光伏发电减排CO2能力分析

一引言

太阳能是地球上最丰富的能源，一年内到达地球表面的太阳能总量是目前探明能源总储量的一万倍[1]，同时太阳能是取之不尽，用之不竭的，是可以持续利用的能源。而化石能源如煤、石油、天然气等，储量日益减少，且带来了严重的环境污染问题，于是近几年光伏发电行业得到快速发展。图1为中国、日本、美国及世界其他国家太阳电池产量[2]。客观分析了光伏发电技术的清洁程度，通过时空多尺度分析和全生命周期评价方法，计算光伏发电的能量转换效率和CO2排放量，并探讨重金属排放和SiCl4的问题。计算结果表明,光伏发电的能量转换效率为13.6，每安装1kW的光伏组件所发电量相当于减排CO224.3t。光伏发电技术较常规能源发电技术在减少CO2和污染物排放方面都具有很大优势，是清洁的发电技术。光伏发电；CO2；重金属摘要：关键词：光伏发电行业得到快速发展的同时，有人对光伏发电技术的清洁程度表示忧虑[3]，主要表现在CO2减排能力、重金属排放和SiCl4等问题。本文将应用时空多尺度分析和全生命周期评价分析方法对这几个问题进行计算与分析，以探讨光伏发电技术清洁与否。

二分析方法

1多尺度分析

太阳电池是将太阳辐射能直接转化为电能的半导体器件，光伏发电是光电转换过程，转换过程以电子为介质，不涉及碳元素的化学反应，没有任何污染物的产生和排放，是完全清洁的过程。但此过程是在极小、极短时间内的微观尺度下进行的。研究某个系统，要把这一系统定位在合适的时空尺度范围内。太阳能取之不尽、用之不竭是相对人类而言，若把时空尺度放大到宇宙、亿年的层次上，太阳也有终结时，这一过程为100亿年左右。显然用亿年的时间尺度来探讨人类活动过大，这一尺度就人类而言就是无穷尽的。将光伏发电放在人类的时空尺度(年、米)下探讨，从矿石熔炼多晶硅到光伏系统发电直至报废这一过程约为20年左右。

2全生命周期评价分析

根据多尺度分析把研究范围定义在太阳电池从产生到报废的20年内，光伏发电系统对环境产生的负荷包括系统从产生到报废的各个环节所产生的影响，即用生命周期评价方法分析。生命周期评价是通过对能量和物质的利用及由此造成的环境废物排放进行识别和量化的一种评价方法。评价贯穿于产品、工艺和活动的整个生命周期，包括原材料提取与加工、产品制造、运输及销售；产品的使用、再利用和维护；废物循环和最终废弃处理。商品化太阳电池的生命周期应包括[4]：(1)晶体硅冶炼，获得冶金级晶体硅；(2)太阳能级硅精炼，晶体硅硅片制取；(3)光伏组件制作；(4)光伏发电通过电网输送给用户的过程；(5)报废后处理。太阳电池全生命周期过程如图3所示。按照生命周期分析方法，电池组件寿命20年，每天日照按4.7h计算，在其寿命内发电时间为20×365×4.7=34310h，1kW的电池组件在其寿命内发电量为34310kWh。从制造光伏发电系统的能耗来看，将光伏系统生产过程中所有能量消耗折合为电能，高纯多晶硅材料制备，硅锭、硅片的生产三步工艺消耗能量最高为2205kWh/kWp，占到总能量的72.5%，框架及配套部件耗能320kWh/kWp，则多晶硅光伏系统的生产总能耗为2525kWh/kWp[5]。用光伏系统的能量输出和能量消耗的比值可以计算出光伏发电的能量转换效率为13.6%。

三光伏发电减排CO2能力分析

近年来随着中国经济的高速增长，温室气体的排放量也迅速增加，从1990年到2008年，中国人均CO2的排放量增加近两倍。尽管每年人均CO2排放量为4.92t，略高于每人每年4.39t的全球平均值，但由于人口众多，2008年CO2排放总量达到了60.18亿t[6]，成为全球碳排放第一大国，2009年则达到64亿t[7]。光伏发电过程中不排放温室气体和任何废弃物，不会污染环境，是理想的清洁能源，推广应用光伏发电是减少CO2排放量的有效措施。在光伏系统输出电能时，可避免当地电厂发出同等电能所产生温室气体的排放。但正如前面所述，在光伏发电的生命周期中是有CO2排放的，多晶硅光伏系统组件的生产总能耗为2525kWh/kWp。1kW的光伏组件可发电34310kWh，按中国单位发电量的CO2排放因子764g/kWh[8]计算，光伏发电系统生命周期内CO2排放量为56g/kWh。光伏发电和常规能源发电的碳排放量对比如图4[9]所示，可计算出在中国目前发电CO2排放因子水平下，光伏组件每发电1kWh可减排CO2708g，每安装1kW光伏组件在全生命期20年内可减少CO2排放总量24.3t。

四重金属

中国常规能源发电主要为煤发电，煤中元素种类众多，除了一些主量元素，还含有很多重金属元素，如As、Cd、Ni、Hg、Cr等[10]。重金属主要指密度在5g/cm3以上的金属,它会造成生物体中毒，对土壤、水体、大气造成污染。这些重金属元素及其形成的化合物以烟雾或尘埃状态散布在大气中，数量非常大，且治理困难。我国运行的发电机组发电煤耗在0.374kg/kWh左右，可计算出每发电1kWh因燃烧煤炭而排放的重金属量，数据如表1所示。光伏发电重金属排放主要来源于光伏组件的生产过程仍需使用化石能源的部分，以及光伏组件的材料，如薄膜电池中的镉等。各种光伏发电技术的重金属排放值都在0.03mg/kWh以下[11]。将光伏发电的重金属排放与煤发电做比较得到图5、图6，结果表明光伏发电的重金属排放量远低于煤发电的排放量。

五四氯化硅

高纯度硅是生产太阳电池所需的核心原料。目前80%以上的多晶硅都采用“改良西门子法”生产[12]，SiCl4为副产品，该物质有毒，会对环境造成污染。国际上，一般每生产1kg多晶硅可产生8～10kgSiCl4。完整的“改良西门子法”是将生成的SiCl4加氢还原成SiHCl3，再经过氢气还原成多晶硅，从而形成闭路循环过程。但生产经验表明，无论是SiCl4加氢还原，还是SiHCl3的还原效率都较低，因此寻找更有效的方法将SiCl4还原成多晶硅是多晶硅生产过程减少SiCl4排放的关键。目前国内外主要处理方法如下[13]：1SiCl4直接还原生产此法与加氢生成SiHCl3相比，工艺流程更简单，但还原速度慢、还原温度更高。但因原料成本几乎不计，综合能耗和SiHCl3法基本相当。2VLD法[14]VLD(VaportoLiquidDeposition)工艺是在更高的温度(1500℃)下将SiCl4用氢气还原。由于温度的提高，还原速度较1200℃时快10倍左右，且为连续化生产。即使考虑除碳工艺，其生产成本也低于西门子工艺，是生产太阳电池用多晶硅的低成本方法。3金属锌还原SiCl4[15]金属锌还原法是20世纪50年代研究成功的方法，其基本原理是利用锌和硅的化学活性差异。金属锌还原法转化效率高、反应速度快(瞬时完成)、产品纯度可满足太阳电池用多晶硅的要求。该方法已在日本建立了工业化规模生产线。4金属镁还原SiCl4[16]金属镁的化学活性更强，易采用升华法进行提纯，因此得到的多晶硅纯度更高。阳极得到的氯气可与工业硅反应生产SiCl4，也可作为西门子工艺中的氯气原料生产SiHCl3。此工艺易实现镁和氯的闭路循环，既增加了多晶硅的产量，又有效地解决了副产品——SiCl4的综合利用问题，实现了高效、绿色循环的工艺。