之前的文章中，为了说明煤电对环境的负外部性，吕某把风电、光伏和煤电的水耗做了一个横向的对比。文章发出后吕某收到了不少私信讨论这个话题，有朋友提到希望能够看到对风电、光伏、煤电的环境外部性更详细的对比分析。
其实自从开号以来吕某就一直在文章里面强调，我虽然支持可再生能源，但不是盲目拥护。风电光伏行业从起步到现在，“清洁能源不清洁”、“风电光伏能耗大”等言论从未缺席，随着它们发电比例的进一步提升，这样的言论很可能只会增，不会减。的确，风电光伏在生产和运行中不能做到全程零污染零排放，但就此得出风电光伏“耗能耗水”、“不比化石能源”的结论，怕是有失偏颇。
图片来源：itdcw
因此，吕某打算用系列文章从污染、能耗、回收等多方面来探讨风电光伏的环境影响，并分享我个人对于如何看待不同能源环境外部性的思考。今儿这篇文章咱们就先来聊聊光伏的能耗和水耗的问题。文中的数据均来源于报告和文献，可能不够完整，希望广大同仁指正和补充。
关于光伏能耗的多少，不同地区对于使用不同技术制造的光伏产品的研究有不同的结论。这里吕某引用的是中国光伏协会2018年的数据，协会以60片、270Wp多晶硅组件为例，给出了光伏上下游产业链各个环节的光伏能耗数据（注1）：
光伏产业链
由上表可知，60片、200μm组成的270W组件总能耗为406.57kWh，从而计算出光伏的单位能耗为1.5kWh/W。
其中，多晶硅环节在光伏生产过程中的能耗最大，占总能耗的26.8%，这主要是由于改良西门子法生产的多晶硅在还原过程需要高温，会消耗大量的电能。和多晶硅、单晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能技术由于在生产环节对于温度和材料的要求更低，对能源的消耗也更少。根据《中国光伏产业发展路线图（2019）》的预测，由于生产工艺的提高，到2025年，产业链的各个环节的能耗均有望进一步下降。
但仅看数字意义有限。判断光伏的能耗的大小的时候，我们需要考虑两个问题：
Michaja. Pehl等德国波茨坦气候影响研究所研究员于2017年在他们发表于《自然-能源》杂志上的文章中，对从全生命周期的角度对不同种类的能源建设所需要的能耗进行了一个对比分析。研究表明，从全生命周期来看，煤电厂本身建设和燃料供应的能耗占煤电厂发电产出的11%，换句话说，对煤电厂而言，每投入1单位的能源可产生9单位的能源(相当于能源回报率为9:1)，而核电厂的能源回报率约为煤电的两倍，其隐含能耗为5%(能源回报率20:1)。光伏的隐含能耗为4%(能源回报率为26:1)，风电的隐含能耗更低，仅为2%(能源回报率44:1)。这也就是说，在不同种类的能源中，光伏的能耗仅高于风电，是各种能源中能耗第二低的。
图片：2050年不同能源的能源回收率对比； 来源：Michaja. P, et al. , 20
再来看看光伏的能源回收期（即光伏系统在投入运行后需要几年来收回生命周期中对一次能源的消耗）。比利时列日大学（University of Liège）的Saïcha Gerbinet于2014年在《可再生和可持续能源评论》上发表的论文对光伏能源回收期的相关研究做了文献综述。研究结果显示，这个周期浮动在1.46年到5.5年之间，但是由于研究地区和研究光伏系统类型的不同，各地各类型的光伏能源回收期是有差异的。中国光伏协会2018年测算出北京地区光伏系统的能源回收期为1.3年。
目前，光伏系统的寿命一般长于25年，其中晶体硅光伏组件的寿命一般会长达25到30年左右。以光伏系统的寿命为30年来看，这意味着在中国光伏不到两年就能够收回对一次能源的消耗，可为世界贡献25年以上的清洁能源，并不存在所谓的“高耗能”的问题。
随着技术的发展，光伏的能耗还有一定的下降空间。荷兰乌得勒支大学的学者Atse Louwen和Wilfried van Sark于2016年在《自然通讯》上发表论文展示了他们对1975年到2015年之间全球的光伏能耗的研究，得出每当全球光伏装机容量翻倍，光伏组件能耗就下降大约12%的结论。
图片：对于光伏能源回收期研究的文献综述； 来源：Saïcha G, et al. 2014
我们可以用同样的方法来看光伏的水耗。和能耗相类似，太阳能光伏的水耗主要集中于制造环节，尤其是多晶硅生产环节。据《中国光伏产业发展路线图（2019）》的最新数据显示，2018年，光伏在多晶硅生产环节的平均水耗在0.14t/kg-si。但同样，光伏的水耗也是有下降空间。比如我们可以考虑“空冷技术”，目前我国西部水资源匮乏的地区就采取该技术，其水耗基本稳在0.1t/kg-si左右。除此之外，其他技术的发展也能够降低水耗。根据光伏协会的预测，到2025年，多晶硅的生产能够通过余热利用降低蒸发量，精馏塔排出的物料再回收利用降低残液处理水耗等措施，能够将耗水量控制在0.09t/kg-si的水平。相当于比目前降低95%的水耗。
图片：多晶硅环节水耗变化趋势； 来源：《中国光伏产业发展路线图（2019）》
在发电阶段，太阳能光伏的水耗主要是清洁光伏板的用水，其水耗会随着高性能防污材料的推广而降低。例如荷兰DSM公司生产的涂料可以帮助组件性能提高1.3%，还可以间接减少组件需要的清洁周期，把运行期间的水耗降到最低。
从能源的全生命周期来看，科罗拉多大学的研究员James Meldrum在《环境研究快报》上发表的论文显示，在不同技术的气电、煤电、风电、核电、生物质能发电和光伏发电的水耗比较中，晶硅光伏发电的耗水量为81加仑/MWh，是煤电的三分之一到五分之一。
图片：不同能源的水耗对比； 来源: James M.et al. 2013
既然权威数据文献有那么多，为什么“光伏能耗水耗大”的言论一直没有消失过呢？
首先是认知断层。当下，光伏行业逐渐成熟，使得能耗快速下降，但不少人对光伏的认知没来得及跟上。作为一个新兴产业，光伏确确实实在发展的初期存在不少技术瓶颈和管理漏洞，但这些问题已经逐渐得到解决，能耗和水耗近几年也迅速降低。我们要接受最新的数据和事实，要让自己的认知出于实时更新的状态，而不是滞留于过去的刻板印象。吕某之前在阅读文献时看到一篇2018年发表的计算光伏能耗的文章，引用的竟然是2009年的数据，若用十年前的数据来指责如今光伏生产的能耗水耗 ，吕某只能说，这个锅行业背不了。
其次是对比角度。我们在讨论能源的能耗水耗的时候不能仅仅看单一的能源本身，把不同能源在全生命周期的能耗和水耗做横向对比很重要。单说“光伏的能耗巨大”，这样的表述是没有意义的。
就像赫尔曼在《能源变革：最终的挑战》中指出，反对可再生能源的人希望“通过声称每一个人都是罪人”就将“大问题淡化为小问题”，对此我们应该保持警觉。如果我们有足够的信息，把可再生能源的能耗与污染和化石能源对比，我们未来应该选择哪一类能源就一目了然了。
以上言论仅代表吕某个人观点，不喜可喷。
不过那啥，大家都是体面人，勿忘风度。
注：
组件辅材：以60片多晶硅组件为例，玻璃重量为12.93kg，每吨光伏玻璃耗能350kg标煤，按1kWh等量0.1229kg标煤计算，光伏玻璃耗电为0.142kWh/W，铝边框2.8kg，按每吨耗电1.335万度，铝边框电耗为0.144kWh/ W，组件层压等耗电约为0.06kWh/W。
电站辅材：每100MW电站需支架钢材5000t、钢筋1500t、各类电缆850km，支架钢材和钢筋的能耗为0.3kWh/W，电缆能耗约为0.01kWh/W，升压变、逆变器等按0.05kWh/W计算。
参考资料
（1）Saïcha G, et al. , Life Cycle Analysis (LCA) of photovoltaic panels: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014(38), pp.747–753
（2）Atse L. et al., Re-assessment of net energy production and greenhouse gas emissions avoidance after 40 years of photovoltaics development, Nature Communications, 2016(12)
（3）Michaja P, et al. , Understanding future emissions from low-carbon power systems by integration of life-cycle assessment and integrated energy modelling，Nature Energy, 2017(12)
（4）中国光伏协会，关于光伏行业所谓的“高耗能”问题分析 https://mp.weixin.qq.com/s?src=3×tamp=1554262227&ver=1&signature=YpxLZjCcvnUcEzQft*E6rsEcQ-AsL9UeuIrbazHzDY4yp5gMUfitj9fesJ9p7fgYktBnd2j01dSCWVygd9WHkzHt8Ag8*xzsrMnvXSShoDPEKB90Xq1t7*F17MSzqHFnbkg1LuQtT*OwipXarx7-6dkZTywYpiR5-tPjbVIHcK4=
（5）James M. et al. Life cycle water use for electricity generation: a review and harmonization of literature estimates, Environmental Research Letters, 2013(8)
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