【光伏组件回收】Energy: 循环经济战略对未来能源转型技术的影响及其影响：以太阳能光伏为案例研究—Xueyue Hu

文摘 2024-12-25 18:31 北京

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133972

【作者单位】

中国科学院大学

【论文摘要】

在国际能源署可持续发展情景（IEA-SD）下，太阳能光伏（PV）预计将在全球能源转型中发挥关键作用，以实现《巴黎协定》的温度目标。然而，其大规模部署将不可避免地增加材料需求和相关二氧化碳排放。从物质-能源-碳关联的视角出发，本研究评估了各种循环经济策略及其组合在减少材料需求和缓解碳排放方面的有效性。本研究首次明确探讨了针对不同金属类别在实现多重可持续性目标时，减少、再利用、回收策略组合之间的矛盾。通过动态物质流分析和情景分析，本研究对2015年至2050年期间全球范围内四种太阳能光伏子技术（晶体硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒）中使用的四大类金属（铝、铜、镍、铅）和七种小金属（银、镉、镓、锗、铟、硒、碲）进行了综合分析。研究结果表明，减少与回收策略相结合可将碲的累积需求减少至可用资源的100%，并将银的二氧化碳排放量减少94%。然而，当同时应用再利用策略时，材料需求并未进一步减少，二氧化碳排放量的削减也降至92.5%。而对于主要金属而言，再利用与回收策略相结合可实现最高的二氧化碳减排量，达到23.1%，其中仅回收策略的贡献率为4.4%。这些结果挑战了普遍采用一套固定循环经济策略的传统观念，意味着应根据具体的可持续性目标和目标材料，有选择性地实施循环经济策略。

【实验方法】

方法：

为了应对这一分析中所固有的复杂性，本研究选择了动态物质流分析和情景分析作为主要的方法论途径。这些方法能够捕捉物质流动的复杂时间动态，并允许在不同未来情景下评估各种循环经济（CE）策略，从而能够随时间全面评估大规模太阳能光伏部署所带来的资源需求和碳排放。本研究的方法论结构由四部分组成。首先，介绍了国际能源署可持续发展情景（IEA-SD）下的能源结构以及太阳能光伏的作用。其次，详细阐述了太阳能光伏技术的动态物质流分析。第三，解释了金属生产相关的能源和二氧化碳排放量的估算方法。第四，描述了循环经济策略的情景设置。

【图文摘取】

【主要结论】

在国际能源署可持续发展情景（IEA-SD）下，通过动态物质流分析和情景分析，本文全面分析了循环经济（CE）策略在提高太阳能光伏技术万亿瓦级部署可持续性方面的有效性，这一分析从物质-能源-碳关联的视角展开。评估了太阳能光伏生命周期不同阶段（包括减少、再利用、回收）的循环经济策略及其组合在减少小金属和主要金属的材料需求和相关二氧化碳排放方面的影响。据作者所知，这是首次深入实证分析，揭示了并讨论了针对广泛太阳能光伏技术和金属在实现不同可持续性目标时，各种循环经济策略之间的权衡与矛盾。除了填补现有研究空白外，本研究还为政策制定者提供了宝贵见解，即如何根据特定的可持续性目标和金属类型定制政策。本研究挑战了普遍采用一套固定循环经济策略的传统观念，并有可能彻底改变政策设计，使太阳能光伏领域的资源管理和循环经济实施更加有针对性和有效性。

从物质节约的角度来看，在没有循环经济策略的情况下，预计到2050年，碲的累积需求将达到可用资源的450%。当单独实施循环经济策略时，“减少”策略在减少材料需求方面表现最为突出。“减少”、“再利用”和“回收”分别预计将使碲的累积需求减少70%、19.4%和14.7%，导致碲的累积需求分别占可用资源的136%、364%和384%。当同时实施循环经济策略时，“减少”和“回收”的组合在减少材料需求方面效果最好，而“再利用”在与其他循环经济策略组合时仅起边缘作用。预测显示，将“减少”和“回收”或所有三种循环经济策略结合起来，到2050年可将碲的累积需求降低至大约占可用资源的100%，而“减少”和“再利用”组合将导致需求占112%，“再利用”和“回收”组合将导致需求占348%。

从碳减排的角度来看，小金属和主要金属最有效的循环经济策略存在显著差异。对于银而言，“减少”、“再利用”和“回收”分别使2050年前的累积二氧化碳排放量减少93.5%、18.2%和28.4%。在所有循环经济策略组合中，“减少”和“回收”的组合对银的二氧化碳减排效果最为显著，达到94%。然而，当同时使用所有三种循环经济策略时，累积二氧化碳排放量预计仅减少92.5%。对于主要金属，“再利用”和“回收”分别使累积二氧化碳排放量减少18.7%和13%。然而，“再利用”和“回收”策略联合应用时，碳减排效果最为显著，预计可减少约23.1%的二氧化碳排放，其中“再利用”发挥了关键作用，因为“回收”仅占这一减排量的4.4%。当对所有金属同时使用所有三种循环经济策略时，预计到2050年，总累积二氧化碳排放量将减少25%。

本分析的结果表明，循环经济策略应根据不同的材料类别以及不同的可持续性目标进行定制。对于小金属而言，太阳能光伏系统的循环经济政策应优先考虑通过避免再利用来关闭材料循环，以达到节约材料和减少碳排放的目的。而对于主要金属，循环经济策略应侧重于通过再利用来减缓材料循环，以减轻碳排放。对于小金属和主要金属，以及针对这两个可持续性目标，建立回收系统对于增加二次材料的流入、减少对一次材料的需求以及从而减少相关二氧化碳排放至关重要。为了在全球范围内有效实施这些定制的循环经济策略，以解决大规模太阳能光伏部署的可持续性问题，国际合作至关重要，因为材料和能源技术的生产和消费系统具有国际化特点。

虽然本研究提供了宝贵见解，但仍存在有待进一步探索的领域。未来的研究可以通过考察循环经济策略对太阳能光伏生命周期中除二氧化碳排放以外的其他环境因素的影响来扩展这项工作。此外，未来研究还应对企业、工业和全球层面太阳能光伏行业实际实施循环经济策略的经济激励和挑战进行深入调查。这些调查将补充当前分析，为太阳能光伏领域发展中循环经济对资源效率、环境可持续性和经济可行性的影响提供更全面的理解。

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