一臺(tái)正常風(fēng)機(jī)的實(shí)際壽命約20至30年，一塊光伏面板的使用壽命約20至25年。這些曾經(jīng)在崗位上“發(fā)光發(fā)熱”的零部件“退役”將何去何從？
日前，在“新天工開物——科技成就發(fā)布會(huì)”能源技術(shù)專場上，華北電力大學(xué)陸強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)帶來的“退役新能源組件的熱解處置技術(shù)”引發(fā)廣泛關(guān)注，為實(shí)現(xiàn)新能源產(chǎn)業(yè)的綠色閉環(huán)提供了創(chuàng)新解決方案。
中國工程院院士楊勇平表示：“在‘雙碳’戰(zhàn)略背景下，退役新能源組件綠色處置已成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目突破傳統(tǒng)工藝瓶頸，實(shí)現(xiàn)了退役組件的全量高值利用，填補(bǔ)了行業(yè)空白，并在多地示范應(yīng)用，前景廣闊。對(duì)推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)循環(huán) 發(fā)展、助力‘雙碳’目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義”。
“該技術(shù)突破了傳統(tǒng)處理能耗高、收率低、品質(zhì)差等瓶頸，可在絕氧條件下高效、低能耗解離退役組件，高純回收石墨、戰(zhàn)略金屬及晶硅電池片等，實(shí)現(xiàn)了退役組件全量高值利用?！眹H歐亞科學(xué)院院士、華北電力大學(xué)校學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任牛東曉認(rèn)為，該成果已完成了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越，展現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟(jì)性和廣闊的應(yīng)用前景。
退役潮來襲：新能源零部件如何“變廢為寶”
隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn)和氣候問題的日益嚴(yán)峻，新能源作為21世紀(jì)最具活力和潛力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一,近年來在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速，技術(shù)不斷突破，成本持續(xù)下降，應(yīng)用不斷拓寬，尤其是風(fēng)、光、儲(chǔ)等產(chǎn)業(yè)生態(tài)日益成熟。
中國作為全球新能源產(chǎn)業(yè)的重要參與者和推動(dòng)者，構(gòu)建了全球最大、最完整的新能源產(chǎn)業(yè)鏈，風(fēng)電裝備、光伏組件、儲(chǔ)能設(shè)備的產(chǎn)量和出口量均連續(xù)多年居世界前列，為世界提供80%以上的光伏組件和70%的風(fēng)電裝備。
同時(shí)，中國也建成全球規(guī)模大、發(fā)展快的可再生能源體系，再生能源裝機(jī)約占總裝機(jī)的60%，風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)多年位居世界首位。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至今年6月底，國內(nèi)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量11.1億千瓦，風(fēng)電裝機(jī)容量5.7億千瓦。
一般而言，一臺(tái)正常風(fēng)機(jī)的實(shí)際壽命約20至30年，單塊光伏組件的使用壽命約為20至25年。但綜合考慮組件質(zhì)量及失效情況、光伏電站設(shè)計(jì)與工程施工及運(yùn)維質(zhì)量、光伏電站技改替換等因素，已有不少組件早于平均壽命而提前退役。
中國可再生能源學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)入“十四五”，我國風(fēng)電退役換新市場規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長：2025年將退役機(jī)組1800多臺(tái)，裝機(jī)容量1.25GW；2030年將達(dá)10GW/年；2035年累計(jì)將達(dá)100GW；2045年累計(jì)將達(dá)150GW。
據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，2025年，我國將開始產(chǎn)生大批量退役光伏組件；2030年后，光伏組件廢棄量將迎來高峰期，達(dá)到18GW左右，約140萬噸的廢棄量；到2040年，光伏組件累計(jì)廢棄量將達(dá)到253GW，約2000萬噸。
隨之而來的退役零部件處理難題日益突出，像退役風(fēng)電設(shè)備體積大、材料復(fù)雜，退役光伏設(shè)備具有較高資源價(jià)值、循環(huán)利用意義重大，傳統(tǒng)處置方式存在高能耗、低回收率、二次污染等問題。如何有效利用廢鋼鐵、廢有色金屬、廢玻璃等再生資源，同時(shí)避免不規(guī)范利用處置帶來的土地占用和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是擺在全行業(yè)面前的一道必答題。
2021年，國務(wù)院就曾印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，要求“推進(jìn)退役動(dòng)力電池、光伏組件、風(fēng)電機(jī)組葉片等新興產(chǎn)業(yè)廢物循環(huán)利用”。2023年，國家發(fā)展改革委聯(lián)合多部門發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)退役風(fēng)電、光伏設(shè)備循環(huán)利用的指導(dǎo)意見》，提出六大重點(diǎn)任務(wù)，包括大力推進(jìn)綠色設(shè)計(jì)、建立健全退役設(shè)備處理責(zé)任機(jī)制、完善設(shè)備回收體系、強(qiáng)化資源再生利用能力、穩(wěn)妥推進(jìn)設(shè)備再制造、規(guī)范固體廢棄物無害化處置。
意見提出，到2030年，風(fēng)電、光伏設(shè)備全流程循環(huán)利用技術(shù)體系基本成熟，資源循環(huán)利用模式更加健全，資源循環(huán)利用能力與退役規(guī)模有效匹配，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更加完善。
在這一背景下，華北電力大學(xué)陸強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)依托深厚的熱工學(xué)科優(yōu)勢(shì)和豐富的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，面向國家重大戰(zhàn)略需求，啟動(dòng)退役組件熱解處置技術(shù)攻關(guān)，致力于實(shí)現(xiàn)全量化、高值化、無害化資源回收，為新能源產(chǎn)業(yè)健康循環(huán)發(fā)展提供了全新解決方案。
從“煎牛排”中找到技術(shù)靈感
退役零部件回收并不容易，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其他部件如齒輪箱、發(fā)電機(jī)、基礎(chǔ)和塔架等，都可以相對(duì)容易地回收再利用，但風(fēng)機(jī)葉片由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和非均質(zhì)性，回收難度極大。特別是那些由纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料制成的葉片，它們的設(shè)計(jì)需要長期承受極端天氣條件，這使得它們的回收變得異常困難。
熱解在惰性環(huán)境中分解葉片材料，降低能耗，無需復(fù)雜預(yù)處理，如繁瑣的切碎和拆卸操作。然而熱解面臨的核心難題是如何避免結(jié)焦、保證熱傳遞均勻性。過高的熱解溫度可能會(huì)加速纖維表面缺陷的擴(kuò)散，從而降低回收纖維的拉伸強(qiáng)度，限制其二次利用。
為了實(shí)現(xiàn)退役新能源組件熱解技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室、在項(xiàng)目現(xiàn)場付出了無數(shù)個(gè)日夜，經(jīng)歷了無數(shù)艱難險(xiǎn)阻。據(jù)陸強(qiáng)教授介紹，在做鋰電池小試實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，起初過程十分順利，大家都覺得放大到中試系統(tǒng)上不會(huì)出現(xiàn)問題，然而在中試系統(tǒng)第一次試運(yùn)行中，設(shè)備出現(xiàn)十分嚴(yán)重的結(jié)焦問題，第一次調(diào)試最終僅運(yùn)行了48小時(shí)。
“技術(shù)的靈感常常源于生活，技術(shù)的突破離不開對(duì)問題本質(zhì)的深入剖析”。這是研究團(tuán)隊(duì)的真實(shí)寫照。有一天團(tuán)隊(duì)成員在吃晚飯時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，鐵板煎牛排的時(shí)候，牛排會(huì)粘在鐵板上，是因?yàn)闆]有熱熟、熱透，由此獲得“物料結(jié)焦問題出現(xiàn)的本質(zhì)是熱解過程熱量的傳遞不均”。以這個(gè)思路為起點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)明了柔性刮板內(nèi)構(gòu)件，突破核心技術(shù)瓶頸，開發(fā)出適用于退役新能源組件的熱解技術(shù)和裝備。
團(tuán)隊(duì)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)工藝，完成從“小試-中試-示范工程”的全鏈條驗(yàn)證，開發(fā)出多元熱解資源化成套裝備。針對(duì)退役鋰電池，研發(fā)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)熱解技術(shù)及裝置，電解液無需預(yù)揮發(fā)，直接一步熱解實(shí)現(xiàn)有機(jī)組分高效熱分解，方便后續(xù)無機(jī)高值金屬組分的分離回收；針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片與光伏板，研發(fā)分段貫通式熱解技術(shù)及裝置，解決風(fēng)機(jī)葉片、光伏板等大尺寸、寬尺度物料連續(xù)熱解難題，實(shí)現(xiàn)完整光伏玻璃、長切纖維等組分的高保值回收。
為了提高預(yù)處理環(huán)節(jié)的效率和安全性，該技術(shù)方案針對(duì)鋰電池采用帶電破碎技術(shù)，無需預(yù)放電，顯著降低人工干預(yù)環(huán)節(jié)，提高處置效率；針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和光伏組件采用機(jī)械自動(dòng)切割、拆解與上料，減少人工操作環(huán)節(jié)，處置效率大幅度提高。研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了適應(yīng)退役新能源組件熱解相匹配的全流程成套技術(shù)及設(shè)備，解決了退役新能源組件連續(xù)進(jìn)出料、高值組分分選、污染元素/組分高效凈化等全流程處置難題，實(shí)現(xiàn)了高純度黑粉、銅粒、鋁粒、長切纖維、完整玻璃板等組分高值回收。
與國內(nèi)外同類技術(shù)相比，華北電力大學(xué)的該項(xiàng)成果針對(duì)退役新能源組件的材料特性，在國際上首次實(shí)現(xiàn)基于絕氧熱解的安全高效資源化處置技術(shù)及成套裝備。
據(jù)陸強(qiáng)教授介紹，經(jīng)過該熱解技術(shù)方案的處理，退役風(fēng)機(jī)葉片可以轉(zhuǎn)化為玻璃纖維和熱解油，纖維強(qiáng)度能達(dá)到原材料的90%，熱解油熱值可達(dá)到25MJ每公斤；退役光伏組件可以回收99%的硅晶片；退役鋰電池可回收99%的電池黑粉、純度大于99%的金屬銅和純度大于98%的金屬鋁。充分實(shí)現(xiàn)石墨、戰(zhàn)略金屬、晶硅電池片等高值組分高效回收。
為新能源產(chǎn)業(yè)注入“綠色循環(huán)”基因
“光伏組件所含資源有很高回收價(jià)值?！敝袊偕Y源產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長兼秘書長尚輝良說，若能全量回收，到2030年，我國可從退役光伏組件中得到145萬噸碳鋼、110萬噸玻璃、54萬噸塑料、26萬噸鋁、17萬噸銅、5萬噸硅和550噸銀?；趯?duì)于回收容量的預(yù)測(cè)，通過光伏組件回收技術(shù)可獲取的原材料累計(jì)價(jià)值達(dá)76.83億元，截止到2040年，累計(jì)可回收價(jià)值高達(dá)1100億元。
中國物資再生協(xié)會(huì)風(fēng)光設(shè)備循環(huán)利用專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《2022中國風(fēng)電光伏設(shè)備循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，以1.5兆瓦風(fēng)機(jī)為例，該機(jī)組每千瓦用鋼量為0.11噸，每千瓦用銅量2.9-3.52千克。按照目前國內(nèi)廢鋼價(jià)格3000元/噸,廢銅的回收價(jià)格60000元/噸計(jì)算，到2030年，累計(jì)可回收價(jià)值高達(dá)240億元左右。
全球光伏回收產(chǎn)業(yè)市場前景廣闊。國際能源署預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2030年，全球光伏組件回收將達(dá)800萬噸左右，迎來回收大潮。據(jù)IRENA和IEA聯(lián)合發(fā)布的報(bào)告預(yù)測(cè)：世界光伏組件報(bào)廢量到2050年將達(dá)到7800萬噸，約43億塊報(bào)廢光伏組件需要處理。
據(jù)悉，陸強(qiáng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的退役新能源組件熱解系統(tǒng)已在浙江、江蘇等地完成年處置量超萬噸級(jí)的示范和應(yīng)用驗(yàn)證，設(shè)備年穩(wěn)定運(yùn)行超300天，有機(jī)組分解率超過99%，金屬等高價(jià)值資源回收率超過98%，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著，并已入選《國家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》，經(jīng)濟(jì)性與工程穩(wěn)定性獲驗(yàn)證，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。
技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。未來隨著國內(nèi)風(fēng)電、光伏設(shè)備“退役潮”襲來，我國將有望形成規(guī)模超百億的退役風(fēng)電、光伏設(shè)備循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用、構(gòu)造風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)閉環(huán)綠色產(chǎn)業(yè)鏈，本次發(fā)布會(huì)上的“退役新能源組件的熱解處置技術(shù)”也將有更大的價(jià)值發(fā)揮空間。
當(dāng)前，我國已構(gòu)建了全球完整的新能源產(chǎn)業(yè)鏈,為世界提供80%以上的光伏組件和70%的風(fēng)電裝備。這一歷史性成就背后，離不開一代代科技工作者的忘我投入、奮力攻關(guān)。他們以智慧為槳，以創(chuàng)新為帆，驅(qū)動(dòng)時(shí)代破浪前行。
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