新能源产业化：清洁高值利用的探索

发布时间：2024-11-28 01:17

企业应执行'清洁生产'，提高资源利用率 #生活常识# #环保节能技巧# #节能减排法规#

走好新能源产业化发展的最后一公里：

清洁高值利用

近年来，我国新能源产业快速发展，动力电池、光伏等新能源设备大量应用，装机规模稳居全球首位。随着产业加速升级和设备更新换代，新能源设备迎来批量退役浪潮。新能源废料的物质组成与对应产品相同，因而含有多种有价组分，资源回收价值极高，但组元间结合方式多样、赋存特征复杂、环境危害大等特征为新能源废料资源循环工艺绿色设计与制造带来了难题。资源供给与环境安全是新能源行业可持续发展的关键，在原材料对外依存度高、价格波动、污染物严格管控等背景下，推动二次资源循环清洁利用是实现这一目标的重要抓手。因此，新能源废料清洁高值化利用技术的突破将有利于防范化解原材料供给风险，对保障国家资源安全、生态安全和助力“双碳”目标实现具有重要战略意义。

秦冰

中石化集团公司高级专家

教授级高级工程师

新能源产业化所遇到的难题

新能源是相对传统能源来定义。从大的宏观发展角度来看，人类发展已经经历了三次工业革命，我们目前正在经历第四次工业革命。前三次工业革命中能源驱动由煤向石油、电力转变，其中的电力也主要依托不可再生的化石能源经过一次加工获得。因此，总的来说，前三次工业革命的能源载体未发生本质的变化，均以不可再生的化石能源为主。历经百年的化石能源开发和利用，不仅带来了化石能源消耗危机，还产生了全球生存环境劣化的风险。随着不断开采，不可再生的化石能源储量越来越少，开采场景越来越复杂。此外，化石能源消耗的最终产物为二氧化碳，伴随着化石能源的消耗进入环境体系的二氧化碳不断累积，造成全球气候变暖。从2000年起，全球科技创新进入空前密集期，在能源驱动领域产生的以清洁技术可持续为目标的新技术正在引发全球能源变革。能源转型使得工业国家的能源依赖从传统能源逐渐转向关键矿产。与传统工业依靠石油、煤炭驱动不同，低碳时代新工业的矿物密集型特征更加突出。随着风电、光伏、动力电池等新能源产业化技术的不断成熟，世界各国均已开启新能源技术的商业化推广。与风力发电设备不同，光伏太阳能板以及用于新能源汽车的动力电池不仅应用体量大，其退役产品占据新能源废料的80%左右，而且资源化利用存在技术壁垒，面临拆解、分离以及污染控制的技术难题。

▲不同时期对于能源驱动主体的创新需求

新能源废料的组成特征

新能源废料作为一类典型的人造矿物，具有与原始产品相同的物质组成。以下以废旧锂离子电池和退役晶体硅光伏板为例，展开介绍其物质组成：

（1）废旧锂离子电池的组成

通常而言，从新能源汽车上拆解下的废旧动力电池为电池包。电池包的组成可以分为四个层级，分别是单体电池、单体电池包、单个模组、单个电池包，其中单体电池是废旧动力电池的最基本组成。单体电池主要结构包括电池壳和电芯，其中电芯包括正极、负极、隔膜、集流体和电解液。

▲圆柱型锂离子电池结构示意图

（2）退役晶体硅光伏板的组成

标准晶体硅太阳电池的厚度约为200μm，太阳电池之间由铜焊带连接，电池表面的绝缘封装材料通常采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）来粘合电池、表面玻璃板及背板。目前比较传统的晶体硅光伏组件制作工艺是以复合氟塑料膜（TPT）或玻璃板材作为基板，太阳电池的两面用切割好的EVA敷好，进行层压；在真空环境下加热至一定温度后，EVA发生熔化；当温度降至150℃时，EVA固化，从而将太阳电池紧密固定，形成一种“三明治”结构。EVA是一种热熔胶黏剂，用于上盖玻璃板和背板与晶体硅太阳能电池片的粘合。在熔融状态下，EVA与晶体硅太阳电池片、玻璃、TPT间产生粘合，在这过程中既有物理也有化学的键合作用。光伏焊带又称为镀锡铜带，用于光伏组件电池片的链接。晶硅光伏组件中的钢化玻璃主要成分为二氧化硅，其主要起着网络形成体的作用，其用量占据玻璃组分中的一大半。

▲晶体硅光伏组件结构示意图

新能源废料带来的环境问题

新能源废料含有多种重点防控金属以及难降解有机物，如果不加管控和处理直接堆存，将会导致严重的环境污染，危害人体生命健康。无论是废旧电池还是退役光伏组件，其均含有多种有毒有害物质。退役晶体硅光伏板含有铅、锡、镉等具有较高浸出毒性的重金属，废旧动力电池含有镍、铜、锰、钴等二类重点防控重金属以及有机氟/磷电解液、碳酸二甲酯等酯类废有机溶剂，释放到环境中后会对生态环境造成严重污染。这些物质在环境中暴露后可以通过各种途径进入人体内，长期积累难以排除，损害身体健康。此外，组成光伏板的有机封装胶膜、接线盒等聚合物的焚烧又会释放二氧化硫、氟化氢等有毒有害气体；退役动力电池的高残余能量也会产生爆炸风险。

▲随意堆存的废旧动力电池和光伏板的环境危害

新能源废料清洁高值化利用的重要意义

（1）新能源废料的清洁高值化利用与全球能源转型关键原材料的供应息息相关。能源转型使得工业国家的能源依赖从传统能源逐渐转向关键矿产。与传统工业依靠石油、煤炭驱动不同，低碳时代新工业的矿物密集型特征更加突出。清洁能源相关产业需要投入大量特定矿产，供需不匹配问题已是迫在眉睫。首先，能源转型所需的原材料对多种关键矿产的依赖程度极高，包括稀土元素、铜、镍、锂、钴、锰、石墨、硅和铂族元素等。因此，发展循环型关键原材料产业，将回收利用整合到价值链可以有效减轻初级供应压力。

（2）新能源废料的清洁高值化利用对保障国家生态、健康，助力“双碳”目标实现具有重要意义。新能源设备的批量退役将产生大量新兴固废，而大部分新兴固废都含有类似有毒有害组分，如晶硅组件中含有的铅、锡，锂电池含镍等物质，如果处理不当将对生态环境造成不可逆转破坏。因此，如何避免新能源产业“爆发式增长”带来的关键资源供应风险和“爆发式污染”的隐患，值得警惕。

（3）新能源废料的清洁高值化利用具有巨大的经济和社会效益。若能全量回收，到2030年，可从废弃光伏组件中得到145万吨碳钢、110万吨玻璃、54万吨塑料、26万吨铝、17万吨铜、5万吨硅和550吨银。据测算，到2050年废旧光伏板回收的累积经济价值将达到1060亿元。

结语