近日，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院許振明教授團(tuán)隊在《Nature Communications》在線發(fā)表了題為“Role of anthropogenic mineral circularity in addressing dual challenges of resource supply and waste management in global photovoltaic development”的研究成果。該研究從全球尺度定量揭示了在人類能源轉(zhuǎn)型過程中，人為礦物循環(huán)（Anthropogenic Mineral Circularity）在緩解光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的資源短缺與廢物管理雙重挑戰(zhàn)中的關(guān)鍵作用。論文第一作者為上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2022級博士生袁學(xué)宏，許振明教授為論文唯一通訊作者。本研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助。

研究簡介

    隨著全球光伏裝機(jī)容量的迅猛增長，光伏能源正逐漸成為未來能源體系的重要支柱。然而，這一快速擴(kuò)張也帶來了兩大挑戰(zhàn)：一是對原生礦產(chǎn)資源的需求不斷攀升，威脅材料供應(yīng)的可持續(xù)性；二是退役光伏系統(tǒng)廢棄物量的急劇增加，可能引發(fā)潛在的環(huán)境風(fēng)險。人為礦物循環(huán)（即從廢棄物中回收并再利用礦物資源）被認(rèn)為是協(xié)同解決資源供應(yīng)與廢物管理問題的關(guān)鍵途徑。為此，該研究構(gòu)建了一個定制化模型框架，系統(tǒng)評估了在既定政策情景（SPS）、可持續(xù)發(fā)展情景（SDS）和凈零排放情景（NES）三種不同能源發(fā)展路徑下，五種主流光伏技術(shù)（單晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒）所涉及的23種材料的二次供應(yīng)潛力，并進(jìn)一步量化了二次材料供應(yīng)在緩解金屬關(guān)鍵性、提升經(jīng)濟(jì)潛力以及減少碳排放方面的作用。研究為光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和全球能源轉(zhuǎn)型提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 研究的系統(tǒng)邊界和模型框架

研究內(nèi)容

    首先，依據(jù)情景預(yù)測與市場份額數(shù)據(jù)，研究估算了各年份光伏新增裝機(jī)容量，并采用Weibull分布對系統(tǒng)壽命進(jìn)行建模，以預(yù)測退役容量。結(jié)合動態(tài)功率–重量比與材料強(qiáng)度系數(shù)，進(jìn)一步量化了光伏系統(tǒng)的材料流入（需求量）與流出（廢物量）。結(jié)果表明，盡管未來光伏裝機(jī)容量將持續(xù)增長，但技術(shù)進(jìn)步顯著降低了單位容量的材料消耗，使得總體材料流入量的增長速度明顯放緩。不同能源情景下的變化趨勢存在差異：在SPS情景下流入量相對穩(wěn)定，SDS情景下穩(wěn)步上升，而NES情景則呈現(xiàn)先升后降的特征。受材料強(qiáng)度動態(tài)變化影響，不同材料的流入特征也各不相同；相比之下，材料流出量在所有情景下均表現(xiàn)出指數(shù)增長趨勢。

圖2 三種能源情景下的材料流

    隨后，基于不同材料的流動特征及其主流回收技術(shù)的回收率，研究評估了二次材料的潛在供應(yīng)比例及凈材料需求變化。結(jié)果顯示，到2050年，全球二次材料年供應(yīng)比例預(yù)計將由2020年的3.3%提升至43.4%–101.6%。不同材料的供應(yīng)潛力差異顯著，以Ag和Te為例，Ag的二次供應(yīng)比例在2035–2040年間快速上升，并在該階段出現(xiàn)短期“供應(yīng)過剩”，二次供應(yīng)量超過同期需求；而Te的供應(yīng)比例則表現(xiàn)為穩(wěn)定且持續(xù)增長。考慮二次資源供應(yīng)后，SPS情景下材料凈需求呈穩(wěn)步下降趨勢，SDS情景下基本保持穩(wěn)定，而NES情景有望在2050年實(shí)現(xiàn)材料需求中和。

圖3 不同材料的二次供應(yīng)潛力

    從地理空間維度分析，六大洲的二次材料供應(yīng)潛力呈現(xiàn)顯著異質(zhì)性。亞洲在光伏部署與報廢方面均居主導(dǎo)地位，具有最高的二次材料供應(yīng)潛力；非洲相對較低。在SPS與NES情景下，各大洲的變化趨勢大體一致，而SDS情景則呈現(xiàn)過渡性軌跡，其中大洋洲和南美洲最早向NES模式轉(zhuǎn)變。總體而言，這些結(jié)果凸顯了制定因地制宜的光伏部署與廢棄管理策略的必要性。盡管各大洲內(nèi)部仍存在國家層面的差異，但本研究提出的模型能夠有效捕捉主要區(qū)域趨勢，并為未來基于國家級數(shù)據(jù)的深入研究提供可擴(kuò)展框架。

圖4 地理空間異質(zhì)性對二次材料供應(yīng)潛力的影響

    最后，從金屬關(guān)鍵性（基于三維評估框架）、經(jīng)濟(jì)潛力（基于材料市場價格）和碳減排潛力（基于生命周期評估）三方面量化了人為礦物循環(huán)策略的多維效益。結(jié)果表明，到2050年，全球退役光伏系統(tǒng)的人為礦物循環(huán)可使金屬關(guān)鍵性降低 6.6%–55.0%，帶來3210–7000億美元的經(jīng)濟(jì)潛力，并減少6.97–15.46億噸二氧化碳當(dāng)量排放。這些多維效益將成為推動光伏產(chǎn)業(yè)鏈各方積極采用回收策略的重要驅(qū)動力。

圖5 全球人為礦物循環(huán)的多尺度效益

作者簡介

    袁學(xué)宏，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2022級博士研究生，研究方向?yàn)槌鞘械V產(chǎn)資源化過程的物質(zhì)流分析與生命周期評價。博士期間在Nature Communications、Nature Sustainability等期刊發(fā)表SCI論文8篇。

    許振明，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授、博士生導(dǎo)師，主要從事城市礦產(chǎn)無害化、資源化、材料化和環(huán)境功能材料與資源循環(huán)利用等方面的研究。主持了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“固廢資源化”項目、國家863、自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上項目、江蘇省雙創(chuàng)團(tuán)隊項目、產(chǎn)業(yè)化等30余項。在Nature Sustainability?、PNAS、Nature Communications、Environmental Science & Technology等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文300余篇。授權(quán)發(fā)明專利30余項，建立城市礦產(chǎn)資源處理處置與資源化教學(xué)與科研大平臺，成果獲教育部發(fā)明一等獎1項。