• 成果简介

中国地质大学王伦澈团队采用生命周期评价方法，对我国光伏系统的碳排放和碳减排绩效进行了综合分析。结果表明，我国光伏系统全生命周期碳排放量从2011年的1.66 kg CO2/W下降到2018年的0.75 kg CO2/W；同时碳强度从74.24 kg CO2/kWh下降到50.91 kg CO2/kWh，能源回收期从2.4年下降到2.2年。2008年至2018年，中国光伏系统累计净减排约1889 × 10⁸kg CO2。此外，光伏发电量每增加1%，2022~2035年中国发电行业的碳排放总量可减少约2.05%。本研究从更大的时空尺度和未来视角分析了中国光伏系统的碳排放和碳减排。研究结果有助于更好地了解光伏系统的碳排放和减排性能，为我国光伏产业的高质量发展提供有效的信息。

• 引言

根据全球碳图谱，2019年全球碳排放量达到约354.4亿吨，并且还在持续上升。因此，为了实现碳中和的目标，光伏发电作为一种被广泛认可的清洁发电方式，得到了迅速的发展。这是一种利用PV效应将太阳能直接转化为电能的技术。光电转换过程是零碳的，光伏发电可以通过替代传统的化石燃料能源发电来减少碳排放。根据国际可再生能源署（IRENA）的统计数据，2023 年全球光伏装机容量超过1419GW，比2020年增长约100%。中国光伏行业的发展尤为迅速。截至2015年底，中国光伏装机容量约为43.54GW，光伏发电量对总发电量的贡献为 ≤0.7 %。五年后(2020年底)，中国光伏装机容量超过253.83GW。然而，光伏发电并不会导致零碳排放。虽然太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，不会污染环境，而且光伏系统在将太阳能转化为电能的过程中不会产生任何碳排放，但光伏系统依赖于光伏电池等组件、控制器和逆变器实现光电转换；这些模块的生产需要一个以污染和能源消耗为特征的过程。此外，用于建造光伏系统的建筑材料会对环境产生负面影响。因此，对光伏系统的碳排放进行综合评估，对于更准确地了解光伏系统的碳排放和碳减排性能，实现光伏行业的高质量发展具有重要意义。

• 图文导读

1、中国光伏系统生命周期碳排放

图1显示了2008-2018年中国光伏系统生命周期碳排放量的变化趋势。结果发现，中国光伏系统生命周期碳排放总量从2011年的1.6568 kg CO2/W 降至2018年的0.7539 kg CO2/W，且呈持续下降趋势。在各阶段碳排放中，光伏电池生产阶段的碳排放占全生命周期碳排放的比例较高。2011年，该阶段的碳排放量约占总碳排放量的67%；2018年，该阶段的碳排放量仍占总碳排放量的40%以上。

图1：2008年至2018年光伏系统各阶段的碳排放量（插值结果）

2、中国光伏系统的清洁性能

全国各地级行政区光伏板高峰小时数见图2。给定PV板的峰值小时是指由PV板拦截的总太阳辐射（SR板）与标准状态下的太阳辐射（P0）的比率（即，SRpanel/P0，有关一年内P0）的定义，请参见方法部分，它表示太阳辐射可以支持PV板满负荷运行的小时数。我国光伏发电高峰时段的空间分布差异较大。最高值出现在西藏阿里地区（>2400 h，接近全年的1/3），而最低值出现在重庆（仅为869 h，<全年的1/10）。此外，青藏高原、西北地区和内蒙古是光伏电池板高峰小时数较高的地区，而低值地区主要分布在中国的南部和东部省份。对于清洁性能，空间分布与中国光伏电池板的高峰时段基本一致。本研究以装机容量为10 MW（市场平均情况）的光伏系统为例，分析了中国光伏系统的清洁性能。光伏系统寿命设定为25年，光伏系统效率年均下降率为0.7%，性能比，即光伏系统实际输出功率与理论输出功率之比设定为85%。

图2：2008年至2018年光伏系统各阶段的碳排放量（插值结果）

2011年和2018年中国光伏系统CI和EPBT值的空间分布见图3。这两个指标用于分析光伏系统的清洁性能，其中CI越小，EBPT越短，表明光伏系统的清洁性能越好。结果表明，光伏系统在高峰时段的清洁性能较好，说明光伏板的高峰时段对光伏系统的清洁性能有重要影响。此外，随着时间的推移，中国各地区光伏系统的清洁性能不断提高。2011年，中国各地区光伏系统的CI和EPBT值分别为52.65-146.98 kg CO2/kWh和1.71~4.79年，而2018年CI和EPBT值分别降至36.10-100.78 kg CO2/kWh和1.53~4.26年。

图3： 中国各地级行政区光伏板高峰时段

3、中国光伏系统的碳排放与减排

与国家层面的光伏系统碳排放和减排趋势相比，中国各省的光伏系统碳排放和减排趋势更为复杂。图4为2012~2018年中国各省光伏系统碳排放情况，图5为2013~2018年中国各省光伏系统净碳减排情况。2012年至2018年，中国各省份光伏系统碳排放存在明显的空间差异。2012年至2015年，这些排放主要集中在西北、华北等太阳辐射资源丰富的地区。由于这些地区是中国光伏发展初期光伏资源的主要开采地区，因此在这些地区建设了大量集中式光伏系统。然而，随着国家对分布式光伏系统的政策支持，2015年后，中国中东部光伏系统的碳排放量开始快速增长。到2018年，分布式光伏系统在中国光伏系统总量中的占比接近30%，在可预见的未来，分布式光伏系统的占比将继续提高。因此，中国中东部光伏系统的年碳排放量将继续快速增长，而太阳辐射资源丰富地区的年碳排放量可能会保持相对稳定的水平。在中国其他地区，光伏产业的发展相对缓慢，这主要归因于脆弱的自然条件（例如，在西藏）或有限的太阳辐射资源（例如，在重庆和贵州）。2013年至2018年，中国各省光伏系统净碳减排量逐步由负转正。2013年，中国只有5个省份的光伏系统净碳减排量为正，而且即使是这些也很低。在这些省份中，上海光伏系统的净碳减排量最高，其次是西藏。此外，北京、重庆和贵州的光伏系统净碳减排量接近于0，因为这三个地区的光伏产业当时基本上还没有发展起来。在其他省份，光伏系统的净碳减排量为负值，这表明这些地区的光伏产业处于形成阶段。在这些省份中，甘肃的光伏系统净碳减排量最低，其次是新疆，表明2013年中国西北地区正在建设大量光伏系统;这些地区光伏系统的净碳减排量在光伏系统建设完成后逐渐由负转正。2015年后，碳净减排量为正的地区逐渐从西北地区扩大到全国。到2018年，只有重庆和海南的光伏系统净碳减排量为负;事实上，重庆和海南的光伏系统净碳减排量并不总是负的，而是波动的。我国许多省份都呈现出这种格局，这些省份都有一个共同的功能：：其太阳辐射资源只能算是中、低级。因此，虽然已经实现了较高的光伏装机容量，但只有一小部分装机容量可以转化为光伏发电，这进一步凸显了太阳辐射资源的赋予对光伏系统清洁性能的影响。

图4：2012 - 2018年中国各省光伏系统碳排放的空间分布和趋势

图5：2013 - 2018年中国各省光伏系统净碳减排量时空变化

4、中国光伏系统未来碳减排潜力

发电量预测结果如图6所示。中国GDP与发电总量之间存在较强的相关性，可以通过GDP预测发电总量，而中国未来的GDP数据是通过未来三种发展情景来确定的。根据预测结果，2035年中国发电总量将达到1.67×1013kWh（基准增长情景）、1.79×1013kWh（快速增长情景）或1.53×1013kWh（缓慢增长情景）。

如图7所示，90在三种不同的发展情景下，中国发电行业未来的碳排放量存在明显差异。在这三种发展情景下，根据预设的中国发电结构，2022至2035年发电行业的碳排放总量将分别为6.55 × 10¹³ kg CO₂（基准增长情景）、6.79 × 10¹³ kg CO₂（快速增长情景）或6.32 × 10¹³ kg CO₂（基准增长情景）。79 × 10¹³ kg CO₂（快速增长情景）或6.32 × 10¹³ kg CO₂（较慢增长情景），年碳排放峰值将达到4.85 × 10¹² kg CO₂（基准增长情景）、4.99 × 10¹² kg CO₂（快速增长情景）或4.76 × 10¹² kg CO₂（较慢增长情景）。这表明在实现碳中和之前，中国发电行业仍将产生较高的碳排放量。但是，从2022年到2035年，中国发电行业的碳排放量呈现先上升后下降的趋势，这表明如果中国的发电结构能够按照预设的发电结构发展，中国发电行业将实现碳中和目标，并在2026年（基准增长情景）、2028年（快速增长情景）或2025年（较慢增长情景）达到碳排放峰值。此外，光伏发电比例的变化也会对发电行业的碳排放产生相当大的影响。不同光伏发电比例下中国发电行业的碳排放量如图7所示。基于快速增长情景和预设发电结构，光伏发电比例每增加1%（即替代1%的火力发电，其他条件不变），2022年至2035年发电行业碳排放总量将减少约2.05%；此外，光伏发电比例每增加4%，中国发电行业碳排放峰值时间可提前一年。相反，每减少4%，碳排放峰值时间将推迟一年。但是，如果到2030年光伏发电比例不超过6%，中国发电行业将无法在2030年前实现碳排放峰值，二氧化碳排放峰值将超过5.90 × 10¹² kg CO₂。在这种情况下，2022-2035 年期间的碳排放总量将超过8.04 × 10¹³ kg CO₂，中国发电行业实现碳中和的难度将越来越大。

图6：2022~2035年中国发电结构

图7：（a）三种未来情景下发电行业的碳排放和；

（b）中国发电行业不同光伏发电比例下的碳排放

• 结论

1.中国光伏系统全生命周期碳排放量由2011年的1.657kg CO₂/W降至2018年的0.754kg CO₂/W，未来碳排放量将继续减少。

2.中国光伏系统清洗性能的空间分布特征在全国范围内主要表现为从西北向东南递减的趋势。中国光伏系统2011年的CI值和EPBT平均值分别为74.244kg CO₂/kWh和2.417年，而2018年分别下降到50.906公斤CO₂/kWh和2.153年。

3.2008-2018年间，中国光伏系统碳排放量呈先增后减的趋势，碳减排量呈指数级增长。在这11年期间，中国的光伏系统累计产生约1908×10⁸kg CO₂的累计排放量，累计减排约3797×10⁸kg CO2，累计净减排约1889×108kg CO₂。

4.在未来三种情景(基准增长、快速增长和较慢增长)下，2022年至2035年，中国发电行业将产生6.32×10¹³至6.79×10¹³kg CO₂，碳排放量将呈现先上升后下降的趋势。光伏发电每增加1%，2022年至2035年中国发电行业的碳排放总量将减少约2.05%。

5.提出了光伏产业高质量发展的三条路径：即加快完善电力基础设施建设，加强光伏技术创新和应用，建立光伏组件回收国家标准。本研究在更大的时空尺度上揭示了中国光伏系统的生命周期碳排放和过去的碳排放绩效，并从未来的角度分析了中国光伏系统未来可能的碳减排潜力，有助于更准确地了解中国光伏系统的清洁性能。应编制更全面、更准确的生命周期清单和统计数据，以实现对中国和世界光伏系统未来碳减排潜力的更深入分析。