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光伏含氟背板二次污染待解 组件回收遇瓶颈

2017-5-19 10:55| |来自: 能源杂志

摘要: 潜在的隐忧对未来分布式开发商提出了更高的要求,分布式组件不但要抗腐蚀,故障率低,更重要的是要注重安全性。


光伏组件背板是影响投资收益的决定性因素之一。然而占据主流的含氟背板安全和去向问题,正逐渐凸显。

2015年11月12日,杭州某组件代工企业内的员工像往常一样结束半天的工作开始午休。然而,从午餐后开始,厂区内陆续有65名工人出现发热、咳嗽、胸闷、头痛及头晕等症状。经过安监、环保、疾病预防控制中心等单位开展病因调查后发现,这次事故因现场焚烧光伏背板材料形成剧毒物质——氟化氢所致。

晶体硅太阳电池组件以—EVA—电池片—EVA—背板的顺序封装成“三明治”结构。作为光伏组件背面的“防护墙”,背板是光伏组件的重要组成部分,不仅起到封装的作用,同时还要保证光伏组件内部电池不受到环境的影响。

东旭蓝天副总裁徐永邦看来:“对投资商来说,在投资和回购光伏电站的时候,非常关心背板的质量和安全。”如果组件寿命不达标,则一切的投资测算都是构建在沙滩上的城堡。由于光伏组件多数处于气候变化大,环境恶劣,所以使用的背板材料要稳定耐久。一般的环境中,公认的耐受时间是25年。

组件辅材质量是影响投资收益的决定性因素之一。然而组件安全和退役后的储存和去向问题,正逐渐凸显。庞大的光伏装机容量孕育了光伏背板市场,但是这个市场背后存在着不为人知的隐忧却一直以来被人忽略。当下的光伏组件回收大多以焚烧、填埋为主,也有些集团开始研发组件回收技术,但针对含氟背板引发的二次污染等问题,仍然没有有效的解决手段。

一位背板生产企业工作人员认为:“在沙漠中的电站还好说,那么这些材料走到居民家中后果不堪设想。”

相关人士预计,未来分布式有60%将被安放在人口相对稠密的居民、工商业屋顶,但辅材安全、环保性能却让分布式光伏发展蒙上了一层尴尬的阴影。当然,这背后是市场、技术与政策三重因素的共同结果。

含氟背板的一家独大

最早进军背板材料领域的外资供应商表现足够强劲,其中仅杜邦就几乎垄断了75%的光伏辅料市场。

“杜邦是全球最大的光伏背板镀膜供应商,有超过20年的稳定运行经验。光伏电厂寿命长,设备必须要有好的质量保证,”一位背板供应商告诉《能源》记者。

大约在20年前,杜邦集团开发出了人们熟知的TPT结构,即Tedlar//PET//Tedlar结构,随着国内开始出现光伏电站的开发热潮,光伏背板正在成为杜邦迅速扩大中国市场份额的强有力的踏板。

不过,TPT材料并不是光伏业主的唯一选择,市场上流通的还有荷兰皇家帝斯曼集团、法国的阿科玛公司、韩国SKC公司、日本的吴羽公司等产品。此外,比TPT结构更低价更高效的光伏背板产品纷纷涌向市场。从杜邦第一款进入光伏市场的产品PVF开始,市场已经陆陆续续发展30年之久。目前,光伏背板按照组成结构划分可以大致分为五类:FPF,FPX,PPX、PA与单层PET结构。这些结构层之间几乎都要使用胶粘剂进行粘合,通过复合工艺制备成型,以此保持25年的层间粘接。

近些年,随着创新能力的提升,背板材料的价格在不断降低。一般来说,含氟的材料是要高分子合成的。为了得到更高的质量,它的杂原质必须清除干净,纯度要求很高,合成的分子量要求分子链要求很长,才能达到它所承诺的性能。目前,杜邦TPT背板的造价在35-45元/立方米,通过几十年规划化生产,工业的成本已经降到了极限。而非氟材料APE背板已经达到18-20元/立方米。

但这仍然没有改变非氟材料背板的尴尬现状,含氟TPT材料仍然占据了近75%的市场。

“这里面有非常多的品牌效应,也有客户的心理效果。”苏州一位光伏背板供应商告诉《能源》记者。“杜邦进入中国已经有30多年历史了,也就是从那时起,含氟TPT材料开始进入中国,伴随着杜邦集团的开疆拓土,含氟TPT材料却成为了光伏组件的主流。”一位背板供应商告诉《能源》记者。“业主更多的是出于稳定性的考虑。材料行业有句话,杜邦一出手,化工行业抖三抖,可见杜邦在化工材料领域的影响力。”

在竞标过程中,杜邦集团以强势姿态排挤竞争对手。在他们看来,实验数据毕竟和实践情况有区别,杜邦至少已经有25年的实践。

由于背板、镀膜的业主一般是运营商,辅材招标结果往往是业主意志的体现,一位光伏电厂从业者对《能源》记者表示:“有时候,招标文件中,一般都会规定‘必须采用TPT背板’”。这样业主有自主选择权,确立招标细则,进而按照自己的意志来选择供应商,一些PET、APE等不含氟背板被排除在外。

“APE,PET的问题在于企业进入光伏行业的历史不长,光伏组件运行的实践性跟杜邦不能比,历史上也没有被大规模地使用过,没有经过证明和验证,业主企业担不起这个风险。”上述业内人士表示。

而对APE背板的境遇,荷兰帝斯曼集团全资子公司、尚善新材料科技有限公司(以下简称“尚善新材料”)副总经理蔡书义能感同身受。2014年,蔡书义离开杜邦集团,创办了尚善新材料,开始长时间的探索。后来,荷兰帝斯曼曾秘密地对前者研发的环保型APE背板进行了长达两年的性能测试,对该背板各项性能都非常确定之后,正式对尚善提出收购。

相较于TPT产品,APE背板不含氟材料,在焚烧、降解处置过程中不排放含氟有毒物质,符合绿色设计要求;在生产过程中不使用热固性胶水,符合绿色制造趋势,利于回收再利用。

蔡书义认为:“从运行状况来看,APE可靠性非常好,阻水性已经达到了国内最好。” 去年下半年,获得了隆基乐叶背板镀膜订单。

不过对于整体背板而言,客户更倾向于采购杜邦的TPT含氟材料。

谈到为何不选择国产品牌时,帝斯曼一位负责人直言。“业主目前在选择背板时,对APE的信心还是不足。”在种种因素的推动下,含氟背板被越来越多的利用到了光伏电站,以及未来的分布式当中。

环保隐忧

“在欧洲和美国不要求使用含氟背板,趋势也是越来越少地使用含氟背板,但中国却指定使用含氟背板。”在一次技术论证会上,中国可再生能源学会光伏专业委员会秘书长吕芳表示。

中国光伏产能和市场容量均居世界第一,市场之大毋庸置疑。但20-30年之后面临背板大量退役。“按照中国光伏装机规模,中国2030年将会有70GW的组件需要回收。其中约50GW都是含氟材料。”

不可否认,TPT背板的确在耐受性上有着良好的性能,但重视耐久性的同时,背后的环保隐忧却一直处于“被遗忘”的角落。

氟元素隶属于卤族元素,卤族元素还包含氯、溴、碘等,1940年用人工核反应的方法制得,它们构成元素周期表的第七主族,含有剧毒。在光伏组件中,氟元素以化合物的形态存在,也就是我们常说的聚合物的一种。

碳氟化合物具有异常坚固的化学结构,通常的掩埋处理方法会对土地造成大量污染,在组件报废后,含氟聚合物回收再利用可能会存在一些困难。鉴于业内目前尚无有效的回收方案和技术,正如塑料袋聚苯乙烯难以降解的原理,通常的掩埋处理方法在1000年内都无法降解该成分。”

如果填埋行不通,那么焚烧处理处置呢?

“氟化物的毒性很大,之前已有过光伏电站着火后,救援人员产生氟化物中毒的案例。“一个家用分布式光伏板燃烧产生的氟化氢气体呈现无色有刺激性气味,足以致命。”一位背板供应商表示。

2017年,被业界称为中国分布式光伏市场启动的真正元年,众多光伏企业积极备战分布式市场。从国家制定的目标来看,在2020年之前,分布式市场规模将达6000万千瓦,是未来光伏最重要的应用市场,装机容量前四位的江苏、浙江、广东和山东加起来的装机容量已经超过了全国分布式光伏发电装机容量的50%;而屋顶,户用分布式将占据重要份额。

然而另一面,全国去年发生火灾31.2万起,住宅火灾伤亡最多,厂房、仓储等场所损失较大。“大型集中电站着火了还好,因为都是在沙漠偏远地区,那么未来这些组件走向居民、企业屋顶呢?我们的分布很多是在房前屋后,我们底下就住着人,有财产。所以一旦发生火灾之后,如何去消防,目前,对建筑安全问题仍处于缺失状态,建筑安全性在国际市场上则受到了非常多的关注。中国在光伏发生火灾消防方面及我们自己是没有相应的导则、技术规范。”吕芳表示。

由是,含氟背板给未来分布式的发展蒙上了一层尴尬的阴影。

即便是杜邦集团,对背板安全性仍有着较为清醒的认识。杜邦提到:“背板的研发、制造以及部件质量保障能力都非常重要,特别是对含氟背板的毒性处理。”

但是至今,在未知的成本与技术壁垒之下,组件回收尚无一种环保、安全的回收途径,这也是光伏产业无法回避的困扰。

回收技术瓶颈

国际能源署光伏系统项目的报告显示,2014年,全球废弃的光伏组件还不到电子垃圾的千分之一;而到2050年,则会达到0.78亿吨。而中国在2030年,将会有70GW的组件需要回收。

我国从“十二五”期间开始了组件回收相关探索,其中863课题子任务“光伏设备回收与无害化处理技术研究”专项课题也于同时期开展。

目前,专用于组件回收的技术较为有限,“当下的回收技术可以被归结——一半是海水,一半是火焰。也就是冷处理和热处理法。”吕芳告诉《能源》记者。

低温深冷物理研磨法,即前文所述的“冷处理”,是英利集团尝试研发的组件回收技术。其原理是把光伏组件降温到零下两三百度,先将组件铝边框与接线盒拆除,随后粉碎无框组件,分离涂锡焊带与玻璃颗粒,剩下的部分再进行研磨,用静电分离方法得到金属、硅粉末、背板颗粒和EVA颗粒。它没有任何的热和化学的方法,然后再用静电分离把各种材料分出来,然而物理分离法最终得到的是不同材料的混合物,未能实现单一组分的充分分离,因此该方法仍处于实验室研究阶段。

国际上用的比较多的无机酸溶解法和热处理法,也就是说把光伏组件放到马弗炉或者热解炉里面,使用流化床反应器对废弃光伏组件进行热处理,设置反应温度600℃进行焚烧。焚烧完成后,将电池、玻璃和边框等手工分离。回收的各类材料进入相应的回收程序。

但该方法的难点在于不同气温下,让氮气、氧气在什么气温然后又通过什么样的加温速率在什么温度上停留多久以把EVA,背板完全汽化掉,废气则从反应器中进入二次燃烧室,作为反应器的热源。热解完了之后再用化学法,即有机酸溶胀掉表面的电度、电极,最后留下完整的玻璃和完整的硅片,把它回收回来。对于厚度达到400微米以上的电池片,可以回收完好的硅片。

不过,随着制造技术不断发展,电池片逐代变薄,热处理法已无法获得完好的硅片,因此也只能够适用于回收硅料。

处理的回收过程也面临着许多问题。据尚善新材料副总经理蔡书义告诉《能源》记者:“很多情况下,这些技术会造成二次污染。”比如在汽化之后,还需要有机酸溶解法是用有机溶剂溶胀EVA,分离电池片、EVA、玻璃和背板主要难点还是在无机酸溶解法是用硝酸和过氧化氮混合酸,在一定的温度条件下,虽然可保持晶硅片的完整,但需要进一步对硅晶片进行处理。且所需时间较长,大约7天为一次反应周期。且只针对EVA的去除和分离,未考虑到边框的拆除和硅晶片再利用,且另外,EVA膨胀后使电池片破碎且存在有机废液处理问题。

“根本还是经济性问题。”吕芳告诉《能源》记者:“我们去回收这个东西,一定要低能耗、低污染,如果说我们回收拿回来的东西用还不好用,结果发现,因为加到600度的温度能耗很高了,然后再释放出一大堆的有害气体。回收它很得不偿失。”

为了让光伏组件承受得起风沙雨露的侵蚀,组件在生产过程中都会经过严苛的考验,要在80摄氏度高温和零下40摄氏度低温环境下循环测试上千次。然而,前期的牢固打造造成后期回收的难题,因为拆解不易,会增加很多成本。此外,一个晶体硅光伏组件往往重达十几公斤,拆开之后,玻璃和铝边框就占据了80%以上的重量,最值钱的导电银浆则只有6克左右。有人对回收晶体硅组件的经济效益进行了测算,结果只有5%左右的毛利润,如果算上运输成本,企业甚至要亏本进行。

政策建议

那么,针对组件回收一系列问题,国际市场有哪些经验值得我们借鉴?

2006年,专注组件回收的基金“PVcycling”在欧洲布鲁塞尔成立。该协会一项重要工作是在2008年对废弃电气和电子设备(WEEE)规章进行修订,新的法案在2014年2月开始实施,要求使用过的光伏组件必须集中收集85%以上,再循环利用80%以上,废弃光伏组件的收集、储存、无害化处理、文档建立及资金保障等方面的内容,并将从2018年8月15日后开始征收回收处理费。也就是说,此后凡是进入欧洲市场的光伏组件,都将要求强制回收,并被征收回收处理费。此外,明确了生产商的延伸责任制,要求生产厂家对电子产品生产的全过程承担责任。

颇为尴尬的是,中国目前尚无超过20年寿命的光伏企业。“中国企业生命力有多少年,能活多少年这都是有数字的。”吕芳告诉《能源》记者:“就要求你卖到欧洲的组件当中,在卖出去的当天,就把有一部分的钱提成基金,这个钱把它存到基金当中,也就是说尚德可以没有,不指望企业把25年以后的东西回收,但是这个组织还在。”

潜在的隐忧对未来分布式开发商提出了更高的要求,分布式组件不但要抗腐蚀,故障率低,更重要的是要注重安全性。美国和日本,已经开始在做光伏电站火灾消防员指导手册。

“我们的光伏背板一直是带电的,这就有个防火问题。如果含氟背板着火的话会释放出氟化氢气体,氟化氢气体对我们的消防员、对周边的空气、对周边的人的污染的危害。”帝斯曼亚太区总裁何飞告诉《能源》记者。

虽然目前国内背板回收市场一片空白,但对于国内光伏企业而言,这是不能缺席的市场。面对庞大的回收量与技术难题,对国内整机厂商而言更关键的问题是,如何从政策角度构建回收体系。

我国从2013年开始对背板有了初步标准,国家有关部门联合发布意见要求规范光伏产品质量,在全国范围内推行强制检测认证,应用于国内背板产品的认证要求,制定了《CQC 3308-2013光伏组件封装用背板技术规范》,《GB/T 31034-2014 晶体硅太阳电池组件用绝缘背板》新标准的设立和推广将深化人们对背板材料的认识和使用要求,规范背板的选材和设计,为光伏组件的可靠性提供更多保障。

根据记者了解,住房与城市建设部标准定额司已经明确表态将加大在建筑当中可再生能源的应用比例,此外,对相关的标准的重要指标要进行修订,新的标准除了提出可再生能源在建筑当中重要指标的贡献率、替代率这方面要提高以外,特别关注安全的问题,此外,新标准严格规定在2018年8月15号以后,背板必须使用无氟产品,如果继续使用含氟背板,必须交处理费。

不过,对业主而言,从短时间改变业主的思路难上加难。从目前建成的项目看,由于设备尚未出质保期,尚未引发巨大的担忧,一旦设备出质保期,这部分费用会大大增加开发商的开支。

(编辑:王星)

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