太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)正得到日益廣泛的應(yīng)用,在政府的大力支持下,近年來(lái),中國(guó)已超越歐盟,成為全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)量增長(zhǎng)最快、總量第一的國(guó)家。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,光伏垃圾的回收管理問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。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(guó)目前關(guān)于光伏垃圾回收的政策尚處于討論之中。山東在我國(guó)東部沿海地區(qū)中發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)具有一定優(yōu)勢(shì),生產(chǎn)和應(yīng)用都處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位,更需將此問(wèn)題納入產(chǎn)業(yè)發(fā)展的通盤考慮之中。

2020年后,中國(guó)光伏垃圾產(chǎn)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(shè)計(jì)壽命一般被定為25年,實(shí)際運(yùn)行年限可能更長(zhǎng)。這個(gè)特點(diǎn),導(dǎo)致光伏組件從大量采用到大量廢棄的時(shí)間周期較長(zhǎng),而現(xiàn)在,這個(gè)周期已不遙遠(yuǎn)。

據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)、國(guó)際能源署光伏系統(tǒng)項(xiàng)目的報(bào)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(huì)達(dá)到0.78億噸,全球商品市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到150億美元。該報(bào)告的作者之一、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室加文˙希斯博士曾向媒體表示:“光伏組件的垃圾量在未來(lái)不久將大幅增加,因此,我們建議各國(guó)現(xiàn)在就開始準(zhǔn)備。”

中國(guó)作為世界首屈一指的光伏大國(guó),光伏垃圾的問(wèn)題也已日漸顯現(xiàn)。2008以前,中國(guó)光伏產(chǎn)品主要面向出口市場(chǎng),在歐洲新能源補(bǔ)貼政策的激勵(lì)下,光伏組件生產(chǎn)能力快速增長(zhǎng)。隨著全球金融危機(jī)爆發(fā)和光伏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,自2009年以來(lái),中國(guó)持續(xù)出臺(tái)光伏發(fā)電應(yīng)用的鼓勵(lì)政策,以啟動(dòng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。數(shù)年間,不但集中式電站在許多地方大規(guī)模普及,分布式并網(wǎng)發(fā)電的推廣力度也得到了大幅提升。截至2015年底,中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)4318萬(wàn)千瓦,成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家?？梢灶A(yù)見,不遠(yuǎn)的將來(lái),光伏組件的廢棄量也將快速增長(zhǎng)。

國(guó)家“十二五”期間,中科院電工研究所可再生能源發(fā)電系統(tǒng)研究部承擔(dān)了國(guó)家863課題子任務(wù)“光伏設(shè)備回收與無(wú)害化處理技術(shù)研究”,這是我國(guó)目前為數(shù)不多的國(guó)家級(jí)相關(guān)研究。研究結(jié)果顯示,2020年后,中國(guó)光伏組件的廢棄量將開始顯著增加:在電站運(yùn)行維護(hù)良好的情況下,到2034年,光伏組件的累計(jì)廢棄量將達(dá)到近60GW；而在電站運(yùn)行維護(hù)狀況一般的情況下,累計(jì)廢棄量將超過(guò)70GW。

英利綠色能源控股有限公司進(jìn)一步測(cè)算的結(jié)果則表明,到2030年,中國(guó)廢棄的光伏組件可以產(chǎn)生145萬(wàn)噸碳鋼、110萬(wàn)噸玻璃、54萬(wàn)噸塑料、26萬(wàn)噸鋁、17萬(wàn)噸銅、5萬(wàn)噸硅和550噸銀。

山東光伏產(chǎn)業(yè)已位居全國(guó)前列,但對(duì)于光伏垃圾回收尚無(wú)規(guī)劃

山東省太陽(yáng)能資源理論總儲(chǔ)量在全國(guó)排第17位。我國(guó)太陽(yáng)能資源總體分布從西北向東南傾斜,太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)往往是人煙稀少、自然條件惡劣的地區(qū),而人口集中、能源消耗量大的地區(qū),太陽(yáng)能資源相對(duì)貧乏。從太陽(yáng)能資源與能源消費(fèi)需求的匹配度來(lái)看,山東省位于我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能條件較為優(yōu)越的地區(qū)。21世紀(jì)以來(lái),山東省政府積極推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)推廣應(yīng)用,在促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型方面也走在全國(guó)前列。截至2015年底,山東光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量133萬(wàn)千瓦,其中光伏電站89萬(wàn)千瓦。

然而,如同全國(guó)其它地區(qū),山東對(duì)于光伏垃圾的回收監(jiān)管體系,目前還是一片空白。無(wú)論是《山東省“十二五”太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,還是《關(guān)于貫徹落實(shí)國(guó)發(fā)〔2013〕24號(hào)文件促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的意見》,都沒有涉及光伏垃圾回收的相關(guān)規(guī)劃。作為國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者之一,山東能否在全國(guó)率先合理規(guī)劃和應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)?

目前,歐美都已經(jīng)開始著手光伏材料的循環(huán)利用。2012年以前,歐盟的電子廢物管理?xiàng)l例并未將太陽(yáng)能光伏組件納入管理類別之中,主要是因?yàn)樯a(chǎn)者承擔(dān)廢物管理成本的原則不應(yīng)該只針對(duì)新能源技術(shù),否則會(huì)對(duì)新能源技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān),使之與傳統(tǒng)能源競(jìng)爭(zhēng)處于更加不利的地位。但主流的太陽(yáng)能電池企業(yè)已經(jīng)開展了自愿的回收行動(dòng),2011年,歐盟的PVCycle(光伏循環(huán))回收計(jì)劃回收了超過(guò)1400噸的光伏組件,回收率已接近70%。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的推廣普及,特別是新一代太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展,廢物管理系統(tǒng)對(duì)技術(shù)選擇的影響,以及循環(huán)利用基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)布局的需要,歐盟開始重新思考對(duì)太陽(yáng)能光伏組件適用生產(chǎn)者責(zé)任原則。2012年,歐盟將太陽(yáng)能電池組件納入歐盟報(bào)廢電子電氣設(shè)備(WEEE)目錄,根據(jù)該指令要求,2019年以前電子產(chǎn)品回收率需要達(dá)到85%以上,其中材料的再循環(huán)率要達(dá)到80%以上。而美國(guó)以FirstSolar為首的光伏企業(yè)從降低產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響,提高光伏關(guān)鍵材料的供給保證出發(fā),也主動(dòng)開展了光伏材料循環(huán)利用的研究和實(shí)踐。

與傳統(tǒng)大宗工業(yè)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(gè)產(chǎn)品用量少的特點(diǎn),并且以復(fù)雜合金的形式存在于產(chǎn)品之中,這都給回收利用帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)。此外,材料的循環(huán)利用還受到社會(huì)行為習(xí)慣、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、循環(huán)利用技術(shù)以及分揀過(guò)程的熱力學(xué)等多方面的制約,這常常導(dǎo)致花費(fèi)巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境代價(jià)開采的金屬材料往往只用一次就變成廢物耗散在環(huán)境中,無(wú)法再利用。如果能夠通過(guò)合理規(guī)劃而避免這一問(wèn)題,建立從搖籃到搖籃的產(chǎn)品-服務(wù)系統(tǒng),對(duì)于能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型具有現(xiàn)實(shí)意義。

從成本效益角度看,光伏企業(yè)就近回收可能最具經(jīng)濟(jì)效益

迄今為止,全球?qū)μ?yáng)能材料回收利用的設(shè)施建設(shè)還處于起步階段,而合理的空間布局則可以進(jìn)一步降低太陽(yáng)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(shù)為例估算了山東光伏回收建設(shè)的幾種可能的空間布局。

根據(jù)WWF所做的中國(guó)高比例可再生能源發(fā)展情景,到2050年,最理想的能源轉(zhuǎn)型情景下,中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電量在所有發(fā)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(jù)中國(guó)8760電網(wǎng)預(yù)測(cè)模型中的人均裝機(jī)容量,結(jié)合預(yù)測(cè)人口數(shù)據(jù),估算了山東省全省及各縣的預(yù)測(cè)光伏裝機(jī)容量。從材料回收的成本效益上看,回收太陽(yáng)能電池組件盡管是經(jīng)濟(jì)可行的,但由于金屬材料在整個(gè)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(shí)現(xiàn)。由于廢棄組件主要是玻璃的重量,并且很難在處理之前進(jìn)行分離,因此回收過(guò)程中的運(yùn)輸成本就成為需要考慮的因素之一。

山東省總體地勢(shì)較為平坦,省內(nèi)公路交通發(fā)達(dá),因此對(duì)運(yùn)輸成本的計(jì)算采用簡(jiǎn)化方法。假設(shè)每個(gè)縣級(jí)行政單元的廢棄太陽(yáng)能組件均先集中到其行政區(qū)域的質(zhì)心位置,作為廢棄物收集的原點(diǎn),再以每個(gè)質(zhì)心到處理廠的直線距離作為近似的運(yùn)輸距離,對(duì)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(qū)建立全省唯一的光伏組件處理廠。這是一種規(guī)模經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向方案。由于薄膜技術(shù)只是目前商品化應(yīng)用的幾種太陽(yáng)能光伏技術(shù)方案之一,未來(lái)技術(shù)變化的可能方向比較多,因此集中處理有利于實(shí)現(xiàn)處理設(shè)備的規(guī)模經(jīng)濟(jì),并且適應(yīng)光伏技術(shù)可能發(fā)生的變化。假設(shè)山東全省只建立一個(gè)處理廠,根據(jù)運(yùn)輸成本最小化的目標(biāo),可以求出距離各縣質(zhì)心距離之和最小的點(diǎn),該點(diǎn)就是成本最優(yōu)的處理廠位置。經(jīng)過(guò)計(jì)算,最佳點(diǎn)位于萊蕪市區(qū)附近,公路運(yùn)費(fèi)約為1995.03萬(wàn)元。

第二種可行方案:在濟(jì)南和青島分別建立光伏回收處理設(shè)施。這是一種市場(chǎng)導(dǎo)向方案。分布式光伏系統(tǒng)與集中太陽(yáng)能電站系統(tǒng)的一個(gè)顯著差別是,用戶安裝的時(shí)間可能存在較大的不一致,因此廢棄時(shí)間也會(huì)存在比較大的變動(dòng)范圍。此外,實(shí)際安裝量受人口密度、收入水平等因素的影響,市場(chǎng)需求的空間分布存在較大的不均衡?？梢酝茰y(cè),發(fā)達(dá)的都市中心安裝量會(huì)更大。因此,在山東省兩大都市中心濟(jì)南和青島建立回收處理設(shè)施,可以方便就近回收。根據(jù)計(jì)算,這種方案的公路運(yùn)費(fèi)約為1490.28萬(wàn)元。

第三種可行方案:按照網(wǎng)上搜集的山東省銅銦鎵硒薄膜光伏生產(chǎn)廠的分布,選擇東營(yíng)、濰坊、濟(jì)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(chǎn)者責(zé)任導(dǎo)向方案。由于薄膜電池光伏組件的材料在生產(chǎn)環(huán)節(jié)就有很大的循環(huán)再利用潛力,因此企業(yè)有動(dòng)力首先在生產(chǎn)過(guò)程中建立再循環(huán)處理能力,利用這一處理能力實(shí)現(xiàn)全生命周期的循環(huán)再利用具有較強(qiáng)的技術(shù)可行性。生產(chǎn)者責(zé)任制度是指生產(chǎn)者需要全部或部分承擔(dān)其產(chǎn)品廢棄后的回收處理責(zé)任,目前已在我國(guó)電子廢物管理中得到應(yīng)用。生產(chǎn)者責(zé)任制度期望通過(guò)生產(chǎn)者責(zé)任的延伸,影響其在上游材料選擇和商業(yè)模式的構(gòu)建,從而促進(jìn)廢物減量和資源化的目標(biāo)。假設(shè)所有用戶的廢棄產(chǎn)品均運(yùn)送到最近的光伏組件工廠處理,采用服務(wù)區(qū)劃分的模型,計(jì)算結(jié)果該方案的公路運(yùn)費(fèi)約為979.14萬(wàn)元。

綜合比較上述三種方案,運(yùn)輸成本占處理成本的比重在6.7%~13.3%之間,由此可見,設(shè)施布局對(duì)處理成本的影響還是比較大的。其中,集中處理的運(yùn)輸成本最大,而生產(chǎn)者責(zé)任導(dǎo)向的運(yùn)輸成本最小。不過(guò),生產(chǎn)者責(zé)任導(dǎo)向的情景假設(shè)中規(guī)定了用戶廢棄的產(chǎn)品可以運(yùn)到最近的生產(chǎn)廠家,這就需要生產(chǎn)者之間形成一定的回收責(zé)任協(xié)議,對(duì)不是自己生產(chǎn)的產(chǎn)品也進(jìn)行回收處理。如果在實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)之間就成本收益進(jìn)行分割,就成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。如果不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)就近回收,生產(chǎn)者責(zé)任導(dǎo)向的運(yùn)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(shù)實(shí)際發(fā)展的情況來(lái)看,光伏技術(shù)發(fā)展路線還存在很大的不確定性,與建筑和其他產(chǎn)品結(jié)合的靈活性越來(lái)越大,應(yīng)用方式也逐步向移動(dòng)化設(shè)備擴(kuò)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(huì)像電子產(chǎn)品一樣,未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命就因產(chǎn)品更新淘汰而廢棄。這種產(chǎn)品的回收就更加依賴于回收體系和責(zé)任機(jī)制的設(shè)計(jì)了。