Upłynnianie oksydacyjne: przełom w recyklingu paneli słonecznych

W miarę jak świat przyspiesza przejście na energię odnawialną, energia słoneczna stała się kamieniem węgielnym globalnych wysiłków na rzecz dekarbonizacji. Jednak szybki rozwój paneli fotowoltaicznych (PV) niesie ze sobą pilne, często pomijane wyzwanie: co z nimi zrobić, gdy ich żywotność osiągnie 25-–-30 lat. Szacuje się, że do 2030 r. co roku będzie gromadzić się 8 milionów ton odpadów fotowoltaicznych, dlatego branża stoi przed rosnącą presją, aby opracować wydajne i przyjazne dla środowiska technologie recyklingu. Do najbardziej obiecujących rozwiązań należy nowatorski proces znany jako upłynnianie oksydacyjne – metoda recyklingu chemicznego, która może na nowo zdefiniować sposób odzyskiwania cennych materiałów z wycofanych z eksploatacji modułów fotowoltaicznych.

Do recyklingu tradycyjnych paneli słonecznych potrzeba dużej ilości energii cieplnej i fizycznej. Elementy tradycyjnego panelu słonecznego nadające się do recyklingu to szkło i metale, które mają ustalone ścieżki recyklingu. Jednak najtrudniejszą częścią recyklingu panelu słonecznego jest EVA (octan etylenu-winylu) stosowany jako kapsułka. W większości zakładów zajmujących się recyklingiem konwencjonalnie skonstruowane panele słoneczne są rozdrabniane lub poddawane obróbce termicznej poprzez spalanie ich w bardzo wysokich temperaturach. Proces ten powoduje wypalenie kapsułki z ogniw słonecznych, ale powoduje uwolnienie znacznych ilości toksycznych gazów do atmosfery, wymaga dużych ilości energii i skutkuje odzyskaniem materiałów o niskiej-czystości, które zazwyczaj są-przerabiane na produkty o niskiej-jakości.

Będziemy mieli radykalną zmianę w sposobie, w jaki postrzegamy nasze odpady. Alternatywną metodą opracowaną do utylizacji biomasy i tworzyw sztucznych jest upłynnianie oksydacyjne. Naukowcy z Instytutu Fraunhofera w Niemczech i Krajowego Laboratorium Energii Odnawialnej w USA wykorzystali prace z innych obszarów badań, aby opracować nowe metody utylizacji modułów fotowoltaicznych (PV). Osiąga się to poprzez rozdrabnianie lub nie rozdrabnianie starych modułów fotowoltaicznych, a następnie umieszczanie modułów w kontrolowanym środowisku chemicznym składającym się z kilku różnych cieczy (woda, rozpuszczalniki organiczne, środki utleniające, takie jak nadtlenek wodoru) i wystawienie ich na działanie umiarkowanego ciepła i umiarkowanego ciśnienia w reaktorze utleniającym. Usieciowana-polimerowa kapsułka EVA modułów fotowoltaicznych jest rozszczepiana oksydacyjnie podczas reakcji utleniania zachodzącej w reaktorze utleniania, w związku z czym węglowodory o długim-łańcuchu węglowym przekształcają się w rozpuszczalne, fragmentaryczne węglowodory poprzez utlenianie przez tlen podczas tej reakcji.

Ta konwersja lateksu EVA w produkty płynne (lub w niektórych przypadkach woskowe) może zająć zaledwie 30–60 minut i uwolnić wszystkie pozostałe składniki (szkło, ogniwa krzemowe i metale) z kapsułkowanego materiału bez zmiany ich chemicznej. Po przetworzeniu materiału w ten sposób proces chłodzenia i filtrowania (1) umożliwi odzyskanie szkła w całych, czystych arkuszach oraz (2) umożliwi rozwarstwienie ogniw krzemowych bez pęknięć w celu utrzymania ich czystości. Co więcej, metale (srebro i miedź) powstające w połączeniach lutowanych ogniw krzemowych oddzielają się i osadzają w jedną stałą pozostałość, którą można łatwo oddzielić za pomocą metod separacji gęstościowej lub separacji elektrostatycznej.

W porównaniu z pirolizą termiczną (500–600 stopni) lub rozdrabnianiem mechanicznym, upłynnianie oksydacyjne przebiega w niższych temperaturach, zmniejszając zużycie energii o około 40–60%. Nie wytwarza toksycznych-gazów odlotowych, takich jak fluorowodór czy dioksyny,-powszechne produkty uboczne spalania halogenowanych podkładek. Co więcej, w procesie powstają chemiczne produkty uboczne nadające się do ponownego wykorzystania: skroploną frakcję organiczną można rafinować na podstawowe chemikalia lub dodatki do paliw, co stanowi źródło przychodów dla podmiotów zajmujących się recyklingiem.

Wczesne badania pilotażowe wykazują imponujące wskaźniki odzysku. W badaniu przeprowadzonym w 2023 r. przez europejskie konsorcjum w wyniku upłynnienia oksydacyjnego osiągnięto:

Odzysk czystego szkła na poziomie 90–95%. (with >85% nienaruszonych arkuszy)

96% odzysku krzemu(przy znikomym zanieczyszczeniu metalem)

Odzysk srebra 98%.z palców ogniw i szyn zbiorczych.

Liczby te ostro kontrastują z konwencjonalnym recyklingiem mechanicznym, w ramach którego zazwyczaj odzyskuje się jedynie 60–70% szkła i traci się większość srebra (<20% recovery) due to comminution.

Pomimo obietnic, upłynnianie oksydacyjne nie jest jeszcze gotowe do zastosowania w skali gigawatowej-. Pozostają dwie główne przeszkody: koszt reaktora i czas reakcji. Jednak ostatnie postępy w projektowaniu reaktorów-z ciągłym przepływem i tańsze-utleniacze, takie jak powietrze (a nie czysty tlen), wypełniają tę lukę. Ocena{{7}cyklu życia przeprowadzona przez Politechnikę Duńską w 2024 r. wykazała, że ​​w przypadku wdrożenia w skali 10 000 ton rocznie upłynnianie oksydacyjne mogłoby być-konkurencyjne kosztowo w stosunku do opłat za składowanie w krajach UE, zwłaszcza po uwzględnieniu odzyskanych przychodów ze srebra.

Przemysł energii słonecznej zaczyna doceniać znaczenie upłynniania oksydacyjnego. SEIA oficjalnie uznała upłynnianie oksydacyjne za „ważną wschodzącą technologię” w swoim krajowym planie działania dotyczącym recyklingu fotowoltaiki od maja 2024 r. Wiele startupów, w tym SolCycle z Niemiec i PV Renew z Kanady, planuje rozpocząć do końca 2025 r. projekty pilotażowe, które będą przetwarzać 5000 ton-wycofanych- paneli słonecznych rocznie w pierwszej fazie ich rozruchu.

W miarę szybkiego wzrostu liczby instalacji fotowoltaicznych (oczekuje się, że do 2030 r. ich globalna moc przekroczy 6 terawatów), możliwości skalowalnego, czystego i przyjaznego dla środowiska-recyklingu będą nadal zanikać. Utleniające upłynnianie zapewnia przemysłowi fotowoltaicznemu znaczące rozwiązanie techniczne, a także ustanawia plan stworzenia prawdziwie obiegowej gospodarki fotowoltaicznej (dzisiejsze panele stają się surowcami jutra) bez negatywnego wpływu na środowisko. Jedyne przeszkody, jakie pozostały, dotyczą inwestycji i właściwej koordynacji. Jednak po tym, jak uznano go za branżę wysoce marnotrawną pod względem-wycofanych-produktów z eksploatacji, ten nowy rozwój chemiczny może w końcu dostosować cykl życia przemysłu fotowoltaicznego do obietnicy czystej energii.