中国多种回收工艺对废旧薄膜光伏组件生命周期的比较评估

《Renewable Energy》：Comparative life cycle assessment of multiple recycling processes for end-of-life thin-film photovoltaics in China

薄膜光伏回收技术环境经济综合评估表明酸浸法最优，可降低碳排放135.35kg/吨，节省能耗10535.77MJ/吨，减少用水78553.01kg/吨并创造经济收益518元/吨。研究构建了LCA-LCC整合框架，涵盖CTW、CTA、CIA、AG、AS五种主流回收工艺，提出技术革新、规模效应、物流优化、政策补贴四大优化策略，为制定本土化回收政策和企业技术选择提供决策依据。

　　

Jing Li|Yating Zhou|Hong Fang

太原理工大学经济管理学院，中国太原 030024

摘要

回收薄膜光伏（PV）废弃物可以改善生态环境并节约资源。然而，对中国而言，关于薄膜光伏技术回收过程中的环境经济权衡的综合性评估仍然很少。本研究利用生命周期分析（LCA）和生命周期成本（LCC）比较了五种薄膜光伏技术的资源使用、环境影响和经济成本。结果表明，所有回收过程的环境影响都比直接填埋要小。对于铜铟镓硒（CIGS）而言，酸浸法（CIA）在环境和经济方面表现最佳：其全球变暖潜力最低（135.35公斤二氧化碳当量），生命周期节能效果最显著（-10,535.77 MJ），用水量最少（-78,553.01公斤），并且是唯一具有正经济效益的回收方法（518元人民币/吨）。目前大多数薄膜光伏废弃物的回收处理成本较高。通过采取适当措施，如改进技术、扩大回收规模、优化运输距离和提供补贴，可以促进薄膜光伏回收的可持续发展。本研究开创了一个适用于中国国情的LCA-LCC框架，涵盖了所有主流的薄膜光伏回收技术。研究结果将为政府制定本地化回收政策以及企业选择成本效益高、环保的技术提供实用参考。

引言

作为低碳经济转型的关键驱动力，光伏技术在可再生能源中具有最高的发电潜力[1]。到2024年，全球累计光伏装机容量将达到1.8太瓦，大规模的光伏组件退役迫在眉睫。国际能源署光伏计划（IEA-PVPS）任务12和国际可再生能源机构（IRENA）（2024年）预测，到2030年全球累计光伏废弃物将达到170万至800万吨[2]。薄膜光伏面板作为第二代光伏技术，约占年光伏组件产量的5%，预计将以8.6%的复合年增长率增长[3]。薄膜光伏面板包括三种类型：碲化镉（CdTe）[4]、铜铟镓硒（CIGS）[5]和非晶硅（a-Si）[6]，其中含有贵重金属和有毒金属。不当处理可能导致环境污染和资源损失[7]。国际能源署光伏计划（2024年）提出了一个以“监管+技术+市场”协同作用为核心的全球治理框架，目标是回收率≥85%，材料回收率≥80%[2]。

现有的薄膜光伏回收技术包括：碲化镉（CdTe）的湿法机械处理（CTW）和酸浸处理（CTA）、铜铟镓硒（CIGS）的酸浸处理（CIA）、非晶硅（a-Si）的研磨（AG）和搅拌（AS）。通常，收集到的废弃薄膜光伏面板会先被敲碎和切碎，然后通过湿法机械处理、酸浸处理、喷砂或搅拌处理来分离玻璃和其他成分。具体来说，这一过程包括使用湿法机械进行切割和分离（CTW）、用无机或有机溶剂溶解（CTA和CIA）、在喷砂机中用研磨剂研磨（AG）或在搅拌机中加入化学添加剂进行搅拌（AS）。最后提取回收的金属。在CTW过程中，无需使用化学物质即可回收干净的玻璃，但可能需要进一步的机械或化学处理[8]；CTA和CIA可以从溶剂中回收金属，但会造成更大的环境污染[9]；AG和AS虽然可以完全研磨薄膜光伏面板，但环境污染更严重。不同的回收过程具有独特的环境和经济特征。对薄膜光伏回收方法在环境和经济方面的进行全面评估，可以为科学的管理实践提供有价值的指导。

多项研究采用了LCA方法来量化与光伏组件相关的潜在环境影响。例如，一些研究针对各种光伏相关产品或项目进行了LCA分析，如低功率离网光伏产品[10]、单晶硅组件[11]、大规模地面安装的光伏项目[12]、硫属化物薄膜太阳能电池[13]等。然而，这些研究并未考虑特定光伏产品的回收阶段。有些研究在探讨光伏组件的环境生命周期分析时将回收阶段纳入了系统边界，例如晶体硅（c-Si）光伏组件[14]、多晶硅光伏组件[15]、钙钛矿光伏组件[16]，以及多晶硅、有机薄膜和钙钛矿薄膜面板的比较[17]等。所有研究均表明，回收光伏废弃物可以减少能源消耗并减轻污染物排放。此外，详细了解回收活动涉及的财务支出对于企业制定适当的回收措施以提高薄膜光伏组件的回收可行性至关重要。尽管有许多研究评估了光伏产品的经济可行性，例如薄膜CdTe建筑集成光伏[18]和基于多晶硅-Si及CIS薄膜的光伏屋顶系统[19]，但只有Ravilla等人测量了CIGS面板回收的经济和环境可持续性[20]。此外，他们主要计算了回收薄膜光伏材料的销售收入。为了促进薄膜光伏面板的长期可持续性，必须纳入更广泛的因素，如环境和社会成本与效益。最后，鉴于光伏组件废弃物的数量不断增加以及中国严格的环保要求，光伏废弃物的管理实践将发生重大变化。

尽管现有研究在学术上取得了进展，但仍存在一些关键空白。首先，大多数现有研究特别是发表在《可再生能源》期刊上的研究仅关注单一回收技术，或缺乏比较不同薄膜光伏组件多种回收过程的统一框架，这使得难以确定最可持续的选项。其次，评估往往依赖于单一维度（环境或经济）的分析，未能综合考虑多个维度以应对回收决策的复杂性。第三，对中国而言，关于薄膜光伏回收技术的环境经济权衡的综合性评估仍然很少，而中国的独特政策环境、产业结构和环境要求需要本地化的见解。第四，关键技术优化策略（如技术创新、规模扩张、物流优化和政策补贴）对薄膜光伏回收的环境和经济绩效的影响尚不明确。这种定量分析的缺乏阻碍了基于证据的政策和商业策略的发展，从而阻碍了可持续薄膜光伏回收实践的推进。

为了解决这些空白，本研究采用综合的LCA和LCC方法，对五种主流薄膜光伏回收过程进行了全面的环境和经济评估。具体目标如下：首先，建立一个统一的分析框架，以便在不同类型的薄膜光伏回收技术之间一致地比较资源使用、能源消耗、环境影响和经济成本；其次，评估四种优化策略（技术创新、扩大回收规模、优化运输距离和引入补贴）在提高薄膜光伏回收可行性和可持续性方面的效果。

本研究明确是中国首个针对多种薄膜光伏回收过程的综合LCA-LCC比较研究，填补了本地化、全面评估方面的关键研究空白。具体而言，其创新之处体现在三个方面：首先，它形成了一个适用于中国国情的薄膜光伏组件回收的系统性评估框架，避免了单一维度评估的片面性，实现了对环境经济权衡的全面理解；其次，它涵盖了三种类型薄膜光伏面板的五种主流回收过程（CTW、CTA、CIA、AG、AS），解决了现有研究中多过程和多类型比较不足的问题；第三，它结合了情景分析来预测某些优化策略的影响，为与中国工业和政策环境相关的政策和实践提供了实用建议。通过实现这些目标，本研究揭示了不同废物管理策略如何影响薄膜光伏回收的生命周期环境和经济绩效，为政府和企业制定有针对性的回收政策、技术标准和商业策略提供了科学依据。

章节片段

目标和范围定义

本研究采用LCA方法来量化并比较不同薄膜光伏面板回收技术的潜在环境影响，即碲化镉（CdTe）的湿法机械处理（CTW）和酸浸处理（CTA）、铜铟镓硒（CIGS）的酸浸处理（CIA）、非晶硅（a-Si）的研磨（AG）和搅拌（AS）。因此，本研究确定了五种薄膜光伏面板的回收过程。

为了确保后续评估的一致性和可比性，本研究将1吨报废薄膜光伏面板定义为功能单位（FU）[21]。本研究使用的数据来源于

薄膜太阳能面板回收方法的环境性能分析

不同的薄膜光伏废弃物回收技术在环境影响方面存在显著差异（表2）。与直接填埋造成的巨大环境负担相比，各种回收过程可以在一定程度上减轻环境负担。回收技术可以大大减少废物重量（WU）和污染负荷（IRP）。其中，酸浸法（CIA）是最环保的回收方法：可减少171.41公斤二氧化碳当量的全球变暖潜力（GWP）、14,264.56兆焦耳的污染物排放（PED）和78,959.72公斤的其他污染物。

结论

本研究对中国五种薄膜光伏面板回收方法的环境影响和经济支出进行了综合评估。建立了四种战略干预方案，以量化其在减轻生态负担和经济成本方面的潜力。本研究的主要发现总结如下：

首先，铜铟镓硒（CIGS）的酸浸法（CIA）在所有回收过程中被证明是最优解决方案。其全球变暖潜力最低（135.35公斤二氧化碳当量）。

CRediT作者贡献声明

Jing Li：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、方法论、资金申请、正式分析、概念构建。Yating Zhou：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法论、数据整理。Hong Fang：监督、资源协调、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：72473104、72103153）的支持。