การประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน

ที่มา: appropedia.org

พื้นหลัง

เทคโนโลยีพลังงานทดแทนเช่นแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (รูป 1) กำลังเป็นที่นิยมทั่วโลก ใน 2008 เป็นครั้งแรกที่การลงทุนทั่วโลกในแหล่งพลังงานทางเลือกดึงดูดนักลงทุนมากกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลโดยทำรายได้สุทธิ $ 155 พันล้านต่อเงินลงทุนใหม่ในน้ำมัน 110 พันล้านดอลลาร์ ก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน พลังงานแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียวสร้างรายได้ $ 6 5 พันล้านทั่วโลกใน 2004 และคาดว่าจะเพิ่มขึ้นเกือบสามเท่าจากรายได้ที่คาดการณ์ไว้ที่ $ 18 5 พันล้านสำหรับ 2010

เทคโนโลยีพลังงานทางเลือกกำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นทั่วโลกเนื่องจากความตระหนักและความกังวลเกี่ยวกับมลพิษและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก เทคโนโลยีพลังงานทางเลือกเสนอทางเลือกใหม่สำหรับการรับพลังงานที่มีประโยชน์จากแหล่งที่มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยบนโลก แต่เท่าไหร่

รีวิวที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ของการวิเคราะห์พลังงานสุทธิของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิกอน^[1]พบว่าซิลิกอนทุกประเภท (อะมอร์ฟัส, คริสตัลไลน์และผลึกเดี่ยว) - เบส PV สร้างพลังงานมากกว่าตลอดอายุการใช้งานมากกว่าที่ใช้ในการผลิต PV ซิลิคอนที่ทันสมัยทั้งหมดจ่ายให้กับตัวเองในแง่ของพลังงานในเวลาน้อยกว่า 5 ปี - แม้ในสถานการณ์การปรับใช้ที่ไม่ดีอย่างมาก

บทความนี้จะอธิบายถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและการใช้งานตลอดอายุการใช้งานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน (PV)

การประเมินวัฏจักรชีวิตคืออะไร (LCA)

การประเมินวัฏจักรชีวิต (LCA) ประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อมของผลิตภัณฑ์หรือกระบวนการตั้งแต่การผลิตจนถึงการกำจัด^[2]. LCA จะตรวจสอบวัสดุและอินพุตพลังงานที่จำเป็นในการผลิตและใช้ผลิตภัณฑ์การปล่อยมลพิษที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการกำจัดหรือรีไซเคิล LCA อาจตรวจสอบต้นทุนภายนอกเช่นการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตหรือการใช้ผลิตภัณฑ์^[3].

ประวัติย่อของพลังงานแสงอาทิตย์

เซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แรกถูกสร้างขึ้นโดย Charles Fritts ผู้สร้างเซลล์ 30 ซม. จากซีลีเนียมและทองคำใน 1883^[4]. เทคโนโลยีโซลาร์เซลล์ซิลิคอนที่ทันสมัยถูกค้นพบใน 1954 โดยนักวิจัยใน Bell Labs ซึ่งพัฒนาทางแยก pn-junction โดยไม่ได้ตั้งใจซึ่งช่วยให้เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าที่มีประโยชน์^[5]. ใน 1958 NASA เริ่มใช้เซลล์แสงอาทิตย์เป็นระบบพลังงานสำรองสำหรับดาวเทียม^[4]ที่พักพลังงานแสงอาทิตย์แห่งแรกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยเดลาแวร์ใน 1973 และโครงการไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ขนาดเมกะวัตต์แรกได้รับการติดตั้งในแคลิฟอร์เนียใน 1984^[4].

การวิเคราะห์วัฏจักรของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ PV

ส่วนต่อไปนี้มีการวิเคราะห์วงจรชีวิตสั้น ๆ ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน ปัจจัยวงจรชีวิตที่กล่าวถึงรวมถึง: พลังงานที่จำเป็นสำหรับการผลิต, การปล่อยวัฏจักรคาร์บอนไดออกไซด์และการปล่อยมลพิษทั้งหมดที่เกิดขึ้นตลอดอายุการใช้งานของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จาก: การขนส่ง, การติดตั้ง, การทำงานและการกำจัด

ข้อกำหนดด้านพลังงานสำหรับการผลิต

การผลิตแผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็นขั้นตอนที่ต้องใช้พลังงานมากที่สุดของโมดูล PV ที่ติดตั้ง ดังที่เห็นในรูป 2 พลังงานจำนวนมากถูกใช้เพื่อแปลงทรายซิลิกาเป็นซิลิคอนบริสุทธิ์ที่จำเป็นสำหรับเวเฟอร์โซลาร์เซลล์ การประกอบโมดูล PV เป็นอีกขั้นตอนหนึ่งในการเพิ่มทรัพยากรด้วยการเพิ่มเฟรมอลูมิเนียมที่ให้พลังงานสูงและหลังคากระจก

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของโมดูลเซลล์สุริยะแบบซิลิคอนเกี่ยวข้องกับการผลิตส่วนประกอบหลักสามประการ: กรอบ, โมดูล, และส่วนประกอบที่สมดุลของระบบเช่นชั้นวางและอินเวอร์เตอร์^[3]. ก๊าซเรือนกระจกส่วนใหญ่เกิดจากการผลิตโมดูล (81%) ตามด้วยความสมดุลของระบบ (12%) และเฟรม (7%)^[3]) ความต้องการทรัพยากรของวงจรการผลิตสรุปได้ในรูป 3

รูปที่ 3: รอบการผลิตและทรัพยากรที่จำเป็นของโมดูลซิลิคอน^[6].

การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของ Lifecyle

วัฏจักรการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หมายถึงการปล่อยที่เกิดจากการผลิตการขนส่งหรือการติดตั้งวัสดุที่เกี่ยวข้องกับระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ นอกเหนือจากตัวโมดูลเองแล้วการติดตั้งทั่วไปยังรวมถึงสายไฟฟ้าและชั้นวางโลหะ ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ติดตั้งภาคพื้นดินยังรวมถึงรากฐานที่เป็นรูปธรรม การติดตั้งระยะไกลอาจต้องการโครงสร้างพื้นฐานเพิ่มเติมสำหรับการส่งกระแสไฟฟ้าไปยังกริดไฟฟ้าในท้องถิ่น นอกเหนือจากวัสดุแล้วการวิเคราะห์วงจรชีวิตควรรวมถึงคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากยานพาหนะในระหว่างการขนส่งโมดูลไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ระหว่างโรงงานคลังสินค้าและสถานที่ติดตั้ง รูปที่ 4 เปรียบเทียบการมีส่วนร่วมของปัจจัยเหล่านี้กับผลกระทบของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ตลอดชีวิตของโมดูลไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ห้าประเภท^[7].

รูป 4:การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ตลอดอายุการใช้งานสำหรับการติดตั้งโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ซึ่งแบ่งตามองค์ประกอบ กราฟนี้เปรียบเทียบโมดูล monocrystalline silicon ทั่วไป (m-Si (a)), monocrystalline silicon ที่มีประสิทธิภาพสูง (m-Si (b)), แคดเมียมเทลลูเรียม (CdTe) และโมดูล Indium selenium (CIS) กราฟตามผู้แต่ง[7].

มลพิษจากการขนส่ง

บัญชีการขนส่งประมาณ 9% ของวงจรชีวิตของเซลล์แสงอาทิตย์^[7]. แผงเซลล์แสงอาทิตย์ชั้นวางและฮาร์ดแวร์ที่สมดุลของระบบ (เช่นสายเคเบิลตัวเชื่อมต่อและตัวยึด) มักจะผลิตจากต่างประเทศและส่งไปยังสหรัฐอเมริกาโดยทางเรือ^[8]. ในสหรัฐอเมริกาส่วนประกอบเหล่านี้จะถูกขนส่งโดยรถบรรทุกไปยังศูนย์กระจายสินค้าและในที่สุดก็ไปยังสถานที่ติดตั้ง

มลพิษจากการติดตั้ง

การปล่อยมลพิษที่เกี่ยวข้องกับการติดตั้งรวมถึงการปล่อยยานพาหนะการใช้วัสดุและการใช้ไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมการก่อสร้างในท้องถิ่นเพื่อติดตั้งระบบ กิจกรรมเหล่านี้สร้างน้อยกว่า 1% ของการปล่อยวงจรชีวิตทั้งหมดของระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์^[8].

มลพิษจากการดำเนินงาน

ไม่มีการปล่อยอากาศหรือน้ำเกิดขึ้นระหว่างการใช้งานโมดูล PV Airsheds จะได้รับผลกระทบระหว่างการสร้างโมดูล PV จากการปล่อยของตัวทำละลายและแอลกอฮอล์ที่นำไปสู่การเกิดโอโซนของโฟโตเคมี ลุ่มน้ำได้รับผลกระทบจากการสร้างโมดูลจากการสกัดทรัพยากรธรรมชาติเช่นควอตซ์ซิลิคอนคาร์ไบด์แก้วและอลูมิเนียม โดยรวมแล้วการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้ากริดทั่วโลกในปัจจุบันด้วยระบบกลาง PV จะนำไปสู่การลดลง 89-98% ในการปล่อยก๊าซเรือนกระจก, มลพิษเกณฑ์, โลหะหนักและสายพันธุ์กัมมันตรังสี^[9].

การปล่อยมลพิษ

การกำจัดโมดูลแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนไม่ได้ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการติดตั้งขนาดใหญ่มีการใช้งานมาตั้งแต่กลางปี ​​1980' s และแผงเซลล์แสงอาทิตย์มีอายุการใช้งานอย่างน้อย 30 ปี^[4]. Fthenakis และคณะ (0 {{}})^[2]ระบุถึงการขาดข้อมูลที่มีอยู่ในการกำจัดหรือรีไซเคิลโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ดังนั้นหัวข้อนี้รับประกันการตรวจสอบอย่างละเอียดมากขึ้น

LCA ของเซลล์แสงอาทิตย์เปรียบเทียบกับแหล่งพลังงานอื่น ๆ

การปล่อยวงจรชีวิตทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการผลิตพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สูงกว่าพลังงานนิวเคลียร์ แต่ต่ำกว่าการผลิตพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิล ระยะเวลาการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของเทคโนโลยีการผลิตพลังงานหลายรายการอยู่ด้านล่าง:^[3].

• Silicon PV: 45 g / kWh

• ถ่านหิน: {{}} 0 กรัม / กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง

• ก๊าซธรรมชาติ: 400-439 g / kWh

• นิวเคลียร์: 20-40 g / kWh

ในช่วงอายุ 20-30 ปีแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะผลิตกระแสไฟฟ้ามากกว่าที่ใช้ไปในระหว่างการผลิต เวลาคืนทุนพลังงานจะคำนวณอายุการใช้งานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อสร้างพลังงานที่ใช้ในการผลิตโมดูล ดังแสดงในตาราง 1, เวลาคืนทุนพลังงานโดยเฉลี่ยคือ 3-6 ปี

ตาราง 1: เวลาตอบแทนพลังงาน (EPBT) และปัจจัยคืนพลังงาน (ERF) ของโมดูล PV ที่ติดตั้งในสถานที่ต่างๆทั่วโลก^[6].

สรุปผลการวิจัย

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมรอบวัฏจักรชีวิตต่ำเมื่อเทียบกับพลังงานรูปแบบทั่วไปเช่นถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ การปล่อยก๊าซคาร์บอนที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่เกิดจากการใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการผลิตโมดูล Energy Pay Back Times (EPBT) แตกต่างกันไประหว่าง 3 และ 6 ปีสำหรับภูมิอากาศสุริยะหลายแห่งทั่วโลก โดยรวมแล้วแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิกอนจะคืนทุนต้นทุนด้านพลังงานล่วงหน้าที่จำเป็นสำหรับการผลิตก่อนอายุการใช้งานที่มีประโยชน์และเป็นเครื่องกำเนิดพลังงานสุทธิสำหรับอายุการใช้งานส่วนใหญ่

อ้างอิง