Zużyty moduł po prostu staje się kolejnym wielkim urządzeniem, które trzeba rozebrać, przewieźć i przetworzyć w sensownym budżecie. Pisałem już o rosnącym problemie odpadów fotowoltaicznych, ale mam wrażenie, że właśnie wchodzimy w znacznie ciekawszy etap tej historii. Nie chodzi już bowiem wyłącznie o odzyskiwanie materiałów. Chodzi o sprawienie, żeby po śmierci panel był wart więcej niż suma jego najprostszych surowców.
Zużyty panel może skończyć z fotowoltaiką
Istniejące procesy recyklingu paneli często nie generują wystarczającej wartości materiałów, aby pokryć koszt ich przetwarzania. Dlatego różnica między “odzyskaliśmy krzem” a “zrobiliśmy z odzyskanego krzemu zaawansowaną ceramikę” jest ogromna. Podobny kierunek widzieliśmy już przy wykorzystaniu odpadów fotowoltaicznych do produkcji wodoru i azotku krzemu. Coraz wyraźniej widać więc zmianę sposobu myślenia na to, żeby zużyty panel przestał być odpadem, z którego desperacko odzyskujemy cokolwiek, a zaczął źródłem surowców dla zupełnie innych gałęzi przemysłu.
Tutaj wchodzą naukowcy z Korea Institute of Energy Research oraz Chungnam National University pokazali coś, czego według nich wcześniej nie udało się zrobić z rzeczywistym, wycofanym z eksploatacji modułem fotowoltaicznym. Odzyskali z niego krzem, oczyścili go, a następnie przekształcili w azotek krzemu Si₃N₄, czyli zaawansowaną ceramikę techniczną wykorzystywaną m.in. w motoryzacji, elektronice, energetyce, przemyśle oraz lotnictwie.
Czytaj też: Ta granica wydajności miała być nie do przekroczenia. Nowy panel słoneczny pokazał, że to nieprawda
Azotek krzemu nie jest kolejnym byle materiałem do produkcji taniej obudowy czy kostki brukowej. Jego wysoka twardość, odporność na zużycie, stabilność w wysokiej temperaturze, niewielka rozszerzalność cieplna i właściwości izolacyjne sprawiają, że stosuje się go chociażby w elementach łożysk pracujących w bardzo trudnych warunkach. EASA zajmuje się już certyfikacją hybrydowych łożysk z elementami tocznymi z Si₃N₄ w układach napędowych wiropłatów, a przemysł wykorzystuje podobne rozwiązania w silnikach, generatorach czy przekładniach.
Nie oznacza to oczywiście, że Koreańczycy wzięli panel z farmy słonecznej i tydzień później zamontowali jego fragment w samolocie. W procesie powstał materiał wyjściowy o jakości odpowiedniej dla ceramiki konstrukcyjnej. Droga od proszku do certyfikowanego komponentu lotniczego nadal jest długa.
Z panelu Suntech do ceramiki technicznej. Proces łatwy nie jest
Badacze zaczęli od starego modułu Suntech STP200-18/Ub z 54 polikrystalicznymi ogniwami typu Al-BSF. Najpierw usunęli skrzynkę przyłączeniową oraz aluminiową ramę, oddzielili szkło od laminatu i rozdrobnili pozostałą strukturę. W tym procesie mocniejsze mielenie wcale nie było lepsze. Przy 800 obr./min cząstki silnie się zbrylały, przez co późniejsze oczyszczanie było mniej skuteczne. Po trawieniu kwasem solnym pozostawało wtedy aż 4290 ppm aluminium. Przy 400 obr./min wartość spadła do zaledwie 189 ppm.
Czytaj też: Wytrzyma huragany i ekstremalne temperatury. Ten nowy panel słoneczny to nie laboratoryjny eksperyment
Następnie materiał przeszedł kolejne etapy oczyszczania. Kwas solny usuwał m.in. aluminium, miedź, cynę oraz ołów, kwas azotowy pozwalał pozbyć się srebra, a stosunkowo prosty proces sedymentacji rozprawiał się z dwutlenkiem tytanu pochodzącym z warstwy tylnej panelu. Zaledwie pięć minut wystarczyło do usunięcia 71,4 procent TiO₂ przy zachowaniu 92,3 procent krzemu. Po dalszym mieleniu do cząstek o wielkości około 1 mikrometra przyszedł czas na azotowanie w atmosferze złożonej w 95 procentach z azotu i 5 procentach z wodoru. Materiał był najpierw utrzymywany przez godzinę w 1350°C, a następnie przez 10 minut w 1450°C.
Efekt tego skomplikowanego procesu? Krzem osiągnął czystość 99,95 procent, a otrzymany azotek krzemu zawierał 93,1 procent pożądanej fazy α-Si₃N₄. Bez dodatkowego oczyszczania udział tej fazy wynosił jedynie 54,7 procent. Co jednak szczególnie ważne, wynik przekracza próg 90 procent wskazywany w badaniu jako poziom wymagany dla zastosowań w ceramice konstrukcyjnej.
Najtrudniejszy etap dopiero przed Koreańczykami
Cały proces jest jednak nadal tylko (i aż) demonstracją laboratoryjną przeprowadzoną na pojedynczym panelu. Do przemysłowej instalacji przerabiającej tysiące ton modułów rocznie nadal bardzo daleka droga, ale zespół już teraz pracuje z koreańską firmą Wonkwang S&T nad mobilnym systemem recyklingu, który miałby przetwarzać zużyte moduły bliżej miejsca ich demontażu. Według Jin-Seok Lee takie podejście mogłoby zmniejszyć koszty transportu o około 30 procent, a związane z nim emisje o ponad 10 procent.
Czytaj też: Panel słoneczny z bakterii
Właśnie w takich rozwiązaniach widzę prawdziwą przyszłość recyklingu. Nie w sytuacji, w której wydajemy ogromne pieniądze na rozebranie starego urządzenia tylko po to, żeby odzyskać z niego tani surowiec, ale w świecie, w którym materiał przechodzi swojego rodzaju awans. Panel produkuje energię przez dekady, później jego aluminium, szkło i metale wracają do obiegu, a krzem zaczyna drugie życie jako materiał do produkcji części pracujących tam, gdzie zwykła stal przestaje wystarczać. Teraz kwestia jest jedna – trzeba ten proces skalować i utrzymać jego ekonomiczny sens.
Źródła: Materials Today Sustainability, pv magazine, IEA PVPS
