Umweltfussabdruck von Fotovoltaikstrom: Stand heute und zukünftige Entwicklung Dr. Rolf Frischknecht, treeze Ltd. 14. Nationale Photovoltaik-Tagung 22. β 23. Februar 2016, Kursaal Bern Kompass oder Kristallkugel? 24. Februar 2016 2 Motivation und Fragestellung Langfristig ausgerichtete Energiepolitik verlangt Investitionsentscheide heute hat weittragende Konsequenzen bedarf zukunftsgerichteter Informationen Umweltauswirkungen der Stromerzeugung mit zukünftigen Photovoltaik-Panels 24. Februar 2016 3 Analysierte Technologien und Untersuchungsumfang 2 PV Technologien CdTe Dünnschicht Laminate (ungerahmt) Laminate mit kristallinen Mono-Silizium Zellen (ungerahmt) Untersuchungsumfang Ressourcengewinnung bis Herstellung Module Inverter und Befestigung Betrieb Rückbau Bezugsgrösse: 1 kWh Wechselstrom Herstellung und Betrieb in Zukunft (ca. 2030 - 2050) 24. Februar 2016 4 Marktsituation C-Si 2011 in MW 24. Februar 2016 5 Berücksichtigte Entwicklungen PV Wertschöpfungskette Moduleffizienz Materialeffizienz Herstellung Feedstock (Solar grade Silizium) Übrige Wirtschaft Metallherstellung (Aluminium, Kupfer, Stahl) Mineralische Baustoffe (Zement) Lkw Transport Strommix (genutzt in der PV Wertschöpfungskette) 24. Februar 2016 6 Drei Szenarien business as usual (BAU): Weiterführen der bisherigen Energiepolitik. Keine Ziele bezüglich Energiebedarf realistische Verbesserungen (REAL): Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien werden gefördert. Schlüsseltechnologien werden gefördert und Energiepolitik hat einen hohen Stellenwert optimistische Verbesserungen (OPT): Hoch ambitionierte Energiepolitik. Effiziente Technologien werden stark gefördert 24. Februar 2016 7 Strommix ENTSO-E 2050 100% Share of technology per kWh 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% BAU 24. Februar 2016 REAL Offshore wind park Wind power Solar thermal Photovoltaic Hydropower Biomass Nuclear Fuel cell, natural gas Natural gas + CCS Natural gas Lignite Hard coal + CCS Hard coal Oil OPT NEEDS project: Frischknecht et al. (2008) 8 Strommix China 2050 24. Februar 2016 IIASA: Gambhir et al. (2012) 9 Schlüsselgrössen in der PV Wertschöpfungskette TODAY BAU REAL OPT Zelleffizienz 16.5 % 25.0 % 27.0 % 29.0 % Verringerung Zell- zu Moduleffizienz 8.5 % 8.5 % 6.8 % 5.0 % Moduleffizienz 15.1 % 22.9 % 25.2 % 27.6 % Waferdicke 190 mm 150 mm 120 mm 100 mm Sägespalt 190 mm 150 mm 120 mm 100 mm Silberbedarf pro Zelle 9.6 g/m2 9.6 g/m2 5.0 g/m2 2.0 g/m2 Anteil Fluidized-bed reactor (FBR) bei der Poly Si Produktion 0% 20 % 40 % 100 % Glasdicke 4.0 mm 4.0 mm 3.0 mm 2.0 mm Lebensdauer 30 Jahre 30 Jahre 35 Jahre 40 Jahre 24. Februar 2016 10 Treibhausgasemissionen 3 kWp Mono-Si Anlage 0 kg CO2-eq according to IPCC 2013 2'000 4'000 6'000 8'000 Inverter today Electric installation BAU REAL OPT 24. Februar 2016 Slanted roof construction Photovoltaic laminate Transports 11 Non-renewable energy payback time NREPBT for Single-Si-PV 0.0 non-renewable energy payback time in years 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Country of installation Germany 3.0 today BAU Spain REAL OPT Europe Referenzstrommix: Europäischer nicht-erneuerbarer Residualmix 24. Februar 2016 12 In Zukunft zu erwartende Abfallmengen PV-Panels 24. Februar 2016 13 Wambach & Sander (2015) Vergleich Recyclingaufwand zu Aufwand Herstellung Neumaterial 24. Februar 2016 14 Folgerungen Zukünftige Entwicklungen in der PV Industrie, in der Strombereitstellung und in der Metallherstellung führen zu deutlich tieferen Umweltbelastungen Energierückzahldauern monokristalliner Silizium PV Anlagen können in Südeuropa auf unter 1 Jahr sinken Die Gewinnung von Wertstoffen durch Recycling von PV-Panels ist weniger umweltbelastend als die Gewinnung von Neumaterial 24. Februar 2016 15 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Rolf Frischknecht [email protected] Downloads: treeze.ch/en/projects/casestudies/energy/photovoltaic/ Verdankung: Bundesamt für Energie (Finanzierung) Karsten Wambach (Daten Panel-Recycling) IEA PVPS Task 12 Team (Review und Feedback) Global markets C-Si Model the current market situation with regard to Silicon feedstock Wafer production Cell production Module production Module installation Distinguish 4 regions of the world Americas, Asia/Pacific (excl. CN), China, Europe 24. Februar 2016 17 Effekt technischer Entwicklungen Reduktion durch: 24. Februar 2016 18 Treibhausgasemissionen 3 kWp CdTe Anlage 0 kg CO2-eq according to IPCC 2013 500 1'000 1'500 2'000 2'500 3'000 Inverter today Electric installation BAU Slanted roof construction REAL OPT Photovoltaic laminate Transports installed on slanted roofs in Europe 24. Februar 2016 19 Environmental impacts per kWh of Single-Si-PV electricity 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Greenhouse gas emissions Cumulative energy demand, non-renewable Acidification potential today BAU Human toxicity potential REAL OPT Photochemical ozone creation potential Particulate matter formation potential Land use photovoltaic laminate installed on slanted roofs in Europe according to the three scenarios (BAU, REAL and OPT) relative to the impacts of today; annual yield: 975 kWh/kWp (incl. annual degradation of 0.7 %); 24.30 Februar 20 life time: years 2016 (today and BAU), 35 years (REAL), 40 years (OPT) Environmental impacts per kWh of CdTe-PV electricity 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Greenhouse gas emissions Cumulative energy demand, non-renewable Acidification potential today BAU Human toxicity potential REAL OPT Photochemical ozone creation potential Particulate matter formation potential Land use photovoltaic laminate installed on slanted roofs in Europe according to the three scenarios (BAU, REAL and OPT) relative to the impacts of today; annual yield: 975 kWh/kWp (incl. annual degradation of 0.7 %); 24.30 Februar 21 life time: years 2016 (today and BAU), 35 years (REAL), 40 years (OPT) Non-renewable energy payback time NREPBT for CdTe-PV 0.0 Country of installation Germany non-renewable energy payback time in years 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 today BAU Spain REAL OPT Europe NREPBT of CdTe photovoltaic laminates according to the three scenarios (BAU, REAL and OPT) and today in years the reference for the NREPBT is the European non-renewable residual electricity mix 24. Februar 2016 22 Non-renewable energy payback time NREPBT πΈπππ‘ + πΈππππ’π + πΈπ‘ππππ + πΈπππ π‘ + πΈπΈππΏ ππ πΈππ΅π = πΈππππ ππΊ β πΈπ&π Emat: Non renewable primary energy demand to produce materials comprising PV system Emanuf: Non renewable primary energy demand to manufacture PV system Etrans: Non renewable primary energy demand to transport materials used during the life cycle Einst: Non renewable primary energy demand to install the system EEOL: Non renewable primary energy demand for end-of-life management Eagen: Annual electricity generation EO&M: Annual Non renewable primary energy demand for operation and maintenance ο¨G: Grid efficiency, average non renewable primary energy to electricity conversion efficiency at the demand side 24. Februar 2016 23 Entwicklung der Effizienz von Mono-Si Panels Single-Si Single-Si BAU Single-Si REAL Single-Si OPT Shockley-Queisser, derate 5% Linear (Single-Si) 35 Module efficiency in percent 30 25 20 15 10 5 0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 Year 24. Februar 2016 24 Aufwand Panel Recycling 24. Februar 2016 25 Aufwand Herstellung Neumaterial 24. Februar 2016 26
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