Рециклиране на фотоволтаични панели

Какво се случва с фотоволтаичния панел след края на неговия експлоатационен период? Там, където активно се строят нови соларни паркове, ентусиазмът държи този въпрос надалеч от съзнанието. Но в страни, където фотоволтаиката е масова отдавна, темата за PV отпадъците вече става болезнена. През това време новите соларни модули стават все по-евтини и по-ефективни. Някои от големите фотоволтаични електроцентрали подменят модулите си преждевременно, преди те да достигнат очакваните 25 години живот. Къде ще отидат старите панели? Отговори на този въпрос търсим в настоящата статия на списание Енергия.

Текст: списание ЕНЕРГИЯ

По данни на Международната агенция по енергетика, в света вече работят над 2 теравата фотоволтаични мощности. Темповете на растеж на новите инсталации са впечатляващи, а прогнозите сочат, че ще бъде необходимо да се изградят общо 75 теравата фотоволтаичен капацитет до 2050 г., за да постигнем целите си в борбата с климатичните промени.

Този бурен растеж обаче носи със себе си и сериозни предизвикателства, свързани с нарастващото количество отпадъци от PV модули. Старата техника вече започва да се натрупва, а към този процес допринася не само остаряването на панелите, но и бързият напредък в технологиите. Между 1980 г. и 2020 г. е постигнато значително намаление от 76% в съотношението тегло към мощност на фотоволтаичните модули.

Тази технологична еволюция позволява на съществуващите опорни конструкции и тракери да бъдат оборудвани с по-ефективни и мощни панели, които произвеждат значително повече енергия. Докато през 2000 г. един модул осигуряваше под 100 W мощност, днес съвременните панели достигат между 550 W и 750 W, в сравнение с едва 350 W през 2019 г.

Благодарение на тези подобрения, някои собственици на соларни паркове избират да подменят съществуващите панели преждевременно, дори преди да са изчерпали пълния си експлоатационен живот. Тази стратегия им позволява да увеличат значително добива на енергия от същата площ, но едновременно с това ускорява и темпа на генериране на PV отпадъци, което изисква внимателно управление и устойчиви решения.

Извеждането от употреба 

Когато се изгражда фотоволтаична система, било то малка покривна инсталация или мащабен соларен парк, основният фокус обикновено пада върху параметри като размери, мощност, добиви и финансова възвръщаемост. Вниманието е насочено към изграждането и експлоатацията, но малко собственици планират какво ще се случи с панелите, когато достигнат края на своя жизнен цикъл.

В повечето случаи капиталът, предвиден за проекта, не включва средства за демонтаж и рециклиране на излезлите от употреба модули. Дори при големи комунални проекти, финансовите модели често пропускат разходите, свързани с извеждането от употреба, което поставя собствениците пред значителни финансови предизвикателства, когато системата остарее.
Този въпрос става все по-актуален в държави, където соларните паркове функционират вече десетилетия и голям брой фотоволтаични модули са на прага на своя край. В много случаи тези панели се демонтират преждевременно, за да се заменят с по-нови и по-ефективни технологии, което още повече увеличава обема на PV отпадъците.

Експертите предупреждават, че планирането на дейностите по демонтаж и управление на отпадъците трябва да започне още в началния етап на проекта. Препоръчва се собствениците на фотоволтаични ферми и покривни инсталации да отделят средства и да включат ясна стратегия за извеждане от употреба в своите бизнес планове. Това не само ще улесни процеса в бъдеще, но и ще гарантира, че материалите ще бъдат правилно третирани, а част от тях – рециклирани и върнати в производствения цикъл.

Повторна употреба

Един от възможните подходи при извеждането от експлоатация на остарелите соларни панели е повторната им употреба. Пенсионираните, но все още годни за работа модули могат да намерят ново място, където да поработят още известно време. Загубата на ефективност във фотоволтаичен модул варира от 0,4% до 5% годишно в зависимост от климата и използваните материали. Това значи, че нерядко панелите имат прилична (до 80%) производителност след 15 години работа.

По света и в частност в Европа вече има организации, посветени на намирането на втори пазар за старите, но работещи фотоволтаични панели. В някои случаи устройствата се даряват на институции, които нямат бюджет да си позволят да си купят соларни панели. Това може да са изследователски лаборатории, научни звена, институти и др.

Така например в Бразилия Федералният университет на Санта Катарина е заменил свой дизелов генератор на малък сателитен остров с 5kW фотоволтаична система за автономна работа. Нейните поликристални силициеви фотоволтаични модули са работили непрекъснато от 1999г. до 2022г., когато е решено да бъдат заменени с нови модули, над два пъти по-ефективни, за да се удвои инсталираният капацитет върху същата площ (мястото е с ограничено пространство).

След над 20 години работа в офшорна среда повечето от 76-те фотоволтаични модула все още работят с около 80% от първоначалната номинална мощност. Вместо да бъдат изхвърлени/рециклирани, те биват инсталирани другаде – в изследователската лаборатория за слънчева енергия на UFSC. Сега те се се наблюдават в проект за повторно използване на фотоволтаични модули.

Друг възможен вариант е насочването на фотоволтаиците към програми за социални помощи. Социално слабите семейства могат да се възползват от много евтини фотоволтаични модули, при условие че тяхната ефективност и безопасност могат да бъдат гарантирани, след като гаранциите на производителя вече не са валидни.

Така например един италиански енергиен доставчик наскоро започна „Социална акция за слънчево обновяване“ в Тоскана. Проектът има за цел да даде втори живот на слънчевите панели, изхвърлени от оператора като част от неговите дейности по обновяване на фотоволтаичните паркове. Старите панели все още осигуряват значителен процент от очакваната мощност. Програмата предвижда второ инсталиране на приблизително 4000 слънчеви модула, пенсионирани от четири соларни парка. Устройствата са все още са в добро състояние и напълно функционални. Модулите могат да бъдат пренасочени към инициативи за подкрепа на бедни общности в страната, болници, социално слаби семейства и училища. Освен в Италия, панели ще се изпращат и на социално слаби семейства в Африка.

Подобно пращане за втора употреба изисква проверка дали даден модул може да работи още и дали това е безопасно. Необходимо е наличието на организация, тестваща състоянието на устройствата. Това може да включва електрофотолуминисцентно сканиране, инфрачервено сканиране, проверка на конектори и т.н. На тази база следва да се определи дали панелите са жизнеспособни за повторна употреба.

Подобна дейност не е регламентирана. На места се появяват частни организации, които се заемат със събирането и изследването на остарелите соларни панели. В момента те се финансират предимно от повторната продажба на слънчевите панели, но индустриални експерти предупреждават, че е редно да се помисли за по-устойчив модел за дейността. Собствениците на соларни паркове следва да предвидят средства за финансиране на демонтажа на стари панели и последващата работа по тях, така че да не се генерират PV отпадъци.

Възможности за рециклиране

Остарелите соларни панели, които не са годни за повторна употреба, могат да се рециклират. От тях би трябвало да могат да се извлекат полезни материали — сребро, мед, кристален силиций, стъкло, алуминий. Ако можем да изваждаме тези вещества от старите панели, би било е нужно по-малко миннодобивно дело за производството на „суров“ материал.

Европейската индустриална асоциация PV Cycle изчислява, че слънчева инсталация с мощност 10MW в крайна сметка ще произведе 700 тона отпадъчен материал. Следователно различните материали, използвани за модулните компоненти, могат да се натрупат в значителни количества. Алуминият и стоманата, използвани за направата на рамките на панелите, лесно могат да се отделят. Същото важи и за медта от окабеляването. С това обаче изглежда, че „нисковисящите плодове“ на рециклирането са вече обрани. Доста по-трудна е преработката на останалите материали от PV панелите.

Среброто, силицият, стъклото – рециклирането им от старите модули влияе на качеството. Реално има малък шанс тези материали да достигнат необходимото ниво на чистота, за да могат отново да бъдат използвани за соларни панели – или за каквото и да е друго приложение с висока стойност. Факт е, че някои големи PV производители потвърждават, че вече използват рециклиран алуминий за рамките на своите нови панели. Те обаче виждат използването на останалите рециклирани материали от панелите като голямо предизвикателство.

Соларното стъкло е материалът за рециклиране с най-голям обем. То съставлява около 70% от всичко, което подлежи на преработка от един фотоволтаичен панел. Строгите изисквания за качество и прозрачност на соларното стъкло обаче означават, че обработката на рециклирания материал до необходимото ниво е трудна задача. Високата степен на прозрачност задължително трябва да бъде запазена. Доколко това е възможно – все още се проучва.

Рециклирането на старото соларно стъкло може да е интересно и за производителите на плоско стъкло за строителната индустрия. Експерти предупреждават, че наличието на антимон в повечето соларни стъкла е проблем в подобно начинание. Не е ясно дали има производител на плоско стъкло в Европа, който би могъл ефективно да преработва материал с около 2000 части на милион (ppm) антимон. В момента са на ход някои пилотни инициативи за преработка на соларно стъкло с цел производство на плоско стъкло за строителството. Но резултатите от тях тепърва ще се анализират. Тестове, проведени в Япония, дават надежда, че процесът ще стане приложим в мащаб.

В средата и към края на 2030-те години количеството соларно стъкло от остарели соларни панели ще достигне десетки милиони тонове, предупредиха през пролетта немски изследователи. Трябва да се намери начин пазарът да поеме този материал. Това е причината, поради която редица експерти от PV индустрията призовават да се мисли за възприемане на използването на стъкло без антимон в новите слънчеви панели, за да може материалът да се рециклира по-лесно. Това ще означава и потребност от нов вид екомаркировка, добавят специалистите.

Силицият е друг ценен материал, който би могло да се рециклира. Досегашните методи за преработка осигуряват „нов“ силиций с около 80% чистота. Но 80% чистота не е „интересна“ за повечето приложения на веществото. Производителите на полисилиций от соларен клас имат особено високи изисквания за чистота – обикновено най-малко 6N (99,9999%). Наличието на различни други материали, използвани за формиране на отделните слоеве в соларните панели, може да означава, че дори да се постигне висока чистота на силиция, профилът на оставащите примеси би бил различен от този, необходим за направата на нови силициеви панели.

В момента са на ход пилотни схеми на партньорства, изследващи дали компаниите от химическата индустрия могат да използват силиция, извлечен от соларни панели, за различни други приложения. Провежданите изследвания са насочени към подобряване на качеството на рециклирания силиций, разработване на техники за отстраняване на примесите и намаляване на необходимата за тази цел енергия.

Специална WEEE директива

За да се гарантира, че материалите от фотоволтаични панели остават в обращение възможно най-дълго, е необходимо тяхното специализирано третиране. В момента в Европейския съюз отпадъците от фотоволтаични модули се регулират от Директивата за отпадъци от електрическо и електронно оборудване (WEEE). Тази регулаторна рамка поставя солидна основа за управление на PV отпадъците, като изисква от производителите да осигуряват събирането и правилното рециклиране на излезлите от употреба модули. Въпреки това, експерти посочват, че настоящата директива е проектирана основно за електроника и не отчита напълно специфичните особености на фотоволтаичните панели и техните материали.

Неправителствената организация PV CYCLE, която е специализирана в управлението на PV отпадъци, предлага разработването на специализиран законодателен акт, насочен единствено към оборудването за възобновяема енергия. В своя годишен доклад за 2023 г. организацията подчертава, че такова законодателство би осигурило по-целенасочени механизми за ефективно рециклиране, като се вземат предвид новите технологии и увеличаващият се обем на соларните панели, достигащи края на своя експлоатационен период.

Положителен пример в тази насока са пилотните програми в Германия, Франция и Италия, които тестват нови методи за отделяне и рециклиране на ценни компоненти от соларни модули. Тези инициативи предлагат устойчиви решения, които могат да бъдат приети на по-широко ниво, ако получат по-ясна регулаторна подкрепа. Създаването на специална директива за PV отпадъци не само ще ускори този процес, но и ще гарантира, че старите модули ще бъдат обработвани по най-добрия възможен начин, а ценните ресурси ще се върнат обратно в производствения цикъл.

Опитът на Европейските страни в управление на PV отпадъци

Европейските страни са сред пионерите в разработването на политики и технологии за управление на отпадъците от фотоволтаични панели. Водещи примери показват различни подходи и инициативи, целящи да сведат до минимум екологичното въздействие и да улеснят повторната употреба и рециклирането на тези панели. Германия, като лидер в индустрията, разполага с добре развита инфраструктура за рециклиране, включваща специализирани предприятия и изследователски центрове, които работят върху усъвършенствани методи за извличане на силиций и рециклиране на соларно стъкло. Страната активно финансира проекти за оптимизиране на процесите и повишаване на ефективността на рециклирането.

Във Франция рециклирането на соларно стъкло е силно застъпено, като част от материалите се насочват към строителната индустрия. В същото време се изследват нови технологии за увеличаване на чистотата на извлечения силиций, за да може той да бъде използван отново в производството на панели. Страната също така насърчава повторната употреба на „пенсионирани“ модули в социални проекти, което позволява на стари панели да намерят нов живот в училища, болници и социално слаби общности.

Италия е пример за успешна интеграция на повторната употреба в национални социални програми. Проектът „Социална акция за слънчево обновяване“ е насочен към повторното инсталиране на хиляди соларни панели, изхвърлени от обновени соларни паркове. Тези модули, които все още са в добро състояние, се пренасочват към уязвими общности и институции както в Италия, така и в Африка, като по този начин се осигурява достъп до възобновяема енергия на места, където тя е недостъпна.

Нидерландия също работи активно в тази посока, съсредоточавайки усилията си върху създаването на устойчиви бизнес модели за повторна употреба и рециклиране. Страната подкрепя иновации в сферата на механичното и химическото рециклиране, както и създаването на мрежи от сертифицирани предприятия, които да оценяват състоянието на излезлите от употреба панели и да преценяват дали те могат да се използват повторно или трябва да бъдат преработени.

Тези примери подчертават значението на международното сътрудничество и непрекъснатите изследвания в сектора на фотоволтаиката. Докато количеството на PV отпадъците продължава да расте, опитът на европейските страни може да служи като пътеводител за въвеждането на устойчиви решения в глобален мащаб.

Технологии за рециклиране

Рециклирането на фотоволтаични панели е ключов елемент от устойчивото управление на ресурсите, особено с оглед на нарастващия обем PV отпадъци в Европа и по света. Съществуват различни технологии, които позволяват извличането на ценни материали като алуминий, стъкло, силиций, сребро и мед от излезлите от употреба модули. Сред основните подходи са механичното, термичното и химическото рециклиране, всяко от които предлага различни предимства и се намира на различен етап на развитие.

Механичното рециклиране е най-разпространеният метод и включва раздробяване на панелите и отделяне на лесно извлекаеми материали като алуминий и мед. Соларното стъкло, което представлява около 70% от теглото на един панел, също се отделя механично и може да се използва повторно в строителната индустрия. Този метод е бърз и относително икономичен, но има ограничена ефективност при извличането на високочист силиций и редки метали.

Термичните технологии предлагат по-дълбока обработка, при която слоевете на панела се разделят чрез контролирано нагряване. Органичните материали, като EVA (етилен-винил ацетат), се изпаряват, а ценните метали остават за последваща обработка. Термичните методи са ефективни за извличане на сребро и силиций, но изискват високи енергийни разходи и прецизен контрол на температурата, за да се избегне деградация на материалите.

Химическите технологии са сред най-иновативните подходи и използват разтворители за извличане на метали с висока чистота, като сребро и силиций. Този метод дава обещаващи резултати, особено за рециклиране на силиций, който може да бъде върнат в производствения цикъл за нови панели. Изследванията в тази област се развиват бързо, като пилотни проекти в Германия и Франция демонстрират потенциала на химическите методи за постигане на висока ефективност с минимално въздействие върху околната среда.

Комбинираните технологии също набират популярност, като съчетават механична и химическа обработка, за да се постигне по-висока степен на рециклиране. Пилотни програми показват, че подобен подход може да осигури до 95% възстановяване на материалите от един панел, включително извличане на стъкло с достатъчна прозрачност за повторно използване в нови соларни модули.

Независимо от използвания метод, рециклирането на фотоволтаични панели продължава да се усъвършенства, водено от нуждата от по-устойчиво използване на природните ресурси. Бъдещето на тази индустрия зависи от сътрудничеството между производителите, научните среди и правителствата, които да подкрепят разработването на нови технологии и стандарти за тяхното внедряване в голям мащаб.

Биоразградими материали

В търсене на по-устойчиви решения за бъдещето на фотоволтаичната индустрия все повече изследователи се обръщат към разработването на биоразградими материали. Целта на тези иновации е създаването на соларни панели, които могат да се разградят по естествен път след края на жизнения си цикъл, като по този начин намалят количеството на PV отпадъците и опростят тяхното третиране.

Една от най-обещаващите технологии в тази област са органичните фотоволтаици (OPV), които използват органични молекули или полимери за абсорбиране на светлината и преобразуването ѝ в електричество. Тези органични клетки са изключително леки и гъвкави, което ги прави подходящи за иновативни приложения като преносими соларни устройства и интеграция в текстил или сградни фасади. Процесът на производство на OPV е значително по-икономичен, тъй като се базира на техники за печат, сходни с тези в индустрията за опаковки.

Друг интересен подход е използването на естествени багрила, извлечени от растения, които служат като фоточувствителни елементи в слънчевите клетки. Тези клетки, известни като клетки с багрилен сенсибилизатор, са не само биоразградими, но и лесни за производство, което може да ги направи достъпно решение за региони с ограничени ресурси.

Освен активните слоеве, изследователите разработват и биоразградими полимери за субстрати и капсулиращи материали, които да осигуряват структурна стабилност и защита на соларната клетка от външни влияния като влага и механични повреди. Тези полимери са проектирани да се разграждат напълно в природата, оставяйки минимален отпечатък върху околната среда.

Въпреки че перспективите за биоразградими фотоволтаични клетки са вълнуващи, този вид технологии все още се намират в експериментален стадий. Масовото им приложение е свързано с преодоляването на редица технически предизвикателства, като например ниската ефективност и краткия експлоатационен живот в сравнение с конвенционалните силициеви панели. Подобна тенденция се наблюдава и в електронната индустрия – въпреки усилията за разработване на биоразградими електронни компоненти, те все още не са достигнали мащабно комерсиално приложение. Независимо от това, напредъкът в тази област е важен за постигането на по-устойчиво бъдеще.