실리콘 PV 패널의 수명 주기 평가 (LCA) - 지식

출처: appropedia.org

배경

태양광 모듈과 같은 대체 에너지 기술(그림 1)은 전 세계적으로 점점 더 인기를 끌고 있습니다. 2008년, 처음으로 대체 에너지원에 대한 전 세계 투자는 화석 연료보다 더 많은 투자자를 끌어모았으며, 석유, 천연 가스 및 석탄에 대한 1,100억 달러의 신규 투자에 대해 1,550억 달러의 순자본을 기록했습니다. 태양광 발전만으로도 2004년 전 세계 매출65억 달러를 달성했으며, 2010년에는 185억 달러의 예상 매출을 기록한 것으로 예상됩니다.

대체 에너지 기술은 오염에 대한 인식과 우려, 지구 기후 변화에 대한 인식과 우려로 인해 전 세계적으로 점점 더 인기를 끌고 있습니다. 대체 에너지 기술은 지구에 미치는 환경 영향이 적은 소스에서 유용한 에너지를 얻기 위한 새로운 옵션을 제공합니다. 하지만 얼마나 적은?

실리콘 기반 태양광 발전의 순 에너지 분석에 대한 이전 발표된 검토^[1]모든 유형의 실리콘 (비정질, 다결정 및 단결정) 기반 PV는 생산에 사용되는 것보다 수명 동안 훨씬 더 많은 에너지를 생성한다는 것을 발견했습니다. 모든 최신 실리콘 PV는 최적이 아닌 배포 시나리오에서도 5년 이내에 에너지 측면에서 비용을 지불합니다.

이 기사에서는 실리콘 태양광(PV) 패널의 생산 및 평생 사용과 관련된 모든 환경 적 영향을 살펴봅니다.

라이프 사이클 평가(LCA)란 무엇입니까?

라이프 사이클 평가(LCA)는 생산에서 폐기까지 제품 또는 공정의 환경 적 영향을 평가합니다.^[2]. LCA는 제품을 생산하고 사용하는 데 필요한 재료 및 에너지 입력, 사용과 관련된 배기가스, 폐기 또는 재활용의 환경 적 영향을 조사합니다. LCA는 또한 제품의 생산 또는 사용에 필요한 환경 완화와 같은 외부 비용을 조사할 수 있습니다.^[3].

태양광 발전의 간략한 역사

최초의 태양광 전지는 1883년 셀레늄과 금으로 30cm 셀을 제작한 찰스 프리츠(Charles Fritts)에 의해 지어졌습니다.^[4]. 현대 실리콘 광전지 기술은 1954년 Bell Labs의 연구원들에 의해 발견되었으며, 이들은 실수로 태양광발전이 유용한 전기를 생산할 수 있는 pn 접합을 개발했습니다.^[5]. 1958년, NASA는 태양광을 위성용 백업 전력 시스템으로 사용하기 시작했습니다.^[4]최초의 태양열 기숙사는 1973년 델라웨어 대학교에 건설되었으며, 1984년 캘리포니아에 최초의 메가와트 규모의 태양광 발전 프로젝트가 설치되었습니다.^[4].

실리콘 PV 패널 수명 주기 분석

다음 섹션에는 실리콘 PV 패널의 간략한 수명 주기 분석이 포함되어 있습니다. 논의된 라이프사이클 요인으로는 생산에 필요한 에너지, 라이프사이클 이산화탄소 배출, 그리고 PV 패널 전체에서 발생하는 모든 오염 배출은 운송, 설치, 운영 및 폐기로부터 수명이 다할 수 있습니다.

생산을 위한 에너지 요구 사항

태양광 제조는 설치 태양광 모듈중 가장 에너지 집약적인 단계입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 많은 양의 에너지는 실리카 모래를 태양광 웨이퍼에 필요한 고순도 실리콘으로 변환하는 데 사용됩니다. PV 모듈의 조립은 고에너지 함량의 알루미늄 프레임과 유리 루핑을 첨가하여 자원 집약적인 또 다른 단계입니다.

그림 2: 1494MJ/패널의 총 에너지 요구 사항(GER)의 백분율로 PV 패널 제조시 생산 단계의 에너지 요구 사항(~ 0.65m2 표면)^[6].

실리콘 태양광 모듈의 환경적 영향은 프레임, 모듈 및 랙 및 인버터와 같은 시스템 균형 구성 요소의 세 가지 주요 구성 요소의 생산을 포함합니다.^[3]. 온실가스는 주로 모듈 생산(81%)에 의해 발생하며, 그 다음으로 시스템 균형(12%)이 뒤를 잇고 있습니다. 및 프레임 (7%)^[3]). 생산 주기의 리소스 요구 사항은 그림 3에 요약되어 있습니다.

그림 3: 실리콘 모듈의 생산 주기 및 필수 리소스^[6].

라이프실 이산화탄소 배출량

라이프사이클 이산화탄소 배출량은 태양광 시스템과 관련된 재료의 생산, 운송 또는 설치로 인한 배출을 가리킵니다. 모듈 자체 외에도 전기 케이블과 금속 랙이 일반적인 설치에 포함됩니다. 지상 실장형 태양광 시스템에는 콘크리트 기초도 포함되어 있습니다. 원격 설치에는 로컬 전기 그리드로 전기를 전송하기 위한 추가 인프라가 필요할 수 있습니다. 재료 외에도 수명 주기 분석에는 공장, 창고 및 설치 현장 간에 태양광 모듈을 운송하는 동안 차량에서 방출되는 이산화탄소가 포함되어야 합니다. 그림 4는 이러한 요인의 상대적 기여도를 5가지 유형의 태양광 모듈의 평생 이산화탄소 영향과 비교합니다.^[7].

그림 4:구성 요소에 따라 분류되는 대규모 태양광 설비의 평생 이산화탄소 배출량입니다. 이 그래프는 일반적인 단결정 실리콘 모듈(m-Si(a)), 고효율 단결정 실리콘(m-Si(b),카드뮴 텔루륨(CdTe) 및 구리 인듐 셀레늄(CIS) 모듈을 비교합니다. 저자에 의한 그래프, 기반[7].

운송 배기가스

운송은 태양광 발전의 수명 주기 배출량의 약 9%를 차지합니다.^[7]. 태양광 모듈, 랙 및 시스템 균형 하드웨어(예: 케이블, 커넥터 및 마운팅 브래킷)는 해외에서 자주 생산되어 선박으로 미국으로 운송됩니다.^[8]. 미국 내에서 이러한 구성 요소는 트럭으로 물류 센터로 운송되고 결국 에는 설치 현장으로 이송됩니다.

설치 배기가스

설치와 관련된 배출가스에는 차량 배기가스, 자재 소비, 시스템 설치를 위한 지역 건설 활동과 관련된 전기 소비가 포함됩니다. 이러한 활동은 태양광 시스템의 총 수명 주기 배출량의 1% 미만을 생성합니다.^[8].

작업 배기가스

PV 모듈을 사용하는 동안 발생하는 공기 또는 물 배출은 없습니다. 에어셰드(airsheds)는 광화학 오존 형성에 기여하는 용매 및 알코올 배출로 인한 PV 모듈 의 건설 과정에서 영향을 받습니다. 유역은 석영, 실리콘 카바이드, 유리 및 알루미늄과 같은 천연 자원의 추출에서 모듈의 건설에 의해 영향을받습니다. 전반적으로, 현재 전 세계 전력망 전력을 중앙 태양광 시스템으로 교체하면 온실 가스 배출, 기준 오염 물질, 중금속 및 방사성 종의 89-98% 감소가 가능할 것입니다.^[9].

폐기 배출

실리콘 태양광 모듈의 폐기는 1980년대 중반부터 대규모 설치가 사용되어 왔으며 태양광 모듈의 수명이 최소 30년이기 때문에 큰 영향을 미치지 않았습니다.^[4]. 페타나키스 외 (2005)^[2]특히 태양광 모듈의 폐기 또는 재활용에 대한 사용 가능한 데이터가 부족하다는 것을 확인했기 때문에 이 주제는 보다 철저한 조사를 보증합니다.

다른 에너지원에 비해 태양광 LCA

태양광 에너지 생산과 관련된 총 수명 주기 배출량은 원자력 발전보다 높지만 화석 연료 에너지 생산보다 낮습니다. 여러 에너지 생성 기술의 라이프사이클 온실 가스 배출량은 다음과 같습니다.^[3].

실리콘 PV : 45g / kWh
석탄 : 900g / kWh
천연 가스 : 400-439 g / kWh
핵: 20-40 g/kWh

20-30년 의 수명 동안 태양광 모듈은 생산 과정에서 소비된 것보다 더 많은 전기를 생산합니다. 에너지 회수 시간은 모듈을 생산하는 데 사용된 에너지를 생성하는 데 태양광 모듈에 필요한 최소 수명을 정량화합니다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 평균 에너지 회수 시간은 3-6년이다.

표 1: 전 세계 여러 지역에 설치된 PV 모듈의 에너지 회수 시간(EPBT) 및 ERF(에너지 회수 인자)^[6].

국가	마을	태양 복사	위도	구역	연간 생산	EPBT	Erf
		(kWh/m2)		(m)	(kWh/kWp)	(년)
오스트레일리아	시드니	1614	33.55	1	1319	3.728	7.5
오스트리아	비엔나	1108	48.2	186	906	5.428	5.2
벨기에	브뤼셀	946	50.5	77	788	6.241	4.5
캐나다	오타와	1377	45.25	75	1188	4.14	6.8
체코	프라하	1000	50.06	261	818	6.012	4.7
덴마크	코펜하겐	985	55.75	1	850	5.786	4.8
핀란드	헬싱키	956	60.13	0	825	5.961	4.7
프랑스	파리	1057	48.52	32	872	5.64	5
프랑스	마르세유	1540	43.18	7	1317	3.734	7.5
독일	베를린	999	52.32	35	839	5.862	4.8
독일	뮌헨	1143	48.21	515	960	5.123	5.5
그리스	아테네	1563	38	139	1278	3.848	7.3
헝가리	부다페스트	1198	47.3	103	988	4.978	5.6
아일랜드	더블린	948	53.2	9	811	6.064	4.6
이탈리아	로마	1552	41.53	15	1315	3.74	7.5
이탈리아	밀라노	1251	45.28	103	1032	4.765	5.9
일본	도쿄	1168	35.4	14	955	5.15	5.4
대한민국	서울	1215	37.3	30	1002	4.908	5.7
룩셈부르크	룩셈부르크	1035	49.62	295	862	5.705	4.9
네덜란드	암스테르담	1045	52.21	1	886	5.551	5
뉴 젤랜드	웰링턴	1412	41.17	21	1175	4.185	6.7
노르웨이	오슬로	967	59.56	13	870	5.653	5
포르투갈	리스본	1682	35.44	16	1388	3.543	7.9
스페인	마드리드	1660	40.25	589	1394	3.528	7.9
스페인	세비야	1754	37.24	5	1460	3.368	8.3
스웨덴	스톡홀름	980	59.21	16	860	5.718	4.9
스위스	베른	1117	46.57	524	922	5.334	5.2
터키	앙카라	1697	39.55	1102	1400	3.513	8
영국	런던	955	51.3	20	788	6.241	4.5
영국	딘 버 러	890	55.57	32	754	6.522	4.3
미국	워싱턴	1487	38.52	14	1249	3.937	7.1

결론

실리콘 PV 패널은 석탄 및 천연 가스와 같은 대부분의 기존 에너지 형태에 비해 수명 주기가 환경에 미치는 영향이 낮습니다. PV 패널의 사용으로 인한 가장 큰 탄소 배출량은 모듈 생산과 관련된 탄소 배출량입니다. 에너지 지불 시간 (EPBT)는 전 세계의 다양한 태양 기후에 대해 3 년에서 6 년 사이다. 전반적으로 실리콘 PV 패널은 수명 수명 보다 훨씬 앞서 생산에 필요한 선행 에너지 비용을 회수하고 대부분의 수명 동안 순 에너지 발전기입니다.