太陽能光伏組件環(huán)境成本的貨幣化核算研究

陳 嫻，黃蓓佳，王翔宇，李 順，陳妍希

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093； 2.上海理工大學(xué) 環(huán)境與低碳科學(xué)研究中心，上海 200093)

可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要特征.光伏在我國可再生能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，其開發(fā)利用規(guī)模正在逐步擴(kuò)大.2014年我國光伏發(fā)電總量達(dá)到了250太瓦時(shí)(Terawatt, TWh)，比2013年增加了200%以上[1].到2015年底，光伏裝機(jī)容量達(dá)到43吉瓦(Gigawatt, GW)，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家[2].

許多研究人員從生命周期評價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)的角度對光伏產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行了評估[3-8].相比煤炭發(fā)電，他們認(rèn)為光伏發(fā)電對環(huán)境的影響相對較小.還有一些學(xué)者對光伏發(fā)電進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析[9-11].他們發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電的能量回收期通常在1～5年之內(nèi).對于環(huán)境成本，只有少數(shù)研究大致估計(jì)了光伏發(fā)電生產(chǎn)中的環(huán)境成本.例如，Stein[12]基于1990年的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，得到的環(huán)境成本為0.05￥/kWh.Fthenakis和Alsema[13]發(fā)現(xiàn)南歐光伏發(fā)電的環(huán)境成本為0.0103～0.0145￥/kWh.在中國，Wang等[14]估算了中國云南省的冶金硅生產(chǎn)過程中每年的環(huán)境成本為2729萬～4876萬元.但迄今沒有研究者回答考慮了環(huán)境成本后，太陽能光伏在全生命周期是否為正收益.本文針對這一研究空白，以中國光伏組件為例，進(jìn)行環(huán)境影響成本與回收期的核算研究.

在LCA背景下應(yīng)用貨幣價(jià)值評估可以采取不同的方法，以評估整個(gè)生命周期影響鏈中不同點(diǎn)的潛在影響[15].現(xiàn)有的環(huán)境成本貨幣化的方法最常用的有EPS2000[16]，ExternE[17]，Ecotax2002[18]，Stepwise2006[19]和ReCiPe[20]，但它們都沒有在全球范圍內(nèi)被廣泛接受.表1總結(jié)了以上5種貨幣化方法的主要特征.選取貨幣化方法的標(biāo)準(zhǔn)之一是數(shù)據(jù)的時(shí)效性，ReCiPe方法是2008年的數(shù)據(jù)，相對較新.選取貨幣化方法的另一標(biāo)準(zhǔn)之一是全面[15]，以便貨幣化方法可以在其所有相關(guān)環(huán)境影響類別上進(jìn)行表征.ReCiPe方法的權(quán)重因子完全覆蓋了國際參考生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)(International Reference Life Cycle Data System, ILCD)描述的終點(diǎn)影響類別[21].綜合以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的考慮，我們選用了ReCiPe方法.

1 方法

1.1 系統(tǒng)邊界和數(shù)據(jù)來源

選取功能單位為1千瓦(kilowatt, kW)的光伏組件模塊，峰值效率為200W，使用壽命為25年[3].本研究討論的制造技術(shù)是西門子法(冷氫化法)，這是生產(chǎn)太陽能電池模塊最常用的技術(shù)[25].本研究的研究范圍包括生產(chǎn)和運(yùn)營階段，而光伏組件在運(yùn)營期幾乎沒有環(huán)境影響.由于中國還沒有進(jìn)入光伏設(shè)備大范圍回收期，因此中國回收利用的情景和投入產(chǎn)出清單尚不明確，我們不考慮回收利用過程.

表1 5種貨幣化方法的主要特征總結(jié)

多晶硅光伏組件的清單數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)成本來自我們先前發(fā)表的研究[3,26].標(biāo)準(zhǔn)化因子和ReCiPe方法的中點(diǎn)影響到終點(diǎn)影響之間的歸類參考文獻(xiàn)[20].ReCiPe方法的終點(diǎn)環(huán)境影響的權(quán)重因子來自Heijungs等[27].電價(jià)參考了中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的文件[28].

1.2 貨幣化和回收期估算

1.2.1 環(huán)境影響

本研究進(jìn)行了特征化以確保生命周期清單有統(tǒng)一的單位.特征化包括對獲得的生命周期清單進(jìn)行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果中相同的環(huán)境影響類別合并[29-32].通過我們之前的研究[3]，在GaBi6軟件中總共檢測到14種類型的環(huán)境影響.表2列出了生產(chǎn)1kW光伏組件的環(huán)境污染排放量和ReCiPe中點(diǎn)影響類別的標(biāo)準(zhǔn)化因子.

1.2.2 貨幣化權(quán)重因子

在LCA貨幣化方法中最常用的貨幣化方法是支付意愿法(Willingness To Pay, WTP)[33].基于支付意愿法，可將其分為市場價(jià)格和非市場價(jià)格兩類.市場價(jià)格的優(yōu)勢是直接和實(shí)際地表達(dá)了人們的偏好，避免了間接衡量的不確定性[15].基于市場的價(jià)值不適用于自然物體，如生物多樣性.因此，非市場估值也用于估算損害成本.將環(huán)境影響的環(huán)境成本設(shè)為X，環(huán)境影響貨幣化的計(jì)算可表示為公式(1)：

(1)

Pn是環(huán)境污染排放量(本研究中的P列于表2).Em是中點(diǎn)影響到終點(diǎn)影響之間的歸類(本研究中的Em如表3所示).Wn是ReCiPe中貨幣化的權(quán)重因子，n=1，2，3…(本研究中的Wn如表4中).

表3 中點(diǎn)影響類別到終點(diǎn)影響類別的歸類量化關(guān)系

注： 空單元格對應(yīng)于缺少的連接(另請參見0)，在實(shí)際計(jì)算中以零計(jì)算；★表示為將氣候變化的中點(diǎn)指標(biāo)(以kg為單位)轉(zhuǎn)換為對人類健康的終點(diǎn)指標(biāo)(以年計(jì))的乘數(shù)(乘以1.19×106a/kg)；I： individualist；H： hierarchist；E： egalitarian；DALY： disability-adjusted life years.

表4 ReCiPe方法中修正后的貨幣化權(quán)重因子

ReCiPe方法[27]終點(diǎn)環(huán)境影響的加權(quán)因子如表4所示.Heijungs等[27]在關(guān)于生態(tài)質(zhì)量貨幣化的研究中，生態(tài)質(zhì)量貨幣化權(quán)重定為172元/(人·年)，再乘以70億人(世界人口)，得到生態(tài)質(zhì)量貨幣化權(quán)重為1207億元.本研究的范圍是中國內(nèi)地，因而生態(tài)質(zhì)量環(huán)境影響的人口范圍使用13億(中國內(nèi)地人口)，從而計(jì)算出每功能單位的光伏組件生產(chǎn)的生態(tài)質(zhì)量貨幣化的權(quán)重因子為2414億元.

1.2.3 成本回收期和能量回收期

(1) 成本回收期

光伏組件成本包括環(huán)境成本和經(jīng)濟(jì)成本.環(huán)境成本是指本研究中的環(huán)境影響貨幣化價(jià)值.光伏組件生產(chǎn)階段的成本可以按照公式(2)計(jì)算：

C=X+Y，

(2)

X是生產(chǎn)過程中PV組件的環(huán)境成本，Y是PV組件生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)成本，單位為￥/kW.按照公式(3)計(jì)算可得PV組件的經(jīng)濟(jì)成本.

Y=Y原材料+Y勞動(dòng)力+Y電力+Y包裝，

(3)

其中，Y原材料(￥/kg或￥/t)，Y勞動(dòng)力(￥/Wp)，Y電力(￥/(kWh))，Y包裝(￥/Wp)分別是生產(chǎn)光伏組件的原材料、勞動(dòng)力、電力和包裝成本.光伏組件經(jīng)濟(jì)分析的數(shù)據(jù)主要來自我們以前的研究[26].

通過等式(4)，我們可以計(jì)算PV組件在生產(chǎn)階段的成本回收期：

(4)

假設(shè)光伏組件的成本是支出，太陽能光伏發(fā)電帶來的經(jīng)濟(jì)效益為收入.經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算.2013年，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì)[28]發(fā)布了制定光伏電價(jià)的通知([2013]1638).該文件根據(jù)中國太陽能資源條件劃分為3個(gè)區(qū)域，并建立了相應(yīng)的價(jià)格標(biāo)準(zhǔn).(a) 西北地區(qū)和小部分華北地區(qū)電網(wǎng)的電價(jià)定為0.90￥/kWh.(b) 東北地區(qū)，部分華北地區(qū)及部分西南地區(qū)電價(jià)設(shè)定為0.95￥/kWh.(c) 華東，華中，華南地區(qū)電站的電價(jià)定為1.0￥/kWh.在我們的研究中，取平均價(jià)格0.95￥/kWh作為電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，即可計(jì)算得到光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益.

(2) 能量回收期

計(jì)算能量回收期是為了與PV組件的成本回收期進(jìn)行比較.光伏系統(tǒng)的能量回收期是指光伏系統(tǒng)生命周期過程的總能耗與其安裝運(yùn)行時(shí)每年的能源輸出量之比[34].能量回收期可按公式(5)計(jì)算：

(5)

式中能量回收期的單位為a，光伏系統(tǒng)生命周期總能耗的單位為MJ，光伏系統(tǒng)每年的能源輸出量單位為MJ/a.

其中，光伏系統(tǒng)能源輸出量，可通過式(6)來計(jì)算：

能源輸出量=功率×峰值小時(shí)數(shù)×系統(tǒng)的性能比率,

(6)

式中，能源輸出量的單位為MJ，功率的單位為W，峰值小時(shí)數(shù)的單位為h，系統(tǒng)的性能比率單位為%.峰值小時(shí)數(shù)是指在標(biāo)準(zhǔn)日輻射強(qiáng)度下的日照時(shí)間.由于我國幅員遼闊，不同地區(qū)的太陽輻射水平差異較大，不同地區(qū)的峰值小時(shí)數(shù)被劃分為1000～1950h[34].在本研究中，計(jì)算能量回收期時(shí)我們?nèi)》逯敌r(shí)數(shù)的平均值1475h，考慮到光伏系統(tǒng)組件、電纜、逆變器、控制器等各個(gè)部件的效率及系統(tǒng)運(yùn)行情況，假設(shè)系統(tǒng)的性能比率為80%[35].

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境影響的貨幣化

1kW光伏組件在生產(chǎn)過程中對環(huán)境影響的貨幣化值按照公式(1)計(jì)算，環(huán)境影響貨幣化值的結(jié)果如圖1(第124頁)所示.

計(jì)算可得光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本為28737￥/kW.光伏組件的環(huán)境成本主要來自多晶硅生產(chǎn)，多晶硅電池片生產(chǎn)和工業(yè)硅生產(chǎn)這3個(gè)階段.光伏組件的環(huán)境成本超過50%是來源于多晶硅生產(chǎn)的貨幣化值.據(jù)圖1所示，多晶硅生產(chǎn)過程的環(huán)境成本主要來自陸地生態(tài)毒性的環(huán)境成本，原因是其終點(diǎn)環(huán)境影響系數(shù)較大.同時(shí)，陸地生態(tài)毒性屬于生態(tài)質(zhì)量的終點(diǎn)類別，具有最高的貨幣化權(quán)重因子.

圖1 多晶硅光伏組件生產(chǎn)過程的環(huán)境影響貨幣化價(jià)值Fig.1 Environmental Impact Monetization Value of multi～Si PV Module Production Process

2.2 成本回收期和能量回收期

根據(jù)我們之前的研究[26]，Y原材料為2007￥/kW，Y勞動(dòng)力為1965￥/kW，Y電力為407￥/kW，Y包裝為193￥/kW.根據(jù)公式(2)和(3)Y估計(jì)為4572￥/kW，C為33309￥/kW，基于公式(4)計(jì)算PV的成本回收時(shí)間可以估計(jì)為23.8a.

在生命周期中我國生產(chǎn)每kW的多晶硅光伏組件需3515.76MJ的能量[36].根據(jù)上述信息和公式(5)和(6)，計(jì)算每kWh多晶硅光伏組件的能量回收期.結(jié)果表明，在中國不同地區(qū)，光伏組件的能量回收期在 0.62～1.2a之間，遠(yuǎn)小于光伏25a的壽命期.光伏組件能量回收期的平均值為0.91a，這意味著前0.91a的光伏組件生產(chǎn)的能源被用于抵消光伏生命周期所消耗的能源.

圖2 多晶硅光伏組件的成本回收期和能量回收期Fig.2 Energy payback time and cost payback time of multi～Si PV modules

多晶硅光伏組件的能量回收期和成本回收期如圖2所示.正如我們所看到的，光伏組件的能量回收期不到一年.在成本回收期方面，光伏組件的成本回收期估計(jì)為23.8a，接近其壽命周期.

與其他相關(guān)研究相比，Stein[12]分配給光伏組件的環(huán)境成本為0.05￥/kWh.假設(shè)光伏組件的壽命為25a，Stein發(fā)現(xiàn)的環(huán)境成本為1779￥/kW. Fthenakis和Alsema[13]發(fā)現(xiàn)，基于ExternE方法，南歐的光伏環(huán)境成本在0.0103～0.0145￥/kWh的范圍內(nèi)，其生命周期的環(huán)境成本為379～531￥/kW.在這項(xiàng)研究中，我們估計(jì)多晶硅光伏組件的環(huán)境成本為28737￥/kW，這顯然比上述所提的其他研究[12-13]高的多.造成這種差異的原因可能是ReCiPe方法中生態(tài)質(zhì)量的貨幣化權(quán)重因子遠(yuǎn)高于其他方法.

2.3 不確定性分析

本研究的不確定性討論的是光伏環(huán)境污染排放數(shù)據(jù)帶來的環(huán)境成本核算的不確定性，光伏環(huán)境污染排放數(shù)據(jù)的不確定性是由生命周期清單的不確定性造成的，通過我們之前的研究[3]，發(fā)現(xiàn)生命周期清單造成的不確定性體現(xiàn)在氣候變化和人體毒性.通過使用氣候變化和人體毒性的最大值和最小值計(jì)算得到光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本分別是28737.05￥/kW和8736.97￥/kW，這與本研究的計(jì)算結(jié)果28737￥/kW相差甚小，差異率小于±1‰，因?yàn)楣夥M件的環(huán)境成本核算受中點(diǎn)影響類別和終點(diǎn)影響類別之間的定量連接關(guān)系及貨幣化權(quán)重因子影響較大.由于ReCiPe方法中權(quán)重因子的來源是基于歐洲的支付意愿，歐洲居民的環(huán)境支付意愿通常高于中國居民[27].為了克服這個(gè)局限性，在后續(xù)的研究中我們將逐步完善適用于中國本地的各類環(huán)境影響的支付意愿數(shù)據(jù).

3 結(jié)果與討論

(a) 本研究進(jìn)行了環(huán)境外部性貨幣化計(jì)算，我們的研究結(jié)果表明，光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本為28737￥/kW.多晶硅光伏組件在生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響主要來源于工業(yè)硅生產(chǎn)，多晶硅生產(chǎn)和多晶硅電池片生產(chǎn)這3個(gè)階段.光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本主要來源于陸地生態(tài)毒性的環(huán)境成本，因?yàn)殛懙厣鷳B(tài)毒性的終點(diǎn)影響類別歸屬于生態(tài)質(zhì)量，具有最高的貨幣化權(quán)重因子.

(b) 包含環(huán)境影響成本的光伏組件成本回收期估計(jì)為23.8a，能量回收期為0.91a.由此可見太陽能光伏組件的能源成本不高，主要生態(tài)代價(jià)來源于生產(chǎn)過程中的環(huán)境成本.這一發(fā)現(xiàn)提醒我們在進(jìn)行節(jié)能技術(shù)的成本效益分析時(shí)需更加關(guān)注環(huán)境成本.生產(chǎn)過程中的節(jié)能并不意味著這些技術(shù)在整個(gè)生命周期中都具有環(huán)境效益，特別是當(dāng)技術(shù)設(shè)備在生產(chǎn)過程具有高環(huán)境影響負(fù)擔(dān)時(shí).因此，強(qiáng)烈建議技術(shù)或戰(zhàn)略評估應(yīng)涉及環(huán)境成本評估.

(c) 貨幣化權(quán)重因子極大程度影響了多晶硅光伏組件生產(chǎn)過程的環(huán)境影響貨幣化值，本研究的環(huán)境影響貨幣化參數(shù)基于歐洲的支付意愿研究結(jié)果，歐洲對人體健康和生態(tài)質(zhì)量的支付意愿是高于我國的，在未來的分析中探索建立起我國的支付意愿數(shù)據(jù)庫十分迫切.