Переработка солнечных панелей
Переработка солнечных панелей
Любой, кто работает в энергетической отрасли, хорошо осведомлен о том, какими преимуществами обладает солнечная энергия и какое значении она имеет для всего мира. Во-первых, чистая возобновляемая энергия поддерживает экономику. Во-вторых, сохраняет ресурсы Земли, в особенности те, которые используются для производства тепла и электричества (уголь, древесин). В-третьих, сокращает выбросы парниковых газов.
При этом солнечные панели довольно просты в обслуживании, в отличии от других форм производства энергии.
Что такое солнечными панели и зачем они нужны?
Солнечные панели (также известные как «фотоэлектрические панели») используются для преобразования солнечного света, состоящего из частиц энергии, называемых «фотонами», в электричество. Сейчас они становятся все более важным источником возобновляемой энергии, которые играют важную роль в нынешних реалиях. Солнечные панели представляют собой сложные технологические элементы, которые в конце своей жизни превращаются в большие громоздкие листы электронных отходов.
Солнечная энергия преобразуется в электричество именно при помощи фотоэлектрических панелей. Фотоэлектрические панели состоят из отдельных ячеек, связанных вместе. Сами панели изготавливаются из полупроводниковых материалов (кремний, другие металлы) и покрываются стеклом.
Стоимость фотоэлектрических панелей за последние годы резко снизилась, а их эффективность выросла. Эти привело к быстрому росту солнечной энергетики во всем мире. 
Почему это важно?
По причине того, что солнечные батареи очень надежные и долговечные, объем вышедших из строя панелей очень невелик. Исключения составляют только очень ранние поколения фотоэлектрических панелей и панелей, которые сломались во время установки или были повреждены из-за погодных условий. Из-за этого сфера их утилизации и переработки недостаточно развита.
Солнечные батареи служат в среднем 25-30 лет. Можно сказать, что используемые сейчас установки будут использоваться до середины этого столетия.
Однако, ее необходимо развивать, поскольку востребованность солнечной энергетики и производство фотоэлектрических элементов продолжает расти. И хотя потребность в их переработке не появится в ближайшие лет 10, необходимо создавать фундамент прямо сейчас, чтобы удовлетворить будущие потребности человечества.
Переработка солнечных панелей на основе кремния
Процесс переработки фотоэлектрических панелей на основе кремния начинается с разборки продукта для разделения алюминиевых и стеклянных частей. Практически все (95%) стекло можно использовать повторно, в то время как все внешние металлические части используются для формовки каркасов ячеек. Остальные материалы обрабатываются в установке термической обработки при температуре 500°C, чтобы облегчить связывание между элементами ячеек. Из-за очень высокой температуры герметизирующий пластик испаряется, оставляя кремниевые элементы готовыми для дальнейшей обработки.
После термической обработки фурнитура отделяется — 80% полученного материала можно использовать повторно. Оставшиеся частицы кремния вытравливаются кислотой. Сломанные пластины выплавляются для изготовления новых кремниевых модулей. В результате чего степень вторичного использования кремниевого материала составляет 85%.
Преимущества утилизации/переработки солнечных батарей
Преимущества утилизации/переработки солнечных батарейТеперь, когда мы знаем, что солнечные панели можно переработать, вопрос в том, какие еще выгоды они приносят экономике — если таковые имеются. Очевидно, потребуется создать надлежащую инфраструктуру для переработки солнечных панелей, чтобы управлять большими объемами фотоэлектрических модулей, которые будут утилизированы в ближайшем будущем. Как только это будет сделано, мы станем свидетелями нескольких положительных факторов и новых возможностей в экономике.
Во-первых, утилизация фотоэлектрических элементов создаст новые рабочие места. Во-вторых, использование вторичных переработанных материалов, позволит сохранять ресурсы Земли. В-третьих, появится возможность производить около 630 ГВт энергии только за счет повторного использования ранее переработанных материалов.
Источник
Утилизация солнечных модулей (панелей). Проблемы, регулирование, практика.
Сегодня отходы солнечных электростанций не являются значимой мировой проблемой, поскольку их объёмы малы – доли процента электронного мусора (e-waste), образующегося на планете каждый год.
Сначала немного терминологии. Часто солнечные модули или панели называют у нас «солнечными батареями». Данный термин может вводить в заблуждение, поскольку «батарея» — слишком широкое понятие. Существуют, например, солнечные коллекторы, назначение которых — нагрев теплоносителя. Понятие «солнечная батарея» отлично подходит к солнечному коллектору. Но это устройство ничего общего с солнечными фотоэлектрическими модулями не имеет, за исключением источника энергии — солнца.
Использованные, отработавшие своё солнечные модули традиционно относятся регуляторами к категории электронного мусора (e-waste). Годовой мировой объём электронного мусора в 2015 составил 43,8 миллиона метрических тонн (оценка). Прогнозируется, что в 2018 году он вырастет до 50 млн тонн. Фотоэлектрические панели сегодня — это всего лишь доли процента мирового объема электронных отходов.
Да, солнечная энергетика — молодая отрасль и пока не успела сильно намусорить. В то же время мы знаем, насколько быстро она развивается. За один только 2017 год в мире было введено в эксплуатацию порядка 100 ГВт солнечных электростанций. Глобальная установленная мощность растёт экспоненциально.
Поэтому через 10-15 лет проблема утилизации солнечных панелей встанет в полный рост.
В связи с тем, что цены на компоненты солнечных электростанций постоянно снижаются, расходы на демонтаж объектов могут оказывать всё большее влияние на экономику проектов, просто по той причине, что их доля в расходах жизненного цикла будет повышаться. Поэтому эффективный подход к утилизации солнечных панелей важен и с этой точки зрения.
В 2016 году была опубликована совместная работа IRENA (Международного агентства возобновляемой энергетики) и МЭА (Международного энергетического агентства) «End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels», в которой подробно описываются технологии и стратегии утилизации фотоэлектрических модулей. Данный достаточно объёмный (100 страниц) доклад может рассматриваться в качестве руководства по нашей сегодняшней теме.
В работе показано, что к 2030 году в мире образуется 1,7-8 млн тонн отходов фотовольтаки (накопленным итогом) в зависимости от рассмотренных сценариев (regular loss – использование модулей в течение 30-летнего срока службы, early loss – раннее окончание рока службы по разным причинам, например, замена морально устаревшего оборудования на более современное). Такое количество «солнечного мусора» соответствует 3-16% сегодняшнего годового объема электронных отходов. К 2050 объемы (накопленным итогом) солнечных панелей, отслуживших свой срок, вырастут значительно – до 60-78 млн тонн.
IRENA считает, что годовой объем отходов отработанных солнечных панелей в 2050 году (5 млн тонн) будет соответствовать примерно 10% всего электронного мусора, образованного на земле в 2014 году. То есть прогнозируемый объем «солнечных отходов» значителен, но он всё-таки будет составлять лишь незначительную процентную долю всех электронных отходов (e-waste).
К слову, в работе прогнозируется, что глобальная установленная мощность солнечной энергетики достигнет к 2050 году 4500 ГВт (против 400 ГВт сегодня).
Регулирование
В большинстве стран солнечные панели классифицируются как общие или промышленные отходы, управление ими осуществляется в соответствии с обычными требованиями, касающимися обработки и утилизации отходов. Помимо такого универсального регулирования разрабатываются добровольные и нормативные подходы для специального управления «солнечным мусором».
Европейский союз (ЕС) первым ввёл правила утилизации отходов солнечных электростанций – модули должны утилизироваться в соответствии с Директивой об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) (2012/19/EU). С 2012 года положения Директивы WEEE были включены в национальное законодательство странами-членами ЕС, создав первый рынок, на котором переработка солнечных модулей обязательна.
В Соединенных Штатах утилизация панелей регулируется Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (Resource Conservation and Recovery Act), который является правовой основой для управления опасными и неопасными отходами. В 2016 году Ассоциация солнечной энергетики США (SEIA) в партнёрстве с производителями солнечных модулей и монтажными организациями запустила национальную программу добровольной утилизации панелей, которая направлена на то, чтобы сделать эффективные решения по переработке более доступными для потребителей.
В Японии отработанные солнечные панели подпадают под общие регламенты по управлению отходами (Waste Management and Public Cleansing Act). В 2015 году была разработана дорожная карта для продвижения схемы сбора, переработки и надлежащего обращения с оборудованием возобновляемой энергетики с истекшим сроком эксплуатации.
В 2017 году японская Ассоциация солнечной энергетики (Japan Photovoltaic Energy Association — JPEA) опубликовала руководство по надлежащему обращению с солнечными модулями по окончании срока их службы (документ имеет рекомендательный характер). Дополнительно, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (NEDO) разрабатывает технологию переработки.
В Китае пока нет специальных правил по утилизации солнечных модулей. В рамках Национальной научно-технической программы в течение 12-ой пятилетки финансировались исследования и разработки в области обращения с «солнечными отходами».
В Индии отходы фотоэлектрической энергетики управляются Министерством окружающей среды, лесов и изменения климата в соответствии с Правилами обращения с твердыми отходами 2016 года и Правилами опасными и другими отходам (управление и трансграничное перемещение).
На международном уровне новый стандарт лидерства в области экологической устойчивости для фотоэлектрических модулей (NSF 457 — Sustainability Leadership of Photovoltaic Modules) включает в себя критерии управления этими изделиями по окончании срока их эксплуатации.
Политика производителей солнечных модулей
Сегодня многие производители уже предлагают услуги по утилизации выпущенных ими солнечных модулей и создают специализированные предприятия по их переработке. Здесь действует принцип «расширенной ответственности производителя» (extended-producer-responsibility), которая выходит за рамки стадий продажи и эксплуатации, и охватывает также стадию обращения с продуктом после завершения его срока службы.
Например, американская First Solar еще в 2005 году создала глобальную программу по сбору и переработке своих солнечных модулей (тонкопленочные панели CdTe). Технология позволяет обеспечить повторное использование 90% полупроводниковых материалов и стекла. С 2018 перерабатывающие предприятия компании работают с нулевым стоком жидких отходов.
Такая политика производителей обусловлена не только постоянным ужесточением требований регуляторов или «повышенной социальной ответственностью». Переработка солнечных модулей не лишена экономического смысла (см. далее).
Технологии переработки и извлечение материалов
Как известно, в иерархии обращения с отходами на первом месте стоит предотвращение образования отходов. В солнечной энергетике данная задача решается посредством постоянного снижения удельной материалоемкости изделий.
В последние годы в Европе, Китае, Японии, США и Корее активно спонсировались проекты НИОКР, касающиеся технологий переработки солнечных модулей, и в тех же регионах была зарегистрирована значительная патентная активность как в области технологии переработки кристаллического кремния (c-Si), так и для тонкопленочных фотоэлектрических модулей.
Можно разделить «грубую» переработку (извлечение стекла, алюминия, меди — материалов, которые составляют основную массу модуля) и тонкую переработку (high-value recycling), подразумевающую извлечение практически всех химических элементов, используемых в фотоэлектрической панели.
В связи с тем, что сегодня объемы «солнечных отходов» невелики, модули в основном перерабатываются на заводах, предназначенных для переработки многослойного стекла, металлов или электронных отходов. В результате выделяются только основные (по массе) материалы — стекло, алюминий и медь, в то время как солнечные ячейки и другие материалы, такие как пластмассы, сжигаются (или отправляются на полигоны).
То есть грубая переработка аналогична существующей технологии повторного использования ламинированного стекла в других отраслях промышленности и не обеспечивает восстановление экологически опасных (например, Pb, Cd, Se) или ценных (например, Ag, In, Te, Si) материалов.
Тонкая переработка состоит из трех основных этапов: 1) предварительная обработка, включающая удаление металлической рамы и распределительной коробки, 2) деламинация и удаление ламинирующей плёнки и 3) извлечение стекла и металлов.
Солнечные модули состоят из стекла, алюминия, меди и полупроводниковых материалов, которые могут быть извлечены и использованы повторно. Обычные панели из кристаллического кремния состоят (по массе) из 76% стекла, 10% полимерных материалов, 8% алюминия, 5% кремниевых полупроводников, 1% меди, менее 0,1% серебра и других металлов, включая олово и свинец. В тонкопленочных модуляx доля стекла гораздо выше — 89% (CIGS) и 97% (CdTe).
Как уже отмечалось, сегодня объемы отходов солнечной энергетики невелики, поскольку отрасль молодая, а гарантийный срок службы модулей обычно составляет 25 лет и больше. В то же время в не таком уж далеком будущем нас ждет экспоненциальный рост этих объемов. К 2030 году они увеличатся в 40 раз, и это в рамках консервативного («regular loss») сценария.
В данном случает стоимость извлеченных материалов будет составлять примерно 450 млн долларов США. К 2050 году рынок вырастет до 15 млрд долларов в год, а из накопленного объема отходов можно будет произвести 2 млрд солнечных модулей (эквивалентно 630 ГВт)!
Сегодня в Европе извлекается для повторного использования 65-70% (по массе) материалов, из которых состоят солнечные модули, что соответствует Директиве ЕС WEEE. CENELEC, Европейский комитет по стандартизации электротехники, разработал дополнительный стандарт для сбора и переработки панелей (EN50625-2-4 и TS50625-3-5).
В стандарте указаны различные административные, организационные и технические требования, направленные на предотвращение загрязнения и ненадлежащего обращения, минимизацию выбросов, содействие увеличению доли восстановленных материалов и операций по глубокой переработке. Он также препятствует отгрузке модулей-отходов на объекты, которые не соответствуют стандартным требованиям охраны окружающей среды и здоровья.
Стандарт включает в себя конкретные требования к очистке отходов, в соответствии с которыми содержание опасных веществ в фракциях выпускаемого после переработки стекла не должно превышать следующих предельных значений:
- кадмий: 1 мг/кг (сухое вещество) (кремниевые модули); 10 мг/кг (сухое вещество) (не кремниевые модули);
- селен: 1 мг/кг (сухое вещество) (кремниевые модули); 10 мг/кг (сухое вещество) (не кремниевые модули);
- свинец: 100 мг/кг (сухое вещество).
Демонтаж электростанций и утилизация модулей – экономика
Вопрос рентабельности переработки солнечных моделей не имеет однозначного ответа. Считается, что при больших объемах отходов (минимум 20 000 тонн в год) можно достигнуть безубыточности процессов переработки в рамках соответствующих предприятий.
Вопрос экономики утилизации модулей часто рассматривается в контексте ликвидации более крупных объектов.
Проектная и разрешительная документация на строительство крупных солнечных электростанций как правило включает требования по демонтажу объектов после окончания срока их службы и восстановлению земельных участков до первоначального состояния.
Для того чтобы чистые затраты на вывод из эксплуатации были отрицательными (окупались), стоимость извлеченных материалов и/или стоимость освободившейся земли должны превышать затраты на вывод из эксплуатации. С одной стороны, полный демонтаж фотоэлектрической солнечной электростанции – достаточно простая операция, поскольку здесь нет капитальных строений с серьезными фундаментами. С другой стороны, на таких объектах используется большое количество стали, меди и алюминия, и ценность этих материалов вполне может превышать расходы на вывод эксплуатации.
Действительно, недавний экономический анализ показывает, что стоимость лома фотоэлектрической электростанции (в основном сталь и медь) превышает затраты на вывод из эксплуатации, что делает переработку предпочтительнее захоронения отходов.
В сценариях глубокой переработки чистый доход в результате работ по выводу объекта из эксплуатации может составлять US$0,01-0,02/Ватт (без учета стоимости земли).
Таким образом, при надлежащей организации переработка отходов солнечных электростанций может быть выгодной даже без дополнительных мер стимулирования/регулирования.
Вывод
Сегодня отходы солнечных электростанций не являются значимой мировой проблемой, поскольку их объёмы малы – доли процента электронного мусора (e-waste), образующегося на планете каждый год. При этом, в соответствии с поговоркой «готов сани летом..», задача эффективной переработки солнечных модулей по окончании срока их использования уже основательно проработана.
опубликовано econet.ru Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник