Valutazione del ciclo di vita (LCA) dei pannelli fotovoltaici al silicio

Fonte: appropedia.org

sfondo

Le tecnologie di energia alternativa come i moduli fotovoltaici (Figura 1) stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo. In 2008, per la prima volta, gli investimenti mondiali in fonti energetiche alternative hanno attirato più investitori dei combustibili fossili, accumulando $ 155 miliardi di capitale netto contro $ 110 miliardi di nuovi investimenti in petrolio, gas naturale e carbone. L'energia solare da sola ha generato $ 6. 5 miliardi di entrate in tutto il mondo in 2004 e si prevede che triplicherà quasi con entrate previste di $ 18. 5 miliardi per 2010.

Le tecnologie di energia alternativa stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo a causa di una maggiore consapevolezza e preoccupazioni riguardo all'inquinamento e ai cambiamenti climatici globali. Le tecnologie di energia alternativa offrono una nuova opzione per ottenere energia utile da fonti che hanno un minore impatto ambientale sul pianeta. Ma quanto meno?

Una precedente recensione pubblicata dell'analisi energetica netta del fotovoltaico a base di silicio^[1]hanno scoperto che tutti i tipi di fotovoltaico a base di silicio (amorfo, policristallino e monocristallino) hanno generato molta più energia durante la loro vita rispetto a quanto viene utilizzato nella loro produzione. Tutti i moderni fotovoltaici al silicio si pagano da soli in termini di energia in meno di 5 anni, anche in scenari di distribuzione altamente subottimali.

Questo articolo esplora tutti gli impatti ambientali associati alla produzione e all'uso a vita dei pannelli fotovoltaici al silicio (PV).

Che cos'è una valutazione del ciclo di vita (LCA)

Una valutazione del ciclo di vita (LCA) valuta gli impatti ambientali di un prodotto o processo dalla produzione allo smaltimento^[2]. Una LCA indaga gli input di materiale ed energia necessari per produrre e utilizzare un prodotto, le emissioni associate al suo utilizzo e gli impatti ambientali dello smaltimento o del riciclaggio. L'LCA può anche indagare sui costi esterni, come la mitigazione ambientale, resi necessari dalla produzione o dall'uso di un prodotto^[3].

Breve storia dell'energia solare

La prima cella fotovoltaica è stata costruita da Charles Fritts, che ha costruito una cella di 30 cm di selenio e oro in 1883^[4]. La moderna tecnologia fotovoltaica al silicio è stata scoperta in 1954 dai ricercatori di Bell Labs, che hanno accidentalmente sviluppato la giunzione pn che consente al fotovoltaico di produrre elettricità utile^[5]. In 1958, la NASA ha iniziato a utilizzare il fotovoltaico come sistemi di alimentazione di backup per i suoi satelliti^[4]La prima residenza a energia solare è stata costruita presso l'Università del Delaware in 1973 e il primo progetto fotovoltaico su scala megawatt è stato installato in California a 1984^[4].

Analisi del ciclo di vita del pannello fotovoltaico al silicio

La sezione seguente contiene una breve analisi del ciclo di vita dei pannelli fotovoltaici in silicio. I fattori del ciclo di vita discussi includono: l'energia necessaria per la produzione, le emissioni di biossido di carbonio del ciclo di vita e tutte le emissioni di inquinamento generate durante la vita utile di un pannello fotovoltaico da: trasporto, installazione, funzionamento e smaltimento.

Requisiti energetici per la produzione

La produzione di fotovoltaico è in assoluto la fase di maggior consumo energetico dei moduli fotovoltaici installati. Come mostrato nella figura 2, grandi quantità di energia vengono utilizzate per convertire la sabbia di silice nel silicio ad alta purezza richiesto per i wafer fotovoltaici. L'assemblaggio dei moduli fotovoltaici è un'altra fase ad alta intensità di risorse con l'aggiunta di strutture in alluminio ad alto contenuto energetico e coperture in vetro.

L'impatto ambientale di un modulo fotovoltaico al silicio comporta la produzione di tre componenti principali: il telaio, il modulo e i componenti di bilanciamento del sistema come il rack e l'inverter^[3]. I gas a effetto serra sono causati principalmente dalla produzione di moduli (81%), seguita dal saldo del sistema (12%) e dal telaio (7%)^[3]). I requisiti di risorse del ciclo di produzione sono riassunti nella Figura 3.

Figura 3: il ciclo di produzione e le risorse richieste di un modulo al silicio^[6].

Emissioni di biossido di carbonio di Lifecyle

Le emissioni di biossido di carbonio del ciclo di vita si riferiscono alle emissioni causate dalla produzione, dal trasporto o dall'installazione di materiali relativi ai sistemi fotovoltaici. Oltre ai moduli stessi, l'installazione tipica include cavo elettrico e un rack metallico. I sistemi fotovoltaici a terra includono anche una fondazione in cemento. Le installazioni remote possono richiedere un'infrastruttura aggiuntiva per la trasmissione di elettricità alla rete elettrica locale. Oltre ai materiali, un'analisi del ciclo di vita dovrebbe includere l'anidride carbonica emessa dai veicoli durante il trasporto di moduli fotovoltaici tra la fabbrica, il magazzino e il sito di installazione. La figura 4 confronta i contributi relativi di questi fattori agli impatti sull'anidride carbonica a vita di cinque tipi di moduli fotovoltaici^[7].

Figura 4:Emissioni di biossido di carbonio a vita per impianti fotovoltaici su larga scala, classificati in base al componente. Questo grafico confronta i tipici moduli di silicio monocristallino (m-Si (a)), silicio monocristallino ad alta efficienza (m-Si (b)), cadmio tellurio (CdTe) e rame indio selenio (CIS). Grafico degli autori, basato su[7].

Emissioni di trasporto

Il trasporto rappresenta circa il 9% delle emissioni del ciclo di vita del fotovoltaico^[7]. Moduli fotovoltaici, rack e hardware della bilancia di sistema (come cavi, connettori e staffe di montaggio) sono spesso prodotti all'estero e trasportati negli Stati Uniti via nave^[8]Negli Stati Uniti, questi componenti vengono trasportati via camion ai centri di distribuzione e infine al sito di installazione.

Emissioni di installazione

Le emissioni associate all'installazione includono le emissioni dei veicoli, il consumo di materiale e il consumo di elettricità associati alle attività di costruzione locali per l'installazione del sistema. Queste attività generano meno del 1% delle emissioni totali del ciclo di vita del sistema fotovoltaico^[8].

Emissioni operative

Non ci sono emissioni di aria o acqua generate durante l'uso di moduli fotovoltaici. Durante la costruzione di moduli fotovoltaici le emissioni atmosferiche sono influenzate dalle emissioni di solventi e alcolici che contribuiscono alla formazione di ozono fotochimico. I bacini idrografici sono influenzati dalla costruzione di moduli dall'estrazione di risorse naturali come quarzo, carburo di silicio, vetro e alluminio. Nel complesso, la sostituzione dell'attuale elettricità di rete mondiale con sistemi fotovoltaici centrali porterebbe a una riduzione dell'89-98% delle emissioni di gas a effetto serra, criteri inquinanti, metalli pesanti e specie radioattive^[9].

Emissioni di smaltimento

Lo smaltimento dei moduli fotovoltaici al silicio non ha causato impatti significativi poiché gli impianti su larga scala sono in uso dalla metà del 1980' se i moduli fotovoltaici hanno una durata di almeno 30 anni^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]identificato specificamente la mancanza di dati disponibili sullo smaltimento o sul riciclaggio di moduli fotovoltaici, quindi questo argomento merita un'indagine più approfondita.

LCA del fotovoltaico rispetto ad altre fonti di energia

Le emissioni totali del ciclo di vita associate alla produzione di energia fotovoltaica sono superiori a quelle dell'energia nucleare ma inferiori a quelle della produzione di energia da combustibili fossili. Di seguito sono elencate le emissioni di gas serra del ciclo di vita di diverse tecnologie di generazione di energia:^[3].

• Silicon PV: 45 g / kWh

• Carbone: 900 g / kWh

• Gas naturale: 400-439 g / kWh

• Nucleare: 20-40 g / kWh

Durante i loro 20-30 anni di vita, i moduli solari generano più elettricità di quella consumata durante la loro produzione. Il tempo di ammortamento dell'energia quantifica la vita utile minima richiesta a un modulo solare per generare l'energia utilizzata per produrre il modulo. Come mostrato nella tabella 1, il tempo medio di recupero dell'investimento energetico è di 3-6 anni.

Tabella 1: Energy Pay Back Times (EPBT) e Energy Return Factors (ERF) di moduli fotovoltaici installati in varie località del mondo^[6].

conclusioni

I pannelli fotovoltaici al silicio hanno un basso impatto ambientale sul ciclo di vita rispetto alla maggior parte delle forme convenzionali di energia come carbone e gas naturale. Le maggiori emissioni di carbonio causate dall'uso dei pannelli fotovoltaici sono quelle associate alla produzione di moduli. I tempi di recupero dell'energia (EPBT) variano tra 3 e 6 anni per vari climi solari in tutto il mondo. Complessivamente, i pannelli fotovoltaici in silicio rimborsano i costi energetici richiesti prima della loro vita utile e sono generatori netti di energia per la maggior parte della loro vita utile.

Riferimenti