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循环经济视角下光伏产业发展的相关思考

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海南省绿色金融研究院
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根据国际可再生能源署和国际能源署的预测,到2030年光伏组件回收规模将达150万吨,2040年达到约700万吨,2050年将达到2000万吨。从全球角度来看,需要回收的组件规模更大,预计到2050年全球将产生光伏废弃物高达7800万吨。若不按照循环经济的模式发展,规模化的光伏发电发展势必产生大量的固废,将导致未来面临巨大的处置压力。因此,要实现光伏产业高质量发展,必须走循环经济的发展模式,以光伏产业全生命周期的视角重视光伏产业的绿色发展,重视光伏系统的回收。

在“双碳”目标的驱动下,绿电需求高涨,光伏发电备受市场追捧,与光伏发电相关的生产环节、系统安装及维护都成了当下的热门话题。相比之下,光伏回收环节在国内的关注度远远不够。从更长远的角度考虑经济社会未来发展,不能仅抓光伏发电这一绿电环节,还要从光伏产业链全生命周期的角度考虑问题,提前布局和考虑光伏组件回收的问题,确保光伏产业按照绿色高质量的要求发展。

循环经济发展模式对光伏产业发展提出了更高的要求

从光伏产业可持续发展、开拓国际市场和持续增强光伏产业竞争力的角度来看,循环经济发展模式是助推光伏产业向高质量发展的必然要求。

(一)国际社会对于光伏系统循环利用的要求逐步提高

欧盟、日本等发达国家光伏发展起步比较早,关于光伏系统循环回收利用处置的研究和实践开展的也领先中国一步。目前,德国等欧盟国家正逐步考虑将光伏循环利用作为光伏产品的强制性要求,要求光伏系统的生产商负责组件等核心部件的回收。循环利用不仅提高了光伏产品的资源利用效率,也能够降低光伏产品生产制造过程的碳排放,有利于应对欧盟提出的“碳边境税”。然而,国际形势并不乐观,最近欧盟已经颁布了“碳关税”边境调节税的制度。因此,若要继续维持我国原有的市场地位,必须从保障我国光伏产业具备持续满足市场新需求的能力,预判市场发展的走势,提前布局光伏产业链绿色转型。

(二)持续保证我国光伏产业技术的竞争力

光伏发电被赋予了未来电力主体的地位,同时光伏产业链也进入了新的发展阶段,对光伏发电和光伏产业链发展也提出了更高的要求来增强其竞争力。从短期来看,光伏发电的重心是扩大应用规模,业内人士主要关注光伏发电在电力系统中承担电力安全、可靠、经济、高效的责任;从中长期来看,要通过发展光伏产业促进经济社会可持续发展的问题。未来光伏产业的竞争力不仅仅涵盖光伏组件发电效率提升、光伏发电成本的降低,还应该囊括光伏组件回收等循环利用的技术竞争力,包括绿色设计与制造、资源循环利用等。

(三)保持光伏产业的可持续发展

光伏产业是我国的战略新兴产业,也是我国为数不多的在国际上占有技术、产业和市场领先优势的产业,推动光伏产业按照循环模式发展是保持光伏产业可持续发展的重要举措。

光伏产业链绿色发展的必要性

实现光伏产业按照循环经济模式发展的核心,是要实现光伏系统在寿命期后,有序回收、尽量降低对环境的影响,并提高光伏系统中稀有材料的利用率,提高资源利用效率。若不能很好的解决光伏系统回收,可能带来巨大的环境污染,让光伏发电绿电的名声晚节不保,行业的声誉大打折扣,影响可持续发展。

(一)保护环境,避免废旧光伏系统对环境造成巨大的负担

从光伏部件的组成材料来看,不同的光伏组件及部件对环境的影响差别较大,目前市场上主流的晶硅组件含有的材料对环境影响相对小一些。晶硅组件的回收与制造一般都分别是不同企业和厂区开展工作。碲化镉薄膜光伏组件对环境的危害较大,该类组件当前在我国使用量较少的,鉴于其潜在的环境风险较大,而且未来有可能我国也会有大量的碲化镉组件应用,有必要对这类型对环境危害大的组件的全生命周期管理做好规划管理。全球最大的碲化镉薄膜光伏组件企业第一太阳能公司已经考虑到组件回收的问题,材料回收利用与生产放在同一个工厂内进行,尽量控制有害物质扩散的风险。此外,构成光伏发电系统的各类型电子类元器件设备,通常都含有对环境有危害的成分、若不合理处置,按照固体废弃物填埋,存在较大的环境风险,同时也造成了资源的巨大浪费。

与常规的并网光伏系统不同,带有化学电池储能单元的离网光伏发电系统面临的环境风险更为严峻,该类型是小型系统,具有单体容量小,数量特别巨大,地理分布特别广,主要发布在经济相对欠发达的我国西部无电地区和国外欠发达国家的无电地区。这类地区普遍环境意识淡薄,若不积极采取回收管理手段,光伏组件和化学电池到寿命期后极有可能被随意丢弃,所含的有毒金属后渗入土壤和地下水系统,给当地环境造成很大的破坏。

(二)节约和高效利用资源和能源,降低光伏产业对开采矿产资源的依赖

节约和高效利用资源对于传统能源适用,对于光伏发电这类绿色能源同样适用。对光伏组件回收实现循环再利用,可节约资源,减少对原生资源开采并降低资源提炼的耗能,从而减轻生态环境影响。

大规模光伏系统的应用是建立在庞大的资源供应的基础上的,废旧光伏系统中材料的回收利用可以提高贵金属等资源的利用率。比如,晶体硅电池的电极制备需要消耗银、碲、铟、镓等。这些材料在其他尖端技术领域也有着广泛的应用前景。如果光伏组件报废之后,不对其中的稀有金属进行回收利用,必然造成资源的极大浪费。

(三)减少光伏应用造成的固废处置量

若不按照循环经济的模式发展,规模化的光伏发电发展势必产生大量的固废,将导致未来面临巨大的处置压力,特别是中东部地区处置固废的空间有限,面临的环境问题更为严重。关键问题在于,光伏系统产生的固废量远超智能手机、电脑和其他电子产品产生的量。根据国际可再生能源署和国际能源署的预测,到2030年光伏组件回收规模将达150万吨,2040年达到约700万吨,2050年将达到2000万吨。从全球角度来看,需要回收的组件规模更大,预计到2050年全球将产生光伏废弃物高达7800万吨。需要引起重视的是,随着光伏发电的快速发展上述数字有可能被低估。

开展光伏系统循环利用的可行性

(一)建设绿色低碳循环的宏观经济发展环境

国内经济政策环境非常有利于光伏系统循环利用的推动和发展。建设绿色低碳循环经济体系已经成为我国经济社会发展的总体方向。今年年初国务院发布了《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》(国发〔2021〕4号),提出到2025年初步形成绿色低碳循环发展的生产体系、流通体系、消费体系。

近日,国家发展改革委发布的《“十四五”循环经济发展规划》指出,我国循环经济发展仍面临重点行业资源产出效率不高,再生资源回收利用规范化水平低,回收设施缺乏用地保障,低值可回收物回收利用难,大宗固废产生强度高、利用不充分。光伏组件回收同样面临类似的问题,当大量的光伏组件到寿命期将产生大量的固废,以及低值的废玻璃。

(二)光伏组件回收技术验证了回收的可行性

光伏系统能否安全、经济回收的关键,在于技术创新和突破且与光伏产业发展相协调。中国科学院下属研究机构已开展废旧组件修复再利用,以及组件的回收技术研发。中国科学院电工所经牵头开展了组件回收技术的研发,分别开展了物理法回收技术研发,实现实验室总质量回收率91.2%,元素回收率银91%、硅95.1%、铜95.2%;研究了热分解法回收技术,实现实验室总质量回收率均在90.2%,元素回收率银93.76%、硅96.27%、铜99%。本项目的前瞻性做到相对较好,也考虑到未来新型太阳电池的回收,研究开发了面向未来新结构、新材料、新组件的新型回收方法,开展了激光刻划、线切割的拆解技术和异质结电池的银、铟回收技术研究。

(三)国内外光伏系统回收技术标准体系正在逐步建立

纵观国内外光伏系统回收的实施进展,欧盟的光伏回收较为详细和严格,美国和日本也建立了废旧组件的标签标识管理体系。国际组织也在协调各国积极推动光伏系统的回收再利用相关标准的制定,2021年,国际能源署光伏专业组编制了《便于回收的光伏组件设计指南》,该手册旨在引导全球光伏组件企业在设计组件的过程中就考虑后期的回收问题。

欧盟已经着手从标准法规层面出台强制回收光伏组件的规定。2012年最新修订的《欧盟废弃电子电器产品管理条例》率先将太阳能光伏组件纳入管理范围。根据修订后的规则,2019年以前,光伏等电子产品回收率需要达到 85%以上,其中,材料的再循环率要达到80%以上。

日本早在2000年开展了光伏组件回收的前期调研准备工作,日本太阳能发电协会组建了太阳能电池循环再利用实施小组。之后,该小组积极进行太阳能电池使用后处理方法的调查并设课题进行研究。在该小组的努力下,2004年,日本发布了《关于太阳能电池类物品废弃处理的法律事项》;2006 年3月该小组针对使用后的太阳能电池回收的问题作了报告;2007年3月其又作了关于太阳能电池回收再利用方案的报告。这些都为日本的太阳能电池回收工作提供了数据及理论依据。日本尚未将光伏产品纳入强制要求回收的管理制度,但是已经为推动强制回收做准备。

我国的光伏回收技术标准尚处于起步阶段,国标均是近两年布实施的,分别是GB/T 39753-2021《光伏组件回收再利用通用技术要求》和GB/T38785-2020《建筑用薄膜太阳能电池组件回收再利用通用技术要求》。2020年,我国光伏协会标委会已经组织成立了光伏组件回收和再利用标准工作组,以及光伏建筑一体化标准工作组。

(四)分类处置大幅提高光伏的回收利用率

废旧光伏组件的回收再利用,需要以分类处置来提高回收利用率。据欧盟PV CYCLE组织的研究显示,在废旧光伏组件中,玻璃约占总重量的69-75%左右,铝材料约占10-20%,半导体材料约占2-3%。也就是说,光伏组件的材料大部分具有循环再造的可能。通过废旧光伏组件的回收再利用,可以实现稀有金属、玻璃、铝材以及半导体等物质的循环使用,以达到减轻对原生资源的开采、降低资源提炼的耗能以及减轻对生态环境影响及破坏的目的。

推动光伏产业绿色发展的建议

(一)制定有利于光伏系统循环发展的政策体系

废旧光伏组件的回收再利用作为一项系统化工程,单纯依靠技术层面的支持,难以实现,还需国家政策制度的有效引导,能够激发企业的参与积极性和主动性。建立废旧组件再利用、修复和材料循环再生利用的市场发展引导机制,开展示范应用积累经验,进而将光伏产业回收利用培育成为产业新的经济增长点。

(二)制定完善符合循环经济模式的绿色供应链标准体系

以绿色供应链标准完善光伏产业的设计、制造和运营管理标准。以绿色供应标准的要求约束企业从光伏产品设计初期按照可回收理念开展产品的设计,以便于后期的回收。在光伏产品的流通环节,以绿色理念推动光伏产品在市场上的应用和流通,比如,可以借鉴欧洲国家的做法建立生产者责任制,由光伏设备生产企业负责设备的最终回收。基于先进的数字化技术,构建光伏产品可追溯的数据库系统,为后期的光伏系统回收再利用提供便利。

(三)支持光伏回收相关的基础研究

光伏回收关键技术属于较为前瞻性、基础性的研究,符合国家基础研究资助的范围,建议国家科研项目资助光伏回收关键技术研发。光伏回收关键技术按照修复再利用、材料再回收,以及材料回收等技术领域开展研究,并评估其实施的经济性,为制定政策和推动示范和商业化应用奠定基础。