Damit die Vereinigten Staaten ihre Dekarbonisierungsziele für 2050 erreichen, müssen sie bis zu 20-mal mehr Solar-Photovoltaik (PV)-Module installieren als heute. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Vereinigten Staaten ihre PV-Produktion und Installationen schnell steigern, aber es gibt mehr Lösungen, als einfach mehr davon zu installieren. NREL-Forscher schlagen vor, dass ein Bedarf an langlebigeren PV-Modulen die Anzahl der erforderlichen Materialien und der erforderlichen Herstellung reduzieren könnte.
Das NREL-Forschungsteam führte die ersten quantitativen Analysen dazu durch, wie sich die Lebensdauer von PV-Modulen und die Recyclingraten auf die Ströme von PV-Materialien bis 2050 in einem zu 100 % dekarbonisierten US-Netz auswirken können. In einem neuen Zeitschriftenartikel behandelten die Forscher mehrere Was-wäre-wenn-Szenarien Kreislaufwirtschaftliche Prioritäten für Photovoltaik in der Energiewende.
„PV ist ein Kinderspiel für Nachhaltigkeit als Quelle sauberer Energie, aber es gibt immer noch Bedenken in Bezug auf Abfall, Materialauswirkungen und Energiegerechtigkeit, insbesondere wenn man bedenkt, wie schnell die PV-Herstellung wachsen muss, um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen“, sagte Silvana Ovaitt, an NREL PV-Nachhaltigkeitsforscher und Autor des Artikels. „Mit dieser Arbeit hoffen wir, diese Herausforderungen ins rechte Licht zu rücken und potenzielle Lösungen zu quantifizieren.“
„Wenn man eine nachhaltige PV-Lieferkette in Betracht zieht, neigt man dazu, direkt zum Recycling als Lösung zu springen, wenn es viele andere Hebel der Kreislaufwirtschaft gibt, die man zuerst ausprobieren muss, wie etwa die Verlängerung der Lebensdauer“, sagte Heather Mirletz, die Hauptautorin des Artikels ein Ph.D. Student an der Colorado School of Mines. „Unser PV-Nachhaltigkeitsteam erhält viele Fragen zum Repowering bestehender PV-Anlagen und zum PV-Recycling. Letztendlich wollen wir beraten, wie PV möglichst nachhaltig gestaltet und eingesetzt werden kann, also müssen wir zunächst die Stoffströme im Kontext der Energiewende verstehen.“
Um den Materialfluss von PV-Modulen bis 2050 zu untersuchen, nutzten die Forscher Prognosen zum PV-Einsatz des US-Energieministeriums Solare Zukunftsstudie und das Tool „PV in der Kreislaufwirtschaft“.
In der obigen Grafik sind die Masse der voraussichtlich installierten PV-Module (gepunktete Linie) und die Masse der Altmodule (gestrichelte Linie) für ein Basisszenario mit PV-Modulen mit einer Lebensdauer von 35 Jahren dargestellt eingesetzt werden.
Die Forscher betrachteten in ihrer Studie 336 Szenarien. Von den 336 Szenarien repräsentierten zwei Szenarien die Ober- und Untergrenze möglicher Ansätze für eine Kreislaufwirtschaft von PV-Modulen. Die beiden Szenarien betrafen Module mit einer verlängerten Lebensdauer von 50 Jahren und Module mit einer kürzeren Lebensdauer von 15 Jahren mit einer hohen Recyclingrate im geschlossenen Kreislauf (d. h. Materialien werden in neuen Modulen wiederverwendet). Die beiden Szenarien wurden mit einem Basisszenario verglichen, das von einer Modullebensdauer von 35 Jahren und einer niedrigen Recyclingrate ausgeht, die den aktuellen Stand der Technik widerspiegelt. Da 15-Jahres-Module wahrscheinlich nicht produziert werden und 50-Jahres-Module noch nicht verfügbar sind, dienen die beiden Szenarien lediglich als extreme Vergleichspunkte.
Bei längerer Lebensdauer der Module könnte die Menge an benötigtem Neumaterial gegenüber dem Basisszenario um 3 % reduziert werden, da dies den Bedarf an zusätzlichem Einsatz von Solarenergie verringern würde, um die gleichen Ziele in den Vereinigten Staaten zu erreichen. Die kurzlebigen Module würden eine Kreislauf-Recyclingrate von 95 % oder mehr benötigen, um zu vermeiden, dass größere Mengen an neuen Materialien als im 35-Jahres-Basisszenario erforderlich sind.
Die Forscher stellten drei signifikante Trends bei den Materialflüssen fest:
- Langlebige Module reduzieren nicht nur den Bedarf an neuem Material, sondern bieten auch eine längere Schonfrist für die Entwicklung und Implementierung von Recycling- oder Wiederaufarbeitungsprozessen am Ende der Lebensdauer, da es länger dauern wird, bis sie in den Ruhestand gehen.
- Module mit kürzerer Lebensdauer müssen hohe Rückgewinnungs- und Recycling-/Wiederaufarbeitungsraten erreichen, um den Verbrauch zusätzlicher neuer Materialien zu vermeiden.
- Glas macht die Mehrheit (nach Masse) der heutigen PV-Module aus. Bei der Entwicklung von Recycling- oder Wiederaufarbeitungsprozessen wird es wichtig sein, PV-Glas zu berücksichtigen, um neben Silizium und Metallen eine kontinuierliche Versorgung mit hochwertigem Glas sicherzustellen.
„Längere Modullebensdauern machen es einfacher, unsere PV-Bereitstellungsziele für die Dekarbonisierung zu erreichen“, sagte Teresa Barnes, eine Autorin des Artikels und Managerin der PV Reliability and System Performance Group von NREL. „Wir können übermäßigen Austausch und zusätzliche Fertigung vermeiden, indem wir Systeme gleich beim ersten Mal bauen. Das Recycling kurzlebiger Module klingt attraktiv, aber unsere Massenbilanz- und Kapazitätsberechnungen zeigen, dass dies die PV-Kapazität einschränken könnte. Unsere bevorstehende Forschung zur Energiebilanz sollte uns weiter zu den nachhaltigsten und erfolgreichsten Wegen für den PV-Einsatz führen.“
Das NREL-Team verwendet ein von ihm erstelltes Tool namens PV in der Kreislaufwirtschaft (PV ICE) um die Ströme von PV-Materialien bis 2050 zu modellieren. Das PV ICE-Tool ermöglicht es Forschern, die neuesten Daten aus der PV-Industrie zu erhalten, um die Ströme von PV-Materialien über die nächsten Jahrzehnte zu modellieren. Dies hilft ihnen, die Auswirkungen verschiedener Markttrends, technologischer Entwicklungen und Regierungsrichtlinien vorherzusagen.
Das Open-Source-Tool hat zwei Hauptbereiche. Erstens sammelt es die wichtigsten Eigenschaften heutiger PV-Module – und Vorhersagen für zukünftige Module, einschließlich der Mengen verschiedener Materialien, die sie enthalten, ihrer erwarteten Lebensdauer und ihrer Leistungsumwandlungseffizienz. Zweitens verfolgt es, wie sich diese Module, Materialien und die darin enthaltenen Energien durch den PV-Lebenszyklus bewegen werden.
Dieser Artikel konzentrierte sich auf Materialbedarf und Lebenszyklusabfall und verfolgte den Massenfluss für verschiedene Modulmaterialien. Das PV-ICE-Tool wird bald in der Lage sein, andere Faktoren wie Energieflüsse, Umweltauswirkungen und soziale Implikationen zu berücksichtigen.
Quelle: nrel.gov
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