Понимание воздействия производства солнечных лучей на окружающую среду

Солнечная энергия стала ведущим решением в глобальном переходе от ископаемого топлива, с установленной мощностью, растущей экспоненциально за последнее десятилетие. По состоянию на 2023 год, более 1 тераватт солнечной фотоэлектрической мощности (PV) существует во всем мире, и это число продолжает расти. В то время как солнечные батареи производят чистую электроэнергию в течение их 25-30-летнего срока эксплуатации, фаза производства несет свой собственный экологический след - тот, который должен быть тщательно изучен, чтобы гарантировать, что солнечная энергия остается действительно устойчивой альтернативой. Понимание экологических последствий производства солнечных батарей - от добычи сырья до переработки в конце срока службы - позволяет политикам, производителям и потребителям принимать обоснованные решения, которые минимизируют экологический вред, максимизируя выгоды чистой энергии.

Процесс изготовления солнечных лучей: более глубокий взгляд

Современные солнечные панели состоят из нескольких слоев: защитного стеклянного покрытия, инкапсулирующего вещества (обычно этилен-винилацетата), фотоэлектрических элементов, заднего листа и алюминиевой рамы. Ядро каждой панели представляет собой фотоэлектрическую ячейку, которая чаще всего изготавливается из кристаллического кремния, но также может быть основана на тонкопленочных технологиях, таких как теллурид кадмия (CdTe) или селенид меди индия галлия (CIGS). Производственный путь начинается с извлечения сырья и прогрессирует за счет очистки, изготовления ячеек, сборки модулей и тестирования качества.

Очистка кремния и рост слитков

Для кристаллических кремниевых панелей процесс начинается с добычи кварцита или кремнеземного песка, который затем нагревается в электрической дуговой печи для производства кремния металлургического класса (98% чистого). Это дополнительно очищается с помощью химических процессов - часто процесса Siemens - для достижения кремния полупроводникового класса (99,99999% чистого). Энергия, необходимая для очистки, значительна: производство одного килограмма кремния солнечного класса потребляет примерно 40-100 киловатт-часов электроэнергии. Очищенный кремний затем плавится и кристаллизуется в слитки, либо с использованием метода Чохральского для монокристаллических клеток или литья для многокристаллических клеток. Эти слитки нарезаются на тонкие пластины с использованием проволочных пил, шаг, который генерирует значительную кремниевую пыль (потеря керфа), которая должна быть восстановлена или утилизирована.

Изготовление клеток и сборка модулей

Ваферы проходят несколько этапов обработки, чтобы стать функциональными солнечными элементами: текстурирование, допинг (обычно с фосфором или бором для создания p-n соединения), применение антирефлекторного покрытия и экранная печать серебряных электродов. Каждый этап потребляет химические вещества - гидрофлюорную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту и различные органические растворители - и генерирует сточные воды, которые должны быть обработаны. После изготовления клеток клетки спаиваются в струны, ламинируются между стеклом и задней поверхностью, обрамляют и тестируют. Весь процесс сборки автоматизирован на современных заводах, но все еще требует электричества, условий в чистом помещении и воды для охлаждения и очистки.

Тонкие кинотехнологии

Тонкие пленочные солнечные панели следуют другим маршрутом. Вместо кремниевых пластин тонкий слой полупроводникового материала наносится непосредственно на стеклянные, металлические фольги или пластиковые подложки. Панели CdTe, например, изготавливаются путем нанесения теллурида кадмия с использованием сублимации в близком пространстве или других методов осаждения паров. Панели CIGS включают распыление или испарение нескольких элементов (медь, индий, галлий, селен). В то время как производство тонкопленочных материалов требует меньше полупроводникового материала и может быть выполнено при более низких температурах, чем рост слитков кремния, оно опирается на редкие и потенциально токсичные элементы, такие как кадмий, теллурий и индий. Воздействие на окружающую среду этих элементов является особой проблемой, особенно для кадмия, который является токсичным тяжелым металлом.

Воздействие на окружающую среду от добычи сырья

Добыча и переработка материалов, поступающих в солнечные панели, несут значительные экологические последствия. Для кремниевых панелей первичным сырьем является кварцит, относительно обильный минерал. Однако крупномасштабные карьерные работы могут нарушить местную среду обитания, изменить ландшафты и генерировать пыль. Еще более проблематичным является добыча серебра, которое используется в качестве проводника в экранных солнечных элементах. Серебро часто добывается из открытых шахт, которые производят токсичные хвосты и потребляют огромное количество воды. По данным Всемирного золотого совета, добыча серебра имеет углеродный след около 200 кг CO2 на килограмм серебра, а дефицит металла приводит к экологическому ущербу в горнодобывающих регионах, таких как Мексика, Перу и Китай.

Для тонкопленочных технологий добыча теллура и индия представляет еще большие проблемы. Теллурий в основном получают в качестве побочного продукта переработки меди, а индий часто ассоциируется с добычей цинка. Оба металла редки: теллур примерно так же редок, как платина в земной коре. Процессы извлечения этих побочных продуктов могут оставлять большие объемы опасных отходов и могут выделять тяжелые металлы в окружающую среду. В случае кадмия, используемого в панелях CdTe, добыча может высвобождать токсичные соединения кадмия, которые сохраняются в экосистемах и накапливаются в живых организмах. Последствия для окружающей среды и здоровья от добычи кадмия привели к строгим правилам во многих странах, хотя правоприменение варьируется.

Использование воды и загрязнение

Производство солнечных панелей является водоемким, особенно во время резки пластин и химического травления. Типичный завод по производству кристаллического кремния может потреблять сотни миллионов литров ультрачистой воды в год. Эту воду необходимо обрабатывать для удаления взвешенных твердых веществ, химических веществ и тяжелых металлов перед сбросом. В засушливых регионах, где солнечные заводы часто строятся, чтобы воспользоваться обильным солнечным светом, дефицит воды может напрягать местные запасы. Кроме того, неправильная очистка сточных вод была зарегистрирована в некоторых производственных центрах, таких как в некоторых частях Китая, где заводские стоки загрязняют реки и подземные воды кислотами, тяжелыми металлами и органическими загрязнителями.

Нарушение земельных ресурсов и утрата биоразнообразия

В то время как сами предприятия по производству солнечных панелей занимают относительно небольшие площади по сравнению с солнечными фермами, добыча полезных ископаемых в верхнем течении может вызвать обширные нарушения на суше. Например, кварцитовые карьеры в горных районах удаляют растительность и верхние слои почвы, увеличивая риски эрозии. Серебряные и медные рудники в Латинской Америке были связаны с обезлесением и перемещением коренных общин. Кумулятивное воздействие добычи солнечных материалов не является незначительным, особенно когда отрасль масштабируется для достижения климатических целей. Оценка жизненного цикла, опубликованная в Nature Energy в 2022 году, подчеркнула, что изменение землепользования, связанное с добычей сырья, способствовало до 10% от общего экологического бремени кристаллических кремниевых фотоэлектрических систем при рассмотрении потери биоразнообразия.

Потребление энергии в производстве и углеродный след

Производство солнечных панелей требует значительного количества энергии, в основном для очистки кремния и роста слитков. Энергетическая интенсивность производства модулей из кристаллического кремния значительно снизилась за последние два десятилетия - с более чем 1200 кВтч на киловатт-пик (кВт) в начале 2000-х годов до примерно 400-800 кВтч на кВтч сегодня - но это остается одним из крупнейших вкладчиков в углеродный след солнечной энергии. Важно отметить, что воздействие этой энергии на окружающую среду полностью зависит от электрической смеси, используемой на заводе. Установка, работающая на угле, такая как многие в Китае, будет иметь гораздо более высокий углеродный след, чем одна, работающая на гидроэнергетике или самой солнечной энергии.

Оценки жизненного цикла последовательно показывают, что углеродный след кристаллических кремниевых солнечных панелей колеблется от 20 до 60 граммов эквивалента CO2 на киловатт-час, генерируемый в течение срока службы панели, при этом производство составляет 60-80% от этого общего количества. Для тонкопленочных модулей CdTe углеродный след может быть ниже - около 15-30 г CO2 экв/кВтч - из-за более низкого потребления энергии во время производства. Чтобы представить это в перспективе, электростанции, работающие на природном газе, выделяют около 400-500 г CO2 экв/кВтч, а угольные электростанции выделяют 800-1000 г CO2 экв/кВтч. Даже на высоком конце солнечные панели производят гораздо меньше парниковых газов на киловатт-час, чем ископаемое топливо. Однако фаза производства высвобождает эти выбросы заранее, прежде чем панель генерирует какое-либо чистое электричество. Это «время окупаемости углерода» для современной солнечной панели обычно составляет 1-3 года, в зависимости от местоположения и источника энергии производства.

Время окупаемости энергии и встроенная энергия

Время окупаемости энергии (EPBT) измеряет, сколько лет солнечная панель должна работать для производства количества энергии, которое было потреблено во время ее производства, транспортировки и установки. Для сегодняшних кристаллических кремниевых панелей EPBT обычно составляет 1-2 года в солнечных регионах и 2-4 года в менее солнечном климате. Тонкие пленочные модули обычно имеют немного более короткие EPBT из-за более низкой энергии производства. В сочетании с сроком службы панели 25-30 лет чистая энергия возвращается очень положительно: солнечная панель генерирует в 10-25 раз больше энергии, используемой для ее производства в течение ее срока службы. Это соотношение продолжает улучшаться по мере повышения эффективности производства и переработки восстанавливает встроенную энергию в материалах.

Проблемы отходов и утилизации

Производство солнечных панелей генерирует как твердые, так и жидкие отходы. В производстве кремниевых пластин потери керфа могут достигать 30-50% от слитка кремния, хотя современные проволочные пилы уменьшили это. Полученные частицы кремния могут быть восстановлены и повторно использованы в некоторых случаях, но часто они попадают на свалки. Химические отходы от обработки клеток, включая гидрофторную кислоту, фосфорную кислоту и органические растворители, должны быть нейтрализованы и обработаны. В некоторых регионах с небрежными экологическими нормами эти химические вещества были неправильно утилизированы, что привело к загрязнению почвы и воды.

К 2030 году, по оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), глобальные отходы от солнечных панелей могут достичь 8 миллионов тонн, а к 2050 году - до 78 миллионов тонн. В настоящее время показатели переработки являются низкими - ниже 20% в большинстве регионов - потому что стоимость переработки часто превышает стоимость восстановленных материалов. Однако Директива Европейского союза об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) предписывает, чтобы производители солнечных панелей финансировали сбор и переработку, что приводит к более высоким показателям утилизации в Европе (около 90% массы панелей могут быть переработаны, хотя не все компоненты одинаково ценны).

Технологии и проблемы утилизации

Обычные процессы переработки для кремниевых панелей включают механическое разделение стекла, алюминиевой рамы и клеточного слоя, за которым следует химическая или термическая обработка для извлечения кремния и серебра. Восстановленный кремний может быть повторно использован в новых солнечных элементах или понижен для других применений. Для тонкопленочных панелей CdTe компании, такие как First Solar, эксплуатируют специализированные объекты по переработке, которые восстанавливают до 95% полупроводникового материала для повторного использования. Однако переработка модулей CIGS более сложна из-за множественных слоев редких металлов. Исследования в гидрометаллургических и пирометаллургических методах продолжается, но коммерческая переработка остается ограниченной.

Одной из новых проблем является токсичность кадмия в панелях CdTe. Хотя кадмий в готовой панели связан в стабильном соединении, неправильное сжигание или захоронение на свалках может высвободить кадмий в окружающую среду. Сторонники утверждают, что правильная переработка снижает этот риск, а панели CdTe имеют хороший уровень безопасности при обработке в соответствии с правилами. Тем не менее, потенциал загрязнения тяжелыми металлами добавляет дополнительный аспект к экологической оценке технологий тонкопленочных материалов.

Оценка жизненного цикла: влияние производства в контексте

Для оценки того, действительно ли солнечная энергия снижает вред окружающей среде по сравнению с альтернативами, необходима полная оценка жизненного цикла (LCA). LCAs учитывают добычу сырья, производство, транспортировку, установку, эксплуатацию и обработку в конце срока службы. Многочисленные рецензируемые исследования пришли к выводу, что даже при включении производственных воздействий солнечные фотоэлектрические системы производят на 90-98% меньше выбросов парниковых газов, чем уголь или природный газ в течение их срока службы. Солнечная энергия также имеет более низкое потребление воды во время работы и более низкие воздействия загрязнения воздуха. Однако производственные воздействия, такие как истощение ресурсов, экотоксичность и землепользование, не равны нулю, и они значительно различаются по технологии и региону.

При сравнении кристаллического кремния и тонкопленочного CdTe LCA часто показывают, что CdTe имеет меньшие выбросы углерода и воды, но более токсичные и дефицитные воздействия из-за кадмия и теллура. Кремниевые панели, в то время как более энергоемкие для производства, используют относительно обильные и нетоксичные материалы. Ни одна технология не является однозначно «зеленее»; лучший выбор зависит от конкретных местных условий, нормативных основ и инфраструктуры переработки. Важно отметить, что воздействие на окружающую среду производства солнечных батарей не является статичной фигурой - оно уменьшается с течением времени, поскольку заводы принимают более чистую энергию, повышают эффективность материала и разрабатывают лучшие методы переработки.