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双碳目标下,任何一项产品、技术在全生命周期中对碳足迹的影响都是目前热议的话题。对于光伏产品来说,其全生命周期评估更是一个新课题。而在光伏产品的报废处理中,关于光伏组件背板材料的“氟”对“氟”错,一直在争议。
无“氟”不成背板?
氟与背板的渊源可以直接追溯到上个世纪。
听上去很遥远,其实也就几十年。由于投资回收期的缘故,光伏组件的生命周期很早就被设定为25年,所有辅材都在围绕25年可靠性而存在,背板也不例外。
和封装材料不同,背板会直接暴露在空气中,还被赋予了保护封装材料的功能。因此从一开始背板材料选型就围绕着“含氟”、“含硅”、“含铝”和“高抗紫外涂层”而争论,之后以杜邦PVF为代表的含氟路线成为背板选型的主流。而因为成本驱使,不含氟的“高抗紫外涂层”类如PET背板、3A背板等在一些气候温和地区和特殊应用场景下也有一定应用。
随着光伏产品的商业化时代到来,量的增长和应用场景的普及让“氟”背板的应用变成必须,为了保障25年的全生命周期可靠性,“含氟”基本上成为背板选型思维的定势。从2008年左右起,对于是否“含氟”基本已经没有争议,争议的只是含哪种“氟”:PVF、PVDF、THV、PTFE、ETFE、ECTFE……。随着全氟和多氟烷基物质(PFAS)定义范畴的扩大,合成这些聚合物的单体氟化物基本都被列入了PFAS范畴,对它们的全面管控正在逐渐推进。
而2015年左右,当全球光伏装机因为中国的发力而进入一个新时代后,不含“氟”的背板路线,更是因为3A背板的开裂事故而被更多的人怀疑。
无“氟”不成背板,近五年来,氟背板几乎一统江湖,只剩少数“环保”人士还在坚持。
“含氟”背板的应用和争议一起爆发
从可靠性来说,“含氟”背板基本上已被光伏接受;从应用场景来说,如果不谈双玻,氟背板几乎是全部;从体量上来说,2020年全球140GW左右的光伏装机估计有100GW都是含氟背板组件;从趋势上来说,一年一度的光伏聚合物国际大会发现,透明背板正在顽强地抵御着双玻的侵蚀。
氟背板高歌猛进的同时,让行业困扰和争议的,是“含氟”材料的回收。
当光伏组件报废,或者其它各种原因被废弃的“含氟”背板材料需要处理时,行业普遍采用处理办法是焚烧、裂解和填埋。此外在某些光伏电站火灾事故中,背板材料也会因意外而偶遇“火灾”。
氟元素隶属于卤族元素,含有剧毒。在光伏组件中,氟元素以氟碳化合物的形态存在,也就是我们常说的用于共挤背板的PVF、PVDF和用于涂覆型背板的氟碳涂料。
氟碳化合物具有异常坚固的化学结构,通常的掩埋处理方法或许在1000年内都无法降解该成分,成为一种新的白色污染;而如果降解,氟元素进入土壤同样会造成大量污染。
采用焚烧处理,氟化物的毒性很大,焚烧产生的氟化氢气体呈现无色有刺激性气味,极易溶于水而腐蚀烧伤人体器官,足以致命。
据报道,2015年11月12日,杭州某组件代工企业内的员工午休时陆续有65名工人出现发热、咳嗽、胸闷、头痛及头晕等症状。经过安监、环保、疾病预防控制中心等单位开展病因调查后发现,这次事故因现场焚烧光伏背板材料形成剧毒物质—氟化氢所致。
也有报道称,之前已有过光伏电站着火后,救援人员产生氟化物中毒的案例。如果电站地处荒野,影响的可能只是空气环境;如果是工商业、户用屋顶、分布式电站,与人群近距离接触,失火造成的氟化物中毒就会更严重。
而近年来一些氟材料和氟背板供应商声称已经找到了废弃氟材料的处理办法,对于含氟聚合物回收建议以“废物再利用”的方式。
有研究提出,对背板边角料进行共混改性,使背板中PET与改性剂发生扩链反应,PET分子量增加,抑制热解,提高综合性能;并在加工前对原料进行干燥处理,抑制水解。
改性剂的添加改善了PVDF与PET的相容性。未添加改性剂的造粒料表面粗糙,而添加了改性剂后的造粒料由于相容性更好了,表面更光滑。
改性挤出成粒子,再注塑成型,可注塑成管,环等,还可以改变颜色,开发更多更高附加值的产品。
但也有人认为,即便将氟材料回收利用,也没有改变氟材料继续存在于环境中的事实,既不能无休止的回收利用已经回收利用过的氟材料,也不能保证所有的氟材料都能进入回收利用环节。
含氟背板作为光伏辅材主流,却饱受非议,在争议中前行。
背板必须“含氟”吗?
随着光伏平价和双碳时代的到来,光伏市场爆发已经毋庸置疑,此前20年GW级增长、翻番增长、年增数十GW新高等今后都会被不屑一顾,而最早商业化的组件也开始进入报废阶段。
当时间跨入21世纪第三个10年,关于背板“含氟”或“不含氟”又成为行业热议的话题。
据报道,德国Fraunhofer太阳能研究所采用全生命周期评估,对光伏组件中存在的无氟和含氟背板材料的焚化和热解方案产生的环境影响进行了比较分析,认为无氟背板材料的生命周期评估显示出比氟化背板材料更好的环境性能。对于焚烧场景,在研究的12种影响类别中,有11种无氟背板的环境影响明显好于氟化背板;同样,对于热解方案,在12种影响类别中的8种中,无氟背板的环境性能要比氟化背板好。此外,氟化背板处理过程会释放出大量的氟化氢,并且在热解产物中存在卤代烃和卤代芳族化合物。
对“含氟”的无奈,对“不含氟”的关注和期待,就像含氟背板的市场需求一样在增长。
当光伏进入户用,变成一种消费品时,非专业的消费者会不停地问:背板必须含氟吗?
当初选择含氟背板,最大的原因是出于长期可靠性性能,在没有合适的可替代材料时,在含氟背板被25年实证后,在光伏市场需求太小而不被关注的情况下,“含氟”成了必须。
如今时过境迁,当含氟背板面对越来越多的消费者,越来越高的双碳目标,越来越被重视的环保需求时,人们必然要问,那些被忽略的不含氟背板,研究得怎么样了?
事实上, “非氟”背板满足常规的性能测试早就没有问题,而如果再能够满足25年的可靠性要求,背板也不是非得含“氟”不可。
过去,终端客户对“非氟”背板有怀疑,其实就像怀疑用PVDF、PTFE来替代PVF一样,新的材料都差了一步:户外实证。而当PVDF和PTFE度过了最初了5-10年,行业也就基本认可了这两种替代材料。
事实上,“非氟”背板曾经也只差一步。由于“非氟”也有不同的路线,2015年左右,已经推广了五年左右的3A背板突然被爆出电站应用大规模开裂,让“非氟”背板路线遭遇当头棒喝。
过去,人们不敢用“非氟”背板,有一种担心是那些建在大西北、荒漠中的大型地面电站,“非氟”背板承受不了那样大气候恶劣。
事实上,随着光伏应用场景的普及和多元,温带地区、气候适宜地区、平原地带、分布式应用等对背板的耐候性能要求并不一定很高。
有专家认为,差异化应用场景可以选用不同类型的背板,适用就行,不同气候条件对背板的可靠性要求可以不一样。
据了解,尽管3A“非氟”背板退出了历史舞台,但荷兰帝斯曼公司在经过对尚善新材料的APE结构背板进行测试、跟踪和综合评估后,依然决定在2017年收购尚善进军“非氟”背板领域,并以“绿色环保”为卖点在欧洲市场占了一定份额。
此前一直致力于高抗紫外PET材料的日本背板企业,如东丽、富士,尽管感受到了在地面电站应用中推广“非氟”背板的阻力,但其“非氟”背板在日本等一些气候温和地区依然占领了一席之地。
在中国,随着环保、绿色、可回收的呼声越来越高,越来越多的人也开始关注“非氟”背板。
早期有后被DSM收购的苏州尚善新材料,推广其APE结构背板;2013年起一直以含氟背板为主导的明冠新材料,也开启了其BO系列“非氟”背板的业务,据称已经深得欧美客户青睐;2017年底,专注于“非氟”背板的浙江中聚材料有限公司成立。
结语
全球光伏装机市场爆发在即,退役组件也开始规模性地增加,对光伏废料如何处理的课题在全球都在开展。背板究竟应不应该含“氟”,这个问题一直困扰着我们。或许含不含“氟”并不是重点,怎么保证背板材料最大限度的回收,尽量不给环境造成污染才是我们应该思考的问题,毕竟,光伏是新能源行业,它的发展不应该违背我们的初衷。
