J.Tek.Ling
Vol .7
No. 2
Hal. 190-197
Jakarta, Mei. 2006
ISSN 1441 – 318X
DAMPAK LINGKUNGAN PENAMBANGAN SILIKON PROSES PEMURNIAN, PABRIKASI SEL/MODUL, PEMBANGKITAN DAN DEKOMESIONING SISTEM FOTOVOLTAIK Abubakar Lubis Peneliti di Pusat Teknologi Konversi dan Konservasi Energi Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract The most important part is manufacturing since PV modules are produced under very height energy consumption characteristic. Photovoltaic energy production is suppose to be an environmentally friendly energy system with no emissions and no waste production, clean and noiseless but ins important to ensure that manufacturing is not going to be more harmful for the environment than operation advantages. Then it is very important to know if the product is going to be economically and environmentally viable for the overall life cycle. For the manufacturing processes environmental impact, three different studies have been carried out: Energy Analysis, Energy Related Emissions Analysis and Material flow analysis.Operation. Advocates of renewable solar system argue that during operation the environmental impact of this technology is minimal in comparison with other form of renewable energies. Decommissioning. At the
end of the lifetime of the modules, they must be dispose in a sensitive way. At the moment there are no many option for recycle the silicon wafer. Aluminum frames can be recycled separately in the same way as this material normally is, glass could be recycle if technologies would exist to separates the glass from the adherent EVA and other module components. Key words. : environmental impact, Photovoltaic energy Decommissioning.
1. PENDAHULUAN Kajian dampak lingkungan mulai dari proses pemurnian silicon, pabrikasi sel/modul fotovoltaik (MF), operasi/ pembangkitan/aplikasi/ pemanfaatan dan dekomisioning telah banyak dilakukan [1,2,3]. antara lain Makalah ini dilaksanakan di tiga lokasi yaitu dI Skodlandia, Italia dan Phoenix yang kondisi iklimnya
190
(radiasi dan kapasitas MF) berbedabeda. Kemudian bagian yang sangat penting lainnya adalah menghasilkan energi yang ramah lingkungan, tanpa emisi tidak menghasilkan limbah, bersih dan tidak menimbulkan suara/bising. Tujuan akhir hasil produksi harus ekonomis dan ramah lingkungan pada setiap keseluruhan proses.
Lubis, A., 2006:
2. DAMPAK LINGKUNGAN Proses pabrikasi dilaksanakan dalam tiga tahap yaitu kajian mengenai: analisis energi, energi yang berkaitan dengan emisi dan aliran material, meliputi potensi sumber alam dan emisi bukan energi seperti zat kimia dan material lainnya
Analisis energi dilaksanakan di tiga lokasi yaitu Skodlandia, Italia dan Phoenix yang kondisi iklimnya (radiasi dan kapasitas MF) berbeda-beda sehingga dapat digunakan kasus untuk perbandingan. 1.
seebagai
Skodlandia 210 MF dengan asumsi 2 luas 210 m Italia 66 MF dengan asumsi luas 66 m2 Phoenix 120 MF dengan luas area 2 120 m
Pabrikasi MF seperti kita ketahui yang utama mempunyai karakteristik membutuhan energi yang tinggi dalam [4] proses pemurnian dan pabrikasi
2.
Kajian dampak lingkungan MF mencakup proses pabrikasi, pengoperasian dan dekomisioning, terutama ditinjau dari kebutuhan energi mulai dari pertambangan, proses pemurnian, transportasi bahan bakar, pabrikasi, pengoperasian dan komisioning. Keseluruhan proses tersebut terlihat dalam Gambar 2.
Sebagai catatan, 1 m2 = 120Wp meliputi kebutuhan energi dalam proses pemurnian, pabrikasi, pengoperasian dan pengembalian energi. Untuk itu dilakukan asumsi sebagai berikut:
2.1. Abrasi
b.
a. Analisis Energi Analisa energi memuat perhitungan biaya dan jumlah kebutuhan energi dalam proses pabrikasi dengan hasil produksi apakah ekonomis. Analisis ini mempunyai konsep sebagai berikut: • •
Jumlah total energi primer (JTE) dalam suatu produk Kebutuhan Energi untuk suatu Proses (KEP), yang spesifik dalam pabrikasi. Kebutuhan energi dalam proses ini dapat dibagi dalam dua bagian yaitu energi langsung meliputi listrik dan energi bahan bakar yang dipakai selama proses dan energi tidak langsung yaitu, energi yang dipakai di luar proses seperti lampu penerangan, pemanas dan ventilasi
3.
a.
Asumsi umum yaitu asumsi mendapatkan kebutuhan dalam pabrikasi MF seperti Tabel 1. Asumsi kebutuhan energi pabrikasi MF
untuk energi dalam dalam
Konsumsi energi untuk pabrikasi MF mono/polikristal dari proses pemurnian sampai pabrikasi MF tanpa bingkai (frame) di asumsikan sama sebesar 969 2 kWh/m seperti terlihat pada Tabel 2, kajian yang lebih rinci [2] Konsumsi energi untuk;2 § Polikristal antara 408,366 – 1127,84 2 kWh/m . • Monokristal antara 583,38 – 1351,497 2 kWh/m = 1,9446 kwh/wp dan 2 • Thin film 116,678 kWh/m ) seperti terlihat dalam lampiran Tabel-1 dan 2 Dari kedua asumsi diatas didapat produksi energi sistem MF. Dari tTbel .3. Untuk luas sel yang bebeda-beda dengan kondisi iklim yang berbeda selama beroperasi
Dampak Lingkungan..............J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 190-197
191
b. Produksi Energi Sistem MF 1. 2. 3.
Tabel.3. Hasil Perhitungan Pruduksi Sistem MF untuk luas sel yang bebedabeda dengan kondisi iklim yang berbeda table.4.
Produksi listrik tahunan = Efisiensi Sel x Sistem Rasio performan x Radiasi Produksi Listrik selama umur = Umur MF x Pruduksi Listrik Tahunan Penghematan listrik Primer Tahunan = Produksi listrik tahunan : Efisiensi konversi energi Primer ke Listrik
c.
Analisi s Pengembalian Energi
Kebutuhan energi dalam Pabrikasi dan pembangkitan dan waktu pengembalian energi dengan asumsi umur MF 25 tahun, ditunjukan dalam table.5.
Hasil Perhitungan Produksi Listrik Sistem MF dengan Efisiensi Sel 0,16 % ditunjukan
Tabel.1. Asumsi Umum Parameter Rasio system performan Umur MF Efisiensi konversi energi primer ke listrik Rasiasi rata-rata di Skolandia Rasiasi rata-rata di Italia Rasiasi rata-rata di Poenix
Asumsi 0,80 25 0,37 875 1200 2000
Satuan Bagian Tahun Bagian kWh/m2/tahun kWh/m2/tahun kWh/m2/tahun
Tabel 2. Asumsi Berdasarkan Pengalaman Kebutuan Energi dari Proses Pemurnian Sampai Pabrikasi MF Proses Pengurangan & Pemurnian Si
JTE atau KEP JTE Sg-Silikon
Cor&Pembutan wafer
JTE Wafer
Pabrikasi Sel &MF MF
JTE Material lain (glas, EVA,,dll) KEP (lansung+tidakl) JTE Barang JTE Modul (tanpa bingkai)
Harga 153 450 207 59 94 39 969
Satuan kWh/g kWh/g kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2 kWh/m2
Keterangan: JTE = Jumlah Total Energi , KEP = Kebutuhan Energi untuk Proses Tabel 3. Produksi Listrik Sistem MF dengan Efisiensi Sel 0,16 %. Hasil Perhitungan Prodiksi Sistem MFuntuk luas sel yang berbeda-beda dengan kondisi iklim yang berbeda lihat Tabel 4 Perhitungan
Satuan
Skodlandia
Italia
Poenix
Efisiensi Sel Produksi listrik tahunan Produksi lis rtik selama umur Penghematan Energi tahunan Penghematan Energi selama umur
% kWh/m2/tahun kWh/m2 kWh/m2/tahun
0,16 112 2800 302,70
0,16 153,61 3840 415,14
0,16 256 6400 691,90
kWh/m2
7567,52
10378,50
17297,50
192
Lubis, A., 2006:
Tabel. 4. Hasil Perhitungan Pruduksi Listrik Sistem MF Untuk Luas Sel yang Bebedabeda. Perhitungan Luas Sel Produksi listrik tahunan Produksi lisrtik selama umur Penghematan Energi tahunan Penghematan Energi selama umur
Satuan m2 kWh /tahun KWh kWh /tahun KWh
Skodlandia 210 23520 588000 63567,5
Italia 56 8602,1 215054 23248,9
Poenix 120 30720 768000 83027,1
7567,52
10378,50
17297,50
Table 5. Kebutuhan energi dalam Pabrikasi dan Pembangkitan Serta Waktu Pengembalian Energi
Satuan MF
Skodlandi 210
kWh kWh Tahun
203490 588000 3,2
Kebutuhan Energi Dalam Aplikasi Pembangkitan Energi Waktu Pengembalian Energi
Italia
Poenix 120
56 54264 215054 2,33
116280 768000 1,4
Intensitas Emisi CO2 mulai dari Pengembanan sampai Pembangkitan satu prose (Life cycle) g-CO2/kWh(sending end) 1000
1. Intensitas emisi CO2 untuk sistem MF dihitung dari kebutuhan energi mulai dari pertambangan/proses pemurnian , tranfortasi bahan bakar, pabrikasi dan pembangkitan. 2. Sumber :Research Institute of Electric Power Industry Report etc.
975
800
742
608 600
519 887
400
704 478 407
200
130 8 8
111 53
38 0 Coal fired
Oil fired
LNG fired
LNG combined
Solar
2 9
2 2
15
Wind
Nuclear
Geothermal
11 Hydro Electricity
MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD.
Gambar 1. Intensitas Emisi Khususnya CO2 untuk Beberapa Pembangkit Listrik
Dampak Lingkungan..............J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 190-197
193
Secara umum Intensitas emisi khususnya CO2 untuk beberapa pembangkit Listrik ditunjukan dalam Gambar.1. dan untuk Sistem MF sebesar 53 g-CO2/kWh selama satu proses dari pertambangan sampai Pembangkitan
ditunjukan Gambar.1. Energi berkaitan analisis emisi untuk Sel Silikon monokristal meliputi penghematan energi primer selama umur dan emisi CO2 , NO2 , NOx , partikel ditunjukan dalam Table 6.
Tabel. 6. energi berkaitan Analisis Emisi untuk Sel Silikon Monokristal
SCOTLANDIA
ITALI
PHOENIX
Penghematan Energi Primer selama umur
1589187,5
kWh
Emisi CO2 , NO2 , NO x , partikel
1067,9, 6,7, 3,3, 0,5
Ton
Penghematan Energi Primer selama umur
581222.5
kWh
Emisi CO2 , NO2 , NO x , partikel
390,6, 2,4, 1,2, 0,18
Ton
Penghematan Energi Primer selama umur
207567.6,
kWh
Emisi CO2 , NO2 , NO x , partikel
1394.8, 8.7, 4.3, 0.6
Ton
2.1. Analisis Aliran Material
air dari pabrikasi, pengoperasian dan komisioning Sistem MF..
Bagian studi ini dilihat dari dua aspek: a.
Kemungkinan Energi Silkon Fotovoltaik sebagai sumber energi. Hal ini sudah dipahami karena material silikon cukup banyak di alam permukaan bumi sesudah Oksigen (Tabel-7).
b.
Emisi yang berkaitan dengan bukan energi dibuang apakah ke udara atau
Tabel.7. Presentasi Unsur Di Permukaan ] UNSUR % MASSA Oksigen 49,20 Silikon 25,61 Alumunium 7,50 Besi 4,71 Kalsium 3,39 Natrium 2,63 Kalium 2,40 Magnesium 1,93 Hidrogen 0,87 Titan 0,58
194
1.
Sumber Alam. Material utama untuk pabrikasi MF adalah kwarsa, seperti Si, Cd, Co dan perak untuk kontak. Kwarsa cukup banyak sebagai sumber alam tetapi perak jumlahnya tidak banyak , 2 perak dibutuhkan 5 gr per m MF, bila diasumsikan 5% kebutuhan listrik di dunia disuplai MF maka diperlukan 4 ton per tahun.
Bumi UNSUR Klorin Fosfor Karbon Mangan Belerang Barium Nitrogen Flourin Stronsium Unsur-unsur lain
Lubis, A., 2006:
% MASSA 0,19 0,11 0,09 0,08 0,06 0,04 0,03 0,03 0,02 0,47
2.
Penelitian pengurangan material perak atau pemakaian material lain ,dan tentunya akan mengurangi harga diperlukan
dampak lingkungan dari technologi ini adalah minimal dibandingkan dengan jenis energi terbarukan lainnya Ini akan ditunjukkan seperi dibawah ini.
Emisi ke Lingkungan
Energi MF pada saat beroperasi akan menghasilkan energi listrik, besarnya energi listrik yang dihasilkan akan tergantung pada effisiensi modul dan lokasi penempatan module.
Emisi lain selain yang berkaitan dengan bukan energi dalam pabrikasi MF adalah:Fluor, Chlor, Nitrat, Isopropanol, SO2, CO2, Serbuk partikel Silicon, pelarut/Solven. Emisi terutama disebabkan proses Karbonthermik pengurangan Silikon. Emisi SO2 dapat dikurangi secara memuaskan dengan menggunakan standar pengukuran seperti bahan bakar sulphur rendah dan desulphurisasi dari bahan bakar gas Emisi Flour dan Chlor hanya 20-25 % saja bila dibandingkan dengan (1) Pembangkit Listrik Batubara Partikel Silikon dan pelarut dapat diminimalisasi dengan pengelolahan limbah yang baik.
Kunci keberuntungan dari MF pada saat beroperasi tidak mengeluarkan sesuatu dan boleh dikatakan dapat diabaikan masukan-masukan material atau gas-gas, cairan ataupun kotorankoran radioatip yang dikeluarkannya. MF juga sangatlah aman pada saat beroperasi, karena tidak adanya bagian mekanik yang berputar dan suara-suara bising. Jika ada api atau kebakaran telah diantisipasi bahwa tidak akan mengeluarkan emisi gas yang berarti. Ada kemungkinan semacam bahaya listrik yang ditimbulkan pada saat setiap instalasi / pemasangan MF untuk pemasangan skala kecil.
2.2. Analisis Aliran Material Secara umum Intensitas emisi khususnya CO2 untuk beberapa pembangkit Listrik ditunjukan dalam Gambar.1. dan untuk Sistem MF sebesar 53 g-CO2/kWh selama satu proses dari pertambangan sampai Pembangkitan ditunjukan Gambar.1. Energi berkaitan analisis emisi untuk Sel Silikon monokristal meliputi penghematan energi primer selama umur dan emisi CO2 , NO2 , NOx , partikel ditunjukan dalam Table 6. 2.3. Operasi (Periode Pembangkitan) Pendukung dari system MF menunjukkan bahwa selama operasi
Hal ini termasuk kemungkinan resiko kejutan listrik, khususnya jika tegangan DC lebih tinggi dari standart 1248 volt yang digunakan di hampir semua MF skala kecil.
Dampak pemandangan akan dapat dikurangi dimasa mendatang sebagaimana di integrasikan dengan Technology MF pada bangunan yang secara terus-menerus diperbaiki yaitu menjadi lebih tinggi terhadap bendabenda setempat, MF jelasnya memberikan dampak pemandangan pada lingkungan, sebagaimana harusnya dapat kelihatan dari dekat dan ini akan dampak berarti bagi daerah-daerah konservasi.
Dampak Lingkungan..............J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 190-197
195
2.1.
Dekomisioning
Itali kebutuhan energi dalam pabrikasi, unruk menghasilkan (56 MF) sebesar 54264 (kWh), pembangktitan energi selama umur 215054 (kWh), waktu pengembalian energi 2.33 tahun
Pada masa berakhirnya umur modul, maka seharusnya pembuangan dilakukan dalam cara-cara yang hati-hati. Pada saat ini tidak ada cara-cara tertentu untuk mendaur ulang (reycling) silicon wafer.
Rangka Aluminium dapat didaur ulang secara terpisah dalam cara yang sama sebagaimana normalnya material – material lainnya.
Phonix kebutuhan energi dalam pebrikasi, untuk menghasilkan (120MF) sebesar 116280 (kWh), produksi energinya 768000 (kWh), waktu pengembalian energi 1,4 tahun. 2.
Kaca atau gelas dapat di daur ulang jika ada teknologinya untuk memisahkan gelas dari Adherent EVA dan komponen modul lainnya. Modul terutama terbuat oleh : glass, sekitar 78 % dari total berat, EVA, 10 % dari total berat, polyester, 7 %, silicon, 4 %, perak/silver, 0.4 %, tembaga/copper, 0.3 % Kebanyakan
dari
Skotlandia Emisi CO2 , NO2 , NOx , partikel 1067,9, 6,7, 3,3, 0,5 Ton, Itali Emisi CO2 , NO2 , NOx , partikel 390,6, 2,4, 1,2, 0,18 Ton, Phonix Emisi CO2 , NO2 , NOx , partikel 1394.8, 8.7, 4.3, 0.6 Ton 3.
komponen-
komponen tersebut secara lingkungan tidak merusak akan tetapi perhatian khusus harus diberikan jika berhubungan dengan sampah dari perak dan tembaga Kesemuanya Poli/mono dan amorphus Si, relatif tidak berbahaya dibandingkan type lainnya seperti Cadmium Telluride atau Copper Indium selide, yang mana akan menyebakan emisis metal berat pada saat dibakar untuk dimusnahakan (Incinerated ). 3.
KESIMPULAN
1.
Dari studi kasus :
196
Emisi lain selain yang berkaitan dengan bukan energi dalam pabrikasi MF adalah: Fluor, Chlor, Nitrat, Isopropanol, SO2, CO2, Serbuk partikel Silicon, Solven Emisi terutama disebabkan proses Karbonthermik pengurangan Silikon. Emisi SO2 dapat dikurangi secara memuaskan dengan menggunakan standar pengukuran seperti bahan bakar sulfhur rendah dan desulfhurisasi dari bahan bakar gas
DAFTAR PUSTAKA 1.
Skotlandia kebutuhan energi dalam pabrikasi, untuk menghasilkan (210MF) sebesar 203490 (kWh), produlsi energinya 588000 (kWh), waktu pengambilan energi 3,20 tahun.
Emisi yang berkaitan dengan enrgi untuk Sel Silikon monokristal , untuk:
2.
E.A. Aselma, 1966 “Environmental aspect of solar cell modules”, Utrecht University E.A. Aselma, P.Frankl, K. Kato “Energy 1088. Payback Time of photovoltaic Energy systems: Present Status and Prospects” Presented at the 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion , Vienna
Lubis, A., 2006:
3.
Miguel A. 1998. Aguado-Monsonet, The environ. impact of photovoltaic technology (task 6-INTERSUMED Project, January 1988.
4.
Kato, K, A. Murata, and K. Sakuta, Energy Payback Time and Life-Cycle CO2 Emission of Residential PV Power System with Silicon PV
LAMPIRAN: Tabel 1. Kebutuhan Enerrgi Untuk Pabrikasi Mono/Polikristal Silicon (1997) Pada Kondisi Rendah dan Tinggi Tergantung Bahan Pruduksi( 1MJ/m2 = 0,2778 kWh; Konversi Efisiensi dari Energi Primer ke Listrik Polikristal Si Rendah Tinggi 43.7535 48.6165
Monokristal Si Rendah Tinggi 48.6165 48.6165
175.014
369.474
184.737
398.643
Kristalisasi #1
-
520.1805
-
554.211
Kristalisasi #2
72.9225
72.9225
233.352
233.352
Pembuatan wafer
24.3075
24.3075
24.3075
24.3075
Proses sel
58.338
58.338
58.338
58.338
Asembling modul
34.0305
34.0305
34.0305
34.0305
Modul tanpa bingkai
408.366
1127.868
583.38
1351.497
Modul tanpa bingkai
3.40305
9.33408
4.56981
10.59807
Proses Pruduksi metal grid silicon Pemurnian silicon
Tabel 2.
Unit KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/m 2 modul KWh/Wp
Kebutuhan Enerrgi Untuk Pabrikasi Thin Film Silicon (1997) ( 1MJ/m2 = 0,2778 kWh; KonversiEfisiensi dari Energi Primer ke Listrik 35%)[3]
Matrial sel Material substrat + enkapsulasi Proses sel / modul Biaya overhead Manufaktur alat Modul tanpa bingkai Modul tanpa bingkai
Kebutuhan energi Bagian (%) kWh/m2 modul 4.8615 4% 34.0305 29% 38.892 33% 24.3075 21% 14.5845 13% 116.676 100% 19446 kWh/Wp
Dampak Lingkungan..............J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 190-197
197
