Переработка солнечных батарей

Солнечная энергетика активно развивается в Европе. В 2015 настал тот момент, когда массово установленные в 90-е годы PV-модули (PV – от англ. PhotoVoltaic, фотоэлектрический. PV-модуль представляет собой панель, на которой объединены несколько десятков солнечных элементов.) подошли к рубежу своего срока службы и стали нуждаться в переработке в промышленном масштабе. Средний срок эксплуатации первых моделей солнечных батарей был рассчитан на 25 лет. Педантичные немцы позаботились об этом вопросе заранее. Разработка технологий recycling для старых солнечных батарей началась еще в начале 2000-х.

Спрос на материалы для PV-систем

Новые масштабные проекты с использованием солнечных батарей развиваются по всему миру. В Германии для обывателей стало привычным наблюдать PV-модули на крышах частных домов и офисов. Это определило и рост спроса на достаточно ценные материалы, используемые при производстве фотоэлектрических элементов, самым распространенным из которых является кремний.

Сильная конкуренция и высокое ценовое давление в растущей отрасли потребовали новых недорогих источников кремния. Отсюда возникло и обращение производителей к концепции recycling (переиспользование материалов). С помощью recycling ценные компоненты могут быть повторно извлечены из старых солнечных батарей, что в свою очередь стало фактором для снижения спроса на первичное сырье.

Начиная с 2002 года, в рамках совместного проекта, финансируемого Федеральным министерством окружающей среды Германии, исследователи из Deutsche Solar AG (крупнейший в Европе производитель кремния) и TU Bergakademie Freiberg (Технический университет в немецком городе Фрайберг) работали над тем, чтобы сделать утилизацию PV-модулей более экологически чистой и экономически эффективной. Сегодня технологии позволяют перерабатывать использованные и сломанные PV-модули, а также отходы производства PV-систем, более чем на 95%.

Подход на основе жизненного цикла

Для того, чтобы процесс утилизации старых PV-модулей был экономически оправдан, его расчет и планирование должны вестись комплексно по всей цепочке формирования стоимости солнечной энергии. В области солнечной энергетики Европейцы построили целую экосистему предприятий, связанных единым экономическим смыслом. С 2007 года они объединены в ассоциацию PV CYCLE, которая сегодня насчитывает несколько десятков компаний из разных стран ЕС. Ассоциация обеспечивает бесплатную для конечного потребителя утилизацию PV-систем, для чего в том же 2007 году PV CYCLE создала сетевую компанию Photovoltaics.

Наряду с экономией энергии и ресурсов важно также, чтобы технологии recycling для фотоэлектрических элементов не сопровождались выбросами в атмосферу ядовитых элементов и соединений. Затраты на защиту экологии, наряду с транспортировкой, сбором и хранением отходов, также ложатся в общий расчет жизненного цикла солнечных батарей.

Экономическая эффективность повторного использования старых PV-модулей определяется тем, на сколько высок коэффициент восстановления (доля выделения чистого сырья из отходов) в соотношении с затрачиваемой на это энергией. Было бы нелогично тратить на переработку больше энергии, чем ее производит сама солнечная батарея. Поэтому, даже если бы технически было возможно выделить 100% сырья из отходов, необходимо соблюдать энергетический баланс и на каких-то этапах переработки выдерживать компромисс, продиктованный экономикой.

Выбор технологий для современного производства PV-систем в Европе ведется исключительно с учетом того, как эти элементы будут впоследствии демонтироваться и перерабатываться.

Из чего состоит лом PV-модулей?

Около 85% PV-отходов составляет кристаллический кремний (c-Si). В объем оставшихся 15% входят высокочувствительные фотоэлементы, произведенные по тонкопленочным технологиям GICS (Ga-галлий, In-индий, Cu-медь, Se-селен), CIS (Cu, In, Se) и CdTe (поликристаллическое соединение токсичного Cd-кадмия и Te-теллура). Доля тонкопленочных элементов в общем объеме отходов со временем растет и к 2020 году составит около 20%.

В будущем PV-модули будут включать и другие материалы, используемые как для подложки, так и для активных элементов. Но на сегодняшний день сроки использования более современных PV-систем еще далеки от завершения. Эксперты прогнозируют, что существенно измениться структура лома PV-модулей может не ранее, чем к 2030 году.

Немцы достигли такого уровня recycling, что процесс переработки намного более экологичен и менее энергозатратен, чем выработка первичного сырья для PV-систем. При этом, для разных типов систем и в зависимости от географии их службы в Европе (где-то солнечнее, где-то темнее), условный «коэффициент доходности», то есть соотношение вырабатываемой солнечным элементом энергии и затрат энергии на его переработку, составляет от 5 до 50.

Следует учитывать, что расходы на процесс recycling для современных тонкопленочных систем выше, чем для систем из кристаллического кремния, поскольку объем содержания в них полезных элементов намного ниже. Тем не менее, «коэффициент доходности» для тонкопленочных модулей в среднем выше, чем для кремниевых.

Процесс переработки кремниевых PV-систем

Первые испытания технологии переработки модулей из кристаллического кремния были проведены в лабораториях немецких компаний еще в самом начале 2000-х. Особенность процесса состоит в том, что он требует применения токсичных вытравливающих растворов, которые опасны для окружающей среды. Современные методы переработки кристаллического кремния, настолько экологичны и безопасны, насколько это возможно.

На первом этапе производится разборка и сортировка деталей рамы из стекла и алюминия. В ходе термической обработки с модулей удаляются пластиковые элементы.

На втором этапе производится вытравливание соединительного слоя кремниевых пластин и обработка самого кремния. Затем полученный кремний переплавляется в слитки и используется для производства новых панелей.

Этот процесс намного энергоэффективнее, чем экстракция кремния из чистого кварца. По такому пути массово уже практически полностью переработаны PV-системы первого поколения, демонтированные в Германии и Бельгии.

Утилизация тонкопленочных модулей

Технологию переработки тонкопленочных CdTe-модулей разработали американцы  конце 90-х годов. Впервые она была использована фотогальванической компанией First Solar. Сегодня данная технология применяется и в Германии.

Здесь все демонтированные элементы солнечных батарей перерабатываются в едином цикле. Сначала старые батареи разбиваются в грубом механическом измельчителе, а затем в специальной молотковой мельнице, образующей фракцию отходов с кусочками не более 5 мм.

Затем в барабане из нержавеющей стали с помощью выщелачивания отделяется полупроводниковый слой. Далее твердые материалы из стекла и пластика сепарируются от жидкости. Полученный в итоге раствор металлов очищают и концентрируют путем осаждения за несколько циклов.

В результате данного процесса восстанавливается до 90% стекла и до 95% полупроводниковых материалов, пригодных для использования в новом производстве, в том числе фотоэлементов для PV-модулей.

Заключение

Производство солнечных батарей из природного кремния требует в три раза больше энергии, чем изготовление аналогичных по емкости батарей из сырья, полученного в результате recycling. Но совершенству нет предела и ввод в широкое применение новых технологий как производства PV-модулей, так и их переработки, происходит в настоящие дни в Германии, США, и других странах. Гонка не прекращается: буквально каждый месяц появляются ноу-хау и бизнес-идеи по повышению эффективности как самих PV-модулей, так и систем аккумулирования электроэнергии. Когда-нибудь и россиянам придется столкнуться с проблемой массовой утилизации старых солнечных батарей.