中国光伏系统的生命周期评价.pdf

中国光伏系统的生命周期评价 李鹞于随然 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240 摘要 研究多晶硅光伏发电系统在整个生命周期之内的环境排放能源消耗情况， 使用了代表中国生产技术水平的清单 数据， 对生命周期各阶段， 尤其是生产制造和废弃处理阶段进行详细建模， 分析了两种不同回收处理情形下的能量回 收时间、 温室气体排放量， 并进行了生命周期影响评价。结果显示 能量回收时间和温室气体排放因太阳辐射量而异; 太阳能电池板的生产制造过程对环境造成的影响最大; 不同的回收处理方式对整个系统有较大的影响。 关键词 光伏发电; 太阳能; 生命周期评价; 能量回收时间 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201410027 LIFE CYCLE ASSESSMENT OF PHOTOVOLTAIC SYSTEM IN CHINA Li YaoYu Suiran State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China AbstractIt was researched the life cycle pollutants and energy consumptions from the photovoltaic PVsystems of multi- silicon modules． The life cycle inventory which represented the state- of- art techniques in China was used． All life cycle stages， especially the manufacturing stage and end of life stage were simulated to analyze EPBT，GHG emission and life cycle impact assessment of two situations which were different in end of life． The results indicated that EPBT and GHG were different as solar radiation changed;the manufacturing stage had the heaviest impact on PV system;different ways of recycling had greater impacts on the whole system． Keywordsphotovoltaic power;solar energy;life cycle assessment;energy recovety time 收稿日期 2013 －12 －30 0引言 太阳能发电 光伏发电 近些年在全世界范围内 得到了广泛应用， 我国顺应时代需求， 光伏产业获得 了快速发展。近些年我国的光伏产业发展较为迅猛 2007 年中国的太阳能电池产量为 1 180 MW 左右， 而 欧洲、 日本和美国的产量则分 别 为 1 062， 920， 266 MW， 中国已经成为世界第一的太阳能电池生产 大国。自 2000 年开始， 中国光伏技术已进行大规模 并网发电。2007 年的安装总容量为100 MW， 2008 年 为 140 MW， 2009 年为 300 MW， 2010 年为 800 MW， 2011 年为3. 3 GW， 2012 年为7 GW［1 ］。在2009 年国 家提出了 “金太阳” 示范工程， 其中大部分为装机容 量 1MW 左右的电站。光伏发电分为用户侧并网发 电、 无电地区光伏发电项目和大型并网发电项目， 其 中用户侧并网项目占了 80. 7， 为 222 个， 覆盖全国 大部分省市。2012 年推出了 “金太阳” 第二批示范工 程， 总装机容量为 2. 83 GW， 这次主要是装机容量在 10 MW 以上的大型光伏发电站。 光伏发电因其使用过程中基本无污染而被认为 是一种清洁能源， 然而若从全生命周期角度对其进行 分析， 会发现光伏系统并不完全清洁 系统其他各阶 段会产生污染 ［2- 4 ］。能量回收时间 Energy Payback Time，EPBT和温室气体排放 Green House Gas Emission，GHG Emission 作为生命周期评价的两个 最重要的指标在光伏系统的生命周期评价中得到了 详细地计算和分析 Peng Jinqing［5 ］回顾了单晶硅系 统的 EPBT 为 1. 75 ～12. 1 年， GHG Emission CO2 为 39 ～217 g/ kWh ; 而多晶硅 EPBT 为 1. 7 ～ 9 年， GHG Emission CO2 为 12 ～ 180 g/ kWh 。在国 内， 该方面的研究较少 胡润青 ［6 ］计算的 EPBT 为 3. 14 年; 刁周玮 ［7 ］计算的 EPBT 为 3. 82 ～9. 68 年; 傅 911 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 银银 ［8 ］的 EPBT 为 2. 08 ～5. 67 年。由于使用不同的 输入清单数据和不同地区的太阳辐射量， 因此导致了 结果的差异。 生命周期评价中非常重要的一点是数据的透明 化 ［9 ］， 而国内的相关研究并没有指明数据的来源及 其可靠性， 而本文在此方面有确切的说明。本文的另 外一个特点是分析建模了废弃处理环节， 并据此建立 A 情形和 B 情形进行对比。 1目的与范围确定 1. 1研究目的 本文的研究目的是对中国生产的单晶硅和多晶 硅光伏系统进行生命周期评价， 分析废弃处理的方法 和不同废弃处理方法对环境的影响， 根据分析结果探 讨改善光伏系统环境性能的方法， 为政府相关部门和 企业的决策提供理论依据。 1. 2系统边界 本文研究光伏系统的整个生命周期过程 即从原 材料的开采， 各部件的生产， 安装使用到最后的废弃 处理， 见图 1。 图 1系统边界 Fig． 1System boundary 系统包括了太阳能电池板和平衡系统， 其中平衡 系统主要考虑逆变器和支架系统; 运输和安装过程也 在系统边界之内; 废弃处理方法包括部分金属和硅片 的回收再利用， 以及其余部件的焚烧填埋。本文选用 的功能单元是 1 kWp。 图 1 中 A 为平衡系统金属材料回收利用， B 为破 碎硅片回收再利用， C 为完整硅片的回收再利用， D 为电池板中的铝、 玻璃等回收再利用。 2清单分析 清单分析是将各阶段输入的物质和能量及输出 的有害物质进行分析。以下按生产阶段、 运输安装阶 段、 使用维护阶段和废弃处理阶段进行逐一说明。 2. 1生产阶段 2. 1. 1工业硅 工业硅的生产是使用碳热还原法， 即将炭、 煤或 木屑等还原剂在 2 000 ℃下与硅砂在电弧炉内反应。 班辉［10 ］和叶宏亮 ［11 ］分析了国内 5 个工业硅制造厂 的数据， 本文参考其物质输入， 选取硅石、 木炭、 石油 焦、 石墨电极、 水和电能。叶宏亮 ［11 ］根据以上物质和 标准煤的转换关系先将各物质转换为标准煤， 再根据 标准煤的排放清单进而计算出了总体的排放物， 但这 些排放物并不是过程排放， 而是以上原料和电能的蕴 含能量产生的排放。根据化学方程式计算过程排放 物， 已知碳热还原的化学方程式为式 1 SiO2→2CSi 2CO 1 由此可计算出消耗 1 kg 的碳会产生 2. 33 kg 的 CO。 总体的排放物包括直接过程排放和蕴含能耗的 排放。 2. 1. 2太阳能级硅 工业硅纯度太低， 需要进一步提纯。目前中国使 用的方法大部分都是改良西门子法， 包括 5 个步骤 三氯氢硅 TCS 的合成、 精馏、 还原、 氢化和尾气 处理。 物质输入方面， 参考胡润青 ［ 6 ］、 刁周玮［ 7 ］和傅银 银 ［ 8 ］的数据。能耗方面各个研究有不同的数据 其中， 胡润青 ［ 6 ］在 2009 年提出的综合能耗为 175 kW h， 作 者选用的数据原则是采用我国先进水平， 并参照国际 水平; 刁周玮 ［ 7 ］2011 给出的能耗数据是主流水平为 190 kW h， 先进水平为 125 kW h; 傅银银 ［ 8 ］2013 提出 的能耗为 115 kW h; 谷宏旺 ［ 12 ］2013 提出的改良西门 子法中还原电耗为 50 ～100 kW h/kg， 而此能耗占综 合能耗的 50 ～ 60， 因此可估算综合能耗为 83 ～ 200 kW h/kg; 杜鹃 ［ 13 ］在2012 年提出的改良西门子法 的电耗是120 kW h/kg; 中国工业和信息化部在 2010 年发布的 多晶硅行业准入条件 ［ 14 ］公告， 明确太阳能 级多晶硅的还原能耗小于80 kW h/kg， 到2011 年底小 于60 kW h/kg， 同时到 2011 年底， 淘汰综合电耗大于 200 kW h/kg 的生产线。 由以上分析可见 首先应该满足国家的法规多 晶硅行业准入条件 ， 即还原电耗小于 60 kWh/kg， 综合电耗小于 200 kWh/kg， 再结合刁周玮 ［7 ］2011 年的先进水平和还原能耗约占综合能耗的 50 的条 件， 可代表 2013 年中国改良西门子法进行多晶硅生 021 环境工程 Environmental Engineering 产的综合能耗为 120 kW h/kg。 物质排放方面的数据很少， 这里参考刁周玮 ［7 ］ 的数据。 2. 1. 3多晶硅锭和硅片 国内大多采用的多晶硅锭的制造方法是定向凝 固法， 硅片的制备多采用多线切割。数据方面， 这里 参 考 胡 润 青 ［6 ］、刁 周 玮［7 ］ 和 Scholten［15 ］，其 中 Scholten［15 ］是代表 2005 年欧美的先进生产水平的数 据， 可作为本文的参考。 能量消耗方面， 结合以上三者的数据， 本文选取 83 kW h/kg。 排放物参考刁周玮［7 ］。 2. 1. 4电池片生产 电池片的生产过程包括以下几个步骤 制绒， 扩 散制结， 边缘刻蚀， 清洗， 沉积减反射层， 丝网印刷上 下电极， 共烧形成金属接触， 电池片测试。 输入 输 出 物 质 参 考 胡 润 青 ［6 ］、 刁 周 玮［7 ］ 和 Scholten［15 ］。能耗选取 52 kW h/kg。 2. 1. 5电池板模块 电池板模块生产流程为 单片焊接 － 串焊 － 层 叠 － 层压 － 装框 － 清洗 － 电性能测试 － 包装入库。 此过程消耗的能量较少， 本文选取 19 kWh/p。 电池 板的参数见表 1。 表 1多晶硅电池板的主要参数 Table 1Main parameters of multi- Si panels 参数类型数值 模块面积1. 6 m2 硅片面积156 mm 156 mm 硅片厚度240 μm 硅片重量559 g/m2 电池片数量60 个 模块效率13. 2 模块容量210 Wp 模块寿命30 年 2. 1. 6逆变器 功能单元为 1 kWp， 因此选取两个 500 W 逆变 器， 每个逆变器重量为 1. 673 kg， 能耗为 4. 24 kW h， 详细数据可参考 Ecoinvent v2. 1。 2. 1. 7支架系统 支架系统一般有铝、 钢和其他物质构成， 用于支 撑电池板和逆变器等。安装方式为斜面安装， 消耗量 参考 Ecoinvent v2. 1。 2. 1. 8运输使用阶段 假设将部件从广州运输到上海， 按 1 500 km 计 算。参考胡润青 ［6 ］的研究， 可计算得运输能耗为 42 kW h/kWp。 安装阶段的能耗参考 Ecoinvent v2. 1， 计算得 0. 08 kW h/kWp。 2. 1. 9废弃处理 废弃处理分为两种情形 A 情形和 B 情形。A 是 指回收再利用电池板的铝、 逆变器的外壳金属和支架 系统的物质， 其他物质进行 50 的填埋和 50 的焚 烧; B 是指在回收上述物质后， 进一步回收硅片， 其中 假设 70的硅片是完整的， 可直接回收 回收方法和 能耗参考 Mller［16 ］ 再用于电池片的生产， 其余 30 的硅片已损坏， 则用于多晶硅锭的生产。这样可省去 高纯硅和部分硅锭硅片的生产能耗。而其余物质也 是一半填埋一半焚烧。 2. 1. 10中国发电过程排放清单 从国家统计局官网 ［17 ］查询计算得 2011 年火力 发电占总体发电量的 81. 8， 水力发电为 14. 9， 剩 余 3. 3由核电和风电提供。由于火力发电和水力 发电占了绝对主导， 因此建模使用的能源结构为火电 83. 5， 水电 16. 5 即将核电和风电分配给火电和 水电 。 本文使用的火力发电和水力发电清单数据来自 于狄向华 ［18 ］和胡志锋［19 ］。总体的数据清单见表 2 和表 3。 3能量回收时间和温室气体排放 能量回收时间 EPBT 是指光伏多长时间可以回 收生产制造此系统所耗费的所有能量。计算公式为 EPBT E Eoutput 2 其中 分子是系统的总能耗， 分母是系统的年发电量。 3. 1系统总能耗 由数据清单可计算系统总能耗为 A 情形的总能 耗为 2 532 kW h/kWp， 见图 2; B 情形由于略过了高 能耗的太阳能级硅的生产过程， 因此总能耗降为 855 kW h/kWp。 3. 2系统发电量及 EPBT 系统年发电量的计算公式如下 GHGeq－total ELC－output WsηmPＲ 3 式中Ws是太阳能辐射量; ηm 是电池板效率; PＲ Perance Ｒatio 是系统性能比， 是系统其他部件 转换效率。 我国的太阳辐射量依地区而不同， 为 750 ～ 2 104 kWh/ m2a ［20 ］， 这里以上海为例， 年平均辐 121 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 表 2电池板制造阶段的输入输出清单 Table 2 and output inventories of panel manufacturing stage 电池板生产 制造各阶段 物质输入物质输出 物质数值物质数值物质数值 工业硅生产 太阳能级硅 多晶硅锭 及硅片 电池片生产 电池板生产 硅石/ kg kg －1 2. 7CO215. 5BOD50. 01 木炭/ kg kg －1 0. 745CO3. 84COD0. 01 石油焦/ kg kg －1 0. 68CH40. 06DOC0. 004 石墨电极/ kg kg －1 0. 135 NOx0. 08TOC0. 004 水/ kg kg －1 180SO20. 259 电耗/ kW h kg －1 12. 5粉尘0. 2 工业硅/ kg kg －1 1. 4CO2110粉尘2 氢气/ kg kg －1 0. 133CO0. 28BOD50. 02 氯气/ kg kg －1 1. 4CH40. 309COD0. 02 NaOH/ kg kg －1 0. 67NOx0. 766DOC0. 006 电耗/ kW h kg －1 120SO21. 37TOC0. 006 太阳能级硅/ kg kg －12. 74 CO2114DOC0. 05 碳化硅/ kg kg －1 4. 72CO0. 15TOC0. 05 石英坩埚/ kg kg －1 0. 7 CH40. 28 钢丝/ kg kg －1 2. 67NOx0. 5 氩气/ kg kg －1 0. 75SO20. 83 聚乙二醇/ kg kg －1 4. 2 粉尘1. 4 DPM/ kg kg －1 0. 54BOD50. 16 电耗/ kW h kg －1 83COD0. 15 硅片/ kg kg －1 1. 06CO257DOC0. 01 银/ kg kg －1 0. 02CO0. 1TOC0. 02 铝/ kg kg －1 0. 12CH40. 1 氮气/ kg kg －1 3. 6NOx0. 3 氧气/ kg kg －1 0. 18SO20. 47 NaOH/ kg kg －1 0. 28粉尘0. 9 盐酸/ kg kg －1 0. 08BOD50. 02 电耗/ kW h kg －1 52COD0. 05 电池片/ 个 个 －1 60CO256COD0. 1 铝/ kg 个 －1 4. 2CO0. 1DOC0. 03 玻璃/ kg 个 －1 18CH40. 12TOC0. 03 EVA/ kg 个 －1 1. 6NOx0. 24 背板/ kg 个 －1 0. 78SO20. 3 纸板/ kg 个 －1 1. 75粉尘0. 31 电耗/ kW h 个 －1 19BOD50. 08 表 3其他阶段的输入输出清单 Table 3 and output inventories of other stages 平衡系统物质数量 逆变器2 500 W/个 支架系统铝2. 8 kg/m2 钢1. 5 kg/m2 其他0. 1 kg/m2 其他生命周 期阶段 能耗类型数量 运输安装运输能耗42 kW h/kWp 安装能耗0. 08 kW h/kWp 废弃处理运输能耗12 kW h/kWp 回收硅片能耗364 kW h/kWp 粉碎能耗0. 02 MJ/kWp 图 2 1kWp 系统的各部分能耗 Fig．2Energy consumption of all parts in the 1kWp system 射量为1 478 kW h/ m2 a ; 电池板效率为13. 2; PＲ 一般取 0. 75。因此上海地区的系统年发电量为 1 114 kW h。 因此可求得 A 情形 EPBT 为 2. 3 年， B 情 形为0. 8 年。其他地区的阳光辐射量与 EPBT 的关系 见图3。 图 3太阳辐射量与 EPBT 的关系 Fig．3The relationship between solar radiation and EPBT 3. 3温室气体排放 温室气体排放 GHG Emission 的计算公式如下 GHGeq－CO2 GHGtotal Eoutput－total 4 其中分子指建造系统过程中总温室气体的排放 量， 分母指的是系统整个生命周期中产生的总能量。 计算出 A 情形和 B 情形的温室气体 CO2 排放 量分别为 2 840， 982 kg， 假设系统寿命为 30 年， 因此 可计算得 GHG Emission 为 85， 26 g/ kWh 。其他 地区的阳光辐射量与 GHG 的关系见图 4。 4生命周期影响评价 使用 Eco- indicator 99 的方法进行分析， 图 5 为 A 情形下各部分对环境的影响值。 电池板的生产阶段对环境的影响较大， 其中主要 221 环境工程 Environmental Engineering 图 4太阳辐射量与 GHG 的关系 Fig．4The relationship between solar radiation and GHG 图 5 A 情形下系统各部分的环境性能 Fig．5Environmental perance of all parts in situation A 是影响人类健康。从图 6 可看出 电池板的生产环节 变得 “清洁” 了， 这是因为 B 情形下回收了硅， 略去了 生产太阳能级硅的高能耗过程， 而能耗是引起环境污 染的重要因素。同时需要注意的是 B 情形中废弃处 理环节的环境性能－ 23Pt 没有 A 情形－ 50Pt 好， 这是因为 B 情形回收硅的过程需要消耗较多的 能量。 图 6 B 情形下系统各部分的环境性能 Fig．6Environmental perance of all parts in situation B 由图 7 可以看出 太阳能级硅的生产过程对环境 的影响最大， 这与此过程消耗巨大的能量相关 见 图 3 ， 进一步分析后， 可以发现， 系统的环境污染绝 大部分来自于能量的耗费， 因此很多相关的 LCA 研 究中都使用电能的温室气体排放量估算系统的 GHG Emission。 图 7生产一个电池板各阶段的环境性能 Fig．7Environmental perance of all stages in manufacturing a module 另外， 平衡系统对资源消耗一项的影响较大， 其 原因是平衡系统耗费了较多的铝和钢， 这两种金属物 质则造成了资源的消耗。 5结论 1光伏系统中电池板的生产过程对环境的影响 非常大， 其原因是消耗了大量的电能; B 情形比 A 情 形对环境的负面影响小， 原因是回收再利用了硅片， 避开了高能耗的生产过程。 2为了使系统对环境更加友好， 需要改进的措 施包括 降低硅的消耗量; 减少太阳能级硅生产过程 的能量消耗; 使用清洁能源进行供电; 使用更好的废 弃处理方法等。 3本文使用的清单数据基本都是参考已有文 献， 然而这些文献提供的数据可靠性有待于进一步证 实。国内目前还没有可靠性非常高的清单数据库， 因 此不同的研究使用不同的数据会造成有差异的结果。 清单数据对生命周期评价有非常重要的意义， 希望国 内尽早建立完善的数据库。 参考文献 ［1］Lv Fang，Xu Honghua，Wang Sicheng． National Survey Ｒeport of PV Power Applications in China 2012 Final version［Ｒ］．IEA PVPS Task 1，International Energy Agency． 2013. ［2］Niels Jungbluth． Life cycle assessment of crystalline photovoltaics in the swiss ecoinvent database［J］． Prog Photovolt Ｒes Appl， 2005， 13 429- 446. 321 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment ［3］Kazuhiko Kato，Akinobu Murata，Koichi Sakuta． Energy pay- back time and life- cycle CO2emission of residential PV power system with silicon PV module［J］ ． Prog Photovolt Ｒes Appl，1998， 6 105- 115. ［4］Ｒeich N H， Alsema E A， van Sark W G J H M， et al． Greenhouse gasemissionsassociatedwithphotovoltaicelectricityfrom crystalline silicon modules under various energy supply options［J］． Prog Photovolt Ｒes Appl， 2011， 19 603- 613. ［5］Jinqing Peng，Lin Lu，Hongxing Yang．Ｒeview on life cycle assessment of energy payback and greenhouse gas emission of solar photovoltaic systems［J］ ．Ｒenewable and Sustainable Energy Ｒeviews， 2013， 19 255- 274. ［6］胡润青． 我国多晶硅并网光伏系统能量期的研究［J］ ． 太阳能， 2009， 1 9- 14. ［7］刁周玮， 石磊． 中国光伏电池组件的生命周期评价［J］． 环境科 学研究， 2011， 24 5 571- 579. ［8］傅银银． 中国多晶硅光伏系统生命周期评价［ D］ ． 南京 南京大 学， 2013. ［9］Vasilis Fthenakis， Ｒolf Frischknecht， Marco Ｒaugei， et al． ology Guidelines on Life- cycle Assessment of Photovoltaic Electricity［Ｒ］． IEA PVPS Task 12，Subtask 20，LCA Ｒeport IEA- PVPS T12- 03 2011. ［ 10］班辉， 邹智勇， 张万福． 工业硅生产能耗及节能分析［J］． 轻金 属， 2005 1 42- 48. ［ 11］叶宏亮， 马文会， 杨斌， 等． 工业硅生产过程生命周期评价研究 ［J］． 轻金属， 2007 11 46- 49. ［ 12］谷宏旺， 林玉芳， 王洪光． 太阳能级多晶硅生产工艺的节能降耗 综述［J］ ， 广东化工， 2013 5 71- 72. ［ 13］杜鹃， 石建宁， 王建国． 冶金法生产多晶硅的清洁生产分析实例 ［J］ ， 三峡环境与生态， 2012， 34 2 44- 46. ［ 14］工业和信息化部、 国家发展改革委、 环境保护部． 多晶硅行业准 人条件［S］． ［ 15］de Wild- Scholten M J，Alsema E A． Environmental Life Cycle Inventory of Crystalline Silicon Photovoltaic System Production． Energy research Center of the Netherlands［Ｒ］．Petten，The Netherlands and Copernicus Insti- tute for Sustainable Development and Innovation，Utrecht University，The Netherlands. ［ 16］Anja Mller，Karsten Wambach，Erik Alsema． Life cycle analysis of solar module recycling process mater［J］． Ｒes Soc Symp Proc， Materials Ｒesearch Society 2006. ［ 17］中华人民共和国国家统计局［EB/OL］． http ∥data． stats． gov． cn/workspace/index; 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