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【太陽能板回收能滿足循環經濟嗎?】
#矽的回收是關鍵 #現有技術的回收經濟效益不高
太陽能光電模組(PV)的生命週期約為20-30年,出乎意料的是,目前全球尚無針對壽命結束的PV元件設計完整的規劃,到了2030年,報廢的PV模組總量估計將達8百萬噸;到2050年數字可能會翻十倍(8千萬噸),屆時將佔全球電子廢棄物的一成。其中,佔PV總重八成的鋁材和玻璃易於回收,問題在剩餘二成金屬材料的回收難度很高,加上矽材的回收純度不夠,無法建立有效的循環經濟模式。
鑒於PV垃圾的指數成長危機,美國國家再生能源實驗室進行了一次全球規模的評估,試圖找出回收PV原件的最佳方案,並將研究成果以《滿足循環經濟之矽光電模組回收模式的研發重點》為題,發表在NATURE的副刊《NATURE ENERGY》上,以下是報告的論點摘要。
🔍️報告全文:https://reurl.cc/MvqvWv
▋降級回收無誘因
光電板通常在使用20-30年後,仍可維持70%到80%的效能,雖然不差,但已不符大型電力系統的標準,理論上可以對舊元件進行翻新再繼續使用,或轉換到效率需求較低的用途, 即降級回收(downcycling)。可是如同其他電子工業的回收困境,由於建置新的光電板很便宜,翻修與測試退役元件的成本超過了生產新模組的成本,因此PV的降級回收缺乏經濟誘因。
▋現有PV模組的回收概況
既然光電板的二次使用難以建立循環模式,下一個選擇就是回收。在政府推動下,回收業務在歐洲和日本等地早已建立,WEEE是歐盟關於廢棄電子設備的回收法令,在2012年就增設PV回收的類目;美國較為落後,聯邦政府目前尚無光電板回收的規範或獎勵,州政府中也只有華盛頓州要求業者需負PV廢棄物的收集與回收之責;其他國家如澳洲、南韓與印度,近年也開始制定法律。強制回收以外,也有一些業者的自發性回收,如美國太陽能工業協會(SEIA)自2016年起,已減少3600公噸的太陽能相關廢棄物進入掩埋場。
但今天全世界的PV回收系統由於缺乏整合與優化,#經濟效益與高純度材料的回收率都很低,即使在有法律強制PV處理的歐盟,專門回收的設施也很少,回收效率的公開資訊又難以取得。根據論文,歐盟和其他國家的標準做法,是透過現有的玻璃與金屬回收產線,以物理方式分離出玻璃、鋁製框架、外部銅線等所謂的散裝材料(bulk material),靠這些材料滿足WEEE規定的75%回收率的要求。但散裝材料的經濟價值不高,具最大潛在經濟效益的銀、錫、銅、鉛等金屬無法從該流程回收。
▋金屬回收的困境
細部來看,回收光電板分三個主要步驟:1⃣以機械方式拆除面板的框架與接線盒。2⃣藉熱力學或化學反應分離玻璃和矽晶圓。3⃣透過電化學方法將矽晶圓與特殊金屬(銀、錫、鉛、銅)加以分離及純化。
目前的回收困境在步驟3⃣,特殊金屬雖佔不到PV模組總質量的1%,回收過程卻極為耗能、其廢棄管理也不容易(因其化學毒性),又得支出較大的勞動力,導致回收成本十分昂貴,不過它們的經濟價值很高,且含化學毒性,廢棄物若處置不當,#在所有光電元件中對環境殺傷力最大,因此論文作者認為應該投入研發、將上述步驟的回收過程以「技術經濟分析(TEA)」以及「生命週期評估(LCA)」等前瞻性工具加以優化,盡可能使高比率的金屬能被回收。
▋矽材回收的困境
除了高價值金屬,步驟3⃣中的矽也是問題的核心:矽元素是PV模組中成本最高的物質,質量占比也僅次於散裝材料(玻璃和鋁框架),檢視太陽能板的整體耗能、碳足跡與製造成本,矽的生產過程都佔了一半的比重,#因此矽材回收在經濟與環境面上都是達成循環經濟的關鍵,能回收更多高純度的矽,使之回流PV元件的製造,就能減少原料的開採、碳足跡,並降低成本。
問題是:目前的技術無法輕易分離出高純度的矽,只能得到純度98%的冶金級矽(Metallurgical Grade),不適合重新用於電子產品、半導體工業或新的太陽能電板。學者認為,回收並純化出可重新投入PV元件等級的高純度矽材,在技術上辦得到,但不符經濟效益,因為市場上原始矽晶(virgin silicon)充裕,加上現有回收設備的能耐有限,使回收出來的矽材在短期內恐怕只能應用於某些金屬合金(metal alloys)的製造。不過,考量矽材在PV產業中的關鍵角色,作者把矽的純化列為未來的研發重心,#從使用過的PV晶圓中提煉高純度的回收矽來建立太陽能產業的循環經濟,建議投資大量R&D,但報告中也承認此過程涉及的複雜度很高。
▋避開「完整」矽晶圓的回收
另外,儘管在實驗室裡能達到整塊矽晶圓(intact silicon wafer)的回收與再利用,但在現實中要達到大規模的高純度水平,仍存在許多障礙:整塊矽晶圓電池經常破裂,加上今天的矽晶圓電池越做越薄,九零年代以前規格是400μm,今天的厚度降到只有180μm,晶圓愈薄、破裂的風險愈高,因此矽工業對整塊回收的矽晶圓不感興趣,論文作者建議不要在該領域太過著墨。#根據業界的製程趨勢調整PV回收的研發走向,是報告提供的一項建議。
▋永續的初始設計
PV模組難以回收的另一個原因,來自工程師將產品設計的重心擺在效率和耐用上,付出的代價就是不利於拆卸與回收。為了提高市場競爭力,PV系統過去的設計宗旨都在追求最低的「發電均化成本(LCOE)」,只看生產電力的成本,但現在許多工業開始拋棄線性思維,考慮產品從源頭到終點的完整生命週期、其對環境的影響,及易於回收的程度。報告建議廠商該嘗試達到「搖籃到搖籃認證(C2C certification™)」或NSF/ANSI 457(光電元件的永續領導標準)等門檻,使消費者在選購PV模組時可以辨識產品的可回收級別。歐洲生態設計指令(European ecodesign directive)是EU制定的另一種強制業者走向循環設計的法規。
透過研究發現,若從太陽能的回收現況看來,再生能源雖然被稱為綠色能源,但其優勢來自於發電時的低碳排,「綠色」與永續性(sustainability)、可回收性(recyclability)以及循環經濟(circular economy)等概念 #不能畫上等號,要建立能源產業的循環與永續,綠能仍有一段長路要走。
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▋參考資料:
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雖然也有因為童言童語哭笑不得的時候,但看著這些天真可愛的留言,
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本次邀請了台灣13位超人氣繪師,
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真的 謝謝你們。
PV製作:Yan-K、HakureiNeko
手繪動畫:仙人掌
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