陳 嫻，黃蓓佳，王翔宇，李 順，陳妍希

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093； 2.上海理工大學(xué) 環(huán)境與低碳科學(xué)研究中心，上海 200093)

可再生能源已成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要特征.光伏在我國可再生能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，其開發(fā)利用規(guī)模正在逐步擴(kuò)大.2014年我國光伏發(fā)電總量達(dá)到了250太瓦時(Terawatt, TWh)，比2013年增加了200%以上[1].到2015年底，光伏裝機(jī)容量達(dá)到43吉瓦(Gigawatt, GW)，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家[2].

許多研究人員從生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)的角度對光伏產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行了評估[3-8].相比煤炭發(fā)電，他們認(rèn)為光伏發(fā)電對環(huán)境的影響相對較小.還有一些學(xué)者對光伏發(fā)電進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析[9-11].他們發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電的能量回收期通常在1～5年之內(nèi).對于環(huán)境成本，只有少數(shù)研究大致估計了光伏發(fā)電生產(chǎn)中的環(huán)境成本.例如，Stein[12]基于1990年的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，得到的環(huán)境成本為0.05￥/kWh.Fthenakis和Alsema[13]發(fā)現(xiàn)南歐光伏發(fā)電的環(huán)境成本為0.0103～0.0145￥/kWh.在中國，Wang等[14]估算了中國云南省的冶金硅生產(chǎn)過程中每年的環(huán)境成本為2729萬～4876萬元.但迄今沒有研究者回答考慮了環(huán)境成本后，太陽能光伏在全生命周期是否為正收益.本文針對這一研究空白，以中國光伏組件為例，進(jìn)行環(huán)境影響成本與回收期的核算研究.

在LCA背景下應(yīng)用貨幣價值評估可以采取不同的方法，以評估整個生命周期影響鏈中不同點的潛在影響[15].現(xiàn)有的環(huán)境成本貨幣化的方法最常用的有EPS2000[16]，ExternE[17]，Ecotax2002[18]，Stepwise2006[19]和ReCiPe[20]，但它們都沒有在全球范圍內(nèi)被廣泛接受.表1總結(jié)了以上5種貨幣化方法的主要特征.選取貨幣化方法的標(biāo)準(zhǔn)之一是數(shù)據(jù)的時效性，ReCiPe方法是2008年的數(shù)據(jù)，相對較新.選取貨幣化方法的另一標(biāo)準(zhǔn)之一是全面[15]，以便貨幣化方法可以在其所有相關(guān)環(huán)境影響類別上進(jìn)行表征.ReCiPe方法的權(quán)重因子完全覆蓋了國際參考生命周期數(shù)據(jù)系統(tǒng)(International Reference Life Cycle Data System, ILCD)描述的終點影響類別[21].綜合以上2個標(biāo)準(zhǔn)的考慮，我們選用了ReCiPe方法.

1 方法

1.1 系統(tǒng)邊界和數(shù)據(jù)來源

選取功能單位為1千瓦(kilowatt, kW)的光伏組件模塊，峰值效率為200W，使用壽命為25年[3].本研究討論的制造技術(shù)是西門子法(冷氫化法)，這是生產(chǎn)太陽能電池模塊最常用的技術(shù)[25].本研究的研究范圍包括生產(chǎn)和運(yùn)營階段，而光伏組件在運(yùn)營期幾乎沒有環(huán)境影響.由于中國還沒有進(jìn)入光伏設(shè)備大范圍回收期，因此中國回收利用的情景和投入產(chǎn)出清單尚不明確，我們不考慮回收利用過程.

表1 5種貨幣化方法的主要特征總結(jié)

多晶硅光伏組件的清單數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)成本來自我們先前發(fā)表的研究[3,26].標(biāo)準(zhǔn)化因子和ReCiPe方法的中點影響到終點影響之間的歸類參考文獻(xiàn)[20].ReCiPe方法的終點環(huán)境影響的權(quán)重因子來自Heijungs等[27].電價參考了中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會公布的文件[28].

1.2 貨幣化和回收期估算

1.2.1 環(huán)境影響

本研究進(jìn)行了特征化以確保生命周期清單有統(tǒng)一的單位.特征化包括對獲得的生命周期清單進(jìn)行統(tǒng)一的單位轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果中相同的環(huán)境影響類別合并[29-32].通過我們之前的研究[3]，在GaBi6軟件中總共檢測到14種類型的環(huán)境影響.表2列出了生產(chǎn)1kW光伏組件的環(huán)境污染排放量和ReCiPe中點影響類別的標(biāo)準(zhǔn)化因子.

1.2.2 貨幣化權(quán)重因子

在LCA貨幣化方法中最常用的貨幣化方法是支付意愿法(Willingness To Pay, WTP)[33].基于支付意愿法，可將其分為市場價格和非市場價格兩類.市場價格的優(yōu)勢是直接和實際地表達(dá)了人們的偏好，避免了間接衡量的不確定性[15].基于市場的價值不適用于自然物體，如生物多樣性.因此，非市場估值也用于估算損害成本.將環(huán)境影響的環(huán)境成本設(shè)為X，環(huán)境影響貨幣化的計算可表示為公式(1)：

(1)

Pn是環(huán)境污染排放量(本研究中的P列于表2).Em是中點影響到終點影響之間的歸類(本研究中的Em如表3所示).Wn是ReCiPe中貨幣化的權(quán)重因子，n=1，2，3…(本研究中的Wn如表4中).

表3 中點影響類別到終點影響類別的歸類量化關(guān)系

注： 空單元格對應(yīng)于缺少的連接(另請參見0)，在實際計算中以零計算；★表示為將氣候變化的中點指標(biāo)(以kg為單位)轉(zhuǎn)換為對人類健康的終點指標(biāo)(以年計)的乘數(shù)(乘以1.19×106a/kg)；I： individualist；H： hierarchist；E： egalitarian；DALY： disability-adjusted life years.

表4 ReCiPe方法中修正后的貨幣化權(quán)重因子

ReCiPe方法[27]終點環(huán)境影響的加權(quán)因子如表4所示.Heijungs等[27]在關(guān)于生態(tài)質(zhì)量貨幣化的研究中，生態(tài)質(zhì)量貨幣化權(quán)重定為172元/(人·年)，再乘以70億人(世界人口)，得到生態(tài)質(zhì)量貨幣化權(quán)重為1207億元.本研究的范圍是中國內(nèi)地，因而生態(tài)質(zhì)量環(huán)境影響的人口范圍使用13億(中國內(nèi)地人口)，從而計算出每功能單位的光伏組件生產(chǎn)的生態(tài)質(zhì)量貨幣化的權(quán)重因子為2414億元.

1.2.3 成本回收期和能量回收期

(1) 成本回收期

光伏組件成本包括環(huán)境成本和經(jīng)濟(jì)成本.環(huán)境成本是指本研究中的環(huán)境影響貨幣化價值.光伏組件生產(chǎn)階段的成本可以按照公式(2)計算：

C=X+Y，

(2)

X是生產(chǎn)過程中PV組件的環(huán)境成本，Y是PV組件生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)成本，單位為￥/kW.按照公式(3)計算可得PV組件的經(jīng)濟(jì)成本.

Y=Y原材料+Y勞動力+Y電力+Y包裝，

(3)

其中，Y原材料(￥/kg或￥/t)，Y勞動力(￥/Wp)，Y電力(￥/(kWh))，Y包裝(￥/Wp)分別是生產(chǎn)光伏組件的原材料、勞動力、電力和包裝成本.光伏組件經(jīng)濟(jì)分析的數(shù)據(jù)主要來自我們以前的研究[26].

通過等式(4)，我們可以計算PV組件在生產(chǎn)階段的成本回收期：

(4)

假設(shè)光伏組件的成本是支出，太陽能光伏發(fā)電帶來的經(jīng)濟(jì)效益為收入.經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價計算.2013年，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會[28]發(fā)布了制定光伏電價的通知([2013]1638).該文件根據(jù)中國太陽能資源條件劃分為3個區(qū)域，并建立了相應(yīng)的價格標(biāo)準(zhǔn).(a) 西北地區(qū)和小部分華北地區(qū)電網(wǎng)的電價定為0.90￥/kWh.(b) 東北地區(qū)，部分華北地區(qū)及部分西南地區(qū)電價設(shè)定為0.95￥/kWh.(c) 華東，華中，華南地區(qū)電站的電價定為1.0￥/kWh.在我們的研究中，取平均價格0.95￥/kWh作為電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價，即可計算得到光伏組件的經(jīng)濟(jì)效益.

(2) 能量回收期

計算能量回收期是為了與PV組件的成本回收期進(jìn)行比較.光伏系統(tǒng)的能量回收期是指光伏系統(tǒng)生命周期過程的總能耗與其安裝運(yùn)行時每年的能源輸出量之比[34].能量回收期可按公式(5)計算：

(5)

式中能量回收期的單位為a，光伏系統(tǒng)生命周期總能耗的單位為MJ，光伏系統(tǒng)每年的能源輸出量單位為MJ/a.

其中，光伏系統(tǒng)能源輸出量，可通過式(6)來計算：

能源輸出量=功率×峰值小時數(shù)×系統(tǒng)的性能比率,

(6)

式中，能源輸出量的單位為MJ，功率的單位為W，峰值小時數(shù)的單位為h，系統(tǒng)的性能比率單位為%.峰值小時數(shù)是指在標(biāo)準(zhǔn)日輻射強(qiáng)度下的日照時間.由于我國幅員遼闊，不同地區(qū)的太陽輻射水平差異較大，不同地區(qū)的峰值小時數(shù)被劃分為1000～1950h[34].在本研究中，計算能量回收期時我們?nèi)》逯敌r數(shù)的平均值1475h，考慮到光伏系統(tǒng)組件、電纜、逆變器、控制器等各個部件的效率及系統(tǒng)運(yùn)行情況，假設(shè)系統(tǒng)的性能比率為80%[35].

2 結(jié)果

2.1 環(huán)境影響的貨幣化

1kW光伏組件在生產(chǎn)過程中對環(huán)境影響的貨幣化值按照公式(1)計算，環(huán)境影響貨幣化值的結(jié)果如圖1(第124頁)所示.

計算可得光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本為28737￥/kW.光伏組件的環(huán)境成本主要來自多晶硅生產(chǎn)，多晶硅電池片生產(chǎn)和工業(yè)硅生產(chǎn)這3個階段.光伏組件的環(huán)境成本超過50%是來源于多晶硅生產(chǎn)的貨幣化值.據(jù)圖1所示，多晶硅生產(chǎn)過程的環(huán)境成本主要來自陸地生態(tài)毒性的環(huán)境成本，原因是其終點環(huán)境影響系數(shù)較大.同時，陸地生態(tài)毒性屬于生態(tài)質(zhì)量的終點類別，具有最高的貨幣化權(quán)重因子.

圖1 多晶硅光伏組件生產(chǎn)過程的環(huán)境影響貨幣化價值Fig.1 Environmental Impact Monetization Value of multi～Si PV Module Production Process

2.2 成本回收期和能量回收期

根據(jù)我們之前的研究[26]，Y原材料為2007￥/kW，Y勞動力為1965￥/kW，Y電力為407￥/kW，Y包裝為193￥/kW.根據(jù)公式(2)和(3)Y估計為4572￥/kW，C為33309￥/kW，基于公式(4)計算PV的成本回收時間可以估計為23.8a.

在生命周期中我國生產(chǎn)每kW的多晶硅光伏組件需3515.76MJ的能量[36].根據(jù)上述信息和公式(5)和(6)，計算每kWh多晶硅光伏組件的能量回收期.結(jié)果表明，在中國不同地區(qū)，光伏組件的能量回收期在 0.62～1.2a之間，遠(yuǎn)小于光伏25a的壽命期.光伏組件能量回收期的平均值為0.91a，這意味著前0.91a的光伏組件生產(chǎn)的能源被用于抵消光伏生命周期所消耗的能源.

圖2 多晶硅光伏組件的成本回收期和能量回收期Fig.2 Energy payback time and cost payback time of multi～Si PV modules

多晶硅光伏組件的能量回收期和成本回收期如圖2所示.正如我們所看到的，光伏組件的能量回收期不到一年.在成本回收期方面，光伏組件的成本回收期估計為23.8a，接近其壽命周期.

與其他相關(guān)研究相比，Stein[12]分配給光伏組件的環(huán)境成本為0.05￥/kWh.假設(shè)光伏組件的壽命為25a，Stein發(fā)現(xiàn)的環(huán)境成本為1779￥/kW. Fthenakis和Alsema[13]發(fā)現(xiàn)，基于ExternE方法，南歐的光伏環(huán)境成本在0.0103～0.0145￥/kWh的范圍內(nèi)，其生命周期的環(huán)境成本為379～531￥/kW.在這項研究中，我們估計多晶硅光伏組件的環(huán)境成本為28737￥/kW，這顯然比上述所提的其他研究[12-13]高的多.造成這種差異的原因可能是ReCiPe方法中生態(tài)質(zhì)量的貨幣化權(quán)重因子遠(yuǎn)高于其他方法.

2.3 不確定性分析

本研究的不確定性討論的是光伏環(huán)境污染排放數(shù)據(jù)帶來的環(huán)境成本核算的不確定性，光伏環(huán)境污染排放數(shù)據(jù)的不確定性是由生命周期清單的不確定性造成的，通過我們之前的研究[3]，發(fā)現(xiàn)生命周期清單造成的不確定性體現(xiàn)在氣候變化和人體毒性.通過使用氣候變化和人體毒性的最大值和最小值計算得到光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本分別是28737.05￥/kW和8736.97￥/kW，這與本研究的計算結(jié)果28737￥/kW相差甚小，差異率小于±1‰，因為光伏組件的環(huán)境成本核算受中點影響類別和終點影響類別之間的定量連接關(guān)系及貨幣化權(quán)重因子影響較大.由于ReCiPe方法中權(quán)重因子的來源是基于歐洲的支付意愿，歐洲居民的環(huán)境支付意愿通常高于中國居民[27].為了克服這個局限性，在后續(xù)的研究中我們將逐步完善適用于中國本地的各類環(huán)境影響的支付意愿數(shù)據(jù).

3 結(jié)果與討論

(a) 本研究進(jìn)行了環(huán)境外部性貨幣化計算，我們的研究結(jié)果表明，光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本為28737￥/kW.多晶硅光伏組件在生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響主要來源于工業(yè)硅生產(chǎn)，多晶硅生產(chǎn)和多晶硅電池片生產(chǎn)這3個階段.光伏組件生產(chǎn)的環(huán)境成本主要來源于陸地生態(tài)毒性的環(huán)境成本，因為陸地生態(tài)毒性的終點影響類別歸屬于生態(tài)質(zhì)量，具有最高的貨幣化權(quán)重因子.

(b) 包含環(huán)境影響成本的光伏組件成本回收期估計為23.8a，能量回收期為0.91a.由此可見太陽能光伏組件的能源成本不高，主要生態(tài)代價來源于生產(chǎn)過程中的環(huán)境成本.這一發(fā)現(xiàn)提醒我們在進(jìn)行節(jié)能技術(shù)的成本效益分析時需更加關(guān)注環(huán)境成本.生產(chǎn)過程中的節(jié)能并不意味著這些技術(shù)在整個生命周期中都具有環(huán)境效益，特別是當(dāng)技術(shù)設(shè)備在生產(chǎn)過程具有高環(huán)境影響負(fù)擔(dān)時.因此，強(qiáng)烈建議技術(shù)或戰(zhàn)略評估應(yīng)涉及環(huán)境成本評估.

(c) 貨幣化權(quán)重因子極大程度影響了多晶硅光伏組件生產(chǎn)過程的環(huán)境影響貨幣化值，本研究的環(huán)境影響貨幣化參數(shù)基于歐洲的支付意愿研究結(jié)果，歐洲對人體健康和生態(tài)質(zhì)量的支付意愿是高于我國的，在未來的分析中探索建立起我國的支付意愿數(shù)據(jù)庫十分迫切.