光伏组件——碳足迹及低碳发展报告.pdf

0102?01?09?13?19?25?33?39?01?|?2015?2?1.5?2021?26?COP26?Glasgow Climate Pact?1.5?23?2020?9?2030?2060?2030?25%?12?2060?80%?02光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?图1?2010-2024全球新增光伏装机量?GW?trendforce1.https:/www.chinca.org/sjtcoc/info/230309210748112.https:/ GW?2023?411GW1?2024?474 GW2?1?3?2010?0.61 GW?2023?216.88 GW?2023?2017Global BemandME&AAmericasEUUnit:GW981%14%23%24%50%59%16%99113139173258411474201820192020202120222023E2024E73%67%57%60%52%55%59%57%10%13%21%17%18%24%19%19%14%16%19%20%27%18%16%18%2%4%3%3%3%4%6%6%03?|?2022?226.2%?423.6?2023?25%?46%?25%?11%?2023?48.2?4.6%?78?45.6%?72.9%(?2)?(APVIA)?(GSC)?2023?2?2023?3?2023?3.8GW?13%?25?66%?2023?2023?39.4?5.2%?39GW?69.4%?86.3%(?3)?2023?8GW?8GW?30GW?10GW?12.9 27%?12.2 25%?9.9 21%?3.6 7%?2.7 6%?1.9 4%?1.7 4%?1.1 2%?2.0,4%?11.6 29%?9.7 25%?7.3 18%?3.5 9%?2.0 5%?0.9 2%?0.8 2%?0.6 2%?0.3 1%?0.3 1%?.2.4 6%?-?04光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?2022?2021?7?14?55?Fit for 55?2030?40%?45%?2023-2026?50GW?2023-2026?20GW?2023?200?40%?(?4)?2022?25%?图4?2023年中国光伏组件出口市场分布?单位?亿美元?90.1 23%?37.2 10%?22.2 6%?21.9 6%?13.7 4%?13.3 3%?12.9 3%?12.7 3%?10.7 3%?9.8 2%?143.8 37%?-?05?|?(Life cycle assessment?LCA)?Carbon Footprint of Products,CFP?LCA?Environmental Product Declaration,EPD?Product Environmental Footprint Category Rules,PEFCR?06光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?表1?法国碳足迹计算标准默认因子?2011?7?100?18-30%?CRE?ECS?ECS?LCA?GWP?ECS?CRE?AO PPE2 PV Sol?PPE2?PPE2?1/法国?PPE2?1.024kg CO2-eq/kWh?60-70%?单位中国瑞典法国德国美国?kg CO2-eq/kg15.995.275.311.7212.09?-?kg CO2-eq/kg80.5615.9816.1856.9855.71?-?kg CO2-eq/kg40.669.739.8228.4729.3?-?kg CO2-eq/kg8.181.071.095.175.69?-?kg CO2-eq/kg10.643.673.697.778.15?kg CO2-eq/kg1.790.610.621.321.36?-?kg CO2-eq/m7.72.742.755.655.94?-?/?kg CO2-eq/m8.043.373.386.256.29?kg CO2-eq/m39.6415.2815.3529.9430.78?kg CO2-eq/kg1.050.940.941.011.01?kg CO2-eq/kg0.170.1790.180.1870.166?EVA?kg CO2-eq/kg3.132.352.362.752.89?PET?kg CO2-eq/kg4.043.43.413.83.8?PVF?kg CO2-eq/kg21.1917.9317.9419.5720.19?kg CO2-eq/m8.865.115.127.317.52?kg CO2-eq/kWh1.0240.0490.0520.6350.669?70%?3g?5g?2?1 kWc?800kg?1 kWc?400kg CO2-eq?50%?07?|?670 kgCO2-eq/kWc?NREC?(Environmental Product Declaration,EPD)?EPD?LCA?III?EPD?EPD?EPD?EPD?EPD?EPD?ENEL?EPD?ENEL?ENEL?ENEL?ErP?ErP?6?2/?3/?4/?08?|?09?|?CdTe?CIS?CIGS?CPIA?2021?96.2%?2021?3.8%?5?CPIA?BIPV?2021?60.2%36.0%3.8%10?|?6?6?0%2021?EVA?202020%40%60%80%100%61.2%62.4%?EVA?EVA?11?|?1234567?12?|?7?7?/?2?156.75 mm?157 mm?158.75 mm?166 mm?182 mm?210 mm?182 mm?210 mm?14253?EL?IV?/?13?|?Life Cycle Assessment?LCA?ISO 14040/44?LCA?1?2?/?3?4?14?|?|?LCA?LCA?ISO 14067?5?2?2019?2?12?Photovoltaic Modules used in Photovoltaic Power Systems for Electricity Generation?PEFCR?EPD?2020?3?16?Electricity Produced by Photovoltaic Modules?EPD?2021?Electricity,steam and hot/cold water generation and distribution?8?2023?4?1?CRE 4PPE 2?2021?2021?10?6?2023?2?8?AO PPE2 PV Sol?PPE2?100 kWc?2017-2021?CRE4?2021?2026?PPE2?AO PPE2 PV Sol?2023?15?|?2?Electricity Produced by Photovoltaic ModulesElectricity,steam and hot/cold water generation and distributionPhotovoltaic Modules used in Photovoltaic Power Systems for Electricity Generation(PEFCR)?PPE2?EPD ItalyEPD international?N/A?(CdTe)?(CIS/CIGS)?(micro-Si)?(multi-Si)?(mono-Si)?(?)?(?)?N/A N/A?(?EVA?POE?(PET?PVF?POE?N/A16光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?标准名称Electricity Produced by Photovoltaic ModulesElectricity,steam and hot/cold water generation and distributionPhotovoltaic Modules used in Photovoltaic Power Systems for Electricity Generation(PEFCR)法国PPE2文件光伏组件碳足迹标准中华人民共和国电子行业标准 产品碳足迹 产品种类规则 光伏组件?1 kWh?1 kWh?1 kWh1 kWc?1 kWc?RSL?30?30?30?N/AN/A?&?&?&?&?&?&?&?&?&?&?&?&?EVA?POE?PET?PVF?POE?（简化)?17?|?9?-?BOS?BOS?BOS?BOS?7?BOS?BOS?9?18?|?LCA?4?1/20?LCA?EPD?PEFCR?10?4.?020406080100120140160?180?kgCO2-eq?19?|?kWc?4 Wc?900 gCO2-eq/kWh?2011?2900 kgCO2-eq/kWc5 6?2015?2080 kgCO2-eq/kWc7 8?2016?1940 kgCO2-eq/kWc 9 10?2017?1680 kgCO2-eq/kWc11 12 13?2018?1490 kgCO2-eq/kWc14 15 16?2020?1220 kgCO2-eq/kWc?1230 kgCO2-eq/kWc17?2007?2023?LCA?GW?GWh?%?W?1 kWh?20光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?图11?2007-2022年光伏组件碳足迹趋势图?左?2019-2022年光伏组件碳足迹箱型图?右?11?2007-2023?EPD?2019?2007?EPD?LCA?11?EPD Italy?international EPD?2007-2017?58.03 gCO2-eq/kWh?2019-2023?15.86 gCO2-eq/kWh?0810121416182020062019202020212022201020082012 2014 2016 2018 2020 2022 202420?EPD406080100120?kgCO2-eq/kWc?kgCO2-eq/kwh?21光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?光伏组件碳排热点分析?4?13?41%?20%?19%?7%?6%?2%?图13?1 kWc光伏组件碳排占比?2016?-2022?BSF?PERC-?38%?HJT-?TOPCon-?27%?12?图12?BSF?PERC-单面?HJT-双面?TOPCon-双面和PERC-双面的碳足迹变化趋势?41%?19%?15%?5%?6%?7%?1%?4%?2%00.0050.010.0150.020.0250.032016-156-280W2016-156-290W2018-156-305W2019-158.75-320W2020-158.75-415W2021-166-455W2022-182-550W2018-156-320W2019-158.75-340W2020-166-460W2021-166-470W2022-210-690W2018-156-340W2019-158.75-340W2020-166-445W2021-166-465W2022-182-570W2019-158.75-315W2020-166-445W2021-182-545W2022-182-545WkgCO2-eq/kWh?PERC-?HJT-?TOPCon-?PERC-?BSF22光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?图14?不同区域硅料碳排对比硅料生产?14?70%?55%?40 kg?1kg CO2-eq/kWh?0.35kg CO2-eq/kWh?20%?62%?6%?CPIA硅棒/硅锭制备及硅片切割?/?22 kWh/kg?6.5 kWh/kg?6.5?kWh/?/?15?120 kgCO2-eq/kg?100 kgCO2-eq/kg?/?/?100.51 kgCO2-eq/m?70.2 kgCO2-eq/m?44.3 kgCO2-eq/m?32 kgCO2-eq/m?16?图15?不同区域单晶硅棒和多晶硅锭碳排对比图16?不同区域单晶和多晶硅片碳排对比?CPIA?0102030405060708090100?62%?38%?6%?94%?kg CO2-eq/kg?020406080100120140?kg CO2-eq/kg?CZ?020406080100120?kg CO2-eq/m2?23光伏产业碳足迹及低碳发展报告|?电池片生产?4.8?kWh/MW?CO2?2016-2019?P?2019?2016?156mm BSF?680 kg CO2-eq/kWc?PERC-?610 kg CO2-eq/kWc?70 kg CO2-eq/kWc?PERC-?2016?-2019?38%?2019?PERC-?PERC-?2022?17?图17?BSF?PERC-单面?PERC-双面电池片碳足迹变化趋势18图18?TOPcon?HJT电池片碳足迹变化趋势?2018?N?HJT?TOPcon?18?2022?TOPcon?2018?28.86%?HJT?28.14%?HJT?TOPcon?HJT?TOPcon?HJT?0200400600800kg CO2-eq/kWc2016-156mm2016-156mm2018-156mm2019-158.75mm2020-166mm2021-158.75mm2021-166mm2022-182mm2019-158.75mm2020-166mm2020-182mm2020-210mm2021-166mm2021-182mm2021-210mm2022-182mmBSFPERC-?PERC-?010020030040050020182019202020212022202220182019202020212022kgCO2-eq/kWc?(kwh)?(kg)?(kg)?(kg)?TOPconHJT24光伏产业碳足迹及低碳发展报告|光伏组件生命周期碳排放分析铝框生产铝框是光伏组件原材料获取阶段第四大来源。铝框的制造过程也会涉及到能源密集型的活动，例如铝土矿的开采、精炼和铝材的生产等，这些过程也会产生大量的CO2等温室气体排放。中国地区铝框的碳排高于欧洲地区。如图20，可以发现，中国地区铝框的碳排在8 kg CO2-eq/kg，欧洲地区在7 kg CO2-eq/kg，差异不大。但法国政府在今年9月20日法国发布的新能源乘用车环境评分细则与获得生态奖励的资格条件的法令中，定义中国铝材的碳排因子是20 kg CO2-eq/kg，而欧洲仅有2 kg CO2-eq/kg，这无疑给中国铝材企业设定了“碳壁垒”。以上造成国家间硅料生产、硅棒/硅锭制备、硅片切割、电池片生产和铝框生产的碳排差异，主要原因是，不同国家和地区的能源结构和生产工艺可能存在差异，导致碳足迹的不同。数据库中其他国家电力因子比中国的电网因子低0.3-0.7 kgCO2-eq/kWh。除此之外，一些国家和地区可能在生产工艺和能源效率方面更加先进，从而减少了生产过程中的碳排放。图19：不同区域单晶和多晶电池片碳排放对比图20：不同区域铝框碳排放对比数据来源：权威国际数据库数据来源：权威国际数据库欧洲中国尾注5.刁周玮，石磊。中国光伏电池组件的生命周期评价 J。环境科学研究，2011,5:571-572。6.詹晓燕，多晶硅光伏系统全生命周期碳排放研究 D。扬州：扬州大学，2011。7.Fu Y Y,Liu X,Yuan Z W.Life-cycle assessment of multi-crystalline photovoltaic(PV)systems in China J.Journal of Cleaner Production,2015,86,180-190.8.Yang D,Liu J R,Yang J X,et al.Life-cycle assessment of Chinas multi-crystalline silicon photovoltaic modules considering international trade J.Journal of Cleaner Production,2015,94:35-45.9.HouG F,Sun H H,Jiang Z Y,et al.Life cycle assessment of grid-connected photovoltaic power generation from crystalline silicon solar modules in China J.Applied Energy,2016,164:882-890.10.Hong J L,Chen W,Qi C C,et al.Life cycle assessment of multicrystalline silicon photovoltaic cell production in China J.Solar Energy,2016,133:283-293.11.Yu Z Q,Ma W H,Xie K Q,et al.Life cycle assessment of gridconnected power generation from metallurgical rout multi-crystalline silicon photovoltaic system in China J.Applied Energy,2017,185:68-81.12.何津津，基于生命周期评价的光伏发电碳排放研究 D。南京：南京航空航天大学，2017。13.翁琳，陈剑波。光伏系统基于全生命周期碳排放量计算的环境与经济效益分析 J。上海理工大学学报，2017,39(3):282-288。14.Xu L,Zhang S F,Yang M S,et al.Environmental effects of Chinas solar photovoltaic industry during 20112016:A life cycle assessment approach J.Journal of Cleaner Production,2018,170:310-329.15.于志强，马文会，魏奎先，等。冶金法多晶硅光伏系统能量回收期与碳足迹分析 J.。太阳能学报，2018,39(2):520-528。16.陈娴，黄蓓佳，王翔宇，等。太阳能光伏组件环境成本的货币化核算研究 J.。复旦学报(自然科学版),2019,58(1):120-126。17.陈大纪，庄天奇，裴会川，等。单面和双面光伏组件环境影响对比分析J。信息技术与标准化，2022(12):26-30。18.贾晓洁，“常规p型多晶硅光伏组件的全生命周期评价报告”。电池片的碳排放水平也与其类型和产地有关。对于电池片，无论单晶还是多晶光伏组件，中国地区的电池片碳排都显著高于欧洲地区。中国单晶电池片碳足迹比欧洲高56.21 kgCO2-eq/m2，多晶电池片碳足迹高38.2 kgCO2-eq/m2。020406080100120140其他原料浆料（银浆+铝浆）硅片能耗单晶电池片多晶电池片kg CO2-eq/m2中国欧洲中国欧洲0123456789铝框铝框能耗铸造铝合金其他材料kg CO2-eq/kg25光伏产业碳足迹及低碳发展报告|光伏组件碳减排探索调整能源结构电力的碳排放取决于当地的电力能源结构。不同的区域由于具有特定的电力组合，即使是同款组件在不同地区制造，碳足迹也会有差别。以中国为例，中国南方区域清洁能源的占比非常高，这主要是由于在四川，云南等地，中国的水电十分发达，而北方区域清洁能源的占比最低，因而在国际数据库中，中国重庆，四川，西藏三地的电力因子仅有0.308 kg CO2-eq/kWh，内蒙，辽宁，吉林，黑龙江则为1.43 kg CO2-eq/kWh。国际权威因子库中，中国平均电网因子为0.941kgCO2-eq/kWh，目前中国虽无权威的全生命周期电力排放因子，但生态环境部发布的2021年省级电力二氧化碳排放因子范围为0.1235-0.7901 kgCO2-eq/kWh。由此体现，中国近年大力发展清洁能源的成效尚未完全体现在国际产品全生命周期因子库中。图21反映了冶金级硅-硅料-硅棒-硅片-电池片-光伏组件全产业链的电力的碳足迹占比，电网因子若按照辽宁等东北地区的1.43 kgCO2-eq/kwh计算，则电力碳排占比达到67%，电网因子若按照四川等西南地区计算，则电力碳排占比31%。光伏组件碳减排探索图21：光伏组件全产业链碳足迹分析电力因子kg CO2-eq/kWh电力冶金级硅银浆铝浆铝边框玻璃金刚线石英坩埚其他材料31%0.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.045kgCO2-eq/kWh电力冶金级硅银浆铝浆铝边框玻璃金刚线石英坩埚其他材料1.430.940.570.3157%电力冶金级硅银浆铝浆铝边框玻璃金刚线石英坩埚其他材料1.430.9467%1.4326?|?|?0.2-0.5 kgCO2-eq/kWh?0.4-0.8 kgCO2-eq/kWh?0.5-1.2 kgCO2-eq/kWh?Pierre?100g CO2-eq/kWh?25g?15g?10g?5g CO2-eq/kWh19?6?68.8g CO2-eq/kWh?6.7g CO2-eq/kWh?20?0?100%?EnOS?27|20161 kg1.2 kg20221.09 kg/kg-Si9.1%20301.07 kg/kg-Si22202260 kWh/kg202011%203052 kWh/kg-Si2322 2016-20301 kg23 2016-20301 kg01020304050607020202021202220232024E2025E2027E2030E11.051.11.151.21.252016201820202021202220232024E2025E2027E2030Ekg/kg-SikWh/kg28|201695.88 kg CO2-eq/kg79%16%202274.63 kg CO2-eq/kg22.16%203066.34 kg CO2-eq/kg24201636 kWh/kg 202224.4 kWh/kg32.2%203019.8 kWh/kg252016141.25 kg CO2-eq/kg2022105.05 kg CO2-eq/kg25.63%203089.61 kg CO2-eq/kg2624 2016-203025 2016-203026 2016-20300204060801002016201820202021202220232024E2025E2027E2030E0204060801001201401602016201820202021202220232024E2025E2027E2030E05101520253035402016201820202021202220232024E2025E2027E2030E（kgCO2-eq/kg）（kWh/kg）（kgCO2-eq/kg）29光伏产业碳足迹及低碳发展报告|光伏组件碳减排探索降低硅片厚度，提高硅片尺寸降低硅片厚度，提高硅片尺寸可有效减少材料和能耗消耗，从而降低碳排。薄化大尺寸化硅片可以降低单片的硅料用量，从而减少对自然资源的消耗，如产业链内全规格单晶硅片全面转换到160 mm厚度，预计可节省6.8%的硅耗，从而降低碳排。此外，大尺寸化薄片化还可以减少制造工序的能耗，例如切割、抛光和清洗等，有助于减少碳排放。另外，大尺寸化薄片化也可提高组件功率输出，从而降低碳排。最后，薄片化和大尺寸化硅片也可减少组件的体积和重量，从而降低运输过程中的碳排。图27：2022-2030年硅片厚度发展趋势（m）资料来源：CPIA随着技术的进步，不断变薄是硅片的发展趋势。预计到2030年，多晶硅片、P型单晶硅片、用于TOPCon电池的n型硅片和用于HJT电池的n型硅片的平均厚度都将比2022年降低10%以上（见图27）。硅片尺寸不断变大，厚度变薄，硅片碳足迹降低。从2020年至2030年间，四类硅片（166 mm P型单晶硅片，182 mm P型单晶硅片，182 mm N型TOPcon单晶硅片，210 mm N型HJT单晶硅片）的碳足迹，可以看到不管是哪个年间，随着硅片尺寸的不断变大，硅片的碳足迹都在降低，这主要是由于随着尺寸变大，厚度不断变薄，切割次数减少，降低能耗，减少废料（图28）。2020年至2030年，相同尺寸的硅片碳排也在逐年降低。166 P型单晶硅片2020年碳排为77.22 kg CO2-eq/m，预计2023年，碳排为50.38 kg CO2-eq/m，下降34.76%；210 mm N型HJT单晶硅片2020年碳排为64.14 kg CO2-eq/m，预计2023年，碳排为34.97 kg CO2-eq/m，下降45.47%（图29）。综上所述，通过降低硅片厚度，增大硅片尺寸，可以实现材料消耗、制造能耗和运输能耗的减少，转化效率的提升，从而有效降低组件的碳排放。这一优化措施不仅有助于保护环境，还能提高能源利用效率。多晶硅片厚度单晶硅片厚度-n型硅片-HJT单晶硅片厚度-p型硅片单晶硅片厚度-n型硅片-TOPCon2022年2023年2024年2025年2027年2030年8010012014016018020030|2820202024E20222027E20212025E20232030E29 2020-20300102030405060708090166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n166 p182 p182 n210 n010203040506070809020202021202220232024E2025E2027E2030E20202021202220232024E2025E2027E2030E20202021202220232024E2025E2027E2030E20202021202220232024E2025E2027E2030E166 P182 P182 N210 N（kgCO2-eq/m2）（kgCO2-eq/m2）31?|?PERC?TOPCon?HJT?2022?p?PERC?23.2%?2022?n?TOPCon?24.5%?HJT?24.6%?2021?XBC?24.5%?HJT n?23.5%?PERC?30%?21?20-25?3?2020?43.5?2030?800?2050?7800?2012?(WEEE)?2021?1?1?Ecodesign Directive?2023?7?2023?1030?2025?2012?(WEEE)?2022?85%?80%?2023?2023?MOTIE?/?80%2023?2023?7?1?32?|?4?EVA?4?21?6%?33.59%?,?%?2-3?69-75?7?0.6-1?0.006-0.06?10-20?0.1?0.1?0.1?0.1?33|700 kgCO2-eq/kWc100%2.3%38%&330 kgCO2-eq/kWc31100%3.8%6.8%20%330 kgCO2-eq/kWcMller22LCADeutsche Solar AG53.5%205018%30310100200300400500600700kgCO2-eq123-100-50050100150200（kgCO2-eq/kWc）34?|?19.Beloin Saint Pierre,D.,Blanc,I.,Payet,J.,Jacquin,P.,Adra,N.,Mayer,D.,Environmental impact of PV systems:Effects of energy sources used in production of solar panels,In Proceedings of the 24rd European Photovoltac Solar Energy Conference,21-25 September 2009,Hamburg,Germany ISBN:3-936338-25-6,pp4517-4520.DOI:0.4229/24thEUPVSEC2009-6DV.3.720.?21.P.Dias.et al.Waste electric and electronic equipment(WEEE)management:A study on the Brazilian recycling routes,.Journal of Cleaner Production 174(2018):7-16.22.Muller,A,Wambach,K,Alsema,EA.Life cycle analysis of solar module recycling process.In:Materials Research Society Symposium Proceedings 2006;895:0895/G03/07.1-0895/G03/07.6.?35?|?36?|?|?70%?37?|?CLCD?CPCD?ecoinvent?sphera?32?32?38?|?IoT?IoT?100%?PPE2?100%?39?40?|?|?1?LCA?2019?2?41%?3?PERC?TOPCon?HJT?4?50.3%?41?|?1?EPD?2?3?LCA?CQC?CTC?TUV?42?