Использования солнечных батарей с учетом рециклинга

Рациональное использование природных ресурсов и безопасной утилизации отходов цивилизованного общества, а также повышение эффективного его контроля является насущной экологической проблемой. В настоящее время больше внимания уделяется использованию солнечной энергии для получения электроэнергии. Получение энергии за счет солнечных батарей можно использовать для обеспечения коммунально-бытовых и технологических нужд различных потребителей. Она используется для эффективного преобразования солнечной энергии в электрическую.

По мнение специалистов правильно рассчитанная солнечная система может покрыть до 50 % энергетических затрат расходуемых обычно на электроэнергию — как в домашних хозяйствах, так и в производстве. Срок службы солнечных модулей составляет, по-крайней мере, 20 лет, таким образом, большинство из них еще не достигло предельных сроков полезного использования. [1]

Уже подсчитано, что если в пустыне Сахара разместить солнечные батареи на территории 160 квадратных километров, то можно полностью отказаться от всех других источников и видов энергии нефти, газа, урана, воды, ветра и тд. Солнечные батареи состоят из кремния. Кремний самый распространённый материал на земле, к примеру песок.

Рост рынка фотоэлектрической продукции фотоэлектрических модулей занимает важное место в утилизации. Экологическое воздействие производства фотоэлектрических систем зависит от типа производимых модулей.

Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30–50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации. Ученые полагают, что сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20–25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20–25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд. тонн ежегодно. [2]

Эксперты полагают, что количество отходов существенно увеличится после 2020 года (таблица 1).

Таблица 1

Оценочное количество отходов от солнечных энергоустановок, тонн

В Европейском Союзе существуют два законодательных акта, которые могли бы влиять на фотоэлектрическую индустрию. Это Закон об отходах производства электрического и электронного оборудования — Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) и Правила обращения с опасными материалами — Regulation of Hazardous Substances. Ни один из этих документов не регулирует деятельность в производстве фотоэлектрических систем. [3].

Однако некоторые страны самостоятельно принимают законы о переработке отходов, в том числе от солнечной электроэнергетики. Италия уже приняла закон, требующий, чтобы ее компании занимались рециклингом отходов, начиная с 2012 года. Многие производители солнечной энергии в Европейском Союзе взяли на себя обязательства по добровольной переработки отходов от своей деятельности.

13 августа 2012 года были приняты поправки к Директивам WEEE, которые требуют внесения поправок в национальные законодательства об обязательной переработки фотоэлектричексих элементов.

Silicon Valley Toxics Coalition (SVTC — коалиция по солнечной токсичности силиконовой долины) утверждает, что для того, чтобы солнечная энергия по-настоящему была «зеленой», производители солнечных батарей должны сокращать и в конечном итоге полностью отказаться от использования токсичных материалов в производстве.

Фотоэлектрические модули солнечных батарей, содержат вещества, такие как стекло, алюминий и полупроводниковых материалов, которые могут быть успешно восстановлены и повторно использованы, либо в новых фотоэлектрических модулях или в производстве других продуктов.

Необходимо применение новейших технологий и методологических подходов в области обращения с отходами, в том числе и солнечных батарей, что позволит предприятиям более успешно реализовывать свои экологические проекты, а также создать деловую площадку для обмена новейшими разработками и опытом в области переработки вторичного материала.

Сам процесс переработки фотомодулей солнечных батарей выглядит следующим образом:

-        вначале модули разделяются на куски, затем перерабатываются в специальной мельнице до фракции с частицами размером менее 5 мм;

-        полупроводниковая пленка удаляется в процессе выщелачивания, который занимает примерно 4–6 часов;

-        стекло отделяется от жидкости в сепараторе;

-        затем материал попадает на вибросито, который окончательно разделяет этиленовые и винилацетатовые фракции от стекла, которое попадает на очистку методом полоскания;

-        после очистки стекло помещается в контейнеры для дальнейшей утилизации, а вода после промывки стекла фильтруется для извлечения металлов;

-        соединения металлов выпадают в осадок в процессе выщелачивания с использованием гидроксида натрия. После этого они могут быть использованы в полупроводниковом производстве, в том числе производстве новых солнечных батарей.

Современный процесс переработки солнечных батарей может восстановить до 90 % стекла, пригодного для использования в новых продуктах и до 95 % полупроводниковых материалов для использования в новом производстве, в том числе фотоэлементов для солнечных батарей.

В будущем, автоматизированные процессы переработки сделают возможным достичь утилизации более 95 % и восстанавливать сырье без затрат, или даже с прибылью. Рециклинг оказывает положительное воздействие на весь энергетический и экологической баланс фотогальванических технологий.

Проекты по переработке фотогальванических элементов проводят важную подготовительную работу для развития более экологичного и эффективного процесса рециклинга в промышленных масштабах. Уже сейчас усовершенствованные методы переработки могут обрабатывать сильно поврежденные модули, а также тонкопленочные модули в более качественные продукты. Методы переработки также успешно применяются для травления солнечные батарей, в том числе разбитых для получения новых продуктов, таких как мелкозернистый кремний.

Стандартизированные и автоматизированные рабочие процессы позволяют получать экономически и экологически оптимальный результат переработки. В дальнейшем должна быть разработана эффективная система утилизации, которая сможет перерабатывать объемы будущих отходов, что даст толчок для устойчивого развития фотоэлектрической промышленности.

Материалы и соединения, используемые в фотогальванических продуктах существенно влияют на последующую возможность их утилизации. Таким образом, уже при разработке новой технологии производства солнечной энергии, важно рассматривать, как эти материалы и соединения могут быть демонтированы и повторно использованы. Например, в настоящее время органические фотоэлектрические элементы наносятся на стекло, пластик или бумагу. Каждый из этих материалов имеет свои минусы: невозможность эффективной переработки, низкая экологичность, ограниченная производительность и т. д. Новая технология (использование наноматериалов на базе целлюлозы из древесины) является самой экологичной и эффективной.

Исследователи разработали солнечные батареи с использованием природных субстратов, полученных из древесины [4]. Эти субстраты были переработаны в целлюлозные нанокристаллы (Cellulose Nanocrystal; CNC), из которых ученые создали оптически прозрачную (как лист) подложку. Свет легко проходит через этот материал, а затем он поглощается очень тонким слоем органического полупроводника. Новая органическая солнечная ячейка пока достигает эффективности преобразования 2,7 %, что, тем не менее, является беспрецедентно высоким показателем для ячеек, выполненных из полностью разлагаемого материала.

Такие фотоэлектрические элементы могут быть быстро переработаны с помощью воды в конце их жизненного цикла. Во время процесса переработки, солнечные батареи погружаются в воду при комнатной температуре. Через несколько минут субстрат CNC растворяется, и фотоэлектрические элементы могут быть легко разделены на основные компоненты. Повышение содержания органических элементов в солнечных батареях поможет решить извечную дилемму: как сделать так, чтобы при помощи фотогальванических элементов перестать быть зависимыми от неэкологичных горючих видов топлива, и в то же время созданием таких элементов не загрязнять окружающую среду.

Литература:

1.      1 Кучеров А. В. Сравнительный технико-экономический анализ альтернативных источников энергии России / А. В. Кучеров, О. В. Шибилева // Известия высших учебных заведений. Серия: Экономика, финансы и управление производством. 2012.- № 03.- С. 108–111.

2.      Бобров П. Тара Солнца / П. Боборов // http://one_vision.jofo.ru/212950.html.

3.      Рустамов Н. А. Стандартизация и нетрадиционная энергетика / Н. А. Рустамов, Т. И. Андреенко, К. В. Чекарев // ЭСКО Электронный журнал энергосервисной компании «Экологическик систем», 2007. — № 6(6).

4.      Для переработки солнечных панелей из древесины достаточно простой воды // http://greenevolution.ru/2013/04/02/dlya-pererabotki-solnechnyx-panelej-iz-drevesiny-dostatochno-prostoj-vody/.