Đánh giá vòng đời (LCA) của tấm silicon PV

Nguồn: obledia.org

Lý lịch

Các công nghệ năng lượng thay thế như các mô-đun quang điện (Hình 1) đang trở nên phổ biến hơn trên toàn thế giới. Trong 2008, lần đầu tiên, các khoản đầu tư trên toàn thế giới vào các nguồn năng lượng thay thế đã thu hút nhiều nhà đầu tư hơn nhiên liệu hóa thạch, tạo ra 155 tỷ đô la vốn ròng so với 110 tỷ đô đầu tư mới vào dầu, khí đốt tự nhiên và than. Chỉ riêng năng lượng mặt trời đã tạo ra $ 6. 5 tỷ doanh thu trên toàn thế giới trong 2004, và dự kiến ​​sẽ tăng gần gấp ba lần với doanh thu dự kiến ​​là $ 18. 5 tỷ cho 2010.

Các công nghệ năng lượng thay thế đang ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới do nhận thức và mối quan tâm lớn hơn về ô nhiễm và biến đổi khí hậu toàn cầu. Các công nghệ năng lượng thay thế cung cấp một tùy chọn mới để có được năng lượng hữu ích từ các nguồn có ít tác động đến môi trường hơn trên hành tinh. Nhưng ít hơn bao nhiêu?

Một đánh giá được công bố trước đây về phân tích năng lượng ròng của quang điện dựa trên silicon^[1]phát hiện ra rằng tất cả các loại PV dựa trên silic (vô định hình, đa tinh thể và đơn tinh thể) tạo ra nhiều năng lượng hơn trong suốt cuộc đời của chúng so với được sử dụng trong sản xuất. Tất cả các PV silicon hiện đại đều tự trả cho mình về mặt năng lượng trong vòng chưa đầy 5 năm - ngay cả trong các kịch bản triển khai dưới mức tối ưu.

Bài viết này tìm hiểu tất cả các tác động môi trường liên quan đến việc sản xuất và sử dụng trọn đời các tấm quang điện silicon (PV).

Đánh giá vòng đời (LCA) là gì

Đánh giá Vòng đời (LCA) đánh giá tác động môi trường của sản phẩm hoặc quy trình từ sản xuất đến thải bỏ^[2]. LCA điều tra các nguyên liệu và năng lượng đầu vào cần thiết để sản xuất và sử dụng sản phẩm, khí thải liên quan đến việc sử dụng và tác động môi trường của việc xử lý hoặc tái chế. LCA cũng có thể điều tra các chi phí bên ngoài, như giảm thiểu môi trường, được thực hiện cần thiết bằng cách sản xuất hoặc sử dụng sản phẩm^[3].

Tóm tắt lịch sử năng lượng mặt trời

Tế bào quang điện đầu tiên được chế tạo bởi Charles Fritts, người đã chế tạo một tế bào 30 cm từ selen và vàng trong 1883^[4]. Các công nghệ quang điện silicon hiện đại đã được phát hiện trong 1954 bởi các nhà nghiên cứu tại Bell Labs, người đã vô tình phát triển nút giao thông cho phép quang điện tạo ra điện hữu ích^[5]. Trong 1958, NASA bắt đầu sử dụng quang điện làm hệ thống năng lượng dự phòng cho các vệ tinh của mình^[4]Khu dân cư chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên được xây dựng tại Đại học Delwar vào năm 1973, và dự án quang điện quy mô megawatt đầu tiên đã được lắp đặt tại California vào năm 1984^[4].

Phân tích vòng đời của bảng điều khiển Silicon PV

Phần sau đây chứa phân tích vòng đời ngắn gọn của tấm PV silicon. Các yếu tố vòng đời được thảo luận bao gồm: năng lượng cần thiết cho sản xuất, lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời và tất cả lượng khí thải ô nhiễm được tạo ra trong một bảng PV có tuổi thọ hữu ích từ: vận chuyển, lắp đặt, vận hành và xử lý.

Yêu cầu năng lượng cho sản xuất

Sản xuất quang điện là bước cực kỳ tốn năng lượng nhất của các mô đun PV được lắp đặt. Như đã thấy trong hình 2, một lượng lớn năng lượng được sử dụng để chuyển đổi cát silic thành silic có độ tinh khiết cao cần thiết cho các tấm quang điện. Việc lắp ráp các mô đun PV là một bước chuyên sâu về tài nguyên với việc bổ sung khung nhôm có hàm lượng năng lượng cao và tấm lợp kính.

Tác động môi trường của mô-đun quang điện silicon liên quan đến việc sản xuất ba thành phần chính: khung, mô-đun và các thành phần cân bằng của hệ thống như giá đỡ và biến tần^[3]. Khí nhà kính chủ yếu là do sản xuất mô-đun (81%), tiếp theo là sự cân bằng của hệ thống (12%) và khung (7%)^[3]). Các yêu cầu tài nguyên của chu trình sản xuất được tóm tắt trong Hình 3.

Hình 3: Chu kỳ sản xuất và tài nguyên cần thiết của mô-đun silicon^[6].

Khí thải Carbon Dioxide Lifecyle

Phát thải carbon dioxide trong vòng đời đề cập đến lượng phát thải do sản xuất, vận chuyển hoặc lắp đặt các vật liệu liên quan đến hệ thống quang điện. Ngoài các mô-đun, cài đặt điển hình bao gồm cáp điện và giá kim loại. Hệ thống quang điện trên mặt đất cũng bao gồm một nền tảng bê tông. Cài đặt từ xa có thể yêu cầu cơ sở hạ tầng bổ sung để truyền tải điện vào lưới điện địa phương. Ngoài các vật liệu, phân tích vòng đời nên bao gồm carbon dioxide phát ra từ các phương tiện trong quá trình vận chuyển các mô-đun quang điện giữa nhà máy, nhà kho và vị trí lắp đặt. Hình 4 so sánh sự đóng góp tương đối của các yếu tố này với tác động của carbon dioxide suốt đời của năm loại mô-đun quang điện^[7].

Hình 4:Phát thải carbon dioxide trọn đời cho các cài đặt quang điện quy mô lớn, được phân loại theo thành phần. Biểu đồ này so sánh các mô đun silic đơn tinh thể điển hình (m-Si (a)), silicon đơn tinh thể hiệu quả cao (m-Si (b)), cadmium Tellurium (CdTe) và mô đun indium selenium (CIS). Đồ thị của các tác giả, dựa trên[7].

Phát thải giao thông

Giao thông vận tải chiếm khoảng 9% lượng phát thải vòng đời của quang điện^[7]. Các mô-đun quang điện, giá đỡ và phần cứng cân bằng của hệ thống (như cáp, đầu nối và giá đỡ) thường được sản xuất ở nước ngoài và vận chuyển đến Hoa Kỳ bằng tàu^[8]Trong nước Mỹ, các bộ phận này được vận chuyển bằng xe tải đến các trung tâm phân phối và cuối cùng đến địa điểm lắp đặt.

Phát thải cài đặt

Khí thải liên quan đến lắp đặt bao gồm khí thải xe cộ, tiêu thụ vật liệu và tiêu thụ điện liên quan đến các hoạt động xây dựng địa phương để cài đặt hệ thống. Các hoạt động này tạo ra ít hơn 1% tổng lượng phát thải vòng đời của hệ thống quang điện^[8].

Phát thải hoạt động

Không có khí thải hoặc không khí được tạo ra trong quá trình sử dụng các mô đun PV. Máy bay bị ảnh hưởng trong quá trình xây dựng các mô đun PV từ khí thải dung môi và rượu góp phần vào sự hình thành ôzôn quang hóa. Đầu nguồn bị ảnh hưởng bởi việc xây dựng các mô-đun từ khai thác tài nguyên thiên nhiên như thạch anh, silicon carbide, thủy tinh và nhôm. Nhìn chung, việc thay thế điện lưới toàn cầu hiện nay bằng hệ thống PV trung tâm sẽ giúp giảm 89-98% lượng khí thải nhà kính, tiêu chí chất ô nhiễm, kim loại nặng và các loại phóng xạ^[9].

Phát thải xử lý

Việc xử lý các mô-đun quang điện silicon không gây ra tác động đáng kể vì các cài đặt quy mô lớn chỉ được sử dụng kể từ giữa năm 1980' các mô-đun quang điện có tuổi thọ ít nhất 30 năm^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]đặc biệt xác định thiếu dữ liệu có sẵn về xử lý hoặc tái chế các mô-đun quang điện, vì vậy chủ đề này đảm bảo điều tra kỹ lưỡng hơn.

LCA của quang điện so với các nguồn năng lượng khác

Tổng phát thải vòng đời liên quan đến sản xuất năng lượng quang điện cao hơn năng lượng hạt nhân nhưng thấp hơn so với sản xuất năng lượng nhiên liệu hóa thạch. Phát thải khí nhà kính vòng đời của một số công nghệ sản xuất năng lượng được liệt kê dưới đây:^[3].

• PV PV: 45 g / kWh

• Than: 900 g / kWh

• Khí thiên nhiên: 400-439 g / kWh

• Hạt nhân: 20-40 g / kWh

Trong vòng đời 20-30 năm của họ, các mô-đun năng lượng mặt trời tạo ra nhiều điện hơn mức tiêu thụ trong quá trình sản xuất. Thời gian hoàn vốn năng lượng định lượng tuổi thọ hữu ích tối thiểu cần thiết cho mô-đun năng lượng mặt trời để tạo ra năng lượng được sử dụng để sản xuất mô-đun. Như được hiển thị trong Bảng 1, thời gian hoàn vốn năng lượng trung bình là 3-6 năm.

Bảng 1: Thời gian hoàn vốn năng lượng (EPBT) và hệ số hoàn trả năng lượng (ERF) của các mô đun PV được cài đặt ở nhiều địa điểm khác nhau trên thế giới^[6].

Kết luận

Các tấm silicon PV có tác động môi trường vòng đời thấp so với hầu hết các dạng năng lượng thông thường như than và khí tự nhiên. Lượng khí thải carbon lớn nhất gây ra bởi việc sử dụng các tấm PV là những phát thải liên quan đến sản xuất mô-đun. Thời gian hoàn vốn năng lượng (EPBT) khác nhau giữa 3 và 6 năm đối với các vùng khí hậu mặt trời khác nhau trên khắp thế giới. Nhìn chung, các tấm silicon silicon hoàn trả chi phí năng lượng trả trước cần thiết cho sản xuất trước thời gian sử dụng hữu ích của chúng và là một máy phát năng lượng ròng cho phần lớn thời gian sử dụng hữu ích của chúng.

Người giới thiệu