考慮處置階段的光伏組件生命周期評價

趙若楠，董莉，喬琦，劉景洋，白璐，張玥，謝明輝

中國環(huán)境科學研究院

我國是光伏行業(yè)大國,自2011年開始,光伏產(chǎn)品開始占據(jù)世界第一的市場份額。2018年,我國的高純多晶硅、硅片、電池片、組件等光伏產(chǎn)品產(chǎn)量分別占全球市場的 58.1%、93.1%、74.8%、72.8%[1],成為名副其實的光伏大國。由于在第一次全國污染源普查工作(2007—2009年)中,并未對該行業(yè)的產(chǎn)排污情況進行普查[2],特別是當時光伏行業(yè)在我國處于起步階段,行業(yè)集中度較低,企業(yè)規(guī)模普遍偏小。因此,針對當時的行業(yè)產(chǎn)排污情況、環(huán)境影響等并未給予足夠的重視,也缺乏詳實的污染源數(shù)據(jù)和可量化的環(huán)境評價。

目前國際上對光伏行業(yè)生命周期評價的研究主要聚焦在:1)能源回收期。始于20世紀70年代,這也是最早采用生命周期評價研究光伏行業(yè)的視角,1976年Hunt[3]首次核算了單晶組件生產(chǎn)過程的能源消耗,并計算出能源回收期為12 a。2)碳排放。進入20世紀90年代后,國外學者開始關(guān)注光伏產(chǎn)品的碳排放問題,如Masakazu等[4-5]對6種不同組件類型的大規(guī)模光伏系統(tǒng)能量回收期、碳排放進行了分析,結(jié)果顯示薄膜電池的能量回收期最短(1.8 a),碳排放強度為43~54 g∕(kW·h)。3)環(huán)境影響。進入21世紀以來,為了全面評估光伏行業(yè)作為新能源行業(yè)的優(yōu)劣,國外學者開始研究光伏產(chǎn)品的環(huán)境影響,如Fthenakis等[6]對單晶硅、多晶硅、帶狀矽和碲化鎘光伏電池的生命周期環(huán)境影響進行了分析,并與火電進行比較；Jungbluth[7]核算了光伏產(chǎn)品的物質(zhì)能源輸出和污染物排放數(shù)據(jù),并被Ecoinvent數(shù)據(jù)庫收錄,這是光伏行業(yè)首次較為系統(tǒng)的生命周期數(shù)據(jù)清單分析工作。

我國學者對光伏產(chǎn)品的生命周期評價研究始于21世紀初,最初也是圍繞能源回收期方面,胡潤青[8-9]核算了我國多晶硅并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的能源回收期為1.57~6.92 a,同時提出如果考慮回收環(huán)節(jié)則更短。2011年,中國學者開始應(yīng)用生命周期評價對光伏行業(yè)的環(huán)境影響和碳排放進行研究,刁周瑋等[10]首次對我國光伏組件開展了生命周期評價,計算了能量回收期和全球變暖潛值,并探討了不同生產(chǎn)步驟和生產(chǎn)參數(shù)的影響。近年來的研究主要集中在:1)環(huán)境影響研究,如Fu等[11]采用生命周期評價的方法從全球變暖、富營養(yǎng)化等方面評估了中國多晶電池組件的環(huán)境影響；2)碳排放研究,如劉臣輝等[12]運用生命周期分析的方法對280 MW多晶硅—光伏系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈的碳排放環(huán)節(jié)進行了分析；3)國際貿(mào)易影響研究,如Yang等[13]充分考慮原材料國際貿(mào)易的環(huán)境影響轉(zhuǎn)移,基于生命周期評估框架對國產(chǎn)材料和進口材料進行區(qū)分,對我國光伏組件進行了生命周期評價；4)硅材料影響研究,如Chen等[14-15]采用生命周期評價的方法對我國單晶光伏組件和多晶光伏組件的環(huán)境影響和碳排放進行了研究；5)技術(shù)路線影響研究,如于志強等[16-17]對通過冶金法的技術(shù)路線生產(chǎn)高純多晶硅,以及并網(wǎng)發(fā)電的環(huán)境影響進行了評價；6)影響評價方法研究,如謝明輝等[18-19]建立了適用于我國光伏組件的終點破壞類別的生命周期環(huán)境影響評價模型,對我國光伏生產(chǎn)的環(huán)境影響、污染物回收期進行了研究。

我國學者對光伏組件的能源回收期、環(huán)境影響和碳排放開展了大量的研究,但這些研究集中在光伏組件的生產(chǎn)階段,使用和處置階段的研究較少。目前對處置階段的研究多基于回收率假設(shè)[11,20]、衡量增長假設(shè)[21-22]、試驗數(shù)據(jù)假設(shè)[23]等,不能如實反映廢棄光伏組件回收的實際情況。筆者所在研究團隊研發(fā)了光伏組件回收工藝,在工業(yè)上進行應(yīng)用,通過設(shè)定了不同的回收情景,對我國光伏組件包含處置階段在內(nèi)的全生命周期環(huán)境影響進行了評估,以期為光伏行業(yè)環(huán)境管理提供決策支持。

1 研究方法

研究基于ISO 14040—14043中的理論和方法[24]:1)確定目標范圍和系統(tǒng)邊界；2)進行清單分析；3)進行影響評價；4)結(jié)果解釋。影響評價方法基于Eco-indicator99[25],選擇了致癌、呼吸系統(tǒng)損害、氣候變化、生態(tài)毒性、酸化∕富營養(yǎng)化、礦產(chǎn)資源、化石燃料等7個影響類型,同時,基于本地化的相關(guān)研究[26-28],建立適用于光伏行業(yè)的終點破壞類影響評價模型。

評價模型對應(yīng)的終點分別是人體健康(包括致癌、呼吸系統(tǒng)損害、氣候變化),生態(tài)質(zhì)量(包括生態(tài)毒性、酸化∕富營養(yǎng)化)及資源(包括礦產(chǎn)資源、化石燃料),對應(yīng)的人均年度基準值分別為1.51×10－2DALY、1.19×10－2PDF和4.33×105MJ。DALY(disability adjusted of life year)為傷殘調(diào)整壽命年；PDF(potentially disappeared fraction)為潛在消失比例；MJ為剩余能源(surplus energy),其中剩余能源人均年度基準值和各終點的權(quán)重來自筆者所在課題組前期研究成果[18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 功能單元與系統(tǒng)邊界

根據(jù)光伏行業(yè)特征,功能單位確定為1 m2光伏組件,材質(zhì)為晶體硅材料(薄膜電池不在研究范圍內(nèi)),基于“搖籃到墳?zāi)埂崩砟?系統(tǒng)邊界包括生產(chǎn)、使用、處置3個生命周期階段,處置方式3種情景的系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 光伏組件生命周期評價的系統(tǒng)邊界Fig.1 Boundary of life cycle assessment of photovoltaic module

2.2 清單分析

生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)清單主要來自行業(yè)調(diào)研和文獻。光伏組件使用階段不產(chǎn)生污染物,主要資源消耗是支架和逆變器,由于支架在使用階段中基本沒有損耗,即使進入系統(tǒng)邊界,在處置階段也會以產(chǎn)品形式產(chǎn)出,因此不列入系統(tǒng)邊界內(nèi)；逆變器容配比采用1.2∶1,功率型號選取500 kW,即需要逆變器0.000 372個。

處置階段考慮3種情景:1)填埋情景。使用壽命到期后,直接填埋處置。2)拆解情景。使用壽命到期后,進行人工拆解鋁合金邊框,僅回收鋁合金邊框,其余部分填埋。3)熱解情景。使用壽命到期后,采用中國環(huán)境科學研究院研發(fā)的熱解回收工藝[29-31]回收鋁、銀、玻璃和晶硅片。該工藝是在人工拆解鋁合金邊框基礎(chǔ)上,采用高溫熱解分離玻璃和電池片,然后通過化學處理實現(xiàn)背板的鋁、前板的銀和晶硅片的回收,工藝流程見圖2。目前該工藝連續(xù)穩(wěn)定運行,為本研究提供了能源、資源消耗,污染物排放量,以及回收物質(zhì)量。回收的晶硅片可直接用于硅片生產(chǎn),品質(zhì)與新品一致,不考慮折舊。

圖2 廢棄光伏組件回收工藝流程Fig.2 Recycling process of waste photovoltaic modules

3個階段的數(shù)據(jù)清單見表1。

表1 光伏組件的生命周期數(shù)據(jù)清單Table 1 Life cycle inventory of photovoltaic modules

2.3 環(huán)境影響評價結(jié)果

根據(jù)第1章建立的終點破壞類影響評價模型和數(shù)據(jù)清單,對包含生產(chǎn)、使用和處置方式(填埋情景、拆解情景、熱解情景)的光伏組件全生命周期環(huán)境影響進行評估,結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,不同處置方式下的光伏組件全生命周期環(huán)境影響潛值不同,填埋情景為15.52 Pt,拆解情景為14.86 Pt,熱解情景為11.89 Pt,拆解情景較填埋情景可降低環(huán)境影響4.27%,熱解情景則可降低23.41%,說明隨著資源化程度的深入,環(huán)境影響不斷降低。

圖3 不同處置方式的光伏組件生命周期評價結(jié)果Fig.3 Life cycle assessment results of photovoltaic modules with different disposal methods

3個階段不同環(huán)境影響類別的比較如圖4所示。由圖4可見,環(huán)境影響主要集中在呼吸系統(tǒng)損害、致癌、氣候變化3個方面,這主要是由于光伏組件各階段電耗較高導致的,電耗帶來的環(huán)境影響分別占3種情景的光伏組件全生命周期環(huán)境影響的64.81%、67.70%、84.61%,比之前沒有考慮回收階段還要高(56%)[19]。此外,拆解情景和熱解情景對于不同類別環(huán)境影響的削減也不同,拆解情景較填埋情景在生態(tài)毒性方面環(huán)境影響削減的幅度最顯著(－11.1%),其他方面的削減幅度不到10%；熱解情景在化石燃料方面環(huán)境影響削減幅度最大,達到30.10%。

圖4 3種情景下的光伏組件生命周期評價結(jié)果Fig.4 Life cycle assessment results of photovoltaic modules under three scenarios

不同處置方式下光伏組件生命周期3個階段的環(huán)境影響如圖5所示。由圖5可見,3種情景下生產(chǎn)階段、使用階段的環(huán)境影響分別為13.98、1.50 Pt,而處置階段填埋情景、拆解情景、熱解情景的環(huán)境影響分別為0.04、－0.62、－3.59 Pt。處置階段填埋情景的環(huán)境影響為正,拆解、熱解情景的環(huán)境影響為負,且熱解情景產(chǎn)生的環(huán)境效益最大,因為采用熱解方式的處置階段回收了鋁合金、玻璃等產(chǎn)品,避免了生產(chǎn)這些產(chǎn)品所導致的環(huán)境影響。積極開展廢棄光伏組件回收工作,不僅可以推進清潔能源的使用,避免部分原料傳統(tǒng)生產(chǎn)過程的環(huán)境影響,還能降低光伏組件全生命周期環(huán)境影響,實現(xiàn)能源與環(huán)境雙贏。

圖5 3種情景下各階段生命周期環(huán)境影響Fig.5 Life cycle impacts of each stage under three scenarios

處置階段各類環(huán)境影響數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可見,填埋情景沒有回收任何物質(zhì),而報廢組件填埋處置,有少量的環(huán)境影響產(chǎn)生(0.04 Pt)；拆解情景經(jīng)人工拆解后,可得到鋁合金,避免了生產(chǎn)相同質(zhì)量的鋁邊框產(chǎn)生的環(huán)境影響(－0.64 Pt),因此拆解情景的環(huán)境影響為－0.62 Pt；熱解情景中報廢組件經(jīng)人工拆解和熱解后,可獲得鋁合金邊框、玻璃、晶硅片、鋁、銀等物質(zhì),產(chǎn)生的環(huán)境影響為－4.52 Pt,同時還有電耗和其他物質(zhì)消耗(包括污染物排放),因此,熱解情景的環(huán)境影響為－3.59 Pt。

表2 處置階段不同情景環(huán)境影響潛值Table 2 The comparison on environmental impact results of disposal stage from three scenarios Pt

假設(shè)每塊電池片(156 mm×156 mm)的功率為4.2 Wp(太陽能電池峰值功率,Wpeak),則每m2光伏組件的功率為155 Wp；按年度陽光輻射量1 200 h計算,年發(fā)電量為186 kW·h∕(a·m2),25 a的使用壽命內(nèi)發(fā)電量為4 650 kW·h,3種情景下單位發(fā)電量環(huán)境影響潛值為3.34×10－3、3.20×10－3、2.56×10－3Pt∕(kW·h)；根據(jù)國內(nèi)學者研究結(jié)果[34]核算我國以火電為主的電力結(jié)構(gòu)下單位發(fā)電量環(huán)境影響潛值為70.1×10－3Pt∕(kW·h),說明光伏發(fā)電具有顯著的環(huán)境友好性,如采用熱解方式回收廢棄光伏組件,則環(huán)境友好型最顯著(表3)。

表3 3種情景下光伏組件與當前電力結(jié)構(gòu)單位發(fā)電量環(huán)境影響潛值比較Table 3 Comparison of environmental impacts 1 kW·h of electricity generation from photovoltaic module with different methods versus current power generation system in China 10－3 Pt∕(kW·h)

在碳排放方面,3種處置情景對應(yīng)的單位發(fā)電量碳排放分別為35.68、33.53、23.70 g∕(kW·h),都低于Fu等[11,15,33]的研究結(jié)果〔50.9、56.15、79.94 g∕(kW·h)〕,其主要得益于回收的鋁合金、玻璃、晶體硅避免了常規(guī)生產(chǎn)的碳排放。上述結(jié)果遠低于我國當前電力結(jié)構(gòu)的單位發(fā)電量二氧化碳排放因子〔592 g∕(kW·h)〕[34],環(huán)境效益顯著。

3 結(jié)論

(1)每m2光伏組件生產(chǎn)階段和使用階段環(huán)境影響潛值分別為13.98、1.50 Pt,填埋情景、拆解情景、熱解情景下的處置階段環(huán)境影響潛值分別為0.04、－0.621、－3.59 Pt,3種情景下光伏組件全生命周期環(huán)境影響潛值分別為15.52、14.86、11.89 Pt。

(2)光伏組件全生命周期環(huán)境影響主要集中在呼吸系統(tǒng)損害、致癌和氣候變化3個方面,填埋情景下占比分別為51.8%、23.3%、10.8%,拆解情景下占比分別為52.7%、22.9%、10.6%,熱解情景下占比分別為53.2%、22.3%、10.6%；電耗帶來的環(huán)境影響最大,分別占3種情景下全生命周期環(huán)境影響的64.81%、67.70%、84.61%。

(3)填埋、拆解、熱解3種情景下光伏組件單位發(fā)電量環(huán)境影響潛值分別為3.34×10－3、3.20×10－3、2.56×10－3Pt∕(kW·h),占當前電力結(jié)構(gòu)下單位發(fā)電量環(huán)境影響潛值〔70.1×10－3Pt∕(kW·h)〕的4.8%、4.6%、3.7%。3種情景下光伏組件單位發(fā)電量碳排放量分別為35.68、33.53、23.70 g∕(kW·h),低于同類研究和我國電力行業(yè)水平。

(4)我國早期安裝的光伏組件已接近報廢周期,因此,大力發(fā)展光伏組件回收技術(shù),不僅可以實現(xiàn)資源的回收,還可以降低光伏組件全生命周期環(huán)境影響,減少碳排放,從而實現(xiàn)能源環(huán)境雙贏。