Утилізація сонячних модулів (панелей). Проблеми, регулювання, практика.
У Росії не розвинена сонячна енергетика. Проте наші стурбовані глобальними екологічними і не тільки проблемами громадяни люблять задавати питання, що стосуються утилізації (переробки) фотоелектричних сонячних модулів (панелей) після закінчення терміну їх служби.
Задовольнимо це цікавість, і розповімо в даній статті про те, як йдуть справи з утилізацією відходів сонячної енергетики, які кращі світові практики.
Вступ.
Спочатку трохи термінології. Часто сонячні модулі або панелі називають у нас «сонячними батареями». Даний термін може вводити в оману, оскільки «батарея» - занадто широке поняття. Існують, наприклад, сонячні колектори, призначення яких - нагрівання теплоносія. Поняття «сонячна батарея» відмінно підходить до сонячного колектору. Але цей пристрій нічого спільного з сонячними фотоелектричними модулями не має, за винятком джерела енергії - сонця.
Використані, які відпрацювали своє сонячні модулі традиційно відносяться регуляторами до категорії електронного сміття (e-waste). Річний світовий обсяг електронного сміття в 2015 склав 43,8 мільйона метричних тонн (оцінка). Прогнозується, що в 2018 році він зросте до 50 млн тонн. Фотоелектричні панелі сьогодні - це всього лише частки відсотка світового обсягу електронних відходів. Так, сонячна енергетика - молода галузь і поки не встигла сильно насмітять. У той же час ми знаємо, наскільки швидко вона розвивається. За один тільки 2017 рік у світі було введено в експлуатацію близько 100 ГВт сонячних електростанцій . Глобальна встановлена потужність зростає експоненціально.
Тому через 10-15 років проблема утилізації сонячних панелей встане на повний зріст.
У зв'язку з тим, що ціни на компоненти сонячних електростанцій постійно знижуються, витрати на демонтаж об'єктів можуть надавати все більший вплив на економіку проектів, просто з тієї причини, що їх частка у витратах життєвого циклу буде підвищуватися. Тому ефективний підхід до утилізації сонячних панелей важливий і з цієї точки зору.
У 2016 році була опублікована спільна робота IRENA (Міжнародного агентства відновлюваної енергетики) і МЕА (Міжнародного енергетичного агентства) «End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels», в якій детально описуються технології і стратегії утилізації фотоелектричних модулів. Даний досить об'ємний (100 сторінок) доповідь може розглядатися в якості керівництва по нашому сьогоднішньому темі.
В роботі показано, що до 2030 року в світі утворюється 1,7-8 млн тонн відходів фотовольтакі (накопиченим підсумком) залежно від розглянутих сценаріїв (regular loss - використання модулів протягом 30-річного терміну служби, early loss - раннє закінчення року служби з різних причин, наприклад, заміна морально застарілого обладнання на більш сучасне). Така кількість «сонячного сміття» відповідає 3-16% сьогоднішнього річного обсягу електронних відходів. До 2050 обсяги (накопиченим підсумком) сонячних панелей, які відслужили свій термін, виростуть значно - до 60-78 млн тонн.
IRENA вважає, що річний обсяг відходів відпрацьованих сонячних панелей у 2050 році (5 млн тонн) буде відповідати приблизно 10% всього електронного сміття, утвореного на землі в 2014 році. Тобто прогнозований обсяг «сонячних відходів» значний, але він все-таки буде складати лише незначну процентну частку всіх електронних відходів (e-waste).
До слова, в роботі прогнозується, що глобальна встановлена потужність сонячної енергетики досягне до 2050 року 4500 ГВт (проти 400 ГВт сьогодні).
Регулювання.
У більшості країн сонячні панелі класифікуються як загальні або промислові відходи, управління ними здійснюється відповідно до звичайних вимог, що стосуються обробки та утилізації відходів. Крім такого універсального регулювання розробляються добровільні і нормативні підходи для спеціального управління «сонячним сміттям».
Європейський союз (ЄС) першим ввів правила утилізації відходів сонячних електростанцій - модулі повинні утилізуватися відповідно до Директиви про відходи електричного та електронного обладнання (WEEE) (2012/19 / EU). З 2012 року положення Директиви WEEE були включені в національне законодавство країнами-членами ЄС, створивши перший ринок, на якому переробка сонячних модулів обов'язкове.
У Сполучених Штатах утилізація панелей регулюється Законом про збереження та відновлення ресурсів (Resource Conservation and Recovery Act), який є правовою основою для управління небезпечними та безпечними відходами. У 2016 році Асоціація сонячної енергетики США (SEIA) в партнерстві з виробниками сонячних модулів і монтажними організаціями запустила національну програму добровільної утилізації панелей, яка спрямована на те, щоб зробити ефективні рішення по переробці більш доступними для споживачів.
В Японії відпрацьовані сонячні панелі підпадають під загальні регламенти з управління відходами (Waste Management and Public Cleansing Act). У 2015 році була розроблена дорожня карта для просування схеми збору, переробки та належного поводження з обладнанням відновлюваної енергетики з вичерпаним терміном експлуатації. У 2017 році японська Асоціація сонячної енергетики (Japan Photovoltaic Energy Association - JPEA) опублікувала керівництво щодо належного поводження з сонячними модулями після закінчення терміну їх служби (документ має рекомендаційний характер). Додатково, Національний інститут передових промислових наук і технологій (NEDO) розробляє технологію переробки.
У Китаї поки немає спеціальних правил по утилізації сонячних модулів. В рамках Національної науково-технічної програми протягом 12-ої п'ятирічки фінансувалися дослідження і розробки в галузі поводження з «сонячними відходами».
В Індії відходи фотоелектричної енергетики управляються Міністерством навколишнього середовища, лісів і зміни клімату відповідно до Правил поводження з твердими відходами 2016 року і Правилами небезпечними і іншими відходів (управління і транскордонне переміщення).
На міжнародному рівні новий стандарт лідерства в області екологічної стійкості для фотоелектричних модулів (NSF 457 - Sustainability Leadership of Photovoltaic Modules) включає в себе критерії управління цими виробами після закінчення терміну їх експлуатації.
Політика виробників сонячних модулів.
Сьогодні багато виробників вже пропонують послуги з утилізації випущених ними сонячних модулів і створюють спеціалізовані підприємства по їх переробці. Тут діє принцип «розширеної відповідальності виробника» (extended-producer-responsibility), яка виходить за рамки стадій продажу та експлуатації, і охоплює також стадію поводження з продуктом після завершення його терміну служби.
Наприклад, американська First Solar ще в 2005 році створила глобальну програму зі збору та переробки своїх сонячних модулів (тонкоплівкові панелі CdTe). Технологія дозволяє забезпечити повторне використання 90% напівпровідникових матеріалів і скла. З 2018 переробні підприємства компанії працюють з нульовим стоком рідких відходів.
Така політика виробників обумовлена не тільки постійним посиленням вимог регуляторів або «підвищеної соціальною відповідальністю». Переробка сонячних модулів не позбавлена економічного сенсу (див. Далі).
Технології переробки і витяг матеріалів.
Як відомо, в ієрархії поводження з відходами на першому місці стоїть запобігання утворенню відходів. У сонячній енергетиці дана задача вирішується за допомогою постійного зниження питомої матеріаломісткості виробів .
В останні роки в Європі, Китаї, Японії, США і Кореї активно спонсорувались проекти НДДКР, що стосуються технологій переробки сонячних модулів, і в тих же регіонах була зареєстрована значна патентна активність як в області технології переробки кристалічного кремнію (c-Si), так і для тонкоплівкових фотоелектричних модулів.
Можна розділити «грубу» переробку (витяг скла, алюмінію, міді - матеріалів, які складають основну масу модуля) і тонку переробку (high-value recycling), що припускає витяг практично всіх хімічних елементів, які використовуються в фотоелектричної панелі.
У зв'язку з тим, що сьогодні обсяги «сонячних відходів» невеликі, модулі в основному переробляються на заводах, призначених для переробки багатошарового скла, металів або електронних відходів. В результаті виділяються тільки основні (по масі) матеріали - скло, алюміній і мідь, в той час як сонячні осередки та інші матеріали, такі як пластмаси, спалюються (або відправляються на полігони).
Тобто груба переробка аналогічна існуючій технології повторного використання ламінованого скла в інших галузях промисловості і не забезпечує відновлення екологічно небезпечних (наприклад, Pb, Cd, Se) або цінних (наприклад, Ag, In, Te, Si) матеріалів.
Тонка переробка складається з трьох основних етапів: 1) попередня обробка, що включає видалення металевої рами і розподільної коробки, 2) деламінація і видалення ламинирующей плівки і 3) витяг скла і металів.
Сонячні модулі складаються зі скла, алюмінію, міді й напівпровідникових матеріалів, які можуть бути вилучені і використані повторно. Звичайні панелі з кристалічного кремнію складаються (по масі) з 76% скла, 10% полімерних матеріалів, 8% алюмінію, 5% кремнієвих напівпровідників, 1% міді, менш 0,1% срібла і інших металів, включаючи олово і свинець. У тонкоплівкових модуляx частка скла набагато вище - 89% (CIGS) і 97% (CdTe).
Як уже зазначалося, сьогодні обсяги відходів сонячної енергетики невеликі, оскільки галузь молода, а гарантійний термін служби модулів зазвичай становить 25 років і більше. У той же час в не такому вже далекому майбутньому нас чекає експоненціальне зростання цих обсягів. До 2030 року вони збільшаться в 40 разів, і це в рамках консервативного ( «regular loss») сценарію. В даному случає вартість вилучених матеріалів становитиме приблизно 450 млн доларів США. До 2050 року ринок зросте до 15 млрд доларів на рік, а з накопиченого обсягу відходів можна буде зробити 2 млрд сонячних модулів (еквівалентно 630 ГВт)!
Сьогодні в Європі витягується для повторного використання 65-70% (по масі) матеріалів, з яких складаються сонячні модулі, що відповідає Директиві ЄС WEEE. CENELEC, Європейський комітет зі стандартизації електротехніки, розробив додатковий стандарт для збору і переробки панелей (EN50625-2-4 і TS50625-3-5). У стандарті вказані різні адміністративні, організаційні та технічні вимоги, спрямовані на запобігання забруднення і неналежного поводження, мінімізацію викидів, сприяння збільшенню частки відновлених матеріалів і операцій з глибокої переробки. Він також перешкоджає відвантаження модулів-відходів на об'єкти, які не відповідають стандартним вимогам охорони навколишнього середовища і здоров'я.
Стандарт включає в себе конкретні вимоги до очищення відходів, відповідно до яких вміст небезпечних речовин в фракціях випускається після переробки скла не повинно перевищувати таких граничних значень:
- кадмій: 1 мг / кг (суха речовина) (кремнієві модулі); 10 мг / кг (суха речовина) (Не кремнієві модулі);
- селен: 1 мг / кг (суха речовина) (кремнієві модулі); 10 мг / кг (суха речовина) (Не кремнієві модулі);
- свинець: 100 мг / кг (суха речовина).
Демонтаж електростанцій і утилізація модулів - економіка.
питання рентабельності переробки сонячних моделей не має однозначної відповіді. Вважається, що при великих обсягах відходів (мінімум 20 000 тонн на рік) можна досягти беззбитковості процесів переробки в рамках відповідних підприємств.
Питання економіки утилізації модулів часто розглядається в контексті ліквідації більших об'єктів.
Проектна та дозвільна документація на будівництво великих сонячних електростанцій як правило включає вимоги щодо демонтажу об'єктів після закінчення терміну їх служби та відновленню земельних ділянок до початкового стану.
Для того щоб чисті витрати на виведення з експлуатації були негативними (окупалися), вартість вилучених матеріалів і / або вартість звільнилася землі повинні перевищувати витрати на виведення з експлуатації. З одного боку, повний демонтаж фотоелектричної сонячної електростанції - досить проста операція, оскільки тут немає капітальних будівель з серйозними фундаментами. З іншого боку, на таких об'єктах використовується велика кількість стали, міді і алюмінію, і цінність цих матеріалів цілком може перевищувати витрати на висновок експлуатації.
Дійсно, недавній економічний аналіз показує , Що вартість брухту фотоелектричної електростанції (в основному сталь і мідь) перевищує витрати на виведення з експлуатації, що робить переробку краще поховання відходів.
У сценаріях глибокої переробки чистий дохід в результаті робіт з виведення об'єкта з експлуатації може становити US $ 0,01-0,02 / Ватт (без урахування вартості землі).
Таким чином, при належній організації переробка відходів сонячних електростанцій може бути вигідною навіть без додаткових заходів стимулювання / регулювання.
Висновок.
Сьогодні відходи сонячних електростанцій не є значущою світовою проблемою, оскільки їх обсяги малі - частки відсотка електронного сміття (e-waste), що утворюється на планеті щороку. При цьому, відповідно до приказки «готовий сани влітку ..», завдання ефективної переробки сонячних модулів після закінчення терміну їх використання вже грунтовно опрацьована.