廢舊晶體硅光伏組件回收方式淺析

孫澤洋

(中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080)

0 引言

隨著能源緊張、環(huán)境污染、氣候變化等問(wèn)題日益突出，由清潔能源替代傳統(tǒng)能源的能源革命正在悄然上演，而太陽(yáng)能是最具潛力的清潔能源之一。在太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中，光伏發(fā)電一直占據(jù)行業(yè)主導(dǎo)地位。得益于國(guó)家政策的大力支持，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。2020年9月21日，國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上做出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的承諾，該承諾有助于促進(jìn)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)另一個(gè)發(fā)展黃金期的到來(lái)?！笆奈濉逼陂g，據(jù)保守估計(jì)，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量將達(dá)到355 GW，預(yù)計(jì)年均光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為71 GW；據(jù)樂(lè)觀估計(jì)，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量將達(dá)到440 GW，預(yù)計(jì)年均光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為88 GW。

在光伏發(fā)電技術(shù)中，根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)電池可分為晶體硅太陽(yáng)電池、薄膜太陽(yáng)電池和聚光太陽(yáng)電池。其中，晶體硅太陽(yáng)電池因技術(shù)成熟、光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。晶體硅光伏組件通常含有鉛、鎘及其他有毒化學(xué)物質(zhì)，廢舊的晶體硅光伏組件將對(duì)環(huán)境造成不可預(yù)估的破壞。同時(shí)，由于晶體硅光伏組件中還含有少量的銀、碲、銦、鎵等稀有金屬，以及硅、玻璃、鋁、EVA膠等可再利用資源，因此，廢舊的晶體硅光伏組件具有很高的回收價(jià)值[1]。按照光伏組件的設(shè)計(jì)壽命為25年計(jì)算，到2030年，將會(huì)有巨量待回收的廢舊光伏組件。比利時(shí)的微電子研究中心(IMEC)與從事可再生能源與智慧能源技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)EnergyVille在報(bào)告中均指出：到2030年，全球廢舊晶體硅光伏組件的量將超過(guò)500萬(wàn)t。因此本文針對(duì)廢舊晶體硅光伏組件的回收處理現(xiàn)狀、主流回收方式，以及遇到的困難進(jìn)行了分析，并展望了廢舊晶體硅光伏組件回收行業(yè)的未來(lái)。

1 廢舊晶體硅光伏組件的回收處理現(xiàn)狀

相對(duì)于國(guó)內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)而言，由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家較早進(jìn)入光伏產(chǎn)業(yè)，也較早建設(shè)光伏電站，所以更早地關(guān)注到廢舊光伏組件的回收問(wèn)題。

2003年2月13 日歐盟議會(huì)和理事會(huì)發(fā)布《關(guān)于報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令》(即“WEEE指令”)，并于2005年8月13日正式實(shí)施，該指令明確要求制造業(yè)從業(yè)者負(fù)責(zé)回收其生產(chǎn)的可能污染環(huán)境的產(chǎn)品，并對(duì)報(bào)廢的電子電氣設(shè)備的處理方式進(jìn)行了說(shuō)明且提出了要求[2]。2012年7月24日，歐盟議會(huì)和理事會(huì)發(fā)布了WEEE指令2.0版本，明確將光伏組件列入到其適用范圍當(dāng)中，并要求自2014年起，凡是要進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的光伏組件都必須加貼由WEEE指令2.0統(tǒng)一設(shè)計(jì)的“wheelie bin”標(biāo)志。

2007年，歐盟設(shè)立了全面運(yùn)作晶體硅光伏組件回收與循環(huán)利用的機(jī)構(gòu)——PV CYCLE。PV CYCLE根據(jù)不同國(guó)家的政策，致力于為各級(jí)企業(yè)提供完善的廢舊晶體硅光伏組件回收和循環(huán)利用服務(wù)，并聯(lián)合物流運(yùn)輸公司等合作伙伴一起組建回收網(wǎng)絡(luò)。該機(jī)構(gòu)目前已在歐洲范圍內(nèi)設(shè)立了數(shù)百個(gè)回收點(diǎn)，并已回收了超過(guò)1萬(wàn)t的廢舊晶體硅光伏組件。與PV CYCLE類似的組織還有總部位于巴黎的CERES組織。

2018年，在法國(guó)南部的Roosset市，PV CYCLE、威立雅環(huán)境集團(tuán)及法國(guó)可再生能源工會(huì)聯(lián)合建設(shè)了一座回收工廠，利用智能機(jī)器人專門對(duì)廢舊晶體硅光伏組件進(jìn)行分拆、分揀、處理及回收。通過(guò)新工藝、新技術(shù)的運(yùn)用，目前，該工廠對(duì)于廢舊晶體硅光伏組件的回收率高達(dá)95%，這一回收率遠(yuǎn)高于光伏組件回收再利用行業(yè)及WEEE指令2.0的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，PV CYCLE于2017年還開(kāi)拓了晶體硅光伏組件翻新業(yè)務(wù)，致力于對(duì)損壞的晶體硅光伏組件進(jìn)行檢修翻新，重復(fù)利用。我國(guó)國(guó)內(nèi)的企業(yè)也已開(kāi)始積極加入PV CYCLE，截至當(dāng)前，PV CYCLE中一半的會(huì)員都是我國(guó)的企業(yè)。

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)對(duì)于廢舊晶體硅光伏組件通常是采用直接填埋或?qū)⒔M件粉碎后填埋的處理方式，基本都不進(jìn)行回收。這種處理方式會(huì)使晶體硅光伏組件中的銀、鉛等重金屬及輔助材料中的有害物質(zhì)和致癌物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。2021年3月9日，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了GB/T 39753-2021《光伏組件回收再利用通用技術(shù)要求》，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在廢舊光伏組件回收政策和法規(guī)方面的空白。該標(biāo)準(zhǔn)將于2022年2月1日正式實(shí)施。

2 廢舊晶體硅光伏組件的主流回收方式及回收處理工藝成本

傳統(tǒng)的晶體硅光伏組件主要由玻璃、背板、鋁邊框、晶體硅太陽(yáng)電池、EVA和接線盒等組成[3]。晶體硅光伏組件的組成材料包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～75%的玻璃、10%～15%的鋁、10%的塑料(PPO及EVA或POE等)和3%～5%的硅。

國(guó)際上對(duì)于廢舊晶體硅光伏組件的回收，一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)處理環(huán)節(jié)：1)拆卸運(yùn)輸。把廢舊的晶體硅光伏組件拆卸后運(yùn)輸?shù)交厥諜C(jī)構(gòu)。2)拆解。將晶體硅光伏組件的鋁邊框和接線盒進(jìn)行拆除。3)分離。拆解后的晶體硅光伏組件是由前玻璃、太陽(yáng)電池、背板(或背玻璃)及EVA(或POE)所組成的層壓件，分離這部分層壓件，分揀出具有價(jià)值的材料，是組件回收技術(shù)中最關(guān)鍵的步驟，涉及到組件的回收效果及收益。4)再利用。將分揀出的不同材料送往相應(yīng)行業(yè)進(jìn)行再利用，比如，玻璃回收后送往玻璃制造業(yè)，鋁邊框送往鋁精煉廠，廢塑料(PPO及EVA或POE)可作為燃料送往水泥廠，硅可以送往貴金屬制造廠，剩下的接線盒線纜和接頭在壓碎取銅后送往銅制品工廠進(jìn)行回收再利用。目前，根據(jù)層壓件分離方式的不同，廢舊晶體硅光伏組件的回收方式可分為熱處理法、化學(xué)溶解法及物理分離法3種。

2.1 熱處理法

熱處理法分為低溫?zé)崽幚矸ê透邷責(zé)崽幚矸?。低溫?zé)崽幚矸ㄊ抢肊VA或POE經(jīng)過(guò)加熱后會(huì)逐漸軟化的特點(diǎn)，通過(guò)加熱層壓件來(lái)軟化其中的EVA或POE，實(shí)現(xiàn)層壓件中前玻璃、太陽(yáng)電池及背板(或背玻璃)的分離。目前采用該處理方法時(shí)，加熱設(shè)備一般使用流化床反應(yīng)器，也有使用射頻電流加熱板或紅外加熱器的。雖然低溫?zé)崽幚矸ㄝ^為簡(jiǎn)單、實(shí)用，但存在EVA或POE的去除不夠徹底、玻璃和太陽(yáng)電池的表面常有少量殘留的情況。

高溫?zé)崽幚矸ㄊ抢肊VA或POE在高溫下會(huì)逐漸分解的特點(diǎn)從而去除EVA或POE。目前，高溫?zé)崽幚矸ㄖ饕譃闊o(wú)氧高溫?zé)崽幚矸ê陀醒醺邷責(zé)崽幚矸?，采用這2種處理方法時(shí)EVA或POE的去除率均已達(dá)到99%以上，并已被一些企業(yè)應(yīng)用在實(shí)際處理過(guò)程中。但采用高溫?zé)崽幚矸〞r(shí)要保持加熱過(guò)程的均勻性，否則若出現(xiàn)局部過(guò)熱會(huì)造成層壓件內(nèi)部的太陽(yáng)電池碎裂[4]，從而減少完整太陽(yáng)電池的回收率。同時(shí)，雖然采用高溫?zé)崽幚矸墒笶VA或POE的去除率達(dá)到99%以上，但仍會(huì)殘留一些有機(jī)物。

2.2 化學(xué)溶解法

化學(xué)溶解法是利用EVA或POE在化學(xué)溶劑中會(huì)氧化和分解的特點(diǎn)，通過(guò)在化學(xué)溶劑中浸泡層壓件來(lái)實(shí)現(xiàn)層壓件的分離。按照溶劑的性質(zhì)不同，化學(xué)溶解法可分為無(wú)機(jī)酸溶解法和有機(jī)酸溶解法。無(wú)機(jī)酸溶解法一般使用硝酸和過(guò)氧化氮混合酸。有機(jī)酸溶解法一般使用三氯乙烯、苯、甲苯、鄰二氯苯或丙酮等[4]，利用有機(jī)溶劑使EVA或POE膨脹，以達(dá)到分離層壓件的目的。使用化學(xué)溶解法時(shí)，硅的回收和再利用率一般可以達(dá)到90%以上，且該方法能夠得到完整的硅片；但是化學(xué)溶劑的消耗量過(guò)大且反應(yīng)速度非常慢，同時(shí)，廢液還需進(jìn)一步處理，且工藝過(guò)程如果控制不當(dāng)，會(huì)造成EVA或POE過(guò)度膨脹，從而擠碎太陽(yáng)電池，因此大規(guī)模應(yīng)用具有一定的難度。

2.3 物理分離法

物理分離法主要是依靠物理手段，將層壓件粉碎成較小的顆粒，分揀出玻璃顆粒和焊帶后，把剩余部分再進(jìn)行研磨，通過(guò)靜電等分離法分離出金屬、背板、EVA或POE等的顆粒。但是物理分離法不能100%分離出所有材料，分離出的金屬顆粒、背板顆粒、EVA顆?；騊OE顆粒等均會(huì)含有其他材料的雜質(zhì)，導(dǎo)致獲得的材料的純度不高。

2.4 主流回收方法的工藝成本

根據(jù)相關(guān)調(diào)研，以1 kWp晶體硅光伏組件的回收為例進(jìn)行分析。分別采用熱處理法、化學(xué)溶解法和物理分離法這3種回收方法，計(jì)算不同方法耗費(fèi)的電能、試劑及衍生污染物的處理費(fèi)用(已去除設(shè)備折舊、人工成本等費(fèi)用)，估算的回收成本如下：熱處理法的回收成本為57元/kWp，化學(xué)溶解法的回收成本為44元/kWp，物理分離法的回收成本為34元/kWp。

以晶體硅光伏組件的價(jià)格1800元/kWp為例，針對(duì)廢舊晶體硅光伏組件的各種回收方法的經(jīng)濟(jì)效益如下：熱處理法回收的經(jīng)濟(jì)效益為333元/kWp，占晶體硅光伏組件價(jià)格的18.5%；化學(xué)溶解法回收的經(jīng)濟(jì)效益為321元/kWp，占晶體硅光伏組件價(jià)格的17.8%；物理分離法回收的經(jīng)濟(jì)效益為343元/kWp，占晶體硅光伏組件價(jià)格的19%[5]。綜上可知，采用主流處理方式后，廢舊晶體硅光伏組件回收的經(jīng)濟(jì)效益較好。因此，目前廢舊晶體硅光伏組件回收還不能夠?qū)崿F(xiàn)較大收益的主要原因并不是主流處理方式具體過(guò)程中的成本過(guò)高，而是由于廢舊光伏組件的回收還未形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，導(dǎo)致廢舊光伏組件在拆卸運(yùn)輸、拆解等各個(gè)環(huán)節(jié)的成本依舊巨大。

3 廢舊晶體硅光伏組件回收中的難點(diǎn)

從技術(shù)角度來(lái)看，回收廢舊晶體硅光伏組件的過(guò)程必然會(huì)伴隨著有害物質(zhì)的產(chǎn)生，必須對(duì)這些有害物質(zhì)進(jìn)行無(wú)害化處理。而針對(duì)這些廢氣、廢液、廢物等的處理方式各有不同，必然會(huì)造成回收成本的增加。尤其是目前常規(guī)使用的含氟背板，在土壤中歷經(jīng)上千年都無(wú)法自然降解，同時(shí)氟化物還具有毒性，焚燒處理過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生氟化氫等毒性氣體。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，雖然目前這幾種主流回收方法在只考慮分離過(guò)程情況下的回收成本不高，但是若再考慮上處理過(guò)程中所用設(shè)備的折舊等因素后，回收的經(jīng)濟(jì)效益還是偏低。從政策法規(guī)方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)在回收處理廢舊光伏組件方面的政策法規(guī)還處于起步階段，尚未形成相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，需要相關(guān)政策加以指導(dǎo)和要求。

4 展望

廢舊光伏組件的回收作為光伏產(chǎn)業(yè)最后的環(huán)節(jié)也是最必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，重視廢舊光伏組件的回收是必然趨勢(shì)。隨著回收技術(shù)的不斷提高和精細(xì)化，廢舊光伏組件的回收經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)越來(lái)越好，再加上GB/T 39753-202《1光伏組件回收再利用通用技術(shù)要求》即將實(shí)施，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)回收再利用行業(yè)的發(fā)展。相信近幾年內(nèi)廢舊光伏組件回收的產(chǎn)業(yè)鏈將不斷完善，回收方法也將進(jìn)一步拓展，各個(gè)回收環(huán)節(jié)的成本也將會(huì)進(jìn)一步降低。去除掉設(shè)備折舊、人工成本等費(fèi)用之后，目前廢舊晶體硅光伏組件的回收收益均已達(dá)到300元/kWp以上，所以形成完善的廢舊光伏組件回收產(chǎn)業(yè)鏈，降低回收成本是該行業(yè)必須努力的方向。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)30年代，廢舊光伏組件回收這一分支行業(yè)會(huì)得到更多的利潤(rùn)，誕生更多的獨(dú)角獸企業(yè)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)廢舊晶體硅光伏組件的回收處理現(xiàn)狀及熱處理法、化學(xué)溶解法和物理分離法這3種主流回收方法進(jìn)行了介紹。其中，熱處理法的回收成本最高，為57元/kWp；物理分離法的回收成本最低，為34元/kWp，且該方法回收的經(jīng)濟(jì)效益最高，為343元/kWp。另外，本文還從技術(shù)角度、經(jīng)濟(jì)角度及政策法規(guī)方面分析了廢舊光伏組件的回收難點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)廢舊光伏組件回收行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了展望。