据估计,在国外,每千克太阳能级多晶硅会产生10千克～15千克四氯化硅,通过氢化还原闭环工艺循环后,四氯化硅的排放量仍然高达5千克～l0千克。按10千克来算,2010―2011年就算只有50%的计划产能实现,会有近80万吨的四氯化硅产出。届时由四氯化硅引发的的环境污染难道还由政府和公众埋单么?
抽言:“外包”人员多数是依靠偷倒的方式来处理四氯化硅。各地调查表明,多晶硅企业倒贴钱将四氯化硅“外包”给这些人员,往往造成四氯化硅污染在空间范围上的大面积转移和扩散。
在当今油价飞涨、地缘政治不稳定、环境污染和全球气候变暖的背景下,越来越多的国家将新能源作为能源发展的重点,力图寻求充足、价廉、安全的能源以及更加有效的使用方式,以满足社会需求并支持本国经济的发展。
新能源不用燃油烧煤,不排放二氧化硫、二氧化碳等气体,非常环保而且前景无限。以光伏为例,其发电过程不消耗资源,不排放温室气体,不存在机械磨损,发电设备既能安装在无水的荒漠地带,也可安装在城市的屋顶和墙面。太阳能更是取之不尽,用之不竭,光伏电池制造所需的硅资源在地壳中的含量也高达26%,没有资源短缺和耗尽问题……这些都给新能源套上了“救世主”的光环。
但是,如果开发利用新能源的设备在其生产过程和回收处理中污染严重,要再让人相信新能源无污染就强人所难了。尽管太阳能光伏是新能源,但其原料多晶硅的生产过程却高能耗、高污染。据了解,生产多晶硅会产生四氯化硅等剧毒污染物,同时,从生产工业硅到太阳能电池的全过程综合电耗约220万千瓦时/兆瓦。而我国太阳能电池98%用于出口,相当于大量输出紧缺的能源。因此,截至目前为止,我们在承担太阳能电池的环境以及能源成本的时候,几乎并没有享受到太阳能发电的绿色和便捷。
多晶硅电池污染嫌疑
惹人愁:生产技术不过关
晶体硅材料(包括多晶硅和单晶硅)是最主要的光伏材料,占据了全球光伏发电市场85%左右的份额,在今后相当长一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅,然后从其熔体中生长出棒状单晶硅。因此,多晶硅可以说是整个太阳能电池产业的“命脉”。
按纯度要求不同,多晶硅分为电子级和太阳能级。在光伏产业中,多晶硅的生产工艺主要有西门子法/改良西门子法、硅烷热分解法、流化床法以及区域熔炼法。其中,采用改良西门子法供应的太阳能级多晶硅占全球太阳能级多晶硅供应量的70%～80%。目前,国内绝大部分多晶硅生产都采用改良西门子技术的第一代工艺,这种高耗能工艺最后形成的产品有两种:高纯硅和四氯化硅。
技术瓶颈使四氯化硅成为多晶硅产业的老大难问题。当前国际上回收或处理四氯化硅主要有3条途径,但都不是特别成功。例如,在生产过程中增加氢化车间,对四氯化硅进行循环利用。这种方法在国外处理得不错,但四氯化硅并不能完全有效地解决,转化率只能达到34%;国内因为技术不过关,转化率更低,没有产业化的价值。因此,国内企业对四氯化硅的处理处置很成问题。
引人忧:产能过剩
自2005年始,在强烈的市场需求拉动下,多晶硅市场价格持续走高,从2005年的66美元/千克一路暴涨到2008年初的450美元/千克。据学者不完全统计,在高额的行业利润的刺激下,国内多晶硅项目也在2007年前后集中上马,产能呈几何级数增长。这些项目规划时间集中在2007和2008年,量产时间集中在2010年和2011年,设计产能合计将达到153900吨(不完全统计)。据估计,在国外,每千克太阳能级多晶硅会产生10千克～15千克的四氯化硅,通过氢化还原闭环工艺循环后,四氯化硅的排放量仍然高达5千克～l0千克。如果国内按10千克来算, 2010―2011年就算只有50%的计划产能实现,也会有近80万吨的四氯化硅产出。这么多的四氯化硅如何处置?届时由四氯化硅所引发的的环境污染问题难道还是由政府和公众埋单么?
同时,多晶硅是高耗能产业,按国内平均水平,生产1千瓦的太阳能电池需要10千克多晶硅,耗电5800～6000度,为世界先进水平的2～3倍。于是电耗成为多晶硅生产的重要成本。我国中西部地区有着丰富的煤电、水电资源,受低廉电价的吸引,近年来多晶硅生产企业开始逐渐向中西部地区转移。数据显示,我国东、中、西部多晶硅计划产能依次递增,西部比东部和中部的总和还多4500吨。2009年1月的《中国国家地理》指出,西南地区建立在廉价水电基础上的高耗能、高污染产业已给当地的环境和社区带来了严重影响,这些产业当中就有多晶硅。
薄膜太阳能电池陷重金属污染质疑
从当前国际太阳电池的发展过程中看,其趋势大致为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料。而最后的“薄膜材料”(薄膜电池)正是业内对以单晶硅和多晶硅为主原料的太阳能电池的更新换代。据了解,目前国际上进行产业化生产的薄膜电池主要有3种,分别是硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池(CIGS)、碲化镉薄膜太阳能电池(CdTe)。国内企业主要在做前两种,而后一种技术被美国First Solar公司所垄断。
虽然薄膜太阳能电池具有生产成本低、污染小等显著特点,而且一些薄膜电池中已经彻底放弃了对多晶硅的应用,从而解决了多晶硅生产中存在的污染问题,但薄膜太阳能电池还必须面对外界对重金属污染的质疑。例如,碲化镉薄膜太阳能电池中的镉污染。该种电池在美国得以推广,是因为First Solar公司提供了全套的回收模式,并成立了专项基金,保证每一块电池组件在到达使用寿命后能够由专业人员进行回收处理,但国内是否有这样的监管环境和机制,企业是否也已建立了这样的回收模式呢?按照目前国内光伏企业与地方签订投资协议,在批或在建的G级甚至10G级规模的薄膜太阳能电池发电项目,在享受“零”碳排放和清洁能源的时候,会造成多少重金属污染呢?
此外,当前各地积极开展的太阳能光伏发电项目,不仅缺乏常年充足的阳光资源,也缺乏充足的土地供应。如果不是在沙漠之类的生态系统薄弱区开展,很有可能人为造成当地生态系统的退化,形成人工沙漠,因为太阳能光伏发电与植物争抢太阳光。如果这样的项目成功运营,所造成的脆弱的生态系统和多少城市的“宜居城市”口号会有矛盾呢?
污染解除关键
在新能源的开发利用中产生的污染,其实都是可以解决的,这些新能源都能做到环境友好。未来多晶硅的生产必然是向低成本、低污染、副产物可循环利用,生产工艺简短的方向发展,解除污染的关键在于以下几个方面。
重视关键替代技术的研发
生产技术相对落后,是我国多晶硅行业面临的一大难题。我国企业普遍采用改良西门子法等生产技术,相比欧美国家的先进技术,还有较大差距。
技术劣势带来过高的生产成本。我国企业的生产成本普遍在70～100美元/千克,而技术领先的欧美企业,生产成本仅为25～30美元/千克。国际市场多晶硅价格从最高的450美元/千克左右,“跳水”至如今的60美元/千克左右,当欧美企业仍有高额利润可赚时,我国多晶硅企业已经难以承受价格波动风险。
虽然我国多晶硅产能过剩,但由于生产工艺成熟度和稳定性差,我国许多光伏企业却“不敢”购买国内的多晶硅产品,还大量依赖进口。
提高全行业的技术水平,进而提高综合竞争力,是多晶硅行业健康发展的关键。多晶硅材料的生产技术长期以来掌握在美、日、德3个国家7个公司的10家工厂手中,形成技术封锁、市场垄断的状况。由于欧美发达国家对先进多晶硅生产技术严格封锁,加大研发投入、重视关键替代技术的研发成为我们的唯一选择。
解决企业缺乏环境责任的问题
其实,除了技术瓶颈外,多晶硅企业缺乏环境责任是造成该问题的另一主要原因。氢化车间可以降低四氯化硅的一部分毒性,但据专家测算,增加了氢化车间的多晶硅企业,其生产成本将提高30%左右。
为了保持在市场上产品的价格竞争优势,国内大多数的多晶硅企业没有增加氢化车间对四氯化硅进行无害化处理,而一般采取以下两种方式处理:一是在厂区建立专门的储罐片区存放四氯化硅;二是干脆深埋、乱倒,或者贴钱将四氯化硅“外包”给不法人员,任其处理。
对于前一种处理方式而言,据前文的分析,将产生近80万吨的四氯化硅,这意味着多晶硅生产企业必须具备足够的场地和容器才能储藏日益增长的四氯化硅。从目前情况看,部分企业在缺乏这些条件和有效监管的情况下,就会将难以储存的四氯化硅就地深埋。较之于容器储存,这是一种低成本储存方式。但由于四氯化硅的强腐蚀性和急毒性,将造成周边土壤和地下水系的毁灭性污染。
对于后一种方式而言,“外包”人员多数是依靠偷倒的方式来处理四氯化硅。各地调查表明,多晶硅企业倒贴钱将四氯化硅“外包”给这些人员,往往造成四氯化硅污染在空间范围上的大面积转移和扩散。
因此,促使多晶硅企业的环境信息公开、加强媒体、公众和非政府组织等的监督,给地方政府和多晶硅企业以舆论压力,因而具有打破地方政府依赖、激活组织互动的“鲶鱼效应”,使多晶硅企业不得不考虑污染行为的后果,实现利益相关者之间的利益平衡。
解决地方政府缺乏环境责任意识的问题
除了企业缺乏环境责任外,一些地方政府同样缺乏环境责任意识。多晶硅是一个研发投入大、工业增长率高、产业层次高的行业。1000吨级的多晶硅项目至少需要10亿元投资,这会增加地方GDP和财政收入,也有利于官员实现政绩提升。在这种情况下,地方政府规制的动力减弱,一些官员甚至成了多晶硅的代言人,河南某市就出现了环保官员带头跑环评的现象。
在全球发展低碳经济的大背景下,新能源成为越来越热的话题。其中关注最多的包括风能、太阳能等的利用,这些能源的利用方兴未艾,投资前景看好。但面对任何一项新技术或新能源的利用,我们都应该本着科学的态度,从正反两个方面全面看待,合理开发、合理利用,使新能源和新技术真正造福于人类。
链接1:
四氯化硅是多晶硅生产的主要副产物,目前不是典型的化工原料。它是一种腐蚀性极强、难以保存的有毒液体,具有急毒性,遇潮湿空气即分解成硅酸和剧毒气体氯化氢。四氯化硅的浓度即使很低也会使人出现咳嗽、胸闷、头晕等症状,高浓度的四氯化硅会引起角膜混浊、皮肤组织坏死,引发呼吸道炎症甚至肺水肿。由于四氯化硅不能自然降解,如果将四氯化硅倾倒或掩埋,水体将会受到严重污染,土地会变成不毛之地。
链接2:太阳能利用
全球太阳能经济可开发量为6000亿千瓦,我国太阳能资源也非常丰富,目前对太阳能的直接利用主要有热利用和光利用,且主要用于发电。其中,光伏发电近年来发展最快,政府大力扶持和光伏发电系统成本不断下降是其高速发展的主要驱动因素。
太阳能光伏发电是利用半导体的光电效应制成太阳能电池,将照射到太阳能电池上的太阳光直接转化为电能的固态发电技术。目前主要有晶体硅和薄膜两种太阳能电池技术。晶体硅电池优点是技术成熟、转换效率高(14%～22%)、应用广泛。薄膜电池是在低成本的玻璃、塑料、不锈钢等基板上沉积形成很薄的感光材料从而实现光电转换,优点是成本低、弱光性能较好;缺点是转化率低(5%～11%)、技术复杂、良品率较低、稳定性不高。
陈平:《环境保护》杂志记者