【光伏组件回收】RCR:基于“减量化、再使用、再循环”的循环经济原则对27国废光伏组件进行评估—Eleni Kastanaki

文摘 2024-12-19 18:30 北京

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2024.108033

【作者单位】

希腊克里特理工大学

【论文摘要】

随着欧洲联盟（EU）将可再生能源发展目标提高至2030年占比达到42.5%，预计将会产生更大规模的光伏（PV）废弃物，这些废弃物需要在循环经济（CE）战略下得到有效管理。本研究工作基于循环经济的“减量化、再使用、再循环”范式，对光伏废弃物流量进行了定量估算。其中，“减量化”是通过改变光伏组件的构成来实现的。“再使用”流仅包括仅需“轻微”修理的光伏组件。再循环的估算分为两种情况：包含再使用流和不包含再使用流。研究考虑了三种寿命场景和技术动态占比下的动态物质流分析。到2050年，累积的光伏废弃物将达到2100万至3500万吨。如果所有废弃物都被转向再循环，到2050年，回收材料的总价值将达到320亿至470亿欧元。鉴于欧盟计划在2030年前推动光伏制造业的发展，所累积的材料可以满足所需资源的一大部分。

【实验方法】

光伏功率到质量的转换：

光伏装机容量（以兆瓦为单位）首先被转换为质量（以吨为单位）。由于技术进步，组件随着时间的推移变得更轻、更高效，这通过一个动态转换因子来考虑。与使用与时间无关的恒定转换因子相比，这种方法更准确。我们假设所有光伏技术的组件性能随时间变化的模式是相同的。

在第t年，每组件容量的质量因子由以下公式给出：

其中，A为1.11 × 10^20（吨/兆瓦），B为48.24年。

物质流分析：

为了计算光伏废弃物中的内含材料，我们使用了光伏组件的材料组成。

第t年，在光伏技术j中金属/材料i的数量按以下方式计算：

其中，Mij表示第t年在光伏技术j中金属i的数量（重量百分比）。

模型假设：

采用了三种模型：欧盟电子电气设备废弃物指令（WEEE）模型以及国际可再生能源署（IRENA）的预期寿命（EL）和可靠寿命（RL）模型。在欧盟WEEE、EL和RL模型中，平均使用寿命分别为22.5年、26.6年和27.7年。虽然RL模型预测光伏组件在使用30年后才会更快地出现故障，但EL和欧盟WEEE模型则预测早期故障（30年之前）的概率会增加。总体而言，欧盟WEEE模型预测的故障数量比其他两个模型要多。在RL模型中，90%已安装的光伏组件在安装后应能使用约20年，而EL和欧盟WEEE模型则分别预测为12年和13年。

再利用废物流：

通过假设再利用的光伏组件可以以新组件成本的70%出售，可以估算出售这些组件的利润。从历史上看，太阳能光伏组件成本的下降趋势极大地提高了竞争力。根据类型不同，2009年至2022年期间，在欧洲市场上销售的晶体硅组件的成本下降了88%至94%。2022年，主流组件在市场上的售价为每瓦（W）0.33美元（USD）或每瓦（W）0.3135欧元（€）（IRENA，2023），因此，这一价格的70%用于计算再利用组件的价值。

组件废弃物的材料组成及回收潜力：

文献中有几项研究报道了太阳能电池板的组成，但它们之间存在不一致性。本研究中使用的平均值。对于硅金属（Si），大多数研究报告的值在2%～5%之间，其中大部分报告约为3.5%。一项研究报告了Si的含量为0.12%，但由于这是一个异常值，因此在计算平均值时将其排除。特别关注废弃的c-Si组件，因为这项技术代表了大多数废弃组件。因此，还考虑了c-Si废弃物（银、玻璃、铝、硅和乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA））组成的动态变化，以捕捉该组件技术的材料演变。对于银，检索了动态组成数据。然而，由于这些数据仅覆盖了2000年至2015年期间，因此从其他来源获得了关于每块电池银含量的额外数据，以填补缺失的年份。此外，还进行了固定组成的计算，并将结果与动态组成的结果进行了对比。对于铜含量，使用了指铜连接器的平均值，因为文献中没有关于铜连接器含量演变的信息关于其他主要技术（非晶硅a-Si、碲化镉CdTe、铜铟镓硒CIGS），使用平均组件组成来估算每种光伏技术废弃物中结合的材料量。

在前几步中估算的每种材料的数量乘以相应的回收效率，以确定通过回收光伏废弃物可以回收的二次材料的数量。硅、银、铝和铜的平均回收效率是从Ovaitt等检索的，而其他材料的回收效率则是从Domínguez和Geyer以及Mahmoudi等检索的。此外，在计算经济收益时，还考虑了材料价格和回收率。

【图文摘取】

【主要结论】

随着欧盟最近将2030年的可再生能源目标从32.5%提高至42.5%，光伏废弃物流将显著增加，因此需要迅速采取行动，规划对其的有效管理。本研究工作基于《国家能源与气候行动计划》中所有欧盟成员国设定的至2040年的更新后太阳能部署目标，在循环经济战略“减少、再利用、回收”的背景下，对光伏废弃物流进行了量化估算。

考虑了三种使用寿命情景。“减少”方面，通过计算新光伏产品中材料（如银、硅、铝和封装材料）用量的减少，以及玻璃含量的演变和效率的提升来实现。再利用流的估算基于一个假设，即只有需要“非常轻微”维修的组件会进入再利用流，因为目前组件设计和法规并不利于再利用。因此，本研究中仅考虑使用寿命不足12年且仅需最小维修的提前退役组件符合再利用流的条件。通过提供产生的废弃物的时空数据来计算回收流。这些数据对于有效管理光伏废弃物流、最小化相关物流挑战以及确保回收行业的可持续性至关重要。考虑了两种情况，一种是没有再利用流，另一种是有再利用流。

在新的目标下，预计到2040年和2050年，累积的光伏废弃物将分别达到6-13百万吨和21-35百万吨，分别比之前预期高出10-42%和46-84%。如果没有再利用流，回收流中嵌入材料的总值预计将在2040年和2050年分别达到120-210亿欧元和320-470亿欧元。在光伏废弃物中，晶体硅（c-Si）技术占据主导地位，到2040年和2050年，累积的c-Si废弃物将分别达到5百万吨和15百万吨。

废弃组件中包含的材料数量巨大，有助于实现欧盟2030年在欧洲制造至少40%新型太阳能技术的目标。仅关注c-Si组件，2030年生产新组件所需的银的87-163%可由同年废弃组件中的银满足。到2035年，废弃组件中每年的银含量可满足新组件对银的年需求的399-459%。2030年和2035年，废弃组件中的硅含量可分别满足新组件对硅需求的19-44%和74-120%。对于铝，2030年需求的23-51%可由废弃组件中的铝满足，而到2035年则可满足88-133%。因此，光伏废弃物中嵌入的材料可用于加强欧洲的光伏生产，实现材料循环并促进经济发展。

到2040年和2050年，累积的再利用流将分别达到3.7-63吉瓦和6.3-97吉瓦。2040年和2050年，再利用组件的销售收入将分别为0.8-13.8亿欧元和1.4-21.3亿欧元，而剩余组件的回收收入将分别为113-149亿欧元和328-365亿欧元。因此，与单一的回收流相比，当包括再利用流时，到2040年和2050年的收入将分别增加2.7-23.6%和2.5-24.7%。

根据每年产生的光伏废弃物数量，德国和意大利将能够在2025年和2030年之前成功运营光伏回收工厂，而法国和西班牙则将在2033年之前实现。对于其余24个欧洲国家，这一时间表将延长至2040年之后。有效管理光伏废弃物流是欧盟抓住机遇、引领能源转型和探索新经济领域的机会。

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