очередное эммигрантское г.) (solar_front) wrote in engineering_ru,
очередное эммигрантское г.)
solar_front
engineering_ru

Такое ли "зеленое" производство электроэнергии солнечными модулями?

Оригинал взят у solar_front в Производство электроэнергии солнечными модулями совсем не такое "зеленое".

SF:Болтовня об экологической опасности или безопасности производства солнечных панелей на уровне «слышал» и «мне сказал эксперт» достала поэтому с радостью прочитал сие:

HRImaginechinaCorbis4230427566-1408396569396
Photo: Imaginechina/Corbis.
Контроль качества на китайском предприятии.



Производство электроэнергии солнечными модулями совсем не такое «зеленое» как многие думают.

Источник.

Солнечные панели мерцающие на солнце являются иконой для всех «зеленых». Но является ли генерация электроэнергии с помощью солнечных батарей действительно более щадящей для окружающей среды, чем сжигание ископаемого топлива? Несколько инцидентов загрязнения окружающей среды связаны с производством этих сияющих символов «зеленых». И оказывается, что время, необходимое для компенсации энергии и парниковых газов, затрачиваемой и выбрасываемых в производстве панелей существенно варьируется в зависимости от технологии и географии.

(SF: в статье (см. ссылку) указывается, что минимальная эмиссия у CdTe и главное, что по меньшей мере 89% вредных выбросов могут быть сокращены при производстве электроэнергии применением фотовольтаики.)

Это была плохая новость. Хорошей новостью является то, что промышленность может легко устранить многие из побочных эффектов, которые существуют. Это возможно отчасти потому, что, начиная с 2008 года, производство фотовольтаики переехало из Европы, Японии и Соединенных Штатов Америки в Китай, Малайзию, на Филиппины и Тайвань. Сегодня почти половина солнечных модулей в мире производится в Китае. В результате, хотя в целом послужной список в отрасли хорош, те страны которые сегодня производят основную массу, как правило, меньше всего заботятся о защите окружающей среды и рабочих на производстве.

Чтобы понять в чем именно проблемы, и как они могут быть решены, необходимо знать кое-что о том, как фотоэлектрические панели изготовлены. В то время как солнечная энергия может быть получена с помощью различных технологий, подавляющее большинство солнечных батарей сегодня берут начало с получения кварца, как наиболее распространенной формы кремнезема (диоксида кремния), которая перерабатывается в кремний. На этом этапе возникает первая проблема: кварц добывается из шахт, где шахтеры рискуют приобрести силикоз легких.

В начале переработки кварц превращается в металлургический кремний, вещество используемое в основном для упрочнения стали и других металлов. Это происходит в гигантских печах, и держать их горячими требует большого количества энергии (подробности - ниже). К счастью, на этом этапе выбросы, в основном диоксида углерода и диоксида серы, не могу навредить людям, работающим на таких заводах или находящимся вблизи предприятий.

Следующим шагом является переработка металлургического кремния в более чистый – поликремний. В ходе процесса производится кремниевый тетрахлорид - очень токсичное соединение кремния. Процесс очистки включает реакцию соляной кислоты с металлургическим кремнием, чтобы получить трихлорсилан. Трихлорсилан затем реагирует с водородом, получая поликремний вместе с жидким кремниевым тетрахлоридом - три или четыре тонны тетрахлорида на каждую тонну поликремния.

Большинство производителей перерабатывают эти отходы, чтобы произвести больше поликремния. Получение кремния из тетрахлорида кремния требуется меньше энергии, чем его получение из сырого диоксида кремния, таким образом утилизация этих отходов помогает сэкономить деньги производителеям. Но такое оборудование может стоить десятки миллионов долларов. Таким образом, побочный продукт часто просто выбрасывается. При взаимодействии с водой, а это трудно предотвратить, в окружающей среде оказываются: соляная кислата и вредные испарения.

Когда промышленность фотовольтаики была меньше, производители солнечных элементов приобретали кремний у производителей микроэлектроники, которые отбраковывали этот кремний в связи с недостаточной чистотой. Но бум в солнечной энергетике потребовал болше кремния, и большое количество производства поликремния были построено в Китае. Немногие страны в то время имели строгое законодательство, требуещего хранения и утилизации тетрахлорида кремния, и Китай не стал исключением, как это обнаружили репортеры Washington Post.

Расследование газеты, опубликованное в марте 2008 года, о китайском производителе поликремния, принадлежащий High-Technology Co., и расположенный недалеко от реки Хуанхэ в провинции Хэнань. Этот объект поставляет поликремний в Suntech Power Holdings, крупнейшему в мире производителю солнечных элементов, а также ряда других громким компаниям в этом бизнесе.

После публикации в Washington Post, цены на акции компаний упали. Инвесторы опасались, что откровения подорвут доверие к отрасли. В конце концов, защита окружающей среды это то, что привлекает привлекает поддержку общественности и следовательно поощряется например такми документами как Residential Renewable Energy Tax Credit в Соединенных Штатах. Те, кто приобретает для дома солнечные системы могут сократить свои налоговые отчисления на 30 процентов до 2016 года.

Чтобы защитить репутацию отрасли, производители "солнечных" панелей начали "давить" в области природоохранной деятельности на поставщиков поликристаллического кремния. Следовательно, в настоящее время ситуация улучшается. В 2011 Китай устанавил стандарты требующие, чтобы компании перерабатывать по меньшей мере 98,5 процента выбросов кремниевого тетрахлорида. Новые правила легко осуществить если заводы установят соответствующее оборудование. Тем не менее, нам еще предстоит увидеть, насколько хорошо проводится в жизнь эти стандарты.

Проблема может полностью исчезнуть в будущем. Так, исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в Голден, штат Колорадо ищут способы, чтобы получать поликремний при реакции с этанолом вместо применения химических веществ на основе хлора, что позволяет избежать создания кремния тетрахлорида в целом.

Борьба за превращение фотовольтаики в истинно «зеленую» отрасль на этом не заканчивается. Производители солнечных элементов формируют куски поликристаллического кремния для формирования квадратообразных слитков, а затем режут слитки на пластины. Затем они легируют кремниевые пластины, создавая необходимую архитектуру солнечной батареи.

Все эти шаги требуют участия опасных химических веществ. Например, производители используют HF (фтористоводородная или плавиковая кислота) для очистки пластин, удаления дефектов, полировки и текстуризации. Плавиковая кислота прекрасно подходит для всех этих вещей, но однако это весьма агрессивная жидкость которая при контакте с человеческим телом разрушает ткани и декальцифицирует кости. Работа с плавиковой кислотой требует крайней осторожности, и она должна быть утилизированы должным образом.

Но несчастные случаи случаются, и, чаще всего, в местах, которые имеют ограниченный опыт изготовления полупроводников или имеют не достаточно жесткие стандарты связанные с охраной окружающей среды. В августе 2011 года завод в китайской провинции Чжэцзян, принадлежащей Jinko Solar Holding Co., одиной из крупнейших компаний в мире, сбросил плавиковую кислоту в находящуюся рядом реку, погибла рыба. Фермеры, обрабатывающие соседние земли, использовали загрязненную воду - случайно погибли десятки свиней.

При исследовании мертвых животных, китайские власти обнаружили, что уровни фтористоводородной кислоты в реке в 10 раз превышали допустимый предел, и вероятно эти значения получены уже после того как основная масса фтористоводородной кислоты ушла вниз по течению. Сотни местных жителей, в бешенстве из-за инцидента, штурмовали и временно заняли производственные мощности. Опять же, инвесторы отреагировали негативно: когда СМИ сообщили о происшествии, акции Jinko упали более чем на 40 процентов.

Процессы на основе HF - это угроза для окружающей среды. Исследователи Rohm & Haas Electronic Materials, дочерняя компания Dow Chemical, предложили заменитель фтористоводородной кислоты, используемой в производстве солнечных элементов. Хорошим кандидатом является гидроксид натрия (NaOH). Хотя NaOH сам довольно едкий химикат, он легче при обработке и утилизации и персонал поджержен гораздо более низкому риску. Кроме того, сточные воды с NaOH гораздо легче в очистке.

Хотя более 90 процентов «солнечных» панелей, сделанных сегодня производятся из поликремния, давно существует новый подход: тонкопленочная технология солнечных элементов. Доля таких модулей, скорее всего, будет расти на рынке в течение следующего десятилетия, потому что они могут быть столь же эффективным, как на основе кремния, но дешевле в производстве, так как они потребляют меньше энергии и материалов.

Создатели тонкопленочных модулей осаждают слои полупроводникового материала непосредственно на подложку из стекла, металла или даже пластика вместо нарезки пластин из слитка кремния. Это означает меньше отходов и полностью исключает такие операции как плавка и нарезка кремния которые используются, чтобы сделать традиционные солнечные модули. В сущности, кусок стекла поступает на «вход» такого завода и полностью функционирующий модуль «выходит».

Переход к тонкопленочным солнечным элементам устраняет многие риски связанные с традиционным производством, потому что нет необходимости в проблемных - химических веществах: нет плавиковой кислоты и нет соляной кислоты. Но это вовсе не означает, что вы можете автоматически маркировать тонкопленочные солнечные батареи, как «зеленые».

Сегодня доминирующие технологии в этой области -это на основе теллуридакадмия CdTe и более поздний конкурент на основе полупроводника из меди, индия иселенида галлия (CIGS). В первом случае один полупроводниковый слой изготовлен из теллурида кадмия, а второй из сульфида кадмия. В последнем случае основной полупроводниковый материал CIGS, но второй слой, как правило, это сульфид кадмия. Таким образом, в каждой из этих технологий используются соединения, содержащие тяжелый металл - кадмий, который является одновременно канцерогенным и может привести к наследуемым мутациям.

У таких производителей как First Solar есть большой опыт защиты работников от воздействия кадмия в процессе производства. Но есть информация о риске для работников, занятых кадмием на ранних стадиях обработки, в частности на рудниках, откуда поступает бОльшая часть кадмия. Воздействие кадмия после утилизации солнечных панелей также вызывает беспокойство. Большая часть теллурида кадмия которую надо обезвредить из-за поломок или дефектов изготовления, утилизируются в безопасных, контролируемых условиях. Фирма активно обеспечивает сбор и переработку в Европе старых и сломаных панелей. Отдельные компании также разработали схожие программы утилизации. Но многое еще предстоит сделать - не каждый потребитель имеет доступ к бесплатной программе по возврату, да и многие потребители даже не знают о том, что утилизация таких панелей дело не простое.

the-solar-scorecard-graphf1b-1408461198302

Солнечные модули производятся благодаря энергии, которая в свою очередь ведет к выбросам СО2. Т.к. китайская энергетика больше полагается на производство энергии за счет угля  выбросы СО2 гораздо выше чем в Европе.

Лучший способ избежать риска отравления для работников и окружающей среды кадмием это минимизировать количество или не использовать кадмий вообще. Уже два основных CIGS производителей-Avancis и Solar Frontier заявили об использовании сульфида цинка, намного менее токсичного материала, вместо сульфида кадмия. Исследователи из University of Bristol и University of Bath, в Англии, Калифорнийский университет в Беркли и многие другие научные и государственные лаборатории пытаются разработать тонкопленочных элементы которые не требуют токсичных веществ, таких как кадмий или редких элементов, таких как теллур. First Solar тем временем неуклонно уменьшает количество кадмия, используемого в его солнечных батареях.

Но дело не только в токсичности. Создание солнечных батарей требует много энергии. К счастью, продукт вырабатывает электроэнергию которой он оплачивает обратно первоначальные инвестиции энергии. Большинство из модулей "расчитываются" уже после двух лет эксплуатации, а некоторые компании сообщают об "энергоокупаемости" (SF: EROI) в шесть месяцев.

Аналитики часто сравнивают затраты энергии, необходимой, чтобы произвести солнечную панель и количество углерода, образующихся в производстве этой энергии - величина которая может изменяться в широких пределах. Чтобы сделать это, нужно представить энергию как значение в виде килограммов выбросов CO2 полученого при генерации киловатт-часа. Страна, которая в значительной степени зависят от угля и имеет наибольший показатель СО2/кВтч- это Китай. В Китае этот показатель почти в два раза выше чем в США. Это согласуется с результатами исследователей в штате Иллинойс Аргоннской национальной лаборатории и Северо-западного университета. В докладе, опубликованном в июне этого года, они обнаружили, что СО2/кВтч фотоэлектрических панелей, сделанных в Китае вдвое выше, чем те, которые производятся в Европе.

Если фотоэлектрические панели, изготовленные в Китае были бы установлены в Китае, то из-за высокого СО2/кВтч, эффект компенсации выброса СО2 производством энергии солнечной панелью и энергоокупаемость совпадают по времени. Но это не то, что происходило в последнее время. Производства в основном расположены в Китае, а панели часто устанавливают в Европе или в Соединенных Штатах. В этом случае для компенсации высокого китайского СО2/кВтч требуется в два раза больше времени, чтобы компенсировать выбросы парниковых газов, чем для энергоокупаемости.

the-solar-scorecard-graphf2-620-1414762803876
Source: Silicon Valley Toxics Coalition
Silicon Valley Toxics Coalition оценила производителей солнечных панелей в области защиты персонала и защиты окружающей среды.

Конечно, если вы производите панели из энергии с низким СО2/кВтч (например, завод получающий энергию от солнечных панелей) и установаете их в области с высоким СО2/кВтч, время "окупаемости" парниковых газов будет меньше, чем "энергоокупаемость". Так что, возможно, когда-нибудь, питание таких заводов "зеленой" энергией снимет обеспокоенность выбросами СО2.

Расход воды является еще одним важным вопросом. Производители используют много воды: в том числе для охлаждения, как химический реагент и контроля загрязненности атмосферного воздуха (фильтруют). Самый большой расход воды приходится на очистку оборудования во время установки и в ходе производства. Для производство на 230- 550 МВт в год может потребоваться до 1,5 млрд литров воды для борьбы с пылью в процессе строительства и еще 26 миллионов литров в год для мытья панелей. Тем не менее, количество воды, используемой для получения, установки и эксплуатации фотоэлектрических панелей значительно ниже, чем требуется для охлаждения обычных электростанций и АЭС.

Выбор инвесторов и потребителей может, в принципе, иметь большое влияние на производителей солнечных модулей. Но чаще всего трудно сказать, насколько эти компании отличаются в экологичности. Солнечная энергетика не имеет формального экологического стандарта, как в случае этикеток на бытовую технику и электронику, которые помогают покупателям определить энергоэффективность продуктов. И большинство людей не покупают солнечные модули сами. Они делают это через фирмы сторонних инсталляторов. Таким образом, даже если бы схема таких наклеек была, многое будет зависеть от готовности монтажников.

В настоящее время, потребители могут заставить производителей улучшить их экологичность и безопасность, требуя от монтажников больше информации о модулях, которые они используют. Это, в свою очередь, заставит монтажников надавить на производителей для получения дополнительной информации.

Исследователи из National Photovoltaics Environmental Research Center в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптон, Нью-Йорк, уже давно публикации исследования о возможных экологических проблемах при производстве фотовольтаики. Недавно, официальные рейтинги экологической эффективности для солнечной энергетики начали появляться.

Организации, как Center for International Earth Science Information Network, пытаются установить некоторые средства мониторинга окружающей среды, здоровья и техники безопасности у производителей в развивающихся странах. Эта группа, в которую входят ученые из Йельского и Колумбийского, предлагает такой параметр как китайский индекс экологической деятельности, который будет работать на провинциальном уровне, чтобы помочь Китаю отслеживать прогресс в достижении целей экологической политики.

Между тем, “Solar Energy Industries Association" и национальная торговая организация США предложили новые экологические "рамки" для промышленности в документе под названием "Solar Industry Environment & Social Responsibility Commitment», направленного на предотвращение профессиональных травм и заболеваний, предотвращение загрязнения, а также сокращения природных ресурсов используемых в производстве. Документ призывает компании требовать от поставщиков представить информацию о безопасности производства и о выбросах парниковых газов.

Кроме того, Silicon Valley Toxics Coalition, которая оценивает экологическую эффективность компании в области электроники, исследовала и оценила экологичность производства работающие в Китае, Германии, Малайзии, на Филиппинах и в Соединенных Штатах. Участие является добровольным и до сих пор включает в себя такие крупные производители, как First Solar, SolarWorld, SunPower, Suntech, Trina, и Yingli; Китайские производители Trina и Yingli последовательно входит в число трех ведущих мировых наиболее экологически ответственных компаний. Sharp, SolarWorld и SunPower тщательно отслеживают количество выбрасываемых парниковых газов, и химических веществ, используемых в производстве своих панелей в течение нескольких лет.

Такие инициативы не преждевременн. Многие люди сегодня видят солнечную энергетику как панацею от наших энергетических бед, учитывая то, какой грязной предстает сегодня традиционная энергетика. Но это не значит, что мы должны закрывать глаза на темную сторону этой новой технологии. В самом деле, мы должны рассматривать нововведения очень тщательно. И только, с постоянными усилиями со стороны потребителей, производителей, исследователей в один прекрасный день технология будет по-настоящему, а не символически, зеленой.

Статья оппубликована 12.11.2014 в Solar’s Green Dilemma.

Автор D. Mulvaney.
Tags: безопасность, технологии, экология, энергетика
Subscribe
promo engineering_ru april 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 50 comments