Greenhouse Gas Emissions and Energy Payback Time for multi- and mono-Si Photovoltaic Systems - A Study on Solar Energy from Photovoltaic Systems Located in Sweden

Abstract

Climate change is one of the greatest environmental challenges at the present time and is currently an issue affecting the entire global population. Alternative renewable energy sources are vital to be able to deal with this challenge. Solar energy is one of the most promising renewable energy sources and is therefore also one of the fastest growing industries in this field. However, solar energy has its downsides as well. During production of silicon based solar cells a large amount of energy is needed. In China, the world’s largest producer of Photovoltaic (PV) cells, this energy is produced mainly through burning of coal and therefore the production of PVs indirectly contributes to greenhouse gas (GHG) emissions.
In this study two different methods were applied to evaluate the GHG emissions (g-CO2,eq/kWh) and energy payback time (EPBT) for monocrystalline (mono-Si) PV systems and multicrystalline (multi-Si) PV systems in five different places in Sweden; Malmö, Lund, Stockholm, Göteborg and Luleå. The results show that the EPBT range from 2.01 to 3.25 years and that the GHG emissions range from 63.05 to 102.02 g-CO2,eq/kWh depending on the method applied, which type of PV system that was used, and the solar irradiation.
Based on this study, energy from photovoltaic power could potentially be a part of the solution for Sweden’s future energy demands. However, this depends on several different factors. The location of the PV system is of great importance as well as the direction and angle in relation to the sun. Also, the development of the PV cell’s efficiency plays a major role in the future EPBT and GHG emissions from solar energy.
This study was based on estimations from previous studies and therefore the results could contain some uncertainties.

Popular Abstract (Swedish)

Solceller – en miljövänlig energikälla?

Miljöförstöring i form av växthusgasutsläpp är en gigantisk utmaning som mänskligheten står inför och vi måste agera NU! Solceller innebär en fantastisk möjlighet att utvinna stora mängder “ren” energi från solen. Men hur miljövänliga är egentligen solceller och är det ett effektivt alternativ i Sverige?

Varje timme träffas Jorden av tillräckligt mycket energi från solen för att kunna tillgodose hela världens energibehov under ett år. Att kunna utvinna denna energi på ett miljömässigt hållbart sätt är en väsentlig del för att kunna nå ett fossilfritt samhälle och det är här utvecklingen av solceller kommer in i bilden.

I drift är solceller väldigt miljövänliga och släpper inte ut några växthusgaser eller andra föroreningar. Trots detta visar vår studie att de släpper de under sin livstid ut 60-100 gram koldioxid per kWh de producerar. Det är nästan 10 gånger mindre än förbränning av olja men å andra sidan fyra gånger mer än till exempel vindkraft. Så vad är det som gör att den här till synes helt miljövänliga solbaserade energikällan släpper ut mer koldioxid än de flesta andra förnyelsebara energikällorna? Problemet ligger uppströms i solcellens livscykel.

Kieselbaserade solceller utgör cirka 90% av alla installerade solceller i världen. Dessa är oftast tillverkade i Kina som idag är världens största tillverkare av solceller. Det är här miljöproblemen i uppströmsprocesserna som är kopplade till solceller får en förklaring. Under tillverkningsprocessen krävs en stor mängd elektrisk energi för att framställa solcellerna och utvinnandet av solcellskompatibelt kisel är den process som kräver mest. Då majoriteten av Kinas elnät är baserat på kolkraftverk leder detta till att det indirekt släpps ut koldioxid vid tillverkningsprocessen av solcellerna.
Vår undersökning baseras på olika platser i Sverige där vi tagit reda på hur stor miljöpåverkan solceller på varje plats skulle innebära. Detta är intressant då vi befinner oss på en nordlig breddgrad i jämförelse med andra länder som är ledande inom solcellsanvändning. Vårt geografiska läge påverkar solinstrålningen och då också effektiviteten hos solcellerna. Ju mindre energi vi får ut desto större blir solcellernas miljöpåverkan.

Idag har de vanligast förekommande solcellerna en verkningsgrad på cirka 15-20%. Flera tekniker för att öka verkningsgraden är just nu i utvecklingsstadiet och det finns förhoppningar om att i framtiden kunna öka verkningsgraden markant!

Företaget Sol Voltaics, stationerat i Lund, jobbar för tillfället med att utveckla så kallade tandemsolceller, det vill säga solceller med flera lager, vilket gör det möjligt att utvinna energi från ljus av olika våglängder. Detta skulle i teorin kunna innebära solceller med en verkningsgrad på upp emot 50%.

Långa transporter är ett problem som ofta får mycket utrymme i den allmänna debatten. Vi har dock kommit fram till att utsläppen från transporter i detta sammanhang är försumbara. Andra delar i solcellernas livscykel har mycket större inverkan och borde därför få en större plats i debatten.

• author: Malmström, Nils and Olsson Tedin, Hannes
• supervisor: Alvar Palm
• organization: Studies in Environmental Science
• course: MVEK02 20161
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Solar energy Greenhouse gas (GHG) emission Energy payback time (EPBT) Photovoltaic (PV) Multi-Si & Mono-Si
• language: English
• id: 8879209
• date added to LUP: 2016-06-10 11:47:30
• date last changed: 2016-06-10 11:47:30