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光伏組件回收技術(shù)綜述
光伏組件回收技術(shù)綜述
1. 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及回收的必要性
近年來，隨新能源行業(yè)不斷發(fā)展，光伏組件需求與比重越來越大。截止2019年底，我國光伏新增裝機30.1GW，累計裝機205GW。隨光伏市場不斷擴大，可預(yù)期未來壽命期滿后退役晶硅光伏組件數(shù)量將急劇增加。如何處理廢棄組件成為關(guān)注重點。
依據(jù)科技部“十二五”863 項目研究成果，2030年我國退役光伏組件預(yù)計將超 60 GW，產(chǎn)生玻璃、塑料、鋁、銅、硅、銀等組分總質(zhì)量超過200萬噸。國際可再生能源署（IRENA: International Renewable Energy Agency）、國際能源署（IEA-PVPS）2016年也聯(lián)合發(fā)布《End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels》報告，預(yù)測世界光伏組件報廢量到2050年將達到7800萬噸；以價值計，到2030年，可從光伏組件回收技術(shù)中獲取原材料累計可達4.5億美元（按2016年價格），到2050年，可回收物累計將超過150億美元，這相當于目前生產(chǎn)6000萬塊新組件所需原材料的價值。
光伏組件材料包含玻璃、硅、銀、銅、鋁等有價值組分，大部分物質(zhì)通過適當回收，實現(xiàn)循環(huán)再利用，可有效緩解生態(tài)環(huán)境壓力、降低光伏全產(chǎn)業(yè)鏈能耗等指標，進一步優(yōu)化光伏組件全生命周期的綠色節(jié)能特性。因此，光伏組件的回收與無害化處理是產(chǎn)業(yè)界和環(huán)境界核心問題之一。
圖1-1 全球范圍內(nèi)退役組件數(shù)量預(yù)測
圖1-2 2050年各國光伏組件報廢量
2. 各國光伏組件回收現(xiàn)狀
世界各國紛紛布局光伏組件回收技術(shù)與產(chǎn)業(yè)。歐盟、日本和韓國等在光伏組件回收上起步較早，自 2009 年在物理法、化學(xué)法等技術(shù)路線上持續(xù)開展實驗技術(shù)研究、中試示范及配套體系建設(shè)。歐盟2007年在布魯塞爾成立了“PV Cycle”組織，PV CYCLE 是一家成立于2007年的非盈利性協(xié)會，旨在支持歐洲的光伏生產(chǎn)商、供貨商、安裝商和進口商以簡單而經(jīng)濟有效的方式履行廢舊物處置的強制義務(wù)。2014 年將光伏組件納入“報廢電子電氣設(shè)備指令 (WEEE Directive: Waste Electrical and Electronic Equipment Directive)”，作為消費性電子產(chǎn)品實施強制回收；2017年進一步頒布了針對光伏組件回收的歐盟標準，并建設(shè)了一條產(chǎn)能為 3000 噸/年的化學(xué)法示范線和一條產(chǎn)能200噸/年的物理法/化學(xué)法綜合示范線。法國2018年8月在Roosset市建成了歐洲首座光伏組件回收工廠，該工廠能夠回收晶硅光伏板中95%的材料。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO: The New Energy and Industrial Technology Development Organization)也支持了物理法和化學(xué)法的多個示范項目。韓國正在開展產(chǎn)能 800 噸/年的光伏組件回收示范項目的研究工作。
我國 “十二五”期間，光伏組件回收工作依托科技部“863計劃”，實驗研究了熱解化學(xué)法和深冷物理法兩種技術(shù)路線，獲得了晶硅光伏組件回收量的預(yù)測數(shù)據(jù)與回收技術(shù)的初步結(jié)果。2019年4月，國家科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心進一步發(fā)布“‘十三五’國家重點研發(fā)計劃-可再生能源與氫能技術(shù)重點專項”2018年度立項項目，以中科院電工所高級工程師、中國可再生能源學(xué)會光伏專委會秘書長呂芳作為項目首席科學(xué)家，基于在“十二五”光伏回收實驗室研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合13家光伏企業(yè)、研究所、院校，共同承擔了“晶硅光伏組件的回收處理成套技術(shù)和裝備”項目。這是國內(nèi)首個國家級針對光伏組件回收技術(shù)和關(guān)鍵裝備的研制項目，該項目目的在于通過低能耗、低污染的技術(shù)路線實現(xiàn)晶硅組件中主要高價值組成材料的回收，采取逆向解粘結(jié)機理，以晶硅光伏組件低成本綠色拆解和組分分選為重點，旨在形成物理法、化學(xué)法的晶硅光伏組件環(huán)保處理示范線，并創(chuàng)建與之相關(guān)的回收標準體系、監(jiān)管機制以及探索光伏組件綠色設(shè)計和制造趨勢。
3. 光伏組件回收技術(shù)方法
（1）報廢光伏組件的當前處理方法：一般流程
目前，世界上大多數(shù)國家/地區(qū)將光伏組件歸類為一般或工業(yè)廢棄物，而歐盟已采用了針對光伏組件的廢棄物法規(guī)。盡管目前全球廢物市場上僅有少量的光伏廢料，但專門的光伏組件回收廠已開始運營，通過處理現(xiàn)有有限的報廢組件、保修退貨及產(chǎn)線廢品，以優(yōu)化和驗證回收技術(shù)、回收鏈架構(gòu)、回收流程的運作合理性和效率。
光伏組件處理一般流程如圖3-1所示。該流程始于將報廢光伏組件運輸?shù)接苫厥丈踢\營的工廠；核心步驟在于工廠產(chǎn)線基于專門工藝，分離光伏組件有價值材料，包括玻璃、金屬及其化合物；產(chǎn)業(yè)鏈下游企業(yè)（諸如金屬精煉公司等材料制造商）經(jīng)提純和精煉分離后的回收物，形成高價值材料再次進入市場（不限于光伏行業(yè)）。對于回收及精煉鏈條產(chǎn)生的無價值材料，可采用環(huán)保填埋技術(shù)進行處理。值得注意的是，在處理流程中，組件中某些材料（如EVA等聚合物）處理中可產(chǎn)生熱量，采用先進工藝回收后可形成可觀的能源動力。
圖3-1 光伏組件處理一般流程
（2）晶硅光伏組件回收處理
光伏發(fā)電市場的迅猛發(fā)展催生了對光伏系統(tǒng)壽命期后可持續(xù)利用技術(shù)的研究需求：對壽命期后光伏設(shè)備，尤其是占據(jù)世界市場份額達80%以上的晶硅電池材料及組分（硅、銅、鋁、銀、玻璃、塑料等）進行無害化處理、乃至回收利用，以期一定程度上緩解光伏器件原材料短缺問題，并降低資源浪費與生態(tài)環(huán)境污染。晶硅電池板每kW功率對應(yīng)的材料組分質(zhì)量如表3-1所示。
表3-1太陽電池（晶硅電池）電池板材料組分質(zhì)量（Kg/kWp）
材料 | 硅 | 銀 | 鋁 | 玻璃 | 銅 | 塑料 |
質(zhì)量 | 3.101 | 0.03 | 12.771 | 54.721 | 0.451 | 12.091 |
為回收和循環(huán)利用光伏組件中材料，晶硅組件回收技術(shù)分為組件拆解和組分回收兩個步驟。
a) 組件拆解
組件拆解以三種技術(shù)為主：機械法拆解、熱解法拆解、化學(xué)法拆解。
機械法通過操作機械，將玻璃與其他元件分離，以達到回收玻璃的目的。
熱解法通過加熱分解玻璃和光伏電池之間的EVA封裝層，分離回收玻璃；組件中的塑料在惰性氣體環(huán)境下可熱解為乙酸、丙烷、丙烯、乙烷、甲烷和其他可燃油和氣體。
化學(xué)法通過將聚合物封裝層溶解在化學(xué)溶劑中，實現(xiàn)玻璃分離。一種可行方案是將組件浸入硝酸24小時，另一種是將組件浸入三氯乙烯、并在80攝氏度下持續(xù)10天，均可實現(xiàn)EVA膠膜溶解?；瘜W(xué)法可實現(xiàn)無損回收光伏組件中的電池片，但有些有機溶劑無法徹底除去殘留在電池片上的EVA膠膜。
b) 組分回收
傳統(tǒng)晶硅退役組件的電池回收，主要依托選擇性浸提、沉淀、萃取等方法，將電池片中貴重金屬（銀、銅等）分別回收。
另外，對于從組件拆解下來的完整電池片，可考慮進行電池片修復(fù)工序，使其恢復(fù)可使用的光電轉(zhuǎn)換效率，再次進入光伏應(yīng)用鏈條。
4. 國內(nèi)組件回收項目研究進展
國家重點研發(fā)計劃可再生能源與氫能專項《晶硅光伏組件回收處理成套技術(shù)和裝備》項目近期在晶硅光伏組件回收方面研究取得重要進展。據(jù)項目組介紹，該項目于2019年4月正式立項實施，項目實施的第一年期間，在基于物理法對光伏組件環(huán)保處理成套工藝技術(shù)及關(guān)鍵裝備研究方面，物理法產(chǎn)線研發(fā)出組件玻璃切割技術(shù)及關(guān)鍵裝備，通過調(diào)節(jié)聚合物EVA粘結(jié)膠膜與晶硅組件玻璃的界面相變特性，實現(xiàn)玻璃低損或無損剝離；所獲玻璃組件可直接用于建筑、屏障等領(lǐng)域。
研發(fā)出組件邊框低成本拆解技術(shù)及關(guān)鍵裝備；所獲邊框鋁材可重新鑄造成型，廣泛用于各行業(yè)。同時，也研發(fā)出組件膠膜、混合粉體（硅、銀、銅等）各組分環(huán)保分離技術(shù)及關(guān)鍵裝備，通過溫度控制與外能場協(xié)同作用，驅(qū)動粘結(jié)膠膜從碎電池片上有效脫離，通過精細研磨-分級篩選實現(xiàn)硅、銀、銅組分高效分離；所獲EVA等膠膜可通過本項目的高分子改性創(chuàng)新技術(shù)，重新用于塑料構(gòu)件行業(yè)，所獲硅、銀、銅各組分則可用于建材、金屬鑄件等領(lǐng)域。本項目集成、優(yōu)化各相關(guān)設(shè)備，建成我國首條基于物理法的晶硅光伏組件低成本環(huán)保處理產(chǎn)線，產(chǎn)線指標預(yù)期達到：產(chǎn)能≥10 MW/年，能耗≤25 kWh/kW 組件；實現(xiàn)質(zhì)量回收率≥93%，銀回收率≥93%，硅回收率≥96%，銅回收率≥97%，將對組件回收行業(yè)起到示范、引領(lǐng)作用。
在基于化學(xué)法對光伏組件環(huán)保處理成套工藝技術(shù)研究方面，項目已形成了基于熱解和化學(xué)處理等核心技術(shù)的一體化綜合示范量產(chǎn)方案。同時在基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)方面取得了重要突破，EVA膠膜的去交聯(lián)方式是項目的關(guān)鍵難題之一。通過勻流熱場的特殊設(shè)計形成區(qū)塊化的熱解激活能，從而在光伏組件樣品這樣的大尺寸條件下最大限度的平衡反應(yīng)進行的時間和劇烈程度；EVA熱失重過程中產(chǎn)生的不均勻熱量釋放及裂解中間產(chǎn)物帶來的量產(chǎn)工藝挑戰(zhàn)，本項目通過中溫引流的方式舒緩熱能排出量和廢氣排出速度，從而解決了巨大溫差帶來的反應(yīng)不可控，由此設(shè)計牽引出的長程降溫需求也同步促成了對排放高危廢物（如重金屬等）有足夠時間和空間進行物理收集，進一步將回收技術(shù)綠色化、無害化。在晶體硅電池片的化學(xué)法回收方面，通過實驗室級的精細化開發(fā)，已實現(xiàn)了核心材料銀≥90%、硅≥90%、 銅≥90%的回收率，形成了可量產(chǎn)化的實現(xiàn)方案。
如何有效實現(xiàn)固化有機膠膜解粘結(jié)是光伏組件拆解和構(gòu)成組分材料分離的基礎(chǔ)。為此，本項目正在深入開展固化EVA在多種物理化學(xué)因素作用下的解粘結(jié)機理研究。通過進行EVA膠膜老化實驗并檢測分析膠膜粘結(jié)微觀界面，提出了粘結(jié)界面的氫鍵作用力模型。由于新型高效晶硅太陽電池組件在光伏市場中的占有率正逐年上升，針對這些未來擁有規(guī)?；袌龇蓊~的新型材料和新結(jié)構(gòu)晶硅光伏組件開展環(huán)保處理新技術(shù)研究也是本項目的重要內(nèi)容。圍繞無損拆解高效電池和高價值封裝玻璃板，已完成基于激光和熱絲切割的組件拆解新技術(shù)原理驗證，并針對晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的構(gòu)成新材料開展銀和銦的高價值回收。本項目進一步對回收后的高價值太陽電池進行修復(fù)再使用研究并開發(fā)回收含氟背板材料的高效環(huán)保無害化處理技術(shù)，填補現(xiàn)有光伏組件回收技術(shù)領(lǐng)域的空白。已對回收電池進行性能衰退因素診斷，形成了一套普適性檢測方案。發(fā)現(xiàn)退役組件中晶硅電池性能下降的主要原因歸于銀柵線退化和電池體壽命下降，據(jù)此正深入開展太陽電池性能修復(fù)新技術(shù)。在含氟背板材料進行無害化處理上，本項目正走出一條基于共混改性和酯化再聚合的創(chuàng)新技術(shù)路線，變廢為寶，將含氟背板轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦涂捎煤牧稀?/span>
在晶硅光伏組件的回收產(chǎn)業(yè)配套服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)方面，項目組也進行了深入的調(diào)研與原創(chuàng)性的工作，包括回收過程對于環(huán)境影響的綠色評價方法、回收產(chǎn)業(yè)相關(guān)的原創(chuàng)性標準制定，以及為促進回收產(chǎn)業(yè)方法提出的政策建議等方面。首先，在綠色評價方法方面，項目組采用國際普遍認可的全生命周期評估方法對回收過程進行建模，并對回收過程本身產(chǎn)生的環(huán)境增益進行計算。光伏發(fā)電相對于火電等傳統(tǒng)能源而言，單看碳排放一個指標，只有傳統(tǒng)能源的1%，在回收過程，將原始生產(chǎn)過程耗能較高的硅材料、鋁合金材料、玻璃等回收再利用，可以使其環(huán)境影響進一步降低。在全球循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢下，在光伏產(chǎn)業(yè)鏈中增加回收環(huán)節(jié)，無疑是促進其可持續(xù)發(fā)展的有力舉措。其次，在原創(chuàng)性標準制定方面，光伏回收在國際上屬新興行業(yè)，國內(nèi)外相關(guān)的標準制定均缺失，項目組經(jīng)過深入調(diào)研初步建立了回收產(chǎn)業(yè)的標準體系并列出了標準明細表，并著重對晶硅組件回收判廢標準、回收企業(yè)技術(shù)要求、回收企業(yè)產(chǎn)線能力認證等標準進行了細致的調(diào)研、科學(xué)的測試分析和廣泛的聽取意見。目前相關(guān)標準在立項編寫過程中。最后，是對項目組的研究內(nèi)容的總結(jié)并上報為政策建議。項目組作為我國首個成套的晶體硅光伏回收項目，研究內(nèi)容包含市場分析、技術(shù)研發(fā)、配套服務(wù)等一攬子任務(wù)。將研究過程中的經(jīng)驗與得失，匯總成政策建議文件，對于光伏產(chǎn)業(yè)鏈中回收這一新環(huán)節(jié)的良好市場環(huán)境與政策環(huán)境的形成具有重要意義。
5. 光伏組件回收軟環(huán)境進展
目前，大規(guī)模光伏組件將面臨陸續(xù)退役問題，隨著國內(nèi)外對光伏回收技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)關(guān)注與投入，將有望為原有的從硅材料提純、拉棒鑄錠和切片、電池生產(chǎn)到組件封裝、平衡部件、系統(tǒng)集成的光伏產(chǎn)業(yè)鏈增添“退役回收”這一新環(huán)節(jié)。在全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色制造方面，尚缺乏綠色評價技術(shù)、市場監(jiān)督、標準規(guī)范、激勵政策等制成體系，亟需在這些方面加大力度，積極引導(dǎo)未來光伏回收產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
國際上，歐盟（EU - European Union）環(huán)境署已經(jīng)在積極推動使用全生命周期評估（LCA - Life Cycle Assessment）的方法對光伏產(chǎn)品進行綠色評價與認證辦法的研究?；谌芷谠u估方法制定的統(tǒng)一綠色產(chǎn)品評價方法，稱為產(chǎn)品環(huán)境足跡指南（PEF Guide - Product Environmental Footprint Guide），并根據(jù)各種產(chǎn)品分別制定細則（PEFCR - Product Environmental Footprint Category Rules）。歐盟委員會將此方法推薦給歐盟各個成員國、公司、私人組織和金融機構(gòu)等，幫助形成產(chǎn)品透明、真實、完整、清晰且有可比性的交流。2013年5月，歐盟啟動了為期五年的試點過程，首批納入試點的產(chǎn)品超過20種類別，產(chǎn)品涵蓋各個領(lǐng)域，光伏產(chǎn)品也納入了歐盟PEF的首批試點中，并已完成2013年至2018年春為期五年的試點過程，于2019年2月12日正式發(fā)布了針對光伏產(chǎn)品的PEF細則。歐盟對綠色產(chǎn)品認證的方法是，企業(yè)根據(jù)歐盟發(fā)布的PEF編制LCA報告，將各種環(huán)境影響類別數(shù)字化，根據(jù)數(shù)字將產(chǎn)品分為A、B、C、D、E五個等級，貼上標簽Performance Label，供消費者辨識與選擇。EPEAT（電子產(chǎn)品環(huán)境影響評估工具）是美國推出的針對電子產(chǎn)品的多維環(huán)境績效標準，對電子產(chǎn)品在其生命周期中就環(huán)境的影響進行評估認證。在EPEAT認證下，可以根據(jù)光伏組件滿足標準的百分比，將獲證企業(yè)區(qū)分為金、銀、銅三個不同的級別。
國內(nèi)在綠色制造方面，缺乏培訓(xùn)和能力建設(shè)、輿論宣傳和呼吁以及國際合作平臺?；诖?，中國綠色供應(yīng)鏈聯(lián)盟光伏專委會(ECOPV)于2020年1月正式成立，該平臺致力以“光伏綠色供應(yīng)鏈”為宗旨，在物料供應(yīng)、生產(chǎn)制造、應(yīng)用推廣、報廢處理的全生命周期內(nèi)，打造我國光伏綠色技術(shù)和應(yīng)用的合作交流平臺。該聯(lián)盟的成立有利于實現(xiàn)中國可再生能源比例的國家目標和減排義務(wù)，填補國內(nèi)致力于光伏綠色供應(yīng)鏈的第三方專業(yè)服務(wù)的空白，推動環(huán)保、新型光伏產(chǎn)品和材料的創(chuàng)新研究和應(yīng)用，解決光伏全生命周期內(nèi)的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險。