印度光伏废弃物的物质流评估：量化、特性表征及至 2050 年的资源回收潜力

《Resources, Conservation and Recycling》：Material flow assessment of photovoltaic waste in India: Quantification, characterization, and resource recovery potential to 2050

　　

**摘要**

快速推进的能源扩张正在推动光伏发电的部署，由此产生了日益严峻的退役废弃物问题。然而，针对光伏废弃物数量评估、成分表征及二次材料供应链的综合性研究仍然有限，尤其是在印度等发展中经济体中尤为不足。本研究通过结合基于威布尔分布的寿命建模与动态物质流分析框架，评估了光伏废弃物的产生量及资源回收潜力。本研究开启了为光伏废弃物建立二次材料供应链的进程。预测表明，到2050年，印度将产生400至420万吨光伏废弃物，其中68%为玻璃，15%为铝，9%为钢铁，其经济估值为112.2亿美元，其中108.3亿美元可通过适当的回收利用保留下来。若处置不当，将有51吨有害的铅和镉进入填埋场，造成严重的环境问题。值得注意的是，本研究对印度生产者延伸责任制度的实施前景提出了担忧。

**引言**

现代经济离不开能源的保障，能源是其繁荣发展的关键所在（Rauf等，2023年；Semieniuk等，2021年）。人口增长和社会经济条件的改善正推动全球能源需求持续增加（联合国，2024年）。过去几十年来，这一需求在很大程度上依靠化石燃料来满足（Chowdhury等，2025年；Ghasemian等，2024年）。然而，对气候变化、能源安全和进口依赖的担忧正加速全球向可再生能源的转型（Rauf等，2023年）。在此进程中，太阳能作为一种可靠、零排放的能源来源而崭露头角，使光伏产业成为过去十年间发展最为蓬勃的可再生能源产业（Romel等，2024年）。全球正大规模部署光伏发电系统，至少34个国家安装了超过1吉瓦的容量，截至2024年底，全球累计装机容量已达2156.5吉瓦（Masson等，2025年）。附录图A1展示了近期研究预测的全球光伏发电装机容量最高的前五大地区。然而，光伏组件的寿命有限，保修期仅为25至30年（Chowdhury等，2026年；IRENA，2016年），其退役问题引发了环境方面的担忧。为达成气候目标，预计到2050年全球光伏装机容量将接近75太瓦，可能产生5400万至1.6亿吨退役光伏废弃物（Chowdhury等，2026b）。多项研究已表明，光伏废弃物中含有铅和镉等有毒物质，这些物质具有较高的浸出毒性，可能导致土壤和水体污染（Mahmoudi等，2019年；Nain和Kumar，2020年；Petroli等，2024年）。为应对这些挑战，全球研究人员已开始关注这一新兴固体废物源的管理，特别是光伏废弃物（Nabi和Nema，2024年）。废物管理的基本步骤之一是废弃物源的现状与未来量化和表征（Nabi和Nema，2024年）。

量化旨在确定退役时将产生的废弃物量，需要合理的规划和管理。对特定区域的废弃物产生量进行量化是废物管理的基础步骤，已在多个废弃物领域中得到广泛应用，包括光伏废弃物。例如，Islam和Huda（2019年）以及Kiran等（2021年）对电子废弃物进行了量化，Kastanaki和Giannis（2023年）对电池废弃物进行了量化，Erdebilli和Devrim-??tenba?（2022年）以及Mühlich（2003年）对医疗废弃物进行了量化。然而，全面评估需要的不仅是估算数量，还促使研究人员进一步预测未来废弃物的组成。例如，多项研究对光伏废弃物的组成进行了预测，以确定所产生的材料（金属/非金属）数量（Domínguez和Geyer，2019年；Mahmoudi等，2019年；Peeters等，2017年；Song等，2023年）。这种表征不仅提供了废弃物组成的信息，还突出了建立再利用和回收技术以实现循环经济的潜力，为了解废弃物源预期的材料组成提供了洞察。这一信息对于选择与主要材料相适应的适当再利用或回收技术至关重要。因此，量化与表征相结合将为政策制定者管理这一新兴固体废物源提供最佳的参考依据。

除了有害金属外，光伏组件还含有多种有价值材料的多样化组合。Rabaia等（2023年）提出了基于世代和架构的光伏技术分类方法，如补充材料表S1所示。每种光伏技术都有特定的区域市场份额，由不同浓度的材料组成。这些组件是铜、银、纯硅、玻璃、锡和铝等有价材料的来源，具有高度的再利用潜力（Chowdhury等，2026c；Tan等，2024年）。然而，这些组件被丢弃在填埋场中，有毒金属的存在正在造成严重的环境问题（Song等，2023年）。此外，退役光伏组件作为城市矿产，是解决光伏行业关键金属供应链危机的最具前景的材料之一（Song等，2023年）。例如，光伏含有镓、硒、铟和碲等稀有和贵金属。强烈建议开发退役光伏的回收和循环利用路径，以确保此类金属的安全供应（Mahmoudi等，2019年；Song等，2023年）。因此，一项研究以了解可用废弃物储备、需求以及二次材料供应潜力之间的关系，对于制定更好的废物管理计划至关重要（Song等，2023年）。

过去十年间，全球多位研究人员对光伏废弃物的量化表现出兴趣，并成功开展了国家级评估（Islam和Huda，2019年；Kiran等，2021年；Mahmoudi等，2019年；Peeters等，2017年；Romel等，2024年）。这些研究基于政府机构设定的目标预测光伏安装量，然后进行进一步插值（Gautam等，2021年）。相反，少数研究采用了经典方法，如使用增长模型、灰色模型、人工智能-机器学习模型和回归等（Gautam等，2021年；Liu等，2022年；Zhang等，2022年）。然而，这种方法的基础假设可能并不完全可靠。虽然预测的光伏安装量是这类研究的核心，但有多个因素导致这些预测的不确定性和潜在不准确。其中一些因素包括：1）光伏产业尚处于起步阶段，世界上大多数国家，尤其是发展中国家，缺乏历史数据集；2）鉴于全球光伏投资的兴起较为近期，安装数据在未来几年可能会突然变化，因此当前并未显示出正确的趋势；3）此外，在进行预测时，大多数研究并未考虑光伏产业的饱和或某国的太阳能潜力；4）值得一提的是，光伏产业是一个动态发展的产业，经济、高效且环保的技术每天都在替代旧技术；5）最后但同样重要的是，政府政策、目标和计划并不是估算光伏安装量的可靠输入，因为它们会随着政策优先级的演变和外部因素而随时修订。由于模型的基本输入——光伏安装量可能不确定或存疑，可以合理地假设预期数量和组成可能不完全准确。正如人们所说，对于模型而言，"垃圾进则垃圾出"。因此，仅基于具有如此动态输入的模型的输出来制定废物管理政策，无法充分解决废物管理问题。此外，基于动态物质流分析框架的光伏废弃物评估在印度文献中的应用仍然有限（Dss+，2023年；Gautam等，2021年；IRENA，2016年；Jain等，2022年；Kastanaki，2025年；Sharma等，2024年；Wang等，2022年；Kumar等，2025年）。即使是近期对印度光伏废弃物的国家级评估也主要基于容量或性能退化情景并采用威布尔建模，但并未纳入物质流分析，也未对未来的光伏废弃物源进行详细表征（MNRE，2024年）。同样，Singh等（2025年）尝试通过组件重量分析和基于假设的组件故障与退化预测来估算印度的光伏废弃物，但缺乏基于物质流分析的方法。Gautam等（2021年）强调了物质流分析的应用，以更好地了解未来光伏废弃物源，并支持印度回收基础设施和政策框架的发展。此外，Khankhoje等（2025年）近期的一项研究建议，印度未来的研究应侧重于评估光伏回收的经济估值和可行性。

尽管关于光伏废弃物的科学文献日益丰富，但仍存在若干重要缺口。现有研究主要集中于估算未来废弃物数量，通常依赖光伏安装量的高度不确定的长期预测。此外，许多评估主要量化总废弃量，而未提供未来光伏废弃物源成分的详细表征或评估其资源回收潜力。更重要的是，在印度背景下，基于物质流分析的光伏废弃物详细评估仍缺失于科学文献中。为弥补已识别的缺口并促进光伏行业的可持续性、循环性和资源高效废物管理，本研究开发了一个综合框架，以评估印度至2050年的未来光伏废弃物源。首先，本研究利用基于威布尔分布的寿命建模结合物质流分析，对光伏废弃物的产生进行量化和表征，从而估算未来光伏废弃物源的数量和材料库存。与主要依赖不确定的长期安装预测的研究不同，该框架以当前已安装的光伏容量作为主要输入，从而降低了与未来部署预测相关的 Uncertainty，同时仍能可靠地预测与光伏组件寿命相对应的25至30年周期。其次，本研究在材料组成的基础上，评估了预测废弃物源的回收潜力和经济价值，从而能够评估为光伏制造及相关行业建立二次材料供应链的潜力。在此过程中，本研究纳入了印度市场特定的技术市场份额数据，该数据来源于政府报告，从而能够在现有市场条件下更真实地反映光伏废弃物的材料组成。第三，本研究评估了印度目前对光伏制造中使用的关键和贵重材料的进口依赖程度，并评估了从退役光伏组件中回收有价值材料如何抵消这些进口并产生显著的经济节省。通过将废物表征与资源回收和经济估值联系起来，该分析凸显了光伏废弃物作为二次资源基础的潜力，从而为印度光伏行业及相关行业建立二次材料供应链奠定了基础。最后，本研究基于田口方法进行了敏感性分析，以检验关键技术进步、早期故障和组件寿命等关键参数对废弃物产生和材料回收的影响，从而增强了模型的稳健性并加深了对参数交互作用的理解。此外，本研究指出，光伏制造商、用户和回收设施的当前空间分布对在当前基础设施内适当实施现有废物管理实践构成了重大挑战。

总体而言，本工作的关键贡献包括：（1）更新了印度光伏废弃物的量化和表征，（2）开发了适用于新兴和发展中光伏市场的预测框架，（3）评估了材料回收潜力并开启了光伏行业二次材料供应链的视角，（4）评估了回收目前进口至印度的关键金属的经济影响。随着光伏系统进入退役阶段，由此产生的废弃物源代表着一个日益重要但尚未充分利用的二次资源来源。通过整合预测、材料表征和经济评估，本研究为设计以回收为导向的循环经济战略提供了基础，并旨在支持政策制定者为印度制定有效的、基于循环性的光伏废物管理框架，具体内容详见后续章节。

**章节片段**

**方法与材料**

为实现研究目标，本研究结合了威布尔统计和动态物质流分析。实际数据分析表明，利用威布尔分布对光伏组件故障进行评估是一种对多种情景进行有效建模的合适方法（Kastanaki，2025年）。另一方面，物质流分析和动态物质流分析已被广泛应用于有效的废物管理研究中（Mahmoudi等，2019年；Song等，2023年）。

这些工具结合使用后，被发现在预测印度至2050年的光伏废弃物方面是有效的。本节对印度的光伏废弃物产生进行了深入分析。图1展示了截至2050年的累积光伏废弃物预测（吨），以及过去十年的光伏安装趋势。结果表明，到2050年，EL方案和RL方案将分别产生约420万吨和400万吨的累积光伏废弃物。对2030年的更详细评估显示，累积光伏废弃物的产生范围在32,800至416,000吨之间。

讨论

大约十年后，印度将面临管理生命周期末期光伏废弃物的严峻环境挑战。本研究的结果可以与已有的对印度光伏废弃物进行量化的多项研究的几种情景进行比较。补充材料中的表S7对比了此前评估的结果。观察到的偏差可能是由于研究基于预测的安装量来预测废弃物数量，导致在高市场情景和EL方案下的数值较高。另一

结论

本研究评估了印度未来的光伏废弃物情景，旨在支持快速扩张的可再生能源行业的循环性、资源回收和可持续废物管理。研究采用了一种综合框架，将基于威布尔分布的寿命建模与动态物质流分析（MFA）相结合，用于量化和表征未来的光伏废弃物流，并评估其经济价值和资源回收潜力，以当前已安装的光伏容量为……

CRediT作者贡献声明

Amim Altaf Nabi：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念化。Arvind Kumar Nema：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源获取、项目管理、资金获取、概念化。

Amim Altaf Nabi | Arvind Kumar Nema
印度理工学院德里分校，土木工程系，新德里，印度