegő vagy víz kibocsátások. A légköri érzékenységet befolyásolják a PV-modulok építése során az oldószer és az alkohol kibocsátásai, amelyek hozzájárulnak a fotokémiai ózonképződéshez. A vízpartokat a természeti erőforrások, például kvarc, szilícium-karbid, üveg és alumínium kinyeréséből származó modulok építése befolyásolja. Összességében a jelenlegi világszerte működő hálózati villamos energia központi PV rendszerekkel történő felváltása az üvegházhatású gázok kibocsátásának, a szennyező anyagok kritériumainak, a nehézfémeknek és a radioaktív fajoknak 89–98% -os csökkentését eredményezi.[9].
Ártalmatlanító kibocsátások
A szilícium fotoelektromos modulok ártalmatlanítása nem okozott jelentős hatást, mivel a nagyméretű létesítményeket csak 1980-as évek közepe óta használják; a fotovoltaikus modulok élettartama legalább 30 év.[4]. Fthenakis et al. (2005)[2]kifejezetten a fotovoltaikus modulok ártalmatlanításával vagy újrahasznosításával kapcsolatos rendelkezésre álló adatok hiányát azonosította, tehát ez a téma alaposabb vizsgálatot igényel.
A fotovoltaikus energia LCA összehasonlítva más energiaforrásokkal
A fotovoltaikus energia előállításához kapcsolódó teljes életciklus-kibocsátás magasabb, mint az atomenergia, de alacsonyabb, mint a fosszilis tüzelőanyagok előállításánál. Az alábbiakban felsoroljuk számos energiatermelő technológia életciklusa során jelentkező üvegházhatású gázkibocsátást:[3].
Szilícium PV: 45 g / kWh
Szén: 900 g / kWh
Földgáz: 400–439 g / kWh
Nukleáris: 20-40 g / kWh
20-30 éves élettartama alatt a napelemes modulok több villamos energiát termelnek, mint amennyit a termelésük során felhasználtak. Az energia megtérülési ideje meghatározza azt a minimális hasznos élettartamot, amely egy napelem modulhoz szükséges a modul előállításához felhasznált energia előállításához. A 1 táblázat szerint az energia átlagos megtérülési ideje 3-6 év.
1 táblázat: A világ különböző pontjaira telepített PV-modulok energia-visszatérítési ideje (EPBT) és energia-visszatérítési tényezői (ERF)[6].
Ország | Város | Napsugárzás | Szélességi kör | Magasság | Éves termelés | EPBT | ERF |
(KWh / m 2) | (m) | (KWh / kWp) | (évek) | ||||
Ausztrália | Sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Ausztria | Bécs | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgium | Brüsszel | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Cseh Köztársaság | Prága | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Dánia | Koppenhága | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Finnország | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Franciaország | Párizs | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Franciaország | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Németország | Berlin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Németország | München | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Görögország | Athén | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Magyarország | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Írország | Dublin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Olaszország | Róma | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Olaszország | Milánó | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japán | Tokyo | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Koreai Köztársaság | Szöul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luxemburg | Luxemburg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Hollandia | Amszterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Újzéland | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norvégia | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugália | Lisszabon | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Spanyolország | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Spanyolország | Sevilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Svédország | Stockholm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Svájc | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
pulyka | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Egyesült Királyság | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Egyesült Királyság | Edinburgh | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Egyesült Államok | Washington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Következtetések
A szilícium-PV paneleknek alacsony életciklusú környezeti hatása van az energia szokásos formáinak, például a szénhez és a földgázhoz képest. A PV panelek használata okozza a legnagyobb szén-dioxid-kibocsátást a modul gyártásával összefüggésben. Az energia-visszatérítési idők (EPBT) a világ különböző napenergia-éghajlataiban 3 és 6 év között változnak. Összességében a szilikon PV panelek megtérítik a termelés előzetes energiaköltségeit jóval a hasznos élettartamuk elõtt, és hasznos élettartamuk legnagyobb részében nettó energiatermelõk.
Irodalom
1 J. Pearce és A. Lau," Szilícium alapú napelemekből származó nettó energia elemzés a fenntartható energiatermeléshez", Solar Amerikai Gépészmérnökök Társaságának folyóiratai 2002: Napkelte a megbízható energiagazdaságban, szerkesztő R. Cambell -Howe, 2002.pdf
4 Luque, A. és S. Hegedus (2003), Útmutató a fotovoltaikus tudomány és a technika számára, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A. és VU Hoffmann (2005), fotovoltaikus napenergia-előállítás, Springer, New York, NY.
6 A fotovoltaikus villamosenergia-termelés életciklusának értékelése, A. Stoppato, Energia, 33 mennyiség, 2, február 2 008, 2 24-232. Oldal
7 Ito, M., Kato K., Komoto K., T. Kichimi és K. Kurokawa (2007), összehasonlító tanulmány a 100 költség- és életciklus-elemzéséről MW nagyon nagyméretű PV (VLS-PV) rendszerek sivatagokban, m-Si, a-Si, CdTe és CIS modulokkal, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
8 Ito, M., Kato K., Komoto K., T. Kichimi és K. Kurokawa (2007), összehasonlító tanulmány a 100 költség- és életciklus-elemzéséről MW nagyon nagyméretű PV (VLS-PV) rendszerek sivatagokban, m-Si, a-Si, CdTe és CIS modulokkal, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30
9 Fthenakis, V., Kim, H. és E. Alsema (2008), a fotovoltaikus életciklusok kibocsátásai. Környezettudományi technológia, 42, 2168-2174.
