太陽能發電技術正得到日益廣泛的應用,在政府的大力支持下,近年來,中國已超越歐盟,成為全球太陽能光伏發電裝機量增長最快、總量第一的國家。隨著光伏產業的蓬勃發展,光伏垃圾的回收管理問題也日益凸顯出來。歐盟已于2012年正式將廢棄光伏組件納入了電子廢物管理的范疇,但中國目前關于光伏垃圾回收的政策尚處于討論之中。山東在我國東部沿海地區中發展光伏產業具有一定優勢,生產和應用都處于國內領先地位,更需將此問題納入產業發展的通盤考慮之中。

2020年后,中國光伏垃圾產生量將顯著增加

光伏組件包括晶體硅組件和薄膜電池,光伏板的設計壽命一般被定為25年,實際運行年限可能更長。這個特點,導致光伏組件從大量采用到大量廢棄的時間周期較長,而現在,這個周期已不遙遠。

據國際可再生能源機構、國際能源署光伏系統項目的報告,2014年,廢棄的光伏組件還不到電子垃圾的千分之一；而到2050年,則會達到0.78億噸,全球商品市場價值將達到150億美元。該報告的作者之一、美國國家可再生能源實驗室加文˙希斯博士曾向媒體表示:“光伏組件的垃圾量在未來不久將大幅增加,因此,我們建議各國現在就開始準備。”

中國作為世界首屈一指的光伏大國,光伏垃圾的問題也已日漸顯現。2008以前,中國光伏產品主要面向出口市場,在歐洲新能源補貼政策的激勵下,光伏組件生產能力快速增長。隨著全球金融危機爆發和光伏市場競爭加劇,自2009年以來,中國持續出臺光伏發電應用的鼓勵政策,以啟動國內市場。數年間,不但集中式電站在許多地方大規模普及,分布式并網發電的推廣力度也得到了大幅提升。截至2015年底,中國光伏發電累計裝機容量已達4318萬千瓦,成為全球光伏發電裝機容量最大的國家。可以預見,不遠的將來,光伏組件的廢棄量也將快速增長。

國家“十二五”期間,中科院電工研究所可再生能源發電系統研究部承擔了國家863課題子任務“光伏設備回收與無害化處理技術研究”,這是我國目前為數不多的國家級相關研究。研究結果顯示,2020年后,中國光伏組件的廢棄量將開始顯著增加:在電站運行維護良好的情況下,到2034年,光伏組件的累計廢棄量將達到近60GW；而在電站運行維護狀況一般的情況下,累計廢棄量將超過70GW。

英利綠色能源控股有限公司進一步測算的結果則表明,到2030年,中國廢棄的光伏組件可以產生145萬噸碳鋼、110萬噸玻璃、54萬噸塑料、26萬噸鋁、17萬噸銅、5萬噸硅和550噸銀。

山東光伏產業已位居全國前列,但對于光伏垃圾回收尚無規劃

山東省太陽能資源理論總儲量在全國排第17位。我國太陽能資源總體分布從西北向東南傾斜,太陽能資源豐富的地區往往是人煙稀少、自然條件惡劣的地區,而人口集中、能源消耗量大的地區,太陽能資源相對貧乏。從太陽能資源與能源消費需求的匹配度來看,山東省位于我國發展太陽能條件較為優越的地區。21世紀以來,山東省政府積極推動新能源產業發展和技術推廣應用,在促進能源結構轉型方面也走在全國前列。截至2015年底,山東光伏發電累計裝機容量133萬千瓦,其中光伏電站89萬千瓦。

然而,如同全國其它地區,山東對于光伏垃圾的回收監管體系,目前還是一片空白。無論是《山東省“十二五”太陽能產業和光伏產業發展規劃》,還是《關于貫徹落實國發〔2013〕24號文件促進光伏產業健康發展的意見》,都沒有涉及光伏垃圾回收的相關規劃。作為國內太陽能產業的引領者之一,山東能否在全國率先合理規劃和應對這一挑戰?

目前,歐美都已經開始著手光伏材料的循環利用。2012年以前,歐盟的電子廢物管理條例并未將太陽能光伏組件納入管理類別之中,主要是因為生產者承擔廢物管理成本的原則不應該只針對新能源技術,否則會對新能源技術的推廣應用帶來額外的負擔,使之與傳統能源競爭處于更加不利的地位。但主流的太陽能電池企業已經開展了自愿的回收行動,2011年,歐盟的PVCycle(光伏循環)回收計劃回收了超過1400噸的光伏組件,回收率已接近70%。隨著太陽能技術的推廣普及,特別是新一代太陽能電池技術的發展,廢物管理系統對技術選擇的影響,以及循環利用基礎設施的建設布局的需要,歐盟開始重新思考對太陽能光伏組件適用生產者責任原則。2012年,歐盟將太陽能電池組件納入歐盟報廢電子電氣設備(WEEE)目錄,根據該指令要求,2019年以前電子產品回收率需要達到85%以上,其中材料的再循環率要達到80%以上。而美國以FirstSolar為首的光伏企業從降低產品生命周期環境影響,提高光伏關鍵材料的供給保證出發,也主動開展了光伏材料循環利用的研究和實踐。

與傳統大宗工業金屬相比,光伏組件所使用的許多新能源材料都存在材料使用分散、單個產品用量少的特點,并且以復雜合金的形式存在于產品之中,這都給回收利用帶來了非常大的挑戰。此外,材料的循環利用還受到社會行為習慣、產品設計、循環利用技術以及分揀過程的熱力學等多方面的制約,這常常導致花費巨大的經濟和環境代價開采的金屬材料往往只用一次就變成廢物耗散在環境中,無法再利用。如果能夠通過合理規劃而避免這一問題,建立從搖籃到搖籃的產品-服務系統,對于能源系統的低碳轉型具有現實意義。

從成本效益角度看,光伏企業就近回收可能最具經濟效益

迄今為止,全球對太陽能材料回收利用的設施建設還處于起步階段,而合理的空間布局則可以進一步降低太陽能電池材料的回收成本,提高回收利用的效率。基于此,我們以銅銦鎵硒薄膜技術為例估算了山東光伏回收建設的幾種可能的空間布局。

根據WWF所做的中國高比例可再生能源發展情景,到2050年,最理想的能源轉型情景下,中國太陽能光伏發電量在所有發電量中所占比重將提高到27.36%,成為比重最大的能源供給類型。我們根據中國8760電網預測模型中的人均裝機容量,結合預測人口數據,估算了山東省全省及各縣的預測光伏裝機容量。從材料回收的成本效益上看,回收太陽能電池組件盡管是經濟可行的,但由于金屬材料在整個光伏組件中所占的比重非常低(不足總重量的1%),如果將廢棄組件直接混入一般的城市固體廢物流的話,金屬材料的回收就難以實現。由于廢棄組件主要是玻璃的重量,并且很難在處理之前進行分離,因此回收過程中的運輸成本就成為需要考慮的因素之一。

山東省總體地勢較為平坦,省內公路交通發達,因此對運輸成本的計算采用簡化方法。假設每個縣級行政單元的廢棄太陽能組件均先集中到其行政區域的質心位置,作為廢棄物收集的原點,再以每個質心到處理廠的直線距離作為近似的運輸距離,對于處理廠的選址,可以有如下三種方案:

第一種可行方案:在萊蕪市區建立全省唯一的光伏組件處理廠。這是一種規模經濟導向方案。由于薄膜技術只是目前商品化應用的幾種太陽能光伏技術方案之一,未來技術變化的可能方向比較多,因此集中處理有利于實現處理設備的規模經濟,并且適應光伏技術可能發生的變化。假設山東全省只建立一個處理廠,根據運輸成本最小化的目標,可以求出距離各縣質心距離之和最小的點,該點就是成本最優的處理廠位置。經過計算,最佳點位于萊蕪市區附近,公路運費約為1995.03萬元。

第二種可行方案:在濟南和青島分別建立光伏回收處理設施。這是一種市場導向方案。分布式光伏系統與集中太陽能電站系統的一個顯著差別是,用戶安裝的時間可能存在較大的不一致,因此廢棄時間也會存在比較大的變動范圍。此外,實際安裝量受人口密度、收入水平等因素的影響,市場需求的空間分布存在較大的不均衡。可以推測,發達的都市中心安裝量會更大。因此,在山東省兩大都市中心濟南和青島建立回收處理設施,可以方便就近回收。根據計算,這種方案的公路運費約為1490.28萬元。

第三種可行方案:按照網上搜集的山東省銅銦鎵硒薄膜光伏生產廠的分布,選擇東營、濰坊、濟寧、威海、青島和淄博分別建立光伏組件處理廠。這是一種生產者責任導向方案。由于薄膜電池光伏組件的材料在生產環節就有很大的循環再利用潛力,因此企業有動力首先在生產過程中建立再循環處理能力,利用這一處理能力實現全生命周期的循環再利用具有較強的技術可行性。生產者責任制度是指生產者需要全部或部分承擔其產品廢棄后的回收處理責任,目前已在我國電子廢物管理中得到應用。生產者責任制度期望通過生產者責任的延伸,影響其在上游材料選擇和商業模式的構建,從而促進廢物減量和資源化的目標。假設所有用戶的廢棄產品均運送到最近的光伏組件工廠處理,采用服務區劃分的模型,計算結果該方案的公路運費約為979.14萬元。

綜合比較上述三種方案,運輸成本占處理成本的比重在6.7%~13.3%之間,由此可見,設施布局對處理成本的影響還是比較大的。其中,集中處理的運輸成本最大,而生產者責任導向的運輸成本最小。不過,生產者責任導向的情景假設中規定了用戶廢棄的產品可以運到最近的生產廠家,這就需要生產者之間形成一定的回收責任協議,對不是自己生產的產品也進行回收處理。如果在實際生產企業之間就成本收益進行分割,就成為一個現實的問題。如果不能實現生產企業就近回收,生產者責任導向的運輸成本就可能反而高于其他兩種情景。

最后,從最近光伏技術實際發展的情況來看,光伏技術發展路線還存在很大的不確定性,與建筑和其他產品結合的靈活性越來越大,應用方式也逐步向移動化設備擴展,材料的空間分布就更加不確定了。并且,材料的使用壽命可能會像電子產品一樣,未達到設計使用壽命就因產品更新淘汰而廢棄。這種產品的回收就更加依賴于回收體系和責任機制的設計了。