Lähde: appropedia.org
Tausta
Vaihtoehtoiset energiateknologiat, kuten aurinkosähkömoduulit (kuva 1), ovat tulossa yhä suositummiksi ympäri maailmaa. 2008 ensimmäistä kertaa maailmanlaajuiset investoinnit vaihtoehtoisiin energialähteisiin houkuttelivat enemmän sijoittajia kuin fossiilisia polttoaineita, jolloin nettopääoma 155 miljardia dollaria verrattuna 110 miljardiin dollariin uusiin öljyinvestointeihin, maakaasu ja hiili. Pelkästään aurinkoenergia tuotti 6 dollaria. 5 miljardia maailmanlaajuista liikevaihtoa 2004, ja sen odotetaan melkein kolminkertaistuvan tuloihin, kun ennakoidut tulot ovat 18 dollaria. 5 miljardia 2010.
Vaihtoehtoisista energiateknologioista on tullut yhä suositumpia ympäri maailmaa, koska saastumista ja globaalia ilmastomuutosta koskeva tietoisuus ja huolenaiheet lisääntyvät. Vaihtoehtoiset energiateknologiat tarjoavat uuden vaihtoehdon hyödyllisen energian saamiseksi lähteistä, joilla on vähemmän ympäristövaikutuksia planeetalla. Mutta kuinka paljon vähemmän?
Aikaisemmin julkaistu katsaus piipohjaisten aurinkosähkön nettienergian analyysiin[1]havaitsi, että kaikenlaiset pii (amorfinen, monikiteinen ja yksikristalli) pohjainen PV tuotti elinaikanaan paljon enemmän energiaa kuin mitä niiden tuotannossa käytetään. Kaikki nykyaikaiset pii-PV maksavat itsensä energiana alle 5 vuodessa - jopa erittäin optimaalisissa käyttöönoton skenaarioissa.
Tässä artikkelissa tarkastellaan kaikkia ympäristövaikutuksia, jotka liittyvät piidioksidien (PV) paneelien tuotantoon ja elinikäiseen käyttöön.
Mikä on elinkaariarviointi (LCA)
Elinkaariarviointi (LCA) arvioi tuotteen tai prosessin ympäristövaikutukset tuotannosta hävittämiseen[2]. LCA tutkii tuotteen valmistukseen ja käyttöön tarvittavat materiaalit ja energiapanokset, sen käyttöön liittyvät päästöt sekä loppusijoituksen tai kierrätyksen ympäristövaikutukset. LCA voi myös tutkia ulkoisia kustannuksia, kuten ympäristön lieventämistä, jotka ovat tarpeen tuotteen valmistuksen tai käytön vuoksi[3].
Aurinkovoiman lyhyt historia
Ensimmäisen aurinkosähkökennon rakensi Charles Fritts, joka rakensi 30 cm: n kennon seleenistä ja kullasta 1883[4]. Bell Labsin tutkijat löysivät 1954 : sta nykyaikaisen piisähkötekniikan, joka vahingossa kehitti pn-liitoksen, jonka avulla aurinkosähkö tuottaa hyödyllistä sähköä[5]. 1958 NASA alkoi käyttää aurinkosähköä satelliittien varavoimajärjestelminä[4]Ensimmäinen aurinkoenergiaa käyttävä asuinrakennus rakennettiin Delawaren yliopistossa 1973, ja ensimmäinen megawatin mittainen aurinkosähköprojekti asennettiin Kaliforniaan 1984.[4].
Pii-PV-paneelien elinkaarianalyysi
Seuraava jakso sisältää lyhyen piidioksidipaneelien elinkaarianalyysin. Elinkaaritekijöitä, joista keskustellaan, ovat: tuotantoon tarvittava energia, elinkaaren hiilidioksidipäästöt ja kaikki pilaantumispäästöt, jotka syntyvät koko PV-paneelien käyttöiän ajan kuljetuksesta, asennuksesta, käytöstä ja hävittämisestä.
Tuotannon energiavaatimukset
Aurinkosähkövalmisteiden valmistus on ylivoimaisesti energiatehokkain vaihe asennetuista aurinkosähkömoduuleista. Kuten kuvasta 2 nähdään, suuria määriä energiaa käytetään piidioksidihiekan muuntamiseksi korkeapuhtaiseksi piiksi, jota vaaditaan aurinkosähkön kiekkoihin. PV-moduulien kokoonpano on toinen resurssiintensiivinen vaihe, johon on lisätty korkea energiasisältöinen alumiinirunko ja lasikatto.
Kuva 2: Tuotantovaiheiden energiantarpeet PV-paneelien valmistuksessa prosentteina 1494 MJ / paneelin bruttoenergian tarpeesta (GER) (~ 0. 65 m {{4 }}pinta)[6].
Piipohjaisen aurinkosähkömoduulin ympäristövaikutukset koostuvat kolmen pääkomponentin: rungon, moduulin ja järjestelmän tasapainokomponenttien, kuten telineen ja invertterin, tuotannosta.[3]. Kasvihuonekaasut johtuvat pääasiassa moduulien tuotannosta (81%), jota seuraa järjestelmän (12%) ja kehyksen (7%) tasapaino[3]). Tuotantosyklin resurssivaatimukset on esitetty yhteenvetona kuvassa 3.
Kuva 3: Piimodulin tuotantosykli ja vaadittavat resurssit[6].
Lifecyle-hiilidioksidipäästöt
Elinkaarin hiilidioksidipäästöillä tarkoitetaan päästöjä, jotka aiheutuvat aurinkosähköjärjestelmiin liittyvien materiaalien tuotannosta, kuljetuksesta tai asentamisesta. Itse moduulien lisäksi tyypillinen asennus sisältää sähkökaapelin ja metallitelineen. Maahan asennettavat aurinkosähköjärjestelmät sisältävät myös betonisen perustan. Etäasennukset saattavat tarvita lisäinfrastruktuuria sähkön siirtämiseksi paikallisiin sähköverkkoihin. Materiaalien lisäksi elinkaarianalyysiin tulisi sisältyä ajoneuvoista vapautuva hiilidioksidi, kun aurinkosähkömoduuleja kuljetetaan tehtaan, varaston ja asennuspaikan välillä. Kuvassa 4 verrataan näiden tekijöiden suhteellista vaikutusta elinkaaren hiilidioksidivaikutuksiin viidellä aurinkosähkömoduulilla[7].
Kuva 4:Elinikäiset hiilidioksidipäästöt suurissa aurinkosähkölaitteissa, luokiteltu komponentin mukaan. Tässä kaaviossa verrataan tyypillisiä monikiteisiä piimoduuleja (m-Si (a)), korkeahyötysuhteista monokiteistä piitä (m-Si (b)), kadmiumtelluuria (CdTe) ja kupari-indiumseleeni (CIS) -moduuleja. Tekijöiden kaavio perustuen[7].
Kuljetuspäästöt
Kuljetusten osuus aurinkokennojen elinkaaren päästöistä on noin 9%[7]. Aurinkosähkömoduulit, telineet ja järjestelmätasauslaitteistot (kuten kaapelit, liittimet ja kiinnityskiinnikkeet) tuotetaan usein ulkomailla ja kuljetetaan laivaan Yhdysvaltoihin[8]. Yhdysvalloissa nämä komponentit kuljetetaan kuorma-autolla jakelukeskuksiin ja lopulta asennuspaikalle.
Asennuspäästöt
Asennukseen liittyvät päästöt sisältävät ajoneuvojen päästöt, materiaalien kulutuksen ja sähkönkulutuksen, joka liittyy paikallisiin rakennustehtäviin järjestelmän asentamiseksi. Nämä toiminnot tuottavat vähemmän kuin 1% aurinkosähköjärjestelmän kaikista elinkaaren päästöistä[8].
Toiminnan päästöt
PV-moduulien käytön aikana ei muodostu ilmaa tai vettä. Ilmakehään vaikuttaa PV-moduulien rakentamisen aikana liuotin- ja alkoholipäästöistä, jotka vaikuttavat fotokemialliseen otsoninmuodostukseen. Vesistöihin vaikuttaa moduulien rakentaminen luonnonvarojen, kuten kvartsin, piikarbidin, lasin ja alumiinin, louhinnasta. Kaiken kaikkiaan nykyisen maailmanlaajuisen verkon sähkön korvaaminen keskimääräisillä PV-järjestelmillä johtaisi 89–98%: n vähennyksiin kasvihuonekaasupäästöissä, kriteerien saasteissa, raskasmetalleissa ja radioaktiivisissa lajeissa[9].
Loppusijoituspäästöt
Piipohjaisten aurinkosähkömoduulien hävittäminen ei ole aiheuttanut merkittäviä vaikutuksia, koska suuren mittakaavan asennukset ovat olleet käytössä vasta 1980-luvun puolivälistä alkaen' ja aurinkosähkömoduulien elinikä on vähintään 30 vuotta.[4]. Fthenakis et ai. (2005)[2]Erityisesti havaittiin käytettävissä olevien tietojen puuttumista aurinkosähkömoduulien hävittämisestä tai kierrätyksestä, joten tämä aihe edellyttää perusteellisempaa tutkimusta.
Aurinkosähkö LCA verrattuna muihin energialähteisiin
Aurinkosähköenergian tuotantoon liittyvät elinkaaripäästöt ovat korkeammat kuin ydinvoiman, mutta pienemmät kuin fossiilisten polttoaineiden energiantuotannossa. Seuraavassa luetellaan useiden energiantuotantotekniikoiden elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt:[3].
Pii PV: 45 g / kWh
Hiili: 900 g / kWh
Maakaasu: 400-439 g / kWh
Ydin: 20 - 40 g / kWh
20-30 vuoden elinaikanaan aurinkomoduulit tuottavat enemmän sähköä kuin niiden tuotannon aikana kului. Energian takaisinmaksuaika määrittelee pienimmän hyödyllisen käyttöiän, joka aurinkomoduulilta vaaditaan moduulin tuottamiseen käytetyn energian tuottamiseksi. Kuten taulukosta 1 ilmenee, energian keskimääräinen takaisinmaksuaika on 3–6 vuotta.
Taulukko 1: Maailman eri paikkoihin asennettujen PV-moduulien energian takaisinmaksuajat (EPBT) ja energian palautuskertoimet (ERF).[6].
Maa | Kaupunki | Auringonsäteily | leveysaste | Korkeus | Vuotuinen tuotanto | EPBT | ERF |
(KWh / m 2) | (m) | (KWh / kWp) | (Vuosia) | ||||
Australia | sydney | 1614 | 33.55 | 1 | 1319 | 3.728 | 7.5 |
Itävalta | Wien | 1108 | 48.2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
Belgia | Bryssel | 946 | 50.5 | 77 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Kanada | Ottawa | 1377 | 45.25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6.8 |
Tšekin tasavalta | Praha | 1000 | 50.06 | 261 | 818 | 6.012 | 4.7 |
Tanska | Kööpenhamina | 985 | 55.75 | 1 | 850 | 5.786 | 4.8 |
Suomi | Helsinki | 956 | 60.13 | 0 | 825 | 5.961 | 4.7 |
Ranska | Pariisi | 1057 | 48.52 | 32 | 872 | 5.64 | 5 |
Ranska | Marseille | 1540 | 43.18 | 7 | 1317 | 3.734 | 7.5 |
Saksa | Berliini | 999 | 52.32 | 35 | 839 | 5.862 | 4.8 |
Saksa | Munich | 1143 | 48.21 | 515 | 960 | 5.123 | 5.5 |
Kreikka | Ateena | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
Unkari | Budapest | 1198 | 47.3 | 103 | 988 | 4.978 | 5.6 |
Irlanti | Dublin | 948 | 53.2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
Italia | Rooma | 1552 | 41.53 | 15 | 1315 | 3.74 | 7.5 |
Italia | Milano | 1251 | 45.28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5.9 |
Japani | Tokio | 1168 | 35.4 | 14 | 955 | 5.15 | 5.4 |
Korean tasavalta | Soul | 1215 | 37.3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5.7 |
Luxemburg | Luxemburg | 1035 | 49.62 | 295 | 862 | 5.705 | 4.9 |
Alankomaat | Amsterdam | 1045 | 52.21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
Uusi Seelanti | kumisaapas | 1412 | 41.17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6.7 |
Norja | Oslo | 967 | 59.56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
Portugali | Lissabon | 1682 | 35.44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7.9 |
Espanja | Madrid | 1660 | 40.25 | 589 | 1394 | 3.528 | 7.9 |
Espanja | Sevilla | 1754 | 37.24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
Ruotsi | Tukholma | 980 | 59.21 | 16 | 860 | 5.718 | 4.9 |
Sveitsi | Bern | 1117 | 46.57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
Turkki | ankara | 1697 | 39.55 | 1102 | 1400 | 3.513 | 8 |
Yhdistynyt kuningaskunta | Lontoo | 955 | 51.3 | 20 | 788 | 6.241 | 4.5 |
Yhdistynyt kuningaskunta | Edinburgh | 890 | 55.57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
Yhdysvallat | Washington | 1487 | 38.52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
johtopäätökset
Pii-PV-paneeleilla on alhainen elinkaari ympäristövaikutus verrattuna useimpiin tavanomaisiin energiamuotoihin, kuten hiileen ja maakaasuun. Suurimmat PV-paneelien käytön aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ovat moduulien tuotantoon liittyviä. Energian takaisinmaksuajat (EPBT) vaihtelevat 3 ja 6 vuoden välillä erilaisissa aurinkoilmastoissa ympäri maailmaa. Kaiken kaikkiaan pii-PV-paneelit maksavat tuotantoon vaadittavat ennakkoenergian kustannukset hyvissä ajoin ennen niiden käyttöikää ja ovat nettienergian tuottajia suurimman osan käyttöiänsä ajan.
Viitteet
1 J. Pearce ja A. Lau, GG,; Nettoenergian analyysi kestävälle energiantuotannolle piipohjaisista aurinkokennoista GG,;, American Engineering Engineers Society Solar 2002: Auringonnousu luotettavassa energiataloudessa, toimittaja R. Cambell -Howe, 2002.PDF
4 Luque, A. ja S. Hegedus (2003), Photovoltaic Science and Engineering -käsikirja, Wiley, Hoboken, NJ.
5 Goetzberger, A., ja VU Hoffmann (2005), aurinkosähkön tuottaminen aurinkoenergiasta, Springer, New York, NY.
6 Aurinkosähkön tuotannon elinkaariarviointi, A. Stoppato, Energia, volyymi 33, numero 2, helmikuu 2 008, sivut 2 24-232
7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ja K. Kurokawa (2007), vertaileva tutkimus kustannus- ja elinkaarianalyysistä 100 MW erittäin suuren mittakaavan PV (VLS-PV) -järjestelmät aavikoissa, joissa käytetään m-Si-, a-Si-, CdTe- ja CIS-moduuleja, Progress in Photovoltaics, 16, 17.-30.
8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi ja K. Kurokawa (2007), vertaileva tutkimus kustannus- ja elinkaarianalyysistä 100 MW erittäin suuren mittakaavan PV (VLS-PV) -järjestelmät aavikoissa, joissa käytetään m-Si-, a-Si-, CdTe- ja CIS-moduuleja, Progress in Photovoltaics, 16, 17.-30.
9 Fthenakis, V., Kim, H. ja E. Alsema (2008), fotoelektrisen elinkaaren päästöt. Ympäristötiedeteknologia, 42, 2168-2174.
