可再生能源并非“零影响”：威立雅、First Solar等企业直面风电光伏环境挑战

可再生能源因其在应对气候变化中减少温室气体排放的能力而备受推崇，但这并不意味着它们对环境毫无影响。美国能源信息署（EIA）的预测显示，到2050年，美国可再生能源发电占比将从2018年的18%升至31%。随着装机容量增长，其环境影响规模也在扩大，行业与公众对这些挑战的认识亦随之加深。

当前受到最多关注的环境问题包括：部分光伏电池生产过程中产生的有毒物质与废水；太阳能和风电项目引发的土地利用变化及野生动物栖息地破坏；以及光伏板和风机叶片面临的重大回收与处置难题。

圣何塞州立大学环境研究教授Dustin Mulvaney曾围绕太阳能环境标准开展研究与咨询。他认为，可再生能源确实存在环境影响，并非完美无缺，但总体而言，它们对环境仍优于其他发电形式——不仅从排放角度，从生命周期其他环节看也是如此。尽管如此，太阳能和风能不应享有“绿色光环”式的豁免。Mulvaney表示：“有一种论调认为，该行业的排放与其他能源相比微不足道，因此无关紧要——这一直令人沮丧。如果我们不加关注，随着规模扩大，这些问题将会显现。”

“我们不想为了安装太阳能而砍掉产果或产粮的树木，但我们必须审视土地的价值与用途，以及如何对此进行核算。”

Vasilis Fthenakis
哥伦比亚大学地球与环境工程系生命周期分析中心主任

不过，可再生能源行业正加大力度清洁生产并回收材料，研究人员和第三方认证机构也在推动问责。例如，绿色电子委员会（GEC）和NSF International在过去一年内发布了新的太阳能生态标准，评估再生含量等指标，不仅针对光伏板本身，也涵盖太阳能逆变器。近期，它们还将光伏板和逆变器纳入EPEAT生态标签注册体系，为制造商提供努力方向，并帮助采购方识别最具可持续性的产品。

太阳能行业协会（SEIA）标准与规范高级总监Evelyn Butler表示：“我认为（过去五年）我们取得了进展。我们不回避回答这些问题。”SEIA正鼓励其1000家会员企业达到纳入新EPEAT标准的要求。

以下深入探讨太阳能和风电利益相关方正努力直面的部分挑战，以及一些潜在解决方案。

制造副产物

根据制造设备和技术的老旧程度，光伏生产过程中可能产生危险副产物，包括四氯化硅、硅烷、氢氟酸以及大量需要处理的酸性和碱性废水。

哥伦比亚大学地球与环境工程系生命周期分析中心创始人兼主任Vasilis Fthenakis早年便研究了这些问题。2003年，他开始领导布鲁克海文国家实验室新成立的国家光伏环境、健康与安全中心。该中心因早期研究而备受赞誉，这些研究为太阳能生产设施的环境健康与安全树立了黄金标准。

Fthenakis表示，随着意识提升和技术进步，制造问题已随时间改善。First Solar便是技术进步的例证之一，其在俄亥俄州、马来西亚和越南的工厂年产能达5.7吉瓦。据该公司全球可持续发展总监Andreas Wade介绍，First Solar不再使用多晶硅，而是采用碲化镉（CdTe）生产光伏板——这是铜矿开采的废副产物。Wade称：“由此产生的废料极为有限。”在薄膜CdTe技术中（铜铟镓硒CIGS是另一种），沉积在玻璃上的半导体材料厚度为3微米，而行业典型厚度为160微米。此外，First Solar在生产过程中循环利用废水，最终处置前会通过离子交换（去除工艺中固有的重金属）和反渗透进行进一步净化。

总部位于新加坡的Maxeon Solar Technologies于8月从美国SunPower分拆而来，其首席运营官Markus Sickmoeller表示，公司找到了处理废水的另一途径。其制造工艺使用氢氟酸进行表面蚀刻，而氟化物处理较为困难。Sickmoeller说：“处理产生的污泥出售给混凝土制造商，因为氟化物残留可使混凝土更优质。我们尽可能对更多物质采取此类做法。”

研究人员指出，太阳能行业的制造努力在减少环境影响方面已见成效。Fthenakis表示：“在生产环节，情况已有所改善。我没有看到环境健康与安全方面出现退步。”

对动物与土地的影响

在运行发电期间，光伏板和风机常因土地利用和野生动物影响而受到审视。Fthenakis说：“我们不想为了安装太阳能而砍掉产果或产粮的树木，但我们必须审视土地的价值与用途，以及如何对此进行核算。”

农光互补——即同一土地同时用于太阳能发电和农业——已帮助缓解部分土地担忧，并为太阳能开发赢得公众好感，尤其是在更习惯农耕的乡村地区。这类模式通常涉及在太阳能电站放牧绵羊和培育传粉昆虫栖息地。美国国家可再生能源实验室（NREL）预计，到2030年此类用地将覆盖美国300万英亩，到2050年达600万英亩。

在水面而非陆地开发“漂浮式太阳能”是另一条探索路径，旨在减少对土地砍伐和野生动物栖息地丧失的担忧。今年，挪威政府所有的Statkraft AS——欧洲最大的可再生能源生产商——正在阿尔巴尼亚的班亚水库开发一个耗资240万美元、装机容量2兆瓦的漂浮式太阳能项目。

随着试点项目启动，主要问题之一将是如何评估承载漂浮式太阳能板的大型膜片对下方藻类生物及生长的影响。Statkraft高级环境顾问Bjørn Iuell表示：“我认为主要目的是看看能否利用这些大型水库增加电力生产。任何能改善条件或为水库带来附加价值的措施都是有益的。”

“如今我们拥有数十亿块光伏板，人们逐渐意识到，总有一天我们必须处理这些板子变成的废弃物。我们不想陷入第二次电子废弃物危机。”

Andreas Wade
First Solar全球可持续发展总监

除土地利用变化外，可再生能源还可能干扰野生动物栖息地。一个备受关注的影响是风机对鸟类的作用，Statkraft最近在这方面看到了有前景的研究成果。2013年估计，风机叶片撞击每年导致14万至32.8万只鸟类死亡。尽管这一数字远低于建筑物、车辆和高压线碰撞造成的数亿只死亡，但对特定种群的局部影响可能显著。

Statkraft的Smøla风电场是挪威最大的风电场之一，68台风机分布在7平方英里范围内，周边栖息着45至50对白尾海雕繁殖对。每年平均有6只白尾海雕因撞击死亡。这种翼展达8英尺的猛禽死亡事件加剧了挪威国内对风电的反对。

Statkraft已投入450万美元用于减少鸟类撞击的研发，历时超过10年，使用了从GPS到雷达再到视频监控等多种工具。Statkraft还尝试了紫外线涂层试点，希望这种人类不可见的涂层能被猛禽察觉并使其远离风机，但Iuell称该试点“不太成功”。

今年公布结果的一项更有前景的研究，是在Smøla每台受测风机上涂黑一片叶片，以期减少鸟类视野中的“运动模糊”。Statkraft于2013年开始涂装，耗资7.5万美元。研究人员发现，对比涂装的风机鸟类死亡率降低了72%，且未记录到白尾海雕死亡。

尽管结果看似积极，Iuell并不满足。他说：“看到这一简单措施能降低鸟类死亡率，我本应非常高兴。但这尚未得到证实。研究指出，该结论需要重复实验以验证是否具有地点和物种特异性。”荷兰和南非的开发商已表示有兴趣开展类似实验。

处置挑战

受到最多审视的问题或许是废旧光伏板和风机叶片的回收与处置。国际可再生能源署预测，到2030年全球光伏板废弃物总量可能达800万公吨，到2050年将增至近8000万公吨。光伏板预期寿命为25至30年。风机叶片可使用长达20年，但常在使用一半时间后就被拆除，以更换更新、功率更大的型号。大量废弃物只能填埋，随着更多板和叶片接近寿命终点，寻找回收方案的压力日益增大。

First Solar的Wade表示，回收“是行业未来增长的关键决定因素。过去五年情况已发生变化。如今我们拥有数十亿块光伏板，人们逐渐意识到，总有一天我们必须处理这些板子变成的废弃物。我们不想陷入第二次电子废弃物危机。”CdTe的价值足够高，First Solar将回收设施设在其制造工厂旁，可回收高达95%的半导体材料和90%的玻璃以供再利用。

对风电和太阳能而言，多种材料的混合增加了回收难度。2018年，总部位于巴黎的威立雅环境集团北美分部威立雅集团首次收到关于回收风机叶片的咨询。威立雅分析材料后发现，其中混合了玻璃纤维、碳纤维、木材、金属、泡沫和塑料。威立雅集团首席运营官兼环境解决方案与服务执行副总裁Bob Cappadona表示：“混合材料是最难回收的。这正是我们面临的挑战。”

该公司开始对位于美国的叶片进行破碎、切割和研磨，评估其热值以寻找其他潜在应用。威立雅发现热值不够稳定，难以作为垃圾发电来源。最终，管理层设计出机械工艺，将巨型叶片研磨成粉末。他们现在将处理后的材料提供给石灰窑和水泥行业，作为燃料或材料替代品。威立雅现场每天处理60至70片叶片，目前年处理量达数百片，预计未来几年将增至数千片。

运输长达150英尺的叶片是一大挑战。为此，威立雅正在“美国中部多个地点”建设处理能力。Cappadona说：“与其他大宗商品一样，仍有工作要做。我不认为目前这是适合所有人的万能解决方案。”

“一旦所有人都达到10%的再生玻璃含量，就将标准提高到20%，目标是降低光伏板的碳足迹和整体排放。这是一个宏观的循环经济愿景。”

Dustin Mulvaney
圣何塞州立大学环境研究教授

从长远看，NREL的研究人员近期证明，使用更便宜、更轻的材料制造风机叶片可提高其可持续性。在发表于《可再生能源》期刊的研究中，研究人员展示了使用热塑性树脂（而非典型的热固性树脂）的可行性。目前，风机叶片主要由玻璃纤维等复合材料制成，并注入热固性树脂。热塑性树脂可熔回液态树脂并用于制造新叶片，从而使回收更具可行性。

太阳能行业同样面临寿命终结问题，并正为即将到来的旧板浪潮做准备。SEIA的企业社会责任委员会下设回收工作组，正与拥有1000家会员的B2B太阳能行业交流网络EnergyBin合作，以加强光伏板再利用市场。

该协会还与不同地区的回收商合作，包括威斯康星州的Dynamic Lifecycle Innovations、得克萨斯州的Echo Environmental、明尼苏达州的Cascade Eco Minerals、俄亥俄州的Cleanlites Recycling以及俄勒冈州的Green Century。这些合作伙伴目前正在积极回收光伏组件，并准备扩大未来产能。Butler表示，这种前瞻性“在回收行业并不常见。通常回收基础设施是因强制要求而建。我们正在说，‘让我们主动行动。’”

新的EPEAT太阳能标准为含有10%再生玻璃含量给予加分。Mulvaney表示，这将激励企业使用更多再生玻璃，从而在EPEAT注册中获得更高评级。他说：“通过要求再生含量，你为堆积在垃圾填埋场的材料创造了市场。但我们如何用更少的化学品、更少的铅和镉来制造？我希望标准能逐步提高要求。一旦所有人都达到10%的再生玻璃含量，就将标准提高到20%，目标是降低光伏板的碳足迹和整体排放。这是一个宏观的循环经济愿景。”