太阳能发电技术正得到日益广泛的应用,在政府的大力支持下,近年来,中国已超越欧盟,成为全球太阳能光伏发电装机量增长最快、总量第一的国家。随着光伏产业的蓬勃发展,光伏垃圾的回收管理问题也日益凸显出来。欧盟已于2012年正式将废弃光伏组件纳入了电子废物管理的范畴,但中国目前关于光伏垃圾回收的政策尚处于讨论之中。山东在我国东部沿海地区中发展光伏产业具有一定优势,生产和应用都处于国内领先地位,更需将此问题纳入产业发展的通盘考虑之中。
2020年后,中国光伏垃圾产生量将显著增加
光伏组件包括晶体硅组件和薄膜电池,光伏板的设计寿命一般被定为25年,实际运行年限可能更长。这个特点,导致光伏组件从大量采用到大量废弃的时间周期较长,而现在,这个周期已不遥远。
据国际可再生能源机构、国际能源署光伏系统项目的报告,2014年,废弃的光伏组件还不到电子垃圾的千分之一；而到2050年,则会达到0.78亿吨,全球商品市场价值将达到150亿美元。该报告的作者之一、美国国家可再生能源实验室加文˙希斯博士曾向媒体表示:“光伏组件的垃圾量在未来不久将大幅增加,因此,我们建议各国现在就开始准备。”
中国作为世界首屈一指的光伏大国,光伏垃圾的问题也已日渐显现。2008以前,中国光伏产品主要面向出口市场,在欧洲新能源补贴政策的激励下,光伏组件生产能力快速增长。随着全球金融危机爆发和光伏市场竞争加剧,自2009年以来,中国持续出台光伏发电应用的鼓励政策,以启动国内市场。数年间,不但集中式电站在许多地方大规模普及,分布式并网发电的推广力度也得到了大幅提升。截至2015年底,中国光伏发电累计装机容量已达4318万千瓦,成为全球光伏发电装机容量最大的国家。可以预见,不远的将来,光伏组件的废弃量也将快速增长。
国家“十二五”期间,中科院电工研究所可再生能源发电系统研究部承担了国家863课题子任务“光伏设备回收与无害化处理技术研究”,这是我国目前为数不多的国家级相关研究。研究结果显示,2020年后,中国光伏组件的废弃量将开始显著增加:在电站运行维护良好的情况下,到2034年,光伏组件的累计废弃量将达到近60GW；而在电站运行维护状况一般的情况下,累计废弃量将超过70GW。
英利绿色能源控股有限公司进一步测算的结果则表明,到2030年,中国废弃的光伏组件可以产生145万吨碳钢、110万吨玻璃、54万吨塑料、26万吨铝、17万吨铜、5万吨硅和550吨银。
山东光伏产业已位居全国前列,但对于光伏垃圾回收尚无规划
山东省太阳能资源理论总储量在全国排第17位。我国太阳能资源总体分布从西北向东南倾斜,太阳能资源丰富的地区往往是人烟稀少、自然条件恶劣的地区,而人口集中、能源消耗量大的地区,太阳能资源相对贫乏。从太阳能资源与能源消费需求的匹配度来看,山东省位于我国发展太阳能条件较为优越的地区。21世纪以来,山东省政府积极推动新能源产业发展和技术推广应用,在促进能源结构转型方面也走在全国前列。截至2015年底,山东光伏发电累计装机容量133万千瓦,其中光伏电站89万千瓦。
然而,如同全国其它地区,山东对于光伏垃圾的回收监管体系,目前还是一片空白。无论是《山东省“十二五”太阳能产业和光伏产业发展规划》,还是《关于贯彻落实国发〔2013〕24号文件促进光伏产业健康发展的意见》,都没有涉及光伏垃圾回收的相关规划。作为国内太阳能产业的引领者之一,山东能否在全国率先合理规划和应对这一挑战?
目前,欧美都已经开始着手光伏材料的循环利用。2012年以前,欧盟的电子废物管理条例并未将太阳能光伏组件纳入管理类别之中,主要是因为生产者承担废物管理成本的原则不应该只针对新能源技术,否则会对新能源技术的推广应用带来额外的负担,使之与传统能源竞争处于更加不利的地位。但主流的太阳能电池企业已经开展了自愿的回收行动,2011年,欧盟的PVCycle(光伏循环)回收计划回收了超过1400吨的光伏组件,回收率已接近70%。随着太阳能技术的推广普及,特别是新一代太阳能电池技术的发展,废物管理系统对技术选择的影响,以及循环利用基础设施的建设布局的需要,欧盟开始重新思考对太阳能光伏组件适用生产者责任原则。2012年,欧盟将太阳能电池组件纳入欧盟报废电子电气设备(WEEE)目录,根据该指令要求,2019年以前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。而美国以FirstSolar为首的光伏企业从降低产品生命周期环境影响,提高光伏关键材料的供给保证出发,也主动开展了光伏材料循环利用的研究和实践。
与传统大宗工业金属相比,光伏组件所使用的许多新能源材料都存在材料使用分散、单个产品用量少的特点,并且以复杂合金的形式存在于产品之中,这都给回收利用带来了非常大的挑战。此外,材料的循环利用还受到社会行为习惯、产品设计、循环利用技术以及分拣过程的热力学等多方面的制约,这常常导致花费巨大的经济和环境代价开采的金属材料往往只用一次就变成废物耗散在环境中,无法再利用。如果能够通过合理规划而避免这一问题,建立从摇篮到摇篮的产品-服务系统,对于能源系统的低碳转型具有现实意义。
从成本效益角度看,光伏企业就近回收可能最具经济效益
迄今为止,全球对太阳能材料回收利用的设施建设还处于起步阶段,而合理的空间布局则可以进一步降低太阳能电池材料的回收成本,提高回收利用的效率。基于此,我们以铜铟镓硒薄膜技术为例估算了山东光伏回收建设的几种可能的空间布局。
根据WWF所做的中国高比例可再生能源发展情景,到2050年,最理想的能源转型情景下,中国太阳能光伏发电量在所有发电量中所占比重将提高到27.36%,成为比重最大的能源供给类型。我们根据中国8760电网预测模型中的人均装机容量,结合预测人口数据,估算了山东省全省及各县的预测光伏装机容量。从材料回收的成本效益上看,回收太阳能电池组件尽管是经济可行的,但由于金属材料在整个光伏组件中所占的比重非常低(不足总重量的1%),如果将废弃组件直接混入一般的城市固体废物流的话,金属材料的回收就难以实现。由于废弃组件主要是玻璃的重量,并且很难在处理之前进行分离,因此回收过程中的运输成本就成为需要考虑的因素之一。
山东省总体地势较为平坦,省内公路交通发达,因此对运输成本的计算采用简化方法。假设每个县级行政单元的废弃太阳能组件均先集中到其行政区域的质心位置,作为废弃物收集的原点,再以每个质心到处理厂的直线距离作为近似的运输距离,对于处理厂的选址,可以有如下三种方案:
第一种可行方案:在莱芜市区建立全省唯一的光伏组件处理厂。这是一种规模经济导向方案。由于薄膜技术只是目前商品化应用的几种太阳能光伏技术方案之一,未来技术变化的可能方向比较多,因此集中处理有利于实现处理设备的规模经济,并且适应光伏技术可能发生的变化。假设山东全省只建立一个处理厂,根据运输成本最小化的目标,可以求出距离各县质心距离之和最小的点,该点就是成本最优的处理厂位置。经过计算,最佳点位于莱芜市区附近,公路运费约为1995.03万元。
第二种可行方案:在济南和青岛分别建立光伏回收处理设施。这是一种市场导向方案。分布式光伏系统与集中太阳能电站系统的一个显著差别是,用户安装的时间可能存在较大的不一致,因此废弃时间也会存在比较大的变动范围。此外,实际安装量受人口密度、收入水平等因素的影响,市场需求的空间分布存在较大的不均衡。可以推测,发达的都市中心安装量会更大。因此,在山东省两大都市中心济南和青岛建立回收处理设施,可以方便就近回收。根据计算,这种方案的公路运费约为1490.28万元。
第三种可行方案:按照网上搜集的山东省铜铟镓硒薄膜光伏生产厂的分布,选择东营、潍坊、济宁、威海、青岛和淄博分别建立光伏组件处理厂。这是一种生产者责任导向方案。由于薄膜电池光伏组件的材料在生产环节就有很大的循环再利用潜力,因此企业有动力首先在生产过程中建立再循环处理能力,利用这一处理能力实现全生命周期的循环再利用具有较强的技术可行性。生产者责任制度是指生产者需要全部或部分承担其产品废弃后的回收处理责任,目前已在我国电子废物管理中得到应用。生产者责任制度期望通过生产者责任的延伸,影响其在上游材料选择和商业模式的构建,从而促进废物减量和资源化的目标。假设所有用户的废弃产品均运送到最近的光伏组件工厂处理,采用服务区划分的模型,计算结果该方案的公路运费约为979.14万元。
综合比较上述三种方案,运输成本占处理成本的比重在6.7%~13.3%之间,由此可见,设施布局对处理成本的影响还是比较大的。其中,集中处理的运输成本最大,而生产者责任导向的运输成本最小。不过,生产者责任导向的情景假设中规定了用户废弃的产品可以运到最近的生产厂家,这就需要生产者之间形成一定的回收责任协议,对不是自己生产的产品也进行回收处理。如果在实际生产企业之间就成本收益进行分割,就成为一个现实的问题。如果不能实现生产企业就近回收,生产者责任导向的运输成本就可能反而高于其他两种情景。
最后,从最近光伏技术实际发展的情况来看,光伏技术发展路线还存在很大的不确定性,与建筑和其他产品结合的灵活性越来越大,应用方式也逐步向移动化设备扩展,材料的空间分布就更加不确定了。并且,材料的使用寿命可能会像电子产品一样,未达到设计使用寿命就因产品更新淘汰而废弃。这种产品的回收就更加依赖于回收体系和责任机制的设计了。
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