Hur minskar vi koldioxidpåverkan från en redan grön teknik?

Detta är frågan som NREL-forskarna Hope Wikoff, Samantha Reese och Matthew Reese tar upp i sin nya artikel i Joule , "Förkroppslig energi och kol från tillverkning av kadmiumtellurid och kiselsolceller."

I tidningen fokuserar teamet på de två dominerande utplacerade fotovoltaiska (PV) teknologierna:kisel (Si) och kadmiumtellurid (CdTe) PV. Dessa gröna tekniker hjälper till att minska koldioxidutsläppen och uppfylla globala avkarboniseringsmål – men deras tillverkningsprocesser kan i sig leda till utsläpp av växthusgaser.

"Gröna tekniker är fantastiska, men när vi arbetar med att skala upp dem till en otrolig storlek är det vettigt att ta en närmare titt för att se vad som kan göras för att minimera påverkan", säger Samantha Reese, senior ingenjör och analytiker på NREL:s strategiska energianalyscenter.

För att förstå den övergripande inverkan av dessa gröna tekniker på globala avkolningsmål tittade teamet bortom traditionella mätvärden som kostnad, prestanda och tillförlitlighet. De utvärderade "förkroppsligad" energi och kol - den sjunkna energin och koldioxidutsläppen som är involverade i tillverkningen av en PV-modul - såväl som energiåterbetalningstiden (den tid det tar ett PV-system att generera samma mängd energi som krävdes för att producera den ).

"De flesta framstegen har drivits av kostnad och effektivitet eftersom dessa mätvärden är lätta att utvärdera", säger Matthew Reese, en fysikforskare vid NREL. "Men om en del av vårt mål är att minska koldioxidutsläppen, så är det vettigt att titta på helheten. Det finns förvisso en fördel med att försöka driva effektivitetsvinster, men andra faktorer är också inflytelserika när det gäller insatser för att minska koldioxidutsläppen."

"En av de unika sakerna som gjordes i det här dokumentet är att tillverknings- och vetenskapsperspektiven sammanfördes," sa Samantha Reese. "Vi kombinerade livscykelanalys med materialvetenskap för att förklara utsläppsresultaten för varje teknik och för att undersöka effekterna av framtida framsteg. Vi vill använda dessa resultat för att identifiera områden där ytterligare forskning behövs."

Tillverkningsplatsen och tekniktypen har båda en stor inverkan på förkroppsligat kol och representerar två nyckelknappar som kan vridas för att påverka avkolningen. Genom att titta på dagens nätblandningar i länder som tillverkar solenergi, fann författarna att tillverkning med en renare energimix – jämfört med att använda en kolrik mix – kan minska utsläppen med en faktor två. Dessutom, även om Si PV för närvarande dominerar marknaden, ger tunnfilms PV-tekniker som CdTe och perovskites ytterligare en väg för att minska kolintensiteten med ytterligare en faktor två.

Denna insikt är viktig på grund av den begränsade koldioxidbudgeten som är tillgänglig för att stödja den förväntade omfattningen av PV-tillverkning under de kommande decennierna.

"Om vi ​​vill nå de koldioxidutsläppsmål som satts upp av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, kan så mycket som en sjättedel av den återstående koldioxidbudgeten användas för att tillverka solcellsmoduler," sa Matthew Reese. "Det är omfattningen av problemet – det är en enorm mängd tillverkning som måste göras för att ersätta de energikällor som används idag."

Författarnas förhoppning är att genom att illustrera omfattningen av problemet kommer deras papper att få folk att ta en ny titt på den potentiella användningen av tunnfilms PV-tekniker, såsom CdTe, och tillverkning med rena nätblandningar.

I slutändan är det av största vikt att påskynda införandet av energikällor med låga koldioxidutsläpp i elnätsmixen.

"En av de stora styrkorna med PV är att den har denna positiva återkopplingsslinga", säger Nancy Haegel, centerchef för NRELs Materials Science Center. "När vi städar upp nätet – delvis genom att lägga till mer PV till nätet - kommer PV-tillverkningen att bli renare, vilket i sin tur gör PV till en ännu bättre produkt."