Avaliação do ciclo de vida (ACV) de painéis fotovoltaicos de silício

Fonte: appropedia.org

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Tecnologias de energia alternativa, como módulos fotovoltaicos (Figura 1), estão se tornando mais populares em todo o mundo. Em 2008, pela primeira vez, os investimentos mundiais em fontes alternativas de energia atraíram mais investidores do que combustíveis fósseis, gerando US $ 155 bilhões em capital líquido contra US $ 110 bilhões em novos investimentos em petróleo, gás natural e carvão. Somente a energia solar gerou $ 6. 5 bilhões em receita mundial em 2004, e espera-se que quase triplique a receita projetada de $ 18. 5 bilhões para 2010.

As tecnologias de energia alternativa estão se tornando cada vez mais populares em todo o mundo devido a uma maior conscientização e preocupações com a poluição e as mudanças climáticas globais. As tecnologias de energia alternativa oferecem uma nova opção para obter energia útil de fontes que têm menos impacto ambiental no planeta. Mas quanto menos?

Uma revisão publicada anteriormente da análise da energia líquida de energia fotovoltaica à base de silício^[1]descobriram que todos os tipos de PV à base de silício (amorfo, policristalino e monocristalino) geravam muito mais energia ao longo da vida útil do que é usado em sua produção. Todo PV de silício moderno se paga em termos de energia em menos de 5 anos - mesmo em cenários de implantação muito abaixo do ideal.

Este artigo explora todos os impactos ambientais associados à produção e ao uso durante a vida útil dos painéis fotovoltaicos de silício fotovoltaico (PV).

O que é uma avaliação do ciclo de vida (ACV)

Uma avaliação do ciclo de vida (ACV) avalia os impactos ambientais de um produto ou processo, da produção ao descarte^[2]. Uma ACV investiga os insumos de material e energia necessários para produzir e usar um produto, as emissões associadas ao seu uso e os impactos ambientais do descarte ou reciclagem. A ACV também pode investigar custos externos, como mitigação ambiental, necessários à produção ou uso de um produto.^[3].

Breve História da Energia Solar

A primeira célula fotovoltaica foi construída por Charles Fritts, que construiu uma célula de 30 cm de selênio e ouro em 1883^[4]. A moderna tecnologia fotovoltaica de silício foi descoberta em 1954 por pesquisadores do Bell Labs, que desenvolveram acidentalmente a junção pn que permite que a energia fotovoltaica produza eletricidade útil^[5]. Em 1958, a NASA começou a usar energia fotovoltaica como sistemas de energia de reserva para seus satélites^[4]A primeira residência movida a energia solar foi construída na Universidade de Delaware em 1973 e o primeiro projeto fotovoltaico em escala de megawatts foi instalado na Califórnia em 1984^[4].

Análise do ciclo de vida do painel fotovoltaico de silício

A seção a seguir contém uma breve análise do ciclo de vida dos painéis fotovoltaicos de silício. Os fatores do ciclo de vida discutidos incluem: a energia necessária para a produção, as emissões de dióxido de carbono do ciclo de vida e todas as emissões de poluição geradas ao longo da vida útil de painéis fotovoltaicos de: transporte, instalação, operação e descarte.

Requisitos de energia para produção

A fabricação de energia fotovoltaica é predominantemente a etapa que consome mais energia dos módulos fotovoltaicos instalados. Como visto na Figura 2, grandes quantidades de energia são usadas para converter areia de sílica no silício de alta pureza necessário para as bolachas fotovoltaicas. A montagem dos módulos fotovoltaicos é outro passo intensivo em recursos, com a adição de estruturas de alumínio com alto teor de energia e coberturas de vidro.

O impacto ambiental de um módulo fotovoltaico de silício envolve a produção de três componentes principais: a estrutura, o módulo e os componentes da balança do sistema, como rack e inversor^[3]. Os gases de efeito estufa são causados ​​principalmente pela produção do módulo (81%), seguida pelo saldo do sistema (12%) e quadro (7%)^[3]) Os requisitos de recursos do ciclo de produção estão resumidos na Figura 3.

Figura 3: O ciclo de produção e os recursos necessários de um módulo de silício^[6].

Emissões de dióxido de carbono do ciclo de vida

As emissões de dióxido de carbono do ciclo de vida referem-se às emissões causadas pela produção, transporte ou instalação de materiais relacionados aos sistemas fotovoltaicos. Além dos próprios módulos, a instalação típica inclui cabo elétrico e um rack de metal. Os sistemas fotovoltaicos montados no solo também incluem uma base de concreto. Instalações remotas podem exigir infraestrutura adicional para transmissão de eletricidade à rede elétrica local. Além dos materiais, uma análise do ciclo de vida deve incluir dióxido de carbono emitido pelos veículos durante o transporte de módulos fotovoltaicos entre a fábrica, o armazém e o local da instalação. A Figura 4 compara as contribuições relativas desses fatores aos impactos ao longo da vida útil do dióxido de carbono de cinco tipos de módulos fotovoltaicos^[7].

Figura 4:Emissões de dióxido de carbono ao longo da vida útil para instalações fotovoltaicas em larga escala, categorizadas de acordo com o componente. Este gráfico compara os módulos típicos de silício monocristalino (m-Si (a)), silício monocristalino de alta eficiência (m-Si (b)), módulos de cádmio-telúrio (CdTe) e selênio-índio e cobre (CIS). Gráfico dos autores, baseado em[7].

Emissões de Transporte

O transporte representa cerca de 9% das emissões do ciclo de vida de energia fotovoltaica^[7]. Módulos fotovoltaicos, racks e hardware da balança de sistema (como cabos, conectores e suportes de montagem) são freqüentemente produzidos no exterior e transportados para os Estados Unidos por navio^[8]. Nos Estados Unidos, esses componentes são transportados por caminhão para os centros de distribuição e, eventualmente, para o local da instalação.

Emissões de instalação

As emissões associadas à instalação incluem emissões do veículo, consumo de material e consumo de eletricidade associados às atividades locais de construção para instalar o sistema. Essas atividades geram menos de 1% das emissões totais do ciclo de vida do sistema fotovoltaico^[8].

Emissões de Operação

Não há emissões atmosféricas ou de água geradas durante o uso de módulos fotovoltaicos. Os derrames de ar são impactados durante a construção de módulos fotovoltaicos a partir de emissões de solvente e álcool que contribuem para a formação fotoquímica de ozônio. As bacias hidrográficas são impactadas pela construção de módulos a partir da extração de recursos naturais, como quartzo, carboneto de silício, vidro e alumínio. Em geral, a substituição da eletricidade atual da rede mundial por sistemas fotovoltaicos centrais levaria a reduções de 89 a 98% nas emissões de gases de efeito estufa, poluentes de critérios, metais pesados ​​e espécies radioativas^[9].

Emissões de eliminação

O descarte de módulos fotovoltaicos de silício não causou impactos significativos porque instalações em larga escala só foram utilizadas desde meados da década de 1980 e módulos fotovoltaicos têm vida útil de pelo menos 30 anos^[4]. Fthenakis et al. (2005)^[2]identificou especificamente a falta de dados disponíveis sobre o descarte ou a reciclagem de módulos fotovoltaicos, portanto esse tópico merece uma investigação mais aprofundada.

ACV de energia fotovoltaica em comparação com outras fontes de energia

As emissões totais do ciclo de vida associadas à produção de energia fotovoltaica são mais altas que as da energia nuclear, mas mais baixas que as da produção de energia de combustíveis fósseis. As emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida de várias tecnologias de geração de energia estão listadas abaixo:^[3].

• PV de silício: 45 g / kWh

• Carvão: 900 g / kWh

• Gás natural: 400-439 g / kWh

• Nuclear: 20-40 g / kWh

Durante seus 20 a 30 anos de vida, os módulos solares geram mais eletricidade do que foi consumido durante sua produção. O tempo de retorno da energia quantifica a vida útil mínima necessária para um módulo solar gerar a energia que foi usada para produzir o módulo. Conforme mostrado na Tabela 1, o tempo médio de retorno da energia é de 3 a 6 anos.

Tabela 1: EPBT e fatores de retorno de energia (ERF) dos módulos fotovoltaicos instalados em vários locais do mundo^[6].

Conclusões

Os painéis fotovoltaicos de silício têm um baixo impacto ambiental no ciclo de vida, em comparação com as formas mais convencionais de energia, como carvão e gás natural. As maiores emissões de carbono causadas pelo uso de painéis fotovoltaicos são as associadas à produção de módulos. Os tempos de retorno da energia (EPBT) variam entre 3 e 6 anos para vários climas solares em todo o mundo. No geral, os painéis fotovoltaicos de silício recuperam os custos iniciais de energia necessários à produção bem antes de sua vida útil e são geradores líquidos de energia durante a maior parte de sua vida útil.

Referências