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.
Спасет ли нас чистая энергия или насколько экологичны солнечные панели?
Солнечные панели для многих стали символом перехода к новому миру, где все более доброе, светлое и чистое. Миру, где мы не переделываем планету под себя, запуская массу процессов убивающих ее. Миру, где мы все лучше понимаем окружающий мир, принимаем окружающие нас явления и учимся использовать естественные процессы во благо.
Почему же раньше человечество не проявляло подобных инициатив? Ведь потоки ветра, течения воды и солнечный свет были в избытке во все времена. Но вместо того, чтобы использовать практически бесконечный ядерный реактор, мы просто позволили ему дальше греть крыши наших домов и принялись за создание его смешных по долгосрочности, безопасности и, в конце концов, мощности копий?
Для этого было много причин, начиная от политических и экономических, в которые мы не будем вдаваться сегодня, и заканчивая технологическими, о которых мы как раз и поговорим. Ведь если вы думаете, что солнечные панели уже давно существуют на таком технологическом уровне, который позволяет переключить генерацию электроэнергии на них при этом еще и считать ее абсолютно чистой, то вы сильно заблуждаетесь. Посмотрим же подробнее на то, какие проблемы есть у солнечных панелей даже в контексте сегодняшнего технологического развития.
А если вам лень читать подробности, то в телеграм канале Mad Devs есть отличный пост на эту же тему. Также вы сможете там найти множество интересных и полезных постов, начиная от освещения актуальных технологических трендов нашими экспертами и заканчивая нашими подборками отличных приложений, сервисов, книг и фильмов на самые разные темы. Присоединяетесь, вам понравится.
Добыча и транспортировка ресурсов для солнечных панелей и аккумуляторов
Итак, начнем с одного из самых грязных аспектов, как в экологическом, так и социальном отношении.
Добыча материалов для изготовления солнечных панелей может происходить несколькими способами. Один из них самый грубый, классическая добыча полезных ископаемых из недр планеты с использованием тяжелой техники и так далее. Очевидно, что огромное количество флоры и фауны, которые процветали на месте нынешнего карьера это невосполнимая потеря как в локальном, так и глобальном смысле. А количество сжигаемого топлива и взрывчатых веществ необходимых для постоянной работы такого карьера и подавно.
Также, не стоит забывать о том, что добывающий карьер это не стерильная лаборатория и результаты добычи часто могут попадать в грунтовые воды, поражать воздух и так далее. Большинство месторождений находится в ЮАР, где многие местные жители работают за копейки, и прямо на собственных глазах видят как их земля превращается в токсичную пустыню.
Например, в Чили литий добывают две компании, чилийская SQM и американская Albemarle. В общей сложности они перекачивают около 2000 литров соляного раствора в секунду, что составляет 63 млрд литров в год. Оставшийся раствор очищают с помощью химического процесса и отправляют полученное вещество производителям аккумуляторов.
Вы можете спросить, в чем проблема, если никто не вырубает леса и не копает землю? Но по данным чилийских властей, за период с 2000 по 2015 годы в Атакаме было выбрано на 21% больше воды, чем поступило в этот регион естественным путем — в виде дождевых или талых вод. Коренное население особенно страдает от этого, ведь им все больше снижают лимит воды для содержания своих ферм.
Кстати, касательно литиевой ионных батарей Шведский институт исследований в области окружающей среды провел прекрасное комплексное исследование с которым вы можете ознакомиться здесь.
В действительности способов добывать необходимые материалы еще несколько, но каждый из них несет экологический ущерб ведь масштаб добычи огромен, о чем люди редко задумываются. Также, технологии несовершенны и требуют добычи ряда токсичных элементов, необходимых для дальнейшего производства. Перейдем же к этому этапу.
Производство солнечных панелей
Сами солнечные панели существуют в трех поколениях в зависимости от состава и формы фотоэлектрических преобразователей.
Первое поколение является устоявшейся технологией и имеет самый широкий охват на современном рынке. В их основе лежит моно и поликристаллический кремний и здесь то и кроется проблема. Для изготовления такого кремния используется трихлорсилан, который является крайне ядовитым и взрывоопасным веществом. Далее полученный кремний раскатывается в пластины и подвергается дополнительным модификациям, где участвуют свинец, мышьяк, хром и ртуть.
Также еще одним недостатком солнечный панелей первого поколения является то, что они долго окупаются. Достаточно взглянуть на средние цифры. Приблизительно 600 кВт*ч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 кв. м. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВт*ч на кв. м электроэнергии в год. Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.
Второе поколение, также именуемое тонкоплёночным, имеет ряд принципиальных отличий, показывая куда более высокую эффективность. Если первое поколение окупается в течение нескольких лет, то второе в течение нескольких месяцев. Однако оно не решает всех ранее названых проблем и перспективы его развития не очевидны по причине высокой стоимости, которая позволительна для коммерческих организаций, но не для обычного пользователя.
Третье поколение основано на различных комбинациях органических и неорганических материалов, которые не используют в своей основе редких, дорогих и ядовитых химических элементов. Также они уже сейчас показывают еще большую эффективность, чем первые поколения и очень динамически развиваются, демонстрируя наилучшие перспективы. Однако это поколение солнечных панелей еще совсем неустоявшееся в отличие от предыдущих, и еще требует больших усилий в этом отношении.
Проблема все еще остается. Более дешевые и экологичные решения еще не созрели окончательно, поэтому их сложно даже сравнивать с желаемой долей конкретики. Спрос на солнечные панели продолжает расти, а значит производство их первых поколений и соответствующие производственные линии укрепляют свои позиции.
Утилизация солнечных панелей
Естественно, солнечные панели создаются не раз и навсегда и тоже имеют свой срок службы. В зависимости от качества и особенностей технологии он может достигать от 2 до 15 лет. Да, вы все правильно поняли. Некоторые панели могут даже не успевать компенсировать затраченную на их производство энергию о которой было написано ранее.
В любом случае даже для самой продвинутой солнечной панели приходит время утилизации. И здесь первейшая проблема в законодательстве. В ЕС закон обязывает производителей солнечных панелей позаботиться об их утилизации, в Японии и Австралии подобные законопроекты активно разрабатываются, а вот в США такой закон есть только у Штата Вашингтон. Естественно, не каждый производитель проявляет инициативу по утилизации, ведь это не приносит особой прибыли, а расходы у этого достаточно велики.
Однако даже в случае утилизации, далеко не все части солнечной панели утилизируют должным образом. Прежде всего заботятся об извлечении алюминия и меди, а кремниевые пластины, на которые собственно и были затрачены основные средства и где больше всего использовались токсичные вещества, перемалываются вместе с защитными полимерами и стеклами.
Есть виды утилизации, где кремниевые пластины отделяются и потом заново используются, что намного предпочтительнее. Максимального результата в этом отношении хотят добиться исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, что они отлично отразили в своем докладе, с которым вы можете ознакомиться здесь.
Однако основная проблема в том, что общее количество переработки солнечных панелей любым способом близко к 10 процентам от их производства. К 2050 году Международное агентство по возобновляемым источникам энергии прогнозирует, что до 78 миллионов метрических тонн солнечных панелей достигнет конца своего срока службы, и что в мире будет ежегодно производиться около 6 миллионов метрических тонн новых солнечных электронных отходов.
Солнечные панели против атомной энергетики
Что же, оказывается атомная энергетика это не самый грязный вид получения электроэнергии? По крайней мере не единственный. Более того, при должном совершенствовании, жесточайшем контроле работы и утилизации, атомная энергетика может показать значительно лучшие результаты относительно автономности, эффективности и экологичности.
Ведь опасность атомных станций можно сильно снизить, а эффективность значительно повысить за счет использования других активных элементов нежели урана, например плутония. Конечно, назвать это полностью безопасной и чистой ядерной энергетикой пока нельзя, но основанные на этом реакторы размножители дарят принципиально новые перспективы.
Также, ученые не оставляют мечты об овладении холодным ядерным синтезом, который принципиально поменяет отношение к атомной энергетике и полностью исключит множество страхов относительно нее. Однако это точно заслуживает отдельно статьи, которая будет намного интереснее, чем вы только можете себе представить.
Вывод
Пожалуй, самое неоднозначное заключение из возможных. Это сродни тому, если перейти от книг для детей к книгам для взрослых. Нет героя с мечом из чистого света и злодея, только и желающего окутать весь мир во мрак. Каждый вид энергетики имеет неоднозначное начало, спорные реализации и совершенно разные, параллельно существующие перспективы.
Лучшее, что можно сделать это оценивать каждый из них наиболее комплексно, не переставать развивать улучшая по всем показателям и внимательно следить за результатами их развития. Вместо того чтобы просто продолжать производить пусть работающие, но не лучшие из возможных решений.
Проблемы утилизации отработанного оборудования зелёной энергетики
Группа М.Видео-Эльдорадо внимательно относится к теме устойчивого развития (ESG). О том, как утилизируют электронику можно прочесть в нашем недавнем посте для Хабра. Тем любопытнее было изучить вопрос дальнейшей утилизации оборудования зелёной энергетики за рубежом.
Сделаем мир чище
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) воспринимаются как эффективное средство от мировых проблем, связанных с изменением климата. Создание массивной инфраструктуры для солнечной и ветровой энергии и внедрение электромобилей позволит человечеству развиваться без необходимости сжигать ископаемое топливо, которое загрязняет окружающую среду. Хоть эти технологии существуют уже несколько десятилетий, нет никакого разработанного плана по использованию и утилизации, чтобы эти технологии сами не портили экологию.
Эксперты прогнозируют, что сотни тысяч тонн старых лопастей ветряных турбин, батарей электромобилей и солнечных модулей необходимо будет утилизировать или переработать в следующем десятилетии, а к 2050 году уже миллионы тонн.
Не надо быть футуристом, чтобы представить ландшафт с рядами вращающихся ветрогенераторов, полями сверкающих солнечных панелей и плавно работающими бесшумными электромобилями. Действительно, это утопическое видение вполне достижимо.
Но если материалы, из которых сделаны эти технологии, не будут возобновляемыми, чистая энергия будущего будет омрачено кладбищами старых лопастей турбин, ветхих солнечных панелей и разъедающих почву батарей. На данный момент предложено множество инициатив по переработке этого нового типа отходов. Но в большинстве случаев такие решения, в лучшем случае, находятся в стадии разработки.
Потенциальное количество отходов зелёной энергетики огромно. По оценке Bloomberg New Energy Finance, к 2025 году отработанные аккумуляторы, извлечённые из электромобилей, будут весить 600 000 тонн. По прогнозам Международного агентства по возобновляемой энергии (International Renewable Energy Agency, IRENA), к тому времени будет накоплено столько же старых солнечных панелей. IRENA ожидает, что к 2050 году количество отработанных солнечных панелей достигнет 78 миллионов тонн. В Европе в ближайшие два десятилетия может накопится до 300 000 тонн в год выведенных из эксплуатации лопастей ветряных турбин, сообщает торговая ассоциация WindEurope.
Из-за растущего спроса на ВИЭ производители уже сталкиваются с резкими скачками затрат и ограничениями в поставках такого сырья, как кобальт и литий. Более того, для создания композитных частей турбин, фотогальванического кремния высокой степени чистоты и катодов аккумуляторных батарей с высокой структурой, требуется немало человеческих усилий и изобретательности. Эти искусно изготовленные материалы заслуживают большего, чем билет в один конец в мусорную свалку.
Однако извлечение материалов из выброшенных устройств пока по-прежнему нецелесообразно. Это слишком затратно, а результат себя не оправдывает. Детали устройств изготовлены путём смешивания ценных материалов с менее ценными, чтобы не разрушались даже при экстремальных нагрузках или условиях окружающей среды.
Производители и переработчики отходов работают над способами эффективной утилизация отходов ВИЭ. Но пока что ещё недостаточное количество этих устройств дожило до конца срока службы, чтобы окупить инвестиции в предприятия по переработке. Пока неясно, сформируется ли прибыльная отрасль вовремя, до того как “чистая энергия” успеет увеличит постоянно растущую кучу отходов на планете.
Ветер
Длина одной лопасти современной ветряной турбины достигает 90 метров, и продолжает становиться всё длиннее. Действительно, компании хвастаются размером своих лопастей турбин, потому что больший радиус действия обычно означает большую мощность на одну башню.
В то время как другие компоненты ветрогенератора, включая башню, редуктор и генератор, легко утилизируются, именно лопасти представляют собой проблему. Они изготавливаются из композитного материала из стекловолокна и эпоксидной или другой термореактивной смолы. Сшитые полимеры нельзя плавить и перерабатывать, в отличие от термопластов, таких как полипропилен.
Например, лопасть ветрогенератора LM Wind Power весит 15 тонн. Некоторые производители делают более легкие лопасти, добавляя углеродное волокно. В будущем более “модные” волокна, такие как углеродные нанотрубки и высококачественная синтетика, могут обеспечить легкость и высокую прочность.
В США и Европе ветряные операторы установили первые турбины промышленного размера в конце 1990-х годов. Машины рассчитаны на срок службы 25 лет, но некоторые лопасти преждевременно снимаются, чтобы заменить их более эффективными версиями, или потому, что они износились или были поражены молнией.
Даже лопасти ветряных электростанций раннего поколения весят до 8 тонн каждая. Неудивительно, что выведенная из эксплуатации лопасть турбины — дорогостоящая неприятность. Для операторов ветроэнергетических проектов транспортировка даже одной лопасти — логистический кошмар.
Компания Global Fiberglass Solutions построила центр переработки отходов в Суитуотере (Техас), который называет себя мировой столицей ветроэнергетики: там обученные рабочие разрезают лопасти ветряной электростанции и складывают детали в грузовик для транспортировки на централизованный объект. Далее куски разбиваются на всё более мелкие кусочки с помощью различных машин.
Затем полученный материал можно комбинировать с клеями и прессовать в высокоэффективные композитные панели, подобные ДСП или ОСП. Стекловолокно придает панелям огнестойкость и влагостойкость, что делает их идеальными для коммерческих и промышленных зданий.
Другие компании также пытались превратить старые лопасти в стекловолокно или углеродное волокно. В 2002 году датский инженер по ветроэнергетике Эрик Гроув-Нильсен основал фирму по переработке отходов под названием ReFiber. Он разработал технологию пиролиза для превращения стекловолокна из полиэстера или эпоксидной смолы ветряных турбин в волокнистый материал, пригодный для использования в качестве изоляции зданий. Анаэробный процесс сопровождался нагревом частей турбины до 500 ° C в 6-метровой вращающейся газовой печи.
ReFiber планировал привлечь капитал и построить предприятие мощностью 5 000 тонн в год. Но без постоянных поставок старых лопастей компания прекратила свою деятельность в 2007 году. Гроув-Нильсен сейчас работает консультантом в компании Siemens Gamesa Renewable Energy, производящей ветряные электростанции.
Но процессы, в которых используется пиролиз или другие высокотемпературные методы, обычно дают относительно слабые волокна, которые нельзя повторно использовать в дорогостоящих композитах. В конце концов, может получится просто очень дорогой мусор.
Французская химическая компания Arkema заявляет, что может делать термопластические смолы, которые позволят сделать лопасти пригодными для вторичной переработки. Чтобы доказать это в 2017 году компания изготовила лопасть, используя композит из стекловолокна и метакрилатной смолы. В отличие от эпоксидной смолы, эту можно расплавлять и перерабатывать.
Европейские ветряные турбины могут найти вторую жизнь в странах, которые только начинают переходить на ветроэнергетику, что отсрочит решение проблемы с окончанием срока службы. «Хорошим примером является самая первая датская турбина Bonus — теперь Siemens — турбина, снятая после 33 лет успешной эксплуатации», — говорит Гроув-Нильсен. «Эта турбина сейчас работает на юге Италии недалеко от Бари».
В других случаях к утилизации старых лопастей турбин можно использовать творческий подход. Независимый инженер ветряных турбин Бехзад Рахнама написал дипломную работу о переделке морских ветряных турбин в искусственные рифы. По словам Рахнамы, хотя идея не была проверена, она вызвала большой интерес. Он указывает, что все материалы, используемые в лопастях, являются нетоксичными для морских обитателей.
Аккумуляторы
«Каждый год во всем мире образуется около 300 000 тонн отходов литий-ионных аккумуляторов», — говорится в отчете компании Esticast Research & Consulting. Большинство этих батарей поступает от мобильных устройств, но вскоре эти отходы будут вытеснены старыми аккумуляторами от электромобилей.
По словам представителя исследования и разработки аккумуляторов Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (National Renewable Energy Laboratory, NREL), автомобильные аккумуляторы считаются устаревшими, когда их можно зарядить только на 80% своей емкости. По оценке NREL, срок их полезного использования составляет около 15 лет. После этого их можно повторно использовать в стационарных хранилищах или переработать.
Тесты NREL показывают, что использованные автомобильные аккумуляторы хороши для хранения энергии от электросети. Но существует множество разных производителей аккумуляторов, которые отличаются химическим составом, системой управления, а также размером и формой. Пока что нет ни одной единой системы, которая могла бы объединить различные использованные батареи для совместной работы.
Может быть лучше использовать аккумулятор одного типа? Например, Nissan оценивает возможность использования старых аккумуляторов электромобилей Leaf в стационарных системах хранения. Пилотное исследование показало, что это довольно практичный подход.
Имея самый большой в мире парк электромобилей на дорогах, Китай является крупнейшей в мире бомбой замедленного действия, когда речь идет о литий-ионных батареях с истекшим сроком службы. Сейчас это пока ещё не является насущной проблемой, потому что автомобили были введены в эксплуатацию всего лишь за последние 6-7 лет.
Но официальные лица в Пекине видят в растущей куче отработанных аккумуляторов проблему, которую необходимо решать прямо сейчас. В феврале 2018 года китайское правительство издало постановления, требующие от производителей электромобилей построить инфраструктуру для восстановления использованных батарей.
В Европе постановление 2008 года, известное как Директива о батареях, требует от правительств поощрять утилизацию батарей.
Литий-ионные аккумуляторные батареи для электромобилей состоят из десятков и тысяч отдельных цилиндрических или прямоугольных аккумуляторных ячеек в большом пластиковом корпусе, в котором также находятся различные датчики и схемы. Наиболее ценные вещества внутри ячеек — это активные материалы, из которых состоят катод и анод. Большая часть массы ячейки состоит из конструктивных элементов, сделанных из стали, углерода и алюминия.
Активные материалы, представляющие наибольший интерес для переработчиков аккумуляторов, — это переходные металлы, кобальт и никель — содержащиеся в катоде. Различные литий-ионные батареи содержат различные соотношения этих металлов, а также лития и, в некоторых случаях, марганца или железа. Высокие цены на кобальт являются движущей силой для переработчиков, хотя сегодня утилизируется только 16 % кобальта в батареях. Литий и анодные материалы, например, графит, не могут быть утилизированы с экономической точки зрения.
Компания Umicore, базирующаяся в Бельгии, является одновременно крупным производителем материалов для аккумуляторов и крупнейшим в Европе переработчиком литий-ионных аккумуляторов. Компания использует высокотемпературную технологию на своем предприятии недалеко от Антверпена. Там она может перерабатывать до 7 000 тонн всех типов литий-ионных батарей в год, что эквивалентно тому, что находится внутри 35 000 электромобилей. Umicore имеет соглашения с рядом автопроизводителей, включая Nissan, Toyota и Tesla, об утилизации старых литий-ионных аккумуляторов их электромобилей.
В США литий-ионные батареи не считаются опасными отходами и могут быть выброшены вместе с обычными бытовыми отходами. Но некоторые фирмы разработали ноу-хау по утилизации материалов из отходов аккумуляторных батарей.
Одна из них — Retriev Technologies, которая управляет крупными предприятиями в штате Огайо и Британской Колумбии. Компания заявляет, что перерабатывает литиевые батареи всех типов более 20 лет.
Процесс переработки в этой компании состоит так: сначала вручную разбираются большие аккумуляторные батареи от транспортных средств; затем разделённые ячейки подают в дробилку, которая предотвращает выбросы и химические реакции. Дробление ячеек приводит к двум образованиям: металлическим твердым частицам с различным количеством меди, алюминия и кобальта; и жидкости, обогащенную металлами, которые впоследствии очищаются и извлекаются на месте путем сушки.
Но такие металлы, как кобальт, должны быть очень чистыми, чтобы их можно было снова использовать в батареях. Извлечение металлов высокой чистоты из потоков смешанных металлов очень трудоемко и дорого. При использовании таких методов высокотемпературной переработки, получаются металлы, которые не могут конкурировать по стоимости с недавно добытыми ископаемыми металлами.
Кроме того, изготовление новых катодов из переработанных материалов — дорогостоящий процесс. Поэтому должна быть возможность извлекать отработанный катодный материал из литий-ионных батарей и обновлять его для повторного использования, не возвращаясь к исходным компонентам.
Эти и другие проблемы необходимо решить, чтобы построить стабильную систему по утилизации батареи. А ещё переработчики требуют оплату издержек на утилизации аккумуляторов со стороны производителя отходов. Также, производители электромобилей и производители аккумуляторов должны создать региональные сети для приема и утилизации отработанных аккумуляторов.
Солнечные панели
Вопрос, что делать со старыми солнечными батареями, будет в первую очередь решён в Европе. Мало того, что в Европе имеется 70% мировой установленной фотоэлектрической мощности, Европейский Союз также является единственным регионом в мире, где действует нормативная база, известная как Директива WEEE, которая запрещает вывозить на свалку электронные продукты, в том числе и фотоэлектрические панели.
По оценкам ЕС, в настоящее время в регионе производится 30 000 тонн отработанных фотоэлектрических панелей в год, и в следующие два десятилетия этот показатель вырастет до 500 000 тонн в год. PV Cycle, европейская ассоциация индустрии вторичной переработки фотоэлектрических элементов, заявляет, что с 2010 года её члены собрали 20 000 тонн отработанных фотоэлектрических панелей.
Большинство солнечных панелей содержат слой кристаллического кремниевого полупроводника, зажатый между стеклянными листами и прочными полимерными пленками, и все это в раме из алюминия. Поверхность полупроводника залита слоем серебра, используемого в качестве проводящего материала, а также припоем из свинца и олова.
Согласно исследованию Европейской комиссии, проблемы, связанные с неправильной утилизацией отработанных фотоэлектрических панелей, могут включать выщелачивание тяжелых металлов, таких как свинец.
Стремясь избежать таких экологических проблем и максимизировать извлечение материалов, ЕС профинансировал исследования, в том числе проект «Полное восстановление фотоэлектрических систем с окончанием срока службы» (Full Recovery End of Life Photovoltaic, FRELP).
Процесс FRELP восстанавливает кремний и другие металлы путем нагрева панелей в печи. Затем идет стадия растворения кислоты и фильтрация, при котором извлекают кремний. Другие металлы восстанавливаются путем электролиза. Возможно восстановить 93 % материалов из использованных фотоэлектрических панелей. Большая часть оставшегося материала — это пластик, который сжигается в печи для получения дополнительной энергии.
Хотя FRELP является новым европейским стандартом в переработке фотоэлектрических панелей, он не без проблем: на каждые 1000 кг отходов фотоэлектрических панелей теряются 20 кг металлов в виде гидроксидов, включая олово, алюминий, свинец и цинк, которые впоследствии захороняются. Еще 2 кг теряется в виде выбросов закиси азота во время электролиза, а 5 кг превращается в золу на стадии нагрева в печи.
Качество восстановленного кремния недостаточно для повторного использования как фотоэлектрического материала, но он подходит для использования в специальных алюминиевых и стальных сплавах.
А в Америке Учёные из Университета штата Аризона разрабатывают новый процесс, называемый последовательным электровыделением (sequential electrowinning), с помощью которого можно извлекать более чистые металлы из солнечных элементов. Металлы будут стоить 13 долларов за модуль, что достаточно, чтобы заплатить за переработку, по сравнению с 3 долларами в процессе цикла FRELP.
Соединенные между собой солнечные элементы погружаются в нагретый раствор азотной кислоты для растворения серебра, олова, меди и свинца. Выщелоченный раствор охлаждают, в результате чего диоксид олова выпадает в осадок. При приложении разных напряжений другие металлы выходят из раствора и осаждаются на электродах.
Во вторичном процессе пропитывается оставшийся кремний сначала в плавиковой кислоте, а затем в гидроксиде натрия. При этом стравливаются остатки некремниевых материалов, и остается большая часть кремния высокого “солнечного” качества.
Промышленность солнечной энергетики готова к модернизации. Но пройдут десятилетия, прежде чем модули, развёрнутые в существующих крупнейших коммунальных предприятиях, доработают до конца своего срока. Но определить эти сроки сложно: 20, 25 или даже 35 лет?
На данный момент солнечные отходы в основном образуются, когда модули ломаются раньше срока или не соответствуют своим гарантиям, и в этом случае производитель вынужден принимать меры для утилизации или переработки. По истечении срока гарантии ответственность за панели ложится на их владельца. Производители технологий ВИЭ часто не считают себя ответственными за переработку своей продукции.
Отраслевые эксперты и наблюдатели соглашаются, что по мере того, как старые солнечные панели, лопасти ветряных турбин и аккумуляторы электромобилей скапливаются из-за отсутствия оптимальных путей утилизации, то скоро отходы встанут на повестке.
Утилизация солнечных батарей
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.