鈣鈦礦太陽(yáng)能電池回收新方案，“電子垃圾”回收難題或?qū)⒐タ?/h1>
2021-08-27 05:11:35
海外星云 2021年11期
當(dāng)前，全球能源低碳轉(zhuǎn)型正如火如荼，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為主的新能源或者可再生能源迅速發(fā)展。然而，新的問(wèn)題隨之出現(xiàn)，日益增加的太陽(yáng)能電池廢料正在成為下一個(gè)隱患。
國(guó)際可再生能源署（IRENA）曾預(yù)估：2050年全球太陽(yáng)能電池廢料將達(dá)到7800萬(wàn)噸，而這也僅是龐大電子垃圾中的一小部分。此外，太陽(yáng)能電池含有多種有毒化學(xué)物質(zhì)，包括鉛、鎘、銻等，通常難以拆除和處理。
常規(guī)的電子產(chǎn)品回收方法對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)顯然并不適用，而鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池作為第三代太陽(yáng)能電池中的典型代表，其回收狀況更是備受關(guān)注。因此，一種新的回收方案亟需出現(xiàn)。
日前，康奈爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，合理回收鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池能有效降低環(huán)境污染并確保能源的可持續(xù)性。他們列出了六種不同的鈣鈦礦光伏組件，并對(duì)它們進(jìn)行了生命周期評(píng)估。
相關(guān)研究論文以《鈣鈦礦光伏組件回收策略的生命周期評(píng)估》為題，發(fā)表在Nature Sustainability上，由美國(guó)康奈爾大學(xué)能源系統(tǒng)工程系終身講席教授尤峰崎擔(dān)任通訊作者。
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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池回收策略——“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^(guò)程評(píng)估
太陽(yáng)能電池板
據(jù)了解，生命周期評(píng)估自20世紀(jì)60年代起便已廣泛應(yīng)用于環(huán)境評(píng)估，涉及某一產(chǎn)品或服務(wù)從取得原材料到生產(chǎn)、使用直至廢棄的全過(guò)程，并在其中引入“能源償還期”的概念。
值得一提的是，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池架構(gòu)一般擁有2個(gè)月～13個(gè)月的能源償還期。這意味著鈣鈦礦太陽(yáng)能在投入使用后，只需要一年不到的時(shí)間就可以抵消制造該裝置的能源消耗。
這種回收性能完勝當(dāng)前太陽(yáng)能市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品，包括常見(jiàn)的硅電池，它的能源償還期大概在1.3年～2.4年之間。
而在評(píng)估太陽(yáng)能電池“從搖籃到墳?zāi)埂钡恼麄€(gè)過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，具有導(dǎo)電氧化物和能源密集型加熱過(guò)程的基板是導(dǎo)致環(huán)境變化的主要因素。因此，在擴(kuò)展分析時(shí)，尤峰崎及其團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)放在這些材料和工藝上，并以此來(lái)制定回收策略。
研究結(jié)果表明，該回收策略可以使能源回收時(shí)間減少72.6%，溫室氣體排放因子減少71.2%，在降低能耗、能源生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。
不過(guò)需要注意的是，該回收方法并不能回收鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的鉛，大量的鉛依舊需要通過(guò)其它的方式進(jìn)行選擇性溶解。該團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)的技術(shù)有望更好地處理和回收鈣鈦礦電池中的鉛，他們正在進(jìn)行的項(xiàng)目也會(huì)涉及到相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。
此外，尤峰崎也在論文摘要中強(qiáng)調(diào)，“我們使用敏感性分析來(lái)強(qiáng)調(diào)延長(zhǎng)設(shè)備壽命的重要性，并量化由仍然不成熟的制造工藝、不斷變化的操作條件和每個(gè)模塊的個(gè)體差異引起的不確定性的影響。”
打破不同學(xué)科邊界，探索“1+1>2”途徑
“在過(guò)去的幾年里，我一直在從事多尺度系統(tǒng)工程和數(shù)據(jù)科學(xué)的研究。我們科研團(tuán)隊(duì)在計(jì)算模型和算法領(lǐng)域有較強(qiáng)的背景。我希望在堅(jiān)持計(jì)算理論基礎(chǔ)研究、開(kāi)發(fā)新型高效算法的同時(shí)，利用我們的優(yōu)勢(shì)，和不同應(yīng)用領(lǐng)域的專家合作，共同探索解決對(duì)人類和社會(huì)有現(xiàn)實(shí)意義的具體問(wèn)題，”尤峰崎表示，“因此在研究理論和算法的同時(shí)，我們也著力于相關(guān)技術(shù)的落地化和實(shí)用化?！?/p>
目前，尤峰崎課題組的研究方向側(cè)重于能源與環(huán)境系統(tǒng)，以及高端的計(jì)算技術(shù)，包括人工智能、量子計(jì)算的理論研究和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)等。
“我們使用人工智能和量子計(jì)算等系統(tǒng)技術(shù)來(lái)解決從分子和材料設(shè)計(jì)到氣候變遷的問(wèn)題?！庇确迤榻榻B道。
該項(xiàng)科研工作聽(tīng)起來(lái)比較抽象，同時(shí)，也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工作。一個(gè)人如何應(yīng)用單一領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)來(lái)優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)、制造過(guò)程和整個(gè)食品生產(chǎn)流程以及生態(tài)系統(tǒng)？這顯然是一個(gè)龐大到難以估計(jì)的任務(wù)量。
對(duì)此，尤峰崎給出的解決方案是“合作”。他表示：“我一直在尋找1+1>2的機(jī)會(huì)?！?/p>
當(dāng)今時(shí)代，多學(xué)科的交叉融合正在成為常態(tài)。通過(guò)加強(qiáng)多學(xué)科之間的學(xué)習(xí)、交叉融合和運(yùn)用，對(duì)于打破傳統(tǒng)學(xué)科壁壘，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)研究的飛躍有著舉足輕重的意義。正因此，尤峰崎參與了一系列不同學(xué)科卻息息相關(guān)的項(xiàng)目。
尤峰崎的研究涉及智能制造、數(shù)字化農(nóng)業(yè)、能源系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展等許多方面。目前，他正在尋找能夠更好地回收和利用這些資源、提高效率并最大限度地減少保持食品生產(chǎn)所需的外部能源的工藝。
六種PSC垃圾回收的能源消耗比較
比如可用于種植作物的生物燃料或肥料，以及此次的鈣鈦礦光伏組件回收，事實(shí)上這些都源自尤峰崎正在研究的將食物廢物和各種有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品的技術(shù)，而這也正是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。
此外，在算法和優(yōu)化方面，尤峰崎提供了一種獨(dú)特實(shí)用的量子計(jì)算方法用于優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能的應(yīng)用。
尤峰崎表示：“我們的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)就在于我們是高度跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，我們使用系統(tǒng)分析和優(yōu)化以及生命周期評(píng)估，然后將這些與我們的特定專業(yè)領(lǐng)域完美地結(jié)合起來(lái)?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚?（編輯/費(fèi)勒萌）
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