シリコンPVパネルのライフサイクルアセスメント（LCA）

出典：appropedia.org

バックグラウンド

太陽光発電モジュール（図 1）などの代替エネルギー技術は、世界中で人気が高まっています。 2008で初めて、代替エネルギー源への世界的な投資は、化石燃料よりも多くの投資家を獲得し、石油への新規投資$ 110 billionに対して純資本$ 155 billionを獲得しました、天然ガスと石炭。太陽光発電だけで$ 6。5 10億ドルの世界的な収益が 2004に発生し、予測収益は$ 18とほぼ3倍になると予測されています。5 10億 2010。

代替エネルギー技術は、汚染や地球規模の気候変動に関する意識と懸念が高まっているため、世界中でますます人気が高まっています。代替エネルギー技術は、地球への環境への影響が少ないエネルギー源から有用なエネルギーを得るための新しいオプションを提供します。しかし、どのくらい少ないのですか？

シリコンベースの太陽光発電の正味エネルギー分析の以前に発表されたレビュー^[1]すべてのタイプのシリコン（アモルファス、多結晶、単結晶）ベースのPVは、生産に使用されるよりもはるかに多くのエネルギーをその寿命にわたって生成することがわかりました。最新のシリコンPVはすべて、エネルギー効率の点で、 5 年未満-最適化されていない展開シナリオでさえも採算が取れます。

この記事では、シリコン太陽電池（PV）パネルの生産と寿命に関連するすべての環境への影響について説明します。

ライフサイクルアセスメント（LCA）とは

ライフサイクルアセスメント（LCA）は、製品またはプロセスの生産から廃棄までの環境への影響を評価します^[2]。 LCAは、製品の製造と使用に必要な材料とエネルギーの投入量、製品の使用に伴う排出量、および廃棄またはリサイクルによる環境への影響を調査します。 LCAは、製品の製造または使用によって必要とされる、環境緩和などの外部コストも調査する場合があります。^[3].

太陽光発電の簡単な歴史

最初の太陽電池は、チャールズフリッツによって建てられました。チャールズフリッツは、セレンと金から30 cmの電池を作りました 1883^[4]。現代のシリコン太陽光発電技術は、 1954 太陽光発電で有用な電力を生成できるようにするpnジャンクションを誤って開発したBell Labsの研究者によって発見されました^[5]。 1958では、NASAは衛星のバックアップ電源システムとして太陽光発電を使用し始めました^[4]最初の太陽光発電住宅は 1973にデラウェア大学で建設され、最初のメガワット規模の太陽光発電プロジェクトがカリフォルニアに 1984設置されました。^[4].

シリコンPVパネルのライフサイクル分析

次のセクションには、シリコンPVパネルの簡単なライフサイクル分析が含まれています。議論されるライフサイクル要因には、生産に必要なエネルギー、ライフサイクル二酸化炭素排出量、および輸送、設置、運用、廃棄など、PVパネルの耐用年数全体で生成されるすべての汚染排出量が含まれます。

生産に必要なエネルギー

太陽光発電の製造は、設置されたPVモジュールの中で最もエネルギー集約的なステップです。図 2に示すように、ケイ酸砂を太陽光発電ウェーハに必要な高純度シリコンに変換するには、大量のエネルギーが使用されます。太陽電池モジュールの組み立ては、高エネルギー含有量のアルミニウムフレーミングとガラス屋根を追加した、別のリソース集約型のステップです。

シリコン太陽光発電モジュールの環境への影響には、3つの主要コンポーネントの生産が含まれます：フレーム、モジュール、およびラックやインバーターなどのシステムのバランスコンポーネント^[3]。温室効果ガスは、主にモジュール生産（81％）が原因で発生し、続いてシステム（12％）とフレーム（7％）のバランスが発生します^[3]）。生産サイクルのリソース要件を図 3にまとめます。

図 3：シリコンモジュールの生産サイクルと必要なリソース^[6].

ライフサイクルの二酸化炭素排出量

ライフサイクル二酸化炭素排出量は、太陽光発電システムに関連する材料の生産、輸送、または設置によって引き起こされる排出量を指します。モジュール自体に加えて、一般的なインストールには電気ケーブルと金属ラックが含まれます。地上設置型太陽光発電システムには、コンクリート基礎も含まれます。遠隔設置では、地域の送電網に送電するための追加のインフラストラクチャが必要になる場合があります。材料に加えて、ライフサイクル分析には、工場、倉庫、および設置場所の間での太陽光発電モジュールの輸送中に車両から排出される二酸化炭素が含まれる必要があります。図 4 は、5種類の太陽電池モジュールの寿命への二酸化炭素の影響に対するこれらの要因の相対的寄与を比較しています^[7].

図 4：コンポーネントに応じて分類された、大規模な太陽光発電設備の生涯二酸化炭素排出量。このグラフは、典型的な単結晶シリコンモジュール（m-Si（a））、高効率単結晶シリコン（m-Si（b））、カドミウムテルル（CdTe）、および銅インジウムセレン（CIS）モジュールを比較しています。作者別のグラフ[7].

輸送排出量

輸送は太陽光発電のライフサイクル排出量の約 9％を占める^[7]。太陽光発電モジュール、ラック、システムバランスハードウェア（ケーブル、コネクタ、取り付けブラケットなど）は海外で製造されることが多く、船で米国に輸送されます^[8]米国内では、これらのコンポーネントはトラックで配送センターに輸送され、最終的には設置場所に輸送されます。

設置排出量

設置に関連する排出量には、システムを設置するための地元の建設活動に関連する車両の排出量、材料の消費量、および電力消費量が含まれます。これらのアクティビティは、太陽光発電システムのライフサイクル全体の排出量の 1％未満を生成します^[8].

運転排出量

PVモジュールの使用中に発生する空気や水の排出はありません。エアシェッドは、光化学オゾンの形成に寄与する溶剤とアルコールの排出によるPVモジュールの構築中に影響を受けます。流域は、石英、炭化ケイ素、ガラス、アルミニウムなどの天然資源の抽出からのモジュールの構築によって影響を受けます。全体として、現在の世界的なグリッド電力を中央PVシステムで置き換えると、温室効果ガス排出量、基準汚染物質、重金属、および放射性種が89〜98％削減されます。^[9].

廃棄物排出量

大規模な設備は1980年中頃のGG＃39から使用されているだけなので、シリコン太陽電池モジュールの廃棄は大きな影響を与えていません。太陽電池モジュールの寿命は少なくとも 30 年です。^[4]。 Fthenakis et al。 （2005）^[2]太陽電池モジュールの廃棄またはリサイクルに関する利用可能なデータの欠如を明確に特定したので、このトピックでは、より徹底的な調査が必要です。

他のエネルギー源と比較した太陽光発電のLCA

太陽光発電に関連する総ライフサイクル排出量は、原子力発電よりも高いが、化石燃料エネルギー生産よりは低い。いくつかのエネルギー生成技術のライフサイクル温室効果ガス排出量を以下に示します。^[3].

• シリコンPV： 45 g / kWh

• 石炭： 900 g / kWh

• 天然ガス：400-439 g / kWh

• 原子力：20-40 g / kWh

20〜30年の寿命の間、太陽電池モジュールは、生産中に消費されたよりも多くの電力を生成します。エネルギー回収時間は、太陽電池モジュールがモジュールの製造に使用されたエネルギーを生成するために必要な最小有効寿命を数値化します。表 1に示すように、平均エネルギー回収期間は3〜6年です。

表 1：世界中のさまざまな場所に設置されたPVモジュールのエネルギー回収時間（EPBT）およびエネルギー回収率（ERF）^[6].

結論

シリコンPVパネルは、石炭や天然ガスなどのほとんどの従来型のエネルギーと比較して、ライフサイクル環境への影響が少ないです。 PVパネルの使用によって引き起こされる最大の炭素排出量は、モジュールの生産に関連するものです。エネルギーペイバック時間（EPBT）は、世界中のさまざまな太陽気候の 3 年と 6 年の間で異なります。全体として、シリコンPVパネルは、その有効寿命のかなり前に生産に必要な初期エネルギーコストを回収し、耐用年数の大部分で正味のエネルギーを生成します。

参考文献