2018年12月2日 星期日

太陽能生產過程很耗能嗎?


太陽能生產過程很耗能嗎?


網路上流傳著一個對太陽能的疑問,有人說太陽能的生產過程很耗能,消耗的能量比發電產生的能量還多,所以其實太陽能並不環保,這是真的嗎?我們來看看客觀數據怎麼說。


首先介紹一個名詞,Energy Pay Back TimeEPBT),直譯為能源回收時間。EPBT意思是從太陽能設施的生產過程,直到廢棄處理(至垃圾掩埋場)所消耗的能源,要發電多少年才能打平。定義如下:
EPBT能源回收時間 = 生產與廢棄所消耗的能源 / 每年所發的電能
= 發電多少年可以補足其消耗的能源

太陽能的能源回收時間
根據德國研究機構Fraunhofer所出版的2018年太陽能報告[1],引用2013年的研究結果如下圖1、圖2,分別是強日照條件1925kWh/m2/年,弱日照條件1000kWh/m2/年,所計算出的結果。日照越強的地區,發電越多,所以能源回收時間較短,相反的日照差的話,回收時間也就比較長。台灣的日照條件正好介於這兩者之間,大約10001400 kWh/m2/年,換算成裝置在台灣的太陽能EPBT,單晶大約2.323.25年,多晶大約1.52.1年。也就是說,單晶大約3年左右的時間,多晶大約2年不到的時間,所發的電就超過生產過程所消耗的能源。
不過要特別提醒,這是2013年的研究,當時的單晶模組效率只有14.8%,發電效率遠低於現在2018年的效率20%左右,所以EPBT會隨技術進步而降低,EPBT每年下降趨勢可以參考圖3


1 強日照條件之EPBT


2 弱日照條件之EPBT



3 EPBT下降趨勢


先進電池技術的EPBT
為了進一步了解最新的EPBT,筆者遍尋期刊文獻,可惜沒有找到如上述涵蓋各種電池技術的更新的研究報告,不過找到一篇出自太陽能名校新南威爾斯的報告,估算了各種先進矽晶電池的EPBT [2],研究結果請見下表1。由於電池片的效率已經遠高於2013年時的水準,可以看到EPBT大幅下降。PERC模組在日照1700 kWh/m2/年的條件下,EPBT可達到1年左右,換算成台灣的日照1000~1400 kWh/m2/年,EPBT大約是11.2年左右。


1 各種矽晶電池的能源回收時間

表格備註:其中Al-BSF是傳統矽晶電池,PERC則是採用特殊結構提昇效率的電池技術。UMG-Si是指冶金級矽,此種材料純化程度不如半導體級的矽,所以耗能稍低。EPBT估算的假設條件是年日照量1700 kWh/m2/年,系統PR0.75,模組壽命20年,年衰減率0.8%。電池片效率2021.4%,模組效率16~18%(詳見論文表2)。


碳排放呢?
EPBT的研究通常也會同時計算平均每度電的碳排放,在此同場加映太陽能的碳排放計算。
平均每度電碳排放量 = 生產到廢棄的過程中造成的碳排放 / 整個生命週期的發電總量
4是各種矽晶電池的每度電碳排放量[2],大約每度電造成2535g二氧化碳(計算條件如上表格備註)。只看這個數字沒有感覺,請看表2比較各種能源的碳排放量[3]。特別說明,碳排放的計算與環境條件、假設條件、技術先進程度等因素有關,所以各報告計算結果不會完全相同,因此看到的不是一個單一數字,而是一個範圍。文獻[4]把數據分類簡化成圖5比較容易看,也給大家參考。


4 各種矽晶電池的碳排放[2]

2 各種能源的每度電碳排放[3]



5各種能源的每度電碳排放

結論
太陽能從生產到廢棄的過程所消耗的能源,在台灣的環境大約11.2年左右就可以完全回收,以太陽能壽命20~25年來看,其耗能遠低於生命歷程中所產生的能源。從碳排放的角度來看,太陽能跟其他再生能源、核能都遠低於燃燒化石能源的發電方式。請大家放心的使用太陽能吧!

參考文獻
[1] PHOTOVOLTAICS REPORT, Fraunhofer ISE, August 2018.
[2] Life Cycle Assessment on Advanced Silicon Solar Modules, Asia-Pacific Solar Research Conference 2017.
[3] Life cycle assessment (LCA) of electricity generation technologies: Overview, comparability and limitations, Technical University of Denmark 2013.


關於作者:
林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:
PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
IEA國際能源總署Task 13工作組成員
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家


4 則留言:

  1. 2013年的研究報告不等於2013年實際的數據。若報告是2013年,,但實際內容卻是在匯整過去十幾年的相關研究數據,這樣的數據似乎該說是"某段"時期的數據而不是某一年的數據。

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    1. 是的,沒錯。所以實際上2013年的EPBT應該是更低的。而另外一篇較新的論文其實也是用早一兩年的資料,所以實際的現況EPBT是更小的。

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  2. 若是如此,太陽能製造商有哪一家是用綠能供電?自給自足

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    1. 很多製造商自己屋頂都有裝太陽能
      不過要做到自給自足不容易,太陽能需要比較大的面積這是事實
      要做到自給自足的話,屋頂面積要夠大,一般廠房恐怕是不夠大的
      不過自發自用跟本篇所提的EPBT是不同的議題
      EPBT不考慮電是自己發的還是來自電力公司

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