太阳能真的够「绿」吗?还是包裹着糖衣的毒药

#P元生活 作者: 访问:797

太阳能真的够「绿」吗?还是包裹着糖衣的毒药

在环保意识抬头下,太阳能发电已被视为能源科技的显学,一块块太阳能板在刺眼的阳光照耀下,都成为绿金的最佳代言人;确实,太阳能发电比石化燃料发电对环境伤害较小,但大部分人很少意识在製造电池的当下,所使用的电力、所排放的二氧化碳与汙染,仍然会影响环境,而过去许多公安事件的发生,也证明那些我们坐享其成的太阳能电池,并非零污染零排碳,而是将环境成本转嫁给生产国。美国圣荷西州立大学(San Jose State University)环境研究学教授 Dustin Mulvaney 发表于 IEEE Spectrum 网站的文章深入探讨此问题。

从 2008 年开始,太阳能製造业从原本的产地欧洲、日本、美国,转移至中国、马来西亚、菲律宾与台湾,如今将近一半的太阳能电池都在中国生产,虽然带动了当地产业的兴起,却也让这些地区饱受汙染之苦,并让从事相关工作者身处危险的环境。

汙染得从头说起──从挖掘到精炼

要準确说明这些问题,必须从太阳能电池的製造谈起。虽然产生太阳能电池的技术有很多种,但大部分都是从石英砂开始,先不说之后的提炼,光从矿山中挖取石英砂,就是从古至今对健康危害最深的职业之一,会让矿工染上硅肺病(silicosis)。

太阳能真的够「绿」吗?还是包裹着糖衣的毒药

石英砂挖掘出来后,首先透过电弧炉将石英砂还原成冶金级的硅(Metallurgical Grade Silicon, MGS),大多用于炼钢,在这一阶段中,需要输入大量的能源来保持电弧炉的高温,而所产生的二氧化碳与二氧化硫,对施作人员与环境危害较轻。

下一阶段则是将冶金级的硅精炼,除去内部的杂质,让硅的纯度更高,精炼过程包括将氢氯酸(hydrochloric acid)加入冶金级的硅,进行氯化反应生成三氯氢硅(trichlorosilanes),之后加入氢气进行一次性还原产生高纯度的多晶硅(polysilicon),在整个过程中最多有 25%的三氯氢硅会转化为多晶硅,同时伴随非常毒的附产品四氯化硅(silicon tetrachloride)产生,估计每生产一吨的多晶硅,会有 3~4 吨的四氯化硅。

大部分的製造商会将四氯化硅回收再利用,因为所消耗的能源会比从最原始的原料(二氧化硅)来的少,所以回收四氯化硅能省钱;但有一好没两好,这些设备需要花费上千万美元,因此一些业者会直接将附产品排放掉。当这种具强腐蚀性的有毒液体遇到潮湿空气,马上分解成硅酸和剧毒气体氯化氢,会刺激人体眼睛、皮肤与呼吸道刺激,遇上星火则会爆炸,用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地,树木和草都无法生长。

太阳能真的够「绿」吗?还是包裹着糖衣的毒药

当太阳能产业还没那幺庞大时,太阳能电池所需要的硅主要来自晶片製造商所淘汰的硅晶片,半导体产业对硅的纯度要求更高,因此要求较低的太阳能电池可接受它们的「淘汰品」,但当太阳能产业爆红后,所需的硅已远超过能接收到的,必须新建许多提炼工厂才够用。然而很少有国家为四氯化硅设定严格的处理法则,拥有最多提炼厂的中国也不例外。

四氯化硅危害大

2008 年华盛顿邮报就曾报导位于河南省的某多晶硅企业,不愿意投资回收设备,而是将四氯化硅随意倾倒于邻近土地上,使该地区的农地无法种植作物,并让附近居民的健康受到危害,报导指出这一家公司并非唯一一家这幺做的公司。

报导一发表,马上引起大众的激烈的反弹,也让太阳能产业所标榜的「乾净能源」形象蒙上一层灰,为了保护产业的声誉,太阳能电池的生产商开始要求多晶硅供应商要做到环境保护责任,2011 年中国也制定法规,规範供应商回收的四氯化硅至少要达到 98.5%,之后情况逐渐改善。未来这些问题有望完全消失,因为美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)正寻找以乙醇代替氯基化合物的方法,以避免产生四氯化硅。

锯切打磨清洗,需强腐蚀性物质帮忙

但汙染并非只到多晶硅就停止,从多晶硅到真正的太阳能电池还需要透过长晶炉生成晶棒,再切割成晶圆或晶片,这些过程都需要危险的化学物质来处理,例如製造商需要用氢氟酸(hydrofluoric acid)来清洗晶圆,除去因锯切所受到的伤害,或是磨平晶圆表面,以增加聚光能力。但氢氟酸是一种具有强烈腐蚀性的物质,就如武侠小说中的「化骨水」,若接触到未受保护的工人,会破坏人体组织并侵蚀骨头,因此必须妥善处理。

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氢氟酸汙染问题也层出不穷,例如 2011 年 8 月才刚评选为「2011 清洁科技驱动者」的浙江晶科能源,却被抓到排放氢氟酸到附近的一条小河,导致河中出现大量死鱼,旁边的猪圈也遭殃,因为农民引河水帮牠们洗澡,结果大批猪只中毒而死;结果暴怒的居民冲进工厂并占领抗争,同时在新闻报导播出的第二天,晶科的股价下跌超过 40%,市值蒸发近 1 亿美元。

但这个威胁也有机会解决,罗门哈斯电子材料(Rohm & Haas Electronic Materials)已确认能用氢氧化纳取代氢氟酸,氢氧化纳虽然也具有腐蚀性,但较容易处理,对操作者而言危险性也较低。

薄膜太阳能电池,有重金属问题

目前超过 90% 的太阳能电池使用多晶硅,然而近几年多晶硅材料出现短缺,使得部分业者转向投入薄膜太阳能电池,它的优势在于製造成本更低,使用的能源与材料更少,未来若转换率能进一步提升,有望与多晶硅相匹敌。除了上述的优点,薄膜太阳能电池可在价格低廉的玻璃、塑胶或不鏽钢基板上蒸镀非晶硅薄膜,而不需从硅晶棒切割而来,因此产生的废弃物较少,也无须使用複杂的电弧炉,但这不代表薄膜太阳能电池不会造成环境汙染。

薄膜太阳能电池的主要技术以非晶硅(a-Si)太阳能电池为最大宗,碲化镉(CdTe)太阳电池产量成长最快,铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池则深具成长潜力,其中碲化镉太阳电池由五层结构组成,其中一层为硫化镉(CdS),另一层为碲化镉(CdTe);铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池主要材料为铜铟镓硒,但也含有硫化镉,这两种电池都使用重金属镉的化合物,它是恶名昭彰的致癌物质,长期暴露可能导致肾脏疾病、肺损伤与骨骼脆弱。

一些製造商如总部设在亚利桑纳州的 First Solar(第一太阳能),对于工人的安全维护措施就做得很完善,但对那些从事开採或提炼等早期阶段的工人,相关的安全讯息就很少;另外弃置的太阳能电池也是问题,若没有妥善的回收机制,会增加镉暴露的风险,对此许多大厂都做的不错,如 First Solar 的预付回收系统(prefunded take-back system),但回收计画并没有提供给全部的使用者,甚至许多人根本没意识到太阳能电池需要回收。

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减少镉危害的方式就是儘量使用无镉产品。目前有两个铜铟镓硒製造商 Avancis 和 Solar Frontier,以对环境较友善的材料硫化锌取代硫化镉;英国布里斯托大学(University of Bristol)和巴斯大学(University of Bath)、加州柏克莱大学也正尝试发展薄膜太阳能电池,另外 First Solar 也逐渐减少镉在太阳能电池的使用量。

能源回收要多久?

有毒并非是唯一的问题,製造太阳能需要大量的能源,幸运的是,因为电池能生产电力,可回收原本投资的能源,大部分的电池运作两年后就可以打平,有些电池甚至能缩短至半年,但能源回收与资金回收的时程不能混为一谈,两者有时间差距。

除了能源回收是否符合效益,碳足迹也是个问题,通常以碳排放强度(carbon-intensity)为计算单位,也就是生产每千瓦小时的能量会排放多少公斤的二氧化碳,其中较依赖煤炭供电的碳排放强度最高,例如中国,电力生产的碳排放强度是美国的两倍,这个数据与阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和西北大学(Northwestern University)在 2013 年发表的报告相似,报告指出中国製造的太阳能板其碳足迹是欧洲製造的两倍。

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 中国製造的太阳能板其碳足迹是欧洲製造的两倍。

如果中国製造的太阳能板安装于中国,消耗的碳与节省的碳将相互抵销,两者相抵的时间刚好与能源回收期相同,但这与现况不合,大部分的製造厂位于中国,而安装地点则在欧洲与美国,在双重碳排放强度下,需要两倍的时间才能补偿温室气体的排放,因为要将所投入的能源也计算。

反过来说,如果将在低碳排放强度低区生产的太阳能电池,装在高碳排放强度的国家,那温室气体回收时间将大幅减少;也许将来会有一天,生产电池的能源将来自太阳能、风能和地热,到时候碳足迹也不再是问题。

水则是另一个问题,在太阳能电池製造的过程中,必须用到很多水,包括冷却、化学处理和空汙防治,最大的需求来自安装与使用时的清洗,公共事业规模在 230~550 百万瓦(megawatt)範围内的能源计画,在施工期时每年需耗费 15 亿升的水来进行粉尘控制,运转时每年需要 2,600 万升的水来清洗太阳能板,但这些用水量仍远低于冷却火力和核能发电厂所需要的用水。

消费者该如何监督

消费者和投资者的选择将左右太阳能产业的走向,但却有很多潜在困难度,例如太阳能产业没有正式的生态标籤,类似家电上的能源之星(Energy Star),可让消费者识别哪个厂商推出的产品为高效能;大部分的人不愿意或无法亲自与生产太阳能电池的厂商联繫,多依靠第三方来帮忙选购安装,因此即使有生态标籤,也往往取决于安装端的心态,是否愿意选较环保的产品。

如今消费者可向安装厂商询问所使用的产品细节,以间接的方式要求生产商提高他们的环保措施,另外针对太阳能产业的环境绩效评等也逐渐浮上檯面,例如耶鲁大学与哥伦比亚大学的研究人员提议建立一个中国环境绩效指数,能在各省实施,来帮助中国厂商能朝着环境保护大方向迈进。

同时美国太阳能产业协会(Solar Energy Industries Association)与美国国家贸易组织提出新的工业指南,目的是减少职业伤害、防止汙染与降低自然资源的使用;硅谷毒物联盟(Silicon Valley Toxics Coalition)定期调查与评估各国企业的环境绩效,目前中国的天合光能(Trina Solar)与英利绿色能源(Yingli)长期稳居世界前三大最环保的公司,夏普(Sharp)、SolarWorld 和 SunPower 也对自家排放的温室气体与化学物质,进行长期追蹤。

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 硅谷毒物联盟对太阳能电池製造商环境绩效评比,其中中国的天合光能(Trina)与英利绿色能源(Yingli)长期稳居世界前三名,此图为 2013 年的评比结果。

许多人将太阳能视为未来的能源救星,却忽视在光鲜亮丽的外表下,隐藏着如此多的问题,身为消费者的我们不能视而不见,而应该以群体的力量要求厂商做到真正的节能、减碳、零污染,不然我们所追求的绿色能源,也不过是个包裹着糖衣的毒药罢了。

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