Рециклиране на соларни панели

През последните години се наблюдава ръст при внедряването на фотоволтаични (PV) технологии. В световен мащаб през 2015 г. новоинсталираните мощности възлизат на 50 GW/год. и 75 GW/год. през 2016 г., довели до общ капацитет от 227 GW през 2015 и 303 GW през 2016 г. Водещите PV пазари днес са Европа, Китай, Япония и САЩ. Забелязва се обаче бързо разрастване и на пазарите в други региони през последните десетилетия.

Имайки предвид, че фотоволтаиците се превръщат в една от най-икономически и екологично конкурентоспособните технологии за генериране на електроенергия, предлагаща жизнеспособно решение за необходимата декарбонизация на енергийните системи, може да се прогнозира, че ръстът в пускането на нови PV инсталации ще се запази. Според прогноза на Международната агенция по енергетика глобалният фотоволтаичен капацитет през 2030 г. ще възлиза на 1720 GW, а през 2050 г. - на 4675 GW. В допълнение към днешните лидери на PV пазара, ръст в инсталациите се очаква в Индия, Африка, Средния Изток и други региони, нечленуващи в Организацията за икономическо сътрудничество и развитие (ОИСР).

Прогнози за отпадъчни PV модули

Разширението на PV пазара означава и увеличение на количеството отпадъчни фотоволтаични модули в бъдеще. Поради това е необходимо внедряването на екологосъобразни процеси и политики за управление на отпадъчните потоци соларни панели. Рамка, подкрепяща ранното разработване на стратегии за модулите в края на жизнения им цикъл, ще подпомогне и изготвянето на цялостни политики в областта. По-доброто разбиране на прогнозите за бъдещите количества отпадъци и състава им ще допринесе за изграждане на основата на подобна рамка.

Фотоволтаичните модули имат типична продължителност на експлоатационния живот от 30 години. Някои PV модули обаче постъпват в отпадъчния поток по-рано от очакваното поради повреди по време на етапите на транспортиране и инсталация, първоначални откази след стартиране, технически и физически неизправности, причинени от тежки условия на околната среда, и неочаквани външни фактори, включително природни бедствия.

При сценарий на регулярна загуба на PV панели отпадъчните количества до 2030 г. ще нараснат до 1,7 млн. т в сравнение с 43 500 т през 2016 г. Още по-драстичен ръст до около 60 млн. т може да се очаква до 2050 г. При сценарий на ранно постъпване на модулите в отпадъчния поток количествата до 2030 г. ще са около 8 млн. т и 78 млн. т до 2050 г.

Технологии за общия отпадъчен поток

Понастоящем повечето държави класифицират фотоволтаичните модули като общи или производствени отпадъци, докато в Европейския съюз са в сила специфични разпоредби. Въпреки че към момента количествата PV отпадъци са умерени, вече са в експлоатация заводи за рециклиране на модули, чиято работа се оправдава от комбинацията от малки обеми отпадъци с гаранционната възвръщаемост и рециклирането на производствения скрап.

Отпадъчните PV модули първоначално се транспортират до съоръжения за рециклиране или междинна преработка. Там се провеждат процеси за сепариране на ценните материали, съдържащи се в соларните панели като стъкло, метали и техните съединения. Възстановените ценни материали се използват като вторични суровини за производство на различни продукти след процес на пречистване. Възможно е в зависимост от нивото на сепарация при първия процес да бъдат внедрени и допълнителни междинни процеси на третиране. От друга страна, останалите материали с ниска или никаква стойност, включително прах, които се генерират от рециклиращите предприятия при междинна обработка или от производителите, могат да бъдат обезвредени чрез депониране. Трябва да се отбележи също, че някои материали, например полимери, могат да бъдат третирани термично, след което отделената в резултат топлина да се оползотвори в други процеси.

Третиране на модули от кристален силиций

Първата стъпка за възстановяването и рециклирането на материалите, използвани в PV модулите е отделянето на основните компоненти като слоести структури, метални рамки и клемни кутии (кабели и полимери). Алуминият или стоманата от рамките и медта от кабелите могат да станат част от вече добре установените схеми за рециклиране на метали и следователно са с потенциал за лесно рециклиране. След това най-важният и технически труден процес е сепарацията на слоестите структури, съставени от стъкло, силиций-базирани фотоволтаични клетки и полимерни пластове.

Повече от 15 000 т отпадъчни фотоволтаични модули са събрани през 2016 г. в Европа, като повечето от тях за силиций-базирани. Повечето такива панели се третират от организации за рециклиране на плоско стъкло, тъй като рециклирането на слоестия стъклен компонент на модулите от кристален силиций е процес с относително ниски разходи, който тези компании могат да внедрят с малка допълнителна инвестиция. След процеса на възстановяване на стъклото останалите материали, като метали и различни съединения, се третират от други преработващи компании. Процесът на регенериране на стъклото често се провежда на серии, за да се осигури възможност за регулиране на параметрите и поради все още скромните количества, налични за преработка днес. Типичното оборудване за отстраняване на примеси като полимерни остатъци (лепило) или винтове от стъклените трошки включва магнити, трошачки, сита, устройства с вихрови токове, оптични и индуктивни сортиращи системи и др. Получаващата се стъклена фракция, която все още може да е силно замърсена със силиций, полимери и метали, може да бъде смесена с друго рециклирано стъкло за термоизолиращ материал при производството на пеностъкло или стъклено влакно. С увеличаването на потока отпадъчни соларни панели обаче този пазар може да се пренасити и да са необходими инвестиции в нови технологии за рециклиране. В други страни някои ценни метали, например сребро, се възстановяват в предприятията за междинна преработка.

Понастоящем механичният подход е основният процес, използван за сепариране на слоестите структури на фотоволтаичните модули, базирани на кристален силиций. С него се постига висока степен на възстановяване на материали спрямо масата на модулите, въпреки че някои ценни материали (които са малко по маса) може да не се регенерират напълно. Тази стратегия предлага законодателно съответствие, без да са необходими допълнителни инвестиции. В бъдеще обаче от операторите по рециклиране ще се изисква да отстраняват оловото и оловните съединения от изходната стъклена фракция. Това най-вероятно ще доведе до допълнителна обработка съгласно изискванията на Директивата за излязло от употреба електрическо и електронно оборудване например. Изграждането на специализирани съоръжения за рециклиране на соларни панели ще повиши капацитета за преработка и ще увеличи максимално приходите благодарение на по-доброто качество на изходните потоци. В допълнение, това ще допринесе и за повишаване на нивата на възстановяване на ценните компоненти.

Рециклиране на тънкослойни модули

Тънкослойните модули понастоящем се преработват и рециклират посредством комбинация от механични и химични процеси. Благодарение на един от прилаганите към момента методи за CdTe модули може да се постигне ниво на регенериране на стъкло от близо 90% и около 95% за полупроводникови материали. Този процес включва следните етапи: шредиране и натрошаване в чукова мелница на частици с диаметър около 5 mm с цел разрушаване на връзките между слоевете, събиране на отделящия се прах чрез аспирационна система, оборудвана с високоефективен филтър; обработка на полупроводниковия слой със смес от сярна киселина и водороден пероксид, сепариране на стъклото и по-големите парчета етилен винил ацетат (EVA) в класификатор и на вибриращо сито, последвано от промиване на стъклото с вода и сушене върху лентов филтър; екстракция на филтрационните течности, съдържащи метали, посредством йонообмен или утаяване, допълнително пречистване на получените кадмий и телур, в случай че ще се използват повторно за производството на нови соларни панели.

Отвъд CdTe рециклирането на тънкослойни фотоволтаични модули все още е в началото си. С нарастването на отпадъчните обеми обаче се очаква да се разширят и познанията за третирането им и процесът да се подобри значително.

Разлики

В очакване на големи количества отпадъчни PV модули и за да се запази соларната технология като една от най-чистите, се разработват различни стратегии за управлението на този вид отпадъци. Към момента рециклирането както на модули от кристален силиций, така и на тънкослойни модули е комерсиализирано. С цел да се подобрят нивата на възстановяване на материали, екологичните параметри и разходната ефективност на процеса продължава усилената научноизследователска дейност в областта.

Технологиите за рециклиране на двата основни вида модули имат различни характеристики поради различията в структурата на панелите и използваните за производството им метали. Една от основните разлики е, че целта на елиминирането на капсулиращия материал от слоестата структура на тънкослойните PV модули е възстановяване и на покривното стъкло, и на стъклото субстрат с полупроводниковия слой, докато при силициевите модули целта е сепариране и възстановяване на стъкло, силициеви клетки и други метали.

Процесите за рециклиране на силициеви модули грубо могат да бъдат разделени на такива, елиминиращи капсулиращия материал от слоестата структура, и такива, в резултат на които се регенерират металите от силициевите клетки след предварително разглобяване, например премахване на металните рамки и клемните кутии. Елиминирането на капсулиращия материал от слоестата структура е една от най-важните и най-затрудняващите цели на научноизследователската дейност по отношение на рециклирането. В момента учените разработват различни термични, механични и химични подходи за разслояването на модулите.

Що се отнася до рециклирането на тънкослойните соларни панели, процесите могат да бъдат разделени на такива, които елиминират капсулиращия материал от слоестата структура, и такива, от които след предварително разглобяване се възстановяват метали и стъклен субстрат. Механичното натрошаване вече е доказан метод за елиминиране на капсулиращия материал, като са разработени и термични и оптични подходи. Благодарение на химичните технологии могат да бъдат регенерирани металите от субстрата, както и стъклото.