Hình 1: Mô-đun quang điện silicon
Các công nghệ năng lượng thay thế như mô- đun quang điện (Hình 1) đang trở nên phổ biến hơn trên toàn thế giới. Năm 2008, lần đầu tiên, 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, thu về 155 tỷ USD vốn ròng so với 110 tỷ USD đầu tư mới vào dầu, khí đốt tự nhiên và than đá. Chỉ riêng năng lượng mặt trời đã tạo ra doanh thu toàn cầu là 6,5 tỷ USD trong năm 2004 và dự kiến sẽ tăng gần gấp ba con số đó với doanh thu dự kiến là 18,5 tỷ USD cho năm 2010.
Các công nghệ năng lượng thay thế đang ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới do nhận thức và mối lo ngại ngày càng tăng về ô nhiễm và biến đổi khí hậu toàn cầu . Các công nghệ năng lượng thay thế mang đến một lựa chọn mới để thu được năng lượng hữu ích từ các nguồn ít gây 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] đã phát hiện ra rằng tất cả các loại PV dựa trên silicon (vô định hình, đa tinh thể và đơn tinh thể) tạo ra nhiều năng lượng hơn trong suốt vòng đời của chúng so với năng lượng được sử dụng trong sản xuất. Tất cả các pin quang điện silicon hiện đại đều tự chi trả về mặt năng lượng trong vòng chưa đầy 5 năm - ngay cả trong các kịch bản triển khai ở mức dưới mức tối ưu.
Bài viết này khám phá tất cả các tác động môi trường liên quan đến việc sản xuất và sử dụng trọn đời các tấm quang điện silicon (PV).
Nội dung
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 một sản phẩm, lượng khí thải liên quan đến việc sử dụng sản phẩm đó và các tác động môi trường của việc thải bỏ hoặc tái chế. LCA cũng có thể điều tra các chi phí bên ngoài, chẳng hạn như giảm thiểu tác động đến môi trường, cần thiết trong quá trình sản xuất hoặc sử dụng sản phẩm. [3]
Đánh giá vòng đời của tấm PV silicon
Phần sau đây trình bày phân tích ngắn gọn về vòng đời của tấm PV silicon. Các yếu tố vòng đời được thảo luận bao gồm: năng lượng cần thiết cho sản xuất, lượng phát thải carbon dioxide trong vòng đời và tất cả lượng khí thải ô nhiễm được tạo ra trong suốt thời gian sử dụng của tấm PV từ: vận chuyển, lắp đặt, vận hành và thải bỏ.
Nhu cầu năng lượng cho sản xuất
Sản xuất quang điện là bước tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong các mô-đun PV được lắp đặt. Như được thấy trong Hình 2, một lượng lớn năng lượng được sử dụng để chuyển đổi cát silic thành silicon có độ tinh khiết cao cần thiết cho các tấm quang điện. Việc lắp ráp các mô-đun quang điện là một bước tiêu tốn nhiều tài nguyên khác với việc bổ sung khung nhôm và mái kính có hàm lượng năng lượng cao.
Hình 2: Yêu cầu năng lượng của các giai đoạn sản xuất trong quá trình sản xuất tấm PV theo tỷ lệ phần trăm của Tổng Yêu cầu Năng lượng (GER) là 1494 MJ/tấm (~ 0,65m2 bề mặt). [4]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 được gây ra chủ yếu do sản xuất mô-đun (81%), tiếp theo là sự cân bằng của hệ thống (12%) và khung (7%) [3] ). Các yêu cầu về nguồn lực của chu trình sản xuất được tóm tắt trong Hình 3.
Hình 3: Chu trình sản xuất và nguồn lực cần thiết của mô-đun silicon. [4]Lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời
Lượng khí thải carbon dioxide trong vòng đời đề cập đến lượng khí thải do sản xuất, vận chuyển hoặc lắp đặt các vật liệu liên quan đến hệ thống quang điện. Ngoài các mô-đun, việc lắp đặt điển hình còn bao gồm cáp điện và giá đỡ kim loại. Hệ thống quang điện gắn trên mặt đất cũng bao gồm nền bê tông. Việc lắp đặt từ xa có thể yêu cầu cơ sở hạ tầng bổ sung để truyền tải điện tới lưới điện địa phương. Ngoài vật liệu, phân tích vòng đời phải bao gồm carbon dioxide phát ra từ các phương tiện trong quá trình vận chuyển mô-đun quang điện giữa nhà máy, nhà kho và địa điểm lắp đặt. Hình 4 so sánh sự đóng góp tương đối của các yếu tố này với tác động của carbon dioxide trong vòng đời của năm loại mô-đun quang điện. [5]
Hình 4: Lượng phát thải carbon dioxide trong suốt thời gian sử dụng cho lắp đặt quang điện quy mô lớn, được phân loại theo thành phần. Biểu đồ này so sánh các mô-đun silicon đơn tinh thể điển hình (m-Si(a)), silicon đơn tinh thể hiệu suất cao (m-Si(b)), cadmium Tellurium (CdTe) và các mô-đun đồng indium selen (CIS). Đồ thị của tác giả, dựa trên. [5]Khí thải giao thông vận tải
Giao thông vận tải chiếm khoảng 9% lượng phát thải trong vòng đời của quang điện. [5] Mô-đun quang điện, giá đỡ và phần cứng cân bằng hệ thống (chẳng hạn như cáp, đầu nối và giá đỡ) thường được sản xuất ở nước ngoài và vận chuyển đến Hoa Kỳ bằng tàu thủy. [6] Tại Hoa Kỳ, các bộ phận này được vận chuyển bằng xe tải đến các trung tâm phân phối và cuối cùng đến địa điểm lắp đặt.
Khí thải lắp đặt
Khí thải liên quan đến việc lắp đặt bao gồm khí thải phương tiện, tiêu thụ vật liệu và tiêu thụ điện liên quan đến các hoạt động xây dựng tại địa phương để lắp đặt hệ thống. Những hoạt động này tạo ra ít hơn 1% tổng lượng phát thải trong vòng đời của hệ thống quang điện. [6]
Khí thải vận hành
Không có khí thải hoặc nước được tạo ra trong quá trình sử dụng mô-đun PV. Các vùng không khí bị ảnh hưởng trong quá trình xây dựng các mô-đun quang điện do khí thải dung môi và cồn góp phần hình thành ôzôn quang hóa. Lưu vực sông bị ảnh hưởng bởi việc xây dựng các mô-đun từ việc khai thác tài nguyên thiên nhiên như thạch anh, cacbua silic, thủy tinh và nhôm. Nhìn chung, việc thay thế hệ thống điện lưới hiện tại trên toàn thế giới bằng hệ thống PV trung tâm sẽ giúp giảm 89-98% lượng phát thải khí nhà kính, các chất gây ô nhiễm tiêu chuẩn, kim loại nặng và các loại phóng xạ. [7]
Khí thải thải bỏ
Việc thải bỏ các mô-đun quang điện silicon không gây ra tác động đáng kể vì việc lắp đặt quy mô lớn mới chỉ được sử dụng từ giữa những năm 1980 và các mô-đun quang điện có tuổi thọ ít nhất 30 năm. [8] Fthenakis và cộng sự. (2005) [2] đã xác định cụ thể việc thiếu dữ liệu sẵn có về việc thải bỏ hoặc tái chế các mô-đun quang điện, vì vậy chủ đề này cần được điều tra kỹ lưỡng hơn.
LCA của quang điện so với các nguồn năng lượng khác
Tổng lượng phát thải trong vòng đời liên quan đến sản xuất năng lượng quang điện cao hơn một chút (tính đến năm 2006, con số này hiện đã giảm đáng kể) so với phát thải của năng lượng hạt nhân nhưng thấp hơn so với sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Phát thải khí nhà kính trong vòng đời của một số công nghệ sản xuất năng lượng được liệt kê dưới đây: [3]
- PV silicon: 45 g/kWh
- Than: 900 g/kWh
- Khí tự nhiên: 400-439 g/kWh
- Hạt nhân: 20-40 g/kWh
Trong vòng đời 20-30 năm, 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 thời gian sử dụng hữu ích tối thiểu cần thiết để mô-đun năng lượng mặt trời tạo ra năng lượng được sử dụng để sản xuất mô-đun. Như trình bày trong Bảng 1, thời gian hoàn vốn năng lượng trung bình là 3-6 năm.
| Quốc gia | Thị trấn | Bức xạ mặt trời (kWh/m2) | Vĩ độ | Độ cao (m) | Sản lượng hàng năm (kWh/kWp) | EPBT | ERF |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Châu Úc | Sydney | 1614 | 33,55 | 1 | 1319 | 3,728 | 7,5 |
| Áo | Viên | 1108 | 48,2 | 186 | 906 | 5.428 | 5.2 |
| nước Bỉ | Bruxelles | 946 | 50,5 | 77 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Canada | Ottawa | 1377 | 45,25 | 75 | 1188 | 4.14 | 6,8 |
| Cộng hòa Séc | Praha | 1000 | 50,06 | 261 | 818 | 6.012 | 4,7 |
| Đan mạch | Copenhagen | 985 | 55,75 | 1 | 850 | 5.786 | 4,8 |
| Phần Lan | Helsinki | 956 | 60,13 | 0 | 825 | 5.961 | 4,7 |
| Pháp | Paris | 1057 | 48,52 | 32 | 872 | 5,64 | 5 |
| Pháp | Marseille | 1540 | 43,18 | 7 | 1317 | 3,734 | 7,5 |
| nước Đức | Béc-lin | 999 | 52,32 | 35 | 839 | 5.862 | 4,8 |
| nước Đức | München | 1143 | 48,21 | 515 | 960 | 5.123 | 5,5 |
| Hy Lạp | Athens | 1563 | 38 | 139 | 1278 | 3.848 | 7.3 |
| Hungary | Budapest | 1198 | 47,3 | 103 | 988 | 4.978 | 5,6 |
| Ireland | Dublin | 948 | 53,2 | 9 | 811 | 6.064 | 4.6 |
| Nước Ý | la Mã | 1552 | 41,53 | 15 | 1315 | 3,74 | 7,5 |
| Nước Ý | Milano | 1251 | 45,28 | 103 | 1032 | 4.765 | 5,9 |
| Nhật Bản | Tokyo | 1168 | 35,4 | 14 | 955 | 5,15 | 5,4 |
| Hàn Quốc | Seoul | 1215 | 37,3 | 30 | 1002 | 4.908 | 5,7 |
| Luxembourg | Luxembourg | 1035 | 49,62 | 295 | 862 | 5.705 | 4,9 |
| Hà Lan | Amsterdam | 1045 | 52,21 | 1 | 886 | 5.551 | 5 |
| New Zealand | Wellington | 1412 | 41,17 | 21 | 1175 | 4.185 | 6,7 |
| Na Uy | Oslo | 967 | 59,56 | 13 | 870 | 5.653 | 5 |
| Bồ Đào Nha | Lisboa | 1682 | 35,44 | 16 | 1388 | 3.543 | 7,9 |
| Tây ban nha | Madrid | 1660 | 40,25 | 589 | 1394 | 3,528 | 7,9 |
| Tây ban nha | Sevilla | 1754 | 37,24 | 5 | 1460 | 3.368 | 8.3 |
| Thụy Điển | X-tốc-khôm | 980 | 59,21 | 16 | 860 | 5.718 | 4,9 |
| Thụy sĩ | Bern | 1117 | 46,57 | 524 | 922 | 5.334 | 5.2 |
| Thổ Nhĩ Kỳ | Ankara | 1697 | 39,55 | 1102 | 1400 | 3.513 | số 8 |
| Vương quốc Anh | London | 955 | 51,3 | 20 | 788 | 6.241 | 4,5 |
| Vương quốc Anh | Edinburgh | 890 | 55,57 | 32 | 754 | 6.522 | 4.3 |
| Hoa Kỳ | Washington | 1487 | 38,52 | 14 | 1249 | 3.937 | 7.1 |
Ví dụ
Người giới thiệu
- ^ J. Pearce và A. Lau, "Phân tích năng lượng ròng để sản xuất năng lượng bền vững từ pin mặt trời dựa trên silicon", Kỷ yếu của Hiệp hội kỹ sư cơ khí Hoa Kỳ Năng lượng mặt trời 2002: Mặt trời mọc trên nền kinh tế năng lượng đáng tin cậy, biên tập viên R. Cambell-Howe, 2002. pdf
- ↑Nhảy lên:2.0 2.1 Fthenakis, VM, EA Alsema, và MJ de Wild-Scholten (2005), Đánh giá vòng đời của quang điện: Nhận thức, nhu cầu và thách thức, Hội nghị chuyên gia quang điện của IEEE, Orlando, Florida.
- ↑Nhảy lên:3.0 3.1 3.2 3.3 Fthenakis, V., và E. Alsema (2006), Thời gian hoàn vốn năng lượng quang điện, phát thải khí nhà kính và chi phí bên ngoài: tình trạng 2004-đầu năm 2005, Tiến bộ trong quang điện, 14, 275-280.
- ↑Nhảy lên:4.0 4.1 4.2 Đánh giá vòng đời sản xuất điện quang điện, A. Stoppato, Năng lượng, Tập 33, Số 2, tháng 2 năm 2008, Trang 224-232
- ↑Nhảy lên:5.0 5.1 5.2 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi và K. Kurokawa (2007), Một nghiên cứu so sánh về phân tích chi phí và vòng đời của PV quy mô rất lớn 100 MW (VLS-PV) ) các hệ thống trong sa mạc sử dụng các mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Tiến bộ về Quang điện, 16, 17-30
- ↑Nhảy lên:6.0 6.1 Ito, M., K. Kato, K. Komoto, T. Kichimi, và K. Kurokawa (2007), Một nghiên cứu so sánh về phân tích chi phí và vòng đời của PV quy mô rất lớn 100 MW (VLS-PV) các hệ thống trong sa mạc sử dụng các mô-đun m-Si, a-Si, CdTe và CIS, Tiến bộ về Quang điện, 16, 17-30
- ↑ Fthenakis, V., Kim, H., và E. Alsema (2008), Phát thải từ vòng đời quang điện. Công nghệ Khoa học Môi trường, 42, 2168-2174.
- ^ Luque, A., và S. Hegedus (2003), Sổ tay Khoa học và Kỹ thuật Quang điện, Wiley, Hoboken, NJ.