מקור: appropedia.org
רקע כללי
טכנולוגיות אנרגיה חלופיות כמו מודולים פוטו וולטאיים (איור 1) הופכות פופולריות יותר ברחבי העולם. ב- 2008, לראשונה, השקעות ברחבי העולם במקורות אנרגיה חלופיים משכו יותר משקיעים מאשר דלקים מאובנים, תוך ניצול של 155 מיליארד דולר בהון נטו לעומת 110 מיליארד דולר של השקעות חדשות בנפט, גז טבעי ופחם. אנרגיה סולארית בלבד הניבה 6 $ 5 מיליארד הכנסות ברחבי העולם ב- 2004, והיא צפויה להכפיל כמעט את זה עם הכנסות צפויות של $ 18. 5 מיליארד עבור 2010.
טכנולוגיות אנרגיה אלטרנטיביות הופכות פופולריות יותר ויותר ברחבי העולם בגלל מודעות וחששות גדולים יותר לזיהום, ושינוי אקלים עולמי. טכנולוגיות אנרגיה חלופיות מציעות אפשרות חדשה להשגת אנרגיה מועילה ממקורות שיש להם פחות השפעה על הסביבה על כדור הארץ. אבל כמה פחות?
סקירה קודמת שפורסמה בעבר על ניתוח אנרגיה נטו של פוטו-וולטאים מבוססי סיליקון[1]מצא כי כל סוגי הסיליקון (אמורפי, פולק-גבישי וקריסטל יחיד) מבוססי PV יצרו אנרגיה רבה בהרבה במהלך חייהם מאשר משמש בייצור שלהם. כל ה- PV הסיליקון המודרני משלם עבור עצמם במונחים של אנרגיה בפחות מ- 5 שנים - אפילו בתרחישים של פריסה תת-אופטימלית ביותר.
מאמר זה בוחן את כל ההשפעות הסביבתיות הקשורות בייצור ושימוש לכל החיים בפאנלים פוטו-וולטיים סיליקון (PV).
מהי הערכת מחזור חיים (LCA)
הערכת מחזור חיים (LCA) מעריכה את ההשפעות הסביבתיות של מוצר או תהליך מייצור לסילוק[2]. LCA בודק את תשומות החומר והאנרגיה הנדרשות לייצור מוצר ושימוש בו, את הפליטות הכרוכות בשימוש בו, ואת ההשפעות הסביבתיות של סילוק או מיחזור. LCA רשאית גם לחקור עלויות חיצוניות, כגון הפחתה בסביבה, הנחוצות על ידי ייצור או שימוש במוצר[3].
היסטוריה קצרה של אנרגיה סולארית
התא הפוטו-וולטאי הראשון נבנה על ידי צ'רלס פריטס, שבנה תא של 30 ס"מ מסלניום וזהב ב 1883[4]. טכנולוגיה פוטו וולטאית מודרנית של סיליקון התגלתה ב- 1954 על ידי חוקרים במעבדות בל, אשר פיתחו בטעות את צומת ה- pn המאפשרת לפוטוולטאים לייצר חשמל שימושי.[5]. ב- 1958, נאס"א החלה להשתמש בפוטוולטאיקה כמערכות כוח גיבוי עבור לווייניה[4]בית המגורים הראשון המונע על ידי השמש הוקם באוניברסיטת דלאוור ב 1973, והפרויקט הראשון פוטו-וולטאי בקנה מידה מגה-ואט הותקן בקליפורניה ב 1984[4].
מחזור חיי פאנל PV של סיליקון
החלק הבא כולל ניתוח מחזור חיים קצר של לוחות PV סיליקון. גורמי מחזור החיים שנדונו כוללים: האנרגיה הנדרשת לייצור, פליטת מחזור החיים של פחמן דו חמצני וכל פליטות הזיהום הנוצרים לאורך לוחות PV מהשימוש בהם: תחבורה, התקנה, תפעול וסילוק.
דרישות אנרגיה לייצור
ייצור פוטו-וולטאים הוא הצעד האינטנסיבי ביותר במודולי PV המותקנים באופן מכריע. כפי שניתן לראות באיור 2, כמויות גדולות של אנרגיה משמשות להמרת חול סיליקה לסיליקון הטוהר הגבוה הנדרש לפלים פוטו-וולטאים. הרכבת מודולי ה- PV היא צעד נוסף עתיר משאבים עם תוספת של מסגרות אלומיניום בעלות אנרגיה גבוהה וגגות זכוכית.
איור 2: דרישות אנרגיה של שלבי ייצור בייצור לוחות PV כאחוזים מדרישת האנרגיה הגולמית (GER) של 1494 MJ / panel (~ 0. 65 m {{4 }}משטח)[6].
ההשפעה הסביבתית של מודול פוטו וולטאי מסיליקון כרוכה בייצור של שלושה רכיבים עיקריים: המסגרת, המודול ורכיבי איזון המערכת כמו מתלה ומהפך.[3]. גזי חממה נגרמים בעיקר כתוצאה מייצור מודולים (81%), ואחריה יתרת המערכת (12%) והמסגרת (7%)[3]). דרישות המשאבים של מחזור הייצור מסוכמים באיור 3.
איור 3: מחזור הייצור והמשאבים הנדרשים של מודול סיליקון[6].
פליטת דו תחמוצת החיים
מחזור חיים פליטת פחמן דו חמצני מתייחס לפליטות הנגרמות כתוצאה מייצור, הובלה או התקנה של חומרים הקשורים למערכות פוטו וולטאיות. בנוסף למודולים עצמם, ההתקנה האופיינית כוללת כבל חשמל ומתלה מתכת. מערכות פוטו וולטאיות צמודות קרקע כוללות גם בסיס בטון. מתקנים מרוחקים עשויים לדרוש תשתית נוספת להעברת חשמל לרשת החשמל המקומית. בנוסף לחומרים, ניתוח מחזור חיים צריך לכלול פחמן דו חמצני הנפלט מכלי רכב במהלך הובלת מודולים פוטו וולטאיים בין המפעל, המחסן ואתר ההתקנה. איור 4 משווה את התרומות היחסיות של גורמים אלה להשפעות הפחמן הדו-חמצני לאורך החיים של חמישה סוגים של מודולים פוטו-וולטאים[7].
איור 4:פליטת פחמן דו חמצני לכל החיים עבור מתקנים פוטו-וולטאיים רחבי היקף, המסווגים לפי רכיב. גרף זה משווה מודולי סיליקון מונוקריסטליים טיפוסיים (m-Si (א)), מודולים סיליקון מונוקריסטלי יעיל גבוה (m-Si (b)), מודולי קדמיום טוריום (CdTe) ומודולים סלניום נחושת (CIS). גרף לפי מחברים, מבוסס על[7].
פליטות תחבורה
התחבורה מהווה כ- 9% מפליטות מחזור החיים של פוטו-וולטאים[7]. מודולים פוטו-וולטאיים, מתלים וחומרה של איזון-מערכת (כגון כבלים, מחברים ותושבות הרכבה) מיוצרים לעתים קרובות מעבר לים ומועברים לארצות הברית באוניה[8]. בארצות הברית רכיבים אלה מועברים במשאית למרכזי חלוקה ובסופו של דבר לאתר ההתקנה.
פליטות התקנה
פליטות הקשורות להתקנה כוללות פליטות רכב, צריכת חומרים וצריכת חשמל הקשורה בפעילות בנייה מקומית להתקנת המערכת. פעילויות אלה מייצרות פחות מ- 1% מכלל פליטות מחזור החיים של המערכת הפוטו-וולטאית[8].
פליטות מבצע
לא נוצרות פליטות אוויר או מים במהלך השימוש במודולי PV. שפיכות אוויר מושפעות במהלך בניית מודולי PV מפליטות ממס ואלכוהול התורמים להיווצרות אוזון פוטוכימי. קו הרשת מושפע מהקמת מודולים מיצוי משאבי טבע כמו קוורץ, סיליקון קרביד, זכוכית ואלומיניום. בסך הכל, החלפת חשמל ברשת העולמית הנוכחית במערכות PV מרכזיות תביא להפחתה של 89-98% בפליטות גזי חממה, קריטריונים מזהמים, מתכות כבדות ומינים רדיואקטיביים.[9].
פליטות סילוק
סילוק מודולים פוטו-וולטאיים מסיליקון לא גרם להשפעות משמעותיות מכיוון שמתקנים בקנה מידה גדול נמצאים בשימוש רק מאמצע 1980' מודולים פוטו-וולטאים הם בעלי חיים של לפחות 30 שנים.[4]. Fthenakis et al. (2005)[2]באופן ספציפי זיהו היעדר נתונים זמינים על סילוק או מיחזור של מודולים פוטו-וולטאים, כך שנושא זה מצדיק בירור מעמיק יותר.
LCA של פוטו וולטיקה בהשוואה למקורות אנרגיה אחרים
פליטת מחזור החיים הכוללת הקשורה לייצור אנרגיה פוטו-וולטאית גבוהה יותר מזו של הכוח הגרעיני, אך נמוכה יותר מזו של ייצור האנרגיה של דלק מאובנים. להלן פליטות מחזורי חיים של גזי חממה של מספר טכנולוגיות לייצור אנרגיה:[3].
PV סיליקון: 45 גרם / קוט"ש
פחם: 900 גרם / קוט"ש
גז טבעי: 400-439 גרם / קוט"ש
גרעיני: 20-40 גרם / קוט"ש
במהלך חייהם של 20-30 שנה, מודולי השמש מייצרים יותר חשמל ממה שנצרך במהלך הייצור שלהם. זמן ההחזר האנרגטי מכמת את חיי השימוש השימושיים המינימליים הנדרשים למודול סולארי לייצור האנרגיה ששימשה לייצור המודול. כפי שמוצג בטבלה 1, זמן ההחזר הממוצע לאנרגיה הוא 3-6 שנים.
טבלה 1: זמני החזר אנרגיה (EPBT) וגורמי החזרת אנרגיה (ERF) של מודולי PV המותקנים במקומות שונים ברחבי העולם[6].
מדינה | העיר | קרינה סולארית | קו רוחב | גובה | הפקה שנתית | EPBT | ERF |
(kWh / m 2) | (m) | (kWh / kWp) | (שנים) | ||||
אוסטרליה | סידני | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
אוסטריה | וינה | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
בלגיה | בריסל | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
קנדה | אוטווה | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
הרפובליקה הצ'כית | פראג | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
דנמרק | קופנהגן | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
פינלנד | הלסינקי | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
צרפת | פריז | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
צרפת | מרסיי | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
גרמניה | ברלין | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
גרמניה | מינכן | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
יוון | אתונה | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
הונגריה | בודפשט | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
אירלנד | דבלין | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
איטליה | רומא | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
איטליה | מילאנו | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
יפן | טוקיו | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
הרפובליקה של קוריאה | סיאול | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
לוקסמבורג | לוקסמבורג | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
הולנד | אמסטרדם | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
ניו זילנד | וולינגטון | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
נורווגיה | אוסלו | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
פורטוגל | ליסבון | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
ספרד | מדריד | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
ספרד | סביליה | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
שבדיה | שטוקהולם | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
שוויץ | ברן | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
טורקיה | אנקרה | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
הממלכה המאוחדת | לונדון | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
הממלכה המאוחדת | אדינבורו | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
ארצות הברית | וושינגטון | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
מסקנות
לוחות PV סיליקון הם בעלי השפעה סביבתית נמוכה על מחזור החיים בהשוואה לרוב צורות האנרגיה המקובלות כמו פחם וגז טבעי. פליטת הפחמן הגדולה ביותר הנגרמת על ידי שימוש בפאנלים PV הם אלה הקשורים לייצור מודולים. זמני החזר האנרגיה (EPBT) משתנים בין 3 ל- 6 שנים עבור אקלים סולארי שונה ברחבי העולם. בסך הכל, לוחות PV סיליקון מחזירים את עלויות האנרגיה הנדרשות לפני הייצור הרבה לפני חייהם השימושיים ומהווים מחולל אנרגיה נטו במשך רוב חיי השימוש שלהם.
הפניות
1 י. פירס ואו לאו," ניתוח אנרגיה נטו לייצור אנרגיה בר-קיימא מתאי שמש על בסיס סיליקון" ;, הליכי החברה האמריקאית למהנדסי מכונות סולאריים 2002: זריחה על כלכלת האנרגיה האמינה, העורך ר 'קמבל. -הו, 2002.pdf
4 Luque, A., and S. Hegedus (2003), ספר לימוד למדע והנדסה פוטו-וולטאית, Wiley, Hoboken, NJ.
5 גוצברגר, א ', ו- VU הופמן (2005), ייצור אנרגיה סולארית פוטו-וולטאית, שפרינגר, ניו יורק, ניו יורק.
6 הערכת מחזור החיים של ייצור חשמל פוטו-וולטאי, א. סטופאטו, אנרגיה, נפח 33, גיליון 2, {פברואר 2 008, עמודים 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ו- K. Kurokawa (2007), מחקר השוואתי על ניתוח עלויות וניתוח מחזור חיים עבור 100 MW מערכות בקנה מידה גדול מאוד של PV (VLS-PV) במדבריות באמצעות מודולי m-Si, a-Si, CdTe ו- CIS, התקדמות בפוטו-וולטאיקה, 16, 17-30
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ו- K. Kurokawa (2007), מחקר השוואתי על ניתוח עלויות וניתוח מחזור חיים עבור 100 MW מערכות בקנה מידה גדול מאוד של PV (VLS-PV) במדבריות באמצעות מודולי m-Si, a-Si, CdTe ו- CIS, התקדמות בפוטו-וולטאיקה, 16, 17-30
9 פתנקיס, ו ', קים, ח' וא 'אלסמה (2008), פליטות ממחזורי חיים פוטו-וולטאיים. טכנולוגיה למדעי הסביבה, 42, 2168-2174.
