《Journal of Cleaner Production》：Emission reduction optimization of recycling pathways for retired photovoltaic modules in China: A coupled model of life cycle assessment and evolutionary game theory
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雙碳目標(biāo)下中國(guó)退役光伏板回收路徑碳減排與策略互動(dòng)研究，開發(fā)LCA-EGT耦合模型分析機(jī)械回收、熱回收（有無玻璃回收）、化學(xué)回收及全回收四種技術(shù)路線的碳排放、成本及減排潛力，發(fā)現(xiàn)全回收技術(shù)減排潛力最大但過程排放較高，機(jī)械回收排放最低但減排有限，政策需強(qiáng)化補(bǔ)貼（0.28-0.38）和懲罰機(jī)制（≥0.32）。
徐 Zhu | 李一辰 | 張?jiān)?| 孫圓圓 | 徐文 | 白璐
中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100012，中國(guó)
摘要
為了支持中國(guó)的雙碳目標(biāo)并應(yīng)對(duì)退役光伏組件的回收挑戰(zhàn)，本研究開發(fā)了一個(gè)結(jié)合生命周期評(píng)估（Life Cycle Assessment）與進(jìn)化博弈論（Evolutionary Game Theory）的模型。以1噸退役光伏組件作為功能單位，選取了具有代表性的回收途徑和中國(guó)企業(yè)的活動(dòng)數(shù)據(jù)。回收系統(tǒng)包括四個(gè)階段：拆卸、運(yùn)輸、處理和材料再生，涵蓋了五種主要技術(shù)：機(jī)械回收、不回收玻璃的熱回收、回收90%完整玻璃和10%碎玻璃的熱回收、化學(xué)回收以及全回收的生命周期終結(jié)處理（Full Recovery End-of-Life Photovoltaic）。生命周期評(píng)估全面評(píng)估了這些技術(shù)的碳排放、成本和減排潛力。在碳政策情景下，進(jìn)化博弈論模擬了政府、制造商和回收商之間的戰(zhàn)略互動(dòng)，整合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)以分析進(jìn)化穩(wěn)定性，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果顯示，不同技術(shù)在碳排放和減排潛力方面存在顯著差異。機(jī)械回收的工藝排放最低（702.2公斤二氧化碳/噸），但減排潛力有限（-4612公斤二氧化碳/噸）；而全回收的生命周期終結(jié)處理技術(shù)排放較高（1113公斤二氧化碳/噸），但減排效果最佳（-5694公斤二氧化碳/噸）。處理成本和設(shè)備折舊占總回收成本的50%以上。進(jìn)化博弈論確定了初始均衡狀態(tài)E6（1, 0, 1），并指出回收商補(bǔ)貼（0.28–0.38）和懲罰強(qiáng)度（≥0.32）是影響行為演變的關(guān)鍵因素。促進(jìn)高效回收、加強(qiáng)碳市場(chǎng)機(jī)制和擴(kuò)大大規(guī)模回收能力對(duì)中國(guó)光伏回收的低碳轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。本研究為可持續(xù)的光伏廢棄物管理提供了理論和政策啟示。
引言
為了加速能源結(jié)構(gòu)的低碳轉(zhuǎn)型并實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國(guó)不斷擴(kuò)展其可再生能源組合。在各種可再生能源中，光伏發(fā)電因其豐富的資源稟賦和高轉(zhuǎn)換效率而成為能源轉(zhuǎn)型的核心支柱。自2009年以來，中國(guó)的累計(jì)光伏裝機(jī)容量呈爆炸性增長(zhǎng)，到2023年已超過600吉瓦，約占全球總量的45%，為能源系統(tǒng)的脫碳提供了重要支持（Yin等人，2025年）。然而，光伏組件的典型使用壽命約為25-30年（Akinyele等人，2017年；Kim和Jeong，2016年；Tao和Yu，2015年），氣候條件、組件質(zhì)量以及運(yùn)行和維護(hù)性能等因素可能導(dǎo)致部分組件提前報(bào)廢（Wang等人，2014年）。預(yù)計(jì)中國(guó)將在2030年左右進(jìn)入光伏廢棄物產(chǎn)生快速增長(zhǎng)階段，到2041年退役組件的總?cè)萘繉⑦_(dá)到126.37吉瓦——約631萬噸（Z. Wang等人，2025年）。光伏組件生命周期終結(jié)時(shí)的大規(guī)模處理和負(fù)面外部性對(duì)環(huán)境管理和資源回收提出了雙重挑戰(zhàn)。
第一代晶體硅光伏組件在壽命結(jié)束時(shí)含有鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）和硅（Si）等有價(jià)值的金屬，以及鉛（Pb）、鎘（Cd）和鉻（Cr）等有毒重金屬。如果這些廢棄組件被不當(dāng)填埋或焚燒，將有價(jià)值的金屬流失，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，同時(shí)有害物質(zhì)可能滲入土壤和地下水，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)（Salim等人，2019年）。令人擔(dān)憂的是，目前全球僅有約10%的光伏組件得到回收或再利用，大部分仍被丟棄或填埋（Li等人，2022年；J. Wang等人，2024年）。回收退役光伏組件可以顯著減少對(duì)初級(jí)金屬礦開采的依賴，緩解資源枯竭，并促進(jìn)光伏行業(yè)內(nèi)原材料的高效循環(huán)（A?k?n等人，2023年）。同時(shí)，回收有助于整個(gè)光伏價(jià)值鏈的溫室氣體排放大幅減少（Sim等人，2023年），是推動(dòng)光伏行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施。
目前，光伏組件生命周期終結(jié)時(shí)的主流回收技術(shù)包括機(jī)械回收（MR）、熱回收（TR）和化學(xué)回收（CR）（Granata等人，2022年）。對(duì)這些方法的比較分析有助于確定光伏組件的最佳綠色回收路徑。為了評(píng)估不同減排路徑的可行性，以往的研究采用了生命周期評(píng)估（LCA）方法來量化從組件拆卸到材料再生的各種回收技術(shù)的環(huán)境影響，特別關(guān)注碳排放（Tian等人，2021年）。與此同時(shí)，中國(guó)的光伏回收政策仍處于起步階段，可持續(xù)的回收系統(tǒng)尚未建立。碳交易、財(cái)政補(bǔ)貼和其他激勵(lì)機(jī)制的監(jiān)管框架仍在發(fā)展中。盡管關(guān)于光伏回收的研究有限，但廢物電氣和電子設(shè)備（WEEE）（Wang等人，2020年）、廢舊動(dòng)力電池（Li等人，2024年；Wang等人，2024年；Xia等人，2023年）以及逆向供應(yīng)鏈建設(shè)（Tong等人，2019年）的類似實(shí)踐可以為建立有效的光伏回收系統(tǒng)提供寶貴參考。建立這樣的系統(tǒng)涉及多個(gè)利益相關(guān)者，包括政府、制造商和回收商，其戰(zhàn)略互動(dòng)可以通過進(jìn)化博弈論（EGT）有效分析。
然而，大多數(shù)生命周期評(píng)估研究?jī)H關(guān)注環(huán)境影響，未納入碳政策的影響或多智能體策略的動(dòng)態(tài)演變。同樣，現(xiàn)有的進(jìn)化博弈論研究往往強(qiáng)調(diào)行為互動(dòng)，而忽視了技術(shù)減排潛力在回收商戰(zhàn)略選擇中的作用，以及碳交易機(jī)制對(duì)低碳技術(shù)采用的影響。因此，尚缺乏一個(gè)系統(tǒng)性的模型來發(fā)展中國(guó)的光伏回收系統(tǒng)。
本研究的主要貢獻(xiàn)如下。首先，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一個(gè)適用于多種回收技術(shù)的綜合生命周期評(píng)估模塊，能夠統(tǒng)一核算拆卸、運(yùn)輸、處理和材料再生階段的碳排放和成本績(jī)效。該模塊提高了不同回收路徑之間的可比性，并有助于識(shí)別關(guān)鍵排放熱點(diǎn)和潛在的減排機(jī)會(huì)。其次，構(gòu)建了一個(gè)三方非對(duì)稱的進(jìn)化博弈論模型，以描述在碳政策監(jiān)管和協(xié)同創(chuàng)新動(dòng)態(tài)下政府、光伏制造商和回收商之間的戰(zhàn)略互動(dòng)。第三，為了通過光伏組件回收實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，本研究將回收技術(shù)的環(huán)境績(jī)效與多個(gè)利益相關(guān)者的戰(zhàn)略行為定量耦合。它創(chuàng)新地將來自生命周期評(píng)估的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)嵌入進(jìn)化博弈的收益函數(shù)中，從而解決了現(xiàn)有研究中技術(shù)效益與行為機(jī)制之間的脫節(jié)問題。最后，進(jìn)行了敏感性分析以識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)（如補(bǔ)貼強(qiáng)度）的影響，并據(jù)此提出了差異化的政策建議。
本研究的結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)介紹文獻(xiàn)綜述；第3節(jié)介紹研究方法；第4節(jié)討論數(shù)據(jù)分析和結(jié)果；第5節(jié)呈現(xiàn)論文結(jié)論。
研究片段
光伏組件回收技術(shù)和生命周期評(píng)估的研究進(jìn)展
以往關(guān)于光伏組件生命周期的研究主要集中在生產(chǎn)和制造階段，而生命周期終結(jié)（EoL）回收階段受到的關(guān)注相對(duì)較少——通常僅在“從搖籃到墳?zāi)埂钡南到y(tǒng)邊界內(nèi)簡(jiǎn)要提及（Hou等人，2016年；Wang等人，2024年）。值得注意的是，隨著近年來光伏廢棄物的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于回收過程的研究顯著增加。在實(shí)踐中，光伏組件的生命周期終結(jié)...
生命周期評(píng)估（LCA）和進(jìn)化博弈論（EGT）框架
本研究開發(fā)的結(jié)合生命周期評(píng)估（LCA）與進(jìn)化博弈論（EGT）的分析模型如圖1所示。按照“技術(shù)量化 – 戰(zhàn)略分析 – 實(shí)際實(shí)施”的邏輯順序，該框架使用五種顏色編碼的模塊來明確每個(gè)功能組件的位置和內(nèi)容。在研究方法方面，使用了SimaPro 9.0軟件進(jìn)行生命周期評(píng)估，以計(jì)算碳足跡。
碳排放和成本核算
圖3展示了五種光伏組件回收技術(shù)（S1–S5）在四個(gè)生命周期階段的碳排放情況。總體而言，各技術(shù)之間的碳排放存在顯著差異，主要集中在處理和再生階段。S2（1149公斤二氧化碳）和S5（1113公斤二氧化碳）的總排放量最高，表明熱回收過程由于高溫裂解和副產(chǎn)品產(chǎn)生大量能源消耗和碳排放。
結(jié)論
本研究開發(fā)了一個(gè)結(jié)合生命周期評(píng)估（LCA）與進(jìn)化博弈論（EGT）的模型，系統(tǒng)評(píng)估了中國(guó)五種退役光伏組件回收技術(shù)的碳排放、成本效率和減排潛力，并揭示了在碳政策情景下三個(gè)利益相關(guān)者之間的戰(zhàn)略互動(dòng)機(jī)制和系統(tǒng)演變路徑。主要結(jié)論如下：
(1)不同光伏回收技術(shù)之間存在顯著的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)差異。生命周期評(píng)估結(jié)果表明...
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
徐 Zhu：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，方法論，資金獲取，正式分析，數(shù)據(jù)管理，概念化。
李一辰：資源獲取，方法論，調(diào)查。
張?jiān)拢?/strong>監(jiān)督，資金獲取。
孫圓圓：可視化，驗(yàn)證。
徐文：資源獲取，項(xiàng)目管理。
白璐：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，監(jiān)督，概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024YFC3909805）的支持。
