Greenhouse Gas Emission and Energy Production from a Ground-Mounted Solar Park

Abstract

I lys av klimaendringene er det behov for en rask omstilling og overgang fra fossile energikilder til fornybar energi som solenergi. I en verden hvor bærekraftig utvikling er essensielt, blir det viktig å adressere den totale klima- og miljøpåvirkningen av solparker. Miljøpåvirkningen knyttet til bakkemonterte solparker bestemmes hovedsakelig av dens lokasjon, naturverdier og arealbruk, samt solpanelene. Som et resultat av dette vil det være nødvendig å ta disse faktorene i betraktning ved utforming og installasjon av bærekraftige bakkemonterte solparker i fremtiden.

Hensikten med denne bacheloroppgaven er å finne optimal avstand mellom solpanelene i en solpark i forhold til klimagassutslipp og energiproduksjon. Det blir hovedsakelig sett på produksjon og utslipp fra seks ulike caser fordelt på tre ulike typer arealbruksendringer. Disse arealbruksendringene er lavbonitetsskog, høybonitetsskog og konstruert område som blir gjort om til et utbygd område for en bakkemontert solpark.

En LCA analyse ble gjennomført for å finne utslippene gjennom livsløpet til et solpanel. Det ble sett på globalt oppvarmingspotensial i forbindelse med produksjon, transport, montering og resirkulering av panelet. Utslippene i forbindelse med arealbruksendringer ble beregnet med utgangspunkt i et verktøy i Microsoft Office Excel utviklet av Miljødirektoratet. For å simulere energiproduksjonen ble solparken simulert i programmet PVsyst for de ulike casene med forskjellige type areal og avstander mellom panelene. For å finne optimalt design for solparken ble det regnet ut et forholdstall med resultater fra totalt klimagassutslipp og energiproduksjon for ulike case.

Resultatene fra LCA analysen viser at utslippet gjennom livsløpet til et panel er 582.61 kg CO2-ekv. Totalt sett stod produksjonen av panelene for den største andelen av klimagassutslippene. Årsaken til dette er at produksjonen består av flere energikrevende prosesser i Kina som er kjent for å benytte fossile energikilder. Beregningene av arealbruksendringene gav et totalt utslipp for 30 år på lavbonitetskog, høybonitetskog og konstruert område på henholdsvis 12 648.7 tonn CO2-ekv, 13 546.3 tonn CO2-ekv og 0 tonn CO2-ekv.

Simuleringene i PVsyst viser at konstruert område med en avstand på 8 meter mellom panelene gir høyest produksjon, hvor det totalt blir det sendt 34 050 MWh årlig til strømnettet. Årsaken til dette er at denne simuleringen har høyest albedoverdier og flere paneler installert i solparken, til tross for høyt skyggetap. For alle simuleringene er det også tydelig at tosidige solpaneler øker energiproduksjonen ettersom de kan samle inn solinnstråling fra begge sider. I tillegg viser resultatene at lave temperaturer i vintermånedene gir redusert tap i systemet for denne perioden og økte ytelsen til PV systemet.

Forholdstallet mellom utslipp og produksjon er best for casen med avstand 15 meter og konstruert område, med en verdi på 35.3034 kg CO2-eq/MWh. For arealtypen lavbonitet- og høybonitet skog gir en avstand på 9 meter det laveste forholdstallet på henholdsvis 52.1935 kg CO2-eq/MWh og 53.2148 kg CO2-eq/MWh. Den minst klimavennlige casen er ved høybonitetsskog hvor det er 15 meters avstand mellom panelene. Dette indikerer at det vil være mest miljøvennlig å installere fremtidens solparker på konstruert mark eller allerede utbygde områder med tanke på klimagassutslipp og energiproduksjon.

In light of climate change, there is a need for a transition from fossil energy sources to renewable energy such as solar energy. In a world where sustainable development is essential, it becomes more important to address the total climate and environmental impacts of solar energy. The environmental consequences related to ground-mounted solar parks are mainly determined by their location, natural values and land-use, as well as the solar panels. As a result, it will be necessary to take these factors into consideration when designing and installing sustainable ground-mounted solar parks in the future.

The purpose of this bachelor thesis is to find the optimal distance between the solar panels in a solar park with regard to greenhouse gas emissions and energy production. The main focus is on six different cases with a pitch of 8 and 15 meters for three different types of land-use changes. The land-use changes are low site productivity forest, high site productivity forest and constructed area that are turned into an area for a ground-mounted solar park.

An LCA was conducted in order to estimate the greenhouse gas emission from the life cycle of the solar panels. The global warming potential was calculated for the production, transport, mounting and recycling of the PV panel. The carbon footprint from land-use change was determined based on a tool in Microsoft Office Excel from the Norwegian Environment Agency. To simulate the energy production, the solar park was simulated in PVsyst software for the various cases with different area types and pitches. In order to find the optimal design for the solar park, a ratio was calculated with results from total greenhouse gas emissions and energy production for the different cases.

The results from the LCA analysis indicate that the total greenhouse gas emission during the life cycle for one panel is 582.61 kg CO2-eq. The production phase of the panels accounted for the largest share of emissions. This is because the production phase consists of several energy-intensive processes in China where fossil energy sources are commonly used. The total emissions for land-use change over 30 years were 12 648.7 ton CO2-eq, 13 546.3 ton CO2-eq, and 0 ton CO2-eq for low site productivity forest, high site productivity forest and constructed area respectively.

The simulation results in PVsyst indicate that the solar park installed on constructed area with a pitch of 8 meters injects most energy to the grid, with a yearly contribution of 34 050 MWh. This is because this case has the highest albedo values and more panels that can produce energy, despite more shading loss. From all the simulations, it was evident that bifacial PV panels increased the energy production as they can collect solar irradiance from both sides. In addition, lower temperatures during the winter reduced losses in the system and increased the performance of the PV system.

When looking at the ratio between emissions and production for the six cases, the best case is constructed area with a pitch of 15 meters. This case had the lowest ratio of 35.3034 kg CO2-eq/MWh. For the area types of low site productivity and high site productivity forest, a distance of 9 meters gives the lowest ratio of 52.1935 kg CO2-eq/MWh and 53.2148 kg CO2-eq/MWh respectively. The worst case is for high site productivity forest with a pitch of 15 meters. From an environmental and sustainable perspective, this indicates that it is preferable to install future solar parks in constructed or already developed areas to reduce greenhouse gas emissions.