光伏耗能又耗水？抱歉，這鍋不背
之前的文章中，為了說明煤電對環境的負外部性，呂某把風電、光伏和煤電的水耗做了一個橫向的對比。文章發出後呂某收到了不少私信討論這個話題，有朋友提到希望能夠看到對風電、光伏、煤電的環境外部性更詳細的對比分析。
其實自從開號以來呂某就一直在文章裡面強調，我雖然支持可再生能源，但不是盲目擁護。風電光伏行業從起步到現在，「清潔能源不清潔」、「風電光伏能耗大」等言論從未缺席，隨著它們發電比例的進一步提升，這樣的言論很可能只會增，不會減。的確，風電光伏在生產和運行中不能做到全程零污染零排放，但就此得出風電光伏「耗能耗水」、「不比化石能源」的結論，怕是有失偏頗。
因此，呂某打算用系列文章從污染、能耗、回收等多方面來探討風電光伏的環境影響，並分享我個人對於如何看待不同能源環境外部性的思考。今兒這篇文章咱們就先來聊聊光伏的能耗和水耗的問題。文中的數據均來源於報告和文獻，可能不夠完整，希望廣大同仁指正和補充。
光伏的能耗
關於光伏能耗的多少，不同地區對於使用不同技術製造的光伏產品的研究有不同的結論。這裡呂某引用的是中國光伏協會2018年的數據，協會以60片、270Wp多晶硅組件為例，給出了光伏上下游產業鏈各個環節的光伏能耗數據（注1）：
由上表可知，60片、200μm組成的270W組件總能耗為406.57kWh，從而計算出光伏的單位能耗為1.5kWh/W。
其中，多晶硅環節在光伏生產過程中的能耗最大，佔總能耗的26.8%，這主要是由於改良西門子法生產的多晶硅在還原過程需要高溫，會消耗大量的電能。和多晶硅、單晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能技術由於在生產環節對於溫度和材料的要求更低，對能源的消耗也更少。根據《中國光伏產業發展路線圖（2019）》的預測，由於生產工藝的提高，到2025年，產業鏈的各個環節的能耗均有望進一步下降。
但僅看數字意義有限。判斷光伏的能耗的大小的時候，我們需要考慮兩個問題：
- 如果把各個種類的能源橫向比較，光伏的能耗是大的嗎？
- 作為可再生能源，光伏的能源回收期是幾年？
Michaja. Pehl等德國波茨坦氣候影響研究所研究員於2017年在他們發表於《自然-能源》雜誌上的文章中，對從全生命周期的角度對不同種類的能源建設所需要的能耗進行了一個對比分析。研究表明，從全生命周期來看，煤電廠本身建設和燃料供應的能耗占煤電廠發電產出的11%，換句話說，對煤電廠而言，每投入1單位的能源可產生9單位的能源(相當於能源回報率為9:1)，而核電廠的能源回報率約為煤電的兩倍，其隱含能耗為5%(能源回報率20:1)。光伏的隱含能耗為4%(能源回報率為26:1)，風電的隱含能耗更低，僅為2%(能源回報率44:1)。這也就是說，在不同種類的能源中，光伏的能耗僅高於風電，是各種能源中能耗第二低的。
再來看看光伏的能源回收期（即光伏系統在投入運行後需要幾年來收回生命周期中對一次能源的消耗）。比利時列日大學（University of Liège）的Sa?cha Gerbinet於2014年在《可再生和可持續能源評論》上發表的論文對光伏能源回收期的相關研究做了文獻綜述。研究結果顯示，這個周期浮動在1.46年到5.5年之間，但是由於研究地區和研究光伏系統類型的不同，各地各類型的光伏能源回收期是有差異的。中國光伏協會2018年測算出北京地區光伏系統的能源回收期為1.3年。
目前，光伏系統的壽命一般長於25年，其中晶體硅光伏組件的壽命一般會長達25到30年左右。以光伏系統的壽命為30年來看，這意味著在中國光伏不到兩年就能夠收回對一次能源的消耗，可為世界貢獻25年以上的清潔能源，並不存在所謂的「高耗能」的問題。
隨著技術的發展，光伏的能耗還有一定的下降空間。荷蘭烏得勒支大學的學者Atse Louwen和Wilfried van Sark於2016年在《自然通訊》上發表論文展示了他們對1975年到2015年之間全球的光伏能耗的研究，得出每當全球光伏裝機容量翻倍，光伏組件能耗就下降大約12%的結論。
光伏的水耗
我們可以用同樣的方法來看光伏的水耗。和能耗相類似，太陽能光伏的水耗主要集中於製造環節，尤其是多晶硅生產環節。據《中國光伏產業發展路線圖（2019）》的最新數據顯示，2018年，光伏在多晶硅生產環節的平均水耗在0.14t/kg-si。但同樣，光伏的水耗也是有下降空間。比如我們可以考慮「空冷技術」，目前我國西部水資源匱乏的地區就採取該技術，其水耗基本穩在0.1t/kg-si左右。除此之外，其他技術的發展也能夠降低水耗。根據光伏協會的預測，到2025年，多晶硅的生產能夠通過餘熱利用降低蒸發量，精餾塔排出的物料再回收利用降低殘液處理水耗等措施，能夠將耗水量控制在0.09t/kg-si的水平。相當於比目前降低95%的水耗。
在發電階段，太陽能光伏的水耗主要是清潔光伏板的用水，其水耗會隨著高性能防污材料的推廣而降低。例如荷蘭DSM公司生產的塗料可以幫助組件性能提高1.3%，還可以間接減少組件需要的清潔周期，把運行期間的水耗降到最低。
從能源的全生命周期來看，科羅拉多大學的研究員James Meldrum在《環境研究快報》上發表的論文顯示，在不同技術的氣電、煤電、風電、核電、生物質能發電和光伏發電的水耗比較中，晶硅光伏發電的耗水量為81加侖/MWh，是煤電的三分之一到五分之一。
既然權威數據文獻有那麼多，為什麼「光伏能耗水耗大」的言論一直沒有消失過呢？
首先是認知斷層。當下，光伏行業逐漸成熟，使得能耗快速下降，但不少人對光伏的認知沒來得及跟上。作為一個新興產業，光伏確確實實在發展的初期存在不少技術瓶頸和管理漏洞，但這些問題已經逐漸得到解決，能耗和水耗近幾年也迅速降低。我們要接受最新的數據和事實，要讓自己的認知出於實時更新的狀態，而不是滯留於過去的刻板印象。呂某之前在閱讀文獻時看到一篇2018年發表的計算光伏能耗的文章，引用的竟然是2009年的數據，若用十年前的數據來指責如今光伏生產的能耗水耗 ，呂某隻能說，這個鍋行業背不了。
其次是對比角度。我們在討論能源的能耗水耗的時候不能僅僅看單一的能源本身，把不同能源在全生命周期的能耗和水耗做橫向對比很重要。單說「光伏的能耗巨大」，這樣的表述是沒有意義的。
就像赫爾曼在《能源變革：最終的挑戰》中指出，反對可再生能源的人希望「通過聲稱每一個人都是罪人」就將「大問題淡化為小問題」，對此我們應該保持警覺。如果我們有足夠的信息，把可再生能源的能耗與污染和化石能源對比，我們未來應該選擇哪一類能源就一目了然了。
以上言論僅代表呂某個人觀點，不喜可噴。
不過那啥，大家都是體面人，勿忘風度。
註：
組件輔材：以60片多晶硅組件為例，玻璃重量為12.93kg，每噸光伏玻璃耗能350kg標煤，按1kWh等量0.1229kg標煤計算，光伏玻璃耗電為0.142kWh/W，鋁邊框2.8kg，按每噸耗電1.335萬度，鋁邊框電耗為0.144kWh/ W，組件層壓等耗電約為0.06kWh/W。
電站輔材：每100MW電站需支架鋼材5000t、鋼筋1500t、各類電纜850km，支架鋼材和鋼筋的能耗為0.3kWh/W，電纜能耗約為0.01kWh/W，升壓變、逆變器等按0.05kWh/W計算。
參考資料
（1）Sa?cha G, et al. , Life Cycle Analysis (LCA) of photovoltaic panels: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014(38), pp.747–753
（2）Atse L. et al., Re-assessment of net energy production and greenhouse gas emissions avoidance after 40 years of photovoltaics development, Nature Communications, 2016(12)
（3）Michaja P, et al. , Understanding future emissions from low-carbon power systems by integration of life-cycle assessment and integrated energy modelling，Nature Energy, 2017(12)
（4）中國光伏協會，關於光伏行業所謂的「高耗能」問題分析 https://mp.weixin.qq.com/s?src=3×tamp=1554262227&ver=1&signature=YpxLZjCcvnUcEzQft*E6rsEcQ-AsL9UeuIrbazHzDY4yp5gMUfitj9fesJ9p7fgYktBnd2j01dSCWVygd9WHkzHt8Ag8*xzsrMnvXSShoDPEKB90Xq1t7*F17MSzqHFnbkg1LuQtT*OwipXarx7-6dkZTywYpiR5-tPjbVIHcK4=
（5）James M. et al. Life cycle water use for electricity generation: a review and harmonization of literature estimates, Environmental Research Letters, 2013(8)
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