國立高雄大學土木與環境工程學系
碩士論文
地面型 CIGS 太陽能系統之能源回收期與減碳效益評估
-以屏東內埔案場為例
Assessment of Carbon Reduction Benefits and Energy
Payback Time for Ground-Mounted CIGS Photovoltaic
System-A Case Study of a Solar Power Plant in
Neipu, Pingtung
研究生：陳冠宇 撰
指導教授：連興隆 教授
誌 謝
轉眼間完成了研究所學位，回顧在研究所求學的這段期間，經歷很多 酸甜苦辣，研究上的各種經歷此生難忘，在經歷求學路上必須感謝我親 愛的父母與姐姐，他們在背後默默的支持我努力向上永不放棄，還有敬 愛的指導教授連興隆老師，老師不斷的給我求知的動力與教導讓我受益 良多，還要感謝甯蜀光老師的指導，提供研究上的輔助幫助學生的論文 研究順利，還有感謝莊昇勳老師，擔任學生的論文口試委員給予學生很 多論文建議與指導，以及感謝每位在我求學期間授課於我的老師，除了 父母師長外，必須感謝實驗室裡的夥伴們，有岱霖學姐、承諺、禮誌、 柏宇學弟們，很感謝給予包容與學習，還有身旁的同學吳謙、宇翔、清 順一起共同的求學與互助謝謝你們，以及不同學院的軍翔、程浩、與俊 凱同學夥伴們謝謝你們在我求學生活上的幫忙與互助，還有在研究路程 上陪伴與支持我的芸綺、黃楠，讓我持續努力成長。 很感激在大家的支持與陪伴中不斷的學習並充實自我，也讓我努力不 懈完成我的論文，非常感謝在我身邊陪伴的每個人，在此僅致深深的感 激於大家，我將帶著我這份努力與學習精神在未來的旅程上持續的發揮 與充實自我繼續的前進。目錄
目錄 ... I 圖目錄 ...IV 表目錄 ... V 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究起緣與動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 3 1.3 研究流程與架構 ... 4 第二章 文獻回顧 ... 6 2.1 太陽能發展介紹 ... 6 2.1.1 國內外太陽能現況 ... 6 2.1.2 國內太陽能發展策略 ... 9 2.1.3 太陽能技術現況 ... 10 2.1.4 銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池 ... 12 2.2 太陽能發電系統介紹 ... 14 2.2.1 太陽能系統設置類型 ... 14 2.3 生命週期評估 ... 15 2.3.1 生命週期評估起源與發展 ... 16 2.3.2 生命週期評估方法 ... 17 2.4 碳足跡介紹 ... 20 2.4.1 碳足跡規範 ... 21 2.4.2 碳足跡與能源回收期計算方法 ... 242.5 太陽能系統環境衝擊之文獻回顧 ... 26 第三章 研究方法 ... 33 3.1 研究內容與架構 ... 33 3.2 選定研究案例 ... 33 3.3 研究案例目標邊界假設 ... 35 3.4 生命週期評估軟體 ... 36 3.4.1 SimaPro 簡介 ... 37 3.5 案場太陽能輻射分析 ... 39 3.5 Meteonorm 氣象數據庫簡介 ... 40 3.6 案場太陽能系統發電量假設 ... 42 第四章 結果與討論 ... 43 4.1 功能單位假設與系統盤查分析 ... 43 4.1.1 功能單位假設 ... 43 4.1.2 各階段碳排放盤查分析 ... 43 4.2 碳足跡計算及能源回收期結果 ... 56 4.3 碳足跡與能源回收期影響因素分析 ... 57 4.3.1 案場生命週期使用年限因素分析 ... 58 4.3.2 太陽輻射影響因素分析 ... 59 4.4 本研究與相關文獻比較分析 ... 64 4.4.1 本研究與範疇界定相同文獻比較分析 ... 68 4.4.2 本研究與範疇界定不同文獻比較分析 ... 69 4.5 系統支稱架鋼材使用量對碳足跡影響分析 ... 72
4.6 相關文獻不同環境對鋼材量使用分析 ... 78
4.7 結論 ... 81
第五章 建議 ... 83
5.1 建議 ... 83
圖目錄
圖 1-1 預計的世界能耗圖(國際能源展望 IEO，2019） ... 1 圖 1-2 研究流程架構... 5 圖 2-1 再生能源裝置容量現況(經濟部能源局, 2019) ... 8 圖 2-2 歷年太陽光電累計裝置容量改繪於(台灣電力公司, 2020) ... 9 圖 2-3 太陽能電池分類本研究繪製 ... 11 圖 2-4 評估架構及流程改繪於(行政院環保署, 2018) ... 19 圖 2-5 產品與服務碳足跡計算指引(環保署, 2015) ... 23 圖 3-1 案場近拍照 ... 34 圖 3-2 案場空拍照 ... 34 圖 3-3 案場 BOS 系統 ... 35 圖 3-4 系統邊界圖 ... 36 圖 3-4 選擇各階段材料的盤查資料 SimaPro 8.5.2 ... 38 圖 3-5 盤查資料詳細內容分析 SimaPro 8.5.2... 38 圖 3-6 物料計算結果呈現 SimaPro 8.5.2 ... 39 圖 3-7 Meteonorm 軟體介面 ... 40 圖 3-8 Meteonorm 準確定位 ... 41 圖 3-9 Meteonorm 分析結果 ... 41 圖 4-1 太陽能系統示意圖 ... 45 圖 4-2 碳排放比較分析... 68 圖 4-3 每平方公尺鋼量與碳足跡分析 ... 77 圖 4-3 每平方公尺鋼量與碳足跡分析 ... 77表目錄
表 1-1 近八年全球太陽能發電統計(世界能源統計 BP, 2019) ... 2 表 2-1 各類再生能源新增量統計 (國際政策網絡研究機構, 2018) ... 7 表 2-2 截至 2019 年 8 月台灣再生能源裝置容量(台灣電力公司, 2019) ... 8 表 2-3 各類薄膜太陽能電池最高轉換效率比較(蕭國瑞, 2013；蔡宏安, 2015) ... 13 表 2-4 國際碳足跡類別(經濟部, 2015；BSI 英國標準協會, 2018) ... 22 表 2-5 產品與服務碳足跡相關驗證標準差異 (郭建宏, 2015；環保署, 2015； BSI 英國標準協會, 2018) ... 24 表 2-6 相關太陽能文獻回顧分析 ... 27 表 2-7 相關太陽能文獻範疇界定 ... 28表 2-8 1kW 的 CdTe 太陽能系統產生碳排放比較(Held and llg, 2011) ... 30
表 2-9 不同太陽能電池碳排放比較分析(Cha et al., 2014) ... 31 表 3-1 案場實際發電量... 42 表 4-1 案場盤查所需資料整理以及數據來源 ... 44 表 4-2 各國太陽能電板製造每平方公尺碳排量(Scholten, 2016) ... 46 表 4-3 單一逆變器盤查分析 ... 49 表 4-4 單一 AC 箱盤查清單 ... 50 表 4-5 單一 DC 箱盤查清單 ... 50 表 4-6 整體太陽能系統盤查之碳排放 ... 51 表 4-7 能資源投入清單... 52 表 4-8 運輸階段盤查分析之碳排量 ... 53
表 4-9 廢棄/回收階段之碳排量 ... 55 表 4-10 CIGS 太陽能系統使用年限 20 年生命週期各階段碳排放量 ... 55 表 4-11 CIGS 太陽能發電系統增長使用年限與碳足跡結果 ... 59 表 4-12 2018 全天空日輻射量 ... 60 表 4-13 太陽能輻射與能源回收期關係 ... 63 表 4-14 本研究碳足跡與能源回收期結果和相關文獻比較分析 ... 64 表 4-15 本研究與(Held and llg, 2011)文獻結果比較 ... 65 表 4-16 本研究與(Cha et al., 2014)文獻結果比較 ... 66 表 4-17 本研究與相關文獻比較碳足跡與能源回收期影響因子 ... 67 表 4-18 本研究太陽能板與 BOS 碳排量佔比分析 ... 68 表 4-19 本研究 CIGS 太陽能系統無廢棄階段碳排放量 ... 69 表 4-20 無廢棄階段盤查... 69 表 4-21 無廢棄階段文獻比較分析 ... 70 表 4-22 原料階段碳排量佔比 ... 71 表 4-23 BOS 組件碳排放佔比 ... 71 表 4-24 太陽能系統單位面積之鋼材用量比較 ... 72 表 4-25 鋼材使用量與碳足跡影響關係 ... 76 表 4-26 每平方公尺鋼量與碳足跡分析 ... 77 表 4-27 環境地理因素影響 ... 78
地面型 CIGS 太陽能系統之能源回收期與減碳效益評估
-以屏東內埔案場為例
指導教授：連興隆 博士 國立高雄大學土木與環境工程學系 學生：陳冠宇 國立高雄大學土木與環境工程學系 摘要 隨著國際化石燃料能源的使用，產生溫室氣體導致全球暖化與污染對環境的衝擊 正在加劇，因此替代能源受到了極大的關注。從全球再生能源的發展趨勢中，又以太 陽能發展最為快速，將成為世界再生能源的主流。而台灣未來幾年太陽能發電的成長 也將會非常明顯，因此利用太陽能發電成為台灣發電的來源之一。 太陽能系統在發電過程中並不會有碳排的產生，但必須要考量完整的生命週期， 包含從原料開採、製造、運輸、使用到最終廢棄/回收階段。而本研究以國內地面型 78.66 kWp 的銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Selenide，CIGS)太陽能發電系統為研究 案例對象，並以生命週期軟體 SimaPro8.5.2 為輔助工具進行地面型 CIGS 太陽能完整 的發電系統分析，計算其碳足跡及能源回收期，並以相關文獻做為比較分析。經本研 究地面型 CIGS 太陽能研案例究結果得知，本研究案例使用年限 20 年的太陽能發電 系統每度電產生之碳足跡為 29.3 gCO2eq/kWh，能源回收期為 1.10 年。並與相關文獻 比較分析，發現本研究與其它薄膜太陽能數據相比，造成整體太陽能系統碳排放量高 的主因來自於太陽能電池本身。但在無廢棄/回收階段情況下的碳排放研究分析， BOS(Balance of System)的鋼材使用量是造成整體太陽能系統碳排量高的另外因素之 一。 關鍵字：地面型 CIGS 太陽能系統、生命週期評估、碳足跡、能源回收期Assessment of Carbon Reduction Benefits and
Energy Payback Time for Ground-Mounted CIGS
Photovoltaic System-A Case Study of a Solar PowerPlant
in Neipu, Pingtung
Advisors : Dr. Lien, Hsing-LungDepartment of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung
Student : Chen, Kuan-Yu
Department of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung
ABSTRACT
With the international use of fossil fuel energy, the environmental impact of global warming and pollution from greenhouse gases is exacerbating, therefore alternative energy sources have received a great deal of attention. About the global trends in renewable energy, solar energy is the fastest growing., will be the world's main renewable energy source. The growth of solar power in Taiwan in the next few years will also be signifcant, therefore solar power is one of the sources of electricity generation in Taiwan.
Solar power systems do not generate carbon emissions in the process of power generation, but it is important to consider the life cycle assessment, including materials processing, manufacture, distribution, use, repair and maintenance, and disposal or recycling. In this study, the 78.66 kWp ground-based CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) was used as the basis for the study. The life cycle software SimaPro8.5.2 is used as an evaluation tool for the analysis of ground-based CIGS solar system. The carbon footprint and energy payback time were calculated and analyzed by comparing with the relevant literature. Based on the results of the ground-mounted CIGS solar case study, we found that the carbon footprint of the solar poewr system of 20-year operation period is 29.3 gCO2eq/kWh with an energy payback period of 1.10 years. Compared with other thin-film data, this study revealed that the overall carbon emissions of the system are higher than those of other PV systems.which are maily caused by the high carbon emission of the CIGS panels. However, when analyzing the carbon emissions in the Cradle to Cradle (C2C) phase of LCA, the item of steel consuption of BOS (Balance of System of Solar Energy) is another factor resulting in the high carbon footpint.
第一章 緒論
1.1 研究起緣與動機
能源是生活環境與國家經濟發展不可或缺的基本要素，一旦能源發 生短缺勢必會對國家的民生與經濟造成嚴重的衝擊。在 1973 年國際間發 生經濟動盪，因中東爆發以阿戰爭導致石油危機，這讓國際間體認到石 油供應並不是永遠穩定無虞的，每個人應正視這個問題並加以關注，嚴 重時可能產生社會經濟的衝擊，甚至危及國家正常運作。能源危機是 21 世紀的主要問題之一，能源需求量與一個國家的人口和經濟增長成正比， 在國際能源再生機構 International Renewable Energy Agency(IRENA)“全 球能源轉型（2019）”中，預計 2015- 2050 年期間世界能源消費總量將從 20％增加至 50％，圖 1-1 為預計的世界能耗圖 (國際能源展望 IEO, 2019)。圖 1-1 預計的世界能耗圖(國際能源展望 IEO, 2019）
及為了滿足全球社會接受度、提供可持續能源發電以及世界電力需求的 能力，讓可再生能源成為全球主要替代能源。 尋求可靠並降低成本、提高效益和能持久的可再生能源，以應對未 來出現的能源需求量。在眾多可再生能源當中太陽能是最佳能源之一， 所謂太陽能是指來自太陽的能量，太陽已產生了數十億年的能量，為地 球萬物生命重要的能量來源，和不可再生能源(如:化石燃料)不同的是， 太陽能是可再生能源，取之不盡，且不需要運輸。使用過程不會產生環 境汙染，所以不會產生溫室氣體導致地球溫室效應加劇。現今太陽能經 過長期的研究與發展，相關技術運用於太陽能熱水、太陽能發電…等。 隨著太陽能的快速發展全世界的太陽能裝置量也逐年增加。本研究整理 出 目 前 全 球 近 八 年 太 陽 能 裝 置 現 況 如 表 1-1 ( 世 界 能 源 統 計 2019 BP Statistical Review of World Energy)。
表 1-1 近八年全球太陽能發電統計(世界能源統計 BP, 2019) 年份 2011 2012 2013 2014 裝置量(MW) 70,609 101,957 140,351 178,315 發電量(GWh) 65,035 100,764 139,058 197,910 佔全球發電比例 0.29% 0.44% 0.59% 0.83% 年份 2015 2016 2017 2018 裝置量(MW) 226,661 298,248 392,263 487,829 發電量(GWh) 260,739 328,378 453,517 584,630 佔全球發電比例 1.07% 1.32% 1.77% 2.20%
在太陽能迅速發展下，許多國家也積極研發新的太陽能發電材料， 提高電池的轉換效率並降低成本..等，目前矽技術是最常見的。近年來， 已經開發了各種替代品，如非晶矽系列，而目前最受矚目的薄膜電池系 列特別強調新材料和製造技術，以及那些不斷發展的有機材料。雖然目 前新研發的材料還尚未完全商業化，但它們在未來發展具有相當大的發 展潛力。 而台灣所屬的環境為高溫及長日照地區，因此在技術方面上使用薄 膜太陽能電池很適合台灣環境，因薄膜太陽能電池相對於結晶矽電池較 耐熱，且具有低照度下的發電特性，並優於結晶矽產品(經濟部智慧財產 局, 2018)。 隨著目前太陽能的使用，國際持續蓬勃發展太陽能，雖然太陽能發 電過程並不會有溫室氣體的產生，但必須要考慮到整個太陽能發電系統 的生命週期，才能了解太陽能發電真正對環境產生的影響，因此需深入 探討分析。
1.2 研究目的
在了解研究起緣與動機後，因此本研究選定地面型為薄膜太陽能電 池銅銦鎵硒 CIGS 太陽能系統做為研究對象，案例位在屏東內埔的太陽能 系統案場，為地面型 CIGS 太陽能發電系統，將針對此系統進行環境影響 評估之碳足跡與能源回收期為研究，並透過收集國內外之相關文獻，及 已評估過的地面型發電系統文獻、環境衝擊評估與能源回收期文獻，了 解目前進行評估過地面型太陽能系統文獻的研究方法及使用限制等，並 且了解目前生命週期評估的碳足跡及能源回收期，分析目前研究所提出的方法與建議，而本研究研究目的可歸納為: 一、 計算地面型 CIGS 太陽能發電系統之碳足跡 二、 計算地面型 CIGS 太陽能發電系統之能源回收期 三、 上述的分析結果與其他文獻之結果比較分析 四、 分析結果並給予建議改善方法
1.3 研究流程與架構
本研究先蒐集相關文獻，其中包含太陽能電池的介紹，了解目前國 內外的太陽能技術發展現況，以及本研究所應用生命週期評估發展的文 獻整理，再透過相關文獻擬定的評估方法，並利用生命週期評估軟體， 探討太陽能發電系統的碳足跡及能源回收期，最後評估的結果與相關文 獻做比較分析，本研究架構流程如圖 1-2。第二章 文獻回顧
2.1 太陽能發展介紹
現今化石燃料的大量使用，造成環境污染問題嚴重。為了減少污染 和拯救環境，可再生能源技術具有滿足全球能源需求的巨大潛力。在可 再生能源中，太陽能是大多數國家中最有前途和最可靠的能源。太陽能 是由太陽輻射至地球的能量，它是一種數量龐大的能源，不但能直接或 間接提供地球上絕大部份的能量，而太陽能在發電過程中 不會有噪音、 氣體、煙霧和廢料的產生，也不會對空氣、水以及土壤造成任何污染， 太陽能是值得開發研究的新能源，因為取得方便而且乾淨。太陽能發電 系統( Photovoltaic 或是簡稱 PV )，可將太陽能轉換為電力 (Tyagi et al., 2013)。2.1.1 國內外太陽能現況
一、 全球太陽能發展現況 全球太陽能發展現況根據 REN 21(國際政策網絡研究機構)，在研究 報告中再生能源發電新增的裝置容量已經連續四年超越核能發電及化石 燃料所增設的裝置容量。2018 年包含水力的再生能源發電成長 8％，累 計總裝置容量達到 2,378 GW。2018 年新增再生能源裝置容量（相對於 2017 年），太陽光電占 21％(505 GW)，成長率 25%；風力發電占 25％(591 GW)，成長率 9％；水力 47％。回顧 2017 年再生能源發展概況，可發現 再生能源設置量正持續成長，如表 2-1。表 2-1 各類再生能源新增量統計 (國際政策網絡研究機構, 2018) 能源類別 單位 2017 年 2018 年 水力發電容量 GW 1,112 1,132 風力發電容量 GW 540 591 生質能裝置容量 GW 121 130 地熱能 GW 12.8 13.3 太陽光電 GW 405 505 太陽能熱 CSP GW 4.9 5.5 海洋能 GW 0.5 0.5 再生能源加總 GW 2,197 2,378 從表 2-1 得知太陽能成長幅度最高，並通過一些市場報告顯示太陽 能裝置的年均增長率為 40％。太陽能技術的單位成本也逐年降低，隨著 技術的不斷進步和效率提升，將成為世界上重要的能源供應來源。根據 太陽能光伏發電的報告預測， 到 2020 年，太陽能發電將提供約 345 GW， 約為 4％ (Razykov et al., 2011)。 二、 國內太陽能發展現況 根據經濟部能源局統計與國情統計統報資料分析，國內再生能源截 至 2019 年底 8 月裝置容量為 720 萬瓩（7,200 MW），占台灣總發電設備 4,777.9 萬瓩之 15％。2019 年度台灣再生能源發電量為 140.5 億度（14,050 GWh），占台灣總發電量比例為 6.0％。
從表 2-2 顯示太陽能是台灣裝置量最多的再生能源，占整體再生能 源裝置量 51.2％，根據台灣電力公司的過去 10 年的統計太陽能的裝置容 量，如圖 2-1、圖 2-2。 表 2-2 截至 2019 年 8 月台灣再生能源裝置容量(台灣電力公司, 2019) 圖 2-1 再生能源裝置容量現況(經濟部能源局, 2019) 能源種類 單位 容量 太陽能 MW 3,680 風力 MW 720 廢棄物 MW 0.063 生質能 MW 0.008 水力發電 MW 2,090 合計 MW 7,200
圖 2-2 歷年太陽光電累計裝置容量改繪於(台灣電力公司, 2020) 由圖 2-2 了解國內的太陽能裝置量逐年增加，並快速成長，除了大 家對再生能源的永續發展有共同意識外，也與國內推動的再生能源發展 政策息息相關。
2.1.2 國內太陽能發展策略
台灣目前太陽能政策由行政院於 2016 年 10 月 27 日通過推動方案， 目標在 114 年達成再生能源發電占比 20％的目標，當中又以太陽光電裝 置容量占最高達 66.3％，在推動的法案中明確規劃目標與未來期望：短 期目標裝置容量至 109 年前達到 6.5 GW（GW 為電量單位，即 10 億瓦）， 長期目標則在 114 年前達到 20 GW(太陽光電 2 年推動計畫, 2019)。 a. 短期目標，政府於 2016 年 7 月啟動「太陽光電 2 年推動計畫」，計畫 的目標從原本 2018 年累積太陽光電設置容量 2.8 GW，於 108 及 109 年將分別新增 1.5 GW、2.2 GW，可達成 109 年累積設置 6.5 GW 目 標。那時太陽能每年的發電量產生 46 億度電，並每年減少 246 萬公 0 50 100 150 200 250 300 350 400 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109/01 年份 歷年太陽能光電裝置容量 單位: 萬瓩噸的碳排。 政府推動的太陽能政策主要以下三大方針: 1. 產業園區擴大推動屋頂型光電：接合地方的資源及落實法規，推動產 業屋頂型。 2. 農、漁、畜電互利共生：由示範案場來推廣農電與漁電地面型光電的 增加，預計每年新增 120 MW（MW 為電量單位，即百萬瓦）。 3. 中央與地方共同推動：中央地方政府經費和人力，由地方政府成立專 責單位受理申請案件，針對重地層下陷、不利耕作，政府擇定為「光 電專區」。 b. 中期目標，持續深耕基礎、改善設置環境更加完善，增加屋頂型及地 面型設置能量，逐步達到長期目標。 c. 長期目標根據政府規劃，太陽光電在 2025 年裝置容量將達 20 GW， 屋頂型與地面型占 3 GW 與 17 GW，逐漸步實現我國能源轉型、促 進能源多元化及自主供應。
2.1.3 太陽能技術現況
目前市場上有各式各樣的太陽能電池技術，因應每個地區所使用類 型的材料有所不同，未來還將有更多的太陽能電池技術可用。太陽能電 池技術一般分為三代，取決於所使用的原材料和商業成熟度水平，本研 究繪製太陽能電池分類如圖 2-3(Lacerda and Jeroen, 2016) ( Gangopadhyay et al., 2013)。b. 第二代太陽能系統基於薄膜太陽能技術，通常包括三個主要系列：（1） 非晶矽（a- Si）和非晶矽（a-Si /μc-Si）; （2）碲化鎘（CdTe）、（3） 銅銦硒（CIS）和銅銦鎵硒（CIGS）砷化鎵(GaAs)。
c. 第三代太陽能系統包括有機太陽能技術、染料敏化、鈣太礦，有些技
術還在發展或尚未廣泛推向市場，並有新的發展概念(Gonzálezet al., 2017)。
目前主要的太陽能材料還是以矽基太陽能電池為主，但近年來薄膜 太陽能電池的總能源產量已經從 2008 年的 14％上升到 2013 年的 25％。 該技術在太陽能產業中的還在持續的成長。薄膜太陽能電池分很多種類， 不同的電池種類區隔不同的市場。薄膜太陽能電池也已經證實比矽基太 陽能電池具有更低的每瓦成本優勢，降低對溫度變化的敏感性，因此使 用於在開發大面積的太陽能發電系統，或者較低的土地成本發電單位(蕭 國瑞, 2013)。 而第二代薄膜電池，在尋求降低成本的過程中，對薄膜太陽能電池 的研究也已經快速發展。相較於矽基材料為了吸收相同量的陽光，薄膜 太陽能電池所需要的材料要較少，比晶體太陽能電池的材料減少了 99％。 近年來，由於該技術的靈活性和易於安裝，大約 12％的轉換效率和 25 年的使用壽命，該技術的使用有所增加。主要方法使用材料是非晶矽電 池（a-Si）; 微晶矽（a-Si /μc-Si）; 碲化鎘（CdTe）; 銅銦硒（CIS）和銅， 銅銦鎵硒（CIGS）(Aberle, 2009 ; Hosenuzzaman et al., 2015) 。
2.1.4 銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池
銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Selenide, CIGS)太陽能電池可分為兩
種，一類是含銅銦鎵硒的四元化合物（CIGS），另一類是含銅銦鎵的三元 化合物（CIS）。目前由德國太陽能與氫研究中心（Centre for SolarEnergy and Hydrogen Research, ZSW）創建的 CIGS 太陽能電池的最高轉換效率 為 20.1％，而美國 NREL（National Renewable Energy Laboratory 國家可 再生能源實驗室）在小面積基板上的轉換效率可達到通常估計為 19.9％，
在批量生產期間轉化效率可以達到 12％。 CIGS 被認為是未來最有發展潛力的薄膜太陽能電池，因為它具有轉 換效率高，穩定性好，材料成本低，可以製成薄膜且不使用砷、鎘等環 境污染材料的優點，目前正面臨矽材料的短缺而 CIGS 也成為最有希望的 薄膜太陽能電池之一，薄膜太陽能電池比較如表 2-3 (蕭國瑞, 2013；蔡宏 安, 2015)。 表 2-3 各類薄膜太陽能電池最高轉換效率比較(蕭國瑞, 2013；蔡宏 安, 2015) 薄膜太陽能電池種類 電池最高轉換效率 無機體 非晶矽(a-Si) 13.4% 銅銦鎵硒(CIGS) 20.4% 碲化鎘(CdTe) 19.6% 有機體 染料敏化(DSSC) 14.1% 根據來自歐盟和日本的國外分析，薄膜太陽能電池組件在未來將超 過矽基太陽能電池組件。其中，屬於新一代薄膜太陽能電池板的 CIGS 工藝技術在成本、轉換效率、尺寸和應用方面均具有巨大突破，這是薄 膜太陽能電池的新契機。同時，國內成熟的技術以及半導體和顯示器行 業積累的產業供應鏈將有助於開發 CIGS 薄膜太陽能電池。讓 CIGS 產 品成為下一階段太陽能電池產品的主流(蔡宏安, 2015)。
2.2 太陽能發電系統介紹
太陽能系統主要是由太陽能電板、逆變器、變電箱、蓄電池、模板 支撐架等組成，其中太陽能電板可分很多種類有單晶、多晶、非晶矽等 電池所組裝而成。整體太陽能系統則主要有三種類型有獨立型太陽光電 系統、併聯型太陽光電系統、混合型太陽能系統(經濟部能源局, 2017)。 a. 獨立型太陽光電系統 在白天有太陽光時太陽能系統才會產生電力，如果系統在加裝太陽 能蓄電池，就可以儲存白天的發電量，提供夜晚使用。此類型即為獨立 型太陽光電系統(經濟部能源局, 2017)。 b. 併聯型太陽光電系統 將太陽電池與市電併聯使用則是併聯型太陽光電系統，它加裝的換 流器具有逆流發電功能，正常條件下太陽能電力系統產生的發電量，會 自動將電力饋回電力公司(經濟部能源局, 2017)。 c. 混合型太陽能系統 將電網與蓄電池搭配使用則為混合型太陽光電系統，太陽光電系統 在白天併聯發電，晚上則由電力公司供電(經濟部能源局, 2017)。2.2.1 太陽能系統設置類型
太陽能發電系統可以分為兩種型式:屋頂型和地面型。 1. 屋頂型太陽能 屋頂型就是包括在現有的設施上面加裝太陽光電板，例如公寓頂樓、 住宅、辦公大樓、學校、家禽養殖舍及工廠，可以選擇加裝太陽光電板，優點是可以幫建物隔熱、防水，節省室內空調耗電，如有用電場所在附 近，還能減少傳輸距離太遠造成的能源耗損(經濟部前瞻基礎建設計畫, 2017)。 2. 地面型太陽能 屋頂型以外的光電設備建立於地面上就都屬於地面型光電，開發地 面型太陽能得搭配特饋線、高壓等電力基礎建設。目前國內僅開放地面 型光電設置於鹽業用地、嚴重地層下陷、掩埋場、水庫埤塘等有污染或 不利耕作地區易淹水地區等；若要設置太陽能光電在農地與魚塭上，除 非設置小規模點狀才可以直接申請容許使用，若要設置大規模就得先申 請地目變更，或維持農地現況但必須結合農漁業的經營管理 (經濟部前 瞻基礎建設計畫, 2017)。 根據能源局 2019 年統計，2018 年太陽光電設置量約 1.055 GW，地 面型安裝量為 226 MW，屋頂型則是 829 MW 占比高達 78%，目標 2019 年安裝 1.5 GW 屋頂太陽能(經濟部能源局再生能源統計, 2019)。
2.3 生命週期評估
隨著人類生活型態以及世界各國社會經濟發展，對環境的影響加劇 因此民眾對環保意識的抬頭，節能減碳亦成為全民所要推行的運動，在 這種環境行為的壓力下，促使企業思考如何減少自己所產生的排碳量， 但對企業而言，各種製造過程都有能源消耗需求，若沒有相關排碳量基 準點，就不知道減少多少排碳量，因此在此需求下就產生了「生命週期 評估(Life Cycle Assessment, LCA)概念」。本研究也將針對生命週期評估 發展概況進行整理。2.3.1 生命週期評估起源與發展
生命週期評估的概念應用於環境管理，其歷史可追溯於 1969 年，美 國可口可樂公司委託中西部研究所(Midwest Research Institute, MRI) 評 估了飲料容器材質的能源耗用量。在 1973 年起隨著美國回收與節能等環 保意識的高漲，美國環保署、富蘭克林公司(Franklin Associates Ltd.)及 MRI，針對日常用品(飲料容器、尿布、毛巾等)，進行資源與環境的剖面 分析(Profile Analysis)。自 1980 年代起，美國能源部已開始分析各產業製 程物質流與能源流(Energy and Material Flows)，這就是生命週期評估的前 身(行政院環保署, 2018)。
在西元 1990 年，生命週期評估(LCA)的定義與架構由環境毒理化學 協會(Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC)的「操作 標準」(Code of Practice)所提出。於 1996 年由國際標準組織(International Organization for Standardization, ISO)公布 ISO 14040 系列標準，制訂應用 於 LCA 在環境管理上的標準評估架構及步驟。於 2000 年各國環境行政 長 官 在 Malmo 宣 言 中 發 表 ， 強 調 重 要 生 命 週 期 經 濟 體 (Life-cycle economy)的建立，以及 2002 年，世界高峰會所提倡的促進永續的消費及 生產模式，聯合國環境規劃總署(UNEP)與 SETAC 共同合作，推行為期 十年的生命週期計畫(Life Cycle Initiative)，在產業生產及政府決策之中能 實際應用 LCA 與生命週期思考(Life Cycle Thinking) (行政院環保署, 2018)。
2.3.2 生命週期評估方法
生命週期評估（LCA）涉及產品對整體環境潛在衝擊的定量評 估，是一種環境管理系統實施方法。能資源要求和 CO2在整個產品 （包括其製造，運輸，使用，處置等）整個生命週期排放量的估計， 以便使這樣的評價，其結果可用於相關的環境評估。但是生命週期 與廣泛的變量有關且複雜，難以知曉結果的確切意義。因此設定評 估目的非常重要。對於生命週期 LCA 的研究結果給予適當地解釋 (Masakazu, 2011)。一、 目標和範疇定義（Goal and Scope definition）
生命週期分析的第一步是定義“研究目標”和“界定的研究範圍”。 目的和範圍對於確定產品生命週期分析的執行方式以及指定研究的系統 和類型非常重要。研究不同系統與範疇，可能導致不同的結果。因此要 掌握執行生命週期評估的首要工作有範疇界定與相關基本條件，一般要 考量以下幾點：研究的系統、系統的功能、系統邊界(System Boundary) 功能單位(Functional Unit)、分配程序、進行衝擊評估時所使用型態與評 估範圍、對原始數據品質的要求、研究限制、假設條件、研究結果的審 查型態、評審(Critical Review)形式、最終報告的格式與類型等。當中提 及功能單位，通常是系統最後產出的實用的單位，同時為標準化之參數 或 00 是量化的數值，並且能提供投入產出連結之參考，對相同功能或性 質的產品進行生命週期評估藉由相同的功能單位比較結果。藉由系統邊 界分析評估目標物的範疇，必須考慮各個階段產生的環境衝擊於邊界內， 界定範疇可設定搖籃到大門(Cradle to Cradle, C2C)也就是製造、運輸、到
使用階段，或搖籃到墳墓(Cradle to Grave, C2G)再包含廢棄階段(楊士瑩, 2012；潘瀅如, 2008；陳怡靜, 2009；Masakazu, 2011)。 二、 盤查分析（Inventory analysis） 此階段主要在做提供所用資料收集與運算程序的分析，用來量化產 品系統的相關投入/產出(Input/Output)，投入(Input)包括各製程的原料、 化學品、水、電等能資源，產出(Output)包含產物、副產物、水體及排放 至空氣與土地之污染等，這些資料來源可分成製程資料、共通性資料、 公用資料。有關製造、運輸、使用及棄置等階段環境負荷可透過模式分 析運算出，但非所有生命週期評估皆能完整的包括以上各階段，會因功 能單位與系統邊界不同而改變(黃瓊儀, 2003；李佳禾, 2004；郭建宏, 2006； 李育儒, 2009；Masakazu, 2011)。 三、 影響評估（Impact assessment） 影響評估階段是將生命週期盤查分析所得之結果，用技術性的定性 或定量方式評估潛在衝擊範圍與程度，選擇適合的模式方法進行衝擊評 估，並經由數據處理環境的衝擊分類，像是標準化、特徵化與加權分析， 讓不同類別的衝擊具有相同單位，後續運算可以相加，並比較整體環境 的衝擊評估。衝擊評估可用於瞭解產品還有單元過程的特徵，並可作為 產品改善的評估工具與訂定改善步驟的優先順序的協助，也可以根據類 別指標進行產品系統之間的比較，提早讓決策者得知與產品系統相關的 環境與資訊(楊士瑩, 2012；Canals and Hellweg, 2014；行政院環保署, 2018)。
闡釋是生命週期評估作業之最後階段，此階段的工作主要是合併盤 查分析與衝擊評估的結果，生命週期的結果可能取決於研究範圍和庫 存分析方法。因此，在相關的解釋中，應該討論操作方法的效果。 通常生命週期評估中使用的數據包括估計值和參考信息，綜合盤查分 析與衝擊評估的結果，尋找造成環境衝擊的主要原因，如果數據嚴重影 響結果，則應包括敏感性分析並得出結論與建議，以提供給決策者相 關環境議題的參考資訊，作為生產流程改善或提升產品設計與選用污染 性較低的原物料等生產決策的參考(楊士瑩, 2012；Masakazu, 2011； Canals and Hellweg, 2014)。
生命週期評估流程四個步驟包含應用方法，其評估架構及流程如圖 2-4 所示(行政院環保署, 2018)本研究改繪。
2.4 碳足跡介紹
人類是必須消耗地球自然資源才能得以生存，但地球的自然資源有 限，資源再生的速度遠遠不及人類的消耗，因此，每個人可使用的自然 資源便逐漸減少。為探討永續發展議題在 1990 年初提出一個自然資源的 管理工具「生態足跡（Ecological footprint）」並與討論。專家與學者希望 可以計算出一個人生存需要的土地與水域所產生的自然資源，並可在普 及的技術運作下吸收處理所產生的廢棄物。除此之外也可以計算一個城 市、國家、區域、甚至全世界的人口，每年供應其生存並處理其廢棄物 需要多少面積的土地與水域之自然資源。每年全球知名的環境保護組織 WWF(World Wildlife Fund)所提出的 「地球生命力報告(Living Planet Report)」中，計算生態足跡於每個國家 時，包括了牧場(Grazing land)、漁場(Fishing ground)、森林(Forest)、農田 (Cropland)燃燒化石燃料產生的二氧化碳(CO2 From fossil fuels)、建用地
(Build-up land)、核能 Nuclear energy)等足跡指標。其中計算燃燒化石燃 料產生二氧化碳的碳足跡，是計算每個人，因為燃燒化石燃料產生的二 氧化碳，需要有多少的土地面積，才得以供應每個人自然處理其產生的 二氧化碳與生存所需 (經濟部工業局, 2015)。 「碳足跡」就是行走歷程中所遺留下的痕跡。針對產品而言，在計 算碳足跡時必須包含：原料開採階段、產品製造階段、運送階段、使用 階段、及廢棄與回收階段等全程生命週期的總排放量，可分為搖籃到大 門(Cradle to Cradle, C2C)及搖籃到墳墓(Cradle to Grave, C2G)。計算產品 碳足跡涉及的範圍非常廣泛，許多企業僅侷限初步產品製程的碳排放量
計算。但在近幾年，國外企業在推動碳排放量盤查已有多年經驗並逐漸 體認，碳減量責任不應僅侷限在自家範圍，而產品生命週期中最大碳排 放量，不一定是製程階段，像是高耗油或耗電產品，碳排放量往往是在 使用階段時最大。因此，企業已開始思考納入計算供應端與產品輸出端 的碳足跡(經濟部工業局, 2015)。
2.4.1 碳足跡規範
對於產品的碳足跡計算方法每個國家都有自己制定的計算標準，其 中比較有名的包括：國際標準組織(ISO)、英國 PAS 2050、日本 TS Q0010…等，但會造成國際上眾多不同標準與規範如表 2-4(經濟部, 2015； BSI 英國標準協會, 2018)，因此建立的產品碳排放資訊不足以進行有意義 的 比 較 ， 因 此 碳 足 跡 準 則 需 要 的 全 球 一 致 性 ， 於 是 國 際 標 準 組 織 (International Organization for Standardization, ISO)以 ISO 14040 標準為基 礎，參酌 PAS 2050 標準為輔助，於 2013 年訂出產品碳足跡標準 ISO 14067 並在 2018 年被 ISO 14067：2018 取代。表 2-4 國際碳足跡類別(經濟部, 2015；BSI 英國標準協會, 2018) 類別 標準/規範名稱 發展狀況 國際標準組織(ISO) ISO14067:2018 -取代技術 規範 ISO / TS 14067： 2013，更加註重量化，及與 其他標準 20011 年版於 2011 年 10 月公布 2018 年版於 2018 年 8 月公布 日本 TS Q0010 碳足跡計算準則 PCR 制定指引 2009 年 3 月公布 第 1 版 2010 年 7 月更新為 第 2 版 英國 PAS2050 BSI PAS 2050 產品與服務 溫室氣體排放生命週期評 估規範 2008 年版於 2008 年 10 月公布 2011 年版於 2011 年 10 月公布 WRI/WBCSD 產品生命週期標準 範疇 3 計算標準 2010 年 1 月草案版 2011 年 10 月公布為 正式版 而我國已建立的生命週期評估法「產品與服務碳足跡計算指引」是 參考 PAS 2050 及 ISO/DIS 14067.1，如圖 2-5 所示。整理出 PAS 2050 與 ISO 14067 產品與服務碳足跡相關驗證標準內容如表 2.5 所示(環保署, 2015)。
圖 2-5 產品與服務碳足跡計算指引(環保署, 2015) 社會各界有一致性的評估方法用於計算產品與服務生命週期溫室氣 體排放(環保署, 2015)。本指引具有以下效益： 1. 可供組織檢視內部現有商品與服務之生命週期溫室氣體排放現況。 2. 促進組織重新檢視其供應鏈之溫室氣體排放，提供改善其產品與服務 生命週期溫室氣體排放之機會。 3. 提供產品與服務一致性與標準化之方法，以進行生命週期溫室氣體排 放評估。 表 2-5 為我國的碳足跡與國外 PAS5020 與 ISO14076 碳足跡相關驗證 標準差異性分析(郭建宏, 2015；環保署, 2015；BSI 英國標準協會, 2018)。
表 2-5 產品與服務碳足跡相關驗證標準差異 (郭建宏, 2015；環保署, 2015；BSI 英國標準協會, 2018) 標準 PAS2050 ISO 14067:2018 環保署碳足跡 計算準則 適用範圍 產品與服務 產品與服務 產品與服務 計算對象 IPCC 最新公告之 溫室氣體 GWP 值 IPCC 最新公告之 溫室氣體 GWP 值 IPCC 最新公告之 溫室氣體 GWP 值 計算範疇 搖籃到大門 搖籃到墳墓 搖籃到大門 大門到大門 搖籃到墳墓 搖籃到大門 搖籃到墳墓 計算公式 活動碳足跡= 活動數據×排 放係數(每單位 CO2eq) ×GWP 活動碳足跡= 活動數據×排 放係數(每單位 CO2eq) ×GWP 活動碳足跡= 活動數據×排放 係數(每單位 CO2eq)×GWP 數據要求 有具體要求 有具體要求 有具體要求 查證 獨立第三者 查證 藉由 ISO 14064 查證 獨立第三者 查證 經其他查證 經其他查證 自行查證 自行查證 溝通/報告 依照內容輔合 之宣告 依照章節內之 要求 與 ISO/TS 14067 接軌
2.4.2 碳足跡與能源回收期計算方法
一、 碳足跡 碳足跡是計算檢視商品組織內部之生命週期溫室氣體排放現況，促進重新檢視其供應鏈的溫室氣體排放於商品背後組織，並提供機會於改 善產品與服務生命週期溫室氣體排放。並且給予產品與服務標準化與一 致性的方法，以進行評估生命週期溫室氣體排放。 碳足跡計算時能有相同的準則及生命週期評估範圍，進而確保其透 明性與公平性，已訂定「 碳足跡產品類別規則訂定指引」。產品類別規 則訂定指引供該類服務業者所組成之同業公(協、商)會或協助製造商透過 程序化與標準化的制定程序，完成該項產品的碳足跡產品類別規則，並 作為數據蒐集項目與界定計算邊界範疇的依據(經濟部工業局, 2015)。碳 足跡計算公式如下: 活動之碳足跡=活動數據(質量/體積/kWh/km)×排放係數×GWP (2.1) 活動數據:單位產品活動數據 排放係數:每單位生產量或能源消耗量所排出空氣污染物的量 GWP: 全球暖化潛勢(Global warming potential)
二、 能源回收期
能源回收期 EPBT(Energy Payback Time)是評估再生能源績效值的重 要指標之ㄧ。其意指要回收系統之總能源投入所需花費的時間，換言之， 即系統營運所產生之能源量足以取代系統生命週期所耗用之能資源的時 間。所耗費期間越短,表其效率越好。 能源償付期之計算公式如下: 能源回收期 EPBT = Einput Eoutput
(2.2)
Einput:太陽能發電系統生命週期從生產階段到廢棄階段所消耗的能源 Eoutput:太陽能發電系統每年的發電能量輸出
2.5 太陽能系統環境衝擊之文獻回顧
分析過去相關的太陽能發電系統碳足跡與能源回收期文獻，在相關 文獻中有研究不同的電池材料如單晶矽、多晶矽、非晶矽、CIGS、CdTe、 DSSC，不同的系統設置類型有地面型與屋頂型的太陽能發電系統，使用 不一樣的材料產生不同的轉換效率、在不同地區影響的太陽照射量以及 每座不同的太陽發電系統使用的年限，將不同文獻的研究列表與分析， 如表 2-6、表 2-7。表 2-6 相關太陽能文獻回顧分析 文獻 PV 種類 年限 (year) 效率 (％) 太陽輻射量 (kWh/m2/yr) 碳足跡 (gCO2eq/ kWh) EPBT (年) Hur et al. (2014) 單晶矽 (地面型) 30 15.9 1301.35 41.8 4.69 Komota et al. (2010) 單晶矽 (地面型) 30 14.3 1702 54 2.5 Desideri et al. (2013) 多晶矽 (地面型) 28 16 1552 22 0.8 Peishu et al. (2017) 多晶矽 (地面型) 30 17.5 2017 36.75 2.3 Alsema (2012) 非晶矽(屋 頂型) 30 7 1700 50 2.7 Bargigli et al. (2007) CdTe (屋頂型) 20 11 1700 48 2.8 Fujihara et al. (2001) CdTe (屋頂型) 20 10.3 1430 14 1.7 Held and llg. (2011) CdTe (地面型) 30 10.9 1700 20.9 0.8 Cha et al. (2014) CdTe (地面型) 30 11.2 1810 15.1 0.94 Basosi et al. (2012) DSSC (屋頂型) 20 8 1700 22.29 1.58
表 2-7 相關太陽能文獻範疇界定
範疇界定 相關文獻
搖籃到大門(原料製造、 運輸、使用階段)
Komota et al. (2010)、 Bargigli et al. (2007) Fujihara et al. (2001) 、Cha et al. (2014) 、
Basosi et al. (2012) 搖籃到墳墓(原料製造、
運輸、使用、廢棄階段)
Hur et al.(2014)、Desideri et al. (2013)、Alsema, (2012)、Held and llg, (2008)、Peishu et al. (2017) 從表 2-6 與表 2-7 再依序分析每篇文獻的研究方法與結果討論。 1. Hur et al. (2014)使用生命週期評估（LCA）研究了與韓國的矽基太陽
能（PV）系統相關的環境問題。此篇文獻的太陽能系統目標界定包括 系統平衡（BOS）的單晶矽（sc-Si）和多晶矽（mc-Si）模塊，系統使 用年限為 30 年，當地太陽能輻射量為 1301.35 kWh/m2/yr，範疇界定 從製造、運輸、使用運營與廢棄處理階段，確定研究目標與範疇後在分 析相關的環境影響衝擊問題，包含全球變暖潛能值（GWP），化石燃 料消耗量（FFC），CO 2能源回收期（分析目標太陽能系統整個生命週
期中的 EPBT），而此篇文獻研究結果碳足跡為 41.8 gCO2eq/kWh，能
源回收期為 4.69 年。 2. Komota et al. (2010)研究對象為安裝於中東地區沙漠的 MW 級至 GW 級太陽能裝置發電系統，以單晶矽為主的太陽能電板，轉換效率為 14.3 ％，系統使用年限 30 年，太陽能的輻射為 1702 kWh/m2/yr，範疇界定 從製造、運輸、使用，但無廢棄階段計算其整個太陽能發電系統的能 源回收期與 CO 2排放量。研究結果 CO 2碳足跡為 54 gCO2eq/kWh， 能源回收期(EPBT)為 2.5 年。
3. Desideri et al. (2013)是針對位在義大利佩魯賈的兩個太陽能發電廠做 生命週期評估比較研究，分析其兩者的碳足跡與能源回收期對環境影 響衝擊評估，使用的太陽能電板是屬於多晶矽材料，轉換效率 16％， 系統使用年限為 28 年，太陽能輻射量為 1552 kWh/m2/yr，評估範疇的 界定從製造，運輸，使用到廢棄處理階段，使用的分析方法是SimaPro 7.1 軟體和 Eco-Indicator 99 方法進行模擬計算。研究結果碳足跡 22 gCO2eq/kWh，能源回收期(EPBT)為 0.8 年。 4. Peishu et al. (2017)研究對象為中國典型的 1 兆瓦並網地面安裝太陽能 電站進行生命週期評估（LCA）使用多晶（multi-Si）太陽能裝置的環 境性能，轉換效率為 17.5％，系統使用年限為 30 年，太陽能的輻射量 為 2017 kWh/m2/yr，蒐集相關數據後再分析其能量回收時間與碳足跡， 研究結果能源回收期(EPBT)結果為 2.3 年與每度電所產生碳足跡為 36.75g CO2eq/kWh。 5. Alsema, (2012)的研究對象為非晶矽的太陽能發電系統並探討其碳足 跡與能源回收期，案例的位置假設於南歐，太陽能發電轉換效率為 7 ％，太陽能系統使用年限為 30 年，太陽能輻射量為 1700 kWh/m2/yr， 範疇界定從製造，運輸，使用和廢棄處理階段。而本篇文獻研究結果 碳足跡為 50 gCO2eq/kWh，能源回收期(EPBT)為 2.7 年。
6. Bargigli et al. (2007)針對 CdTe 模塊的生命週期評估（LCA）結果，太 陽能板轉換效率 11％，假設系統使用年限為 20 年，假設位置於南歐 而太陽能輻射量為 1700 kWh/m2/yr，範疇界定為製造階段到使用階段，
跡為 48 gCO2eq/kWh，能源回收期(EPBT)為 2.8 年。
7. Fujihara et al. (2001)探討位在日本太陽能發電系統的生命週期評估， 分析其碳足跡與能源回收期，案例的裝置容量 100 MW，太陽能板使 用 的 材 質 為 CdTe ， 轉 換 效 率 為 11.2 ％ ， 太 陽 能 輻 射 量 為 1430(kWh/m2/yr)，目標範疇界定從製造、運輸到使用。本篇文獻的研 究結果分別為碳足跡14 gCO2eq/kWh 與能源回收期(EPBT)1.7 年。
8. Held and llg, (2011)是研究地面型 CdTe 太陽能發電系統的能源回收期 以及溫室氣體排放評估，與歐洲不同國家傳統發電做比較分析，本篇 文獻研究案例位在德國，系統裝置量為 25 MW，電池轉換效率 10.9 ％，太陽輻射量為 1700 (kWh/m2/yr)，生命週期為 30 年，研究方法 使用的生命週期評估軟體 GaBi 4 數據庫，範疇界定從製造，運輸， 使用和廢棄處理階段。此篇文獻每度電所產生碳足跡的研究結果為 20.9 gCO2eq/kWh，能源回收期為 0.8 年，再比較不同地點照射量影 響與傳統發電的溫室氣體碳排放分析如表 2-7。
表 2-8 1kW 的 CdTe 太陽能系統產生碳排放比較(Held and llg, 2011)
發電系統 太陽輻射量 (kWh/m2/yr) 碳排放 (kgCO2eq/kWh) CdTe 太陽能發電系統 1200 0.0295 1700 0.0209 1900 0.0187 德國傳統發電 0.706 西班牙傳統發電 0.633 意大利傳統發電 0.701
從(Held and llg, 2008)文獻的研究結果表 2-7 可以發現地面型 CdTe 太 陽能發電系統，在不同的太陽能輻射會產生不一樣排放結果，並與 傳統發電的碳排都來的低。
9. Cha et al. (2014)是針對位在馬來西亞的地面型 CdTe 太陽能發電統研 究，探討其碳足跡和能源回收期與其它不同材料的電池做比較分析， 此篇文獻的太陽能系統裝置容量為 100 kW，電池轉換效率為 11.2%， 太陽能輻射量 1810 kWh/m2/yr，生命週期為 30 年，範疇界定為搖籃 到大門從製造、運輸到使用階段。 此篇論文的每度電所產生碳足跡計算結果為 15.1 gCO2eq/kWh，能源 回收期為 0.94 年，與不同材質的太陽能系統做比較分析碳排放如表 2-8。 表 2-9 不同太陽能電池碳排放比較分析(Cha et al., 2014) CdTe 單晶矽 多晶矽 CIS 電板面積(m2) 892.857 649,351 740.741 1,000 PV 轉換效率% 11.2 15.4 13.5 10 碳足跡 (kgCO2eq/kWh) 0.0151 0.0387 0.0362 0.0379 從(Cha et al. 2014)文獻研究結果可以發現 CdTe 材料的太陽能系統所 產生的碳排放比其它電池材料還得低。
10. Basosi et al. (2012)此篇文獻針對屋頂型太陽能發電系統生命週期評 估做研究，使用太陽能電池的材質是染料敏化太陽能電池（DSSC）， 研究案例位在南歐，系統使用年限為 20 年，太陽能輻射量為 1700 kWh/m2/yr，目標範疇界定的範圍從製造、運輸、使用不包含廢棄階
段，計算方法使用 SimaPro Software 7.2。本文獻研究結果針對碳足跡 與能源回收期(EPBT)，結果分別碳足跡為 22.29 kg CO2eq/kWh，能源 回收期(EPBT)為 1.58 年。 從表 2-6 整理出各篇文獻回顧後，本研選定 Held and llg, ( 2011)文獻 與 Cha et al. (2014)文獻為本研究比較分析對象，選這兩篇文獻的原因是 與本研究所使用的太陽能電池相同為薄膜太陽能電池，但使用年限不一 樣，範疇界定不同，因此可以比較其差異性，並作為本研究分析與結果 討論。
第三章 研究方法
3.1 研究內容與架構
本研究先選定研究案例以地面型 CIGS 太陽能發電系統為主軸，透過 碳足跡評估與能源回收期的計算，使用生命週期軟體 SimaPro 8.5.2 為盤 查分析工具為主以及環保署所提供產品碳足跡計算服務平台與相關的文 獻資料為輔助，計算 CIGS 地面型太陽能發電系統之碳足跡及能源回收期， 並藉由過去相關的文獻與本研究之結果做比較分析。本研究步驟如下： a. 選定研究案例，蒐集案場所有資料。 b. 訂定系統邊界與評估標的產品之功能單位，並繪製目標邊界範疇以利 後續應用軟體計算其碳足跡與能源回收期。 c. 進行數據盤查，不足部分由 SimaPro 8.5.2 資料庫 EcoInvent 99 數據庫 以及相關文獻替代。3.2 選定研究案例
本研究選定的案例位在屏東縣內埔鄉的太陽能發電系統，案場是 CIGS 地面型發電系統裝置太陽能發電系統，太陽能電板轉換效率由廠商 提供，轉換效率為 14％，發電容量為 78.6 kW，主要由 CIGS 太陽能電板、 逆變器、變壓器及鋼材支撐架為整個系統組成，太陽能系統使用年限為 20 年(逆變器使用年限 8 年)，面積為 550 平方公尺，離地高度 1.6~3.8 公 尺。圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3，分別為案場的空拍照、近拍照以及案場 BOS （ Balance of System）。圖 3-1 案場近拍照
圖 3-3 案場 BOS 系統
3.3 研究案例目標邊界假設
一、 功能單位假設 功能單位用以表示最終結果之標準化/一致化參數，應用於系統比較 應採用相同的功能單位與對等的方法考量，本研究則以太陽能發電系統 每發一度電(1 kWh)為功能單位。 二、 系統邊界假設 a. 原料製程階段：原料階段包含整個案場太陽能系統每一個部件的組成， 太 陽能電池、BOS 中主要包含逆變器、變壓器、鋼材、水泥..等。 b. 運輸階段：運輸階段包含整個案場原料的運送所使用的交通工具，大 貨車、小貨車等。 c. 使用階段：太陽能電板的使用中生產電力。 d. 廢棄/回收階段：到達太陽能系統使用年限，並將太陽能系統的組行進行焚化處置或回收處置。 本研究繪製系統邊界假設圖從搖籃到墳墓，如圖 3-4。 CIGS 電板、基 座(鋼、鋁、水泥、 其它) 運輸工具 (大貨車、小客車) 太陽能系統發電 產生電力 太陽能系統 (回收、焚化) 使用年限 20 年 原料製成階段 運輸階段 使用階段 廢棄階段 圖 3-4 系統邊界圖
3.4 生命週期評估軟體
確定研究案例以及假設目標的邊界範疇，再進行生命週期評估的分 析，生命週期評估軟體是輔助環境管理的有效工具之一，而完整的生命 週期評估必須包含原料開採、製造、運輸、使用以及最終處置等過程， 因此 所需的人力、物力以及時間上的花費都非常的龐大，尤其在建置生 命週期 盤查資料庫及進行衝擊分析的統計上都是一項大工程，因此衍生 出許多依據生命週期概念而發展的生命週期評估軟體，提供使用者得以 簡化應用生命週期評估至不同領域中。 現今有許多生命週期評估軟體，諸如: Boustead Consulting(英國)、 PIRA International(英國)、Weston(美國)、Environmental Conscious Design Support System( 美 國 ) 、 Chem Systems( 美 國 ) 、 NIRE-LCA( 日 本 ) 、EcoReport(荷蘭)、 GaBi(德國)、Umberto(德國) 、SimaPro(荷蘭)及 Do It Pro(台灣)。生命週期評估軟體系統涵蓋查詢、計算、整合、比較以及模 擬等功能。其中以荷蘭 Leiden 大學所開發的 SimaPro 軟體是目前應用 廣泛的生命週期評估軟體，目前軟體版本已更新到 8.5.2 版。是成熟度 高且操作容易的專業軟體(楊士瑩, 2012；李佩蓓, 2011；施勵行, 2010)。
3.4.1 SimaPro 簡介
本研究使用生命週期評估軟體 SimaPro 8.5.2 輔助及計算，同時利用 標準化(Normalization)後比較每次使用所產生在不同程序及原物料中的 環境衝擊，經由 SimaPro 的資料庫及運算程式，首先從數據庫中選擇您 想知道的物料如圖 3-4，並且可分析量化得到各污染物輸出量，SimaPro 軟體除了針對各種環境衝擊可以建立一個環境指標外，還以樹狀圖清楚 的表示環境負荷，藉由樹狀圖清楚的呈現出各個輸入的物料與能量的分 支如圖 3-5，快速的判斷該物料及能量對環境的衝擊性，並以軟體中的方 法學進行計算，選擇環境衝擊的影響類別，評估物料對環境衝擊的結果 如圖 3-6。圖 3-4 選擇各階段材料的盤查資料 SimaPro 8.5.2
圖 3-6 物料計算結果呈現 SimaPro 8.5.2
3.5 案場太陽能輻射分析
本研究計算案場的碳足跡及能源回收期過程，需要精確的太陽能輻 射的數據，因此借由太陽能輻射軟體為輔助，本研就選擇 Meteonorm 軟 體進行輔助工具分析，這套 Meteonorm 是應用於農業、林業、太陽能、 建築設計、冷暖氣系統、教育、環境研究、再生能源系統的設計..等，而 本研究將用於太陽能作業中並使用此軟體的太陽輻射數據來源。3.5 Meteonorm 氣象數據庫簡介
Meteonorm 軟體系統是一套可為地球上的任何地方提供準確的天氣 數據：輻射、溫度、濕度、風、降水和其他氣候參數，如圖 3-5 。Meteonorm 基於來自 8,325 個氣象站的數據，提供高精度的全球氣象數據，如圖 3-6。 Meteonorm 包含全球氣象數據，有超過 35 種以上的數據格式可進行分析 使用，如圖 3-7。這些數據可以是進行文本分析的 Excel 文件，或者也可 導入太陽能、光電或建築研究分析的模擬軟體。 圖 3-7 Meteonorm 軟體介面圖 3-8 Meteonorm 準確定位
3.6 案場太陽能系統發電量假設
本研究的太陽能案場輻射量計算公式參考自(楊士瑩, 2012)的相關文 獻，計算出一年的發電量理論值在與實際案場的太陽能發電量比較分析， 再為本研究的計算數據來源。 1. 理論的太陽能每年發電量計算如下: CIGS 太陽能發電系統預期發電量計算公式:
W= A×G×C×Y W：CIGS 太陽能發電系統預期發電量 A：太陽能電池發電面積(m2)，系統面積為 535 m2 G：照射量，以全球氣象資料庫 Meteonorm7.3 軟體數據得知 1429 kWh/m2 C：太陽能電池轉換效率％，CIGS 太陽能電池轉換效率廠商提供:14.6％ 計算結果 W= A×G×C×Y= 111,619.19 kWh 2. 實際案場約一年由的發電量由太陽能案場的所有人提供，如表 3-1 表 3-1 案場實際發電量 日期時間 發電量(kWh) 2019.1.10~2019.05.08 32,120 2019.05.08~2019.09~05 30,000 2019.09.05~2020.01.03 29,280 總發電量 91,400 比較理論計算的發電量 111,619.19 kWh 與實際發電量 91,400 kWh 相 差 20％以下，因此本研究以理論發電量 111,619.19 kWh 為本研究計算研 究分析。第四章 結果與討論
4.1 功能單位假設與系統盤查分析
針對 CIGS 太陽能發電系統使用年限 20 年的生命週期，設定功能單 位並確定系統邊界的假設，進行各階段的資料盤查分為原料階段、運輸 階段、使用階段、廢棄階段。4.1.1 功能單位假設
本研究以案場太陽能發電系統每發一度電(1 kWh)為功能單位，各生 命週期階段的原物料投入與能資源投入以及廢棄排放計算後的碳排放量 結果轉換為每功能單位之負荷，得知使用此系統每發一度電所產生的碳 排放。4.1.2 各階段碳排放盤查分析
基本太陽能發電系統主要包含太陽能電板、逆變器、AC/DC 箱、電 線、鋼材支架，而除了太陽能系統中除太陽能面板以外的所有組件稱為 系統的平衡（ Balance of System, BOS），這包括電線，開關，安裝系統， 一個或多個太陽能逆變器(使用年限 8 年)，電池組和電池充電器，本研究 將案場所需詳細資料整於表 4-1。本研究繪製太陽能系統示意圖，如圖 4-1。表 4-1 案場盤查所需資料整理以及數據來源 組件 詳細內容 數據來源(碳排係數) 太陽能電板 CIGS 模組 逆變器 塑膠、銅、鐵、玻璃 鋁不鏽鋼、散熱 矽橡膠、矽半導體、玻璃纖維基板、 塑膠壓克力、其它金屬、塑膠、銅、 鐵、玻璃 AC 箱/ DC 箱 白鐵、塑膠、鐵、銅、矽 支架 鋼、鋁 鋁線槽 鋁合金 螺絲 不銹鋼、銅 電線 塑膠、銅 銅線 銅 矽力膠 水泥 (Scholten, 2016)
(Beolchini and Rocchetti, 2015) 文獻提供
BOS (Balance of System )
圖 4-1 太陽能系統示意圖
一、 原料製程階段盤查分析
此階段列出太陽能系統製成所投入的能資源清單，並透過生命週期 軟 體 SimaPro8.5.2 進 行 盤 查 分 析 ， 得 知 投 入 每 單 位 材 料 的 碳 排 放 (kgCO2eq/kg)，其模組主要材料包含太陽能電池、BOS 系統(逆變器、AC
箱、DC 箱、鋼架、水泥基座、鋁材…等)，其中太陽能電板盤查數據由 廠商提供，而 BOS Balance of System)系統包含主要的(逆變器、系統支 架、AC 箱、DC 箱、水泥…等)由案場建商所提供，以及原料製成過程所 投入的電力、水。
本研究的太陽能電板碳排數據由相關文獻(Scholten, 2016)提供整理 於表 4-2，而逆變器、AC 箱與 DC 箱盤查清單獨立列表於表 4-3、表 4-4、 表 4-5。再整合全部盤查清單於表 4-6。
表 4-2 各國太陽能電板製造每平方公尺碳排量(Scholten, 2016)
太陽能板種類 單位 奧地利 比利時 保加利亞
a-Si kgCO2eq/ m2 25.091 25.726 36.459
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 26.782 27.833 45.575
CdTe kgCO2eq/ m2 14.821 15.290 23.194
CIGS kgCO2eq/ m2 35.926 36.675 49.336
太陽能板種類 單位 瑞士 賽普勒斯 丹麥
a-Si kgCO2eq/ m2 13.847 47.228 37.186
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 8.194 63.380 46.778
CdTe kgCO2eq/ m2 6.541 31.126 23.730
CIGS kgCO2eq/ m2 22.662 62.040 50.194
太陽能板種類 單位 德國 愛沙尼亞 西班牙
a-Si kgCO2eq/ m2 38.719 56.445 32.894
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 49.313 78.617 39.683
CdTe kgCO2eq/ m2 24.859 37.914 20.569
CIGS kgCO2eq/ m2 52.003 72.913 45.131
太陽能板種類 單位 芬蘭 法國 英國
a-Si kgCO2eq/ m2 27.820 16.454 36.360
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 31.294 12.503 45.413
CdTe kgCO2eq/ m2 16.832 8.461 23.122
太陽能板種類 單位 克羅埃西亞 匈牙利 愛爾蘭 a-Si kgCO2eq/ m2 26.035 40.007 43.247
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 28.342 51.442 56.789
CdTe kgCO2eq/ m2 15.517 25.808 28.193
CIGS kgCO2eq/ m2 34.474 53.522 57.344
太陽能板種類 單位 冰島 義大利 列支敦斯登
a-Si kgCO2eq/ m2 13.772 37.612 14.840
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 8.070 47.483 9.835
CdTe kgCO2eq/ m2 6.486 24.044 7.272
CIGS kgCO2eq/ m2 22.574 50.697 23.833
太陽能板種類 單位 立宛陶 盧森堡 希臘
a-Si kgCO2eq/ m2 18.585 33.405 52.005
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 16.026 40.527 71.276
CdTe kgCO2eq/ m2 10.030 20.945 34.643
CIGS kgCO2eq/ m2 28.251 45.733 67.675
太陽能板種類 單位 馬爾他 荷蘭 挪威
a-Si kgCO2eq/ m2 42.365 39.454 13.433
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 55.340 50.527 7.509
CdTe kgCO2eq/ m2 27.544 25.400 6.236
太陽能板種類 單位 波蘭 葡萄牙 羅馬尼亞 a-Si kgCO2eq/ m2 57.024 36.813 38.590
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 79.574 46.161 49.099
CdTe kgCO2eq/ m2 38.340 23.455 24.764
CIGS kgCO2eq/ m2 73.596 49.754 51.850
太陽能板種類 單位 瑞典 斯洛維尼亞 斯洛伐克
a-Si kgCO2eq/ m2 14.564 32.060 27.343
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 9.379 38.304 30.505
CdTe kgCO2eq/ m2 7.069 19.955 16.480
CIGS kgCO2eq/ m2 23.508 44.147 38.582
太陽能板種類 單位 中國 日本 南韓
a-Si kgCO2eq/ m2 57.088 34.375 37.972
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 79.680 42.123 48.077
CdTe kgCO2eq/ m2 38.387 21.660 24.308
CIGS kgCO2eq/ m2 73.672 46.878 51.121
太陽能板種類 單位 馬來西亞 美國 台灣
a-Si kgCO2eq/ m2 52.587 40.589 51.387
Si/μc-Si kgCO2eq/ m2 72.238 52.404 70.255
CdTe kgCO2eq/ m2 35.072 26.236 34.188
逆變器的資料由廠商所提供，本案廠使用數量為 4 台，但每台使用年 限為 8 年，但本研究案廠生命週期為 20 年，因此本研究的使用數量為 12 台在作計算。而單一逆變器盤查分析碳排放量如表 4-3。 表 4-3 單一逆變器盤查分析 材料 重量(g) 單位材料碳排放 (kgCO2eq/kg) 碳排量 (kg) 資料/數據來源 廠商提供 SimaPro8.5.2 塑膠 2500 2.12 5.3 銅 1000 8.02 8.02 鐵 2000 2.09 4.18 玻璃 500 2.61 1.305 鋁 15000 7.35 110.25 不鏽鋼 9000 4.9 44.1 散熱矽橡膠 5800 3.32 19.256 矽半導體 1000 24.7 24.7 玻璃纖維基板 2000 2.61 5.22 塑膠壓克力 1000 8.77 8.77 其它金屬 2200 3.675 7.35 碳排放量總合 238.45
表 4-4 單一 AC 箱盤查清單 類別 材料 數量單位(g) 放(kgCO單位材料碳排 2eq/kg) 碳排量 (kg) 資料/數據來源 廠商提供 廠商提供 SimaPro8.5.2 AC 箱 白鐵 30000 4.9 147 塑膠 700 5.3 3.71 鐵 900 4.18 3.76 銅 100 8.02 0.80 矽 50 7.54 0.37 單一 AC 箱碳排放量總合 155.64 表 4-5 單一 DC 箱盤查清單 類別 材料 數量單位(g) 放(kgCO單位材料碳排 2eq/kg) 碳排量 (kg) 資料/數據來源 廠商提供 廠商提供 SimaPro8.5.2 DC 箱 白鐵 15000 4.9 73.5 塑膠 2800 5.3 1.48 鐵 3600 4.18 1.5 銅 2400 8.02 1.92 矽 20 7.54 0.15 單一 DC 箱碳排放量總合 78.55
為 8 年因此計算使用數量為 12 台，並將整體太陽能系統所需數量及組件 整理於表 4-6。 表 4-6 整體太陽能系統盤查之碳排放 類別 數量/重量 單位物料碳排放 (kgCO2eq/kg) 碳排量 (kg) 資料/數據來源 廠商提供 SimaPro8.5.2 太陽能電板 228 片(535m2) Scholten, (2016)文獻提供: 66.946 (kgCO2eq/ m2) 35816.24 逆變器 12 台 238.45 2861.4 AC 箱 1 台 155.64 155.64 DC 箱 4 台 78.55 314.2 鋼架 9115.92 kg 1.9 17320.24 鋁線槽 84.55 kg 5.11 432.05 螺絲 4.95 kg 3.08 15.24 電線 438.16 kg 0.8 35 銅線 1.23 kg 8.02 9.86 矽力膠 13.44 kg 3.32 44.62 水泥 420 kg 0.85 356.58 碳排總合 57361.07 原料製程階段所投入的能資源電力與水由廠商所提供，整理於表 4-7
表 4-7 能資源投入清單 類別 數量 單位碳排放 碳排放 (kg) 資料/數據 來源 廠商提供 SimaPro8.5.2 電力 197 kwh 0.533 kgCO2eq/ kWh 105 水 3,393.56 kg 8.11×10-6 kgCO2eq/度 0.34 二、 運輸階段盤查分析 運輸階段為太陽能發電系統建造時所需物料投入的運送，運送過程 所使用工具並歸類為大貨車與小客車，包括了運輸的公里數，物料所需 的重量，資料的來源由廠商所提供，再經由 SimaPro8.5.2 數據分析的碳 排係數計算其運輸階段的總碳排放。本研究將運輸階段盤查分析的碳排 量整理於表 4-8。
表 4-8 運輸階段盤查分析之碳排量 類別 運輸工 具 運輸地 公里數 (km) 公噸 (t) 運輸係數 (kgCO2eq/tkm) 碳排量 (kg) 資料/數據 來源 廠商提供 SimaPro8.5.2 CIGS 太陽 能電板 大貨車 苗栗縣 頭份 278 7.592 0.0933 197 逆變器 大貨車 桃園市 桃園 329 0.504 0.0933 15.47 電線 大貨車 高雄市 仁武 33 0.555 0.0933 1.7 鋁架 大貨車 台南市 安南 78 0.084 0.0933 0.6 鋼架 大貨車 高雄市 仁武 33 9.116 0.0933 28 螺絲 大貨車 高雄市 仁武 33 0.005 0.0933 0.01 水泥 大貨車 屏東縣 屏東市 12 0.42 0.0933 0.47 矽膠 小客車 高雄市 鳳山 26 0.013 0.201 0.03 鋁線槽 大貨車 高雄市 鳥松 27 0.084 0.0933 0.21 AC 箱 大貨車 高雄市 大寮 19 0.032 0.0933 0.05 DC 箱 大貨車 高雄市 大寮 19 0.064 0.0933 0.11 碳排總合 243.65
三、 使用階段盤查分析 使用階段為太陽能轉換成電能的提供，所以無產生碳排放，並參考 過去文獻(黃建源, 2011)、(楊士瑩, 2012)、(羅心慈, 2015)本階段碳排假設 為零，因此本研究使用階段的碳排放假設為零。 四、 廢棄/回收階段盤查分析 此階段為太陽能系統的廢棄與回收處理的階段，當中的正負值為廢 棄焚化處理的正值與回收處理則為負值。廢棄/回收處理中太陽能板的每 單位公斤碳排量資料來自於(Beolchini and Rocchetti, 2015)，BOS 的碳排 數據來自於 SimaPro 8.5.2 計算。本研究整理案場各材料廢棄與回收處置 產生的碳排量於表 4-9。
表 4-9 廢棄/回收階段之碳排量 類別 重量(kg) kgCO2eq/kg 總量 (kg) 資料/數據來源 廠商提供 SimaPro8.5.2 太陽能板 7592.4 2.5 18981 塑 膠 31.9 -1.59 -50.72 銅 17.7 0.594 10.51 鐵 31.3 -0.86 -26.92 鋁 204.55 -11.9 -2434.16 不 鏽 鋼 162 -0.86 -139.32 玻 璃 4 -0.755 -3.2 鋼架 9115.92 -0.86 -7839.7 電線 438.16 -1.56 -683.52 碳排總合 7613.97 計算出各階段碳排放後，再將各階段碳排放量整理於表 4-10。 表 4-10 CIGS 太陽能系統使用年限 20 年生命週期各階段碳排放量 各階段碳排放量 單位(kgCO2eq) 原料階段 57361.07 運輸階段 243.65 使用階段 0 廢棄階段 7631.63 總量 65524.03
本案場 CIGS 太陽能系統碳足跡為 65524.03 kgCO2eq
