太阳能光伏组件环境成本的货币化核算研究

陈 娴，黄蓓佳，王翔宇，李 顺，陈妍希

(1.上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093； 2.上海理工大学 环境与低碳科学研究中心，上海 200093)

可再生能源已成为全球能源转型的重要特征.光伏在我国可再生能源结构中占据重要地位，其开发利用规模正在逐步扩大.2014年我国光伏发电总量达到了250太瓦时(Terawatt, TWh)，比2013年增加了200%以上[1].到2015年底，光伏装机容量达到43吉瓦(Gigawatt, GW)，成为全球光伏发电装机容量最大的国家[2].

许多研究人员从生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)的角度对光伏产品的环境影响进行了评估[3-8].相比煤炭发电，他们认为光伏发电对环境的影响相对较小.还有一些学者对光伏发电进行了经济性分析[9-11].他们发现光伏发电的能量回收期通常在1～5年之内.对于环境成本，只有少数研究大致估计了光伏发电生产中的环境成本.例如，Stein[12]基于1990年的太阳能光伏发电技术，得到的环境成本为0.05￥/kWh.Fthenakis和Alsema[13]发现南欧光伏发电的环境成本为0.0103～0.0145￥/kWh.在中国，Wang等[14]估算了中国云南省的冶金硅生产过程中每年的环境成本为2729万～4876万元.但迄今没有研究者回答考虑了环境成本后，太阳能光伏在全生命周期是否为正收益.本文针对这一研究空白，以中国光伏组件为例，进行环境影响成本与回收期的核算研究.

在LCA背景下应用货币价值评估可以采取不同的方法，以评估整个生命周期影响链中不同点的潜在影响[15].现有的环境成本货币化的方法最常用的有EPS2000[16]，ExternE[17]，Ecotax2002[18]，Stepwise2006[19]和ReCiPe[20]，但它们都没有在全球范围内被广泛接受.表1总结了以上5种货币化方法的主要特征.选取货币化方法的标准之一是数据的时效性，ReCiPe方法是2008年的数据，相对较新.选取货币化方法的另一标准之一是全面[15]，以便货币化方法可以在其所有相关环境影响类别上进行表征.ReCiPe方法的权重因子完全覆盖了国际参考生命周期数据系统(International Reference Life Cycle Data System, ILCD)描述的终点影响类别[21].综合以上2个标准的考虑，我们选用了ReCiPe方法.

1 方法

1.1 系统边界和数据来源

选取功能单位为1千瓦(kilowatt, kW)的光伏组件模块，峰值效率为200W，使用寿命为25年[3].本研究讨论的制造技术是西门子法(冷氢化法)，这是生产太阳能电池模块最常用的技术[25].本研究的研究范围包括生产和运营阶段，而光伏组件在运营期几乎没有环境影响.由于中国还没有进入光伏设备大范围回收期，因此中国回收利用的情景和投入产出清单尚不明确，我们不考虑回收利用过程.

表1 5种货币化方法的主要特征总结

多晶硅光伏组件的清单数据和经济成本来自我们先前发表的研究[3,26].标准化因子和ReCiPe方法的中点影响到终点影响之间的归类参考文献[20].ReCiPe方法的终点环境影响的权重因子来自Heijungs等[27].电价参考了中华人民共和国国家发展和改革委员会公布的文件[28].

1.2 货币化和回收期估算

1.2.1 环境影响

本研究进行了特征化以确保生命周期清单有统一的单位.特征化包括对获得的生命周期清单进行统一的单位转换，然后将转换结果中相同的环境影响类别合并[29-32].通过我们之前的研究[3]，在GaBi6软件中总共检测到14种类型的环境影响.表2列出了生产1kW光伏组件的环境污染排放量和ReCiPe中点影响类别的标准化因子.

1.2.2 货币化权重因子

在LCA货币化方法中最常用的货币化方法是支付意愿法(Willingness To Pay, WTP)[33].基于支付意愿法，可将其分为市场价格和非市场价格两类.市场价格的优势是直接和实际地表达了人们的偏好，避免了间接衡量的不确定性[15].基于市场的价值不适用于自然物体，如生物多样性.因此，非市场估值也用于估算损害成本.将环境影响的环境成本设为X，环境影响货币化的计算可表示为公式(1)：

(1)

Pn是环境污染排放量(本研究中的P列于表2).Em是中点影响到终点影响之间的归类(本研究中的Em如表3所示).Wn是ReCiPe中货币化的权重因子，n=1，2，3…(本研究中的Wn如表4中).

表3 中点影响类别到终点影响类别的归类量化关系

注： 空单元格对应于缺少的连接(另请参见0)，在实际计算中以零计算；★表示为将气候变化的中点指标(以kg为单位)转换为对人类健康的终点指标(以年计)的乘数(乘以1.19×106a/kg)；I： individualist；H： hierarchist；E： egalitarian；DALY： disability-adjusted life years.

表4 ReCiPe方法中修正后的货币化权重因子

ReCiPe方法[27]终点环境影响的加权因子如表4所示.Heijungs等[27]在关于生态质量货币化的研究中，生态质量货币化权重定为172元/(人·年)，再乘以70亿人(世界人口)，得到生态质量货币化权重为1207亿元.本研究的范围是中国内地，因而生态质量环境影响的人口范围使用13亿(中国内地人口)，从而计算出每功能单位的光伏组件生产的生态质量货币化的权重因子为2414亿元.

1.2.3 成本回收期和能量回收期

(1) 成本回收期

光伏组件成本包括环境成本和经济成本.环境成本是指本研究中的环境影响货币化价值.光伏组件生产阶段的成本可以按照公式(2)计算：

C=X+Y，

(2)

X是生产过程中PV组件的环境成本，Y是PV组件生产过程的经济成本，单位为￥/kW.按照公式(3)计算可得PV组件的经济成本.

Y=Y原材料+Y劳动力+Y电力+Y包装，

(3)

其中，Y原材料(￥/kg或￥/t)，Y劳动力(￥/Wp)，Y电力(￥/(kWh))，Y包装(￥/Wp)分别是生产光伏组件的原材料、劳动力、电力和包装成本.光伏组件经济分析的数据主要来自我们以前的研究[26].

通过等式(4)，我们可以计算PV组件在生产阶段的成本回收期：

(4)

假设光伏组件的成本是支出，太阳能光伏发电带来的经济效益为收入.经济效益根据光伏电站标杆上网电价计算.2013年，中华人民共和国国家发展和改革委员会[28]发布了制定光伏电价的通知([2013]1638).该文件根据中国太阳能资源条件划分为3个区域，并建立了相应的价格标准.(a) 西北地区和小部分华北地区电网的电价定为0.90￥/kWh.(b) 东北地区，部分华北地区及部分西南地区电价设定为0.95￥/kWh.(c) 华东，华中，华南地区电站的电价定为1.0￥/kWh.在我们的研究中，取平均价格0.95￥/kWh作为电站标杆上网电价，即可计算得到光伏组件的经济效益.

(2) 能量回收期

计算能量回收期是为了与PV组件的成本回收期进行比较.光伏系统的能量回收期是指光伏系统生命周期过程的总能耗与其安装运行时每年的能源输出量之比[34].能量回收期可按公式(5)计算：

(5)

式中能量回收期的单位为a，光伏系统生命周期总能耗的单位为MJ，光伏系统每年的能源输出量单位为MJ/a.

其中，光伏系统能源输出量，可通过式(6)来计算：

能源输出量=功率×峰值小时数×系统的性能比率,

(6)

式中，能源输出量的单位为MJ，功率的单位为W，峰值小时数的单位为h，系统的性能比率单位为%.峰值小时数是指在标准日辐射强度下的日照时间.由于我国幅员辽阔，不同地区的太阳辐射水平差异较大，不同地区的峰值小时数被划分为1000～1950h[34].在本研究中，计算能量回收期时我们取峰值小时数的平均值1475h，考虑到光伏系统组件、电缆、逆变器、控制器等各个部件的效率及系统运行情况，假设系统的性能比率为80%[35].

2 结果

2.1 环境影响的货币化

1kW光伏组件在生产过程中对环境影响的货币化值按照公式(1)计算，环境影响货币化值的结果如图1(第124页)所示.

计算可得光伏组件生产的环境成本为28737￥/kW.光伏组件的环境成本主要来自多晶硅生产，多晶硅电池片生产和工业硅生产这3个阶段.光伏组件的环境成本超过50%是来源于多晶硅生产的货币化值.据图1所示，多晶硅生产过程的环境成本主要来自陆地生态毒性的环境成本，原因是其终点环境影响系数较大.同时，陆地生态毒性属于生态质量的终点类别，具有最高的货币化权重因子.

图1 多晶硅光伏组件生产过程的环境影响货币化价值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

根据我们之前的研究[26]，Y原材料为2007￥/kW，Y劳动力为1965￥/kW，Y电力为407￥/kW，Y包装为193￥/kW.根据公式(2)和(3)Y估计为4572￥/kW，C为33309￥/kW，基于公式(4)计算PV的成本回收时间可以估计为23.8a.

在生命周期中我国生产每kW的多晶硅光伏组件需3515.76MJ的能量[36].根据上述信息和公式(5)和(6)，计算每kWh多晶硅光伏组件的能量回收期.结果表明，在中国不同地区，光伏组件的能量回收期在 0.62～1.2a之间，远小于光伏25a的寿命期.光伏组件能量回收期的平均值为0.91a，这意味着前0.91a的光伏组件生产的能源被用于抵消光伏生命周期所消耗的能源.

图2 多晶硅光伏组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

多晶硅光伏组件的能量回收期和成本回收期如图2所示.正如我们所看到的，光伏组件的能量回收期不到一年.在成本回收期方面，光伏组件的成本回收期估计为23.8a，接近其寿命周期.

与其他相关研究相比，Stein[12]分配给光伏组件的环境成本为0.05￥/kWh.假设光伏组件的寿命为25a，Stein发现的环境成本为1779￥/kW. Fthenakis和Alsema[13]发现，基于ExternE方法，南欧的光伏环境成本在0.0103～0.0145￥/kWh的范围内，其生命周期的环境成本为379～531￥/kW.在这项研究中，我们估计多晶硅光伏组件的环境成本为28737￥/kW，这显然比上述所提的其他研究[12-13]高的多.造成这种差异的原因可能是ReCiPe方法中生态质量的货币化权重因子远高于其他方法.

2.3 不确定性分析

本研究的不确定性讨论的是光伏环境污染排放数据带来的环境成本核算的不确定性，光伏环境污染排放数据的不确定性是由生命周期清单的不确定性造成的，通过我们之前的研究[3]，发现生命周期清单造成的不确定性体现在气候变化和人体毒性.通过使用气候变化和人体毒性的最大值和最小值计算得到光伏组件生产的环境成本分别是28737.05￥/kW和8736.97￥/kW，这与本研究的计算结果28737￥/kW相差甚小，差异率小于±1‰，因为光伏组件的环境成本核算受中点影响类别和终点影响类别之间的定量连接关系及货币化权重因子影响较大.由于ReCiPe方法中权重因子的来源是基于欧洲的支付意愿，欧洲居民的环境支付意愿通常高于中国居民[27].为了克服这个局限性，在后续的研究中我们将逐步完善适用于中国本地的各类环境影响的支付意愿数据.

3 结果与讨论

(a) 本研究进行了环境外部性货币化计算，我们的研究结果表明，光伏组件生产的环境成本为28737￥/kW.多晶硅光伏组件在生产过程中的环境影响主要来源于工业硅生产，多晶硅生产和多晶硅电池片生产这3个阶段.光伏组件生产的环境成本主要来源于陆地生态毒性的环境成本，因为陆地生态毒性的终点影响类别归属于生态质量，具有最高的货币化权重因子.

(b) 包含环境影响成本的光伏组件成本回收期估计为23.8a，能量回收期为0.91a.由此可见太阳能光伏组件的能源成本不高，主要生态代价来源于生产过程中的环境成本.这一发现提醒我们在进行节能技术的成本效益分析时需更加关注环境成本.生产过程中的节能并不意味着这些技术在整个生命周期中都具有环境效益，特别是当技术设备在生产过程具有高环境影响负担时.因此，强烈建议技术或战略评估应涉及环境成本评估.

(c) 货币化权重因子极大程度影响了多晶硅光伏组件生产过程的环境影响货币化值，本研究的环境影响货币化参数基于欧洲的支付意愿研究结果，欧洲对人体健康和生态质量的支付意愿是高于我国的，在未来的分析中探索建立起我国的支付意愿数据库十分迫切.