廢棄光伏組件回收現(xiàn)狀與趨勢(shì)

殷愛鳴

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院，北京市 石景山區(qū) 100040)

0 引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，光伏電站裝機(jī)成本持續(xù)下降，發(fā)電性價(jià)比大幅提升，光伏發(fā)電已成為成本最低的發(fā)電方式之一[1-4]。在“3060”雙碳目標(biāo)的推動(dòng)下，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電將成為我國的電源主體。國際能源署和中國國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，截止2019年底，全球太陽能裝機(jī)容量已從2013年的135.76 GW增長到580.1 GW，預(yù)計(jì)到2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)到1 721 GW[5-6]。

隨著大規(guī)模的集中式和分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目投運(yùn)，廢棄光伏組件的處理問題將日益凸顯。廢棄的光伏組件處理不當(dāng)不但導(dǎo)致環(huán)境污染，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。對(duì)于大型集中式光伏電站來說，電池使用壽命一般為25年，但因氣候條件等外部因素影響會(huì)加速電池轉(zhuǎn)化效率的降低甚至失效[5]。對(duì)于分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目來說，光伏組件作為電子產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊導(dǎo)致大量組件可能達(dá)不到退役期就提前被淘汰。從第一批特許權(quán)項(xiàng)目以及金太陽和光伏建筑一體化項(xiàng)目投產(chǎn)算起，我國首批大規(guī)模投產(chǎn)的光伏組件已運(yùn)行12年，預(yù)計(jì)2025年光伏組件開始大量報(bào)廢，2030年左右將迎來高峰。以2016年光伏組件原材料的價(jià)格計(jì)算，到2030年，通過光伏組件回收技術(shù)可獲取的原材料累計(jì)價(jià)值可達(dá)4.5億美元，到2050年，累計(jì)將超過150億美元，相當(dāng)于生產(chǎn)6 000萬塊新組件所需原材料的價(jià)格[6]。此外，由于光伏組件供不應(yīng)求和原材料價(jià)格上漲的問題愈發(fā)嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)廢棄太陽能電池板的高價(jià)值回收必將成為光伏行業(yè)需要關(guān)注的重點(diǎn)問題。

目前，光伏組件的大規(guī)模報(bào)廢期還未到來，組件回收行業(yè)還處于起步階段，雖然歐洲已有少數(shù)機(jī)構(gòu)在回收技術(shù)方面取得突破，但有關(guān)的回收技術(shù)沒有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)督管理體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和政策法規(guī)還未建立[7-8]，回收過程對(duì)環(huán)境的影響也不明確。本文從光伏組件的結(jié)構(gòu)入手，總結(jié)組件回收產(chǎn)業(yè)現(xiàn)現(xiàn)階段存在的主要問題，并結(jié)合《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》提出光伏組件回收行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，以期為有關(guān)從業(yè)人員提供參考。

1 光伏組件的結(jié)構(gòu)

光伏組件的結(jié)構(gòu)及各部件的重量比例因制造廠商所采用原料的不同存在一定差異，晶硅太陽能組件結(jié)構(gòu)如表1[9]所示，玻璃占整個(gè)組件質(zhì)量的68%，鋁邊框占比超過17%，硅片占比3.46%，三者占比超過88%。由此可以看出，組件中含有大量潛在的可重復(fù)利用資源[10]。鋁框架、銀網(wǎng)格線、錫銅線和玻璃經(jīng)加工可獲得工業(yè)產(chǎn)品，晶體硅面板中的銦、鎵、鍺、碲等稀有金屬可回收用于新設(shè)備的生產(chǎn)[3]。

表1 晶硅太陽能電池板的物質(zhì)重量分布Table 1 Material weight distribution of crystalline silicon solar panel

注：抗反射層質(zhì)量較小，可忽略不計(jì)。

薄膜太陽能電池在市場(chǎng)中所占份額少，但因其具有生產(chǎn)成本低、原材料消耗少、可吸收弱光的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。薄膜太陽能電池的主要技術(shù)包括硅基薄膜、銅銦鎵硒、碲化鎘、砷化鎵、鈣鈦礦電池及有機(jī)薄膜電池等[11]。其中碲化鎘、銦鎵硒和非晶硅薄膜光伏組件已進(jìn)行市場(chǎng)應(yīng)用，分別占薄膜光伏組件市場(chǎng)份額的65%、25%和10%。銦鎵硒薄膜光伏組件以銅為吸收層，典型結(jié)構(gòu)包括：玻璃、封裝膜、透明傳導(dǎo)氧化物、吸收量、背電極、阻擋層和背板等[1]。碲化鎘、非晶硅薄膜光伏組件以碲化鎘、非晶硅為吸收層，典型結(jié)構(gòu)包括：玻璃、透謝傳導(dǎo)氧化物、電極、封裝膜、背板等。薄膜太陽能電池板中玻鋁和玻璃占比超過95%，同樣存在潛在的可重復(fù)使用資源。

2 組件回收面臨的難題

隨組件報(bào)廢期臨近，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)組件的回收技術(shù)與裝備進(jìn)行大量探索，已形成多條光伏組件回收技術(shù)路線[12]，但這些新技術(shù)、新工藝、新裝備要實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化推廣仍存在一系列難題，主要有以下三個(gè)方面。

(1) 技術(shù)上，回收過程中污染物的產(chǎn)生和處理的問題。前期投產(chǎn)的晶硅電池組件多采用含氟背板，經(jīng)過焚燒會(huì)產(chǎn)生氟化氫等毒性氣體。同時(shí)，含氟背板中碳氟化合物結(jié)構(gòu)不易破壞，較長時(shí)間無法降解[13]。應(yīng)用潛力較大的碲化鎘薄膜電池中含有劇毒重金屬鎘，會(huì)通過食物鏈積累危機(jī)人類健康。另外，如果回收工藝使用了化學(xué)溶劑來溶解光伏組件中的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，雖然可以回收高純硅、高價(jià)值金屬材料，但也會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)和無機(jī)酸、堿廢液，對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重。

(2) 經(jīng)濟(jì)效益上，光伏組件回收若不能產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益不明顯。目前，只有以PV Cycle為例的少數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)盈利。在歐洲電子電氣廢棄物(WEEE)新規(guī)章等政策的推動(dòng)下，PV Cycle自成立以來占據(jù)了歐洲90%的市場(chǎng)份額，運(yùn)營業(yè)績(jī)連續(xù)增長。在國內(nèi)，由于目前的回收規(guī)模較小，尚無專業(yè)企業(yè)開展，資源化的回收技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，且多數(shù)技術(shù)能耗較高，經(jīng)濟(jì)性較差，導(dǎo)致市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)力不大。

(3) 政策上，歐盟2012年將光伏組件列為電子廢棄物進(jìn)行管理[14]，要求必須集中收集85%的廢舊組件，同時(shí)80%的必須要進(jìn)行再循環(huán)利用。但國內(nèi)對(duì)于光伏組件的回收方面并未出臺(tái)相關(guān)政策，對(duì)于光伏組件的處置無專門的監(jiān)督管理體系，對(duì)再生材料的銷售也無相應(yīng)政策支持，加上目前報(bào)廢量并不大，多數(shù)企業(yè)處于觀望階段。

3 組件回收行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來說，光伏組件雖然屬于電器電子產(chǎn)品，但回收重點(diǎn)與其不同。一方面，廢棄電器電子產(chǎn)品注重拆解和回收，而光伏組件因含有更多的可再生利用資源，回收過程應(yīng)更注重處理和產(chǎn)品的再利用；另一方面，廢棄電器電子產(chǎn)品的處理企業(yè)比較分散，而光伏組件處理企業(yè)應(yīng)在電站集中的地方布局。結(jié)合我國固廢處理新策，光伏組件回收需要從光伏組件全生命周期的角度實(shí)現(xiàn)減量化、資源化、無害化發(fā)展。

廢棄光伏組件減量化從組件制造商、用戶、回收處置企業(yè)三個(gè)方面進(jìn)行。對(duì)于組件制造企業(yè)來說，通過生態(tài)設(shè)計(jì)、有毒有害物質(zhì)替代、生產(chǎn)技術(shù)和工藝的改進(jìn)可從源頭實(shí)現(xiàn)廢棄光伏組件的減量化；從光伏組件用戶的角度來說，良好的運(yùn)行維護(hù)和智能化的運(yùn)行控制管理可增加光伏組件的運(yùn)行壽命，降低報(bào)廢率；從組件回收處置企業(yè)來說，廢棄光伏組件經(jīng)過壓實(shí)、破碎、熱解等處理方法，也可以達(dá)到減量和便于運(yùn)輸、處理的目的。

廢棄光伏組件的資源化處理應(yīng)按照二次利用、再生利用和能量回收的順序進(jìn)行。二次利用指對(duì)組件進(jìn)行修復(fù)，即對(duì)電池板電學(xué)故障進(jìn)行檢修、維護(hù)或翻新以及對(duì)組件外部接線盒和封裝膠出現(xiàn)的老化問題進(jìn)行修復(fù)，未涉及組件的拆分和物料的回收，修復(fù)翻新具有工藝簡(jiǎn)單，剩余價(jià)值利用高的特點(diǎn)。再生利用是通過物理和化學(xué)的方法對(duì)廢棄光伏組件進(jìn)行拆解、單組分分離以及材料再生的過程。物理法進(jìn)行回收再利用過程主要包含電池板機(jī)械分離以及再生利用技術(shù)，具有處理工藝簡(jiǎn)單、處理成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)[15]。化學(xué)法處理相較物理法來說可回收太陽能電池板中的高價(jià)值金屬。太陽能電池板各組件主要通過EVA粘接，因此將EVA溶解或發(fā)生融脹是實(shí)現(xiàn)太陽能電池各組件的有效分離的關(guān)鍵點(diǎn)?；瘜W(xué)處理主要包括熱處理法、有機(jī)溶劑溶解法、無機(jī)酸堿溶解法。熱處理通過高溫?zé)峤饨M件EVA材料，實(shí)現(xiàn)組件各組成的分離，關(guān)鍵在于探索適合的回收溫度和氣氛條件，以及回收熱解產(chǎn)物中的能量，充分利用熱解產(chǎn)物不但可提高熱降解工藝的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性，還可以降低能耗，具有較大發(fā)展?jié)摿16-17]。有機(jī)溶劑法是基于EVA 在有機(jī)溶劑中發(fā)生膨脹導(dǎo)致硅片碎裂，但該方法同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢有機(jī)溶劑需要處理。有些有機(jī)溶劑無法除去殘留在表面上的EVA膠膜，還需要進(jìn)行二次處理，增加了回收的復(fù)雜性。無機(jī)酸堿溶劑溶解使EVA、玻璃和電池片有效分離，得到銀、鋁和硅晶片等高價(jià)值金屬，具有反應(yīng)速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)生的酸堿廢液對(duì)環(huán)境有一定污染[10,18-19]，開發(fā)環(huán)境友好型的溶劑，減輕回收過程的污染物排放量是化學(xué)處理技術(shù)研究的重點(diǎn)。針對(duì)損壞程度大、受污染嚴(yán)重的組件則采取燃燒的方式回收熱量。

無害化處理一方面體現(xiàn)在回收過程產(chǎn)生污染物對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，另一方面是減少回收過程的碳排放[20]?；厥者^程除了要對(duì)光伏板自身所含的重金屬和氟化物進(jìn)行無害化處理外，還應(yīng)減少回收過程產(chǎn)生的噪音、粉塵和有機(jī)/無機(jī)溶液以及碳排放。光伏發(fā)電過程無碳排放，但光伏組件的生產(chǎn)過程屬高耗能產(chǎn)業(yè)，2018年單位光伏組件產(chǎn)品碳排放平均為1.49 kg/W，通過相應(yīng)的回收技術(shù)可不同程度降低光伏組件全生命周期碳排放[21]，其中，英利開發(fā)的剪切+低溫削磨回收技術(shù)通過回收鋁合金、玻璃、硅料等產(chǎn)品，可減少碳排放0.23 kg/W[22]。因此，減少組件報(bào)廢后的處理過程所產(chǎn)生的碳排放和獲得純度高的再生產(chǎn)品對(duì)對(duì)光伏行業(yè)的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

4 結(jié)語與建議

面對(duì)即將到來的光伏組件報(bào)廢浪潮，國內(nèi)外已形成多條可行的光伏組件回收技術(shù)路線。但現(xiàn)階段我國回收規(guī)模較小，未形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈。要實(shí)現(xiàn)高效、低能耗、低成本回收，爭(zhēng)取更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，除了研發(fā)先進(jìn)的工藝和裝備，國家有關(guān)部門和行業(yè)有關(guān)機(jī)構(gòu)在政策上的支持對(duì)光伏組件回收行業(yè)前期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展至關(guān)重要。本文在政策、技術(shù)研發(fā)和商業(yè)模式三個(gè)方面提以下幾點(diǎn)建議：

(1) 政策上，既要施行管理約束政策，也要增加一定的激勵(lì)和扶持政策。首先，從生產(chǎn)責(zé)任制的角度，針對(duì)光伏生產(chǎn)企業(yè)資源化利用經(jīng)濟(jì)效益不高的問題，可采取財(cái)政激勵(lì)和稅收優(yōu)惠等方法促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)者優(yōu)化設(shè)計(jì)，主動(dòng)履行環(huán)境污染預(yù)防責(zé)任，實(shí)現(xiàn)光伏作為清潔能源的可持續(xù)發(fā)展；其次，可通過建立光伏項(xiàng)目周期信息通報(bào)機(jī)制，加大報(bào)廢光伏末端處理的監(jiān)管力度；另外，打通光伏回收產(chǎn)業(yè)上下游，建立起一套保證下游產(chǎn)品質(zhì)量安全性的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，為資源化產(chǎn)品找出路，對(duì)使用這些產(chǎn)品的企業(yè)予以財(cái)稅政策支持是實(shí)現(xiàn)光伏的資源化利用的重要保障。

(2) 技術(shù)研發(fā)上，不但要開發(fā)回收率高、能耗低的新技術(shù)和裝備，還要減少回收過程中污染物的產(chǎn)生和碳排放，同時(shí)獲得高價(jià)值的產(chǎn)品減少原材料開采加工提純過程消耗的碳排放。

(3) 商業(yè)模式上，一方面要考慮退役組件的規(guī)模和特點(diǎn)，對(duì)廢棄物區(qū)域進(jìn)行整合，減少廢棄物運(yùn)輸成本。同時(shí)，也要針對(duì)不同程度損壞的組件進(jìn)行分類回收，按照二次利用、再生利用和能量回收的順序?qū)崿F(xiàn)高值回收和再利用。