Насколько экологична солнечная энергетика: от производства до утилизации? Как электростанции влияют на окружающую среду?

Я попробую разобрать именно солнечные фотоэлектрические панели, не касаясь термо-солнечной энергетики.

Сразу стоит сказать, энергия полученная от фотоэлектрических панелей - неидеальная, и не является панацеей на данный момент.

Негативное влияние фотоэлектрических панелей на окружающую среду.

1. Потребление электрической энергии, на производство солнечных панелей.

Производство фотоэлектрических панелей - очень энергоемкий процесс. Добыча сырья для производства солнечных панелей, их транспортировка, и само производство (процесс Чохральского для выращивания кристаллов Кремния) требует огромное количество подведенной как тепловой, так и электрической энергии. Исходное сырье - Кварц необходимо очистить и подготовить к дальнейшей переработке, также требуются значительные объемы другого сырья - медь, алюминий и другие металлы. 

1. Использование ядовитых химикатов.

Для изготовления кремния нужного качества, при обработке полупроводников используются ядовитые химикаты. От страны к стране разные требования к производству, в Европе эти химикаты необходимо утилизировать, в Китае такого требования нет. Как и в любой другой отрасли, есть компании, которые подают пример, а есть компании, которые экономят деньги. 

1. Утилизация фотоэлектрических панелей. 

Средний срок службы солнечной панели - 20 лет. Дальше, ее необходимо утилизировать. В настоящий момент эта проблема не является очень острой, потому что "бум" в солнечной энергетике начался лет 5 назад, соответственно огромные введенные мощности фотоэлектрической энергетики утилизировать в данный момент нужды нет. Но эта проблема может стать очень серьезной.

Безусловно, если рассматривать цепочку только с фотоэлектрической панелью, без ее производства, то солнечная энергетика очень эффективна в плане уменьшения углеродного следа. Поскольку сейчас в мире наблюдается острый дефицит полупроводниковых материалов, то разумно после окончания срока эксплуатации солнечной панели переработать ее, и извлечь все полупроводниковые элементы, но в данный момент не существует ни экономически приемлемой, ни масштабируемой технологии утилизации солнечных панелей. 

Влияние производство солнечных панелей на окружающую среду.

Солнечные панели состоят из нескольких компонентов: каркаса, ячеек, тыльной стороны, защитной пленки, проводников и крышки из закаленного стекла. Рама изготовлена из алюминия, ячейки - из кремния, проводники - из меди, а тыльная сторона и пленка - обычно из материала на основе полимера или пластика.

После добычи кварц перерабатывается в кремний электронного качества. Этот процесс включает нагревание кварца в высокотемпературной печи и его реакцию с различными химическими веществами. Для формирования экструдированного алюминиевого каркаса и прокатки закаленного стекла требуются другие процессы. 

Интенсивность выбросов углерода от солнечных панелей и других видов топлива.

Интенсивность выбросов - это совокупные выбросы углерода за весь срок службы, рассчитанные на единицу энергии. Это выражается в граммах эквивалента диоксида углерода на киловатт-час (гр.CO2 / кВтч) или эквивалентном значении в тоннах эквивалента углекислого газа на мегаватт-час (т. CO2 / МВтч).

Чем ниже интенсивность выбросов, тем лучше воздействие на окружающую среду, поскольку меньше CO2 выделяется для выработки того же количества энергии.

Выбросы углерода от солнечной энергии в течение всего срока службы.

Чтобы нарисовать четкую картину солнечного углеродного следа, за последние пару десятилетий были проведены сотни исследований по оценке жизненного цикла профиля выбросов от солнечной энергетики.

Эти оценки включали этапы добычи, эксплуатации и переработки энергии из различных источников топлива, таких как солнечные фотоэлектрические, солнечные тепловые, ветровые, ядерные, традиционные.

В 2014 году Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США проверила 400 из этих исследований с учетом расхождений, выбросов и других переменных факторов, влияющих на данные. Затем данные были согласованы с использованием дискретного набора допущений для целей сравнения.

Результаты показали, что солнечным панелям требуется от 60% до 70% энергии на этапе производства, примерно 25% во время работы и примерно от 5% до 20% после их  срока службы.

С другой стороны, уголь генерирует ~ 98% выбросов в процессе эксплуатации (добыча, транспортировка, сжигание и т. д.).  Как и следовало ожидать, методы производства энергии на основе ископаемого топлива производят больше CO2, чем возобновляемые источники на 1 кВтч.

На картинке выше слева направо следующие источники электрической энергии: фотоэлектрическая энергетика; термо-солнечная энергетика; ветровая энергетика; ядерная энергетика; оборудование работающее на газу;  оборудование работающее на угле. 

Интенсивность выбросов в течение жизненного цикла солнечных фотоэлектрических систем составляет примерно 40 г CО2 / кВтч.

Интенсивность выбросов угля в течение жизненного цикла составляет приблизительно 1 000 г CO2 / кВтч.

Уголь производит в 25 раз больше углекислого газа, чем солнечная фотоэлектрическая энергетика.

Однако в 2014 году (на момент проведения исследования) КПД солнечных панелей составляло от 13,2% до 14,0%. Сегодня поликристаллические солнечные модули регулярно достигают КПД> 19,5%.

Но сколько времени пройдет, пока солнечная фотоэлектрическая станция вырабатывает достаточно энергии, чтобы компенсировать затраты на производство?

Срок окупаемости солнечной энергии зависит от вашего местоположения, поскольку различные погодные условия влияют на выработку электрической энергии. Солнечная панель, установленная в пустыне Сахара, будет производить больше энергии и окупаться намного быстрее, чем такая же панель, установленная над полярным кругом (с энергетической точки зрения).

И снова NREL предоставляет некоторые заслуживающие внимания данные. Эти данные включают изготовление модуля, рамы и баланс компонентов системы.

Период окупаемости поликристаллических солнечных батарей составляет всего 2 года (с точки зрения затраченной энергии, а не денег).

Имея это в виду, разумно предположить, что солнечные панели имеют приблизительный период окупаемости энергии от 1 до 2 лет (с точки зрения затраченной энергии, а не денег).

Заключение.

Солнечная энергия не идеальна, но в целом она оказывает положительное  воздействие на окружающую среду.

Да, для добычи / производства солнечных панелей требуется огромное количество энергии, и да, в процессе производства используются химические вещества. Эти два неопровержимых факта не означают, что солнечные панели имеют чистое негативное воздействие, как показывают данные.