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財經 | 產業動態

電池製造過程污染多,太陽能發電其實沒那麼「乾淨」!

撰文者:連以婷
科技新報 TechNews 2014.09.01 105,242
來源:minoru karamatsu@flickr,CC BY 2.0

在環保意識抬頭下,太陽能發電已被視為能源科技的顯學,一塊塊太陽能板在刺眼的陽光照耀下,都成為綠金的最佳代言人;確實,太陽能發電比石化燃料發電對環境傷害較小,但大部分人很少意識在製造電池的當下,所使用的電力、所排放的二氧化碳與污染,仍然會影響環境,而過去許多公安事件的發生,也證明那些我們坐享其成的太陽能電池,並非零污染零排碳,而是將環境成本轉嫁給生產國。美國聖荷西州立大學(San Jose State University)環境研究學教授Dustin Mulvaney發表於IEEE Spectrum網站的文章深入探討此問題。

從2008年開始,太陽能製造業從原本的產地歐洲、日本、美國,轉移至中國、馬來西亞、菲律賓與台灣,如今將近一半的太陽能電池都在中國生產,雖然帶動了當地產業的興起,卻也讓這些地區飽受污染之苦,並讓從事相關工作者身處危險的環境。

污染得從頭說起──從挖掘到精煉

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要準確說明這些問題,必須從太陽能電池的製造談起。雖然產生太陽能電池的技術有很多種,但大部分都是從石英砂開始,先不說之後的提煉,光從礦山中挖取石英砂,就是從古至今對健康危害最深的職業之一,會讓礦工染上矽肺病(silicosis)。

石英砂挖掘出來後,首先透過電弧爐將石英砂還原成冶金級的矽(Metallurgical Grade Silicon, MGS),大多用於煉鋼,在這一階段中,需要輸入大量的能源來保持電弧爐的高溫,而所產生的二氧化碳與二氧化硫,對施作人員與環境危害較輕。

下一階段則是將冶金級的矽精煉,除去內部的雜質,讓矽的純度更高,精煉過程包括將氫氯酸(hydrochloric acid)加入冶金級的矽,進行氯化反應生成三氯氫矽(trichlorosilanes),之後加入氫氣進行一次性還原產生高純度的多晶矽(polysilicon),在整個過程中最多有25%的三氯氫矽會轉化為多晶矽,同時伴隨非常毒的副產品四氯化矽(silicon tetrachloride)產生,估計每生產一噸的多晶矽,會有3~4噸的四氯化矽。

大部分的製造商會將四氯化矽回收再利用,因為所消耗的能源會比從最原始的原料(二氧化矽)來的少,所以回收四氯化矽能省錢;但有一好沒兩好,這些設備需要花費上千萬美元,因此一些業者會直接將副產品排放掉。當這種具強腐蝕性的有毒液體遇到潮濕空氣,馬上分解成矽酸和劇毒氣體氯化氫,會刺激人體眼睛、皮膚與呼吸道刺激,遇上星火則會爆炸,用於傾倒或掩埋四氯化矽的土地將變成不毛之地,樹木和草都無法生長。

當太陽能產業還沒那麼龐大時,太陽能電池所需要的矽主要來自晶片製造商所淘汰的矽晶片,半導體產業對矽的純度要求更高,因此要求較低的太陽能電池可接受它們的「淘汰品」,但當太陽能產業爆紅後,所需的矽已遠超過能接收到的,必須新建許多提煉工廠才夠用。然而很少有國家為四氯化矽設定嚴格的處理法則,擁有最多提煉廠的中國也不例外。

四氯化矽危害大

2008年華盛頓郵報就曾報導位於河南省的某多晶矽企業,不願意投資回收設備,而是將四氯化矽隨意傾倒於鄰近土地上,使該地區的農地無法種植作物,並讓附近居民的健康受到危害,報導指出這一家公司並非唯一一家這麼做的公司。

報導一發表,馬上引起大眾的激烈的反彈,也讓太陽能產業所標榜的「乾淨能源」形象蒙上一層灰,為了保護產業的聲譽,太陽能電池的生產商開始要求多晶矽供應商要做到環境保護責任,2011年中國也制定法規,規範供應商回收的四氯化矽至少要達到98.5%,之後情況逐漸改善。未來這些問題有望完全消失,因為美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)正尋找以乙醇代替氯基化合物的方法,以避免產生四氯化矽。

鋸切打磨清洗,需強腐蝕性物質幫忙

但污染並非只到多晶矽就停止,從多晶矽到真正的太陽能電池還需要透過長晶爐生成晶棒,再切割成晶圓或晶片,這些過程都需要危險的化學物質來處理,例如製造商需要用氫氟酸(hydrofluoric acid)來清洗晶圓,除去因鋸切所受到的傷害,或是磨平晶圓表面,以增加聚光能力。但氫氟酸是一種具有強烈腐蝕性的物質,就如武俠小說中的「化骨水」,若接觸到未受保護的工人,會破壞人體組織並侵蝕骨頭,因此必須妥善處理。

氫氟酸污染問題也層出不窮,例如2011年8月才剛評選為「2011清潔科技驅動者」的浙江晶科能源,卻被抓到排放氫氟酸到附近的一條小河,導致河中出現大量死魚,旁邊的豬圈也遭殃,因為農民引河水幫牠們洗澡,結果大批豬隻中毒而死;結果暴怒的居民衝進工廠並占領抗爭,同時在新聞報導播出的第二天,晶科的股價下跌超過 40%,市值蒸發近1億美元。

但這個威脅也有機會解決,羅門哈斯電子材料(Rohm & Haas Electronic Materials)已確認能用氫氧化納取代氫氟酸,氫氧化納雖然也具有腐蝕性,但較容易處理,對操作者而言危險性也較低。

薄膜太陽能電池,有重金屬問題

目前超過90%的太陽能電池使用多晶矽,然而近幾年多晶矽材料出現短缺,使得部分業者轉向投入薄膜太陽能電池,它的優勢在於製造成本更低,使用的能源與材料更少,未來若轉換率能進一步提升,有望與多晶矽相匹敵。除了上述的優點,薄膜太陽能電池可在價格低廉的玻璃、塑膠或不鏽鋼基板上蒸鍍非晶矽薄膜,而不需從矽晶棒切割而來,因此產生的廢棄物較少,也無須使用複雜的電弧爐,但這不代表薄膜太陽能電池不會造成環境污染。

薄膜太陽能電池的主要技術以非晶矽(a-Si)太陽能電池為最大宗,碲化鎘(CdTe)太陽電池產量成長最快,銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池則深具成長潛力,其中碲化鎘太陽電池由五層結構組成,其中一層為硫化鎘(CdS),另一層為碲化鎘(CdTe);銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池主要材料為銅銦鎵硒,但也含有硫化鎘,這兩種電池都使用重金屬的化合物,它是惡名昭彰的致癌物質,長期暴露可能導致腎臟疾病、肺損傷與骨骼脆弱。

一些製造商如總部設在亞利桑納州的First Solar(第一太陽能),對於工人的安全維護措施就做得很完善,但對那些從事開採或提煉等早期階段的工人,相關的安全訊息就很少;另外棄置的太陽能電池也是問題,若沒有妥善的回收機制,會增加鎘暴露的風險,對此許多大廠都做的不錯,如First Solar的預付回收系統(prefunded take-back system),但回收計畫並沒有提供給全部的使用者,甚至許多人根本沒意識到太陽能電池需要回收。

減少鎘危害的方式就是儘量使用無鎘產品。目前有兩個銅銦鎵硒製造商Avancis和Solar Frontier,以對環境較友善的材料硫化鋅取代硫化鎘;英國布里斯托大學(University of Bristol)和巴斯大學(University of Bath)、加州柏克萊大學也正嘗試發展薄膜太陽能電池,另外First Solar也逐漸減少鎘在太陽能電池的使用量。

能源回收要多久?

有毒並非是唯一的問題,製造太陽能需要大量的能源,幸運的是,因為電池能生產電力,可回收原本投資的能源,大部分的電池運作兩年後就可以打平,有些電池甚至能縮短至半年,但能源回收與資金回收的時程不能混為一談,兩者有時間差距。

除了能源回收是否符合效益,碳足跡也是個問題,通常以碳排放强度(carbon-intensity)為計算單位,也就是生產每千瓦小時的能量會排放多少公斤的二氧化碳,其中較依賴煤炭供電的碳排放強度最高,例如中國,電力生產的碳排放強度是美國的兩倍,這個數據與阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)和西北大學(Northwestern University)在2013年發表的報告相似,報告指出中國製造的太陽能板其碳足跡是歐洲製造的兩倍。

如果中國製造的太陽能板安裝於中國,消耗的碳與節省的碳將相互抵銷,兩者相抵的時間剛好與能源回收期相同,但這與現況不合,大部分的製造廠位於中國,而安裝地點則在歐洲與美國,在雙重碳排放强度下,需要兩倍的時間才能補償溫室氣體的排放,因為要將所投入的能源也計算。

反過來說,如果將在低碳排放强度低區生產的太陽能電池,裝在高碳排放强度的國家,那溫室氣體回收時間將大幅減少;也許將來會有一天,生產電池的能源將來自太陽能、風能和地熱,到時候碳足跡也不再是問題。

水則是另一個問題,在太陽能電池製造的過程中,必須用到很多水,包括冷卻、化學處理和空汙防治,最大的需求來自安裝與使用時的清洗,公共事業規模在230~550 百萬瓦(megawatt)範圍內的能源計畫,在施工期時每年需耗費15億升的水來進行粉塵控制,運轉時每年需要2,600萬升的水來清洗太陽能板,但這些用水量仍遠低於冷卻火力和核能發電廠所需要的用水。

消費者該如何監督

消費者和投資者的選擇將左右太陽能產業的走向,但卻有很多潛在困難度,例如太陽能產業沒有正式的生態標籤,類似家電上的能源之星(Energy Star),可讓消費者識別哪個廠商推出的產品為高效能;大部分的人不願意或無法親自與生產太陽能電池的廠商聯繫,多依靠第三方來幫忙選購安裝,因此即使有生態標籤,也往往取決於安裝端的心態,是否願意選較環保的產品。

如今消費者可向安裝廠商詢問所使用的產品細節,以間接的方式要求生產商提高他們的環保措施,另外針對太陽能產業的環境績效評等也逐漸浮上檯面,例如耶魯大學與哥倫比亞大學的研究人員提議建立一個中國環境績效指數,能在各省實施,來幫助中國廠商能朝著環境保護大方向邁進。

同時美國太陽能產業協會(Solar Energy Industries Association)與美國國家貿易組織提出新的工業指南,目的是減少職業傷害、防止污染與降低自然資源的使用;矽谷毒物聯盟(Silicon Valley Toxics Coalition)定期調查與評估各國企業的環境績效,目前中國的天合光能(Trina Solar)與英利綠色能源(Yingli)長期穩居世界前三大最環保的公司,夏普(Sharp)、SolarWorld和SunPower也對自家排放的溫室氣體與化學物質,進行長期追蹤。

許多人將太陽能視為未來的能源救星,卻忽視在光鮮亮麗的外表下,隱藏著如此多的問題,身為消費者的我們不能視而不見,而應該以群體的力量要求廠商做到真正的節能、減碳、零污染,不然我們所追求的綠色能源,也不過是個包裹著糖衣的毒藥罷了。

─本文獲 「科技新報」授權轉載

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