基于模型的中国省级层面住宅光伏系统生命周期排放预测（2020–2050年），考虑以旧换新政策的影响

《Renewable Energy》：Model-Based Province-Level Projections of Residential PV Lifecycle Emissions under Trade-Old-for-New Policies in China (2020–2050)

中国各省光伏系统全生命周期碳排放与“以旧换新”政策效果研究。采用省级建模框架，量化2020-2050年政策对光伏系统碳减排的影响，通过动态排放因子和回收信用计算，结合标准差椭圆分析空间异质性，比较完全更换、逐步更换和静态退役三种情景。结果显示东部贡献超60%减排，河北山东减排效益达789%和232%，空间覆盖2050年扩大134.6%，回收贡献30-35%减排，缺失回收将削弱国家减排超30%。创新在于内生化政策机制，揭示时空轨迹对减排的贡献。

　　

Jiahan Luo|Lei Chen|Yushu Chen|Guotian Cai

中国科学院广州能源转换研究所，中国广州，510640

摘要：

住宅光伏（PV）系统对中国实现碳中和至关重要，然而老旧资产威胁到长期的减排目标。本研究量化了“以旧换新”（TON）政策对中国2020至2050年间住宅光伏系统生命周期碳排放的影响。研究采用了省级建模框架，预测光伏系统的采用情况，通过Weibull寿命模型追踪设备退役时间，并利用动态排放因子和回收信用计算生命周期排放量；空间动态通过标准差椭圆指标进行总结。研究比较了完全更换、逐步更换和静态退役三种方案。结果表明存在显著的区域差异：东部省份贡献了超过60%的累计减排量；在完全更换的情况下，河北和山东的减排量分别比静态退役基准高出789%和232%；随着TON政策向西部推广，到2050年空间覆盖范围扩大了134.6%。在TON政策下，回收利用占生命周期减排量的30-35%，而如果没有回收利用，全国减排量将减少30%以上。本研究的新颖之处在于将经过认证的回收利用内生化到生命周期评估中，从而分离出由于更换政策带来的增量减排效果。

引言

从化石燃料向可再生能源的转型对实现全球碳中和和减缓气候变化至关重要[1]。住宅光伏（PV）系统作为一种关键的分布式可再生能源技术，通过提供分散式的清洁能源、降低输电损耗并促进可持续的家庭消费，带来了显著的好处[2][3]。要最大化这些效益，需要从生命周期的角度出发，将部署模式与上游制造和寿命终结过程联系起来[4]。随着光伏系统老化，及时更换变得愈发重要。为此，中国加快了“以旧换新”（TON）项目的推广，提供补贴和技术支持以促进住宅光伏系统的升级[5]。

尽管光伏系统运行本身不产生排放[6]，但其生产和寿命终结阶段仍伴随着大量碳排放[7]。制造过程（如硅纯化和模块组装）能耗较高，对上游排放有显著贡献[8][9]。废弃模块的回收既存在环境风险，也带来了减排机会，因为有效的回收可以大幅减少原材料开采过程中的排放[9]。因此，全面的生命周期评估（LCA）对于量化光伏系统的净气候效益至关重要，尤其是考虑到典型的20-30年碳回收周期。

空间差异进一步影响了光伏系统的碳排放表现，不同地区的减排量因太阳辐射、政策框架、经济发展和电网碳排放强度的不同而有所差异[10][11]。在依赖高碳电网的地区安装的光伏系统比能源结构更清洁的地区具有更大的减排潜力。部署趋势也因地区激励措施和能源结构而异[12]。为了分析这些动态，可以使用空间分析方法（如重心法和标准差椭圆法）来追踪排放“热点”和随时间的变化趋势，从而制定有针对性的、适应地区特点的减排政策[13]。

从时间角度来看，住宅光伏系统的碳减排潜力受到模块老化[14]、技术进步[15]和政策演变[16]的影响，这些动态要求进行高分辨率的时间分析，以避免线性预测可能低估的长期效应；因此，动态建模应结合技术路径、地区条件和实际的服务寿命[17]。

同时，随着全球光伏安装量的激增，光伏废物管理变得越来越紧迫[18]。当住宅光伏系统达到使用寿命结束时，将产生大量废弃模块，尤其是在欧洲、美国和中国等早期采用该技术的市场。早期采用光伏技术的国家（如澳大利亚[19]、西班牙[20]和意大利[21]）的研究强调了可信的长期预测和有效回收系统的必要性。然而，现有研究往往依赖于过于简化的线性模型，忽略了技术变异性和模块寿命的差异，导致对未来废物量和相关排放量的估算不准确[4]。因此，有效的废物管理是减少生命周期排放的重要手段，而不仅仅是寿命终结阶段的考虑因素。

在中国，政策相关性尤为突出（聚焦于此）。随着光伏安装基数的老化和技术的快速进步，中国已经开始试点并扩大“以旧换新”（TON）项目的规模，将及时更换与认证回收相结合，以维持碳减排效果[5]。将TON政策纳入生命周期评估框架内，可以一致地评估各省份的更换时机、回收信用和电网排放轨迹，这是实现住宅光伏与区域碳中和目标对齐的关键步骤。

重要的是，当前的生命周期研究往往忽视了更换安装（升级或替换老旧光伏模块）在维持减排中的作用[22]。这促使了“以旧换新”（TON）等政策的出台，旨在用更新、更高效的系统替换老旧系统，以重新激活住宅太阳能生产。大多数现有评估未能充分考虑组件更换对生命周期排放的影响或系统寿命的延长，从而低估了持续技术改进的潜在效益[23]。将更换安装纳入全面的时空分析中，可以更真实地反映持续的碳减排情况，推动精细的区域分析和生命周期管理框架的建立。

此外，尽管在住宅光伏研究方面取得了显著进展，但在将更换安装纳入生命周期评估方面仍存在关键空白[24]。尽管最近的研究开始关注光伏系统的寿命终结阶段预测，但这些研究主要集中在集中式或分布式光伏系统上，忽略了对于维持长期减排效果至关重要的住宅规模更换[25]。随着住宅光伏市场的成熟，模块退役量将大幅增加，及时更换对于保持持续的减排至关重要。忽视组件升级或更换的碳减排潜力会严重限制我们对光伏系统真实生命周期性能的理解。这种机制既减少了退役带来的影响，又最大化了生命周期的碳效益。

关于住宅规模的研究很少将“以旧换新”（TON）作为与认证回收相结合的明确替换机制纳入生命周期评估。很少有研究在省级层面进行时空分辨率下的效果评估。因此，与逐步更换或静态退役相比，TON政策的增量碳效益在各地差异仍不明确。

传统的光伏生命周期评估通常针对单一安装批次进行从摇篮到坟墓的全面影响评估，并将更换过程视为外部因素或忽略不计；而区域部署预测仅关注容量和能源，没有将生命周期排放纳入考虑。我们的研究在三个方面有所不同：（1）将TON政策内生化，将基于批次的退役、更换时机和认证回收纳入生命周期评估；（2）生成省级时空碳轨迹（2020-2050年），并利用重心法和标准差椭圆法（SDE）量化空间差异；（3）通过情景分析（完全更换、逐步更换、静态退役）来确定更换政策设计带来的增量减排效果。这一方法补充了澳大利亚最近的研究，这些研究优化了太阳能光伏废物收集网络并通过LCA评估产品管理方案——这些研究侧重于寿命终结阶段的物流和管理，而我们的重点是从政策驱动的更换角度评估碳减排潜力和时机，将部署动态与生命周期结果联系起来[26]。

框架

资源可用性和区域经济发展的差异给光伏系统的扩展带来了重大挑战，回收效率低下和空间规划不足加剧了这些问题。解决这些挑战需要强制性的生命周期管理、适应性废物处理策略和持续的技术创新。本研究的概念框架如图1所示，涵盖了从家庭光伏容量评估到生命周期碳排放的整个过程

2050年前中国住宅光伏的区域发展

如图3所示，中国各地区光伏安装的发展呈现出受地理、经济和政策因素影响的独特模式。根据共同的发展特征将八大主要经济区域进行分组，可以有效阐明它们的增长轨迹。

快速发展区域（如北部沿海和黄河中游）受益于早期的政策支持、强劲的经济实力和丰富的太阳能资源，到2030年达到饱和并达到峰值

结论

住宅光伏（PV）系统对中国2060年碳中和战略至关重要。本研究评估了2020至2050年间，在三种“以旧换新”（TON）政策情景下（完全更换、逐步更换和静态退役），中国各省住宅光伏系统的时空趋势和生命周期碳排放情况，发现了显著的区域差异和生命周期管理挑战。与集中式公用事业规模的光伏系统不同，住宅光伏系统具有更高的

CRediT作者贡献声明

Jiahan Luo：撰写初稿。Lei Chen：可视化处理和项目管理。Yushu Chen：概念构思。Guotian Cai：监督指导

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52200212）、教育部（MOE）人文社会科学项目（项目编号：21YJC790012）以及广州市基础与应用基础研究基金（项目编号：2024A04J4677）的支持。

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