Computing tools applied to the analysis of performance and sustainability of photovoltaic systems

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se centra en la evaluación del impacto ambiental de las diferentes tecnologías fotovoltaicas, con especial énfasis en los beneficios de la sustitución de los combustibles fósiles convencionales, con la producción de electricidad limpia a partir de los sistemas fotovoltaicos. Las emisiones de CO2 se destacan como la principal razón para el cambio climático. Estilo de vida humana (transporte, industria, etc) tiene que ser cambiado con el fin de seguir las directrices de la AIE. La energía sostenible tiene un papel importante para reducir el uso de combustibles fósiles como fuente de energía. Las economías en crecimiento dependen en gran medida de los combustibles fósiles y, por tanto, el cambio de su política energética son la clave para frenar el calentamiento global. El estudio sigue una metodología detallada basada en "Life Cycle Analysis" en combinación con enfoques técnicos para supervisar las instalaciones fotovoltaicas de trabajo y por lo tanto ofrece resultados cuantitativos en términos de emisiones evitadas y el potencial de mitigación del cambio climático de la energía fotovoltaica en diferentes contextos, que van desde la construcción de la integración de los sistemas conectados a la red de electrificación de los medios de vida rurales. La producción de electricidad es responsable de 32% del consumo mundial total de combustible fósil. Con el fin de mitigar el cambio climático, varios países ya han establecido protocolos orientados a la reducción de las emisiones de efecto invernadero de gases fluorados (protocolo de Kyoto) y promovió el aumento de la contribución de las energías renovables en el mix energético. Desarrollo de las energías renovables ha sido continua creciendo a pesar de la crisis económica en los últimos años. Tecnologías eólicas y fotovoltaicas sobresalen en progreso y se consideran como una futura fuente sostenible de electricidad fiable. Esta tesis es una contribución a la mejora del rendimiento y la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos que ofrece el uso de las herramientas informáticas y de varias metodologías que se han aplicado a diferentes estudios de casos, que van desde el seguimiento y la evaluación experimental de un sistema conectado rejilla fotovoltaica la electrificación de un medio de vida rural. Estandarizada Valoración del Ciclo de Vida (ACV) se aplica durante esta tesis para medir el impacto ambiental de un generador fotovoltaico conectado a la red 222kWp CdTe ubicado en la Universidad de Murcia. Se identificaron los beneficios ambientales de la construcción de la integración (en el techo de un estacionamiento). El monitoreo constante del sistema nos permitió obtener información real sobre su rendimiento. El período de recuperación de energía del sistema se encontró que era 2,06 años y 1,69 cuando se asume un escenario de reciclaje. Tener un factor de emisión de CO2 es de 6.33 y 5.38 gCO2/kWh gCO2/kWh respectivamente. LCA también se aplica para medir las emisiones evitadas de 1kWp de tres tecnologías fotovoltaicas: de película delgada (CdTe), tecnologías de polímeros c-silicio y orgánicos, modelando dieciséis combinaciones diferentes de ubicaciones geográficas en los módulos podrían ser fabricados y / o instalados, respectivamente. La óptima geográfica. combinación, la relación fabricante-installer, es decir, se propone una "asignación" geográfica que proporciona las emisiones de CO2 evitadas por mayor kWp de capacidad fotovoltaica instalada: África Brasil-Sudáfrica, Colombia y Sudáfrica. Brasil-Australia, Colombia, Australia, etc Por último, con el fin de decidir qué tecnología de energía puede suministrar electricidad a las zonas rurales aisladas de países en desarrollo, un software de decisión multicriterio existente (SUREDSS) que tiene en cuenta los impactos sobre el medio ambiente, financiero , los activos físicos y humanos, la naturaleza y ha sido empleado. El impacto ambiental global de la tecnología fotovoltaica esta en este programa, por lo tanto, la ampliación de la información suministrada a la toma de decisiones. El software se aplicó a un caso de estudio en Cuba, y los resultados mostraron que las tecnologías fotovoltaicas que se consideran son la mejor alternativa energética que maximice los beneficios en las cinco capitales o activos de la comunidad rural, siendo mejor solución que el generador diesel. Esta tesis doctoral se basa en la importancia de las tecnologías fotovoltaicas en nuestra sociedad como la solución para frenar el efecto invernadero. Proporciona una evaluación cuantitativa mediante la evaluación de sus impactos ambientales y las ventajas de sustituir el consumo de combustibles fósiles por electricidad limpia a partir del recurso solar. Los resultados se basan en estudios de casos reales y recogida de datos experimentales que nos permitió calcular el rendimiento de los sistemas y su potencial para la mitigación del cambio climático.

[ENG] This PhD dissertation focuses on the evaluation of the environmental impact of different photovoltaic technologies, with special focus on the benefits of replacing conventional fossil fuels with clean electricity production from photovoltaic systems. Emissions of CO2 are highlighted as the main reason of climate change. Human life style (transport, industry, etc.) has to be changed in order to follow the IEA directives. Sustainable energy has an important role to reduce the use of fossil fuels as energy source. Growing economies depend strongly on fossil fuels, and therefore, changing its energy policy are key to slow down global warming. The study follows a detailed methodology based on "Life Cycle Analysis" in combination with technical approaches to monitor working PV facilities and therefore provides quantitative results in term of avoided emissions and the potential for climate change mitigation of PV in different context, ranging from building integration of grid-connected systems to electrification of rural livelihoods. Electricity production is responsible for 32% of total global fossil fuel consumption. In order to mitigate climate change, several countries have already established protocols aimed at the reduction of green-house-gases emissions (Kyoto protocol) and promoted the increase of renewable energy contribution into the energy mix. Development of renewable energies has been continuously growing despite the economic crisis in recent years. Wind and photovoltaic technologies excel in progress and are considered as a reliable future sustainable source of electricity. This thesis is a contribution to the improvement of performance and long term sustainability of photovoltaic systems provided by the use of computing tools and several methodologies which have been applied to different case studies, ranging from the monitoring and experimental evaluation of a photovoltaic grid connected system to the electrification of a rural livelihood. Standardised Life Cycle Assessment (LCA) methodology is applied during this dissertation to measure the environmental impact of a 222kWp CdTe grid-connected photovoltaic generator located at University of Murcia. Environmental benefits of building integration (in the roof of a parking lot) were identified. Constant monitoring of the system allowed us to get real information about its performance. The Energy Pay Back Time of the system was found to be 2.06 years and 1.69 when a recycling scenario is assumed. Having a CO2 emission factor is 6.33 gCO2/kWh and 5.38 gCO2/kWh respectively. LCA is also applied to measure avoided emissions of 1kWp of three photovoltaic technologies: thin-film (CdTe), c-Silicon and Organic polymeric technologies, modelling sixteen different combinations of geographical locations where the modules could be manufactured and/or installed, respectively. The optimum geographical. combination, manufacturer-installer relationship, that is, a geographical “allocation” that provides the higher avoided CO2 emissions per kWp of installed PV capacity is proposed: Brazil-South Africa, Colombia-South Africa. Brazil-Australia, Colombia-Australia, etc. Finally, in order to decide which energy technology can supply electricity to isolated rural areas in developing countries, an existing multi-criteria decision software (SUREDSS) which takes into account the impacts on environmental, financial, human, nature and physical assets has been employed. The global environmental impact of photovoltaic technology was added to this software, therefore extending the information provided to the decision maker. The software was applied to a case study in Cuba, and the results showed that the considered photovoltaic technologies are the best energy alternative that maximizes the benefits on the five capitals or assets of the rural community, being better solution than diesel generator. This PhD dissertation draws on the importance of PV technologies in our society as solution to slow down the greenhouse gas effect. It provides quantitative assessment by evaluating its environmental impacts and the benefits of replacing fossil fuel consumption by clean electricity from the solar resource. The results are based in real case studies and collection of experimental data which allowed us to calculate the performance of the systems and its potential for climate change mitigation.