Солнечная энергия в настоящее время является самым быстрорастущим и возобновляемым источником энергии в мире. Относительное снижение стоимости солнечной энергии сделало ее доступной для большего числа людей, чем когда-либо прежде, и привело к экспоненциальному росту ее использования.
Но по мере развития отрасли солнечной энергетики возникает проблема обращения с отходами. Что произойдет с миллионами солнечных батарей по всему земному шару в конце срока их службы?
Зачем нужно утилизировать солнечные батареи?
Любой, кто работает в солнечной промышленности, хорошо осведомлен о преимуществах, которые предоставляет солнечная энергия. Чистая, возобновляемая энергия дает возможность экономить средства и природное топливо, помогает сократить выбросы парниковых газов, а также требует минимального обслуживания и инвестиций в течение срока службы в сравнении с другими видами производства энергии. Но даже многие профессионалы отрасли не знают, какие плюсы и минусы существуют для солнечных модулей в конце срока их службы.
Солнечное оборудование будет работать десятилетиями, особенно при правильном обслуживании. Проектный срок службы солнечной панели составляет примерно от 20 до 30 лет, и большинство брендов-изготовителей солнечных батарей предоставляют гарантию производительности для защиты владельцев солнечной системы. Гарантия дает уверенность в том, что солнечные панели будут генерировать определенное количество энергии, за исключением неожиданных облачных дней. Многие производители гарантируют 90% производительности через 10 лет и 85% – через 25 лет.
Солнечные панели со временем становятся менее эффективными, а гарантии производительности защищают потребителей в случае преждевременного снижения производства энергии. Большинство систем, установленных в конце 1980-х начале 90-х годов, все еще производят приемлемое количество энергии. Однако наступит день, когда потребуется надежная инфраструктура для их утилизации, так как из эксплуатации будет выведено большое количество солнечных систем.
Учитывая, что сегодня в мире установлено более 400 гигаватт фотоэлектрических модулей, важно, чтобы они не становились бременем для окружающей среды, а служили на благо людей и не нанесли вреда в будущем. По оценкам экспертов, проблема утилизации «солнечного мусора» глобально встанет перед человечеством через 2–3 десятилетия, так как большая часть работающих сегодня солнечных панелей к этому времени выработают свой ресурс. Причем угроза окружающей среде будет достаточно высока, ведь возникнет невероятно большое количество отходов, которые сложно перерабатывать.
В некоторых случаях фотоэлектрические модули могут быть повторно использованы или восстановлены и получают «вторую жизнь» для генерации электроэнергии. С другими компонентами солнечных систем также можно обращаться ответственно. Инверторы, к примеру, могут быть переработаны как электронные отходы, а рамы, стеллажное оборудование – повторно использоваться по новым технологиям или перерабатываться, как и другие металлы.
В настоящее время в большинстве стран отсутствует надежная инфраструктура для переработки солнечных батарей. Поскольку солнечная энергия является относительно молодой отраслью, ежегодная скорость вывода из эксплуатации солнечных энергетических систем все еще остается низкой. Большинство солнечных батарей, утилизируемых ежегодно, еще не отработали срок, а просто повреждены или неисправны.
Согласно прогнозу Международного агентства по возобновляемой энергии (IRENA), без переработки к 2050 году глобальные отходы от производства фотоэлектрических панелей существенно вырастут и составят примерно 60–80 миллионов тонн (в накопительном объеме). Поскольку все фотоэлементы содержат определенное количество токсичных веществ, это может стать проблемой. Солнечные панели содержат тяжелые металлы, такие как кадмий и свинец, которые могут выщелачиваться в окружающую среду, если не будут должным образом переработаны. Небрежно выброшенные солнечные батареи могут оказаться на больших свалках, что приведет к негативным последствиям в экологии. Но кроме защиты окружающей среды, переработка солнечных батарей еще и экономически выгодна. Природные запасы некоторых редких элементов, которые содержатся в солнечных модулях (к примеру, галлий, индий), со временем истощаются. Их можно было бы сохранять при переработке солнечных панелей и продолжать использовать для производства новых солнечных батарей и других продуктов. По данным экспертов IRENA к 2050 году переработка вторичных солнечных модулей может дать до 15 миллиардов долларов дохода.
Возможности утилизации солнечных панелей
Как мы уже сказали, часть материалов, из которых состоят солнечные панели, можно использовать повторно: стекло, алюминий, медь и полупроводники. К примеру, в составе кристаллических кремниевых батарей примерно 76-77% стекла, 10–12% полимерных материалов, около 8–9% алюминия, 5–6% кремниевых полупроводников, около 1% меди, а также есть другие металлы – не более 0,1% (серебро, олово, свинец, галлий, мышьяк и др.) В тонкопленочных модулях доля стекла намного выше – от 88 до 97% в разных моделях. Но в них часто входят такие ядовитые соединения, как теллурид кадмия, а также диселенид индия и меди. Примерно 85-95% «солнечного мусора» подлежит вторичной переработке – алюминиевые рамы, стойки и стеллажи, стекло. Остальные отходы – сами фотомодули, металлическая фольга, распределительные щиты, соединительные провода, контактные коробки, печатные платы, свинцовый припой.
Существует два основных способа переработки панелей. Это так называемая «тонкая», когда из отработавших панелей извлекают для переработки практически все элементы, и второй вариант – «грубая переработка», когда извлекают только основные материалы (алюминий, пластик, стекло). При «тонкой переработке» предварительно обрабатывают модули, удаляют ламинирующее покрытие, извлекают стекло и металлы.
Но поскольку на сегодняшний день солнечных отходов относительно немного, их, в основном, перерабатывают на заводах для утилизации стекла и металла. По сути, происходит «грубая переработка», при которой ценные и экологически опасные металлы не восстанавливают и не удаляют должным образом. Поэтому многие компании думают над тем, как сделать процесс переработки солнечных батарей наиболее оптимальным и экологически чистым для окружающей среды.
Дальнейшее быстрое развитие солнечной промышленности повлечет за собой и рост количества солнечных панелей, которые необходимо переработать или утилизировать в ближайшие годы. Поэтому в некоторых странах производителей солнечных батарей обязывают соблюдать требования и стандарты утилизации на законодательном уровне. Например, в Европе сегодня для повторного использования извлекается до 70% материалов, из которых состоят солнечные модули.
Но ежегодно все больше панелей отрабатывают свой срок службы, и даже сейчас старые солнечные панели постепенно становятся проблемой. Переработка их все еще находится на очень ранней стадии развития, но, поскольку рынок продолжает расти, это направление будет играть важную роль в солнечной промышленности. Для отрасли, которая гордится стабильностью, необходимо сосредоточиться на переработке в конце срока службы солнечных панелей, чтобы они не переполнили свалки.
С точки зрения регулирования отходы фотоэлектрической панели все еще подпадают под общую классификацию отходов. Единственное исключение существует на уровне ЕС, где фотоэлектрические панели определены в соответствующих документах как электронные отходы. Поэтому распространенное мнение о том, что солнечные панели не подлежат вторичной переработке, является мифом. Это процесс, который требует времени для широкого внедрения, а также дальнейших исследований, чтобы полностью раскрыть потенциал адекватной переработки всех компонентов солнечных батарей. По этой причине необходимо, чтобы проектирующие и перерабатывающие подразделения предприятий тесно сотрудничали между собой, обеспечивая оптимальную утилизацию.
Учитывая срок службы солнечных батарей, всплеска утилизации солнечных батарей можно ожидать уже в начале 2030-х годов. Важно, чтобы эти панели были переработаны, иначе ценные ресурсы, которые можно было бы использовать для производства большего количества солнечных батарей, окажутся на свалках и что хуже – токсичные соединения попадут в окружающую среду.
Как утилизируются солнечные панели?
Как и любой другой продукт, солнечные панели могут подвергаться переработке. Например, кристаллический модуль включает в себя первичные материалы, такие как стекло, пластик, алюминий. Все эти три материала можно утилизировать, используя обычный процесс переработки.
Хотя сами кремниевые пластины не подлежат вторичной переработке, как стекло и пластик, некоторые специализированные компании по переработке могут повторно использовать кремниевые элементы, расплавляя их и восстанавливая кремний и различные металлы.
Сложность утилизации солнечных панелей заключается не в том, что материалы, из которых они сделаны, трудно перерабатывать; скорее, они состоят из множества элементов, которые используются вместе в одном продукте. Разделение этих материалов и их повторная переработка – сложный, трудоемкий и дорогостоящий процесс. Для этой цели переработчики используют современное оборудование.
Рынок утилизации солнечных панелей постепенно растет. Основная причина почему это происходит медленными темпами связана с тем, что количество перерабатываемых солнечных панелей все еще ограничено. Тем не менее, предприятия и подразделения по переработке отходов разрабатывают инфраструктуру для повышения собственной мощности.
Процесс утилизации разных типов панелей – подробности
Существует два основных типа солнечных панелей, требующих различных подходов к утилизации – на основе кремния и тонкопленочные. Оба эти типа панелей могут быть переработаны с использованием различных промышленных процессов. В настоящее время панели на основе кремния более распространены, хотя это не означает, что в материалах ячеек на основе тонких пленок меньше ценности.
Исследования, проведенные на тему утилизации солнечных батарей, привели к появлению многочисленных технологий. Некоторые из них даже достигают удивительной эффективности переработки — до 96%, но цель состоит в том, чтобы в будущем поднять планку еще выше. Несмотря на возможность повторного использования модулей, процесс разделения материалов может быть сложным и требует передового оборудования.
Кремниевые солнечные панели
Процесс переработки фотоэлектрических панелей на основе кремния начинается с разборки самого продукта для отделения алюминиевых и стеклянных деталей. Почти все стекло (около 95%) можно использовать повторно, а все внешние металлические детали применяют для повторного формования каркасов ячеек. Остальные материалы обрабатывают при температуре 500° C в блоке термической обработки, чтобы облегчить связывание между элементами ячейки. Из-за сильной жары инкапсулирующий пластик испаряется, оставляя кремниевые элементы готовыми для дальнейшей обработки. Поддерживающая технология гарантирует, что даже этот пластик не будет потрачен впустую, поэтому он повторно используется в качестве источника тепла для дальнейшей термической обработки.
После термической обработки все, что отделено, на 80% может быть легко использовано повторно, в то время как оставшиеся 20% еще дополнительно очищаются. Частицы кремния в соединительном слое пластин вытравливаются кислотой. Деформированные и отработавшие пластины расплавляются для повторного использования в производстве новых кремниевых модулей, что приводит к повторному использованию кремния на 85%.
Коротко основные этапы утилизации кремниевого модуля можно выразить так:
- снятие алюминиевой рамы (100% многоразового использования);
- разделение стекла вдоль конвейерной ленты (95% многоразового использования);
- термическая обработка при 500℃ (помогает отделить фотоэлементы от пластиковых компонентов);
- отделение кремниевых пластин;
- вытравливание соединительного слоя кремниевых пластин;
- последующая переработка самого кремния – его переплавка в плиты многократного использования (85% многократного использования), которые затем используются для производства новых панелей.
Тонкопленочные солнечные панели
Тонкопленочные панели перерабатываются более радикально, а технология их утилизации была разработана в конце 90-х годов в США, а сегодня применяется в ряде стран Европы. Все демонтированные элементы солнечных батарей перерабатываются здесь в едином цикле.
Сначала их кладут в грубый механический измельчитель. Затем при помощи молотковой мельницы получается фракция отходов, кусочки которой имеют размер не более 4–5 мм. Именно при таких размерах разрушаются соединительные связи материалов, что дает возможность их разделить. В отличие от панелей на основе кремния, оставшееся вещество состоит из твердого и жидкого компонентов. Для их сепарации (отделения жидкости и твердых отходов) используют вращающийся барабан из нержавеющей стали, который в основном удерживает твердые части, вращающиеся внутри него, в то время как жидкость стекает в специальную емкость. С помощью выщелачивания отделяется полупроводниковый слой, а твердые материалы (стекло и пластик) отделяются от жидкости. Далее полученный раствор – жидкость – осаждается и очищается, чтобы полностью отделить различные полупроводниковые материалы. Последний шаг зависит от фактической технологии, используемой при производстве панелей. Однако в среднем около 95% полупроводникового материала не только пригодно, но и используется для повторного применения.
Отделенные твердые отходы обычно загрязнены так называемыми межслойными материалами, которые имеют меньшую массу и могут удаляться через вибрирующую поверхность. После этого материал проходит промывку. То, что остается как чистое стекло, дает до 90 % экономии при повторном изготовлении стеклянных элементов.
Варианты утилизации солнечных батарей
Солнечные панели традиционно обрабатывают на предприятиях по переработке стекла общего назначения, где металлические каркасы и стеклянные детали перерабатываются, а остальные части утилизируются или сжигаются. В настоящее время в мире существует несколько глобальных организаций, работающих над тем, чтобы сделать переработку солнечных батарей максимально полной.
В Европе солнечный рынок развит достаточно широко – многие европейские страны установили более мощные фотоэлектрические системы еще в 1990-х годах. Поэтому рынок утилизации солнечных фотоэлектрических модулей здесь постоянно развивается. Директива Европейского союза по утилизации электрического и электронного оборудования (WEEE) помогла основать Ассоциацию PV Cycle для переработки отработавших солнечных модулей, а также для продвижения и внедрения лучших мировых практик в утилизации.
В соответствии с правительственными постановлениями, владельцы солнечных батарей в Европе должны утилизировать свои панели после того, как они их используют. Это создало рынок для коммерческих переработчиков панелей, например, таких, как одна из наиболее крупных компаний по очистке и поставке воды, а также утилизации отходов в Европе – Veolia (Франция). Она сотрудничает с некоммерческой организацией PV Cycle в вопросах сбора и переработки солнечных батарей. В 2018 году Veolia открыла первый в Европе завод по вторичной переработке солнечных панелей в городе Руссе на юге Франции. На этом технологичном предприятии роботы отделяют стекло, кремний, пластмассу и металлы из отработавших или испорченных солнечных батарей.
Ассоциация солнечной энергетики США – SEIA – также имеет несколько партнеров по переработке, и это партнерство приносит пользу ее членам. Примером партнера по переработке SEIA является компания Cleanlites в Цинциннати, которая управляет рядом предприятий, перерабатывающих панели и другое солнечное оборудование.
Усилия по переработке солнечной энергии прилагают и производители. Например, такие компании, как SunPower и First Solar, внедряют глобальные программы утилизации для своих клиентов. Там предусмотрено, что владельцы солнечных систем, являющиеся клиентами этих брендов, могут возвращать производителям для повторной переработки или перепрофилирования старые, отработавшие свой срок, солнечные батареи.
Большое внимание проблеме утилизации и переработке солнечных панелей уделяется в Японии и других развитых странах. Разрабатываются программы на государственном уровне, чтобы оказать большее давление на производителей для создания и внедрения программ утилизации.
В Украине, России и странах СНГ рынок солнечных батарей пока только развивается. Соответственно, проблема их утилизации и переработки – тоже в будущем. Пока об этом все сильнее задумываются лишь те, кто всерьез занимается гелиоэнергетикой. Ведь чем быстрее будет расти рынок солнечной энергии, тем больше гелиосистем будет выходить из строя. Все они потребуют утилизации, и это вопрос ближайших десятилетий. Вот почему важно уже сегодня разрабатывать и внедрять технологии рециклинга фотоэлектрических солнечных отходов, чтобы максимально использовать экологические и экономические преимущества солнечной энергии.