Reciclare panouri fotovoltaice

Energia solară este în creștere rapidă! În 2000, capacitatea fotovoltaică globală era de doar 1,4 GW, dar până în 2020, a atins 760 GW. Acum, energia solară furnizează aproape 4% din electricitatea mondială conform Agenției Internaționale pentru Energie. Totuși, această expansiune a energiei cu emisii scăzute de carbon vine cu o provocare majoră. Peste 90% dintre panourile fotovoltaice folosesc siliciu cristalin și au o durată de viață de aproximativ 30 de ani. Se estimează că până în 2030, 8 milioane de tone metrice din aceste panouri vor deveni deșeuri, iar până în 2050, cifra ar putea ajunge la 80 de milioane de tone. Cu toate acestea, tehnologiile actuale de reciclare panouri fotovoltaice sunt ineficiente și raramente utilizate.

Aceasta este o problemă semnificativă! Panourile fotovoltaice conțin substanțe toxice, cum ar fi plumbul, care pot duce la poluarea mediului. În plus, acestea conțin materiale valoroase care ar putea fi refolosite pentru a crea noi celule solare, dar în mare parte aceste resurse sunt risipite.

Astfel, pe măsură ce ne punem bazele pe energia solară, este crucial să dezvoltăm tehnologii mai bune de reciclare și să conștientizăm importanța gestionării responsabile a deșeurilor solare pentru a menține beneficiile durabile ale acestei surse de energie curată.

În Statele Unite, reciclarea panourilor fotovoltaice nu este guvernată de reguli federale, și conform Laboratorului Național de Energie Regenerabilă din SUA, mai puțin de 10% din panourile scoase din uz nu sunt reciclate. Chiar și în Uniunea Europeană, unde legea cere reciclarea panourilor solare, multe centre de reciclare adună doar materiale precum cadrele de aluminiu și capacele de sticlă, care reprezintă peste 80% din greutatea totală a unui panou solar cu siliciu. Restul deșeurilor sunt, adesea, arse, chiar dacă conțin elemente valoroase precum argint, cupru și siliciu, care reprezintă două treimi din valoarea economică a materialelor unui panou solar de siliciu.

Companiile și cercetătorii sunt acum într-o cursă pentru a se pregăti pentru creșterea semnificativă a deșeurilor solare care se prefigurează. Ei dezvoltă tehnologii care promit să recupereze o cantitate mai mare de materiale utile din celule, reducând în același timp costurile și impactul asupra mediului asociat reciclării. Conform NREL (Laboratorul Național de Energie Regenerabilă), costurile reciclării unui modul fotovoltaic cu siliciu în SUA se situează între 15 și 45 de dolari, în timp ce aruncarea sa la groapa de gunoi costă doar între 1 și 5 dolari. Prin urmare, dezvoltarea proceselor mai rentabile care extrag o valoare mai mare din deșeurile solare, împreună cu reglementări mai stricte privind gestionarea acestor deșeuri, ar putea contribui la promovarea reciclării.

Aceste eforturi sunt, de asemenea, esențiale pentru viitorul industriei fotovoltaice în ansamblu. Potrivit lui Garvin Heath, un expert în mediu la NREL, cei care se opun instalării noilor sisteme solare exprimă adesea preocupări legate de dezafectarea panourilor fotovoltaice. El afirmă: „Industria fotovoltaică se bazează pe reputația sa ca tehnologie ecologică. Dacă există îngrijorări cu privire la modul în care se gestionează la finalul ciclului de viață, aceasta poate deveni vulnerabilă. Aceste probleme trebuie să fie rezolvate.”

Reciclarea deseurilor de panouri fotovoltaice – colectare panouri solare – o adevarata provocare

Există multe tipuri de panouri fotovoltaice, dar majoritatea au o structură de bază similară. Acestea includ celule solare cu un “sandwich” de fire de aluminiu, siliciu și argint. Mai multe celule sunt conectate pentru a forma module, folosind fire de cupru lipite cu staniu și plumb. Aceste module sunt protejate de straturi de poli(etilen-co-vinil acetat) (EVA), învelite în folii de polietilentereftalat (PET) și poli(fluorură de vinil) (PVF), cu un strat de sticlă și un cadru de aluminiu care le înconjoară. Aceste module sunt apoi grupate pentru a forma panouri solare de dimensiuni standard.

Deși acest design rezistent la condițiile meteorologice menține panourile funcționale timp de mai multe decenii, face dificilă dezmembrarea lor ulterioară. Guy Chichignoud, director tehnic la ROSI Solar, o companie franceză specializată în reciclarea panourilor solare, explică: “Problema cu panourile scoase din uz este că nu au fost concepute pentru a fi dezmembrate, ceea ce reprezintă o problemă majoră.”

Eliminarea cadrului de aluminiu și a cutiei de joncțiune electrică este partea mai ușoară, iar multe centre de reciclare panouri fotovoltaice se opresc aici. Dezlipirea capacului de sticlă de pe celulele solare de sub el este mai dificilă, așa că de multe ori reciclatorii mărunțesc această parte și vând sticla contaminată sub formă de granule cu valoare scăzută sau o reciclează ca materie primă.

Recuperarea argintului și a altor metale din celule pentru a obține o placă curată de siliciu reprezintă o provocare suplimentară. Până în prezent, nu există niciun proces comercial care să poată recupera în totalitate aceste materiale utile din panourile fotovoltaice, și nu există un consens cu privire la cea mai bună metodă pentru a atinge acest obiectiv, potrivit lui Meng Tao de la Universitatea de Stat din Arizona, care se ocupă de reciclarea panourilor solare. “Tehnologiile de reciclare pe care le avem astăzi sunt încă în stadiu incipient,” a adăugat el.

În Uniunea Europeană, producătorilor de panouri fotovoltaice li se impune să recicleze panourile uzate și să recupereze cel puțin 80% din greutatea lor, în cadrul unui efort coordonat în principal de către un consorțiu industrial numit PV Cycle. În 2018, compania franceză de gestionare a deșeurilor Veolia a deschis o unitate de reciclare panouri fotovoltaice, reușind să proceseze aceste deșeuri și să recupereze materiale în vrac, precum și siliciu de calitate inferioară.

Dacă am putea recupera mai multe materiale la o puritate mai mare, acestea ar avea o valoare mai mare pe piață, ceea ce ar face reciclarea mai atractivă din punct de vedere economic. Cu toate acestea, extragerea materialelor de înaltă puritate implică adesea mai multe etape de procesare, ceea ce poate crește costurile. Conform lui Tao, găsirea unei soluții la această dilemă ar putea fi cheia pentru dezvoltarea unei industrii durabile de reciclare panouri solare.

De asemenea, modulele ar putea fi reproiectate pentru a permite o dezmembrare mai ușoară, adaugă Chichignoud, însă aceste îmbunătățiri ar necesita mult timp pentru a ajunge la fabricile de reciclare panouri fotovoltaice și a deveni o realitate.

Unul dintre obstacolele majore în prezent este desprinderea sticlei de pe modulul solar. Rong Deng, un expert în reciclarea fotovoltaică de la Universitatea din New South Wales, menționează că o modalitate mai ușoară de a elimina stratul de lipici ar putea reprezenta o inovație semnificativă în acest domeniu.

Unii cercetători au încercat să utilizeze solvenți organici pentru a îndepărta stratul EVA, dar aceasta s-a dovedit a fi o abordare costisitoare, care ar putea genera deșeuri periculoase în cantități mari. Pe de altă parte, unii reciclatori comerciali folosesc procesul de piroliză pentru a arde EVA și alți polimeri la aproximativ 500 °C. Cu toate acestea, acest proces necesită cuptoare mari și consum mare de energie pentru a trata loturi mari de module fotovoltaice.

Există o a treia metodă ingenioasă pentru a trata panourile solare uzate. Această metodă implică utilizarea încălzitoarelor cu infraroșu și a unui cuțit vibrator pentru a tăia sticla din panou. Această tehnică a apărut din cadrul unui consorțiu de cercetare finanțat de Uniunea Europeană numit FRELP (Full Recovery End of Life Photovoltaic), care a fost activ din 2013 până în 2016. O companie italiană de reciclare numită Tialpi a adoptat această abordare într-o instalație de reciclare panouri fotovoltaice, pentru care au investit 2 milioane de euro (aproximativ 2,3 milioane de dolari) și care va fi operațională în următoarele luni. Această unitate se va ocupa de aproximativ 5.000 de tone de panouri solare uzate pe an. Sticla extrasă va fi sortată în grade diferite de calitate și vândută în industria sticlei. Conform lui Lodovico Ramon, directorul tehnic al Tialpi, această instalație ar trebui să recupereze aproximativ 85% din masa unui panou fotovoltaic, inclusiv sticla, cadrul din aluminiu și cablurile electrice externe.

După procesul de tăiere a sticlei, reciclatorii pot concentra eforturile asupra recuperării materialelor de valoare mai mare din interior. FRELP a dezvoltat procese chimice pentru extragerea siliciului și metalelor din celulele solare. Acest proces implică utilizarea acidului azotic pentru a separa metalele, urmată de o tehnologie electrochimică numită electroobținere, care separă argintul și cuprul din amestec. Ramon afirmă că această metodă funcționează bine, dar pentru ca aceasta să devină rentabilă într-o operațiune comercială, Tialpi ar trebui să proceseze 20.000 de tone de panouri pe an.

Meng Tao de la Universitatea de Stat din Arizona dezvoltă un proces selectiv de leșiere și electrocâștigare pe care speră să îl demonstreze la scară pilot printr-un spinout numit TG Companies. Acest proces evită utilizarea acidului azotic și utilizează în schimb agenți de leșiere – care rămân un secret comercial – pentru a ajuta la recuperarea a peste 99% din argintul din celulele solare reziduale.

Pe de altă parte, Rong Deng evită complet etapa de leșiere și folosește celula solară în sine ca electrod într-o celulă electrochimică. Celălalt electrod este un fir de argint, iar electrolitul apos dintre ele conține nitrat de argint și azotat de potasiu. Aplicând un curent electric, argintul este eliminat din celula solară și depus pe fir. Acest proces de laborator recuperează 95% din argint în câteva minute, la o puritate de 99,9%, și electrolitul inofensiv poate fi reutilizat pentru cel puțin 80 de celule, contribuind astfel la reducerea impactului asupra mediului.

Pretul puritatii

După ce metalele sunt îndepărtate dintr-o celulă solară, rămâne o placă subțire de siliciu, cu o lățime mai mică de 200 µm. Producția de panouri solare noi necesită aproximativ jumătate din energia consumată pentru a crea un modul solar, deci reutilizarea siliciului din panourile vechi ar putea reduce semnificativ amprenta de carbon a industriei fotovoltaice în creștere rapidă.

Cu toate acestea, există un dezavantaj major în ceea ce privește utilizarea vechilor napolitane de siliciu în celule solare noi. Deng menționează că puțini producători sunt dispuși să integreze napolitane vechi de 30 de ani în produsele lor, având în vedere avansul semnificativ al tehnologiei solare din ultimele decenii.

Din păcate, procesul de reciclare panouri fotovoltaice nu poate consta doar în topirea și transformarea lor în celule solare noi. Pe lângă urmele de argint și aluminiu, acestea conțin și dopanți precum bor și fosfor, precum și un strat antireflex cu nitrură de siliciu. Eliminarea acestei contaminări reprezintă un pas esențial pentru a face reciclarea fotovoltaică economic viabilă.

În ultimul an, mai multe proiecte europene au fost lansate pentru a valorifica această oportunitate prin extragerea materialelor de înaltă puritate din panourile solare uzate. Un astfel de proiect este Photorama, care a primit 8,4 milioane de euro din finanțare UE. Consorțiul Photorama va construi o instalație pilot automatizată pentru dezmembrarea panourilor solare, recuperarea peste 98% din masa lor și procesarea acestor materiale la o puritate de peste 98%.

Unul dintre aspectele inovatoare ale proiectului Photorama este un nou proces de delaminare care utilizează un fluid supercritic (încă nespecificat) pentru a permite îndepărtarea sticlei într-o formă intactă, care poate fi reutilizată în module solare noi. De asemenea, proiectul intenționează să utilizeze lichide ionice în procesul lor de leșiere a metalelor.

Un al doilea proiect important numit ReProSolar a obținut un finanțare de 4,8 milioane de euro de la Uniunea Europeană pentru a dezvolta o fabrică pilot de reciclare panouri fotovoltaice capabilă să proceseze 5.000 de tone de panouri solare pe an până în 2023. Un partener crucial în acest proiect este ROSI, care a creat o metodă delicată pentru a extrage argintul din celulele solare. În loc să dizolve metalul, ROSI folosește o abordare de gravare atentă a siliciului din jurul firelor de argint, permițând recuperarea completă a firelor. Conform lui Chichignoud, ROSI a descoperit că plăcile de siliciu pot fi integrate direct în procesul convențional de purificare a siliciului la calitate solară, cunoscut sub numele de procesul Siemens, fără a necesita extragerea prealabilă a dopanților sau a nitrurii de siliciu.

Procesul Siemens implică de obicei combinarea siliciului de calitate metalurgică cu gaz clorhidric la 300 °C pentru a produce triclorosilan (SiHCl3). Acesta este purificat prin distilare pentru a elimina impuritățile, apoi este reacționat cu hidrogen gazos pentru a forma siliciu policristalin, compus din multe cristalite minuscule, cu o puritate de 6N până la 8N. Acest material este adesea transformat în cristale mari, simple – lingouri de siliciu monocristalin – care ulterior sunt tăiate în plăci pentru a fi utilizate în celulele solare. Cu toate acestea, acest proces generează o altă problemă, deoarece aproximativ 35% din siliciu este pierdut sub formă de particule fine numite kerf în timpul tăierii. Marea parte a acestor tăieturi sunt în prezent eliminate la groapa de gunoi sau utilizate în compuși de aliere cu calitate scăzută.

ROSI este implicată într-un al treilea proiect numit Icarus, care a primit 10 milioane de euro în finanțare de la UE pentru a dezvolta metode de reutilizare a kerf-ului și a altor deșeuri provenite din producția napolitanelor de siliciu. ROSI lucrează la dezvoltarea unui proces chimic pentru a transforma kerf-ul în siliciu cu o puritate de 4–5N, care ar putea înlocui siliciul de calitate metalurgică 2N în procesul Siemens. Utilizarea acestui siliciu de puritate mai mare ar trebui să reducă cererea de energie a procesului și să îmbunătățească în mod general randamentul producției de siliciu policristalin.

Dacă proiectul Icarus și alte inițiative similare din Europa reușesc să extragă materiale valoroase din deșeurile produse de panourile solare, aceasta ar putea contribui la înființarea unor fabrici de producție a siliciului și a celulelor fotovoltaice în Europa. Martin Bellmann, dezvoltator de afaceri senior la Sintef, coordonatorul proiectului Icarus, afirmă că există o ambiție crescută de a revitaliza industria de producție a panourilor solare în Europa și că aceste inițiative pot juca un rol crucial în atingerea acestui obiectiv.

Impactul financiar – reciclare panouri fotovoltaice

Majoritatea materialelor dintr-o celulă fotovoltaică cu siliciu sunt sub formă de materiale în vrac, cum ar fi sticla și aluminiul, acestea reprezentând mai mult de 80% din greutatea totală. Cu toate acestea, valorile monetare semnificative sunt asociate cu argintul, siliciul și cuprul, care sunt componente minore, dar esențiale ale celulei.

Între timp, în Statele Unite, procesul de reciclare a siliciului din panourile fotovoltaice este încă în stadii incipiente. În 2016, Asociația Industriei Energiei Solare din SUA a lansat un program voluntar de reciclare, asemănător cu Ciclul PV din Europa, și câteva companii oferă servicii de reciclare panouri fotovoltaice.

Unul dintre cei mai experimentați reciclatori fotovoltaici din SUA este First Solar, o companie care produce panouri cu telurură de cadmiu, reprezentând aproximativ 3% din capacitatea solară globală. First Solar reciclează propriile panouri încă din 2005, proces prin care recuperează cadmiul, un material toxic, și alte componente. În 2018, compania a indicat că ar putea extinde reciclarea la panourile cu siliciu PV, deși nu au fost dezvăluite planuri concrete, iar First Solar nu a răspuns solicitărilor de interviu pentru această poveste.

China reprezintă o mare necunoscută în ceea ce privește reciclarea panourilor fotovoltaice (PV). Țara găzduiește aproape o treime din capacitatea solară globală, majoritatea fiind localizată în nord-vestul îndepărtat al țării, ceea ce face dificilă colectarea și reciclarea acestor unități scoase din uz. În 2019, cercetătorii chinezi au avertizat că țara nu avea politici sau reglementări privind reciclarea panourilor solare și că se așteptau să acumuleze milioane de tone metrice de deșeuri fotovoltaice până în 2030. Cu toate acestea, producătorii chinezi de panouri solare au recent un consorțiu numit China EcoPV Alliance, cu scopul de a îmbunătăți sustenabilitatea în lanțul de aprovizionare fotovoltaic, deși detalii suplimentare lipsesc. Guvernul Chinei a finanțat cercetări privind tehnologiile de reciclare, conform lui Heath de la NREL, dar puține dintre aceste lucrări au fost făcute publice.

Pe lângă avansurile tehnologice, reglementările și modelele de afaceri inovatoare pot juca un rol crucial în stimularea reciclării PV la nivel global. În Statele Unite, noile reglementări din statul Washington cer ca, începând din iulie 2023, modulele fotovoltaice să nu mai poată fi vândute acolo decât dacă producătorul sau comerciantul cu amănuntul dispune de un plan statal aprobat pentru reutilizare sau reciclare la sfârșitul ciclului de viață. În același timp, un proiect european numit Circusol investighează posibilitatea ca producătorii să păstreze proprietatea și responsabilitatea pentru panourile solare pe toată durata de viață a acestora, oferindu-le utilizatorilor sub formă de serviciu.

Cercetătorii, companiile și guvernele ar trebui să colaboreze pentru a îmbunătăți reciclarea PV, astfel încât să poată recupera toate materialele constitutive la cea mai mare valoare posibilă, conform lui Heath. Cu toate acestea, este la fel de important să folosim resursele disponibile în prezent pentru a gestiona creșterea rapidă a deșeurilor. “Chiar dacă ne concentrăm doar pe cele patru componente principale în ceea ce privește compoziția și valoarea în masă – cadru de aluminiu, sticlă, siliciu și argint – am rezolva o mare parte din problema depozitării”, spune el. “Nu susțin acest lucru, dar am gestiona peste 90% din greutatea modulelor noastre. Și acest lucru este cu mult mai bun decât să aruncăm totul la gunoi.”