Ökobilanz (LCA) von Silizium-PV-Modulen

Quelle: approxpedia.org

Hintergrund

Alternative Energietechnologien wie Photovoltaikmodule (Abbildung 1) werden weltweit immer beliebter. In 2008 zogen zum ersten Mal weltweite Investitionen in alternative Energiequellen mehr Investoren als fossile Brennstoffe an und verrechneten Nettokapital in Höhe von 155 Mrd. USD gegenüber 110 Mrd. USD in Neuinvestitionen in Öl. Erdgas und Kohle. Allein durch Solarenergie wurde in 2004 ein weltweiter Umsatz von 6 5 Milliarden US-Dollar erzielt, der sich mit einem prognostizierten Umsatz von 18 voraussichtlich fast verdreifachen wird. 5 Milliarden für 2010.

Alternative Energietechnologien werden weltweit immer beliebter, da das Bewusstsein und die Bedenken hinsichtlich der Umweltverschmutzung und des globalen Klimawandels zunehmen. Alternative Energietechnologien bieten eine neue Option, um nützliche Energie aus Quellen zu gewinnen, die weniger Umweltauswirkungen auf den Planeten haben. Aber wie viel weniger?

Eine zuvor veröffentlichte Übersicht über die Nettoenergieanalyse von Photovoltaik auf Siliziumbasis^[1]fanden heraus, dass alle Arten von Silizium (amorphes, polykristallines und einkristallines) PV im Laufe ihrer Lebensdauer weitaus mehr Energie erzeugten, als bei ihrer Herstellung verwendet wird. Alle modernen Silizium-PV-Anlagen machen sich in weniger als 5 Jahren energieeffizient - selbst in sehr suboptimalen Einsatzszenarien.

In diesem Artikel werden alle Umweltauswirkungen untersucht, die mit der Herstellung und Lebensdauer von Silizium-Photovoltaik-Modulen (PV-Modulen) verbunden sind.

Was ist eine Ökobilanz?

Eine Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) bewertet die Umweltauswirkungen eines Produkts oder Prozesses von der Produktion bis zur Entsorgung^[2]. Eine Ökobilanz untersucht den Material- und Energieeinsatz, der zur Herstellung und Verwendung eines Produkts erforderlich ist, die mit seiner Verwendung verbundenen Emissionen und die Umweltauswirkungen der Entsorgung oder des Recyclings. Die Ökobilanz kann auch externe Kosten untersuchen, wie z. B. Umweltschutzmaßnahmen, die durch die Herstellung oder Verwendung eines Produkts erforderlich werden^[3].

Kurze Geschichte der Solarenergie

Die erste Photovoltaikzelle wurde von Charles Fritts gebaut, der in 1883 eine 30-cm-Zelle aus Selen und Gold baute.^[4]. Die moderne Silizium-Photovoltaik-Technologie wurde in 1954 von Forschern in Bell Labs entdeckt, die versehentlich den pn-Übergang entwickelten, der es der Photovoltaik ermöglicht, nützlichen Strom zu erzeugen^[5]. In 1958 begann die NASA, Photovoltaik als Notstromversorgungssysteme für ihre Satelliten einzusetzen^[4]Die erste solarbetriebene Residenz wurde an der Universität von Delaware in 1973 gebaut, und das erste Photovoltaikprojekt im Megawatt-Maßstab wurde in Kalifornien in 1984 installiert.^[4].

Silizium-PV-Panel-Lebenszyklusanalyse

Der folgende Abschnitt enthält eine kurze Lebenszyklusanalyse von Silizium-PV-Modulen. Zu den diskutierten Lebenszyklusfaktoren gehören: die für die Produktion erforderliche Energie, die Kohlendioxidemissionen im Lebenszyklus und alle Schadstoffemissionen, die während der Nutzungsdauer eines PV-Moduls entstehen: Transport, Installation, Betrieb und Entsorgung.

Energiebedarf für die Produktion

Die Herstellung von Photovoltaik ist überwiegend der energieintensivste Schritt installierter PV-Module. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, werden große Energiemengen verwendet, um Quarzsand in das für Photovoltaik-Wafer erforderliche hochreine Silizium umzuwandeln. Die Montage der PV-Module ist ein weiterer ressourcenintensiver Schritt, bei dem Aluminiumrahmen mit hohem Energiegehalt und Glasdächer hinzugefügt werden.

Die Umweltauswirkungen eines Silizium-Photovoltaikmoduls umfassen die Herstellung von drei Hauptkomponenten: des Rahmens, des Moduls und der Systemausgleichskomponenten wie Rack und Wechselrichter^[3]. Treibhausgase werden hauptsächlich durch die Modulproduktion (81%) verursacht, gefolgt vom Gleichgewicht zwischen System (12%) und Rahmen (7%).^[3]). Der Ressourcenbedarf des Produktionszyklus ist in Abbildung 3 zusammengefasst.

Abbildung 3: Der Produktionszyklus und die erforderlichen Ressourcen eines Siliziummoduls^[6].

Lebenszyklus-Kohlendioxidemissionen

Die Kohlendioxidemissionen im Lebenszyklus beziehen sich auf die Emissionen, die durch die Herstellung, den Transport oder die Installation von Materialien im Zusammenhang mit Photovoltaikanlagen verursacht werden. Neben den Modulen selbst umfasst die typische Installation ein elektrisches Kabel und ein Metallgestell. Bodenmontierte Photovoltaikanlagen enthalten auch ein Betonfundament. Für Ferninstallationen ist möglicherweise eine zusätzliche Infrastruktur für die Übertragung von Strom in das lokale Stromnetz erforderlich. Zusätzlich zu den Materialien sollte eine Lebenszyklusanalyse Kohlendioxid umfassen, das von Fahrzeugen während des Transports von Photovoltaikmodulen zwischen dem Werk, dem Lager und dem Installationsort ausgestoßen wird. In Abbildung 4 werden die relativen Beiträge dieser Faktoren zu den lebenslangen Kohlendioxidauswirkungen von fünf Arten von Photovoltaikmodulen verglichen^[7].

Abbildung 4:Lebenslange Kohlendioxidemissionen für Photovoltaik-Großanlagen, kategorisiert nach Komponenten. Diese Grafik vergleicht typische monokristalline Siliziummodule (m-Si (a)), hocheffizientes monokristallines Silizium (m-Si (b)), Cadmiumtellurium (CdTe) und Kupferindiumselen (CIS) -Module. Grafik von Autoren, basierend auf[7].

Transportemissionen

Der Transport macht etwa 9% der Lebenszyklusemissionen der Photovoltaik aus^[7]. Photovoltaikmodule, Racks und Systemausgleichshardware (wie Kabel, Steckverbinder und Montagehalterungen) werden häufig in Übersee hergestellt und per Schiff in die USA transportiert^[8]In den USA werden diese Komponenten per LKW zu Distributionszentren und schließlich zum Installationsort transportiert.

Installationsemissionen

Zu den mit der Installation verbundenen Emissionen zählen Fahrzeugemissionen, Materialverbrauch und Stromverbrauch im Zusammenhang mit lokalen Bautätigkeiten zur Installation des Systems. Diese Aktivitäten verursachen weniger als 1% der gesamten Lebenszyklusemissionen der Photovoltaikanlage^[8].

Betriebsemissionen

Bei der Verwendung von PV-Modulen entstehen keine Luft- oder Wasseremissionen. Luftschuppen werden beim Bau von PV-Modulen durch Lösungsmittel- und Alkoholemissionen beeinträchtigt, die zur photochemischen Ozonbildung beitragen. Wassereinzugsgebiete werden durch den Bau von Modulen aus der Gewinnung natürlicher Ressourcen wie Quarz, Siliziumkarbid, Glas und Aluminium beeinflusst. Insgesamt würde der Ersatz des derzeitigen weltweiten Netzstroms durch zentrale PV-Systeme zu einer Reduzierung der Treibhausgasemissionen, der Schadstoffkriterien, der Schwermetalle und der radioaktiven Spezies um 89 bis 98% führen^[9].

Entsorgungsemissionen

Die Entsorgung von Silizium-Photovoltaikmodulen hat keine wesentlichen Auswirkungen gehabt, da Großanlagen erst seit Mitte 1980 in Betrieb sind. GGs und Photovoltaikmodule haben eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]Insbesondere wurde ein Mangel an verfügbaren Daten zur Entsorgung oder zum Recycling von Photovoltaikmodulen festgestellt, sodass dieses Thema eine eingehendere Untersuchung erfordert.

Ökobilanz der Photovoltaik im Vergleich zu anderen Energiequellen

Die mit der Photovoltaik-Energieerzeugung verbundenen Gesamtlebenszyklusemissionen sind höher als die der Kernenergie, jedoch niedriger als die der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Die Treibhausgasemissionen verschiedener Energieerzeugungstechnologien im Lebenszyklus sind nachstehend aufgeführt:^[3].

• Silizium-PV: 45 g / kWh

• Kohle: 900 g / kWh

• Erdgas: 400-439 g / kWh

• Kernkraft: 20-40 g / kWh

Solarmodule erzeugen während ihrer Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren mehr Strom als während ihrer Produktion verbraucht wurde. Die Energierückgewinnungszeit quantifiziert die minimale Nutzungsdauer, die ein Solarmodul benötigt, um die Energie zu erzeugen, die zur Herstellung des Moduls verwendet wurde. Wie in Tabelle 1 gezeigt, beträgt die durchschnittliche Energierückgewinnungszeit 3-6 Jahre.

Tabelle 1: Energierückzahlungszeiten (EPBT) und Energierückgabefaktoren (ERF) von PV-Modulen, die an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt installiert sind^[6].

Schlussfolgerungen

Silizium-PV-Module haben im Vergleich zu den meisten herkömmlichen Energieformen wie Kohle und Erdgas eine geringe Auswirkung auf die Umwelt. Die größten Kohlenstoffemissionen, die durch die Verwendung von PV-Modulen verursacht werden, sind die mit der Modulherstellung verbundenen. Die Energy Pay Back Times (EPBT) variiert zwischen 3 und 6 Jahren für verschiedene Sonnenklimas auf der ganzen Welt. Insgesamt zahlen sich Silizium-PV-Module lange vor ihrer Nutzungsdauer für die erforderlichen Energiekosten im Voraus aus und sind für den größten Teil ihrer Nutzungsdauer Netto-Energieerzeuger.

Verweise