Termodynamiczna rafinacja tabliczek krzemowych
Utylizacja modułów fotowoltaicznych nie jest procesem ani łatwym ani tanim. Nie ma też jeden uniwersalnej metody na jej właściwe i ekonomiczne przeprowadzenie.
Zebrane w procesie recyklingu płytki krzemowe są zazwyczaj zanieczyszczone. Mogą to być zarówno elementy domieszkujące, dodawane na etapie produkcji wafli krzemowych. Jak i elementy i materiały, które służą potem do zabezpieczenia krzemu wewnątrz paneli fotowoltaicznych.
W tym wpisie postaram się Was przeprowadzić przez proces termodynamicznej rafinacji płytek krzemowych. Przyjrzymy się użyciu trzech najbardziej typowych i obiecujących metod rafinacji metalurgicznej:
1. rafinacji oksydacyjnej
2. rafinacji przez odparowanie
3. i rafinacji rozpuszczalnikiem
Zastanowimy się które z tych metod są najbardziej opłacalne i które wymagają największego użycia energii. Gdzie istnieje możliwość dopracowania technologii i których metod używamy w recyklingu fotowoltaiki my jako Lighthief. Pierwsza część tego wpisu zerknie jednak na ogólne informacje recyklingowe i przybliży sam temat.
Mało kto pewnie zdaje sobie sprawię ale łącznie aż 42 elementy (Ag, Al, Au, B, Be, Bi, C, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, In, La, Mg, Mn, Mo, Na, Nb, Ni, Os, P, Pb, Pd, Pt, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Ti, U, V, W, Y, Zn, Zr), mogą znajdować się w panelach fotowoltaicznych tworzonych na bazie krzemu.
Od strony technologicznej wiemy, że usuwanie glinu, berylu, boru, wapnia, gadolinu, hafnu, uranu, itru i cyrkonu oraz usuwanie antymonu, bizmutu, węgla, ołowiu, magnezu, fosforu, srebra, sodu jest możliwe poprzez przejście cynku w fazę gazową.
Wiemy również, że proces rafinacji rozpuszczalnikowej (przy użyciu aluminium, miedzi i cynku jako metali rozpuszczalnikowych), jest skuteczny w rafinacji płytek krzemowych pochodzących z utylizacji.
Szczególnie korzystne jest oczyszczanie paneli fotowoltaicznych typu n domieszkowanych fosforem przy użyciu rozpuszczalnika metalicznego cynku. Dobrze sprawdza się również oczyszczanie paneli fotowoltaicznych typu p domieszkowanego borem przy użyciu rozpuszczalnika metalicznego glinu.
Laboratoryjnie wykazano skuteczność procesów metalurgicznych do oddzielania większości pierwiastków zanieczyszczających tabliczki krzemowe – termodynamiczna rafinacja tabliczek krzemowych.
No właśnie laboratoryjnie…
Do opracowania podtrzymywalnych procesów technicznego, opłacalnego, czystego dla środowiska recyklingu potrzebujemy jednak sporo więcej.
Dla promowania efektywności recyklingu krytyczne znaczenie ma kompleksowy system zarządzania takim procesem. W skrócie panele fotowoltaiczne zamiast zalegać na wysypiskach czy górach śmieci, muszą szybko i sprawnie trafiać do wyspecjalizowanych recyklerów odpadów fotowoltaicznych. Oprócz technologi zatem potrzebna jest również edukacja a także optymalny system zbierania i transportu zużytych modułów.
Jako czyste i odnawialne źródło energii, fotowoltaika wykazuje ogromne korzyści środowiskowe w porównaniu z energią pochodzącą z paliw kopalnych. Zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, zanieczyszczenia powietrza i wody oraz oszczędność naturalnych zasobów energii.
Wykorzystanie energii słonecznej opartej na technologii fotowoltaicznej gwałtownie wzrosło w ciągu ostatniej dekady. Łączna moc zainstalowanych fotowoltaiki osiągnęła 404,5 GW do końca 2017 roku, co oznacza ponad 300-krotny wzrost od początku wieku . Już w 2018 roku wartość ta przekroczyła mocno 500 GW. Do końca 2022 r. osiągnęliśmy na świecie poziom terawatów (TW) (1270,5 GW).
Zainstalowane panele fotowoltaiczne mają na ogół długą żywotność wynoszącą 25–30 lat. Pierwsze partie zainstalowanych paneli fotowoltaicznych są jednak obecnie masowo wycofywane. Następuje tzw. ”repowering” starych farm fotowoltaicznych. Właściciele panele o małej mocy zastępują bardziej sprawnymi i mocniejszymi modułami fotowoltaicznymi. Mamy również spore ilości paneli z wadami produkcyjnymi oraz uszkodzeniami montersko transportowymi.
Biorąc pod uwagę wzrost rynku fotowoltaicznego, łączną ilość paneli fotowoltaicznych wycofanych z eksploatacji oszacowano na ponad 70 milionów ton w 2050 r.
Nadchodzący ”boom” paneli fotowoltaicznych przeznaczonych na recykling stanowi kolejny problem środowiskowy. W dużej ilości krajów europejskich są one klasyfikowane jako odpady niebezpieczne i toksyczne. W Polsce na szczęście należą do odpadów zwykłych. Choć nieszczęśliwie ujętych w grupie IV odpadów wielkogabarytowych jak pralki i lodówki.
Kilka lat temu Unia Europejska dokonała przeglądu europejskiej dyrektywy w sprawie zużytego sprzętu elektrycznego i elektronicznego (WEEE). Panele fotowoltaiczne przeznaczone do recyklingu zostały dodane do kategorii odprowadzanych odpadów elektrycznych/elektronicznych. Odtąd obowiązkowe jest zdefiniowanie strategii alternatywnych do składowania, a recykling paneli fotowoltaicznych w krajach EU stał się obowiązkiem. W Polsce reguluje te zapisy Ustawa z 2015 roku o elektrośmieciach.
Obecnie ponad 90% światowego rynku fotowoltaicznego jest zdominowane przez panele fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego (c-Si), w których płytka krzemowa jest najważniejszą częścią modułu.
Płytka krzemowa, jak widzicie na rysunku a), jest wyprodukowana z krzemu solarnego (SoG-Si) (>99,9999% czystości). Jest ona zazwyczaj średnio domieszkowanym półprzewodnikiem c-Si typu p z silnie domieszkowanym typem n+ warstwa na górnej stronie i mocno domieszkowana warstwa typu p+ na tylnej stronie.
Zerknijcie też sobie na rysunek b). Przedstawia on schematycznie pętlę recyklingu płytek krzemowych z paneli fotowoltaicznych c-Si dla nowego SoG-Si – termodynamiczna rafinacja tabliczek krzemowych.
1. Proces recyklingu paneli fotowoltaicznych c-Si rozpoczyna się od demontażu wielowarstwowej struktury panelu fotowoltaicznego.
2. Płytki krzemowe można rozdzielić metodami takimi jak kruszenie mechaniczne, piroliza, rozpuszczalnik organiczny lub wytrawianie kwasem w celu usunięcia materiału kapsułkującego i elektrody.
3. Uzyskane bez uszkodzeń płytki (co jest jednak niezwykle trudne a czasami wręcz niemożliwe) można bezpośrednio wykorzystać ponownie. Natomiast większość z odpryskami krawędzi, mikropęknięciami czy uszkodzeniami elektronicznymi lub zazwyczaj po prostu skruszoną surówkę krzemową poddajemy procesowi rafinacji w celu ponownego wykorzystania metalicznego krzemu.
W drugiej części tego wpisu zajmiemy się bezpośrednio właśnie rafinacją samego krzemu. Zostańcie z Nami!
Planujecie budowę swojej farmy fotowoltaicznej lub poszukujecie firmy świadczącej usługi O&M?
Chcecie zakupić projekt farmy fotowoltaicznej lub wiatrowej i potrzebujecie sprawnie i profesjonalnie wykonać audyt / due diligence?
Poszukujecie recyklera paneli fotowoltaicznej lub firmy myjącej instalacje i farmy fotowoltaiczne?
Zapraszamy do kontaktu z Nami!
