Evaluación del ciclo de vida (LCA) de paneles fotovoltaicos de silicio

Fuente: appropedia.org

Antecedentes

Las tecnologías de energía alternativa como los módulos fotovoltaicos (Figura 1) se están volviendo más populares en todo el mundo. En 2008, por primera vez, las inversiones mundiales en fuentes de energía alternativas atrajeron más inversores que los combustibles fósiles, generando $ 155 billones en capital neto contra $ 110 billones de nuevas inversiones en petróleo, gas natural y carbón. La energía solar sola generó $ 6. 5 mil millones en ingresos mundiales en 2004, y se espera que casi triplique eso con ingresos proyectados de $ 18. 5 mil millones por 2010.

Las tecnologías de energía alternativa se están volviendo cada vez más populares en todo el mundo debido a una mayor conciencia y preocupación por la contaminación y el cambio climático global. Las tecnologías de energía alternativa ofrecen una nueva opción para obtener energía útil de fuentes que tienen menos impacto ambiental en el planeta. Pero cuanto menos?

Una revisión publicada anteriormente del análisis de energía neta de la energía fotovoltaica basada en silicio.^[1]descubrió que todos los tipos de PV a base de silicio (amorfo, policristalino y monocristalino) generaban mucha más energía durante su vida útil que la utilizada en su producción. Todos los PV de silicio modernos se pagan por sí mismos en términos de energía en menos de 5 años, incluso en escenarios de implementación muy subóptimos.

Este artículo explora todos los impactos ambientales asociados con la producción y el uso de por vida de los paneles fotovoltaicos (PV) de silicio.

¿Qué es una evaluación del ciclo de vida (LCA)?

Una evaluación del ciclo de vida (LCA) evalúa los impactos ambientales de un producto o proceso desde la producción hasta la eliminación.^[2]. Un ACV investiga los insumos de materiales y energía necesarios para producir y usar un producto, las emisiones asociadas con su uso y los impactos ambientales de la eliminación o el reciclaje. El ACV también puede investigar los costos externos, como la mitigación ambiental, que son necesarios por la producción o el uso de un producto.^[3].

Breve historia de la energía solar

La primera celda fotovoltaica fue construida por Charles Fritts, quien construyó una celda de 30 cm de selenio y oro en 1883^[4]. La moderna tecnología fotovoltaica de silicio fue descubierta en 1954 por investigadores de Bell Labs, quienes desarrollaron accidentalmente la unión pn que permite a la energía fotovoltaica producir electricidad útil.^[5]. En 1958, la NASA comenzó a usar la energía fotovoltaica como sistemas de energía de respaldo para sus satélites^[4]La primera residencia con energía solar se construyó en la Universidad de Delaware en 1973, y el primer proyecto fotovoltaico a escala de megavatios se instaló en California en 1984^[4].

Análisis de ciclo de vida del panel PV de silicio

La siguiente sección contiene un breve análisis del ciclo de vida de los paneles fotovoltaicos de silicio. Los factores del ciclo de vida discutidos incluyen: la energía requerida para la producción, las emisiones de dióxido de carbono del ciclo de vida y todas las emisiones de contaminación generadas a lo largo de la vida útil de los paneles fotovoltaicos desde: transporte, instalación, operación y eliminación.

Requerimientos Energéticos para Producción

La fabricación de energía fotovoltaica es abrumadoramente el paso más intensivo en energía de los módulos fotovoltaicos instalados. Como se ve en la Figura 2, se utilizan grandes cantidades de energía para convertir arena de sílice en el silicio de alta pureza requerido para las obleas fotovoltaicas. El ensamblaje de los módulos fotovoltaicos es otro paso intensivo en recursos con la adición de marcos de aluminio de alto contenido de energía y techos de vidrio.

El impacto ambiental de un módulo fotovoltaico de silicio implica la producción de tres componentes principales: el marco, el módulo y los componentes de equilibrio del sistema, como el bastidor y el inversor^[3]. Los gases de efecto invernadero son causados ​​principalmente por la producción de módulos (81%), seguidos por el equilibrio del sistema (12%) y el marco (7%)^[3]) Los requisitos de recursos del ciclo de producción se resumen en la Figura 3.

Figura 3: El ciclo de producción y los recursos requeridos de un módulo de silicio^[6].

Emisiones de dióxido de carbono de Lifecyle

Las emisiones de dióxido de carbono del ciclo de vida se refieren a las emisiones causadas por la producción, el transporte o la instalación de materiales relacionados con los sistemas fotovoltaicos. Además de los módulos en sí, la instalación típica incluye un cable eléctrico y un estante de metal. Los sistemas fotovoltaicos montados en el suelo también incluyen una base de hormigón. Las instalaciones remotas pueden requerir infraestructura adicional para la transmisión de electricidad a la red eléctrica local. Además de los materiales, un análisis del ciclo de vida debe incluir dióxido de carbono emitido por los vehículos durante el transporte de módulos fotovoltaicos entre la fábrica, el almacén y el sitio de instalación. La Figura 4 compara las contribuciones relativas de estos factores a los impactos de dióxido de carbono de por vida de cinco tipos de módulos fotovoltaicos^[7].

Figura 4:Emisiones de dióxido de carbono de por vida para instalaciones fotovoltaicas a gran escala, clasificadas según el componente. Este gráfico compara los módulos típicos de silicio monocristalino (m-Si (a)), silicio monocristalino de alta eficiencia (m-Si (b)), cadmio teluro (CdTe) y módulos de cobre indio y selenio (CIS). Gráfico por autores, basado en[7].

Emisiones de transporte

El transporte representa aproximadamente el 9% de las emisiones del ciclo de vida de la energía fotovoltaica^[7]. Los módulos fotovoltaicos, los bastidores y el hardware de equilibrio del sistema (como cables, conectores y soportes de montaje) se producen con frecuencia en el extranjero y se transportan a los Estados Unidos en barco.^[8]Dentro de los Estados Unidos, estos componentes son transportados por camión a los centros de distribución y eventualmente al sitio de instalación.

Emisiones de instalación

Las emisiones asociadas con la instalación incluyen emisiones de vehículos, consumo de materiales y consumo de electricidad asociados con actividades de construcción locales para instalar el sistema. Estas actividades generan menos del 1% de las emisiones totales del ciclo de vida del sistema fotovoltaico^[8].

Emisiones de Operación

No se generan emisiones al aire o al agua durante el uso de los módulos fotovoltaicos. Las cuencas de aire se ven afectadas durante la construcción de módulos fotovoltaicos a partir de las emisiones de solventes y alcohol que contribuyen a la formación de ozono fotoquímico. Las cuencas hidrográficas se ven afectadas por la construcción de módulos a partir de la extracción de recursos naturales como el cuarzo, el carburo de silicio, el vidrio y el aluminio. En general, el reemplazo de la electricidad actual de la red mundial con sistemas fotovoltaicos centrales conduciría a una reducción del 89-98% en las emisiones de gases de efecto invernadero, contaminantes criterio, metales pesados ​​y especies radiactivas^[9].

Emisiones de eliminación

La eliminación de los módulos fotovoltaicos de silicio no ha causado impactos significativos porque las instalaciones a gran escala solo se han utilizado desde mediados de 1980.' sy los módulos fotovoltaicos tienen una vida útil de al menos 30 años^[4]. Fthenakis y col. (2005)^[2]identificó específicamente la falta de datos disponibles sobre la eliminación o el reciclaje de módulos fotovoltaicos, por lo que este tema merece una investigación más exhaustiva.

ACV de la energía fotovoltaica en comparación con otras fuentes de energía

Las emisiones totales del ciclo de vida asociadas con la producción de energía fotovoltaica son más altas que las de la energía nuclear pero más bajas que las de la producción de energía de combustibles fósiles. El ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero de varias tecnologías de generación de energía se enumeran a continuación:^[3].

• PV de silicio: 45 g / kWh

• Carbón: 900 g / kWh

• Gas natural: 400-439 g / kWh

• Nuclear: 20-40 g / kWh

Durante sus vidas de 20-30 años, los módulos solares generan más electricidad de la que se consumió durante su producción. El tiempo de recuperación de energía cuantifica la vida útil mínima requerida para que un módulo solar genere la energía que se utilizó para producir el módulo. Como se muestra en la Tabla 1, el tiempo promedio de recuperación de energía es de 3-6 años.

Tabla 1: Tiempos de devolución de energía (EPBT) y Factores de retorno de energía (ERF) de módulos fotovoltaicos instalados en varios lugares del mundo^[6].

Conclusiones

Los paneles fotovoltaicos de silicio tienen un impacto ambiental de ciclo de vida bajo en comparación con la mayoría de las formas convencionales de energía, como el carbón y el gas natural. Las mayores emisiones de carbono causadas por el uso de paneles fotovoltaicos son las asociadas con la producción de módulos. Los tiempos de devolución de energía (EPBT) varían entre 3 y 6 años para varios climas solares en todo el mundo. En general, los paneles fotovoltaicos de silicio amortizan los costos de producción de energía iniciales requeridos mucho antes de su vida útil y son generadores de energía neta durante la mayor parte de su vida útil.

Referencias