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雙碳目標下,任何一項產品、技術在全生命周期中對碳足跡的影響都是目前熱議的話題。對于光伏產品來說,其全生命周期評估更是一個新課題。而在光伏產品的報廢處理中,關于光伏組件背板材料的“氟”對“氟”錯,一直在爭議。
無“氟”不成背板?
氟與背板的淵源可以直接追溯到上個世紀。
聽上去很遙遠,其實也就幾十年。由于投資回收期的緣故,光伏組件的生命周期很早就被設定為25年,所有輔材都在圍繞25年可靠性而存在,背板也不例外。
和封裝材料不同,背板會直接暴露在空氣中,還被賦予了保護封裝材料的功能。因此從一開始背板材料選型就圍繞著“含氟”、“含硅”、“含鋁”和“高抗紫外涂層”而爭論,之后以杜邦PVF為代表的含氟路線成為背板選型的主流。而因為成本驅使,不含氟的“高抗紫外涂層”類如PET背板、3A背板等在一些氣候溫和地區和特殊應用場景下也有一定應用。
隨著光伏產品的商業化時代到來,量的增長和應用場景的普及讓“氟”背板的應用變成必須,為了保障25年的全生命周期可靠性,“含氟”基本上成為背板選型思維的定勢。從2008年左右起,對于是否“含氟”基本已經沒有爭議,爭議的只是含哪種“氟”:PVF、PVDF、THV、PTFE、ETFE、ECTFE……。隨著全氟和多氟烷基物質(PFAS)定義范疇的擴大,合成這些聚合物的單體氟化物基本都被列入了PFAS范疇,對它們的全面管控正在逐漸推進。
而2015年左右,當全球光伏裝機因為中國的發力而進入一個新時代后,不含“氟”的背板路線,更是因為3A背板的開裂事故而被更多的人懷疑。
無“氟”不成背板,近五年來,氟背板幾乎一統江湖,只剩少數“環保”人士還在堅持。
“含氟”背板的應用和爭議一起爆發
從可靠性來說,“含氟”背板基本上已被光伏接受;從應用場景來說,如果不談雙玻,氟背板幾乎是全部;從體量上來說,2020年全球140GW左右的光伏裝機估計有100GW都是含氟背板組件;從趨勢上來說,一年一度的光伏聚合物國際大會發現,透明背板正在頑強地抵御著雙玻的侵蝕。
氟背板高歌猛進的同時,讓行業困擾和爭議的,是“含氟”材料的回收。
當光伏組件報廢,或者其它各種原因被廢棄的“含氟”背板材料需要處理時,行業普遍采用處理辦法是焚燒、裂解和填埋。此外在某些光伏電站火災事故中,背板材料也會因意外而偶遇“火災”。
氟元素隸屬于鹵族元素,含有劇毒。在光伏組件中,氟元素以氟碳化合物的形態存在,也就是我們常說的用于共擠背板的PVF、PVDF和用于涂覆型背板的氟碳涂料。
氟碳化合物具有異常堅固的化學結構,通常的掩埋處理方法或許在1000年內都無法降解該成分,成為一種新的白色污染;而如果降解,氟元素進入土壤同樣會造成大量污染。
采用焚燒處理,氟化物的毒性很大,焚燒產生的氟化氫氣體呈現無色有刺激性氣味,極易溶于水而腐蝕燒傷人體器官,足以致命。
據報道,2015年11月12日,杭州某組件代工企業內的員工午休時陸續有65名工人出現發熱、咳嗽、胸悶、頭痛及頭暈等癥狀。經過安監、環保、疾病預防控制中心等單位開展病因調查后發現,這次事故因現場焚燒光伏背板材料形成劇毒物質—氟化氫所致。
也有報道稱,之前已有過光伏電站著火后,救援人員產生氟化物中毒的案例。如果電站地處荒野,影響的可能只是空氣環境;如果是工商業、戶用屋頂、分布式電站,與人群近距離接觸,失火造成的氟化物中毒就會更嚴重。
而近年來一些氟材料和氟背板供應商聲稱已經找到了廢棄氟材料的處理辦法,對于含氟聚合物回收建議以“廢物再利用”的方式。
有研究提出,對背板邊角料進行共混改性,使背板中PET與改性劑發生擴鏈反應,PET分子量增加,抑制熱解,提高綜合性能;并在加工前對原料進行干燥處理,抑制水解。
改性劑的添加改善了PVDF與PET的相容性。未添加改性劑的造粒料表面粗糙,而添加了改性劑后的造粒料由于相容性更好了,表面更光滑。
改性擠出成粒子,再注塑成型,可注塑成管,環等,還可以改變顏色,開發更多更高附加值的產品。
但也有人認為,即便將氟材料回收利用,也沒有改變氟材料繼續存在于環境中的事實,既不能無休止的回收利用已經回收利用過的氟材料,也不能保證所有的氟材料都能進入回收利用環節。
含氟背板作為光伏輔材主流,卻飽受非議,在爭議中前行。
背板必須“含氟”嗎?
隨著光伏平價和雙碳時代的到來,光伏市場爆發已經毋庸置疑,此前20年GW級增長、翻番增長、年增數十GW新高等今后都會被不屑一顧,而最早商業化的組件也開始進入報廢階段。
當時間跨入21世紀第三個10年,關于背板“含氟”或“不含氟”又成為行業熱議的話題。
據報道,德國Fraunhofer太陽能研究所采用全生命周期評估,對光伏組件中存在的無氟和含氟背板材料的焚化和熱解方案產生的環境影響進行了比較分析,認為無氟背板材料的生命周期評估顯示出比氟化背板材料更好的環境性能。對于焚燒場景,在研究的12種影響類別中,有11種無氟背板的環境影響明顯好于氟化背板;同樣,對于熱解方案,在12種影響類別中的8種中,無氟背板的環境性能要比氟化背板好。此外,氟化背板處理過程會釋放出大量的氟化氫,并且在熱解產物中存在鹵代烴和鹵代芳族化合物。
對“含氟”的無奈,對“不含氟”的關注和期待,就像含氟背板的市場需求一樣在增長。
當光伏進入戶用,變成一種消費品時,非專業的消費者會不停地問:背板必須含氟嗎?
當初選擇含氟背板,最大的原因是出于長期可靠性性能,在沒有合適的可替代材料時,在含氟背板被25年實證后,在光伏市場需求太小而不被關注的情況下,“含氟”成了必須。
如今時過境遷,當含氟背板面對越來越多的消費者,越來越高的雙碳目標,越來越被重視的環保需求時,人們必然要問,那些被忽略的不含氟背板,研究得怎么樣了?
事實上, “非氟”背板滿足常規的性能測試早就沒有問題,而如果再能夠滿足25年的可靠性要求,背板也不是非得含“氟”不可。
過去,終端客戶對“非氟”背板有懷疑,其實就像懷疑用PVDF、PTFE來替代PVF一樣,新的材料都差了一步:戶外實證。而當PVDF和PTFE度過了最初了5-10年,行業也就基本認可了這兩種替代材料。
事實上,“非氟”背板曾經也只差一步。由于“非氟”也有不同的路線,2015年左右,已經推廣了五年左右的3A背板突然被爆出電站應用大規模開裂,讓“非氟”背板路線遭遇當頭棒喝。
過去,人們不敢用“非氟”背板,有一種擔心是那些建在大西北、荒漠中的大型地面電站,“非氟”背板承受不了那樣大氣候惡劣。
事實上,隨著光伏應用場景的普及和多元,溫帶地區、氣候適宜地區、平原地帶、分布式應用等對背板的耐候性能要求并不一定很高。
有專家認為,差異化應用場景可以選用不同類型的背板,適用就行,不同氣候條件對背板的可靠性要求可以不一樣。
據了解,盡管3A“非氟”背板退出了歷史舞臺,但荷蘭帝斯曼公司在經過對尚善新材料的APE結構背板進行測試、跟蹤和綜合評估后,依然決定在2017年收購尚善進軍“非氟”背板領域,并以“綠色環保”為賣點在歐洲市場占了一定份額。
此前一直致力于高抗紫外PET材料的日本背板企業,如東麗、富士,盡管感受到了在地面電站應用中推廣“非氟”背板的阻力,但其“非氟”背板在日本等一些氣候溫和地區依然占領了一席之地。
在中國,隨著環保、綠色、可回收的呼聲越來越高,越來越多的人也開始關注“非氟”背板。
早期有后被DSM收購的蘇州尚善新材料,推廣其APE結構背板;2013年起一直以含氟背板為主導的明冠新材料,也開啟了其BO系列“非氟”背板的業務,據稱已經深得歐美客戶青睞;2017年底,專注于“非氟”背板的浙江中聚材料有限公司成立。
結語
全球光伏裝機市場爆發在即,退役組件也開始規模性地增加,對光伏廢料如何處理的課題在全球都在開展。背板究竟應不應該含“氟”,這個問題一直困擾著我們。或許含不含“氟”并不是重點,怎么保證背板材料最大限度的回收,盡量不給環境造成污染才是我們應該思考的問題,畢竟,光伏是新能源行業,它的發展不應該違背我們的初衷。
