Утилизируйте солнечные панели правильно

Солнечные системы испытали настоящий бум в 1990х годах, когда были созданы выдвижные солнечные батареи (это были навесы с интегрированными гелио солнечными панелями, запатентованные Томасом Фалуджи) и когда были созданы тонкопленочные фотоэлементы, перерабатывающие 32% солнечного света в полезную энергию. Их начали использовать не только в коммерческих целях, но и в частном производстве электроэнергии. Срок службы моделей, которые использовались в то время, в наши дни подходит к концу. Поэтому на сегодняшний день как никогда ранее актуален вопрос о правильной утилизации солнечных панелей.

Что такое солнечная панель (модуль)?

Солнечный модуль состоит из множества солнечных элементов, которые используются для выработки электроэнергии с фотоэлектрическими системами.

Эффективность и срок службы солнечных модулей в последние годы неуклонно улучшаются. В настоящее время производители фотоэлектрических систем дают гарантию до 25 лет на солнечные элементы.

Состав солнечных панелей

В процентном соотношении панель из кристаллического кремния – это 76-77% стекла, 10-12% полимерных материалов, 8-9% алюминия, 5-6% кремниевых полупроводников, около 1% меди, менее 0,1% других металлов (серебра, олова, свинца, галлия, мышьяка).

Основа тонкопленочных модулей – 89% (CIGS) и 97% (CdTe) стекла. Но в них часто входят такие ядовитые соединения, как теллурид кадмия, а также диселенид индия и меди.

Примерно 85-95% отживших солнечных панелей подлежат вторичной переработке – алюминиевые рамы, стойки и стеллажи, стекло. Остальные отходы – это сами фотомодули, контактные коробки, металлическая фольга, печатные платы, распределительные щиты, соединительные провода, свинцовый припой.

Почему нужно утилизировать солнечные системы?

Солнечные системы используются везде, где нужно производить энергию. Фотогальваника преобразует солнечную энергию в электричество. Это позволяет обеспечить практически автономное электроснабжение собственного дома, но также может использоваться для подачи энергии в общественную электросеть через крупномасштабные фотоэлектрические поверхности. Второе применение солнечной энергии – это солнечная тепловая энергия. Это термическая обработка полученной энергии. С помощью солнечных тепловых систем возможно хранение тепла, например, для отопления зданий.

Первые солнечные панели появились на рынке около 20 лет назад. Первые модули со сроком службы до 25 лет достигли предела своей функциональности. Следствием этого является их утилизация. Сегодня рынок фотоэлектрических элементов предлагает новые технологии ячеек, которые обещают более высокую степень эффективности и, таким образом, повышают эффективность производства энергии и, таким образом, также сокращают постоянные затраты. Поэтому замена устаревших модулей уже не редкость и рекомендуется.

Утилизация зависит от солнечного элемента

Правильный выбор метода утилизации всегда связан с вопросом об используемых материалах. Среди имеющихся в продаже солнечных систем есть разные модели, которые различаются в зависимости от периода изготовления и назначения. В основном различают поли- и монокристаллические солнечные элементы и тонкопленочные элементы на основе полупроводникового материала .

Поликристаллические солнечные элементы основаны на кремнии . В процессе плавления с добавлением атомов бора отливаются блоки, которые позже затвердевают в так называемые слитки . Поскольку кристаллы различаются по размеру зерен, у этого типа солнечных панелей есть потери в эффективности. Зато есть сравнительно недорогая продукция.

Иная ситуация с монокристаллическими солнечными модулями, слитки которых, как следует из названия, состоят из монокристалла. Технология ячеек, которая также основана на кремнии, обещает высокий уровень эффективности. Однако их производство энергоемко и дорого.

С технологической точки зрения тонкопленочные ячейки можно сравнивать с кристаллическими моделями лишь в ограниченной степени. Для этого несущий материал покрывается полупроводником. Это может, например, кремний, теллурид кадмия, селенид меди, индия, арсенид галлия или красители. Использование сырья для тонкопленочных ячеек относительно невелико, а производство простое. Однако с точки зрения эффективности тонкопленочные элементы значительно уступают кристаллическим солнечным элементам.

Считается ли солнечная панель опасными отходами?

Солнечные панели сами по себе не считаются опасными отходами. Ответ на этот вопрос так же сложен, как и состав самой системы. Фотоэлектрические системы классифицируются как отработанное электрическое и электронное оборудование. В зависимости от типа солнечных элементов, отдельные компоненты могут быть опасны.

При переработке солнечных элементов важно учитывать, что с токсичными компонентами, такими как кадмий (канцерогенный) или свинец, необходимо обращаться надлежащим образом и ответственно. Выщелачивание этих веществ в грунтовые воды, особенно при неправильной утилизации или захоронении старых модулей, может привести к ущербу для окружающей среды.

Способы переработки панелей

Существует два основных способа переработки солнечных панелей:

• «тонкая переработка» (high-value recycling) – когда из отработавших панелей извлекают для переработки практически все элементы. Этот процесс проходит в три этапа: 1) предварительная обработка, когда снимается металлическая рама и распределительная коробка, 2) деламинация и удаление ламинирующей плёнки, 3) извлечение стекла и металлов.
• «грубая переработка» – когда извлекают только основные по массе материалы (алюминий, медь, стекло). При этом солнечные ячейки и другие материалы, такие как пластмассы, сжигаются (или отправляются на полигоны). 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.

Международные практики по утилизации солнечных панелей

Солнечные панели состоят из фотоэлементов, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Когда эти панели попадают на свалки, ценные ресурсы тратятся зря. А поскольку солнечные панели содержат токсичные материалы, такие как свинец, которые могут вымываться при разрушении, захоронение также создает новые опасности для окружающей среды.

Международная некоммерческая организация PV CYCLE, занимающаяся приемом и переработкой батарей, электротехники и также солнечных панелей, ежегодно собирает несколько тысяч тонн солнечных электронных отходов только в Европейском Союзе. В это число входят солнечные панели, срок службы которых подошел к концу, а также те, которые были выведены из эксплуатации раньше, потому что они были повреждены во время шторма, имели какой-либо производственный дефект или были заменены на более новую, более эффективную модель.

Когда солнечные батареи действительно достигают своего конца своей жизни сегодня, их ждет несколько возможных судьб.

Согласно законодательству ЕС, производители обязаны обеспечивать надлежащую переработку своих солнечных панелей. Согласно директиве ЕС об электронных отходах, европейские производители и компании, поставляющие солнечные панели на европейский рынок, обязаны организовывать и финансировать их сбор и утилизацию после окончания их срока эксплуатации. Для реализации этой директивы на национальном уровне, страны–члены ЕС обязывают производителей платить утилизационный сбор и присоединяться к схемам сбора отходов.

В Японии, Индии и Австралии требования по переработке находятся в разработке. В США утилизация панелей регулируется Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (Законом об управлении опасными и неопасными отходами). Существует программа добровольной утилизации панелей, но объем добровольных усилий по переработке отходов, предпринимаемых отраслью, ограничен. «На данный момент мы уверены, что около 10 процентов солнечных панелей утилизируются», – сказал Сэм Вандерхоф, генеральный директор Recycle PV Solar., одна из немногих американских компаний, занимающихся переработкой фотоэлектрических элементов. Остальное, по его словам, отправляется на свалки или вывозится за границу для повторного использования в развивающихся странах со слабой защитой окружающей среды.

В России отсутствуют специальные требования по утилизации солнечных модулей. Поскольку количество солнечных панелей, выведеных из эксплуатации, является малой, их переработкой занимаются предприятия по переработке электронных или стеклянных отходов. Переработка проводится “грубым способом”. Солнечные элементы и пластиковые составляющие модулей скорее всего подвергаются сжиганию или отправляются на полигоны для электронного оборудования.

Оптимизация методов переработки солнечных панелей

Когда происходит переработка, есть много возможностей для ее улучшения. Солнечная панель – это, по сути, электронный бутерброд. Заполнение представляет собой тонкий слой ячеек из кристаллического кремния, которые изолированы и защищены от элементов с обеих сторон листами полимера и стекла. Все это собрано в алюминиевой раме. На задней стороне панели находится распределительная коробка с медной проводкой, которая отводит электричество по мере его генерации.

На типичном предприятии по переработке электронных отходов этот высокотехнологичный бутерброд будет обработан грубо. Переработчики часто снимают раму панели и ее распределительную коробку, чтобы восстановить алюминий и медь, а затем измельчают остальную часть модуля, включая стекло, полимеры и кремниевые элементы, которые покрываются серебряным электродом и припаяны с использованием олова и свинца. (Поскольку подавляющее большинство этой смеси по весу составляет стекло, полученный продукт считается нечистым, раздробленным стеклом.)

Если бы более ценные компоненты солнечной панели, а именно кремний и серебро, можно было бы эффективно разделить и очистить, это могло бы улучшить соотношение затрат и доходов. Небольшое количество специализированных переработчиков солнечных фотоэлементов пытается это сделать. Компания Veolia, которая управляет единственным в мире заводом по переработке кремния в промышленных масштабах во Франции, измельчает и измельчает панели, а затем использует оптическую технику для восстановления кремния низкой чистоты.

По словам Вандерхофа, Recycle PV Solar изначально использовала «процесс нагрева и процесс шаровой мельницы», который мог повторно улавливать более 90 процентов материалов, присутствующих в панели, включая серебро и кремний низкой чистоты. Но недавно компания получила от своих европейских партнеров новое оборудование, которое, по его словам, может выполнять «95 с лишним процентов повторной переработки», при этом разделяя повторно перерабатываемые материалы намного лучше.

Таким проектом занимается немецкая компания Geltz Umwelt-Technologie, финансируемая европейским проектом ELSi. Суть их технологии переработки заключается в повторном использовании материалов (а это около 95%), извлеченных из PV-модулей. Производительность предприятия – 50 тысяч PV-модулей в год.

Некоторые исследователи фотоэлектрических технологий хотят добиться большего. В другом недавнем обзорном документе группа ученых, возглавляемая учеными Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, призывает к разработке новых процессов переработки, в которых все металлы и минералы восстанавливаются с высокой степенью чистоты, с целью сделать переработку максимально экономически рентабельной и экологически чистой. Такие процессы могут включать использование тепловой или химической обработки для отделения стекла от кремниевых ячеек с последующим применением других химических или электрических методов для отделения и очистки кремния и различных следов металлов.

Помимо разработки более эффективных методов переработки, солнечная промышленность должна думать о том, как перепрофилировать панели, когда это возможно, поскольку использованные солнечные панели, вероятно, будут стоить дороже, чем металлы и минералы внутри них (и поскольку повторное использование обычно требует меньше энергии, чем переработка).

Как и в случае с вторичной переработкой, ЕС находится впереди в этом: с помощью своих циркулярных бизнес-моделей для программы солнечной энергетики Европейская комиссия финансирует ряд демонстрационных проектов, демонстрирующих, как солнечные панели с крыш и солнечные фермы могут быть перепрофилированы, в том числе для питания станций зарядки электровелосипедов в Берлине и жилых комплексов в Бельгии.

Последней инновацией в сфере переработки солнечных панелей является технология переработки фотоэлектрических модулей, озвученная Корейским институтом энергетических исследований (KIER) в 2021 году. Эта “неразрушающая” технология позволяет восстановить 100% стекла модуля и повторно использовать кремний для производства новых солнечных элементов с эффективностью 20,05%. Панели перерабатываются в четыре этапа:

1. Автоматизированный демонтаж рамы и распределительной коробки.
2. Разделение стекла.
3. Восстановление металла.
4. Переработка солнечных элементов.

Затраты на переработку солнечных батарей

В интервью Mitteldeutscher Rundfunk, региональный менеджер в Германии Ульрих Дидсун из PV Cycle объясняет, что «утилизация тонны солнечных систем стоит около 180 евро». Однако это число следует понимать только как ориентировочное. В конце концов, «разница в том, есть ли у вас (солнечные системы) кристаллический модуль, тонкопленочный модуль или даже кадмиево-теллуритный модуль», – добавляет он.

В США стоимость переработки стандартной кремниевой панели с 60 ячейками составляет от 12 до 25 долларов – после затрат на транспортировку, которые «часто равны затратам на переработку». При этом переработчик, разбирающий такую панель, может получить около 3 долларов за рекуперированную алюминий, медь и стекло.

По оценкам IRENA (Международного агентства возобновляемой энергетики), к 2030 году стоимость материалов, извлеченных из отработавших солнечных панелей, может достигнуть $450 млн, а к 2050 году может превысить 15 млрд долларов.

Насколько экологична солнечная энергия?

Много обсуждается оценка жизненного цикла солнечных систем. Это в основном связано с тем, что состав факторов, влияющих на климатические следы, настолько многочислен и неоднороден. Относительно молодая технология определенно помогает снизить выбросы CO₂ при производстве электроэнергии. Однако это следует учитывать, принимая во внимание общее расширение использования возобновляемых источников энергии.

Нельзя забывать о токсичных веществах и редкоземельных элементах, которые используются при производстве солнечных систем. Не всегда исключено попадание небольших количеств загрязняющих веществ в окружающую среду при производстве. Добыча редкоземельных элементов по-прежнему означает масштабное вмешательство в природу и нередко осуществляется в сложных условиях.

Последний важный фактор – это занимаемое пространство. Это может быть проблемой, особенно с учетом крупномасштабных солнечных систем. Их строительство нарушает ландшафт, затрагивает жилые помещения людей и окружающую среду. В конечном итоге необходимо сравнить плюсы и минусы, чтобы подвести итоги. Однако несомненно то, что возобновляемые источники энергии предпочтительнее ископаемых видов топлива с точки зрения защиты климата.

Как еще использовать старые солнечные панели?

1. Проекты поменьше. Возможно, вы не сможете обеспечить электроэнергией свой дом, но как насчет одной или двух панелей на сарае? Как здорово было бы убрать свой сарай от электросети? Большинство инструментов теперь работают от батареи, поэтому вы можете легко установить солнечную батарею для освещения и электроинструментов.
2. Строительные заборы. Такой хороший строительный материал так просто не выбросишь, так почему бы не использовать панели для создания ограды на заднем дворе? Солнечные панели высотой 1400–2000 мм – идеальная высота для создания ограды. У них достаточно высоты, чтобы смотреть сквозь них, при этом не подпуская соседей.
3. Облицовка собачьих будок. С солнечными батареями в качестве облицовки у вас будет толстый и защищенный от непогоды дворец для вашей собаки. Вы даже можете раскрасить его и добавить его имя на входную дверь.
4. Превратите в мебель. Любите создавать что-то новое из чего-то старого? Нужен новый журнальный столик? Солнечные панели можно превратить в различные предметы мебели, в зависимости от того, сколько времени у вас есть, и от внешнего вида, который вы собираетесь создать.
5. Курятники. Любите цыплят? Имея собственный солнечный курятник, вы также можете получить свои собственные яйца, поэтому подумайте о создании нового дома для некоторых домашних птиц и обеспечьте себя завтраками на долгие годы.
6. Создаем теплицы. Солнечные панели сделаны из стекла, и теплицы тоже. Отличный способ переработать их – объединить их и согреть растения в более прохладные месяцы.
7. Утепление эко домов. Уходите в эко-режим или отключитесь от сети? Солнечные панели можно использовать для создания стен и изоляции, предлагая доступный и уникальный строительный материал, который сделает ваш дом еще более экологически чистым.
8. Пожертвовать их. Может, вам старые панели уже не нужны, а у кого-то из друзей или соседей есть оригинальные идеи для из использования. Разместите сообщение и расскажите местным группам, что вы предлагаете; есть большая вероятность, что кто-то заберет вашу старую солнечную батарею из ваших рук.

Независимо от того, что вы решите делать со своими солнечными панелями, важно помнить об окружающей среде. В конце концов, солнечные панели были созданы, чтобы уменьшить наш углеродный след. Если вы выберете переработку или переработку ваших панелей, это означает, что они будут иметь более длительный срок службы и не будут подвергаться риску увеличения в настоящее время экстремальных уровней загрязнения в нашем мире.