光伏行业生命周期碳排放清单分析.pdf

中国环境科学 2020,40(6)： 2751~2757 China Environmental Science 光伏行业生命周期碳排放清单分析 赵若楠 1,2 ,董 莉 1 ,白 璐 1 ,张 玥 1 ,李雪迎 1 ,乔 琦 1 ,谢明辉 1* ,王 伟 3 (1.中国环境科学研究院 ,北京 100012； 2.中国人民大学 ,北京 100872； 3.中国环境保护产业协会 ,北京 100037) 摘要： 本研究建立了光伏行业生命周期碳排放清单 ,并在处置阶段对不同处置情景的碳排放进行比较 .通过现场、资料调研和工艺研发应用的方式 ,获得 光伏行业生产、使用、处置阶段及三个情景的资源、能源的输入 /输出和污染物排放数据 .结果表明 :光伏行业碳排放集中在生产阶段 ,其中又以高纯多 晶硅生产过程的碳排放最高 ;使用阶段碳排放较小 ,仅为生产阶段的 3%;电耗是最主要的碳排放因素 ,占生产和使用阶段碳排放的 64.98%.处置阶段的 3 种情景的碳排放由大到小依次是填埋＞拆解＞热解 ,除了填埋略微增加碳排放外 ,拆解和热解都能显著降低行业碳排放 ,可分别降低 6.03%和 33.59%.研 究显示采用热解回收技术的光伏组件生命周期单位发电量碳排放强度 ,不仅低于同类研究 ,还远低于我国当前电力结构的碳排放水平 ,发展光伏行业可 实现环境与能源双赢 . 关键词： 光伏；生命周期评价；碳排放；回收 中图分类号： X820.3 文献标识码： A 文章编号： 1000- 6923(2020)06- 2751- 07 Inventoryanalysis on carbon emissions of photovoltaicindustry. ZHAO Ruo-nan 1,2 , DONG Li 1 , BAI Lu 1 , ZHANG Yue 1 , LI Xue-ying 1 , QIAO Qi 1 , XIE Ming-hui 1* , WANG Wei 3 (1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China； 2.Renmin University of China, Beijing 100872, China； 3.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100037, China). China Environmental Science, 2020,40(6)： 2751~2757 Abstract： The inventory of carbon emissions in the life cycle of photovoltaic industry was analyzed. The carbon emissions from different scenarios for disposal stage were compared. The data for the resource, energy fluxes and environmental emissions were obtained from site investigations, published literature and new technologies development and application. It shows that the carbonemissions of manufacture stage were high, among which the polycrystalline silicon production process s carbon emissions were the most. The carbon emissions of use stage were the lowest, accounting for 3.7% of manufacture stage. Thermal power consumption was the primary factor of carbon emissions, which its carbon emission was accounting for 64.98% of manufacture and use stages. The carbon emissions of disposal stage were highest in landfill treatment followed by dismantling and thermal decomposition. Landfill could increase 0.08% of carbon emissions in manufacture and use stage. In contrast, dismantling and thermal decomposition could reduce 6.03% and 33.59% of carbon emissions more significantly. The results highlighted that the carbon emission of 1kW·h of electricity generation from photovoltaic module with thermal decomposition in disposal stage were significantly lower than these from other research and current electrical power system in China. Development of photovoltaic industry would achieve a win-win situation between environment and energy. Key words： photovoltaic； life cycle assessment (LCA)； carbon emissions； recovery 我国是光伏行业大国 ,自 2012年开始 ,光伏产品 一直占据世界第一的市场份额 .2018年 ,我国的高纯 多晶硅、硅片、电池片、组件等光伏产品产量已经 占全球市场的 58.1%、 93.1%、 74.8%、 72.8% [1] .目 前在国家发展与改革委员会公布的多批行业企业 温室气体核算方法与报告指南中并没有光伏行业 产品 ,考虑到 2018年国家层面的机构改革工作中 ,碳 排放管理职能并入生态环境部 ,因此 ,厘清光伏行业 碳排放特征、掌握碳排放量对光伏行业的环境管理 具有前瞻意义 . 光伏产品作为一种能源产品 ,早期能源回收期 研究往往伴随着碳减排视角 ,如在上世纪 1976 年 Hunt [2] 首次核算了单晶组件生产过程的能源消耗 , 并计算出能源回收期为 12a;Komiyama [3] 比较了在 日本和印尼安装光伏组件的碳排放 ,结果显示印尼 安装的组件碳排放少于日本安装 ,得益于印尼太阳 能资源丰富 .到目前为止 ,光伏行业碳排放研究主要 聚焦 :1)光伏产品的使用具有较大的环境效益 ,与传 统的化石能源行业相比减排潜力巨大 [4 - 6] ;2)光伏行 收稿日期： 2019- 11- 05 基金项目： 国家重点研发计划 (2018YFB1502804) * 责任作者 , 研究员 , xiemh@craes.org.cn 2752 中 国 环 境 科 学 40卷 业碳排放影响因素除了光照资源 [7] 、产品类型 [8 - 9] , 还包括安装角度、安装方式、系统寿命和平衡系统 效率 [10] 等 ;3)与常规能源碳排放的比较分析 [11 - 12] .此 外 ,为了全面评估光伏行业作为新能源行业的优劣 , 常用生命周期评价来研究光伏产品的环境影响 ,如 Fthenakis [13] 对单晶硅、多晶硅、 带状矽 和碲化镉光 伏电池的生命周期环境影响进行了分析 ,并与火电 进行比较 ;Jungbluth [14] 核算了光伏产品的物质能源 输出和污染物排放数据 ,并被收录进入 Ecoinvent数 据库 ,这是光伏行业首次较为系统的生命周期数据 清单分析工作 . 我国学者早期对光伏行业碳排放的研究聚焦 在能源回收期方面 [15 - 16] ,直到 2011年开始逐渐对光 伏碳排放和生命周期评价有了一些研究 ,习周玮 等 [17] 采用生命周期评价的方法核算了我国光伏组 件生产技术的全球变暖潜 值 为 1200kgCO 2 (常规技 术 )500kgCO 2 (最 优技术 );刘臣 辉等 [18] 分析了 280MW 多晶硅 —光伏系统产业 链 的碳排放为 5.62×10 8 kg,多晶硅生产环 节 碳排放 最 多 (占 85%);Fu 等 [19] 评估了我国多晶组件发电的全球变暖潜 值 是 50.9gCO 2 - eq/kW⋅h,并评估了生命周期环境影响 ;Yu 等 [20] 对我国采用 冶金路线 生产的多晶组件并 网 发 电碳排放进行了生命周期评价 ,核算了环境 负荷 和 环境 综合 影响 值 . 以 单 位 光伏组件 功 率 (Wp)碳排放对国 内 学者 研究结果进行对比分析 (假设 1 片电池片 功 率为 4Wp、国 内 电力碳排放 水 平为 900gCO 2 - eq/kW⋅h), 整 体来 说 我国单 位 光伏组件产品碳排放 呈下降趋 势 ,从 2011 年 [17,21] 平 均 2.90kgCO 2 - eq/Wp、 2015 年 [19,22] 平 均 2.08kgCO 2 - eq/Wp、 2016 年 [23 - 24] 平 均 1.94kgCO 2 - eq/Wp、 2017年 [20,25 - 26] 平 均 1.68kgCO 2 - eq/Wp到 2018年 [27 - 29] 平 均 1.49kgCO 2 - eq/Wp.各 年 间仍 有 差异 ,这主要是产品类型 (多晶、单晶 )、研究 方法 (IMPACT2002+ [30] 、 TRACI [31] 、 ReCiPe [32] 、 IMPACTWorld+ [33] )、工 艺路线 (改 良西门子 法、 冶 金 法 )的 差异导致 的 ,另 外 ,论文 发 表 与数据 获取 的相 对 滞后性也 是 造成 数据 间差异 的一 个原 因 . 虽然 我国学者在较 短 的 时间内 对光伏产品的 碳排放开展大量的研究 ,但 这些研究 都集 中在高纯 多晶硅到组件的生产 阶段 ,对使用和 处置阶段 研究 较少 ,原 因是目前国 际 上 废弃 光伏组件回收的工业 生产 线 较少 .当 前对 处置阶段 的数据清单研究多 基 于 假设 ,如回收率 假设 [19,34] 、 回收 阶段增长 20%碳排 放 假设 [35 - 36] 、 实验 数据 推 算 假设 [37] 等 ,都不 能如 实反 映废弃 光伏组件回收的 实际情况 .笔 者 所 在 课题 组 通 过 “实验 室 试验 —模拟小试 —现 场中 试 —实际应 用 ”技术 途径 ,实现 了 废弃 光伏组件的回收 再利 用 , 获取 了 处置阶段 清单数据 ,分析 不同处置 (回收 )技术 对碳减排的影响 ,以 期用 客观真实 的光伏行业全生 命周期 (涵盖 生产、使用、 处置阶段 )碳排放结果为 行业环境管理、国 际 气 候谈判提供支撑 . 1 研究方法 研究 基 于生命周期评价方法 ,对全生命周期 所 有资源能源 投 入的碳排放数据进行核算 .参 考生命 周期评价的方法 步骤 ISO 14040- 14043 [39] ,核算光伏 行业碳排放 也可以 分为 四个步骤 :①确定 目 标范围 和系统 边 界 ;② 收 集 清单数据 ;③根 据排放因 子 核算 碳排放 ;④ 结果分析 . 将 光伏行业分为生产、使用、回收 三个阶段 , 生产 阶段 主要 由 使用能源、资源产生的碳排放和 处 理污染物的碳排放 三 部分组 成 ;使用 阶段 主要是使 用资源产生的碳排放 ;处置阶段 主要 由 使用能源、 资 源产生的碳排放、 处 理污染物的碳排放和回收物质 可抵 消的碳排放 四 部分组 成 .即 CPAW =++ 式中 :C为光伏产品的碳排放 总 量 ,kg;P为生产 阶段 的碳排放 总 量 ,kg;A为使用 阶段 的碳排放 总 量 ,kg;W 为 处置阶段 的碳排放 总 量 ,kg. (1)生产 阶段 的碳排放 模 型 er P PP =+ 式中 :Pe 表 示生产 阶段 能源消耗碳排放 ,kg;Pr 表 示 生产 阶段 资源消耗的碳排放 ,kg. Pe计算公式为 : e= RE PE i × ∑ 式中 :Ei为 各 过程消耗的电量 ,kW⋅h;RE为电力碳排 放因 子 . Pr计算公式为 : 1 r= n i P Ri RRi = × ∑ 式中 :Ri为 各 过程中使用资源 i的量 ,kg;RRi为资源 i 碳排放因 子 ,kg CO 2 /kg. (2)使用 阶段 的碳排放 模 型 6期 赵若楠等：光伏行业生命周期碳排放清单分析 2753 r A A = 式中 :Ar为使用 阶段 资源消耗碳排放 ,kg,计算公式 同 Pr. (3)处置阶段 的碳排放 模 型 erwr WWWWW =++ 式中 :We为 处置阶段 能源消耗碳排放 ,kg;Wr为 处置 阶段 资源消耗的碳排放 ,kg;Ww 为 处置阶段处 理污 染物碳排放 ,kg;Wr为 处置阶段 回收资源 可抵 消的碳 排放 ,kg. We、 Wr和 Ww计算公式 同 上 ,Wr计算公式为 : 1 r n i WW i U i = =⋅ ∑ 式中 :Wi为回收得到的资源 i的量 ,kg;Ui为资源 i碳 排放因 子 ,kgCO 2 /kg. 2 光伏产品生命周期碳排放的计算 2.1 功 能单 元 与系统 边 界 本研究的 功 能单 位确定 为 1m 2 光伏组件产品 , 材 质为晶体硅 材料 ,包括生产、使用、回收 三个 生命 周期 阶段 ,系统 边 界如 图 1所 示 .假设 使用寿命 25a, 全球变暖 趋势按 100a计 .基 于 “从摇篮 到 坟墓 ”的理 念 ,所 有的 原料 消耗的碳排放核算 都追溯 到 基础矿 产和一次能源开采环 节 . 业硅 光伏电站 组件 电池片 硅片 高纯多晶硅 废弃组件 能源消耗 资 源 消 耗 生产 使用 处置 图 1 光伏行业生命周期评价的系统边界 Fig.1 The boundary of lifecycleassessmentofphotovoltaic industry 2.2 清单分析 光伏产品生命周期数据清单主要来自行业 调 研和 文献 数据 .其 中生产 阶段 的高纯多晶硅、硅 片、电池片、组件等产品生产过程的数据清单主 要来自国家环 保 公益 性 行业 科 研 专项“ 我国新能 源产业 (太阳能电池 )环境影响和管理研究 ”课题 成 果 [39 - 40] . 使用 阶段基 本 不 产生环境影响 ,考虑到数据 可 得 性 ,本 文针 对光伏产品使用 阶段 的主要输入是 逆 变 器 ,逆 变 器 采用 跟 组件 1.2:1的 容配 比 ,功 率型 号选 取 500kW,按 1m 2 光伏产品 功 率为 155Wp,折 算 1m 2 组件 需 要的 逆 变 器 0.000372个 ,数据清单 见表 1. 处置阶段 考虑 三 种 情景 : 情景 1(填埋情景 ):使用寿命到期 后 ,直 接填埋处置 . 情景 2(拆解情景 ):使用寿命到期 后 ,进行 人 工 拆 解铝边框 ,仅 回收 铝边框 (折旧 10%抵 消碳排放 ),其 余 部分 填埋 . 电池片 焚烧炉工 业硅 排空 HF溶液 Ag沉淀 碱浸处理 人工拆解 +热解 废弃光伏组件 铝合金边框 钢化玻璃 尾气 去铝电池片 含铝碱液 酸浸处理 去银电池片 含银酸液 银产品 铝产品 去 Si 3 N 4 电池片 清洗 晶硅片 图 2 废光伏组件回收工艺 Fig.2 The technology processes of recover of photovoltaic module 情景 3(热解情景 ):使用寿命到期 后 ,采用中国环 境 科 学研究 院 研发的 热解 回收工 艺 [41 - 43] 回收 铝 、 银 、 玻璃 和晶硅片 .该 工 艺 是在 人 工 拆解铝合金边框 基础 上 ,采用高温 热解 分 离玻璃 和电池片 ,然后通 过 化学 处 理 实现背板 的 铝 、 前 板 的 银 和晶硅片的回收 , 工 艺流 程 图见图 2.目前 该 工 艺连续稳定运 行 ,为本 研究 提供 了能源、资源消耗 ,污染物排放量 ,以及 回 收物质量 .回收的晶硅片 可 直 接 用于硅片生产 ,品质 与新品一 致 ,不 考虑 折旧 ;其他 回收物质 (玻璃 、 铝合 金边框 、 银 、 铝 )的品质并 不 能与 正 常生产出的产品 品质一 致 ,因此 ,按折旧 10%核算 抵 消的碳排放 (即抵2754 中 国 环 境 科 学 40卷 消生产 同样重 量产品的碳排放 90%). 三个阶段 的数据清单 见表 1. 表 1 光伏行业的生命周期数据清单 Table 1 The lifecycleinventoryofphotovoltaicindustry 阶段 数据清单 工业硅 :1.05kg 液氯 :151kg 氢气 :40.5g 石灰石 :438g NaOH:266g 坩埚 :160g 切割线 :316g 砂浆 :226g 玻璃 :42.2g 盐酸 (36%):41.0g 硝酸 (50%):505g 氢氟酸 :310g 银浆 :5.19g 铝浆 :50.7g 三氯氧磷 :3.25g 铝合金边框 :1860g 焊带 :118g 钢化玻璃 :5410g EVA:795g PVDE:102g 消耗 : PET:344g 电 :124kW⋅h 液氨:11.4g 氯化氢:0.872g NO x :9.09g 氟化氢 :0.181g 氨气 :2.36g COD:48.3g 氯化物 :58.2g 氟化物 :3.55g 氨氮 :0.0202g 总氮 :19.14g 总磷 0.0779g 废坩埚 :141g 废切割线 :316g 生产阶段 排放 : 废玻璃:35.9g 铜丝 : 125g 润滑油 :328g 印刷电路 :0.836cm 2 铝 :487g 使用阶段 消耗 : 低合金钢板 :535g 集成电路 :0.0104g 电 :1.70kWh 电容器 :0.231g 处置情景 1 填埋 : 铝合金边框 :1.86kg 玻璃:5.36kg PET:344g 其他 :102g 填埋 : 玻璃:5.36kg PET:344g 其他:102g 处置情景 2 产出 : 铝合金边框 :1.84kg 消耗 : 电 :10.7kWh 盐酸 (36%):481g 硝酸 (50%):223g 氢氟酸 :156g 产出 : 铝合金边框 :1.84kg 玻璃 :5.36kg 高纯多晶硅 :0.352kg 铝 :42.7g银 :4.62g 处置情景 3 排放: CO 2:2.63g CH 4 :4.47g 乙烷 :3.41g 丙烷 :1.95g 2.3 核算碳排放 在核算我国光伏产品碳排放清单过程中 ,优 先 采用本 地 化的排放因 子 ,主要 从 已发 表 的 文献或 报 告中 获取 ,如高纯多晶硅 [44] 、 铝 [45] 、 玻璃 [46] 、 PET [47] 等 ,特 别 是在 每个阶段都 占比较大的电力碳排放因 子 采用国家发展和改革委员会前 应 对气 候 变化 司 [48] 和中国电力企业 联合 会的 成 果 [49] ,无 法 获 得 本 地 化排放因 子 的 原料 物质 则 采用 IPCC相 关 指南 的 缺省 值 . 2.4 结果分析 对光伏行业生产、使用 阶段 的碳排放核算结果 如 图 3所 示 . 图 3 光伏生产阶段和使用阶段碳排放对比 Fig.3 The comparison oncarbonemissionsofmanufactureand use stages of photovoltaic industry 光伏行业生产 阶段 的碳排放为 160.86kgCO 2 - eq,其 中高纯多晶硅、硅片、电池片、组件生产的碳 排放分 别 是 94.07kgCO 2 - eq、 23.38kgCO 2 - eq、 15.38kgCO 2 - eq、 28.02kgCO 2 - eq,依 次占生产 阶段 的 58.48%、 14.54%、 9.56%、 17.42%,如 图 4所 示 . 图 4 光伏行业生产阶段各产品主要碳排放环节 Fig.4 The comparison oncarbonemissionsofprocesses of eachphotovoltaic productions 从图 4 也可以看 出 ,光伏行业 各 产品生产过程 中 ,电耗 都 是 最 大的碳排放因素 (组件除外 ),依 次占 高纯多晶硅生产、硅片生产、电池片生产过程碳排 放的 75.03%、 73.09%、 78.40%,生产 阶段 电耗碳排 放量 整 体占比 64.98%. 光伏行业使用 阶段 的碳排放较 低 ,仅 为6期 赵若楠等：光伏行业生命周期碳排放清单分析 2755 4.93kgCO 2 - eq,仅 为生产 阶段 的 3%. 处置阶段不同情景 的碳排放结果 见表 2. 表 2 处置阶段不同情景的碳排放 (kg CO 2 - eq) Table 2 The comparison on carbon emission of disposal stage from three scenarios 项目 情景 1 情景 2 情景 3 玻璃 0.039 0.039 - 5.359 PET 0.032 0.032 / 其他 0.013 0.013 0.139 铝合金边框 0.041 - 9.961 - 9.961 高纯多晶硅 / / - 47.842 铝 / / - 0.465 银 / / - 0.421 电耗 / / 7.201 盐酸 / / 0.039 氢氟酸 / / 0.421 硝酸 / / 0.649 合计 0.124 - 9.878 - 55.598 情景 1:没有回收 任何 物质 ,报 废 组件 填埋处置 , 所以 有少量的碳排放 0.124kg CO 2 - eq,较生产和使 用 阶段 (165.79kg CO 2 - eq)增长 0.08%. 情景 2:报 废 组件经 人 工 拆解后 ,可 得到 1.84kg 的 铝边框 ,避免 了生产此 重 量的 铝边框 产生的碳排 放 (- 9.96kg CO 2 - eq),因此 ,处置阶段情景 2的碳排放 为 - 9.88kgCO 2 - eq,可降低 生产和使用 阶段 碳排放的 5.96%. 情景 3:报 废 组件经 人 工 拆解 和 热解后 ,可获 得 铝合金边框 、 玻璃 、多晶硅、 铝 、 银 等物质 ,产生 正 效益 - 64.05kgCO 2 - eq,同时 ,此 情景 还有电耗和 其他 物质消耗 (包括污染物排放 ),因此 ,回收 阶段情景 3的 碳排放为 - 55.60kgCO 2 - eq,可降低 生产和使用 阶段 碳排放的 33.54%. 将 回收 阶段三 种场 景跟 生产、使用 阶段加 在一 起 ,得到 三 种 不同 场 景下 光伏行业全生命周期碳排 放 ,如 图 5所 示 . 光伏行业全生命周期碳排放随着 处置 方式资 源化程度的 不断深 入 ,呈下降趋势 ,人 工 拆解 的光伏 行业全生命周期碳排放 (155.91kgCO 2 - eq)因 拆解 了 铝合金边框 ,较结 合填埋处置 的光伏行业全生命周 期碳排放 (165.91kgCO 2 - eq)降低 了 6.03%;热解 回收 的光伏行业全生命周期碳排放 (110.19kgCO 2 - eq)大 幅削 减了 33.59%填埋处置 的光伏行业全生命周期 碳排放 .因此 ,积极推广 光伏组件回收技术是进一 步 降低 行业碳排放的 重 要 途径 . 图 5 不同情景的光伏行业全生命周期碳排放结果 Fig.5 The comparison onlifecyclecarbonemission of photovoltaic industry from three scenarios 2.5 与我国电力系统比较 假设每 片电池片的 功 率为 4.2Wp,则每 m 2 光伏 组件的 功 率为 155Wp;按 年度阳光 辐射 量 1200h计 算年发电量为 155×1200/1000=186(kW⋅h)/(a·m 2 ),25a 的使用寿命 内 发电量为 4650kW⋅h,三 种 处置情景 对 应 的单 位 发电量碳排放分 别 是 35.68gCO 2 - eq/ kW⋅h、 33.53gCO 2 - eq/kW⋅h、 23.70gCO 2 - eq/kW⋅h, 都低 于 FU 等 (50.9gCO 2 - eq/kW⋅h) [19] 、 HONG 等 (56.15gCO 2 - eq/kW⋅h) [24] 、 翁琳 等 (79.94gCO 2 - eq/ kW⋅h) [26] 研究结果 ,主要得益于回收的 铝合金 、 玻璃 、 晶体硅 避免 了常规生产的碳排放 .上 述 结果 远低 于 我国 当 前电力结构的 单 位 发电量 二氧 化碳排放因 子 (592gCO 2 - eq/kW⋅h) [49] ,环境效益显 著 . 3 结论 3.1 1 m 2 光伏组件生产 阶段 和使用 阶段 碳排放分 别 是 160.86kg CO 2 - eq和 4.93kg CO 2 - eq,生产 阶段 碳排放主要来自高纯多晶硅生产 (58.48%)其 次是组 件、 硅片、 电池片 ,依 次占比 17.42%、 14.54%、 9.56%. 电耗是生产 阶段 碳排放的主要因素 ,各 生产过程占 比 都很 高 ,合 计占比 64.98%,节 能 降 耗是碳减排的主 要 途径 . 3.2 处置阶段 的 不同情景 碳排放结果显示 ,直 接填 埋略增加 光伏组件生产和使用 阶段 的碳排放的 0.08%;人 工 拆解获 得 铝边框可降低 光伏组件生产和 使用 阶段 碳排放的 5.96%;热解 回收工 艺 对于 降低 碳排放效果显 著 ,可削 减 33.59%的碳排放 ,应 作为行 业回收技术的首 选 . 2756 中 国 环 境 科 学 40卷 3.3 处置阶段 采用 热解 回收工 艺 的光伏组件单 位 发电量碳排放 强 度为 23.70gCO 2 - eq/kWh,低 于国 内 同 类研究 ,且远低 于 当 前我国电力系统的碳排放 ,主 要是回收的 副 产品 避免 了常规生产的碳排放 . 参考文献： [1] 王勃华 ,王世江 ,江 华 ,等 .2018~2019 年中国光伏产业年度报告 [R]. 北京 :中国光伏行业协会 , 2019. 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