W ramach przechodzenia na gospodarkę o obiegu zamkniętym procesy recyklingu powinny zostać ulepszone jako narzędzie do zachowania wartości materiałów, które wydobyliśmy, udoskonaliliśmy i wykorzystaliśmy do produkcji modułów fotowoltaicznych. Recykling fotowoltaiczny stanowi obecnie wyzwanie ze względu na koszty, a żadna istniejąca technologia nie umożliwiła recyklingu w obiegu zamkniętym dla wszystkich materiałów składowych.
Zespół badaczy National Renevable Energy Laboratory (NREL) przedstawił kluczowe wnioski na podstawie przeprowadzonych po raz pierwszy analiz ilościowych na temat: w jaki sposób żywotność modułów fotowoltaicznych i współczynniki recyklingu mogą wpływać na przepływy i dostępność materiałów fotowoltaicznych do 2050 r. w całkowicie zdekarbonizowanej sieci w USA. Modelowanie różnych scenariuszy zostało szczegółowo opisane w czasopiśmie „PLOS ONE” w nowym artykule pt. „Priorytety gospodarki o obiegu zamkniętym dla fotowoltaiki w transformacji energetycznej”. Analiza obejmuje ocenę dwóch podejść do gospodarki o obiegu zamkniętym: a) wydłużenia żywotności i b) recyklingu w obiegu zamkniętym, pod kątem ich zdolności do zmniejszenia zapotrzebowania na materiały pierwotne i odpady w cyklu życia produktu i systemu fotowoltaicznego przy jednoczesnym osiągnięciu celów w zakresie wydajności urządzeń.
Wśród wielu ambitnych celów w zakresie dekarbonizacji na całym świecie, USA zamierzają przeprowadzić dekarbonizację sieci do 2035 r., co wymaga zainstalowania 1 TW fotowoltaiki, w porównaniu z około 110 GW zainstalowanymi w 2021 r. Ta bezprecedensowa globalna skala obciąży istniejące łańcuchy dostaw fotowoltaiki zwiększeniem ilości materiałów i zapotrzebowaniem na energię.
Moduły z 50-letnim okresem eksploatacji mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na materiał pierwotny o 3%. Moduły o żywotności 15 lat wymagają dodatkowo 1,2 TW mocy modułów zamiennych w celu utrzymania wydajności istniejącego systemu, zwiększając zapotrzebowanie na materiał pierwotny, chyba że ponad 90% masy modułu zostanie poddane recyklingowi w obiegu zamkniętym. Obecnie żadna technologia fotowoltaiczna (produkowane obecnie moduły PV) nie jest poddawana recyklingowi w więcej niż 90% w obiegu zamkniętym. Szkło stanowi większość masy we wszystkich technologiach fotowoltaicznych i jest energochłonnym komponentem z problematycznym łańcuchem dostaw. Dlatego recykling szkła o jakości PV stanowi dużą szansę na domknięcie obiegu zamkniętego dla materiałów PV.
Szybkie wdrażanie fotowoltaiki wymaga rozwiązania wielu problemów, w tym: zwiększenia możliwości instalowania systemów PV, utrzymania zainstalowanej mocy w długim okresie, pozyskiwania materiałów z bezpiecznych i zrównoważonych łańcuchów dostaw oraz odpowiedzialnego zarządzania strumieniami odpadów produkcyjnych i wycofanymi z eksploatacji systemów fotowoltaicznych. Systemy fotowoltaiczne o wysokiej wydajności i niezawodności są potrzebne do osiągnięcia i utrzymania niezbędnych mocy. Odzyskiwanie materiałów fotowoltaicznych może umożliwić istnienie bardziej bezpiecznych i zrównoważonych łańcuchów dostaw, niezbędnych dla utrzymania ciągłości produkcji oraz stałej podaży urządzeń na rynku.
Wymogi materiałowe – potrzeby zwiększania dostaw – służące szybkiej transformacji energetycznej można złagodzić dzięki podejściu opartemu na gospodarce o obiegu zamkniętym, co może również umożliwić bardziej pewny, odporny na zakłócenia łańcuch dostaw w perspektywie długoterminowej. Chociaż definicje gospodarki o obiegu zamkniętym różnią się, jej praktyczne wdrożenie dąży do recyrkulacji materiałów w całej gospodarce, aby zminimalizować wydobycie materiału pierwotnego i składowanie odpadów. Można to osiągnąć poprzez nadanie priorytetu działaniom takim jak: redukcja masy, ponowne użycie, naprawa, regeneracja i recykling.
Analiza przypadkówj 336 scenariuszy łączących cykle życia modułów i współczynniki recyklingu dokonana przez zespół badaczy NREL pokazuje, że wydłużenie żywotności modułów fotowoltaicznych i/lub zwiększenie wskaźników recyklingu w obiegu zamkniętym może dać efekty w postaci zmniejszenia zapotrzebowania na materiały pierwotne i likwidacji odpadów po okresie eksploatacyjnym. Wydłużenie żywotności modułów i systemów fotowoltaicznych można osiągnąć na kilka sposobów, w tym poprzez ciągłą poprawę niezawodności modułów i odporności na warunki środowiskowe. Priorytety badawcze i projektowe w zakresie przedłużenia żywotności obejmują: udoskonalone protokoły przyspieszonego testowania symulującego przewidywany rzeczywisty okres pracy modułów w terenie, kontrolę jakości produkcji, modelowanie predykcyjne w celu oceny wpływu zmian projektowych, stałą wydajność na przestrzeni czasu, ulepszenia materiałowe, zgodność modułów i komponentów w przód i wstecz oraz naprawę i regenerację elementów systemu.
Zrównoważenie zapotrzebowania na materiał pierwotny można także osiągać w inny sposób niż recykling. Wysokowydajne, niezawodne systemy o wysokiej wydajności i żywotności dochodzącej do 50 lat zmniejszają potrzebę wymiany i całkowitego wdrażanie nowych systemów. Także regeneracja komponentów oraz pozyskiwanie materiałów w obiegu zamkniętym w istotny sposób przyczyniają się do zwiększenia podaży krytycznych surowców i materiałów.
Narzędzie opracowane przez NREL
Aby modelować przepływy materiałów fotowoltaicznych do 2050 r., zespół NREL wykorzystał stworzone przez siebie narzędzie o nazwie PV in the Circular Economy (PV ICE) . PV ICE wykorzystuje najnowsze dane z branży fotowoltaicznej do modelowania przepływu materiałów fotowoltaicznych w ciągu następnych kilkudziesięciu lat, pomagając przewidywać skutki różnych trendów rynkowych, rozwoju technologicznego i polityki rządowej.
Narzędzie typu open source, opracowane przez niewielki zespół w PV Reliability Group firmy NREL, składa się z dwóch głównych części. Pierwszy element to zestaw plików danych, które gromadzą kluczowe właściwości dzisiejszych modułów fotowoltaicznych – i prognozy dotyczące przyszłych modułów – w tym między innymi ilości różnych materiałów, które zawierają, ich oczekiwany czas życia i wydajność konwersji energii. Drugi element to model, który śledzi, w jaki sposób te moduły, materiały i zawarta w nich energia będą przechodzić przez cykl życia PV.
Źródła: NREL, PLOS (artykuł naukowy o otwartym dostępie) Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
