Alternatywne technologie energetyczne, takie jak moduły fotowoltaiczne, stają się coraz bardziej popularne na całym świecie. W 2019 r. po raz pierwszy globalne inwestycje w alternatywne źródła energii przyciągnęły więcej inwestorów niż paliwa kopalne, równoważąc 155 miliardów dolarów kapitału netto w porównaniu do 110 miliardów dolarów nowych inwestycji w ropę, gaz i węgiel. Sama energia słoneczna wygenerowała 6,5 miliarda dolarów globalnych przychodów w 2004 roku i oczekuje się, że prawie potroi się, przy przewidywanych przychodach na poziomie 18,5 miliarda dolarów w 2021 roku.
Alternatywne technologie energetyczne stają się coraz bardziej popularne na całym świecie ze względu na większą świadomość i troskę o zanieczyszczenie i globalną zmianę klimatu. Alternatywne technologie energetyczne oferują nową opcję pozyskiwania użytecznej energii ze źródeł, które mają mniejszy wpływ na środowisko na planecie. Ale o ile mniej?
Opublikowany wcześniej przegląd analizy energii netto fotowoltaiki opartej na krzemie wykazał, że wszystkie rodzaje krzemu na bazie fotowoltaiki (amorficzny, polikrystaliczny i monokrystaliczny) generowały znacznie więcej energii w ciągu swojego życia niż jest wykorzystywane w produkcji. Wszystkie nowoczesne panele fotowoltaiczne zwracają się pod względem energii w mniej niż 5 lat – nawet w skrajnie nieoptymalnych scenariuszach wdrożeniowych.
W tym artykule omówiono wszystkie wpływy na środowisko związane z produkcją i użytkowaniem krzemowych paneli fotowoltaicznych (PV).
Co to jest ocena cyklu życia (LCA)
Ocena cyklu życia (LCA) ocenia wpływ produktu lub procesu na środowisko, od produkcji do utylizacji. LCA bada nakłady materiałów i energii wymagane do produkcji i użytkowania produktu, emisje związane z jego użytkowaniem oraz wpływ utylizacji lub recyklingu na środowisko. LCA może również badać koszty zewnętrzne, takie jak łagodzenie skutków środowiskowych, które są wymagane przy produkcji lub użytkowaniu produktu.
Krótka historia energii słonecznej
Pierwsze ogniwo słoneczne skonstruował Charles Fritts, który w 1883 roku zbudował ogniwo z 30 cm selenu i złota. Nowoczesna krzemowa technologia fotowoltaiczna została odkryta w 1954 roku przez naukowców z Bell Labs, którzy przypadkowo opracowali złącze PN, które umożliwia fotowoltaice wytwarzanie użytecznej energii elektrycznej. W 1958 roku NASA zaczęli używać fotowoltaiki jako kopii zapasowych systemów zasilania dla swoich satelitów pierwszy zasilany energią słoneczną rezydencja została zbudowana na University of Delaware w 1973 roku, a projekt fotowoltaiczny pierwszy megawat skalę został zainstalowany w Kalifornii w 1984 roku.
Analiza cyklu życia krzemowych paneli fotowoltaicznych
Poniższy rozdział zawiera krótką analizę cyklu życia krzemowych paneli fotowoltaicznych. Omawiane czynniki cyklu życia obejmują: energię potrzebną do produkcji, emisje dwutlenku węgla w cyklu życia oraz wszystkie emisje zanieczyszczeń generowane przez panele fotowoltaiczne o okresie użytkowania z: transportu, instalacji, eksploatacji i utylizacji.
Wymagania energetyczne do produkcji
Przemysł fotowoltaiczny jest zdecydowanie największą miarą energii zainstalowanych modułów fotowoltaicznych. Jak widać na Rysunku 2, duże ilości energii są wykorzystywane do przekształcenia piasku krzemionkowego w krzem o wysokiej czystości wymagany w panelach fotowoltaicznych. Montaż modułów fotowoltaicznych to kolejny etap wymagający dużej ilości zasobów, z dodatkiem aluminiowych ram o wysokiej konstrukcji i szklanych dachów.
Cykl życia Emisje dwutlenku węgla
Emisje dwutlenku węgla w cyklu życia odnoszą się do emisji spowodowanych produkcją, transportem lub instalacją materiałów związanych z systemami fotowoltaicznymi. Oprócz samych modułów typowa instalacja obejmuje kabel elektryczny i metalowy stojak. Montowane na ziemi systemy fotowoltaiczne obejmują również fundament betonowy. Instalacje zdalne mogą wymagać dodatkowej infrastruktury do przesyłania energii elektrycznej do lokalnej sieci elektrycznej. Oprócz materiałów analiza cyklu życia powinna obejmować dwutlenek węgla emitowany przez pojazdy podczas transportu modułów fotowoltaicznych między fabryką, magazynem i miejscem montażu.
Emisje z transportu
Transport odpowiada za około 9% emisji w cyklu życia fotowoltaiki . Moduły fotowoltaiczne, stojaki i sprzęt systemowy (taki jak kable, złącza i wsporniki montażowe) są często produkowane za granicą i wysyłane do Stanów Zjednoczonych statkiem. W Stanach Zjednoczonych komponenty te są transportowane ciężarówkami do centrów dystrybucyjnych i ostatecznie do miejsca instalacji.
Emisje z instalacji
Emisje związane z instalacją obejmują emisje pojazdów, zużycie materiałów i zużycie energii elektrycznej związane z lokalnymi pracami budowlanymi w zakresie instalacji systemu. Działania te generują mniej niż 1% całkowitej emisji cyklu życia systemu fotowoltaicznego.
Emisje operacyjne
Podczas użytkowania modułów fotowoltaicznych nie powstają żadne emisje do powietrza ani wody. Podczas budowy modułów fotowoltaicznych magazyny powietrza są narażone na emisje rozpuszczalników i alkoholu, które przyczyniają się do powstawania fotochemicznego ozonu. Na działy wodne wpływa budowa modułów pochodzących z wydobycia surowców naturalnych, takich jak kwarc, węglik krzemu, szkło i aluminium. Ogólnie rzecz biorąc, zastąpienie obecnej globalnej energii elektrycznej centralnymi systemami fotowoltaicznymi doprowadziłoby do 89-98% redukcji emisji gazów cieplarnianych, kryteriów zanieczyszczeń, metali ciężkich i gatunków radioaktywnych.
Eliminacja emisji
Wyeliminowanie modułów fotowoltaicznych na bazie krzemu nie przyniosło znaczących efektów, ponieważ instalacje na dużą skalę są stosowane dopiero od połowy lat 80., a moduły fotowoltaiczne mają żywotność co najmniej 30 lat. Fthenakis i in. (2005) (w 2005 r.) wyraźnie określili brak dostępnych danych na temat utylizacji lub recyklingu modułów fotowoltaicznych, więc ten temat uzasadnia dalsze badania.
Krzemowe panele fotowoltaiczne mają niski wpływ na środowisko w porównaniu z większością konwencjonalnych form energii, takich jak węgiel i gaz ziemny. Największe emisje dwutlenku węgla spowodowane zastosowaniem paneli fotowoltaicznych to te związane z produkcją modułów. Czas zwrotu energii (EPBT) waha się od 3 do 6 lat dla różnych klimatów słonecznych na całym świecie. Ogólnie rzecz biorąc, krzemowe panele fotowoltaiczne powracają do kosztów produkcji na długo przed ich okresem użytkowania i generują energię netto przez większość okresu ich użytkowania.
