Levenscyclusanalyse (LCA) van silicium PV-panelen

- May 20, 2020-

Bron: toepassedia.org


Achtergrond

Alternatieve energietechnologieën zoals fotovoltaïsche modules (Figuur 1) worden over de hele wereld populairder. In 2008 trokken voor het eerst wereldwijde investeringen in alternatieve energiebronnen meer investeerders aan dan fossiele brandstoffen, wat $ 155 miljard aan nettokapitaal opleverde tegen $ 110 miljard aan nieuwe investeringen in olie, aardgas en kolen. Alleen zonne-energie genereerde $ 6. 5 miljard dollar aan wereldwijde inkomsten in 2004, en zal naar verwachting dat bijna verdrievoudigen met een verwachte omzet van $ 18. 5 miljard voor 2010.

Alternatieve energietechnologieën worden over de hele wereld steeds populairder vanwege het grotere bewustzijn en de bezorgdheid over vervuiling en de wereldwijde klimaatverandering. Alternatieve energietechnologieën bieden een nieuwe optie voor het verkrijgen van nuttige energie uit bronnen die minder impact hebben op het milieu op de planeet. Maar hoeveel minder?

Een eerder gepubliceerd overzicht van de netto-energieanalyse van fotovoltaïsche zonnecellen[1]ontdekte dat alle soorten op silicium (amorf, polykristallijn en enkelkristal) gebaseerd PV gedurende hun levensduur veel meer energie opwekten dan bij de productie ervan wordt gebruikt. Alle moderne silicium PV betalen zichzelf terug in termen van energie in minder dan 5 jaar, zelfs in zeer suboptimale implementatiescenario's.

Dit artikel gaat in op alle milieueffecten die verband houden met de productie en het levenslange gebruik van fotovoltaïsche panelen van silicium (PV).

Wat is een levenscyclusanalyse (LCA)

Een levenscyclusanalyse (LCA) evalueert de milieueffecten van een product of proces van productie tot verwijdering[2]. Een LCA onderzoekt de materiaal- en energie-input die nodig is om een ​​product te produceren en te gebruiken, de emissies die verband houden met het gebruik ervan, en de milieueffecten van verwijdering of recycling. De LCA kan ook externe kosten onderzoeken, zoals milieubeperking, die noodzakelijk worden gemaakt door de productie of het gebruik van een product[3].

Korte geschiedenis van zonne-energie

De eerste fotovoltaïsche cel werd gebouwd door Charles Fritts, die een cel van 30 cm bouwde uit selenium en goud in 1883[4]. Moderne silicium-fotovoltaïsche technologie werd ontdekt in 1954 door onderzoekers van Bell Labs, die per ongeluk de pn-overgang ontwikkelden waarmee fotovoltaïsche energie nuttige elektriciteit kan produceren[5]. In 1958 begon NASA fotovoltaïsche energie te gebruiken als back-upstroomsystemen voor zijn satellieten[4]De eerste woning op zonne-energie werd gebouwd aan de Universiteit van Delaware in 1973 en het eerste fotovoltaïsche project op megawattschaal werd geïnstalleerd in Californië in 1984[4].

Silicon PV Panel Lifecycle Analysis

Het volgende gedeelte bevat een korte levenscyclusanalyse van silicium PV-panelen. De besproken levenscyclusfactoren zijn onder meer: ​​de energie die nodig is voor de productie, de levenscyclus van kooldioxide-emissies en alle vervuilingsemissies die worden gegenereerd door een PV-panelen nuttige levensduur van: transport, installatie, bediening en verwijdering.

Energie-eisen voor productie

De productie van fotovoltaïsche installaties is overweldigend de meest energie-intensieve stap van geïnstalleerde PV-modules. Zoals te zien is in figuur 2, worden grote hoeveelheden energie gebruikt om silicazand om te zetten in het zeer zuivere silicium dat nodig is voor fotovoltaïsche wafels. De montage van de PV-modules is een andere bron die intensief is met de toevoeging van aluminium frames met een hoog energiegehalte en glazen dakbedekking.


Figuur 2: energie-eisen van productiefasen bij de fabricage van PV-panelen als percentages van het bruto-energievereiste (GER) van 1494 MJ / paneel (~ 0. 65 m {{4) }}oppervlakte)[6].


De milieu-impact van een fotovoltaïsche module van silicium omvat de productie van drie hoofdcomponenten: het frame, de module en componenten van de systeembalans, zoals het rek en de omvormer[3]. Broeikasgassen worden voornamelijk veroorzaakt door moduleproductie (81%), gevolgd door de balans tussen systeem (12%) en frame (7%)[3]). De bronvereisten van de productiecyclus worden samengevat in figuur 3.


Figuur 3: de productiecyclus en benodigde bronnen van een siliciummodule[6].

Lifecyle kooldioxide-emissies

Levenscyclus kooldioxide-emissies verwijzen naar de emissies die worden veroorzaakt door de productie, het transport of de installatie van materialen met betrekking tot fotovoltaïsche systemen. Naast de modules zelf omvat de typische installatie elektrische kabels en een metalen rek. Fotovoltaïsche systemen op de grond bevatten ook een betonnen fundering. Voor installaties op afstand kan aanvullende infrastructuur nodig zijn voor de transmissie van elektriciteit naar het lokale elektriciteitsnet. Naast materialen moet een levenscyclusanalyse ook kooldioxide bevatten die wordt uitgestoten door voertuigen tijdens het transport van fotovoltaïsche modules tussen de fabriek, het magazijn en de installatielocatie. Figuur 4 vergelijkt de relatieve bijdragen van deze factoren aan de levenslange CO2-impact van vijf soorten fotovoltaïsche modules[7].


Figuur 4:Levenslange kooldioxide-uitstoot voor grootschalige fotovoltaïsche installaties, ingedeeld naar component. Deze grafiek vergelijkt typische monokristallijne siliciummodules (m-Si (a)), zeer efficiënt monokristallijn silicium (m-Si (b)), cadmiumtellurium (CdTe) en koper-indiumselenium (CIS) -modules. Grafiek door auteurs, gebaseerd op[7].

Transportemissies

Transport is verantwoordelijk voor ongeveer 9% van de levenscyclusemissies van fotovoltaïsche installaties[7]. Fotovoltaïsche modules, rekken en systeembalanshardware (zoals kabels, connectoren en montagebeugels) worden vaak in het buitenland geproduceerd en per schip naar de Verenigde Staten vervoerd[8].Binnen de Verenigde Staten worden deze componenten per vrachtwagen vervoerd naar distributiecentra en uiteindelijk naar de installatieplaats.

Installatie-emissies

Emissies in verband met installatie omvatten voertuigemissies, materiaalverbruik en elektriciteitsverbruik in verband met lokale bouwactiviteiten om het systeem te installeren. Deze activiteiten genereren minder dan 1% van de totale levenscyclusemissies van het fotovoltaïsche systeem[8].

Operatie-emissies

Er worden geen lucht- of wateremissies gegenereerd tijdens het gebruik van PV-modules. Luchtschepen worden tijdens de constructie van PV-modules beïnvloed door emissies van oplosmiddelen en alcohol die bijdragen aan fotochemische ozonvorming. Watersheds worden beïnvloed door de constructie van modules uit de winning van natuurlijke hulpbronnen zoals kwarts, siliciumcarbide, glas en aluminium. Al met al zou vervanging van de huidige wereldwijde elektriciteitsnet door centrale PV-systemen leiden tot een verlaging van de broeikasgasemissies van 89-98%, criteria voor verontreinigende stoffen, zware metalen en radioactieve soorten[9].

Afvoeremissies

De verwijdering van fotovoltaïsche modules van silicium heeft geen significante gevolgen veroorzaakt omdat grootschalige installaties pas sinds medio 1980 in gebruik zijn genomen' s en fotovoltaïsche modules hebben een levensduur van ten minste 30 jaar[4]. Fthenakis et al. (2005)[2]identificeerde specifiek een gebrek aan beschikbare gegevens over de verwijdering of recycling van fotovoltaïsche modules, dus dit onderwerp verdient grondiger onderzoek.

LCA van fotovoltaïsche energie vergeleken met andere energiebronnen

De totale levenscyclusemissies die samenhangen met de productie van fotovoltaïsche energie zijn hoger dan die van kernenergie, maar lager dan die van de productie van energie uit fossiele brandstoffen. De levenscyclus van broeikasgasemissies van verschillende technologieën voor energieopwekking vindt u hieronder:[3].

  • Silicon PV: 45 g / kWh

  • Steenkool: 900 g / kWh

  • Aardgas: 400-439 g / kWh

  • Nucleair: 20-40 g / kWh

Tijdens hun levensduur van 20-30 jaar genereren zonnepanelen meer elektriciteit dan tijdens hun productie werd verbruikt. De energieterugverdientijd kwantificeert de minimale nuttige levensduur die nodig is voor een zonnepaneel om de energie op te wekken die werd gebruikt om de module te produceren. Zoals weergegeven in tabel 1, is de gemiddelde terugverdientijd van energie 3-6 jaar.


Tabel 1: Energy Pay Back Times (EPBT) en Energy Return Factors (ERF) van PV-modules die op verschillende locaties over de hele wereld zijn geïnstalleerd[6].


Land

Stad

Zonnestraling

Breedtegraad

Hoogte

Jaarlijkse productie

EPBT

ERF



(kWh / m 2)


(m)

(kWh / kWp)

(jaren)


Australië

Sydney

1614

33.55

1

1319

3.728

7.5

Oostenrijk

Wenen

1108

48.2

186

906

5.428

5.2

België

Brussel

946

50.5

77

788

6.241

4.5

Canada

Ottawa

1377

45.25

75

1188

4.14

6.8

Tsjechische Republiek

Praag

1000

50.06

261

818

6.012

4.7

Denemarken

Kopenhagen

985

55.75

1

850

5.786

4.8

Finland

Helsinki

956

60.13

0

825

5.961

4.7

Frankrijk

Parijs

1057

48.52

32

872

5.64

5

Frankrijk

Marseille

1540

43.18

7

1317

3.734

7.5

Duitsland

Berlijn

999

52.32

35

839

5.862

4.8

Duitsland

München

1143

48.21

515

960

5.123

5.5

Griekenland

Athene

1563

38

139

1278

3.848

7.3

Hongarije

Boedapest

1198

47.3

103

988

4.978

5.6

Ierland

Dublin

948

53.2

9

811

6.064

4.6

Italië

Rome

1552

41.53

15

1315

3.74

7.5

Italië

Milaan

1251

45.28

103

1032

4.765

5.9

Japan

Tokio

1168

35.4

14

955

5.15

5.4

Republiek Korea

Seoul

1215

37.3

30

1002

4.908

5.7

Luxemburg

Luxemburg

1035

49.62

295

862

5.705

4.9

Nederland

Amsterdam

1045

52.21

1

886

5.551

5

Nieuw Zeeland

Wellington

1412

41.17

21

1175

4.185

6.7

Noorwegen

Oslo

967

59.56

13

870

5.653

5

Portugal

Lissabon

1682

35.44

16

1388

3.543

7.9

Spanje

Madrid

1660

40.25

589

1394

3.528

7.9

Spanje

Sevilla

1754

37.24

5

1460

3.368

8.3

Zweden

Stockholm

980

59.21

16

860

5.718

4.9

Zwitserland

Bern

1117

46.57

524

922

5.334

5.2

kalkoen

Ankara

1697

39.55

1102

1400

3.513

8

Verenigd Koningkrijk

Londen

955

51.3

20

788

6.241

4.5

Verenigd Koningkrijk

Edinburgh

890

55.57

32

754

6.522

4.3

Verenigde Staten

Washington

1487

38.52

14

1249

3.937

7.1


Conclusies

Silicon PV-panelen hebben een lage impact op de levenscyclus van het milieu in vergelijking met de meeste conventionele vormen van energie zoals kolen en aardgas. De grootste CO2-uitstoot die wordt veroorzaakt door het gebruik van PV-panelen, is die welke verband houden met de productie van modules. Energy Pay Back Times (EPBT) variëren tussen 3 en 6 jaar voor verschillende zonneklimaten over de hele wereld. Over het algemeen betalen silicium-PV-panelen de vereiste aanloop-energiekosten van productie ruim voor hun nuttige levensduur terug en zijn ze een netto-energieopwekker voor het grootste deel van hun nuttige levensduur.


Referenties

1 J. Pearce en A. Lau," Netto-energieanalyse voor duurzame energieproductie uit op silicium gebaseerde zonnecellen" ;, Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, redacteur R. Cambell -Hoe, 2002.pdf

2Fthenakis, VM, EA Alsema en MJ de Wild-Scholten (2005), Life cycle assessment of photovoltaics: Perceptions, needs, and challenges, IEEE Photovoltaics Specialists Conference, Orlando, Florida.

3Fthenakis, V. en E. Alsema (2006), fotovoltaïsche terugverdientijden, broeikasgasemissies en externe kosten: vroege 2004 2005 -status, vooruitgang in fotovoltaïsche cellen, 14, 275 -280.

4 Luque, A., en S. Hegedus (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, Hoboken, NJ.

5 Goetzberger, A., en VU Hoffmann (2005), Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, New York, NY.

6 Levenscyclusanalyse van fotovoltaïsche elektriciteitsopwekking, A. Stoppato, Energy, Volume 33, Issue 2, februari 2 008, Pages 2 24-232

7 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi en K. Kurokawa (2007), een vergelijkende studie over kosten- en levenscyclusanalyse voor 100 MW zeer grootschalige PV-systemen (VLS-PV) in woestijnen met m-Si-, a-Si-, CdTe- en CIS-modules, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30

8 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi en K. Kurokawa (2007), een vergelijkende studie over kosten- en levenscyclusanalyse voor 100 MW zeer grootschalige PV-systemen (VLS-PV) in woestijnen met m-Si-, a-Si-, CdTe- en CIS-modules, Progress in Photovoltaics, 16, 17-30

9 Fthenakis, V., Kim, H. en E. Alsema (2008), emissies van fotovoltaïsche levenscycli. Environmental Science Technology, 42, 2168-2174.