Recykling zużytych modułów fotowoltaicznych przyciąga uwagę badaczy ze względu na zawarte w nim cenne materiały i duże zapotrzebowanie na surowce. Aby zoptymalizować proces recyklingu pod kątem minimalnych kosztów i wpływu na środowisko, stosuje się kombinacje procesów chemicznych, fizycznych i termicznych.
Naukowcy z Deakin University’s Institute for Frontier Materials (DUIFM) z powodzeniem przetestowali nowy proces, który pozwala bezpiecznie i skutecznie wydobywać krzem z wycofanych z eksploatacji modułów fotowoltaicznych, a następnie przekształcać go w nanomateriał o wartości ponad 45 000 dol./kg. Otrzymany nanokrzem jest następnie mieszany z grafitem w celu opracowania nowego typu anody baterii, która zwiększa pojemność baterii litowo-jonowej o współczynnik 10, co stanowi przełom w technologii magazynowania energii elektrycznej.
Tym samym naukowcy opracowali zrównoważony i wysoce pożyteczny sposób rozwiązujący dwa duże problemy związane z globalnym przejściem na czystą energię. Odzyskiwanie krzemu – jednego z najcenniejszych elementów z poeksploatacyjnych modułów fotowoltaicznych – jest elementem recyklingu całego urządzenia. Dzięki opracowanej technologii odzyskany krzem nadaje się do rekonfigurowania go dla budowania lepszych, wydajniejszych akumulatorów.
Moduły fotowoltaiczne (PVM) w znacznym stopniu przyczyniają się do powstawania e-odpadów ze względu na ciągły wzrost ich wykorzystania. Średnia żywotność krzemowych ogniw słonecznych wynosi na ogół 20–30 lat. Zgodnie z raportem „End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels”, ilość e-odpadów PVM wzrośnie na całym świecie do 60–78 mln. ton. Przewiduje się, że do końca 2050 r. około 10% elektrośmieci będzie wytwarzanych wyłącznie przez zdegradowane moduły fotowoltaiczne. Problemem odpadów zużytych modułów fotowoltaicznych zmusza naukowców i badaczy z całego świata do poszukiwania skutecznego program recyklingu, aby nie trafiały one na wysypiska, tym bardziej że zbudowane są z cennych składników nadających się do ponownego wykorzystania.
– Ogniwa PV są wytwarzane przy użyciu wysokiej jakości krzemu, ale materiału tego nie można ponownie użyć bez skutecznego przywrócenia jego pierwotnych właściwości, ponieważ ulega on silnemu zanieczyszczeniu w ciągu 25 do 30 lat użytkowania modułu – powiedział główny badacz, dr Md Mokhlesur Rahman. Opracowaliśmy proces, który przywraca krzem zebrany ze zużytych ogniw do ponad 99% czystości w ciągu jednego dnia i bez potrzeby stosowania niebezpiecznych chemikaliów. Ten termiczno-chemiczny proces jest znacznie bardziej ekologiczny, tańszy i wydajniejszy niż jakakolwiek inna technika obecnie na rynku – dodaje.
Opracowany recykling modułu PV jest bardzo ważnym osiągnięciem, ale to rekonfiguracja odzyskanego krzemu naprawdę zmienia zasady gry. Proces opracowany przez naukowców i badaczy DUIFM modyfikuje oczyszczony krzem o regularnych rozmiarach, zmniejszając jego rozmiar do nanoskali za pomocą specjalnego procesu mielenia kulowego. Ponownie bez potrzeby stosowania toksycznych chemikaliów. – Używamy tego nanokrzemu do opracowywania tanich materiałów do budowy akumulatorów, które pomogą zapewnić wydajniejszą, trwalszą i przystępniejszą cenowo technologię akumulatorową, która jest niezbędna do przejścia na czystą energię – powiedział dr Rahman.
Obecna cena rynkowa nanokrzemu wynosi około 45 000 dol. za kilogram, w porównaniu do około 650 dol. za zwykły krzem, a popyt na niego jest coraz większy. Nie tylko dla nowych materiałów do akumulatorów, ale także do wykorzystania w rozwoju nanonawozów, innowacyjnych nowych metod wychwytywania dwutlenku węgla i wytwarzania wodoru na żądanie. Dzięki recyklingowi modułów fotowoltaicznych zespół DUIFM znalazł sposób na uczynienie tego bardzo drogiego materiału bardziej dostępnym. Szacują, że ich technologia może wygenerować 15 mld dol. z odzysku materiałów, jeśli ekstrapoluje się na 78 mln ton odpadów z modułów PV, które mają zostać wygenerowane na całym świecie do 2050 r.
Krzem odzyskany ze zużytych modułów PV może stać się ogromnym, zrównoważonym źródłem nanokrzemu, który zaspokoi przyszłe zapotrzebowanie na surowce do akumulatorów, co pomoże w zasilaniu domów, transportu i społeczności przyszłości. Obecnie trwają prace zmierzające do zwiększenia skali procesu.
Wycofanym z eksploatacji modułem fotowoltaicznym można zarządzać poprzez bezpośrednie ponowne wykorzystanie materiałów, wykorzystanie po renowacji do podobnych zastosowań, dalsze wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu oraz unieszkodliwianie materiałów odpadowych z modułu nienadających się do dalszej obróbki (ilości śladowe).
Wiele grup badawczych ustaliło dobre procesy recyklingu w skali laboratoryjnej, jednak przełożenie takich procesów na skalę pilotażową jest trudne. Aktualizacja będzie wymagać dalszej optymalizacji i badań. Jest to możliwe dzięki całościowemu zarządzaniu jakością, w którym dostępny proces może być bardziej efektywny.
Oprac. M. Grabania
Źródła: Deakin University, Recycling of photovoltaic modules for recovery and repurposing of materials – H. Trivedi, A. Meshram, R. Gupta.
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
