Быстрый рост ФВ может привести к увеличению выбросов GHG (greenhouse gases) в краткосрочный период, что часто выдается скептиками за недостаток фотовольтаики. Давайте разберемся с EROI и EPBT (energy payback time). В этом мне помогла свежая статья (на которую я вышел благодаря помощи einstitut*, и рекомендую общедоступный постер на ту же тему) о том сколько производит фотовольтаическая система (в глобальном масштабе) электроэнергии за время работы и сколько потребляет. А потребляет она при:
- производстве;
- обслуживании;
- утилизации.
Еще раз подчеркну: в основном ниже идет речь о всей ФВ в глобальном масштабе.
(По оси х: время, по оси y: энергия (затраты и получение). Econ, Eop, Ed, Eg это энергия на производство, обслуживание, утилизацию, и полученная соответственно. )
Но давайте вначале разберемся с понятиями:
- Cumulative energy demand (СED) это энергия необходимая для создания, обслуживания и утилизации системы.
- Energy paybacktime (EPBT) это время которое требует система для того, чтобы произвести столько же энергии сколько было потрачено. Т.е. момент когда произведенноая энергия и CED равны.
- The energy return on investment (EROI) это отношение Eg/CED: отношение количества пригодной к использованию (полезной) энергии, полученной из определённого источника энергии (ресурса), к количеству энергии, затраченной на получение этого энергетического ресурса.
- Fractional re-investment (f) это соотношение между энергией которую неоходимо затратить для поддержания некоторого темпа роста ФВ к общему производству электроэнергии ФВ.
- Growing rate (r) (%/год) скорость роста ФВ.
r=f/EPBT
(по оси у: затраты и получение энергии. Energy subsidy: период когда соларпарки (глобально) требуют больше энергии чем производят. Breakeven - преход из потребителя в производителя эл. энергии. Payback year - момент когда глобальная ФВ система возвратит всю затраченную энергию).
Признаюсь я в начале полагал, что Breakheven и Payback момент это должно быть одно и тоже. Но, если мы вспомним, что это рисунок не конкретной ФВ системы установленной в конкретное время и конкретного размера, а глобальная оценка всех соларсистем, то получаем сдвиг. Сдвиг обусловлен тем, что хотя ФВ производит больше чем потребляет, глобально в системе появляются новые мощности.
Тут большую роль играет рост ФВ. Если эта область слишком быстро растет происходит следующее: устанавливается все больше мощностей и баланс отдано/потреблено остается негативным. Т.е. даже если множество реальных систем давно окупило себе в энергетическом плане, введение все новых систем тянет глобальную ФВ систему в область потребителя энергии.
r=f/EPBT
Смотрим на ключевую картинку (источник):
(зеленая область ограничена линией когда f=100% и отмечает точку когда глобальная система фотовольтаики перестанет потреблять, а начнет производить энергию)
Как видно из рисунка в 2010 год у ФВ все еще была вобласти когда f>100% т.е. потребляла больше энергии чем производила. Хотя время за которое конкретные фотовольтаические системы отдавали назад энергию сильно сократилось с 6 лет до 2. Это произошло потому, что рост системы был все время увеличивался с 20 до 80%. Видно, что в моменты максимального роста система смезалась в область большей задолжености.
Чтобы перейти в "зеленую" зону необходимо либо еще сократить EPBT и/или сократить рост.
Теперь, когда мы разобрались с понятиями пойдем глубже. Raugei et al. в открытой публикации показывают расчитанные для разных технологий EROI:
Как видим ФВ не хуже нефти.Причем CdTe определенно лучше. За время своей работы современная (а значит в будущем можно ожидать еще выше EROI) произведет на 19-38 раз больше энергии чем было затрачено. Рассмотренные автором энергозатраты затраты на обычную, кремниевую технологию, показали, что 13% энергии тратится на последней стадии производства и установки системы. 57% затрачивается на ихготовление и очистку слитка кремния. Это означает, что даже если сократить финансовые расходы в данной технологиии EROI изменится слабо. А вот EROI нефти скорее всего снизится: ведь наиболее доступные источники вырабатываются и если судить о цене нефти без инфляционной составляющей то она растет (теория нефтяного пика).
Очевидно из предыдущего рисунка то, что тонкопленочные технологии требуют не менее чем в два раза меньше энергии чем солнечные элементы на основе кристаллического (поликристаллического) кремния. Интересно отметить также, что падение затрат на производство модулей совпадает со снижением энергетических затрат.
Вот еще важная картинка с постера показывающая гонку между технологиями:
(система координат как на третьем рисунке. Вверху по оси х: затраченая энергия. Что означает QD не ясно: нет информации ни в постере, ни в статье))
Судя по рисунку, если отбросить a-Si (аморфный кремний) как солнечные элементы с низким КПД, кристаллический кремний один из первых. Тем не менее мне осталось не ясным: если время работы модулей одинаковое, то EROI должно коррелировать с EPBT. Т.е. высокий EROI означает низкий EPBT. В этом случае высоких EROI для CdTe (статья Raugei et al.) должен был бы вывести эту технологию в лидеры на последнем рисунке.
Авторы статьи использовали данные о том сколько и какие (технологии) были установлены в каждом году с 2000 года, учитывали необходимую для производства электроэнергию для той или иной технологии (в зависимости от года). Кроме того, они считали, что в среднем в год усредненная в мировом масштабе ФВ система генерирует 11.5% от заявленной мощности (capacity factor (CF), данные из EIA). Расчеты показали, что чтобы та или иная технология перешла при росте в 40% из потребителей в производители энергии необходимо преодолеть порог при котором энергия затрачиваемая на номинальный ватт модуля была бы не больше 2.5 кВт*ч/Вт-пик, а EPBT ниже 2.5 лет.
Оказалось, что хотя ВСЕ технологии в 2000 году были до этого порога ВСЕ технологии предолели его к 2010 году.
(источник, ось х: низ - EPBT, верх - энергия затраченная на ватт-пик. Ось у: скорость роста. Косые линие это соотношение между энергией которую необходимо затратить для поддержания некоторого темпа роста ФВ к общему производству электроэнергии ФВ. Зеленая область ограничена линией когда f=100% и отмечает точку когда глобальная система фотовольтаики перестанет потреблять, а начнет производить энергию. Время работы систем в расчете - 25 лет.)
На рисунке видно, что EPBT за 10 лет значительно сократилось и насыщения не наблюдается. Скорости роста в 2010 были огромны - более 100 % для некотоых технологий. Именно это тянет глобальную ФВ систему в красный сектор. В "зеленой" области постоянно находится тонкопленочные системы на гибкой основе: их рост не велик, а энерго затраты минимальны. Важным является также и то, что расчет был сделан для CF в 11.5%. Это довольно низкое значение. Оно низкое потому, что сегодня бОльшая часть фотовольтаики расположена в довольно не солнечных местах: Германии, например. Это тянет фактор в мировам масштабе вниз. Так, в Испании фактор около 16%, в Китае 18%. Очевидно, что увеличение этого фактора (размещение ФВ в более солнечных регионах) приведет к бОльшему смещению данных в сторону снижения EPBT и перемещения в "зеленую" зону энергетического реинвестирования.
После всех подсчетов для ФВ ситуация выглядела в 2010 году вот так:
(ТВт*ч /год (вверху) и вся полученныая энергия ТВт*ч(внизу). Зеленым: полученная энергия, красным баланс между затраченной-полученной энергиями. Прочие линии- доверетиельные интервалы модели - 50 и 100%).
Согласно последнему рисунку, существует 50% вероятности, что ФВ перестаент потреблять эл.энергию в 2011 году. В худшем случае это будет в 2015. Но авторы недавно сообщили, что переход скорее всего уже состоялся.
Инетересно то, что если темпы роста фотовольтаики сохранятся, то в 2020 году выработка эл.энергии может достигнуть 3300 ТВт*ч/год. Это 17% от всей выработки. Если темпы сокращения энерго затрат на получение 1 Ватт-пик сохранятся то будет достигнут уровень в 0.2 кВт*ч/Ватт-пик.
Возвращаясь к проблеме GHG, затронутой в самом начале, можно с уверенностью сказать, что ФВ позволяет снизить уровень GHG. Это демонстрирует рисунок:
(GHG выбросы для фотовольтаики в зависимости от EROI, источник).
Стоит вспомнить, что GHG для угля, газа и атомной энергетики: 900, 420, и 30 g-CO2/кВт*ч соотвественно. Т.е. фотовольтаика в этой области не хуже атомной энергетики.
Journal information