Allikas: appropedia.org
Taust
Alternatiivsed energiatehnoloogiad nagu fotogalvaanilised moodulid (joonis 1) on kogu maailmas populaarsemaks muutumas. 2008 tõi maailmas esmakordselt investeeringud alternatiivsetesse energiaallikatesse rohkem investoreid kui fossiilkütused, andes 155 miljardi dollari netokapitali arvelt 110 miljardi dollari väärtuses uusi investeeringuid naftasse, maagaas ja kivisüsi. Ainuüksi päikeseenergiast saadi 6 miljardit dollarit. 5 miljardit kogukäivet kogu maailmas 2004 ja eeldatavasti peaaegu kolmekordistub, kui prognoositavad tulud on 18 dollarit. 5 miljardit 2010 jaoks.
Alternatiivsed energiatehnoloogiad muutuvad kogu maailmas üha populaarsemaks suurema teadlikkuse ja murega seoses reostuse ja globaalsete kliimamuutustega. Alternatiivsed energiatehnoloogiad pakuvad uut võimalust kasuliku energia saamiseks allikatest, millel on planeedile vähem keskkonnamõju. Aga kui palju vähem?
Eelmine avaldatud ülevaade ränipõhiste fotogalvaanide netoenergia analüüsist[1]leidsid, et igat tüüpi räni (amorfne, polükristalliline ja monokristalliline) baasil toodetud PV toodab elu jooksul palju rohkem energiat kui nende tootmisel kasutatakse. Kõik kaasaegsed räni PV maksavad energia eest vähem kui 5 aasta jooksul ise - isegi väga optimaalse kasutuselevõtu korral.
Selles artiklis uuritakse kõiki keskkonnamõjusid, mis on seotud räni fotogalvaaniliste paneelide tootmise ja eluaegse kasutamisega.
Mis on olelusringi hindamine (LCA)
Olelustsükli hindamisel (LCA) hinnatakse toote või protsessi keskkonnamõjusid alates tootmisest kuni kõrvaldamiseni[2]. LCA uurib materjali tootmiseks ja kasutamiseks vajalikke materiaalseid ja energiaallikaid, selle kasutamisega seotud heiteid ning kõrvaldamise või ringlussevõtu keskkonnamõjusid. LCA võib uurida ka väliseid kulusid, näiteks keskkonna leevendamine, mis on vajalikud toote tootmise või kasutamise tõttu[3].
Päikeseenergia lühiajalugu
Esimese fotogalvaanilise elemendi ehitas Charles Fritts, kes ehitas 1883 seleenist ja kullast 30 cm pikkuse elemendi[4]. Kaasaegse räni fotogalvaanilise tehnoloogia avastasid ettevõttes 1954 Bell Labsi teadlased, kes arendasid juhuslikult välja pn-ristmiku, mis võimaldab fotogalvaanil toota kasulikku elektrit[5]. Aastal 1958 hakkas NASA kasutama fotogalvaanikat oma satelliitide varutoitesüsteemidena[4]Esimene päikeseenergial töötav elukoht ehitati Delawarei ülikoolis 1973 ja esimene megavatt-võimsusega fotogalvaaniline projekt paigaldati Californias 1984[4].
Räni PV paneelide elutsükli analüüs
Järgmine jaotis sisaldab räni PV-paneelide lühikest elutsüklianalüüsi. Arutatud olelustsükli tegurite hulka kuuluvad: tootmiseks vajalik energia, olelustsükli jooksul süsinikdioksiidi heitkogused ja kõik fotoelektriliste paneelide kasuliku tööea jooksul tekivad saasteheited: transportimine, paigaldamine, käitamine ja kõrvaldamine.
Tootmise energiavajadused
Fotoelementide tootmine on paigaldatud PV-moodulite ülekaalukalt kõige energiamahukam etapp. Nagu näha jooniselt 2, kasutatakse ränidioksiidliiva konverteerimisel fotogalvaanilistele vahvlitele vajaliku kõrge puhtusastmega räni saamiseks suuri energiakoguseid. PV-moodulite kokkupanek on veel üks ressursimahukas samm, millele on lisatud suure energiasisaldusega alumiiniumraamimist ja klaasist katusekatteid.
Joonis 2: PV-paneelide tootmise etappide energiavajadus protsentides 1494 MJ / paneeli koguenergiavajadusest (GER) (~ 0. 65 m {{4) }} pind)[6].
Räni fotogalvaanilise mooduli keskkonnamõju hõlmab kolme põhikomponendi tootmist: raami, mooduli ja süsteemitasakaalu komponentide, näiteks püstiku ja muunduri tootmist[3]. Kasvuhoonegaase põhjustab peamiselt moodulite tootmine (81%), millele järgneb süsteemi (12%) ja raami (7%) tasakaal[3]). Tootmistsükli ressursinõuded on kokku võetud joonisel 3.
Joonis 3: ränimooduli tootmistsükkel ja vajalikud ressursid[6].
Olelusringi süsinikdioksiidi heitkogused
Olelusringi süsinikdioksiidi heitkogused on heitkogused, mis on põhjustatud fotogalvaaniliste süsteemidega seotud materjalide tootmisest, transportimisest või paigaldamisest. Lisaks moodulitele endile sisaldab tüüpiline paigaldus elektrikaablit ja metallraami. Maapealsete fotogalvaaniliste süsteemide hulka kuulub ka betoonvundament. Kaugpaigaldised võivad vajada täiendavat infrastruktuuri elektrienergia edastamiseks kohalikku elektrivõrku. Olelustsükli analüüs peaks lisaks materjalidele hõlmama sõidukitest eralduvat süsinikdioksiidi fotogalvaaniliste moodulite transportimisel tehase, lao ja paigalduskoha vahel. Joonisel 4 võrreldakse nende tegurite suhtelist panust viit tüüpi fotogalvaaniliste moodulite kogu eluea süsinikdioksiidi mõjudesse[7].
Joonis 4:Eluaegne süsinikdioksiidi heitkogus suuremahuliste fotogalvaaniliste installatsioonide jaoks, liigitatuna komponendi järgi. Sellel graafikul võrreldakse tüüpilisi monokristallilisi ränimooduleid (m-Si (a)), suure kasuteguriga monokristallilist räni (m-Si (b)), kaadmiumtelluuriumi (CdTe) ja vase indiumseleeni (CIS) mooduleid. Autorite graafik, põhineb[7].
Transpordi heitkogused
Transpordi arvele langeb umbes 9% fotogalvaanika elutsüklist[7]. Fotogalvaanilisi moodulid, nagid ja süsteemitasakaalu riistvara (näiteks kaablid, pistikud ja kinnitusklambrid) toodetakse sageli välismaal ja veetakse laevaga Ameerika Ühendriikidesse[8].Ameerika Ühendriikides veetakse need komponendid veoautodega jaotuskeskustesse ja lõpuks paigalduskohta.
Paigalduse heitkogused
Paigaldamisega seotud heitkogused hõlmavad sõiduki heitkoguseid, materjali tarbimist ja süsteemi paigaldamiseks vajalike kohalike ehitustöödega seotud elektritarbimist. Need tegevused tekitavad vähem kui 1% fotogalvaanilise süsteemi elutsükli koguheitest[8].
Operatsioonide heitkogused
PV-moodulite kasutamisel ei teki õhu ega vee emissiooni. Airsheds mõjutab PV moodulite ehitamisel lahusti ja alkoholi heitkoguseid, mis aitavad kaasa fotokeemilise osooni moodustumisele. Loodusvarade (kvarts, ränikarbiid, klaas ja alumiinium) ammutamisest mõjutatud moodulite ehitamine mõjutab veekihte. Üldiselt tooks praeguse ülemaailmse põhivõrgu elektrienergia asendamine tsentraalse fotoelektrisüsteemiga kasvuhoonegaaside heitkoguste, saasteainete, raskmetallide ja radioaktiivsete liikide heitkoguste vähenemise 89–98%.[9].
Kõrvaldamisheitmed
Räni fotogalvaaniliste moodulite utiliseerimine ei ole märkimisväärset mõju avaldanud, kuna suuremahulised paigaldised on olnud kasutusel alles alates 1980. aasta keskpaigast. (G 39) ja fotogalvaaniliste moodulite eluiga on vähemalt 30 aastat.[4]. Fthenakis jt. (2005)[2]konkreetselt tuvastas fotoelektriliste moodulite utiliseerimise või ringlussevõtu kohta andmete puudumise, nii et see teema nõuab põhjalikumat uurimist.
Fotogalvaanika LCA võrreldes muude energiaallikatega
Fotogalvaanilise energia tootmisega seotud elutsükli koguheide on suurem kui tuumaenergia puhul, kuid väiksem kui fossiilkütuste energia tootmisel. Mitme energiatootmise tehnoloogia olelustsükli jooksul tekkivate kasvuhoonegaaside heitkogused on loetletud allpool:[3].
Räni PV: 45 g / kWh
Kivisüsi: 900 g / kWh
Maagaas: 400–439 g / kWh
Tuumaenergia: 20–40 g / kWh
20-30-aastase eluea jooksul toodavad päikesemoodulid rohkem elektrit, kui nende tootmise ajal tarbiti. Energia tasuvusaeg kvantifitseerib päikesemooduli minimaalse kasuliku tööea, mis kulub mooduli tootmiseks kasutatud energia tootmiseks. Nagu on näidatud tabelis 1, on keskmine energia tasuvusaeg 3–6 aastat.
Tabel 1: erinevates kohtades üle maailma paigaldatud PV-moodulite energia tasuvusajad (EPBT) ja energia tagastamise tegurid (ERF)[6].
Riik | Linn | Päikesekiirgus | Laiuskraad | Kõrgus | Aastane toodang | EPBT | ERF |
(kWh / m 2) | (m) | (kWh / kWp) | (aastat) | ||||
Austraalia | Sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Austria | Viin | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgia | Brüssel | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Tšehhi Vabariik | Praha | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Taani | Kopenhaagen | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Soome | Helsingi | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Prantsusmaa | Pariis | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Prantsusmaa | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Saksamaa | Berliin | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Saksamaa | München | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Kreeka | Ateena | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Ungari | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Iirimaa | Dublin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Itaalia | Rooma | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Itaalia | Milano | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Jaapan | Tokyos | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Korea Vabariik | Soul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luksemburg | Luksemburg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Madalmaad | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Uus-Meremaa | Wellington | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norra | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugal | Lissabon | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Hispaania | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Hispaania | Sevilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Rootsi | Stockholm | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Šveits | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
Türgi | Ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Ühendkuningriik | London | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Ühendkuningriik | Edinburgh | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Ühendriigid | Washington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Järeldused
Ränidioksiidpaneelidel on keskkonnamõju elutsükli jooksul madalaim võrreldes enamiku tavapäraste energiavormidega, näiteks kivisüsi ja maagaas. PV-paneelide kasutamisest tulenevad suurimad süsinikuheited on moodulite tootmisega seotud. Erinevates päikesekliimates üle maailma varieeruvad energia tagasi maksmise ajad (EPBT) vahemikus 3 kuni 6 aastat. Üldiselt tasuvad räni PV-paneelid tootmiseks vajalikud ettemakstud energiakulud tagasi enne nende kasulikku eluiga ja on suurema osa kasuliku tööaja netoenergia generaatoritest.
Viited
1 J. Pearce ja A. Lau," Ränipõhistest päikeseelementidest energia säästva tootmise netoenergia analüüs" American Solaris asuvate masinaehitusinseneride ühingu artiklid 2002: Päikesetõus usaldusväärse energiamajanduse jaoks, toimetaja R. Cambell -Kuidas, 2002.pdf
4 Luque, A. ja S. Hegedus (2003), fotogalvaanilise teaduse ja tehnika käsiraamat, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A. ja VU Hoffmann (2005), fotogalvaanilise päikeseenergia tootmine, Springer, New York, NY.
6 Fotogalvaanilise elektritootmise olelustsükli hinnang, A. Stoppato, energia, maht 33, väljaanne 2, veebruar 2 008, lehed 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ja K. Kurokawa (2007), 100 kulude ja olelusringi analüüsi võrdlev uuring. MW väga laiaulatuslikud PV (VLS-PV) süsteemid kõrbetes, kus kasutatakse m-Si, a-Si, CdTe ja SRÜ mooduleid, Progress in Photovoltaics, 16, 17.-30.
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ja K. Kurokawa (2007), 100 kulude ja olelusringi analüüsi võrdlev uuring. MW väga laiaulatuslikud PV (VLS-PV) süsteemid kõrbetes, kus kasutatakse m-Si, a-Si, CdTe ja SRÜ mooduleid, Progress in Photovoltaics, 16, 17.-30.
9 Fthenakis, V., Kim, H. ja E. Alsema (2008), fotogalvaanika elutsüklite emissioonid. Keskkonnateaduse tehnoloogia, 42, 2168-2174.
