中国环境科学2020,40(6)：2751~2757ChinaEnvironmentalScience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)06-2751-07Inventoryanalysisoncarbonemissionsofphotovoltaicindustry.ZHAORuo-nan1,2,DONGLi1,BAILu1,ZHANGYue1,LIXue-ying1,QIAOQi1,XIEMing-hui1,WANGWei3(1.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China；2.RenminUniversityofChina,Beijing100872,China；3.ChinaAssociationofEnvironmentalProtectionIndustry,Beijing100037,China).ChinaEnvironmentalScience,2020,40(6)：2751~2757Abstract：Theinventoryofcarbonemissionsinthelifecycleofphotovoltaicindustrywasanalyzed.Thecarbonemissionsfromdifferentscenariosfordisposalstagewerecompared.Thedatafortheresource,energyfluxesandenvironmentalemissionswereobtainedfromsiteinvestigations,publishedliteratureandnewtechnologiesdevelopmentandapplication.Itshowsthatthecarbonemissionsofmanufacturestagewerehigh,amongwhichthepolycrystallinesiliconproductionprocess'scarbonemissionswerethemost.Thecarbonemissionsofusestagewerethelowest,accountingfor3.7%ofmanufacturestage.Thermalpowerconsumptionwastheprimaryfactorofcarbonemissions,whichitscarbonemissionwasaccountingfor64.98%ofmanufactureandusestages.Thecarbonemissionsofdisposalstagewerehighestinlandfilltreatmentfollowedbydismantlingandthermaldecomposition.Landfillcouldincrease0.08%ofcarbonemissionsinmanufactureandusestage.Incontrast,dismantlingandthermaldecompositioncouldreduce6.03%and33.59%ofcarbonemissionsmoresignificantly.Theresultshighlightedthatthecarbonemissionof1kW·hofelectricitygenerationfromphotovoltaicmodulewiththermaldecompositionindisposalstageweresignificantlylowerthanthesefromotherresearchandcurrentelectricalpowersysteminChina.Developmentofphotovoltaicindustrywouldachieveawin-winsituationbetweenenvironmentandenergy.Keywords：photovoltaic；lifecycleassessment(LCA)；carbonemissions；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.cn2752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1200kgCO2(常规技术)500kgCO2(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5.62×108kg,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50.9gCO2-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900gCO2-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2.90kgCO2-eq/Wp、2015年[19,22]平均2.08kgCO2-eq/Wp、2016年[23-24]平均1.94kgCO2-eq/Wp、2017年[20,25-26]平均1.68kgCO2-eq/Wp到2018年[27-29]平均1.49kgCO2-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ISO14040-14043[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erPPP=+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=REPEi×∑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:1r=niPRiRRi=×∑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,kgCO2/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2753rAA=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erwrWWWWW=++−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:1rniWWiUi==⋅∑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,kgCO2/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1m2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.1Theboundaryoflifecycleassessmentofphotovoltaicindustry2.2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1m2光伏产品功率为155Wp,折算1m2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Si3N4电池片清洗晶硅片图2废光伏组件回收工艺Fig.2Thetechnologyprocessesofrecoverofphotovoltaicmodule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Table1Thelifecycleinventoryofphotovoltaicindustry阶段数据清单工业硅:1.05kg液氯:151kg氢气:40.5g石灰石:438gNaOH: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:5410gEVA:795gPVDE:102g消耗:PET:344g电:124kW⋅h液氨:11.4g氯化氢:0.872gNOx:9.09g氟化氢:0.181g氨气:2.36gCOD: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:0.836cm2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:5.36kgPET:344g其他:102g填埋:玻璃:5.36kgPET: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:CO2:2.63gCH4:4.47g乙烷:3.41g丙烷:1.95g2.3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.3Thecomparisononcarbonemissionsofmanufactureandusestagesofphotovoltaicindustry光伏行业生产阶段的碳排放为160.86kgCO2-eq,其中高纯多晶硅、硅片、电池片、组件生产的碳排放分别是94.07kgCO2-eq、23.38kgCO2-eq、15.38kgCO2-eq、28.02kgCO2-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.4Thecomparisononcarbonemissionsofprocessesofeachphotovoltaicproductions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27554.93kgCO2-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(kgCO2-eq)Table2Thecomparisononcarbonemissionofdisposalstagefromthreescenarios项目情景1情景2情景3玻璃0.0390.039-5.359PET0.0320.032/其他0.0130.0130.139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0.124kgCO2-eq,较生产和使用阶段(165.79kgCO2-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(-9.96kgCO2-eq),因此,处置阶段情景2的碳排放为-9.88kgCO2-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-64.05kgCO2-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-55.60kgCO2-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(155.91kgCO2-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(165.91kgCO2-eq)降低了6.03%;热解回收的光伏行业全生命周期碳排放(110.19kgCO2-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.5Thecomparisononlifecyclecarbonemissionofphotovoltaicindustryfromthreescenarios2.5与我国电力系统比较假设每片电池片的功率为4.2Wp,则每m2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·m2),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35.68gCO2-eq/kW⋅h、33.53gCO2-eq/kW⋅h、23.70gCO2-eq/kW⋅h,都低于FU等(50.9gCO2-eq/kW⋅h)[19]、HONG等(56.15gCO2-eq/kW⋅h)[24]、翁琳等(79.94gCO2-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(592gCO2-eq/kW⋅h)[49],环境效益显著.3结论3.11m2光伏组件生产阶段和使用阶段碳排放分别是160.86kgCO2-eq和4.93kgCO2-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23.70gCO2-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.WangBH,WangSJ,JiangH,etal.AnnualreportofChina’sphotovoltaicindustryin2018[R].Beijing:ChinaPhotovoltaicIndustryAssociation,2019.[2]HuntLP.Totalenergyuseintheproductionofsiliconsolarcellsfromrawmaterialstofinishedproduct[C]//12thPhotovoltaicSpecialistsConference,1976:347-352.[3]KomiyamaH,YamadaK,InabaA,etal.Lifecycleanalysisofsolarcellsystemasameanstoreduceatmosphericcarbondioxideemissions[J].EnergyConversion,1996,(37):1247-1252.[4]PengJ,LuL,YangH.Reviewonlifecycleassessmentofenergypaybackandgreenhousegasemissionofsolarphotovoltaicsystems[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2013,19:255-274.[5]MeierPJ,KulcinskiGL.Life-cycleenergyrequirementsandgreenhousegasemissionsforbuilding-integratedphotovoltaics[R].Madison,USA:FusionTechnologyInstitute,UniversityofWisconsin;2002.[6]FthenakisVM,MoskowitzPD.Photovoltaics:enviro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