光伏减排新路径：融合绿电与低碳材料实现全价值链深度脱碳

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Pathways to Decarbonise PV Deployment via Incorporating Renewable Electricity and Low-Emissions Materials in Fabrication

本文聚焦光伏产业深度减排的迫切需求，研究者们提出了一种分步式脱碳路径。通过在生产中采用可再生能源和低碳/循环材料降低制造环节的蕴含排放，并优化部署策略以提升全生命周期发电量，最终将光伏电力的碳足迹降至<1 gCO2-eq/kWh，为最大化光伏的气候效益提供了系统性解决方案。

　　

在全球应对气候变化的紧迫背景下，能源系统的绿色转型是核心任务。太阳能光伏(PV)作为增长最快的可再生能源之一，已在全球许多地区实现“电网平价”，成为低成本快速脱碳的主力军。然而，一个常被忽视的事实是：光伏系统自身的制造过程仍会产生相当的温室气体排放。当前，公用事业规模光伏的碳排放强度约为10–36 gCO₂-eq/kWh，虽然远低于煤电的约800 gCO₂-eq/kWh，但仍存在巨大的减排潜力。据分析，光伏制造总排放的38%源于电力消耗——即发电环节的化石燃料燃烧。随着全球光伏累计装机在2024年突破2太瓦(TWp)，年新增装机预计在2030年达到1 TWp，其供应链的“绿色化”对于最大化光伏的气候效益、确保其成为真正的超低碳能源变得至关重要。为此，研究人员在《Advanced Energy and Sustainability Research》上发表研究，系统探索了如何通过整合供应链与部署优化，将光伏电力的碳排放强度降至1 gCO₂-eq/kWh以下的可行路径。

为开展此项研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 1.
   发电量模拟：使用Sunsolve-Yield软件和NREL的典型气象年(TMY3)数据，模拟了不同地理位置（纬度1°至60° N）和三种支架系统（固定倾角FT、东西向EW、单轴跟踪SAT）下光伏系统的直流发电量。
2. 2.
   生命周期评估(LCA)与排放计算：基于一个30兆瓦光伏电站的案例研究数据，计算了光伏系统关键材料（如多晶硅、银、玻璃、铝等）的消耗率及其全球变暖潜能值(GWP)排放强度。蕴含排放和有效排放的计算涵盖了材料和制造阶段。
3. 3.
   情景定义与路径分析：建立了从基线情景(S0)开始的分步脱碳情景，依次分析使用低碳电力(S1)、循环材料(S2a)和绿色材料(S2b)对降低蕴含排放的影响，并结合支架优化、组件衰减率降低和效率提升来评估对全生命周期有效排放的削减效果。

研究结果

3 按系统规模计的蕴含排放

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  3.1 情景0 (S0) – 基线情景与蕴含材料排放：研究以在澳大利亚珀斯部署的双面硅组件和固定倾角(FT)地面支架系统作为基线。计算显示，该系统每峰瓦(Wp)的蕴含碳排放为490–638 gCO₂-eq/Wp。其中，硅材料因高能耗其排放最高（180-300 gCO₂-eq/Wp），铝和玻璃次之。支架系统中的钢材和混凝土是排放主要来源。分析指出，总排放的38.2%来源于制造材料所需的电力消耗。
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  3.2 情景1 (S1) – 低碳电力：假设所有材料制造用电均替换为排放强度为27 gCO₂-eq/kWh的光伏电力，可使蕴含碳足迹减少219–226 gCO₂-eq/Wp，降幅达35%-44%。硅、银、铝、铜等高能耗材料的减排效果尤为显著。
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  3.3 情景2a和2b–使用循环(S2a)与绿色(S2b)材料：在S1基础上，进一步使用循环材料（可减少金属等材料60%以上排放）和绿色材料（如绿色钢铁、绿色混凝土）。结合光伏电力和循环材料(S2a)，蕴含排放可降至125–152 gCO₂-eq/Wp，较基线下降75%-76%。再结合绿色材料(S2b)，可再减10–21 gCO₂-eq/Wp，总降幅达77%–79%。不同支架（FT、EW、SAT）间的初始排放差距也因此大幅缩小。

4 生命周期内的有效排放(gCO₂-eq/kWh)

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  将最优脱碳情景(S2b)的蕴含排放除以系统30年寿命期的发电量，得到有效排放。尽管东西向(EW)支架的蕴含排放低，但其有效排放(2.49 gCO₂-eq/kWh)比发电量更高的单轴跟踪(SAT)系统(2.08 gCO₂-eq/kWh)高20%，表明提升发电量是降低有效排放的关键。
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  通过采用高发电量的支架系统、将组件年衰减率降低至-0.3%/年（结合热管理以延长寿命至50年）、以及将组件效率提升至30%等协同措施，可大幅增加全生命周期总发电量，从而进一步降低有效排放。
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  最终，将上述超低碳光伏电力（低于1.5 gCO₂-eq/kWh）回用于制造新的光伏组件，替代之前情景中使用的27 gCO₂-eq/kWh光伏电力，可实现闭环脱碳。此情景下，单轴跟踪(SAT)系统的有效排放可降至<1 gCO₂-eq/kWh。2-eq/kWh.">

研究结论与重要意义

本研究提出并验证了一条系统的、分步实现光伏电力深度脱碳的可行路径。其核心在于双管齐下：一方面，在制造端通过采用可再生能源电力、循环材料和绿色替代材料，大幅降低光伏系统自身的“蕴含排放”；另一方面，在部署和运行端通过优化支架选型、降低组件衰减、提升转换效率，最大化其全生命周期的发电量，从而摊薄每度电的“有效排放”。

这项研究的重要意义在于，它突破了仅关注光伏运行阶段零排放的传统视角，将减排边界扩展至整个产业链和价值链，为光伏产业实现真正的“净绿色”提供了清晰的路线图。研究表明，通过现有或近中期可行的技术与管理手段（绿电采购、材料循环、支架优化、效率提升等）协同发力，光伏电力的碳足迹有潜力在当前基础上再降低超过80%，最终达到低于1 gCO₂-eq/kWh的极低水平。这不仅将巩固光伏作为主力低碳能源的地位，更能形成“用超低碳光伏制造更低碳光伏”的良性循环，对加速全球能源系统深度脱碳具有重要的战略指导价值。未来工作可结合具体国家的电网排放因子、避免排放分析，并纳入限电、储能整合等更详细的系统场景，使路径分析更具地域针对性和实践指导意义。