پشت پرده پنل های خورشیدی؛ بررسی اثرات زیست محیطی مثبت و منفی

به گزارش هفت صبح اصلی‌ترین استدلال علیه پنل‌های خورشیدی این است که استخراج، ساخت و حمل‌ونقل آن‌ها در مقایسه با انرژی که در طول عمر خود ذخیره می‌کنند، به انرژی و تجهیزات فسیلی بیشتری نیاز دارد. استدلال دیگر این است که مواد شیمیایی سمی مورد استفاده در فرآیند تولید، بیش از آنکه سودمند باشند، به محیط زیست آسیب می‌رسانند.

انرژی خورشیدی بی‌نقص نیست

در سوی دیگر، استدلال می‌شود که پنل‌های خورشیدی انرژی پاکی بسیار بیشتر از انرژی مصرف‌شده برای ساخت خود تولید می‌کنند و شرکت‌های برتر جهان در زمینه مدیریت مصرف مواد شیمیایی، پیشرو و الگو هستند.

در این مطلب، اثرات زیست‌محیطی مثبت و منفی پنل‌های خورشیدی و آنچه در آینده در انتظار صنعت انرژی خورشیدی است را بررسی خواهیم کرد.

اثرات زیست‌محیطی منفی پنل‌های خورشیدی

بیایید با بیان یک واقعیت واضح شروع کنیم؛ انرژی خورشیدی بی‌نقص نیست. مانند هر چیز دیگری در زندگی، این فناوری نیز مزایا و معایب خود را دارد؛ به‌ویژه وقتی درباره موضوع بزرگی مانند تأمین انرژی برای ۷ میلیارد نفر به روشی پایدار و اقتصادی صحبت می‌کنیم.

انرژی خورشیدی بدون اشکال نیست. بیایید این موارد را بررسی کنیم:

۱. تقاضای انرژی بالا برای تولید: تولید پنل‌های خورشیدی در ابتدا به انرژی قابل‌توجهی نیاز دارد. استخراج معادن، ساخت و حمل‌ونقل همگی انرژی زیادی مصرف می‌کنند. سنگ کوارتز باید فرآوری و پاک‌سازی شود و سپس با سایر قطعاتی که ممکن است از کارخانه‌های مختلف بیایند (مانند آلومینیوم، مس و غیره) ترکیب شود تا یک ماژول خورشیدی واحد ساخته شود. حرارت دادن به کوارتز در مرحله فرآوری به دمای بسیار بالایی نیاز دارد. فرآیند ساخت نیز مستلزم ترکیب چندین ماده با دقت فوق‌العاده بالا برای تولید پنل‌هایی با کارایی بالا است که همگی انرژی اولیه زیادی می‌طلبند. در مقابل، سوخت‌های سنتی مانند گاز یا زغال‌سنگ استخراج، تصفیه و در مقیاس‌های بسیار بزرگ و معمولاً در یک مکان واحد سوزانده می‌شوند.

۲. مواد شیمیایی: فرآوری نیمه‌هادی‌ها برای تولید سیلیکونِ مناسبِ گرید خورشیدی، معمولاً با استفاده از مواد شیمیایی خطرناک همراه است. بسته به شرکت سازنده پنل خورشیدی و کشور مبدأ، این مواد شیمیایی ممکن است به درستی دفع شوند یا نشوند. مانند هر صنعت دیگری، شرکت‌هایی وجود دارند که الگو هستند و شرکت‌های دیگری نیز برای کاهش هزینه‌ها میان‌بر می‌زنند. همه شرکت‌ها مواد شیمیایی را در طبیعت رها نمی‌کنند یا فرآورده‌های جانبی خود را بدون بازیافت دور نمی‌ریزند، اما همواره موارد تخلف دیده می‌شود.

۳. بازیافت: وقتی پنل‌های خورشیدی خراب یا از رده خارج می‌شوند چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ اگرچه بازیافت پنل‌های خورشیدی هنوز به یک بحران بزرگ تبدیل نشده است، اما در دهه‌های آینده با نیاز به تعویض پنل‌ها، این مسئله جدی‌تر خواهد شد. در حال حاضر، ماژول‌های خورشیدی را می‌توان همراه با سایر پسماندهای الکترونیکی استاندارد (E-waste) دفع کرد. کشورهایی که سیستم‌های قوی برای دفع پسماندهای الکترونیکی ندارند، بیشتر در معرض خطرات ناشی از بازیافت نامناسب قرار دارند.

این‌ها دغدغه‌های اصلی زیست‌محیطی پیرامون صنعت فتوولتائیک (PV) هستند. این نگرانی‌ها قطعاً نیاز به بررسی بیشتر دارند، اما بر اساس آمار و ارقام، ممکن است تا حدودی بزرگ‌نمایی شده باشند.

مواد شیمیایی، بازیافت و دفع پنل‌های خورشیدی

بازیافت و دفع پنل‌های خورشیدی از حوزه‌های نگران‌کننده است، اما راهکارهایی برای حل این مشکل در افق پیش‌رو دیده می‌شود.

این مسئله آن‌طور که به نظر می‌رسد گسترده یا سمی نیست. ویفرهای سیلیکونی در ماژول‌های استاندارد خورشیدی معمولاً توسط ماده‌ای به نام اتیلن وینیل استات (EVA) کپسوله‌سازی و پوشانده می‌شوند که از ویفر سیلیکونی محافظت می‌کند. اگر ماژول‌ها به درستی دفع نشوند و در شرایط آزمایشگاهی خاصی قرار گیرند، احتمال نشت برخی مواد وجود دارد؛ اما در شرایط کارکرد عادی، این مواد هرگز آزاد نخواهند شد.

انرژی خورشیدی در کاهش انتشار کربن بسیار مؤثر است. مانند تمام فناوری‌ها، پسماندها یا فرآورده‌های جانبی ناخواسته موضوعی هستند که باید مدیریت شوند.

یک پاسخ واضح، بازیافت پنل‌های خورشیدی و فروش عناصر پایه آن‌هاست. این ایده در تئوری عالی است، اما این مسیر هنوز اقتصادی و مقیاس‌پذیر نشده است.

مسیرهای پیش‌رو

کارخانه‌های بازیافت پنل‌های خورشیدی در مقیاس بزرگ وجود دارند، اما تعداد آن‌ها به اندازه‌ای که نیاز است، زیاد نیست. این تأخیر در صنایع و فناوری‌های نوظهور طبیعی است. بازیافت‌کنندگان خودرو نیز یک روز پس از خروج اولین خودروی مدل تی (Model T) از خط تولید ظاهر نشدند. ایستگاه‌های بازیافت بطری هم پیش از اختراع بطری‌ها آماده نبودند. بازیافت‌کنندگان پسماندهای الکترونیکی نیز تازه در دهه‌های اخیر و سال‌ها پس از انفجار مصرف لوازم الکترونیکی رایج شده‌اند.

توسعه صنایع ثانویه پیرامون صنایع اولیه زمان‌بر است.

یک راهکار جایگزین یا مکمل برای بهبود جنبه‌های اقتصادی بازیافت، وضع هزینه بر تولیدکنندگان پنل‌های خورشیدی برای تسهیل فرآیند بازیافت یا ملزم کردن آن‌ها به اجرای برنامه‌های بازیافت است. اجرای کامل و بی‌نقص هر دو گزینه زمان‌بر خواهد بود.

با از رده خارج شدن پنل‌های خورشیدی بیشتر، توجیه اقتصادی بازیافت آن‌ها بهبود می‌یابد؛ چرا که حجم بالا در هر صنعتی، جادوی «اقتصاد مقیاس» (کاهش هزینه با افزایش تولید) را فعال می‌کند.

یک راه حل ساده برای مواد شیمیایی مورد استفاده در پنل‌های خورشیدی، یافتن روش‌های جایگزین برای ساخت ماژول‌ها است. این راهکار در حال حاضر در دست اقدام است، هرچند پیش‌بینی زمان تجاری‌سازی آن دشوار است.

اگرچه در تولید پنل‌های خورشیدی از مواد شیمیایی استفاده می‌شود، اما مقایسه آن با سوخت‌های سنتی می‌تواند دیدگاه بهتری به ما بدهد. تولید هر نوع انرژی در مقیاس انبوه، نیازمند استفاده از مواد شیمیایی در زنجیره تأمین است.

زغال‌سنگ پس از استخراج باید به طور شیمیایی شسته و فرآوری شود. گاز طبیعی حاصل از روش شکست هیدرولیکی (Fracking) باید با استفاده از مخلوط‌های شیمیایی استخراج شود. هر دو سوخت زغال‌سنگ و گاز برای تولید برق سوزانده می‌شوند. انرژی هسته‌ای نیز خود مستلزم کار با مواد شدیداً رادیواکتیو است.

هیچ منبع سوختی بی‌نقص نیست و هر کدام مزایا و معایب زیست‌محیطی خود را دارند؛ اما برخی از آن‌ها بسیار بهتر از بقیه هستند.

اثرات زیست‌محیطی تولید پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی چگونه ساخته می‌شوند و فرآیند تولید آن‌ها چه تأثیری بر محیط زیست دارد؟

پنل‌های خورشیدی قطعات کمی دارند: یک قاب (فریم)، سلول‌ها، صفحه پشتی (Backsheet)، فیلم محافظ، رساناها و یک پوشش شیشه‌ای مقاوم‌سازی‌شده (سکوریت). قاب از جنس آلومینیوم، سلول‌ها از سیلیکون، رساناها از مس و صفحه پشتی و فیلم محافظ معمولاً از مواد پلیمری یا پایه پلاستیکی ساخته می‌شوند.

برای ساخت پنل‌های خورشیدی، مواد اولیه باید استخراج شوند که عمدتاً سنگ کوارتز است و به سیلیکون فرآوری می‌شود. آلومینیوم، مس یا نقره نیز از دیگر مواد کلیدی هستند که باید استخراج شوند یا از منابع بازیافتی به دست آیند؛ هرچند به دلیل گسترش سریع صنعت فتوولتائیک در ۱۰ سال گذشته، بیشتر آن‌ها از معادن استخراج می‌شوند.

پس از استخراج مواد خام، کوارتز به سیلیکونِ گرید الکترونیکی تبدیل می‌شود. این فرآیند شامل حرارت دادن به کوارتز در کوره دمای بالا و واکنش دادن آن با مواد شیمیایی مختلف است.

سایر مراحل تولید شامل شکل‌دهی قاب آلومینیومی اکسترود شده و نورد شیشه سکوریت است. به طور کلی، تولید هر چیزی به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد.

فرآیند تولید پنل‌های خورشیدی به انرژی زیادی نیاز دارد، اما کل آلایندگی آن در همان مراحل اولیه متمرکز است. پس از نصب، پنل‌های خورشیدی برای بیش از ۲۵ سال انرژی بدون آلایندگی تولید می‌کنند.

بنابراین، بررسی فرآیند ساخت بدون در نظر گرفتن انرژی تولید شده در طول عمر پنل و مقایسه آن با سایر منابع سوختی، ناقص خواهد بود. پاسخ به دو سؤال کلیدی این دیدگاه کامل را به ما می‌دهد:

۱. آیا انرژی پاک تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی، اثرات منفی مراحل استخراج و تولید آن‌ها را جبران می‌کند؟

۲. شدت آلایندگی انرژی خورشیدی در مقایسه با منابع سنتی تولید برق مانند زغال‌سنگ چگونه است؟

شدت انتشار کربن در پنل‌های خورشیدی و سایر سوخت‌ها

«شدت انتشار کربن» (Emission Intensity)، میزان کل کربن منتشر شده در طول چرخه عمر به ازای هر واحد انرژی تولید شده است. این مقدار با واحد گرم دی‌اکسید کربن معادل بر کیلووات ساعت (gCO2e/kWhgCO_2e/kWhgCO2​e/kWh) نشان داده می‌شود. هرچه شدت انتشار کمتر باشد، تأثیر زیست‌محیطی آن بهتر است، زیرا دی‌اکسید کربن کمتری برای تولید همان مقدار انرژی منتشر می‌شود.

کل کربن منتشر شده از انرژی خورشیدی در طول عمر آن

برای ترسیم تصویری شفاف از ردپای کربن انرژی خورشیدی، صدها مطالعه ارزیابی چرخه عمر (LCA) در چند دهه گذشته روی مشخصات آلایندگی انرژی خورشیدی انجام شده است. این ارزیابی‌ها مراحل بالادستی، عملیاتی و پایین‌دستی تولید انرژی از منابع مختلف مانند فتوولتائیک خورشیدی، نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، باد، هسته‌ای، گاز طبیعی و زغال‌سنگ را شامل می‌شد.

در سال ۲۰۱۴، آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر وزارت انرژی ایالات متحده (NREL)، تعداد ۴۰۰ مورد از این مطالعات را بررسی و اختلافات آماری، داده‌های پرت و سایر عوامل متغیر را هماهنگ‌سازی کرد تا امکان مقایسه عادلانه فراهم شود.

نتایج نشان داد که پنل‌های خورشیدی حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد انرژی خود را در مراحل اولیه (تولید)، حدود ۲۵ درصد در طول دوره بهره‌برداری و حدود ۵ تا ۲۰ درصد را پس از پایان عمر مفید خود مصرف می‌کنند. از سوی دیگر، زغال‌سنگ حدود ۹۸ درصد از آلایندگی خود را در طول فرآیند بهره‌برداری (استخراج، حمل‌ونقل، احتراق و غیره) و تنها ۱ درصد را در مراحل بالادستی و پایین‌دستی ایجاد می‌کند.

پنل‌های خورشیدی امروزی تقریباً ۵۰٪ کارآمدتر از زمان انجام این مطالعه هستند.

همان‌طور که انتظار می‌رود، روش‌های تولید انرژی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی در هر کیلووات ساعت، دی‌اکسید کربن بیشتری نسبت به منابع تجدیدپذیر تولید می‌کنند؛ اما آنچه ممکن است غیرمنتظره باشد، فاصله بسیار زیاد بین این دو نوع سوخت است.

• شدت انتشار کربن در طول چرخه عمر فتوولتائیک خورشیدی (Solar PV) تقریباً 40 gCO2/kWh40\ gCO_2/kWh40 gCO2​/kWh است.
• شدت انتشار کربن در طول چرخه عمر زغال‌سنگ تقریباً 1,000 gCO2/kWh1,000\ gCO_2/kWh1,000 gCO2​/kWh است.

به عبارت دیگر، زغال‌سنگ برای تولید همان میزان انرژی، ۲۵ برابر دی‌اکسید کربن بیشتری نسبت به انرژی خورشیدی تولید می‌کند.

تفاوت‌های بازدهی در شدت انتشار

یک نکته مهم به نفع انرژی‌های تجدیدپذیر این است که در بررسی هماهنگ‌شده NREL، راندمان پنل‌های خورشیدی سیلیکونی بین ۱۳.۲ تا ۱۴ درصد در نظر گرفته شده بود. این ارقام در سال‌های منتهی به ۲۰۱۴ دقیق بودند، اما امروزه ماژول‌های خورشیدی پلی‌کریستال به راحتی به راندمان بالای ۱۹.۵ درصد دست می‌یابند.

از آنجا که پنل‌های امروزی نزدیک به ۵۰ درصد کارآمدتر هستند، با همان هزینه انرژی اولیه تولید، کیلووات ساعت‌های بیشتری از انرژی پاک تولید می‌کنند که این امر شدت انتشار کربن فتوولتائیک را باز هم کاهش می‌دهد.

حتی بدترین تخمین‌ها برای فتوولتائیک خورشیدی هنوز ۳ برابر بهتر از بهترین تخمین‌ها برای زغال‌سنگ است. مقادیر میانه و هماهنگ‌شده، تصویر دقیق‌تری از شدت آلایندگی انواع سوخت ارائه می‌دهند.

میزان شدت تابش خورشیدی فرض‌شده در این مطالعه معادل 1700 kWh/m21700\ kWh/m^21700 kWh/m2 بوده که تقریباً برابر با سطح تابش در مناطقی مانند آلبرتا و ساسکاچوان کانادا است. این شاخص در ارزیابی اثرات زیست‌محیطی برق خورشیدی بسیار حائز اهمیت است. مطالعات دیگر از جمله تحقیقات مرکز تحقیقات زیست‌محیطی آزمایشگاه ملی بروک‌هاون نیز این نتایج را تأیید می‌کنند.

دوره بازگشت انرژی در پنل‌های خورشیدی

اگر پنل‌های خورشیدی بیش از انرژی تولیدی در طول عمر خود انرژی مصرف می‌کردند، این فناوری اساساً ناقص و ناکارآمد بود.

مردم اغلب به نرخ بازگشت سرمایه (ROI) یا دوره بازگشت مالی نگاه می‌کنند تا ارزش یک سرمایه‌گذاری را بسنجند؛ یعنی چقدر طول می‌کشد تا پول اولیه من بازگردد؟ دوره بازگشت ۲۵ ساله جذاب نیست، اما یک دوره بازگشت ۳ ساله توجه هر سرمایه‌گذاری را جلب می‌کند.

همین سوال را می‌توان برای تولید انرژی و ارزیابی اثر زیست‌محیطی پنل‌های خورشیدی مطرح کرد: چقدر طول می‌کشد تا یک سیستم خورشیدی انرژی کافی برای جبران انرژی مصرف‌شده در ساخت خود را تولید کند؟

دوره بازگشت انرژی برای سیستم خورشیدی به موقعیت جغرافیایی شما بستگی دارد، زیرا شرایط جوی بر میزان تولید برق خورشیدی تأثیر می‌گذارد. پنلی که در صحرای بزرگ آفریقا نصب شده، نسبت به همان پنل در بالای مدار قطب شمال، انرژی بیشتری تولید می‌کند و بسیار سریع‌تر به بازگشت انرژی می‌رسد.

در این زمینه نیز NREL داده‌های ارزشمندی ارائه می‌دهد که شامل فرآیند ساخت ماژول، قاب و سایر تجهیزات جانبی سیستم است.

طبق این داده‌ها، پنل‌های خورشیدی مولتی‌کریستال دوره بازگشت انرژی معادل تنها ۲ سال دارند. با توجه به اینکه راندمان پنل‌های امروزی ۴۰ تا ۵۰ درصد بیشتر از راندمان ۱۴ درصدی فرض‌شده در آن زمان است، می‌توان نتیجه گرفت که دوره بازگشت انرژی واقعی پنل‌های خورشیدی امروزی بین ۱ تا ۲ سال است.

اگر به شما سرمایه‌گذاری با دوره بازگشت ۲ ساله پیشنهاد شود، آیا آن را قبول نمی‌کنید؟

اثرات زیست‌محیطی بر اساس نوع منبع سوخت جایگزین شده

مزایای زیست‌محیطی انرژی خورشیدی بسته به اینکه جایگزین چه نوع انرژی در شبکه برق می‌شود نیز متفاوت است.

تولید برق خورشیدی به جای استفاده از شبکه برق مبتنی بر زغال‌سنگ، مزایای زیست‌محیطی بسیار بیشتری نسبت به زمانی دارد که پنل‌های خورشیدی را برای جایگزینی برق شبکه حاصل از نیروگاه‌های برق‌آبی یا بادی نصب می‌کنید (هرچند دلایل دیگری مانند کاهش فشار روی شبکه و کاهش هزینه بلندمدت برق نیز برای نصب پنل وجود دارد).

به عنوان مثال در کانادا، استان‌هایی مانند نوا اسکوشیا، ساسکاچوان و آلبرتا بیشترین بهره را از انرژی خورشیدی می‌برند، زیرا برق این مناطق عمدتاً از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود. در مقابل، استان کبک به دلیل بهره‌مندی از یک شبکه برق تقریباً بدون آلایندگی (عمدتاً برق‌آبی)، کمترین سود زیست‌محیطی مستقیم را از توسعه انرژی خورشیدی خواهد داشت.

نتیجه‌گیری

انرژی خورشیدی بی‌نقص نیست، اما در مجموع اثرات زیست‌محیطی و مالی مثبت و قابل‌توجهی به همراه دارد.

بله، مقادیر زیادی انرژی برای استخراج و ساخت پنل‌های خورشیدی نیاز است و بله، از مواد شیمیایی در فرآیند تولید استفاده می‌شود. اما طبق داده‌های علمی، این دو واقعیت غیرقابل‌انکار به معنای منفی بودن اثرات کلی پنل‌های خورشیدی نیست.

انرژی مورد نیاز برای ساخت یک پنل خورشیدی در کمتر از ۲ سال جبران می‌شود. حتی با احتساب مراحل ساخت و فرآوری، آلایندگی حاصل از تولید برق خورشیدی ۳ تا ۲۵ برابر کمتر از تولید همان مقدار انرژی از سوخت‌های فسیلی است. کاهش چشمگیر انتشار آلاینده‌ها به ویژه در مقایسه با زغال‌سنگ، فناوری خورشیدی را به گزینه‌ای بسیار سودمند و حیاتی برای آینده زمین تبدیل کرده است