Вопросы экологии производства солнечных модулей
Узнаем какой вред приносит производство солнечных модулей. Но рассмотрим производство только кремниевых солнечных модулей.
В прессе и социальных сетях периодически встречаются статьи и комментарии о вреде производства солнечных модулей для окружающей среды.
Как влияет производство солнечных модулей на окружающую среду
Всякое производство чего бы то ни было — это вмешательство в первозданную природу, и в этом смысле вредно. Нас, однако, интересуют сравнительные оценки ущерба, ведь рассуждая о вреде производства солнечных модулей комментаторы, вероятно, подразумевают какой-то особый, серьезный вред.
В данной статье мы будем рассматривать только производство кремниевых солнечных модулей, поскольку на эти устройства приходится 95% годовых объемов рынка солнечной энергетики, а погружение в тонкоплёночные технологии, которые на мировом рынке не играют практически никакой роли, потребует расширения этой статьи.
Здесь мы также не будем касаться вопросов углеродного следа производства солнечных панелей, поскольку они хорошо изучены, и мы уже уделяли им достаточно внимания (см. статьи «О расходе энергии для разных технологий генерации и их углеродном следе» и «Энергетическая окупаемость солнечной энергетики»).
Начну с того, что производство солнечных модулей состоит из ряда последовательных этапов, представляющих собой отдельные технологические процессы. Вот, например, на картинке от Солар Системс эти этапы изображены:
В мире найдётся не так много компаний, который выполняют все эти операции «под одной крышей». Собственно, непосредственно к процессам производства солнечных модулей можно отнести только плавку слитков, нарезку пластин, изготовление солнечных элементов (solar cells) и сборку самих панелей. И именно этими процессами как правило ограничиваются компании-производители солнечных батарей, а многие из них довольствуются одним-двумя процессами.
Производство сырья, из которого плавят слитки, то есть поликристаллического кремния (поликремния) — это не специфический, т.е. присущий не только солнечной энергетике процесс, поскольку поликремний широко применяется в электронике (полупроводники). И как раз этот самый процесс — производства поликремния — является самым вредным во всей цепочке. Этим процессом в мире занимается сегодня относительно небольшой круг компаний (см. статью «О рынке поликристаллического кремния – ключевого сырья для солнечной энергетики»).
Технология производства в двух словах такова. Из кварца получают металлургический кремний, а из него более чистый поликристаллический кремний (poly-Si). В процессе преобразования металлургического кремния в поликристаллический выделяется побочный продукт тетрахлорид кремния, негорючее вещество, но очень вредное. Процесс включает в себя реакцию соляной кислоты с металлургическим кремнием для получения трихлорсилана. Трихлорсилан затем реагирует с водородом, в результате чего получается поликремний вместе с жидким кремниевым тетрахлоридом.
В конце 2000-х — начале 2010-х годов в Китае не было надлежащих стандартов по обращению с тетрахлоридом кремния, что приводило к загрязнению окружающей среды данным побочным продуктом (и не только им). В настоящее время во всех странах, где производится поликремний (КНР, США, Норвегия, Германия, Южная Корея …) соответствующие стандарты приняты, и основные производители перерабатывают эти отходы, чтобы производить больше поликремния.
Для получения поликремния из тетрахлорида кремния требуется меньше энергии, чем при его выделении из сырого диоксида кремния, таким образом утилизация этих отходов — достаточно выгодное предприятие, хотя и требующее дополнительных инвестиций. Сегодня все крупнейшие производители поликремния переходят на промышленные процессы замкнутого цикла (closed-loop), что обеспечивает значительное снижение воздействия на окружающую среду.
Дальнейший процесс производства солнечных элементов (ячеек) из поликремния состоит из множества этапов. На следующей картинке этот процесс изображен более детально (показано производство монокристаллических солнечных элементов, включая производства поликремния).
Некоторые из указанных операций также требуют использования химических веществ разных классов опасности.
«Процесс изготовления фотоэлементов включает в себя использование ряда опасных материалов, большинство из которых используются для очистки поверхности полупроводников. Сюда относятся соляная кислота, серная кислота, азотная кислота, фтористый водород, 1,1,1 трихлорэтан и ацетон», — отмечает Союз обеспокоенных ученых (UCS).
В 2011 году случился скандал, вызванный тем, что на заводе, принадлежащем китайской JinkoSolar (сегодня это производитель солнечных модулей номер один в мире), произошёл сброс в реку плавиковой кислоты, которая используется при производстве кремниевых солнечных элементов (это не единственное и не основное её применение).
Погибла рыба, погибли свиньи у фермеров, курс акций компании на бирже упал на 40%… В 2017 JinkoSolar получила первый в Китае C2C (Cradle-to-Cradle) сертификат, подтверждающий приверженность компании высоким стандартам по охране окружающей среды, здоровья и безопасности своей продукции, а также продвижению лучших экологических и устойчивых практик в солнечной энергетике. Компания также входит в число лидеров экологического рейтинга, составляемого американской НКО Silicon Valley Toxics Coalition.
Отношение к охране окружающей среды и экологии в Китае сегодня совсем не такое, каким оно было ещё пять лет назад. Во всех секторах экономики, в том числе, разумеется, в солнечной индустрии, внедряются самые жесткие стандарты. Мы это видим, скажем, и по китайской угольной энергетике, где нынче внедрены самые жесткие в мире(!) стандарты выбросов.
Значительная часть процессов производства солнечных модулей относится к химическому производству. Даже в названии одного из ведущих производителей поликристаллического кремния, Wacker Chemie, присутствует слово «химия». Являются ли предприятия химической промышленности вредными? Вопрос, так сказать, детский. Эти предприятия необходимы в рамках сложившейся системы народного хозяйства, а их влияние на окружающую среду регулируется и управляется соответствующими нормами и системами надзора.
Как и в сотнях других секторов промышленности, в производстве солнечных модулей используются определенные химические вещества. Практически во всех странах, где есть производство солнечных модулей, действуют соответствующие стандарты, нормы, правила по обращению с этими веществами. Мы здесь не можем оценить содержание этих норм и эффективность их применения для каждой юрисдикции.
Да, принято считать, что в Европе по сравнению с Юго-Восточной Азией и нормы строже, и надзор эффективнее. В то же время следует отметить, что в мире в целом сегодня отмечается тенденция к ужесточению стандартов, касающихся защиты окружающей среды, а также отслеживанию экологического следа того или иного продукта по всей производственной цепочке. Про КНР мы уже сказали выше.
Промышленная деятельность в солнечной индустрии является чрезвычайно наукоемкой. Идёт постоянный процесс НИОКР, постоянное совершенствование, направленное на снижение материалоемкости. Например, на графике мы видим, как снижается потребления кремния на ватт солнечного элемента:
В этом смысле в отрасли также отмечается постоянное снижение удельного экологического следа. Ватт, произведенный сегодня, содержит в себе гораздо меньше вреда для окружающей среды, чем это было вчера.
Подведём итоги. Гринпис в одной из своих давнишних работ по экологии фотоэлектрической солнечной индустрии в КНР отмечал, что «препятствия, которые лежат между Китаем и чистым производством, связаны не с технологиями, а с желанием (волей)». Нет никакого «особо вредного» производства солнечных модулей, но случаются недостатки регулирования.
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник
Так ли экологичны солнечные батареи?
Дата публикации: 28 апреля 2014
Северная Ассоциация США по возобновляемым источникам энергии, в своей публикации «Солнечная энергия», опубликованной в 2008-м году, пишет:
«Из всех доступных возобновляемых источников энергии именно солнечная энергия и солнечные батареи наносят минимальный ущерб окружающей среде. Электричество, произведенное при помощи солнечных батарей, не оказывает вредного воздействия на воздушные массы. И никак не загрязняет ни поверхностные, ни подземные воды, не истощает природные ресурсы и не несет опасности, как для животного мира, так и здоровья человека.
Единственный реально опасный эффект данного типа энергии связан с получением некоторого количества токсических веществ и химикатов, например, кадмия и мышьяка, которые используются при производстве солнечных батарей. Но, по большому счету, и эти негативные эффекты минимальны по своему объёму, если есть продуманная политика в плане их повторного использования и надлежащей утилизации.
Будущее
В свою очередь Кен Звейбл, Директор Института анализа солнечной Энергии в Университете Джорджия, в Вашингтоне, а также Джеймс Мейсон, Директор компании про производству солнечных батарей, и Василис Фенакис, Главный Инженер по исследовательской работе в Национальной Лаборатории в Брукхайвене, в своей совместной статье от 2007-го в журнале «Научная Америка» пишут о планах на будущее.
«Мы полагаем, что примерно к 2050-му году технологии солнечных батарей позволят производить почти 3 000 ГИГАВАТТ электрической энергии, иными словами МИЛЛИАРДЫ ватт. Около 30 000 квадратных миль рядов солнечных батарей должны быть установлены верх к солнцу на фиксируемых подставках. Да, эти площади могут казаться просто невероятными. Но уже установленные линии батарей показывают, что свободной земли, необходимой для производства каждого гигаватт – часа солнечной энергии на Юго-Востоке США требуется все равно меньше, чем при производстве этого же количества энергии на традиционных угольных электростанциях.
Исследования, проведённые Лабораторией Энергетики в Коло, показывают, что более чем достаточно земельных ресурсов на Юго-Востоке страны. Нет необходимости затрагивать чувствительные к проникновению машин и людей территории. Также нет необходимости как-то мешать в этом плане землям населенных пунктов или вообще углубляться в трудные территории. Благотворная природа самой солнечной энергии, ее экологичность, включая разумное потребление воды, сводит озабоченность экологическими эффектами батарей к минимуму»
В 2008-м году Отделение по энергоэффективности возобновляемой солнечной энергии (EERE) на своем сайте в блоке «Почему так важна солнечная энергетика» разместило следующий материал:
«Малые электрические подстанции наносят незначительный ущерб окружающей среде, так же как и солнечные батареи. Удивительно, но так запросто производя нужную человеку электрическую энергию, солнечные батареи не загрязняют окружающую среду, не производят рискованные для фауны и флоры выбросы и отходы. Это производство энергии не требует ни жидкого, ни газообразного топлива, его не надо ни транспортировать, ни сжигать»
В свою очередь Василис Фенакис, старший научный сотрудник Центра Инженерных Наук Национальной Лаборатории в Брукхавене, в статье от 2004 года «Циркуляция теллурида кадмия и его вред в ходе производства солнечных батарей» в разделе о возобновляемой и восполняемой энергетике пишет:
«Если смотреть широким полем зрения на проблему, то риски для окружающей среды от солнечных батарей минимальны. Приблизительные выбросы в атмосферу в ходе производства составляют 0,02 грамма теллуридла кадмия на ГИГАВАТТ\час электрической энергии, произведенной за весь срок службы солнечного модуля, и это очень низкий показатель.
Широкомасштабное использование солнечных батарей не несет никакого риска для здоровья человека и живых существ. А повторная переработка модулей, что уже отслужили свой срок службы, почти полностью нивелирует озабоченность «зеленых» по поводу вредности этого вида производства электрической энергии.
Во время своей работы солнечные модули не производят загрязнения Природы, и более того, постепенно замещая традиционные виды топлива (газ, нефть, уголь) они приносят существенные выгоды окружающей среде. Теллурид кадмия в солнечных батареях на самом деле на поверку оказывается значительно более дружественен Природе, чем все остальные ныне используемые виды кадмийных батарей, включая знаменитые никель-кадмиевые.
Минусы
Однако, не все так просто в вопросе безопасности для окружающей среды со стороны огромной МАССЫ солнечных батарей.
В главе, озаглавленной «Солнечная и ветряная энергетика непродуктивна и вредна для окружающей среды» ее автор, Пол Дриссен, Доктор Наук и сотрудник Комитета по «Строительству завтрашнего дня» пишет:
«Производство 50-ти МЕГАВАТТ электрической энергии с использованием газосжигательных установок потребует примерно от 2 до 5 акров земли. Чтобы получить такое же количество энергии за счет солнечных модулей придется покрыть – внимание ! — около ТЫСЯЧИ акров земли солнечными панелями (и это еще если принимать в расчет оптимистичные цифры в получении энергии в 10 ватт на кв. метр или 5% эффективности при пиковой выработке).
Еще не меньшая проблема – это обеспечить свободный доступ грузовикам с водой для того чтобы мыть весь этот «лес» из солнечных модулей. Чтобы покрыть, например, потребности Калифорнии в энергии при помощи солнечных модулей потребуется задействовать десятки тысяч акров земель, принося их в жертву. А ведь эти прерии называют чуть ли не самым уникальными и красивыми образчиками настоящей Дикой Природы. Дикий Дикий Запад. Это один из самых величественных и красивейших ландшафтов во всей Америке, и его придется принести на алтарь солнечной энергетики вместе с животным и растительным миром этой территории.
Калифорнийская Энергетическая Комиссия в рамках общественного интереса к энергетической общедоступной исследовательской программе (PIER), Институт Исследований Электрической Энергии (EPRI) в ноябрьском отчете 2003 года под названием «Потенциальный вред для Здоровья и Окружающей среды связанный с производством и использованием солнечных батарей, доступной на сайте EPRI, написали следующее.
«Само производство солнечных батарей включает в себя использование некоторых токсичных газов, взрывоопасных летучих веществ, коррозийных жидкостей и подозрительных канцерогенных – вызывающих рак – реагентов. Магнитуда возможных негативных эффектов на здоровье человека и Природу в случае производства солнечных батарей варьируется в зависимости от используемых токсических материалов, их насыщенности, интенсивности использования, а также продолжительности их воздействия на человека в условиях производства.»
Отработанные модули
Утилизация значительных объемов отслуживших свое солнечных модулей на конкретной территории приводит к увеличению риска для здоровья людей в данной местности. А также это пагубно для местной флоры и фауны. Утечка химических реагентов из утилизируемых модулей дает вероятность заражению местной почвы и поверхностных вод.
Животный и растительный мир на этих территориях при непосредственной близости возможных утечек или случайных выбросов в атмосферу может быть подвергнут тяжелому воздействию. Утечки могут привести к взрывному росту концентрации опасных веществ вокруг производственных установок, на которых производятся модули. А это уже прямая и явная угроза здоровью работающих здесь людей.
Окружающая вода, воздух, почвы будут поглощать в себя вредные химические выбросы. Загрязненная вода отравит почву, а вдыхаемый воздух также будет частично отравлен выбросами.
Удар по живому
«Выбросы химических токсических соединений при производстве солнечных модулей ведет к ослаблению резистентности живых существ к болезням и ухудшению их фертильности, то есть способности давать здоровое полноценное потомство. Также увеличивается смертность и наблюдается замедленный рост у детей и детенышей. Интенсивность и серьезность негативного воздействия будет различаться в зависимости от количества и типа вредных веществ, высвобождаемых при производстве солнечных улавливающих модулей…»
По материалам Исследовательского Института Электрической Энергии (EPRI) 2003 год. Калифорнийская Энергетическая Комиссия.
В свою очередь Ховард Хейден, Доктор Наук, почетный Профессор в университете Физики в Коннектикуте, в книге от 2005 года «Солнечная ловушка: почему солнечная энергетика не покорила мир» пишет:
«Скопление солнечных батарей на примере местечка Барстоу, Калифорния, под кодовым обозначением «Солнечная №2», занимает 52,6 гектаров (почти 130 акров) земель и производит около 10 мегаватт электричества на максимальном выходе при пиковых значениях. Производительность достигает лишь 16%. Для таких вот установок типа «Солнечная -2», чтобы произвести такое же количество энергии, как и типичной 1000 мегаватт электростанции на обычном топливе, за год потребуется покрыть солнечными модулями 33 000 (!) гектаров земли. Или иными словами, 127 квадратных миль площади! А это уже серьезный урон окружающей среде.
Число солнечных батарей на нашей планете непрерывно растет, однако ни о каком качественном прорыве в этой области пока говорить не приходится. Возможно, когда инженеры придумают, как уменьшить площади солнечных модулей и как наладить их само очистку, когда уберут из производственной цепочки некоторые летучие опасные соединения и газы, то дело и пойдет веселее. Но пока с экологической точки зрения солнечные электростанции все же не совсем безвредны для окружающей среды.
Михаил Берсенев, по материалам зарубежных сайтов, 28 апр. 14 г.
Истощение природных ресурсов и обострившиеся экологические проблемы — главные причины для развития возобновляемых источников энергии:
Источник