17-08-2021

Innovatieve PV-technologieën zoals perovskiet krijgen steeds meer aandacht vanwege hun veelbelovende technische prestaties en de mogelijkheid om te worden vervaardigd met goedkope materialen en technieken. Ze zijn echter afhankelijk van het behalen van technische, economische en ecologische duurzaamheidsdoelstellingen om de verkoopbaarheid te verbeteren. Om deze parameters te kwantificeren en te visualiseren spelen ETEA-analyses een belangrijke rol. In deze expert talk leidt Alessandro Martulli (EnergyVille/UHasselt) je door het wat, waarom en hoe van dergelijke ETEA-analyses.

Geschreven door Alessandro Martulli (EnergyVille/UHasselt). Alessandro Martulli is een doctoraatsstudent van EnergyVille en de onderzoeksgroep Milieu-economie bij het Centrum voor Milieuwetenschappen van de UHasselt (België). Hij werkt momenteel aan het EU Horizon 2020-project PERCISTAND. Zijn belangrijkste activiteiten omvatten het uitvoeren van techno-economische analyses van de ontwikkeling van perovskiet/CIS tandem PV-technologieën. Hij heeft een Bachelor in Management Engineering (Polytechnische Universiteit van Bari) en een Master in Energie- en Milieuwetenschappen (Rijksuniversiteit Groningen).


Het koolstofvrij maken van het energiesysteem is een van de doelstellingen van de Europese Unie (EU) om een broeikasgasemissiereductie (BKG) van 55% tegen 2030 te halen ten opzichte van het niveau van 1990 en volledige koolstofneutraliteit tegen 2050, zoals bepaald in de Green Deal. Een energiesector die grotendeels gebruikmaakt van hernieuwbare energiebronnen is essentieel om deze doelstellingen te bereiken. Zonne-energie kan een belangrijke bron zijn in een dergelijk energiesysteem vanwege de koolstofvrije elektriciteit die wordt opgewekt in de gebruiksfase van fotovoltaïsche (PV) technologieën.1

Solar energy crystaline solar panel

Sinds de jaren zeventig zijn PV-technologieën voortdurend geïnnoveerd om goedkopere, efficiëntere en duurzamere zonnecellen te ontwikkelen. De meeste PV-technologieën die momenteel op de markt beschikbaar zijn, omvatten de zogenaamde 1e generatie apparaten gemaakt van kristallijn silicium (c-Si). Hun succes is te danken aan de hoge stroomconversie-efficiëntie (PCE), de relatieve overvloed aan silicium, en standaard en geoptimaliseerde productie, wat leidt tot lage kosten voor elektriciteitsopwekking. Naast silicium-gebaseerde PV is een breed gamma aan alternatieve materialen onderzocht om PV-technologieën te ontwikkelen met een PCE van bijna 30%, geproduceerd tegen lage kosten, op flexibele substraten en met een verminderde impact op het milieu in vergelijking met technologieën van de eerste generatie. Hiervan krijgen perovskiet-zonnecellen (PSC's) grote aandacht vanwege hun unieke optische en elektronische eigenschappen, goedkoop materiaal en de gemakkelijke verwerkingstechnieken die kunnen worden gebruikt. Bovendien zijn onderzoekers erin geslaagd om de PCE van perovskiet-zonnecellen in de afgelopen tien jaar snel te verhogen, van minder dan 4% tot 25,5%, zoals weergegeven in figuur 1 dat de beste PCE's voorstelt die zijn bereikt door onderzoek naar PV-technologieën.2 Om die reden worden PSC's nu beschouwd als een van de meest veelbelovende technologieën voor de volgende generatie zonnecellen.

Research cell efficiency chart

Figuur 1: Efficiëntiegrafiek voor PV-onderzoekscellen

De succesvolle commercialisering van innovatieve PV-technologieën hangt af van de "gouden driehoek van zonnecellen" (Figuur 2), bestaande uit drie cruciale prestatie-indicatoren: efficiëntie, levensduur en kosten. Bijkomend zijn ook lage toxiciteit en produceerbaarheid bevorderlijk voor een eenvoudigere opschaling.3 Ondanks de opmerkelijke PCE-prestaties, vormen verschillende problemen met betrekking tot levensduur en schaalbaarheid een potentiële belemmering voor de marktuitrol van perovskiet-PV's. Hoewel de stabiliteit is toegenomen van enkele minuten tot enkele duizenden uren en er de afgelopen jaren apparaten met een groter oppervlak zijn ontwikkeld4, blijven de PSC-prestaties nog steeds achter bij traditionele technologieën zoals c-Si en CIGS (koper-gallium-indium-selenide). De duurzaamheid van PV-technologieën door het minimaliseren van de milieueffecten van materiaalgebruik en processen is een van de belangrijkste aandachtspunten voor commercialisering. Een van de kritieke problemen voor perovskiet-PV is de aanwezigheid van lood (Pb) en de gerelateerde effecten op het milieu en de menselijke gezondheid die voortvloeien uit het gebruik ervan in de perovskietoplossing.5

Solar Cell Performance Triangle

Figuur 2: Gouden driehoek  zonnecel inclusief kosten, efficiëntie en levensduur voor succesvolle commercialisering3

Gezien de heterogeniteit tussen verschillende perovskiet PV-configuraties en productietechnieken, is het essentieel om de technische, economische en ecologische opties te beoordelen om het commerciële potentieel in te schatten en kritische factoren in kaart te brengen om de technologie te optimaliseren. Een Environmental Techno-Economic Assessment (ETEA) is een krachtige methode om de economische en milieuprestaties van nieuwe technologieën zoals perovskiet PV op een geïntegreerde manier te analyseren. De ETEA integreert een levenscyclusanalyse (LCA) met een technisch-economische analyse (TEA) om financiële en ecologische sleutelindicatoren in data om te zetten. Het uitvoeren van afzonderlijke LCA en TEA maakt het meestal niet mogelijk om resultaten te vergelijken, omdat de grenzen van het systeem kunnen verschillen. In plaats daarvan is het verstandig om LCA en TEA samen te integreren omdat het meer inzichten kan opleveren dan een enkele beoordeling van milieu- en technisch-economische prestaties en zo helpt bij het sturen van het besluitvormingsproces van technologieontwikkeling. Op deze manier zijn de economische en milieubeoordelingen consistent en kunnen directe verbanden en compromissen in kaart worden gebracht.

ETEA Approach

Figuur 3: Belangrijkste stappen van de ETEA-aanpak: 1) Gegevensverzameling, 2) Definiëren van processtromen en massa- en energiebalans, 3) Economische en milieuanalyse, en 4) Onzekerheidsanalyse 6

De integratie van LCA en TEA wordt de laatste jaren steeds meer toegepast in de academische literatuur. 7,8 Concreet werd de ETEA-aanpak gezamenlijk ontwikkeld door de Universiteit van Hasselt, VITO en de Universiteit van Antwerpen om de financiële en ecologische duurzaamheid van opkomende technologieën te beoordelen.9,10 Zoals geïllustreerd in figuur 3, omvat dit kader een eerste fase waarin relevante gegevens verzameld worden om het te analyseren proces/product te modelleren. In de tweede stap worden het processtroomdiagram en de massa- en energiebalans gemodelleerd, inclusief de massa en energie-input/output voor het betreffende proces. In de derde stap wordt de economische haalbaarheid en milieu-impact beoordeeld waarbij de economische en milieuanalyse direct gekoppeld wordt aan de massa- en energiebalans uit de tweede stap. Deze koppeling maakt directe identificatie mogelijk van de parameters die van invloed zijn op de economische haalbaarheid en de milieuprestaties.

Het doel van de analyse is het berekenen van relevante indicatoren voor het onderzochte product/proces. Aangezien de resultaten onzeker kunnen zijn bij lage technologische ontwikkelingsstadia, wordt meestal een risicoanalyse uitgevoerd om de parameters te bepalen met de grootste impact op de variantie van de indicatoren. Een van de belangrijkste voordelen van deze methode is de compatibiliteit met het levenscyclusdenken, en daarom kunnen de economische en milieu-indicatoren worden berekend in verschillende levenscyclusfasen (bijv. productie- en/of gebruiksfase). Bovendien kan de impact van de end-of-life-fase en recyclingstrategieën worden meegenomen in de analyse, waardoor een meer holistische beoordeling van de belangrijkste indicatoren mogelijk wordt.

Thin Film PV

De ETEA-methodologie is geschikt om fotovoltaïsche technologieën te beoordelen gedurende hun hele levenscyclus. Voor innovatieve PV-technologieën maakt een ETEA-model het mogelijk om twee relevante economische indicatoren te schatten: de minimale duurzame prijs (MSP, bijv. de laagste prijswaarde voor een PV-fabrikant om financieel duurzaam te zijn) en de genivelleerde kosten van elektriciteit (LCOE, bijv. elektriciteit). De ecologische duurzaamheid wordt beoordeeld aan de hand van de terugverdientijd van energie (EPBT, bijv. de tijd die nodig is om dezelfde hoeveelheid energie op te wekken die nodig is om het systeem zelf te produceren) en de broeikasgasemissiefactor (GEF, bijv. per kWh opgewekte elektriciteit). In dit opzicht is het essentieel om alle mogelijkheden voor kosten- en milieu-impactreducties die deze technologieën gedurende hun hele levensduur bieden, te evalueren. Een daarvan is het potentieel van end-of-life-technieken om dure en impactvolle materialen en/of energie die in het productieproces worden gebruikt, terug te winnen. Bijgevolg kan het succesvolle herstel aan het einde van de levensduur de kosten voor de PV-fabrikant en de milieueffecten die worden veroorzaakt door het gebruik van materialen en energie verminderen, waardoor het bereiken van de duurzaamheidsdoelstellingen die vereist zijn voor een succesvolle commercialisering, vergemakkelijkt wordt. De ETEA-methode analyseert vervolgens de PV-technologie die in ontwikkeling is en geeft zo een nauwkeurige schatting van de economische en milieuprestaties gedurende de hele levenscyclus. De verkregen resultaten kunnen worden vergeleken met benchmarks, in het geval van fotovoltaïsche toepassingen, meestal de toonaangevende PV-technologieën die momenteel de markt domineren (bijv. c-Si en CIGS).

Uit een voorlopige Techno-Economic Environmental Assessment, uitgevoerd op een perovskiet PV applicatie op basis van koolstofelektroden, bleek bijvoorbeeld dat de minimale duurzame prijs en LCOE vergelijkbaar waren met die van c-Si- en CIGS-technologieën. Milieu-indicatoren, zoals terugverdientijd van energie en GEF, resulteerden ook in waarden die dicht in de buurt kwamen van de gerapporteerde waarden voor benchmark-PV's. Hoewel vergelijkbaar, zijn de prestaties van perovskiet-PV's nog niet superieur aan de conventionele technologieën, en dit komt omdat, zoals vaak, veelbelovende technologieën in de lage ontwikkelingsfase hogere kosten en milieu-impact vertonen. Door de ETEA-implementatie is het echter mogelijk om kansen te identificeren voor het verbeteren van de ecologische en technisch-economische duurzaamheid. Het maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de volledige levenscyclus van koolstofgebaseerde perovskiet-PV te bekijken en de impact van beschikbare recyclingprocessen op de economische en milieu-indicatoren te onderzoeken. Als zodanig benadrukken de voorlopige resultaten van de analyse het belang van recyclage aan het einde van de levensduur (exclusief transportgerelateerde kosten en milieu-impact), aangezien dit aanzienlijke kosten- en milieu-impactreducties mogelijk maakt met voldoende mate van materiaalterugwinning. In dit geval wordt aangenomen dat de fabrikant van perovskiet PV verantwoordelijk is voor het inzamelen van de afgedankte perovskiet PV-applicaties zodra deze het einde van hun levensduur hebben bereikt. Door dit proces kon de fabrikant materialen terugwinnen die vervolgens gebruikt kunnen worden in het productieproces van nieuwe perovskiet-applicaties.Als gevolg hiervan kunnen de kosten voor materiaalverwerving en de procesgerelateerde milieueffecten aanzienlijk  worden verminderd. Dit is dus een manier om de kosten en milieueffecten van de productie verder te verlagen en de commercialisering van perovskiet-PV te vergemakkelijken. Het is zelfs gebleken dat de succesvolle implementatie van recyclagetechnieken perovskiet-PV kan helpen de ecologische en economische kloof met de benchmark-PV-technologieën te verkleinen, aangezien prijs- en BKG-emissiegerelateerde indicatoren gematigde dalingen kunnen genereren voor een hoge mate van materiaalterugwinning.

Key takeaways

  • In de wereld van de opkomende PV-technologieën is de aandacht voor perovskiet-PV gegroeid vanwege hun veelbelovende technische prestaties en de mogelijkheid om te worden vervaardigd met goedkope materialen en technieken.
  • Innovatieve PV-technologieën zoals perovskiet zijn afhankelijk van het behalen van technische, economische en ecologische duurzaamheidsdoelstellingen om de verkoopbaarheid te verbeteren.
  • Gezien de verscheidenheid aan perovskiet-PV-configuraties, biedt de ETEA een geïntegreerde beoordelingsbenadering om de prestaties van een PV-technologie relatief in te schatten, deze te vergelijken door middel van benchmarking en mogelijkheden te identificeren voor een meer succesvolle commercialisering.
  • Neem contact op met EnergyVille als je een partner nodig hebt om de toekomstige duurzaamheid van de levenscyclus van opkomende PV-technologieën aan te tonen
Alessandro Martulli

Contact

Alessandro Martulli

PhD student at EnergyVille/UHasselt

Referenties

  1. Creutzig, F. et al. The underestimated potential of solar energy to mitigate climate change. Nature Energy (2017) doi:10.1038/nenergy.2017.140.
  2. NREL. Best Research-Cell Efficiency Chart. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2020).
  3. Meng, L., You, J. & Yang, Y. Addressing the stability issue of perovskite solar cells for commercial applications. Nature Communications (2018) doi:10.1038/s41467-018-07255-1.
  4. Wang, R. et al. A Review of Perovskites Solar Cell Stability. Advanced Functional Materials (2019) doi:10.1002/adfm.201808843.
  5. Li, H. & Zhang, W. Perovskite Tandem Solar Cells: From Fundamentals to Commercial Deployment. Chemical Reviews (2020) doi:10.1021/acs.chemrev.9b00780.
  6. Van Dael, M., Kuppens, T., Lizin, S. & Van Passel, S. Techno-economic Assessment Methodology for Ultrasonic Production of Biofuels. in (2015). doi:10.1007/978-94-017-9624-8_12.
  7. Suresh, P. et al. Life Cycle Greenhouse Gas Emissions and Costs of Production of Diesel and Jet Fuel from Municipal Solid Waste. Environ. Sci. Technol. (2018) doi:10.1021/acs.est.7b04277.
  8. Staples, M. D. et al. Lifecycle greenhouse gas footprint and minimum selling price of renewable diesel and jet fuel from fermentation and advanced fermentation production technologies. Energy Environ. Sci. (2014) doi:10.1039/c3ee43655a.
  9. Van Dael, M. et al. A techno-economic evaluation of a biomass energy conversion park. Appl. Energy (2013) doi:10.1016/j.apenergy.2012.11.071.
  10. Thomassen, G., Van Dael, M., Van Passel, S. & You, F. How to assess the potential of emerging green technologies? Towards a prospective environmental and techno-economic assessment framework. Green Chemistry (2019) doi:10.1039/c9gc02223f.