【论文链接】
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140453
【作者单位】
英国伦敦大学学院
【论文摘要】
全球实现零排放的宏伟目标推动了可再生能源的发展，但这种看似绿色的能源在其生命周期中也需要消耗大量资源和能源。尤其是对于作为太阳能电池板最大制造国和使用国的中国来说，太阳能系统的环境影响应长期受到关注，特别是在退役光伏（PV）电池板的回收领域。然而，此前尚未对不同生产技术和废物处理技术下的太阳能电池板的省级碳足迹进行估算，包括与中国设计的最佳方案相比的累积碳足迹和可能减少的碳足迹。本研究旨在利用中国各省的光伏发电数据来计算太阳能电池板的总碳足迹和减少的碳足迹。结果表明，到2060年，2011年至2035年期间安装的太阳能电池板的全国累积碳排放将超过50亿吨二氧化碳当量。凭借先进的生产技术和高效的废物处理，整个生命周期的排放量可减少50%，回收环节的排放量可减少36%。尽管各省的排放量存在较大差异，但近年来主要排放源已从中国西北地区转移到东部地区。本研究为政府制定废旧光伏电池板的管理规定以及回收处理技术的发展提供了基本指导。
【实验方法】
方法：
中国地域辽阔，太阳辐射量地区差异显著，因此有必要考虑各省的峰值日照小时数，以获得更准确的碳排放量。本研究采用了基于地理位置划分的五个类别的平均峰值日照小时数。然后，为每个省份计算了新的碳排放因子。最后计算了总碳足迹和减少的碳足迹。遗憾的是，2011年至2015年的省级发电数据缺失，因此这一时期的碳排放因子是根据平均峰值日照小时数（1600小时）来计算的。关于废旧光伏电池板处理方案的讨论，按照三种报废处理方案，碳排放量的增加比例分别为：全部填埋增加0.08%，铝框拆解减少5.96%，热处理减少33.54%。设计了五种方案。在描述中国未来（先进）情景的方案中，先进技术指的是欧洲的排放水平，因为其排放强度较低，我们据此估计了技术升级带来的潜在减排量。这表明太阳能电池板的生产、使用和回收供应链将实现深刻的产业升级。
本研究使用的所有数据均为公开数据。中国在2011年创下了光伏安装量的记录，最新数据截至2020年，而过去五年是安装量增长最快的时期，因此碳足迹的计算将重点关注上述年份。2011年至2020年间的全国光伏组件安装容量和发电量数据以及2016年至2020年间的各省数据均来自中国电力企业联合会，而2050年中国光伏安装容量和发电量的预测数据则来自以往研究。本研究中使用的碳排放因子是基于文献中的多晶硅（multi-Si）和单晶硅（c-Si）组件得出的，因此本研究假设所有组件均采用多晶硅技术制造。
【图文摘取】
【主要结论】
本研究显示，到2060年，累积的生命周期排放量将超过50亿吨二氧化碳当量，其中2050至2060年间的排放量增长最为迅速。采用先进生产技术和彻底废物处理可显著降低大量碳排放。尽管各省排放量差异较大，但主要碳排放地区已从中国西北地区转移至东部地区。本研究通过估算基于不同生产和废物处理技术下的中国各省太阳能电池板的碳足迹，填补了研究空白。尽管由于组件效率和性能比的不同，计算中存在一定不确定性，但总体趋势相同，对结果的影响有限。鼓励未来研究考虑这些因素。本研究可为学术界、光伏产业和政府决策者提供参考，使他们认识到这种看似清洁的可再生能源的环境影响，并提出更清洁利用太阳能的创新发展计划。对于学术界而言，通过估算光伏系统的碳排放量，可以促使人们关注太阳能和其他可再生能源低碳设计的优化。如果设计得当，物理、热和化学废物处理的结合在设定减碳目标方面具有巨大潜力，可指导光伏设计师和制造商。为政府决策者提供参考方面，本研究揭示了看似清洁的能源使用与实现2060年零碳目标之间的差距。在政策建议方面，由于中国是光伏回收领域的初学者，初期可实施区域电网回收模式。考虑到技术发展和装机容量的地理分布，合理设计具有适当处理能力的回收工厂至关重要。在建造永久性处理工厂之前，可在废物产生量最大的省份引入试点回收项目，以测试回收能力和运输距离。省际间的合作也有利于处理偏远地区的废旧光伏电池板。如果规划得当，可显著降低光伏废物的碳足迹。
