Об энергетической окупаемости фотовольтаики

Есть мнение, что для производства солнечных панелей (фотовольтаики) требуется больше энергии, чем они потом выработают за свой срок службы. Я решил проверить это мнение расчётами, а заодно и поделиться расчётами с аудиторией Афтершока.

Если вкратце, то фотовольтаика вполне может окупаться энергетически. По моему мнению, фотовольтаика (солнечные панели) имеет перспективы.

В записи рассмотрен вариант солнечных панелей на монокристаллическом кремнии, а так существует множество других вариантов или технологий.

Сначала, как делают панели сейчас.
1. Берётся обычный песок, смешивается с углём, графитом или древесным углём, нагревается электричеством до 1900 градусов и выше, и получается металлургический кремний. Такой кремний загрязнён примесями и не годится для солнечных панелей. Его используют для производства, например, сталей и сплавов.
2. Металлургический кремний обрабатывают при нагреве смесью хлора и водорода, чтобы получить летучие соединения кремния, обычно это трихлорсилан SiHCl₃. Полученное вещество легко очистить с помощью дистилляции.
3. Трихлорсилан разлагается при нагреве с образованием поликристаллического кремния (поликремния). Из такого кремния уже можно делать солнечные панели, но их эффективность ниже, чем у панелей из монокристаллического кремния.
4. Поликристаллический кремний переплавляется с получением монокристаллического кремния. Это один большой кристалл кремния с очень малым количеством примесей.
5. Далее кристалл кремния разрезается на пластины толщиной порядка 0,5 мм. Из этих пластин делают солнечные ячейки путём легирования бором и фосфором.
6. Из полученных ячеек собирается солнечная панель.

Основные энергозатраты происходят на этапах 1..4.
Этап 1 требует порядка 1 кг угля и 12 кВт·ч электроэнергии для производства 1 кг кремния. В сумме это порядка 20 кВт·ч на кг кремния.
Этапы 2 и 3 необходимы для очистки кремния от примесей, это так называемый Siemens process. Это требует 90..200 кВт·ч на кг кремния. Для других способов очистки указывается значение 20 кВт·ч на кг кремния, но эти способы не распространены.
Цифры есть здесь: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02100
Этап 4 требует нагрев до 1414 градусов - это 0,277 кВт·ч на кг, и плавление - это 0,498 кВт·ч на кг. В сумме 0,775 кВт·ч/кг. С учётом потерь будет примерно 1,55 кВт·ч/кг.
Итого 220 кВт·ч на кг кристалла кремния. Справочные данные отсюда: https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

Кристалл нужно порезать на пластины. Пусть теряется половина кремния. То есть, для кг кремния в солнечной панели будет нужно 440 кВт·ч.

Для ватта установленной мощности нужно 7,5 грамма кремния, данные отсюда: https://en.wikipedia.org/wiki/Polycrystalline_silicon. То есть, киловатт потребует 7,5 кг кремния. Это данные для поликристаллического кремния, для монокристаллического число будет, видимо, меньше, для тонкоплёночных панелей ещё меньше.

Получается, что 1 кВт установленной мощности фотовольтаики требует 3300 кВт·ч энергии. За какое время он окупит себя?
КИУМ (коэффициент использования установленной мощности) для солнечных панелей находится в пределах 0,1..0,25.
0,1 - это где-нибудь на севере Германии; 0,2 - где-нибудь в Аризоне.
Возьмём значение КИУМ 0,15. Тогда 1 кВт установленной мощности будет давать 1*0,15*24*365 = 1314 кВт·ч в год. Срок энергетической окупаемости 3300/1314 = 2,5 года.
По другим данным (видел в блоге SkySheep для Флориды) 1 кВт выдаёт примерно 1000 кВт·ч в год, тогда срок окупаемости будет 3,3 года.

По-моему, не очень плохо. Перспективы у солнечных панелек есть.

P.S. Прочие расходы не учитывал, так как считал теоретическую "базу". Например, расходы на обслуживание - это уже практика, а не теория. Аккумуляторы и прочая обвязка - это зависит от потребностей потребителя, а они могут быть очень разные.