Оценка воздействия технологий распределенного поколения на окружающую среду в течение жизненного цикла

Технологии распределенной генерации (DG) трансформируют способ производства электроэнергии, переходя от крупных централизованных электростанций к более мелким системам, расположенным вблизи точки потребления. Эти технологии включают солнечные фотоэлектрические (PV) панели, ветряные турбины, микротурбины, топливные элементы и все чаще небольшие комбинированные тепловые и энергетические (ТЭЦ) блоки. По мере того, как внедрение DG ускоряется для достижения целей в области возобновляемых источников энергии и повышения устойчивости сети, становится необходимым оценить не только эксплуатационные выбросы, но и полный экологический след этих систем. Оценка жизненного цикла (LCA) обеспечивает строгую основу для количественной оценки воздействия на окружающую среду от добычи сырья путем производства, эксплуатации, технического обслуживания и утилизации в конце срока службы. Понимание этих воздействий имеет решающее значение для политиков, коммунальных предприятий и потребителей для принятия обоснованных решений, которые действительно уменьшают вред окружающей среде и поддерживают устойчивый энергетический переход.

Хотя технологии DG часто сокращают выбросы парниковых газов по сравнению с централизованной генерацией на основе ископаемого топлива, они не лишены экологических компромиссов. Например, солнечные панели требуют энергоемкого производства и включают такие материалы, как кремний, серебро, а иногда и кадмий; ветряные турбины полагаются на большое количество стальных и композитных лопастей, которые трудно перерабатывать; и топливные элементы могут зависеть от производства водорода из природного газа. Комплексный LCA раскрывает эти скрытые нагрузки и помогает определить возможности для улучшения по всей цепочке создания стоимости.

Что такое оценка жизненного цикла?

Оценка жизненного цикла (LCA) является систематическим методом оценки экологических аспектов и потенциальных воздействий, связанных с продуктом, процессом или услугой на протяжении всего жизненного цикла. Международная организация по стандартизации (ISO) определяет структуру в соответствии с ISO 14040 и ISO 14044, состоящую из четырех основных этапов: определение цели и области применения, анализ запасов, оценка воздействия и интерпретация. Для технологий распределенной генерации LCA обычно охватывает следующие этапы жизненного цикла:

Приобретение сырья: Добыча и обработка материалов, таких как кремний для солнечных элементов, редкоземельные металлы для магнитов ветряных турбин, платина для катализаторов топливных элементов и различные металлы для структурных компонентов. Этот этап часто включает значительное потребление энергии, использование воды и выбросы от добычи и переработки.
Изготовление и сборка: Изготовление компонентов, включая литье, допинг, покрытие и сборку. Использование энергии на заводах, химические входы и образование отходов являются ключевыми факторами. Для солнечной фотоэлектрической энергии производство составляет большую долю общей энергии жизненного цикла и углеродного следа.
Транспортировка: Перемещение сырья, компонентов и готовых систем на места установки, особенно для крупных лопастей ветровых турбин или контейнерных систем топливных элементов.
Установка и строительство: Подготовка площадки, гражданские работы и сборка системы DG. Рассматриваются изменения в землепользовании, нарушения почвы и выбросы строительного оборудования.
Эксплуатация и техническое обслуживание:] Регулярная работа включает в себя расход топлива (для микротурбин или топливных элементов), в то время как техническое обслуживание включает замену деталей, таких как инверторы, батареи или лопасти турбины. На этом этапе появляются сравнительные преимущества: солнечные и ветровые имеют почти нулевые эксплуатационные выбросы, тогда как микротурбины и топливные элементы выделяют в зависимости от источника топлива.
Конец срока службы: Вывод из эксплуатации, демонтаж, переработка или утилизация. Оценивается потенциал восстановления материалов и токсичность утилизированных компонентов (например, теллурида кадмия в тонкопленочных солнечных, редкоземельных магнитах).

Результаты LCA выражаются в таких категориях воздействия, как потенциал глобального потепления (GWP), подкисление, эвтрофикация, токсичность человека и истощение ресурсов. Для технологий DG наиболее часто сообщаемыми показателями являются выбросы парниковых газов (в граммах эквивалента CO2 на киловатт-час) и время окупаемости энергии (время, необходимое для генерации того же количества энергии, используемой в производстве). Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предоставляет руководство по методологии LCA, а такие организации, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), ведут базы данных о запасах жизненного цикла для технологий возобновляемых источников энергии.

Стадии воздействия на окружающую среду в распределенном поколении

Каждый этап жизненного цикла системы ГД по-разному влияет на общее воздействие на окружающую среду. Понимание этих конкретных вкладов на этапе имеет решающее значение для целенаправленного смягчения последствий.

Добыча сырья

Добыча и переработка материалов для технологий DG могут иметь серьезные локальные экологические последствия. Например, добыча кварцитового песка для производства кремния требует больших объемов воды и генерирует кремнеземную пыль. Редкие земные элементы, используемые в ветровых турбинах с постоянными магнитами, часто добываются в регионах с слабыми экологическими нормами, что приводит к радиоактивным хвостам, загрязнению воды и деградации земель. Аналогичным образом металлы платиновой группы для топливных элементов добываются в Южной Африке и России с высокой энергоемкостью и выбросами диоксида серы. Запасы жизненного цикла показывают, что добыча сырья вносит значительную часть (20-40%) от общего токсического воздействия для некоторых фотоэлектрических технологий.

Производство

Производство часто является наиболее энергоемким этапом для солнечной фотоэлектрической энергии, на которую приходится 50-70% от общего потребления энергии жизненного цикла. Производство полисиликана требует высоких температур (более 1000°C) и большого количества электроэнергии, часто из энергосистем с ископаемым топливом. Для ветровых турбин производство стальных башен и композитных лопастей включает в себя тяжелое оборудование и химическую обработку. Исследования Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии показывают, что производство вносит до 80% от общего углеродного следа береговых ветровых турбин, причем производство лопастей особенно углеродоемко из-за процесса отверждения смолы.

Установка и эксплуатация

Установочные воздействия, как правило, невелики по сравнению с производственными, но могут быть значительными в чувствительных экосистемах (например, очистка земель для солнечных ферм, возведение башен на гребнях). Во время работы солнечные и ветряные системы не выделяют прямых парниковых газов, но косвенные выбросы возникают из-за случайных поездок на техническое обслуживание (например, чистящие панели, замена жидкостей) и из сетевого электричества, используемого для паразитных нагрузок (например, трекеры, вентиляторы охлаждения). Микротурбины и топливные элементы, если они питаются природным газом, производят прямое скольжение CO2, NOx и метана. Однако при подпитке биогазом или зеленым водородом их рабочее воздействие приближается к нулю.

Техническое обслуживание и вывод из эксплуатации

Техническое обслуживание включает замену компонентов с ограниченным сроком службы: инверторы (10-15 лет), батареи (5-15 лет) и коробки передач ветряных турбин (20 лет). Эти замены добавляют встроенный спрос на энергию и материалы. Вывод из эксплуатации включает демонтаж, переработку или захоронение отходов. Для солнечных панелей в настоящее время показатели утилизации низки, при этом многие панели оказываются на свалках, хотя такие правила, как Директива ЕС об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE), настаивают на более высоком восстановлении. Лопасти ветряных турбин представляют собой проблему утилизации, поскольку они изготовлены из термореактивных композитов, которые трудно отделить; рециркуляция как материал наполнителя распространена, но захоронение наполнителей остается распространенным. Утилизация мембран топливных элементов и катализаторов также требует тщательной обработки, чтобы избежать токсичного выщелачивания металлов.

Экологические последствия различных технологий DG

Экологические характеристики технологий DG сильно различаются в зависимости от состава материала, эффективности производства, операционных предположений и управления сроком службы. Ниже мы рассмотрим основные категории.

Солнечная фотоэлектрика

Солнечная фотоэлектрическая энергия является наиболее изученной технологией DG в литературе LCA. Выбросы жизненного цикла для кристаллических кремниевых панелей варьируются от 30 до 80 г CO2eq / кВтч, в зависимости от эффективности панелей, местоположения производства (смесь сетки) и предположений о сроках службы. Тонкие пленочные технологии, такие как теллурид кадмия (CdTe), часто имеют несколько более низкие углеродные следы (15-30 г CO2eq / кВтч) из-за менее энергоемкого производства, но они вызывают обеспокоенность по поводу токсичности кадмия и дефицита теллура. Время окупаемости энергии для солнечных панелей на крыше в солнечных регионах обычно составляет 1-4 года, что делает его отличными экологическими инвестициями. Однако использование земли для солнечных ферм в масштабе коммунальных услуг может привести к потере среды обитания. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) отмечает, что переработка солнечных фотоэлектрических панелей все еще находится в зачаточном состоянии, и только около 10% панелей с истекшим сроком службы перерабатываются во всем мире. Инновации в процессах переработки,

Ветровые турбины

Энергия ветра имеет один из самых низких выбросов в жизненном цикле любого источника электроэнергии, как правило, 7-20 г CO2eq / кВтч для береговых турбин и 10-30 г CO2eq / кВтч для морских. Большинство выбросов приходится на производство стальных башен и бетонных фундаментов. Производство лезвий с использованием композитных материалов из стекла или углеродного волокна является энергоемким, но все еще меньшей фракцией. Ветровые турбины также отличаются высокой интенсивностью материала на установленный мегаватт. Ветротурбины также отличаются высокой интенсивностью материала на установленный мегаватт, но поскольку они генерируют большое количество электроэнергии в течение 20-25 лет, удары амортизируются в течение многих киловатт-часов. Проблемы включают в себя шум, столкновения птиц и летучих мышей и визуальное воздействие, но они являются локальными и не захватываются в LCA (категории воздействия, такие как шум, редко включаются). Вывод из эксплуатации может восстановить до 90% материалов турбины (сталь, медь), но лезвия остаются проблематичными. Исследователи из Кембриджского университета работали над перерабатываемыми термопластическими лез

Микротурбины и топливные элементы

Микротурбины — это небольшие турбины сгорания (30—250 кВт), работающие на природном газе, биогазе или дизельном топливе. Их выбросы жизненного цикла в значительной степени зависят от типа топлива. При работе на природном газе микротурбины выделяют около 500—600 г CO2eq/kWh, хотя они предлагают эффективность CHP. Использование биогаза само по себе может значительно снизить выбросы, но производство биогаза само по себе имеет воздействие на землепользование и сток питательных веществ. Топливные элементы, особенно протонно-обменная мембрана (PEM) и твердые оксидные топливные элементы (SOFC), работают на водороде или природном газе. Если водород производится путем электролиза из возобновляемой электроэнергии, выбросы жизненного цикла могут быть очень низкими (10—30 г CO2eq/kWh, исключая транспорт водорода). Но большинство текущих выбросов водорода происходит из парового метана, что приводит к выбросам 300—400 г CO2eq/kWh. Кроме того, топливные элементы используют металлические катализаторы платиновой группы, которые требуют энергоемкой добычи и производят токсичн

Стратегии минимизации воздействия на окружающую среду

Для снижения воздействия технологий ГД на жизненный цикл необходимо принимать меры на каждом этапе. В основе последних исследований и передового опыта в данной отрасли лежат следующие стратегии:

Материальный отбор и замена: Использование переработанных или биоматериалов, где это возможно. Например, использование переработанного алюминия для рам солнечных панелей или башен ветровых турбин уменьшает воздействие на добычу. Для лопастей разрабатываются натуральные волоконные композиты или термопласты, которые могут быть переплавлены. Ограничение использования дефицитных или токсичных элементов (индий, теллур, кобальт) путем проектирования для более легкого восстановления имеет важное значение.
Повышение эффективности производства:] Сокращение потребления энергии и воды на заводах, переход на возобновляемую электроэнергию для производства и внедрение замкнутых химических процессов. Ассоциация производителей солнечной энергии сообщает, что производство энергии на ватт для кремниевых панелей за последнее десятилетие сократилось более чем на 80%.
Разработка для более длительного срока службы и простого ремонта: Стандартизация компонентов, использование модульных конструкций и включение ремонта на месте может продлить срок службы системы и уменьшить последствия замены. Для инверторов и стеков топливных элементов ключевым является повышение надежности и более легкая замена. Программа Министерства энергетики США «Лучшие заводы» выделяет случаи, когда профилактическое обслуживание снизило частоту отказов компонентов на 30%.
Рециркулирование и круговая экономика: Создание инфраструктуры сбора и переработки для всех компонентов DG. Для солнечных панелей такие методы, как термическое или химическое разложение, могут восстанавливать кремний и серебро высокой чистоты. Для лопастей ветра распространены механическое измельчение и использование в цементных печи или в качестве наполнителя, но химическая переработка (солволиз) предлагает более высокую ценность. План действий по круговой экономике Европейской комиссии устанавливает строгие цели по переработке электронных отходов, которые включают фотоэлектрические панели.
Оптимизированное размещение и проектирование системы: Избегать чувствительных экосистем, использовать крыши или коричневые поля для солнечных батарей и проектировать системы, соответствующие местным профилям нагрузки. Для ветра требуется тщательное размещение, чтобы минимизировать фрагментацию среды обитания и столкновения птиц. Совместное размещение солнечных батарей с сельским хозяйством (агривольтаика) или с хранением может повысить эффективность землепользования.
Источник топлива для DG на основе сжигания: Приоритетное использование возобновляемых видов топлива, таких как биогаз, зеленый водород или возобновляемый природный газ. Для микротурбин и топливных элементов использование улавливания углерода или использования отработанного тепла для ТЭЦ улучшает общие экологические показатели. Анализ жизненного цикла показывает, что даже небольшое количество водорода, смешивающегося с природным газом, может уменьшить выбросы, если водород является зеленым.

Правительства и коммунальные предприятия могут также стимулировать системы с более низким воздействием посредством ценообразования на углерод, льготных тарифов, отражающих выбросы в течение жизненного цикла, и обязательных схем утилизации. Международное энергетическое агентство (МЭА) рекомендует, чтобы мышление жизненного цикла стало частью планирования энергетики, особенно по мере расширения масштабов развертывания.

Заключение

Оценка воздействия технологий распределенной генерации на окружающую среду в течение жизненного цикла является не только академическим упражнением; это практическая необходимость для достижения подлинной устойчивости. В то время как системы DG, такие как солнечная и ветровая, предлагают явные преимущества перед ископаемым топливом в эксплуатационных выбросах, их полные экологические затраты - от добычи редкоземельных элементов до утилизации композитных лопастей - должны управляться. Оценка жизненного цикла показывает, что ни одна технология не лишена воздействия, но, сравнивая различные варианты на всех этапах, заинтересованные стороны могут сделать выбор на основе фактических данных. Хорошая новость заключается в том, что инновации в материалах, производстве и переработке быстро уменьшают эти воздействия. Поскольку мир движется к децентрализованной, возобновляемой энергетической сети, интеграция LCA в политику и дизайн поможет обеспечить, чтобы переход на чистую энергию был действительно чистым от колыбели до могилы.

Для дальнейшего чтения Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) поддерживает обширный проект по согласованию оценки жизненного цикла, который синтезирует результаты в исследованиях. Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) также публикует руководящие принципы по LCA для новых технологий, а Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) предоставляет технологические сводки, которые включают показатели жизненного цикла.