Care este amprenta de carbon a unui panou solar? Prezentare generală și emisii

Știm că panourile solare sunt considerate curate și ecologice, dar cât de curate sunt ele, de fapt?

Deși în anumite puncte ale ciclului lor de viață panourile solare sunt responsabile pentru emisii de carbon, comparativ cu alte surse de energie regenerabilă, acestea reprezintă totuși o fracțiune din emisiile produse de combustibilii fosili precum gazele naturale și cărbunele. Aici, analizăm amprenta de carbon a panourilor solare.

Calcularea amprentei de carbon

Spre deosebire de combustibilii fosili, panourile solare nu produc emisii în timp ce generează energie – de aceea sunt o componentă atât de importantă a tranziției către energie curată, aflată în desfășurare pentru a reduce emisiile globale de gaze cu efect de seră și a încetini schimbările climatice.

Cu toate acestea, etapele de producție care preced generarea energiei solare cauzează emisii, de la extracția metalelor și mineralelor rare până la procesul de producție a panourilor și transportul materiilor prime și al panourilor finite. Atunci când se determină amprenta netă de carbon a panourilor solare, este, prin urmare, necesar să se ia în considerare mai mulți factori, inclusiv modul în care sunt obținute materialele utilizate pentru producerea panourilor, modul în care sunt fabricate panourile și durata de viață anticipată a panoului.

Extragerea materialelor

Componenta de bază a unui panou solar este celula solară, de obicei realizată din semiconductori de siliciu care captează și convertesc căldura soarelui în energie utilizabilă. Aceștia constau din straturi pozitive și negative de siliciu care absorb lumina solară și produc un curent electric prin mișcarea electronilor între straturile pozitive și negative ale celulei solare. Acest curent este trimis prin liniile de grilă conductoare de metal ale unui panou solar. Fiecare celulă solară este, de asemenea, acoperită cu o substanță care previne reflexia, astfel încât panourile să absoarbă maximum de lumină solară.

Pe lângă siliciu, panourile solare utilizează, de asemenea, metale rare și prețioase precum argintul, cuprul, indiul, telurul și – pentru stocarea energiei solare în baterii – litiul. Extracția tuturor acestor substanțe produce emisii de gaze cu efect de seră și poate contamina aerul, solul și apa.

Este dificil să se cuantifice aceste emisii, deoarece transparența variază în ceea ce privește măsurarea și raportarea amprentei de carbon asociate cu extracția, prelucrarea și transportul mineralelor și metalelor critice. Un grup de centre de cercetare a format Coalition on Materials Research Transparency (Coaliția pentru Transparența Cercetării Materialelor) pentru a încerca să abordeze această problemă prin dezvoltarea de standarde la nivel de industrie pentru evaluarea emisiilor de carbon din minerit. Cu toate acestea, până în prezent, această muncă se află în stadiile sale incipiente.

Tipuri de panouri solare

Există mai multe tipuri de panouri solare, iar panouri diferite au amprente de carbon diferite. Cele două tipuri de panouri solare comerciale de astăzi sunt monocristaline și policristaline – ambele realizate din celule de siliciu, dar produse diferit. Conform Departamentului Energiei, aceste module solare demonstrează eficiențe de conversie a energiei variind între 18% și 22%.

Celulele monocristaline sunt fabricate dintr-o singură bucată de siliciu tăiată în plăcuțe mici și subțiri și atașate la panou. Acestea sunt cele mai comune și au cea mai mare eficiență. Cu toate acestea, datorită procesului complex implicat în fabricarea cristalelor unice de siliciu, acestea produc cele mai mari emisii. Celulele solare policristaline, pe de altă parte, implică topirea cristalelor de siliciu împreună, ceea ce necesită mai puțină energie și, prin urmare, produce mai puține emisii.

Energia solară pe film subțire este o a treia tehnologie care poate utiliza unul dintre mai multe materiale, inclusiv telurura de cadmiu, un tip de siliciu sau selenura de cupru indiu galiu (CIGS) pentru a genera electricitate. Dar până în prezent, panourile pe film subțire nu au eficiența omologilor lor de siliciu cristalin.

Tehnologiile solare emergente caută să crească și mai mult eficiența PV solar. Una dintre cele mai promițătoare noi tehnologii solare PV în dezvoltare astăzi implică un material numit perovskit. Structura cristalelor de perovskit este foarte eficientă în absorbția luminii solare și mai bună decât siliciul în absorbția luminii solare în interior și în zilele înnorate. Filmele subțiri realizate din perovskit pot duce la panouri cu eficiență și versatilitate mai mari; ele pot fi chiar vopsite pe clădiri și alte suprafețe.

Cel mai important, există potențialul ca perovskitul să fie fabricat la o fracțiune din costul siliciului și utilizând mult mai puțină energie.

Fabricarea și transportul

În prezent, însă, panourile din siliciu cristalin sunt cele mai comune: În 2017, acestea reprezentau aproximativ 97% din piața PV solară din S.U.A. și majoritatea pieței globale. Cu toate acestea, procesul de fabricație pentru panourile din siliciu produce emisii considerabile. Deși siliciul în sine este abundent, trebuie topit într-un cuptor electric la temperaturi extrem de ridicate înainte de a fi aplicat pe panou. Acest proces se bazează adesea pe energie din combustibili fosili, în special cărbune.

Scepticii indică utilizarea combustibililor fosili în producția de siliciu ca dovadă că panourile solare nu reduc prea mult emisiile de carbon – dar acesta nu este cazul. Deși siliciul reprezintă o parte intensivă energetic din procesul de producție a panourilor solare, emisiile produse nu sunt nicăieri aproape de cele ale surselor de energie bazate pe combustibili fosili.

Un alt aspect de luat în considerare se referă la locul unde sunt produse panourile solare. Producția de panouri din siliciu în China a crescut considerabil în ultimele două decenii. În China, aproximativ jumătate din energia utilizată în acest proces provine acum din cărbune – considerabil mai mult decât în Europa și Statele Unite. Acest lucru a ridicat îngrijorări cu privire la emisiile asociate panourilor PV pe măsură ce producția se concentrează tot mai mult în China.

Emisiile generate de transport prezintă o altă provocare. Extracția materiilor prime are loc adesea departe de instalațiile de producție, care, la rândul lor, pot fi continente și oceane distanță de locul de instalare.

Un studiu din 2014 realizat de Argonne National Laboratory și Northwestern University a constatat că un panou solar din siliciu fabricat în China și instalat în Europa ar avea o amprentă de carbon dublă comparativ cu unul care a fost atât fabricat, cât și instalat în Europa, datorită amprentei de carbon mai mari a Chinei din sursele de energie utilizate în fabricație, alături de amprenta de emisii asociată cu transportul panourilor solare finite pe o distanță atât de lungă.

Dar cercetătorii spun că decalajul emisiilor dintre China și alte centre de producție majore ar putea scădea în timp, dacă China adoptă reglementări de mediu mai stricte ca parte a angajamentelor sale de reducere a emisiilor. Există, de asemenea, o inițiativă de extindere a lanțului de aprovizionare și a producției PV pe plan intern în S.U.A., U.E. și în alte părți, ceea ce ar reduce dependența de China.

Durata de viață a unui panou

Durata de viață a unui panou solar este un alt factor important în determinarea amprentei sale de carbon. Industria solară garantează, de obicei, că panourile vor dura între 25 și 30 de ani, în timp ce perioada de recuperare energetică – timpul necesar unui panou pentru a-și recupera „datoria de carbon” din emisiile create în timpul extracției, fabricației și transportului – este, în general, între unu și trei ani, în funcție de factori precum locația și cantitatea de lumină solară pe care o primește. Aceasta înseamnă că un panou poate genera, de obicei, electricitate fără emisii timp de decenii după această scurtă perioadă de recuperare.

Și, deși panourile solare mai vechi își pierd cu siguranță eficiența în timp, ele pot genera totuși o cantitate semnificativă de energie timp de ani de zile după expirarea garanției. Un studiu din 2012 realizat de National Renewable Energy Laboratory a constatat că rata de producție a energiei unui panou solar scade, de obicei, cu doar 0,5% pe an.

Măsurarea amprentei de carbon a unui panou solar pe durata sa de viață trebuie să ia în considerare și modul în care este eliminat la sfârșitul vieții sale productive – și dacă unele panouri solare sunt îndepărtate prematur.

Un studiu recent din Australia a constatat că acesta din urmă este frecvent cazul, existând multe stimulente pentru înlocuirea panourilor înainte ca acestea să ajungă la sfârșitul vieții lor productive. Autorii citează o combinație de stimulente guvernamentale care încurajează instalarea de panouri mai noi și o tendință a companiilor solare de a rezolva problema unui panou deteriorat prin simpla înlocuire a întregului sistem PV. În plus, oamenii doresc adesea să-și schimbe sistemele după doar câțiva ani de utilizare pentru sisteme mai noi, mai eficiente, care oferă economii mai mari de energie. Consecința pentru Australia este o creștere alarmantă a deșeurilor electronice din panourile solare aruncate.

Reciclarea oferă o soluție parțială la problema eliminării, dar are potențialul de a crește amprenta de carbon atunci când panourile aruncate trebuie transportate pe distanțe lungi către instalațiile de reciclare. Autorii studiului au concluzionat că extinderea duratei de viață a panourilor solare este esențială pentru rezolvarea provocărilor legate de emisii și deșeuri asociate cu eliminarea panourilor la sfârșitul ciclului de viață.

Panouri solare versus electricitatea standard

Deși nu se poate nega că panourile solare au o amprentă de carbon, aceasta nu se compară totuși cu emisiile de carbon și alte impacturi asupra mediului care provin de la electricitatea generată de combustibilii fosili.

Un studiu din 2017 publicat în Nature Energy a realizat evaluări ale ciclului de viață pentru sursele de energie regenerabile și neregenerabile și a constatat că energia solară, eoliană și nucleară au amprente de carbon de multe ori mai mici decât energia generată de combustibili fosili. Acest lucru a fost valabil chiar și atunci când s-au luat în considerare sursele de emisii „ascunse”, cum ar fi extracția resurselor, transportul și producția – care, desigur, sunt, de asemenea, asociate cu combustibilii fosili. Studiul a constatat că cărbunele, chiar și cu tehnologia de captare și stocare a carbonului (CCS) implementată, generează o amprentă de carbon de 18 ori mai mare decât cea a energiei solare pe durata sa de viață, în timp ce gazele naturale au o amprentă de emisii de 13 ori mai mare decât cea a energiei solare.

De-a lungul timpului, producția de panouri solare a devenit mai eficientă, iar cercetarea și dezvoltarea continuă caută constant să crească eficiența, reducând în același timp costurile și emisiile.

Cât de mult mai bună este energia solară pentru mediu?

Emisiile de carbon sunt doar un factor semnificativ în evaluarea impactului asupra mediului al panourilor solare. Deși generarea de energie solară în sine nu poluează, energia solară se bazează pe metale și minerale neregenerabile. Acest lucru implică operațiuni miniere poluante și duce adesea la pierderea habitatului și a biodiversității pe măsură ce minele și drumurile sunt construite prin zone neatinse pentru a facilita transportul echipamentelor și materiilor prime.

La fel ca în cazul oricărei forme de generare a energiei, unii oameni vor experimenta impacturi adverse mai mari decât alții – de exemplu, cei care locuiesc în imediata apropiere a operațiunilor miniere sau a instalațiilor de producție de panouri care ard combustibili fosili. Și există impacturi suplimentare asociate cu deșeurile electronice provenite de la panourile aruncate.

Cu toate acestea, atunci când luăm în considerare impactul total asupra mediului al panourilor solare față de energia generată din surse de combustibili fosili, nu există nicio comparație: energia solară are un impact mult, mult mai limitat în ceea ce privește emisiile de carbon și poluarea. Cu toate acestea, pe măsură ce lumea trece la surse de energie cu emisii reduse de carbon, va fi important să se îmbunătățească continuu standardele și practicile menite să minimizeze impactul, distribuind în același timp poverile de mediu inevitabile în moduri mai echitabile.