基于生命周期評價(jià)的多晶硅片環(huán)境影響研究

謝明輝，阮久莉，喬琦*，李海玲，王文靜，呂芳，張嘉

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190

3.中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會，北京 100190

基于生命周期評價(jià)的多晶硅片環(huán)境影響研究

謝明輝1，阮久莉1，喬琦1*，李海玲2，王文靜2，呂芳3，張嘉3

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190

3.中國可再生能源學(xué)會光伏專業(yè)委員會，北京 100190

選用我國終點(diǎn)破壞類影響評價(jià)模型(Chinese endpoint damage model，CEDM)，采用生命周期評價(jià)(LCA)法研究了我國多晶硅片生命周期環(huán)境影響。通過座談和問卷調(diào)研的方式，獲得多晶硅片生命周期能量物質(zhì)的輸入輸出和環(huán)境外排數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：從環(huán)境影響的最終破壞受體來看，我國多晶硅片生命周期環(huán)境影響主要集中在對人體健康的損害方面，占70.21%；其次是對資源衰竭方面的影響，占26.22%；而對生態(tài)系統(tǒng)的損害最小，僅占3.57%。從各環(huán)境要素來看，由多晶硅原料帶來的環(huán)境影響是所有環(huán)境要素中最高的，占70.83%；其次是電耗和砂漿液，分別占19.44%和7.62%；生產(chǎn)過程污染物排放對環(huán)境的影響僅占0.07%。降低多晶硅片環(huán)境影響應(yīng)首先考慮減少原料消耗；其次考慮節(jié)能和廢砂漿循環(huán)利用。我國多晶硅片環(huán)境影響略高于歐洲平均水平，主要是由原料端(高純多晶硅)差異導(dǎo)致。

多晶硅片；生命周期評價(jià)(LCA)；環(huán)境影響；太陽能級多晶硅

太陽能電池行業(yè)近年來發(fā)展迅速，2013年我國太陽能電池裝機(jī)容量達(dá)到12.1 GW，增長迅速，直接帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中多晶硅、硅片等行業(yè)的發(fā)展。以硅片為例，2013年我國硅片產(chǎn)量為29.5 GW，占全球市場的75%[1]。相對于太陽能級多晶硅生產(chǎn)，硅片生產(chǎn)污染較少、能耗較低，但在切割過程會產(chǎn)生大量含有硅粉的廢切割液，如不能有效回收廢液，不僅會污染環(huán)境，還會造成資源浪費(fèi)；同時(shí)，切割過程還耗費(fèi)大量的切割線(不銹鋼，全文同)、玻璃，會產(chǎn)生大量的固體廢物。由于社會多關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈上游多晶硅提純過程的環(huán)境問題而忽視了硅片生產(chǎn)的環(huán)境問題，因此，亟需識別在硅片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的環(huán)境問題及其環(huán)境影響，以便科學(xué)指導(dǎo)相關(guān)環(huán)境管理政策的制定。

隨著太陽能電池行業(yè)的發(fā)展，其所帶來的環(huán)境問題開始逐漸受到重視。早期的研究主要集中在太陽能電池的能量回收期(energy payback time)上[2-3]，國外學(xué)者還針對其在生產(chǎn)過程的溫室氣體排放進(jìn)行研究[4-6]；近幾年，國內(nèi)外學(xué)者開始從生命周期評價(jià)(life cycle assessment，LCA)的角度研究太陽能電池對環(huán)境的影響[7-9]，但國內(nèi)目前的多數(shù)研究都是針對整個(gè)光伏系統(tǒng)全產(chǎn)業(yè)鏈的[10-12]，以及針對高純多晶硅生產(chǎn)過程的[13]，鮮有單獨(dú)針對硅片生產(chǎn)過程環(huán)境影響的研究。因此，筆者以硅片生產(chǎn)過程為研究對象，采用部分本地化修正的終點(diǎn)破壞類影響評價(jià)模型(Chinese endpoint damage model，CEDM)[13]，對硅片生產(chǎn)過程的環(huán)境影響進(jìn)行定量評價(jià)，以期為宏觀決策及相關(guān)法規(guī)的制定提供參考。

1 研究內(nèi)容

針對硅片生產(chǎn)過程，基于ISO 14040～14043中生命周期評價(jià)理論[14]設(shè)計(jì)研究方法為：1)確定LCA的目標(biāo)范圍和系統(tǒng)邊界；2)進(jìn)行清單分析，確定各流程輸入(原料、輔料和能源等)和輸出(向空氣、水、土壤中的排放及固體廢物)數(shù)據(jù)；3)進(jìn)行影響評價(jià)，對清單數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評價(jià)；4)結(jié)果解釋，對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行解釋說明。

采用座談和問卷調(diào)研的方法收集硅片切割過程的資源能源消耗和環(huán)境外排數(shù)據(jù)，基于我國終點(diǎn)破壞類影響評價(jià)模型，選擇與硅片生產(chǎn)過程相關(guān)的7個(gè)環(huán)境影響類別，即致癌、呼吸系統(tǒng)影響、氣候變化、生態(tài)毒性、酸化富營養(yǎng)化、礦產(chǎn)資源、化石燃料等建立評價(jià)模型。該模型中的資源屬性本地化基準(zhǔn)值核算基于“品位-能源”模型[15]，根據(jù)2004—2010年中國有色金屬工業(yè)年鑒中主要有色金屬開采量、原礦品位以及化石燃料開采量數(shù)據(jù)，以2010年為基準(zhǔn)年核算了我國(作為基準(zhǔn)區(qū)域)的資源(礦產(chǎn)資源、化石燃料)標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值[16-17]，影響評價(jià)模型各參數(shù)見表1。

表1 影響評價(jià)模型參數(shù)

注：標(biāo)*數(shù)據(jù)來自環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“我國新能源產(chǎn)業(yè)(太陽能電池)環(huán)境影響和管理研究”課題成果；DALY為傷殘調(diào)整壽命年(disability adjusted of life years)；PDF為潛在消失比例(potentially disappeared fraction)。

在SimaPro[18]軟件中進(jìn)行了CEDM的構(gòu)建，得出相應(yīng)的環(huán)境影響潛值，并進(jìn)行了生命周期影響評價(jià)和結(jié)果的解釋。

2 研究方法

2.1 功能單位和系統(tǒng)邊界界定

2.1.1 功能單位

硅片生產(chǎn)過程生命周期評價(jià)的功能單位為1萬片多晶硅片，表面積為243.36 m2萬片，質(zhì)量為102.05 kg萬片(每片尺寸為156 mm×156 mm，厚度為0.18 mm)。

2.1.2 系統(tǒng)邊界

包括清洗、鑄造、破方、黏接、線鋸切割、破方、脫膠、清洗等步驟，系統(tǒng)邊界如圖1所示。

圖1 多晶硅片生命周期評價(jià)的系統(tǒng)邊界Fig.1 The system boundaries of multi-silicon wafer

2.2 清單分析

硅片生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)清單主要通過企業(yè)座談和問卷調(diào)研，由于硅片生產(chǎn)過程的相似度極高，技術(shù)工藝無較大差異，因此，選擇4家不同生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研企業(yè)從規(guī)模到技術(shù)實(shí)力均代表了我國硅片生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)水平，所調(diào)研企業(yè)硅片年產(chǎn)量占我國當(dāng)年硅片總產(chǎn)量的20%，通過規(guī)模加權(quán)平均得到資源能源消耗清單和三廢排放清單。單位資源能源消耗量的數(shù)據(jù)清單以國內(nèi)數(shù)據(jù)查找為主(如高純多晶硅[13]、電耗[19-21]等)，部分國內(nèi)沒有的數(shù)據(jù)清單通過Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[22]獲取。各類單位消耗量數(shù)據(jù)清單及來源見表2。

表2 多晶硅片數(shù)據(jù)清單及來源

將消耗量與單位消耗量數(shù)據(jù)清單相乘，再加上硅片生產(chǎn)過程實(shí)測的污染物排放數(shù)據(jù)，即可得出硅片生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)清單(表3)。

表3 多晶硅片生產(chǎn)生命周期污染物排放數(shù)據(jù)清單

Table 3 Life cycle inventory of multi-silicon wafer kg萬片

表3 多晶硅片生產(chǎn)生命周期污染物排放數(shù)據(jù)清單

氣體污染物排放量水體污染物排放量CO23.22×104氯化物257SO2226Si239CH4193Ca2+93.6NOx107Na+83.1TSP30.3Mg52.1PM2.518.1Al48.6CO22.6K+39.7HCl7COD29.8NMVOC3.42BOD515.5Si2.12TOC5.57HF0.77DOC5.54

2.3 影響評價(jià)

用生命周期軟件SimoPro 7.1對多晶硅片進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 多晶硅片環(huán)境影響類別評價(jià)Fig.2 Environmental impact categories of multi-silicon wafer

圖3 多晶硅片環(huán)境影響要素評價(jià)Fig.3 Environmental impact factors of multi-silicon wafer

從圖2和圖3可以看出，生產(chǎn)多晶硅片帶來的環(huán)境影響潛值為2 472 Pt萬片，其環(huán)境影響主要集中在無機(jī)物對呼吸系統(tǒng)、化石燃料、致癌和氣候變化4個(gè)方面，環(huán)境影響潛值分別為1 224、635、261和256 Pt萬片，分別占全生命周期環(huán)境影響的49.52%、25.69%、10.55%和10.35%。從環(huán)境影響要素來看，由于太陽能級多晶硅作為原料進(jìn)入了系統(tǒng)邊界，而生產(chǎn)太陽能級多晶硅的單位能耗較高，因此其作為原料帶入的環(huán)境影響也是最高的(1 751 Pt萬片)，占全生命周期環(huán)境影響的70.83%；其次是生產(chǎn)過程的電耗和砂漿液帶來的環(huán)境影響，分別占19.44%和7.62%；生產(chǎn)過程中排放污染物對環(huán)境影響僅占0.07%。

將各環(huán)境影響類別加和到對應(yīng)最終破壞受體，計(jì)算出的多晶硅片生產(chǎn)過程對人體健康的損害、生態(tài)系統(tǒng)的破壞和資源的衰竭產(chǎn)生的影響依次為1 741、86和645 Pt萬片，分別占全生命周期環(huán)境影響的70.21%、3.57%和26.22%(圖4)?？梢钥闯龆嗑Ч杵瑢Νh(huán)境的影響主要集中在對人體健康的損害方面。

圖4 多晶硅片環(huán)境影響終點(diǎn)評價(jià)Fig.4 The endpoint environmental impacts of multi-silicon wafer

2.4 敏感性分析

根據(jù)2.3節(jié)結(jié)果選擇多晶硅用量、廢砂漿液回用率、電耗3個(gè)因子進(jìn)行敏感性分析，分別浮動(dòng)±10%，分析其對整個(gè)環(huán)境影響的敏感程度。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，廢砂漿液回用率普遍在70%左右，因此浮動(dòng)±10%，其回收率分別為63%和77%。敏感性分析結(jié)果如表4所示。

表4 多晶硅片敏感性分析結(jié)果

根據(jù)敏感性分析結(jié)果顯示，多晶硅用量對于多晶硅片生命周期環(huán)境影響最為敏感，其次是電耗和廢砂漿液回用率。因此對于多晶硅片環(huán)境管理而言，降低其環(huán)境影響應(yīng)首先從源頭減量及工藝革新開始，其次考慮節(jié)能和廢物的循環(huán)利用。

2.5 中歐數(shù)據(jù)比較

將已公布的歐洲太陽能級多晶硅生產(chǎn)的生命周期數(shù)據(jù)清單[23]輸入SimaPro軟件進(jìn)行計(jì)算，并與國內(nèi)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 中歐多晶硅片環(huán)境影響終點(diǎn)比較Fig.5 The endpoint environmental impacts comparison of multi-silicon wafer between China and Europe

圖6 中歐多晶硅片環(huán)境影響類別比較Fig.6 Environmental impact categories comparison of multi-silicon wafer between China and Europe

從圖6可以看出，歐洲多晶硅片環(huán)境影響主要集中在化石燃料方面，這主要是由于太陽能級多晶硅作為原料其生產(chǎn)環(huán)節(jié)電耗較大所致。但由于歐洲的電力能源結(jié)構(gòu)主要以天然氣等清潔能源為主，因此雖然對化石燃料方面的環(huán)境影響較大，但發(fā)電過程產(chǎn)生的空氣顆粒物對人體健康影響很小(311 Pt萬片，占14.64%)。而我國電力結(jié)構(gòu)是以燃煤為主，其對環(huán)境影響不僅表現(xiàn)在化石燃料方面(639 Pt萬片，占25.85%)，還表現(xiàn)在對人體呼吸系統(tǒng)損害的影響較大(1 224 Pt萬片，占49.52%)。

從環(huán)境要素來看，歐洲和我國多晶硅片生產(chǎn)中都是多晶硅原料的環(huán)境影響占比最大，分別是66.38%和70.83%，即歐洲的多晶硅原料帶入的環(huán)境影響比我國的原料環(huán)境影響低341 Pt萬片，基本上與中歐地區(qū)多晶硅片生產(chǎn)的全生命周期環(huán)境影響之差(348 Pt萬片)相同。

3 結(jié)論

(1)從環(huán)境影響的最終破壞受體來看，我國多晶硅片生命周期環(huán)境影響主要集中在對人體健康的損害方面，占整個(gè)影響的70.21%，其中又以無機(jī)物對呼吸系統(tǒng)損害方面影響最大，占整個(gè)影響的49.52%；其次是致癌和氣候變化，分別為10.55%和10.35%。資源衰竭方面的影響位列第二，占整個(gè)影響的26.22%，其主要集中在化石燃料方面(25.69%)。對生態(tài)系統(tǒng)的損害最小，僅占整個(gè)影響的3.57%。

(2)從各環(huán)境要素來看，由多晶硅原料帶來的環(huán)境影響是所有環(huán)境要素中最高的，占70.83%；其次是生產(chǎn)過程的電耗和砂漿液帶來的環(huán)境影響，分別占19.44%和7.62%；硅片切割過程中排放污染物對環(huán)境影響占0.07%。

(3)從敏感性分析結(jié)果來看，降低多晶硅片環(huán)境影響應(yīng)首先考慮源頭減量或工藝革新，減少高純多晶硅原料消耗；其次考慮節(jié)能和廢砂漿的循環(huán)利用。

(4)從我國多晶硅片生產(chǎn)水平和歐洲生產(chǎn)水平比較來看，我國多晶硅片環(huán)境影響略高于歐洲平均水平，主要是由于原料端差異導(dǎo)致的。

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Research on Environmental Impacts of Multi-silicon Wafer Based on Life Cycle Assessment

XIE Minghui1, RUAN Jiuli1, QIAO Qi1, LI Hailing2, WANG Wenjing2, Lü Fang3, ZHANG Jia3

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-industry, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China 3.Solar PV Committee, China Renewable Energy Society, Beijing 100190, China

The life cycle assessment (LCA) approach was used to examine the environmental impacts in the life cycle of multi-silicon wafer, based on Chinese Endpoint Damage Model (CEDM). The data for the mass, energy fluxes and environmental emissions were obtained from site investigations and questionnaires. It showed that from the end-point of environmental impacts, the damage to human health presented the largest contribution to life cycle environmental impacts of multi-silicon wafer, which accounted for 70.21% of the total environmental impacts. However, the damage to depletion of resources and ecosystem quality was 26.22% and 3.51%, respectively. From the point of environmental factors, solar-grade poly-silicon consumption was the highest of all, accounting for 70.83%, followed by electric power consumption, silicon carbide and polyethylene glycol consumption, accounted for 19.44% and 7.62%, respectively. The environmental impacts of emission from cut process only accounted for 0.07% of whole life cycle environmental impacts. The first measure to reduce environmental impacts should be decrease in raw material consumption, and secondly reduction in energy saving and waste recycling. Compared with the average level in Europe, the environmental impacts in China were slightly higher, which was caused by raw material (solar-grade poly-silicon).

multi-silicon wafer; life cycle assessment (LCA); environmental impact; solar-grade poly-silicon

謝明輝，阮久莉，喬琦，等.基于生命周期評價(jià)的多晶硅片環(huán)境影響研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2016,6(1):72-77.

XIE M H, RUAN J L, QIAO Q, et al.Research on environmental impacts of multi-silicon wafer based on life cycle assessment[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):72-77.

2015-05-21

環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201209056)

謝明輝(1981—)，男，博士，主要從事生命周期評價(jià)和清潔生產(chǎn)技術(shù)政策研究，xiemh@craes.org.cn

*責(zé)任作者:喬琦(1963—)，女，研究員，長期從事清潔生產(chǎn)技術(shù)政策研究，qiaoqi@craes.org.cn

X820.3

1674-991X(2016)01-0072-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.011