Recykling modułów PV w Europie – czystość materiału a ochrona środowiska

Do połowy tego stulecia Europa mogłaby wylądować na górze odpadów o masie 10 milionów ton pozostawionej przez zużyte panele słoneczne. Na szczęście od 2015 roku są prowadzone badania na temat najbardziej efektywnych i zrównoważonych metod ponownego wykorzystania materiałów z recyklingu tej technologii.

W tym roku Francuski Narodowy Instytut Energii Słonecznej (INES) przeanalizował aktualną sytuację w europejskim przemyśle recyklingu paneli słonecznych. Opracowywane są procesy, które pozwoliłyby na utworzenie nowej gałęzi przemysłu przetwórczego odpadów, która może osiągnąć wielobilionowe zyski, jednocześnie wspierając ochronę środowiska naturalnego.

Wielka moc to wielka odpowiedzialność

Energia słoneczna w ostatniej dekadzie osiągnęła wysoką prędkość na drodze swego rozwoju i oczekuje się, że trend ten spotka się ze swoją kontynuacją. Według międzynarodowych instytucji zajmujących się energią słoneczną przewidywane jest osiągnięcie poziomu globalnej mocy wytwórczej 4-5 TW w 2050 r., a wartość samego rynku związanego z recyklingiem zużytych paneli słonecznych może osiągnąć aż 15 mld USD.

Imponujący wzrost zainstalowanej mocy naturalnie rodzi pytania o dalszy los paneli fotowoltaicznych po ich zużyciu i recyklingu. Przyjrzyjmy się, jakie problemy branży fotowoltaicznej przyszłości zostały zidentyfikowane i jakie inicjatywy są podejmowane w celu ich rozwiązania.

Szacunkowa wartość rynku

Według raportu opublikowanego przez Międzynarodową Agencję Energii Odnawialnej (IRENA) w 2015 r. wartość sumy odpadów z paneli fotowoltaicznych w 2050 r. na globalnym rynku może osiągnąć 15 mld USD. Szacunki te zakładają, że w najbliższych latach uda się wypracować metody właściwego przeprowadzenia recyklingu i ponownego przeznaczenia materiałów do użytku.

Autorzy raportu i twórcy związanych z inicjatywą recyklingu PV projektów zwracają uwagę na dyrektywę Unii Europejskiej w sprawie zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego (WEEE). Dyrektywa weszła w życie w lutym 2014 r. i ustanawia, że w wyniku inicjatyw podejmowanych w bieżącym roku powinno zostać odzyskanych co najmniej 85% odpadów z modułów fotowoltaicznych, a 80% z nich ma być poddanych recyklingowi lub ponownie wykorzystanych.

Ostatnie dostępne dane na temat spełnienia tej normy pochodzące z bazy danych EUROSTAT z 2018 roku wykazują, że prym w ilości wszystkich odzyskanych z gospodarstw domowych odpadów elektronicznych wiodą Chorwacja, Liechtenstein (ponad 80% odzyskanej masy elektronicznych odpadów), a także Estonia i Bułgaria (prawie 70%). Polska, wraz z takimi krajami jak Niemcy, Dania, Belgia czy Hiszpania, znajduje się w tych statystykach na średnim poziomie w zakresie 35%-40%.

Usprawnianie metod recyklingu | CABRISS

CABRISS to wspólna inicjatywa 16 europejskich firm i instytutów badawczych, która uzyskała akceptację unijnego programu ramowego „Horyzont 2020” w zakresie badań naukowych i innowacji. Misją projektu jest wzmacnianie w Europie lokalnej energetyki rozproszonej opartej na OZE przy wsparciu ulepszonych metod recyklingu.

Główną wizją projektu CABRISS (skrót od: REALIZACJA LOKALNEJ GOSPODARKI OPARTEJ NA RECYKLINGU, PONOWNYM UŻYTKOWANIU I ODZYSKANIU INDU, SILIKONU I SREBRA JAKO MATERIAŁÓW DO FOTOWOLTAIKI I INNYCH ZASTOSOWAŃ) jest rozwój gospodarki w obiegu zamkniętym, skupionej na branży fotowoltaicznej, ale także na ogólnie ujętych gałęziach przemysłu elektronicznego i szklanego.

Konsorcjum utworzone przez 11 firm i pięć instytutów badawczych z dziewięciu krajów UE w roku 2018 opublikowało wyniki projektu, który wykazuje, że zarządzanie wycofywaniem z eksploatacji i recyklingiem modułów PV jest wysoce ekonomicznym przedsięwzięciem.

W projekcie CABRISS „Horizon 2020”, rozpoczętym w lipcu 2015 r., naukowcy z konsorcjum przedstawili trzy główne techniki, które można wykorzystać do wydobywania „wysokowartościowych, wysokowydajnych” materiałów wielokrotnego użytku z paneli z recyklingu:

• proces delaminacji i odzyskiwania cennych materiałów, w tym srebra, indu, krzemu i szkła o wysokiej czystości z cienkich warstw modułów PV opartych na waflach krzemowych;
• technika odzyskiwania odpadów stałych z produkcji energii słonecznej – mieszanki rozbitych płytek i ogniw krzemowych; oraz
• proces suszenia odpadów z PV w postaci proszku krzemowego z nadmiarowego materiału utraconego podczas procesu cięcia.

SKŁADNIKI PANELI PV ODZYSKIWANE PODCZAS RECYKLINGU
[ zestawienie według danych CABRISS ]

Aluminiowa rama i przednia szyba stanowią 80% masy każdego panelu fotowoltaicznego. Z drugiej strony 80% wartości panelu wiąże się w materiałach używanych do produkcji ogniw słonecznych, w szczególności w krzemie, miedzi i srebrze. To toruje drogę do rozwoju rozwiązań technologicznych oferujących odzysk materiałów o najwyższej wartości przy najwyższej możliwej czystości.

Demontaż panelu po zdjęciu aluminiowej ramy i skrzynki przyłączeniowej jest stosunkowo łatwy. Trudność polega na rozwarstwieniu „kanapki” z materiału, który stanowi główny korpus i z którego można odzyskać cenne materiały. Główną przeszkodą w rozwarstwieniu jest degradacja kapsułkujących się polimerów, głównie etylenu-octanu winylu (EVA).

Innowacje w metodach recyklingu przemysłowego

Najpopularniejsze obecnie mechaniczne metody odzyskiwania materiałów obejmują dokładnie cięcie, kruszenie oraz przesiewanie paneli PV z odzysku i są już stosowane na skalę przemysłową. Istnieje tu podział na dwie główne gałęzie tego przemysłu : kompleksowe odzyskiwanie wszystkich możliwych materiałów w skupieniu na technologii fotowoltaiki oraz “downcykling” czyli specjalizacja zakładów w odzyskiwaniu wyłącznie określonych rodzajów materiałów.

Francuska firma zajmująca się gospodarką wodną i odpadami oraz usługami energetycznymi Veolia zainwestowała w 2018 roku w innowacje dla swojego zakładu zlokalizowanego w Rousset w południowej Francji, aby w ten sposób skupić się na przetwarzaniu paneli fotowoltaicznych. Obiekt stał się pierwszym tego rodzaju zakładem w Europie i może przetwarzać do 4000 ton rocznie z 95% stopą odzysku.

Inne firmy koncentrują się na odzyskiwaniu wyłącznie określonych materiałów ze zużytych paneli, takich jak na przykład szkło. Metody „downcyklingu” stosowane przez te firmy mogą spełniać wymagania dyrektywy WEEE, jednakże zapewniają odzyskanie tylko materiałów o niskiej czystości. Aby odmienić tę sytuację, Komisja Europejska poparła wybrane projekty badawczo-rozwojowe mające na celu odzyskanie materiałów o wyższej wartości. Dwoma przykładami takiego nowego podejścia są metodyki opracowane przez włoską firmę Sasil w ramach niskoemisyjnego programu Life Commission lub zastosowane przez niemiecką spółkę inżynieryjną Geltza Umwelt-Technologie.

Zaproponowano zróżnicowane modele i wykonano obliczenia dotyczące użytecznego okresu użytkowania paneli PV i systemów wymiany modułów przed końcem ich ‘planowanego cyklu życia’. Statystyki ukazują, że światowy zapas modułów fotowoltaicznych oczekujących na przetworzenie może osiągnąć masę 1,7 do 8 milionów ton w 2030 r., a wartość ta może znacząco wzrosnąć do 60-78 mln ton w 2050 r. W skali europejskiej analogiczną ilość paneli oczekujących na recykling w połowie tego wieku szacuje się zaś na 10 milionów ton.

Aktualne sukcesy – wyodrębnianie drogich materiałów i ślad węglowy

Naukowcy projektu CABRISS Horizon 2020 opracowali również techniki ponownego wykorzystania osadzonych w panelach drogich materiałów, czyli srebra i krzemu. Oczyszczono odzyskany krzem z rozbitych płytek i ogniw PV do postaci materiału wysokiej klasy za pomocą procesów pirotechnicznych i hydro-metalurgicznych do bezpośredniego ponownego wykorzystania w przemyśle fotowoltaicznym.

Francuski Narodowy Instytut Energii Słonecznej (INES) opracowuje z kolei nowe podejście do cięcia mechanicznego. Wczesne wyniki były zachęcające i pokazują, że można odzyskać szkło o wysokiej czystości, tworzywa sztuczne i metale. Po zaplanowaniu konfiguracji procesu na skalę przemysłową podejście INES pozwoliłoby na ponowne wykorzystanie materiałów w gospodarce o obiegu zamkniętym, poprawiając także ślad węglowy metod recyklingu paneli słonecznych. Inne innowacyjne rozwiązania dotyczą wykorzystania płynów oraz cieczy nadkrytycznych lub jonowych do odzyskiwania metali szlachetnych z mieszanki.

Recykling przemysłowy paneli fotowoltaicznych pod koniec ich okresu użytkowania powinien się szybko rozwijać w nadchodzących latach. Badania prowadzone w tej dziedzinie mają również wpływ na zwiększenie wpływu uwarunkowań ekologii na projekt jutrzejszych produktów, koncentrując się na możliwościach recyklingu i wpływie na środowisko.

Te dziedziny innowacji są wciąż niedostatecznie przebadane przez instytucje branżowe, choć obserwując postępy badań naukowych i rozwój procesów przemysłowych, wygląda na to, że przyszłość Odnawialnych Źródeł Energii jawi się w jasnych barwach.

Źródła

PV Magazine _ pv-magazine.com/2020/05/13/pv-module-recyclers-aiming-for-high-purity-material-recovery/ | pv-magazine.com/2018/10/16/high-yield-recycling-of-pv-modules-demonstrated-by-eu-team/

CABRISS Oficjalna strona projektu _ spire2030.eu/cabriss

EUROSTAT _ ec.europa.eu/eurostat/web/waste/data

Fotografia _ iStock