基于生命周期评价的多晶硅片环境影响研究

谢明辉，阮久莉，乔琦*，李海玲，王文静，吕芳，张嘉

1.中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

2.中国科学院电工研究所，北京 100190

3.中国可再生能源学会光伏专业委员会，北京 100190

基于生命周期评价的多晶硅片环境影响研究

谢明辉1，阮久莉1，乔琦1*，李海玲2，王文静2，吕芳3，张嘉3

1.中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012

2.中国科学院电工研究所，北京 100190

3.中国可再生能源学会光伏专业委员会，北京 100190

选用我国终点破坏类影响评价模型(Chinese endpoint damage model，CEDM)，采用生命周期评价(LCA)法研究了我国多晶硅片生命周期环境影响。通过座谈和问卷调研的方式，获得多晶硅片生命周期能量物质的输入输出和环境外排数据。结果表明：从环境影响的最终破坏受体来看，我国多晶硅片生命周期环境影响主要集中在对人体健康的损害方面，占70.21%；其次是对资源衰竭方面的影响，占26.22%；而对生态系统的损害最小，仅占3.57%。从各环境要素来看，由多晶硅原料带来的环境影响是所有环境要素中最高的，占70.83%；其次是电耗和砂浆液，分别占19.44%和7.62%；生产过程污染物排放对环境的影响仅占0.07%。降低多晶硅片环境影响应首先考虑减少原料消耗；其次考虑节能和废砂浆循环利用。我国多晶硅片环境影响略高于欧洲平均水平，主要是由原料端(高纯多晶硅)差异导致。

多晶硅片；生命周期评价(LCA)；环境影响；太阳能级多晶硅

太阳能电池行业近年来发展迅速，2013年我国太阳能电池装机容量达到12.1 GW，增长迅速，直接带动了整个产业链中多晶硅、硅片等行业的发展。以硅片为例，2013年我国硅片产量为29.5 GW，占全球市场的75%[1]。相对于太阳能级多晶硅生产，硅片生产污染较少、能耗较低，但在切割过程会产生大量含有硅粉的废切割液，如不能有效回收废液，不仅会污染环境，还会造成资源浪费；同时，切割过程还耗费大量的切割线(不锈钢，全文同)、玻璃，会产生大量的固体废物。由于社会多关注产业链上游多晶硅提纯过程的环境问题而忽视了硅片生产的环境问题，因此，亟需识别在硅片生产过程中产生的环境问题及其环境影响，以便科学指导相关环境管理政策的制定。

随着太阳能电池行业的发展，其所带来的环境问题开始逐渐受到重视。早期的研究主要集中在太阳能电池的能量回收期(energy payback time)上[2-3]，国外学者还针对其在生产过程的温室气体排放进行研究[4-6]；近几年，国内外学者开始从生命周期评价(life cycle assessment，LCA)的角度研究太阳能电池对环境的影响[7-9]，但国内目前的多数研究都是针对整个光伏系统全产业链的[10-12]，以及针对高纯多晶硅生产过程的[13]，鲜有单独针对硅片生产过程环境影响的研究。因此，笔者以硅片生产过程为研究对象，采用部分本地化修正的终点破坏类影响评价模型(Chinese endpoint damage model，CEDM)[13]，对硅片生产过程的环境影响进行定量评价，以期为宏观决策及相关法规的制定提供参考。

1 研究内容

针对硅片生产过程，基于ISO 14040～14043中生命周期评价理论[14]设计研究方法为：1)确定LCA的目标范围和系统边界；2)进行清单分析，确定各流程输入(原料、辅料和能源等)和输出(向空气、水、土壤中的排放及固体废物)数据；3)进行影响评价，对清单数据进行定量评价；4)结果解释，对评价结果进行解释说明。

采用座谈和问卷调研的方法收集硅片切割过程的资源能源消耗和环境外排数据，基于我国终点破坏类影响评价模型，选择与硅片生产过程相关的7个环境影响类别，即致癌、呼吸系统影响、气候变化、生态毒性、酸化富营养化、矿产资源、化石燃料等建立评价模型。该模型中的资源属性本地化基准值核算基于“品位-能源”模型[15]，根据2004—2010年中国有色金属工业年鉴中主要有色金属开采量、原矿品位以及化石燃料开采量数据，以2010年为基准年核算了我国(作为基准区域)的资源(矿产资源、化石燃料)标准化基准值[16-17]，影响评价模型各参数见表1。

表1 影响评价模型参数

注：标*数据来自环境保护公益性行业科研专项“我国新能源产业(太阳能电池)环境影响和管理研究”课题成果；DALY为伤残调整寿命年(disability adjusted of life years)；PDF为潜在消失比例(potentially disappeared fraction)。

在SimaPro[18]软件中进行了CEDM的构建，得出相应的环境影响潜值，并进行了生命周期影响评价和结果的解释。

2 研究方法

2.1 功能单位和系统边界界定

2.1.1 功能单位

硅片生产过程生命周期评价的功能单位为1万片多晶硅片，表面积为243.36 m2万片，质量为102.05 kg万片(每片尺寸为156 mm×156 mm，厚度为0.18 mm)。

2.1.2 系统边界

包括清洗、铸造、破方、黏接、线锯切割、破方、脱胶、清洗等步骤，系统边界如图1所示。

图1 多晶硅片生命周期评价的系统边界Fig.1 The system boundaries of multi-silicon wafer

2.2 清单分析

硅片生产过程的数据清单主要通过企业座谈和问卷调研，由于硅片生产过程的相似度极高，技术工艺无较大差异，因此，选择4家不同生产规模的企业进行调研。调研企业从规模到技术实力均代表了我国硅片生产的先进技术水平，所调研企业硅片年产量占我国当年硅片总产量的20%，通过规模加权平均得到资源能源消耗清单和三废排放清单。单位资源能源消耗量的数据清单以国内数据查找为主(如高纯多晶硅[13]、电耗[19-21]等)，部分国内没有的数据清单通过Ecoinvent数据库[22]获取。各类单位消耗量数据清单及来源见表2。

表2 多晶硅片数据清单及来源

将消耗量与单位消耗量数据清单相乘，再加上硅片生产过程实测的污染物排放数据，即可得出硅片生产过程的数据清单(表3)。

表3 多晶硅片生产生命周期污染物排放数据清单

Table 3 Life cycle inventory of multi-silicon wafer kg万片

表3 多晶硅片生产生命周期污染物排放数据清单

气体污染物排放量水体污染物排放量CO23.22×104氯化物257SO2226Si239CH4193Ca2+93.6NOx107Na+83.1TSP30.3Mg52.1PM2.518.1Al48.6CO22.6K+39.7HCl7COD29.8NMVOC3.42BOD515.5Si2.12TOC5.57HF0.77DOC5.54

2.3 影响评价

用生命周期软件SimoPro 7.1对多晶硅片进行环境影响评价，结果如图2和图3所示。

图2 多晶硅片环境影响类别评价Fig.2 Environmental impact categories of multi-silicon wafer

图3 多晶硅片环境影响要素评价Fig.3 Environmental impact factors of multi-silicon wafer

从图2和图3可以看出，生产多晶硅片带来的环境影响潜值为2 472 Pt万片，其环境影响主要集中在无机物对呼吸系统、化石燃料、致癌和气候变化4个方面，环境影响潜值分别为1 224、635、261和256 Pt万片，分别占全生命周期环境影响的49.52%、25.69%、10.55%和10.35%。从环境影响要素来看，由于太阳能级多晶硅作为原料进入了系统边界，而生产太阳能级多晶硅的单位能耗较高，因此其作为原料带入的环境影响也是最高的(1 751 Pt万片)，占全生命周期环境影响的70.83%；其次是生产过程的电耗和砂浆液带来的环境影响，分别占19.44%和7.62%；生产过程中排放污染物对环境影响仅占0.07%。

将各环境影响类别加和到对应最终破坏受体，计算出的多晶硅片生产过程对人体健康的损害、生态系统的破坏和资源的衰竭产生的影响依次为1 741、86和645 Pt万片，分别占全生命周期环境影响的70.21%、3.57%和26.22%(图4)。可以看出多晶硅片对环境的影响主要集中在对人体健康的损害方面。

图4 多晶硅片环境影响终点评价Fig.4 The endpoint environmental impacts of multi-silicon wafer

2.4 敏感性分析

根据2.3节结果选择多晶硅用量、废砂浆液回用率、电耗3个因子进行敏感性分析，分别浮动±10%，分析其对整个环境影响的敏感程度。根据调研结果，废砂浆液回用率普遍在70%左右，因此浮动±10%，其回收率分别为63%和77%。敏感性分析结果如表4所示。

表4 多晶硅片敏感性分析结果

根据敏感性分析结果显示，多晶硅用量对于多晶硅片生命周期环境影响最为敏感，其次是电耗和废砂浆液回用率。因此对于多晶硅片环境管理而言，降低其环境影响应首先从源头减量及工艺革新开始，其次考虑节能和废物的循环利用。

2.5 中欧数据比较

将已公布的欧洲太阳能级多晶硅生产的生命周期数据清单[23]输入SimaPro软件进行计算，并与国内的计算结果进行比较，结果如图5和图6所示。

图5 中欧多晶硅片环境影响终点比较Fig.5 The endpoint environmental impacts comparison of multi-silicon wafer between China and Europe

图6 中欧多晶硅片环境影响类别比较Fig.6 Environmental impact categories comparison of multi-silicon wafer between China and Europe

从图6可以看出，欧洲多晶硅片环境影响主要集中在化石燃料方面，这主要是由于太阳能级多晶硅作为原料其生产环节电耗较大所致。但由于欧洲的电力能源结构主要以天然气等清洁能源为主，因此虽然对化石燃料方面的环境影响较大，但发电过程产生的空气颗粒物对人体健康影响很小(311 Pt万片，占14.64%)。而我国电力结构是以燃煤为主，其对环境影响不仅表现在化石燃料方面(639 Pt万片，占25.85%)，还表现在对人体呼吸系统损害的影响较大(1 224 Pt万片，占49.52%)。

从环境要素来看，欧洲和我国多晶硅片生产中都是多晶硅原料的环境影响占比最大，分别是66.38%和70.83%，即欧洲的多晶硅原料带入的环境影响比我国的原料环境影响低341 Pt万片，基本上与中欧地区多晶硅片生产的全生命周期环境影响之差(348 Pt万片)相同。

3 结论

(1)从环境影响的最终破坏受体来看，我国多晶硅片生命周期环境影响主要集中在对人体健康的损害方面，占整个影响的70.21%，其中又以无机物对呼吸系统损害方面影响最大，占整个影响的49.52%；其次是致癌和气候变化，分别为10.55%和10.35%。资源衰竭方面的影响位列第二，占整个影响的26.22%，其主要集中在化石燃料方面(25.69%)。对生态系统的损害最小，仅占整个影响的3.57%。

(2)从各环境要素来看，由多晶硅原料带来的环境影响是所有环境要素中最高的，占70.83%；其次是生产过程的电耗和砂浆液带来的环境影响，分别占19.44%和7.62%；硅片切割过程中排放污染物对环境影响占0.07%。

(3)从敏感性分析结果来看，降低多晶硅片环境影响应首先考虑源头减量或工艺革新，减少高纯多晶硅原料消耗；其次考虑节能和废砂浆的循环利用。

(4)从我国多晶硅片生产水平和欧洲生产水平比较来看，我国多晶硅片环境影响略高于欧洲平均水平，主要是由于原料端差异导致的。

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Research on Environmental Impacts of Multi-silicon Wafer Based on Life Cycle Assessment

XIE Minghui1, RUAN Jiuli1, QIAO Qi1, LI Hailing2, WANG Wenjing2, LÜ Fang3, ZHANG Jia3

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-industry, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China 3.Solar PV Committee, China Renewable Energy Society, Beijing 100190, China

The life cycle assessment (LCA) approach was used to examine the environmental impacts in the life cycle of multi-silicon wafer, based on Chinese Endpoint Damage Model (CEDM). The data for the mass, energy fluxes and environmental emissions were obtained from site investigations and questionnaires. It showed that from the end-point of environmental impacts, the damage to human health presented the largest contribution to life cycle environmental impacts of multi-silicon wafer, which accounted for 70.21% of the total environmental impacts. However, the damage to depletion of resources and ecosystem quality was 26.22% and 3.51%, respectively. From the point of environmental factors, solar-grade poly-silicon consumption was the highest of all, accounting for 70.83%, followed by electric power consumption, silicon carbide and polyethylene glycol consumption, accounted for 19.44% and 7.62%, respectively. The environmental impacts of emission from cut process only accounted for 0.07% of whole life cycle environmental impacts. The first measure to reduce environmental impacts should be decrease in raw material consumption, and secondly reduction in energy saving and waste recycling. Compared with the average level in Europe, the environmental impacts in China were slightly higher, which was caused by raw material (solar-grade poly-silicon).

multi-silicon wafer; life cycle assessment (LCA); environmental impact; solar-grade poly-silicon

谢明辉，阮久莉，乔琦，等.基于生命周期评价的多晶硅片环境影响研究[J].环境工程技术学报,2016,6(1):72-77.

XIE M H, RUAN J L, QIAO Q, et al.Research on environmental impacts of multi-silicon wafer based on life cycle assessment[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(1):72-77.

2015-05-21

环境保护公益性行业科研专项(201209056)

谢明辉(1981—)，男，博士，主要从事生命周期评价和清洁生产技术政策研究，xiemh@craes.org.cn

*责任作者:乔琦(1963—)，女，研究员，长期从事清洁生产技术政策研究，qiaoqi@craes.org.cn

X820.3

1674-991X(2016)01-0072-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.011