очередное эмигрантское г.) (solar_front) wrote,
очередное эмигрантское г.)
solar_front

Category:

Разрушен миф о том, что ФВ имеет низкое EROI.

(начало)
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:

  1. производстве;

  2. обслуживании;

  3. утилизации.

Еще раз подчеркну: в основном ниже идет речь о всей ФВ в глобальном масштабе.

Bild2
(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:

  1. Cumulative energy demand (СED) это энергия необходимая для создания, обслуживания и утилизации системы.

  2. 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.

  3. 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.

  4. Fractional re-investment (f) это соотношение между энергией которую неоходимо затратить для поддержания некоторого темпа роста ФВ к общему производству электроэнергии ФВ.

  5. Growing rate (r) (%/год) скорость роста ФВ.

r=f/EPBT

Bild3

(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.

Теперь, вооруженные знанием того, что:

r=f/EPBT

Смотрим на ключевую картинку (источник):
Bild4
(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:
Bild5

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:
Bild6


(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.
Bild7
(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:
Bild8
(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:
Bild9
(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.


Tags: pv
Subscribe

  • не знал.

  • "Подвиг"

    Мне прислали видео, где учитель музыки в немецкой гимназии исполняет с учениками русскую мелодию. Эдакий "подвиг" сегодня немецких камрадов. А я…

  • О стыде быть русскими у мелких Хоботовых.

    давно не читаю "немецкую волну". Но тут наткнулся о... " В Берлине рассказали о "стыде российских немцев" тема для меня интересная и задевающая.…

promo solar_front october 18, 2017 11:19 49
Buy for 30 tokens
Желание упорядочить знание об окружающих варварах привело выдающуюся австрийскую науку к созданию " Таблицы Народов" (начало 18 го века). Просто представьте себе - уже вот-вот начнется семилетняя война, А.В. Суворов скоро придет в эти Альпы, а австрийцы уже были вооружены знанием своих…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 2 comments