|
По состоянию на начало 2018 года нынешняя мировая мощность солнечных фотоэлектрических станций составляет около 400 ГВт, что является колоссальным прорывом по сравнению с 10 ГВт в 2007 году. Проблема утилизации солнечных панелей может взорваться с полной силой через два-три десятилетия и нанести значительный вред окружающей среде, поскольку возникнет огромное количество отходов, и их сложно перерабатывать.
Солнечные панели - это один из видов технологий, который интересует многих, и главная причина, по которой им уделяется столько внимания, связана с проблемами окружающей среды. Кроме того взрывной рост использования солнечной энергии также является результатом повышения стоимости электроэнергии с одной стороны и падением цены на солнечные панели.
Льготы и стимулы также внесли свой вклад в развитие солнечной энергетики. Но снижение затрат - это только одно из многих преимуществ солнечной энергии. Их применение позволяет не наносить вред здоровью и защитить окружающую среду, уменьшив зависимость от ископаемого топлива. Солнечная индустрия процветает. Использование солнечной энергии в мире стремительно растет. Появляется возможность не только сэкономить на счетах за электричество, но и уменьшить выбросы углекислого газа, а также улучшить здоровье окружающих.
Проблемы жизненного цикла солнечных панелей
Чистые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра являются возобновляемыми, так как не используют горючего топлива. Тем не менее, Земля и ее окружение состоят из ряда сложных систем, с различными путями для какого-либо загрязнения или деградации. Например, используемые материалы и методы установки могут сформировать углеродный след для системы производства электроэнергии, которая в данном случае будет чистой. Способ распределения ответственности за охрану окружающей среды - это показатели корпоративной эффективности. В конечном счете, эти показатели являются примером лидерства в области устойчивого развития на рынке фотоэлектрических систем.
Увы, но "зеленая" энергия солнечных панелей все еще влечет за собой воздействие на окружающую среду в течение всего жизненного цикла. В частности, фотоэлектрические модули, используемые для преобразования солнечного света в электричество - влекут за собой при производстве значительные затраты энергии, затрачиваемой на обработку материалов горнодобывающей и обрабатывающей промышленности, а также от воздействий отработанных материалов при утилизации в конце срока службы.
Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии солнечные электростанции подвергаются критике из-за высоких издержек, а также низкой стабильности комплексных составных и токсичности этих соединений, поскольку сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д. В настоящее время ведутся активные работы по созданию новых полупроводников для солнечных панелей, например, на основе висмута и сурьмы, но они пока находятся в стадии разработки.
Вредные воздействия на окружающую среду могут стать более заметными по мере развертывания большего количества фотоэлектрических систем. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что глобальная фотоэлектрическая мощность вырастет к 2040 году при существующей энергетической политике примерно до 2000 гигаватт и может превысить 4000 гигаватт в 2040 году при более амбициозных глобальным проектам получения чистой энергии. Таким образом, воздействие на окружающую среду фотоэлектрических модулей будет ключевой проблемой в масштабах отрасли.
В 2015 году Совет по зеленой электронике инициировал процесс разработки объективного, поддающегося проверке стандарта для определения высоких показателей производства и утилизации фотоэлектрических модулей. В соответствии с правилами Американского национального института стандартов был сформирован комитет по разработке стандартов, состоящий из сбалансированного состава производителей, исследователей и пользователей. В декабре 2017 года комитет доработал и опубликовал "Стандарт лидерства в области устойчивого развития для модулей PV" (SLS-PV).
Соответствие стандарту NSF / ANSI 457-2017 включает два типа критериев: продукта, которые применяются к продукту, заявленному на соответствие, и корпоративные критерии, которые применяются к производителю, который заявляет продукты, чтобы соответствовать стандарту. Стандарт разделен на семь категорий производительности: управление веществами, предпочтительное использование материалов, оценка жизненного цикла, энергоэффективность и использование воды, управление с истекшим сроком службы и проектирование для переработки, упаковка продукта и корпоративная ответственность.
Предоставляя структуру и цели производительности для фотоэлектрических модулей, NSF / ANSI 457-2017 применим не только к производителям, но и к покупателям. Это связано с тем, что стандарт обеспечивает согласованное определение ключевых атрибутов устойчивости и показателей эффективности, что в конечном итоге освобождает покупателей от трудной задачи реализации их собственных целей и амбиций.
Экономика утилизации
Вопрос рентабельности переработки солнечных моделей не имеет однозначного ответа. Считается, что при больших объемах отходов (минимум 20 000 тонн в год) можно достигнуть безубыточности процессов переработки в рамках соответствующих предприятий.
Вопрос экономики утилизации модулей часто рассматривается в контексте ликвидации более крупных объектов.
Проектная и разрешительная документация на строительство крупных солнечных электростанций как правило включает требования по демонтажу объектов после окончания срока их службы и восстановлению земельных участков до первоначального состояния.
Для того чтобы чистые затраты на вывод из эксплуатации были отрицательными (окупались), стоимость извлеченных материалов и/или стоимость освободившейся земли должны превышать затраты на вывод из эксплуатации. С одной стороны, полный демонтаж фотоэлектрической солнечной электростанции – достаточно простая операция, поскольку здесь нет капитальных строений с серьезными фундаментами. С другой стороны, на таких объектах используется большое количество стали, меди и алюминия, и ценность этих материалов вполне может превышать расходы на вывод эксплуатации.
В сценариях глубокой переработки чистый доход в результате работ по выводу объекта из эксплуатации может составлять US$0,01-0,02/Ватт (без учета стоимости земли). Таким образом, при надлежащей организации переработка отходов солнечных электростанций может быть выгодной даже без дополнительных мер стимулирования/регулирования.
Печальная статистика накопления отходов солнечной энергетики
Срок жизни современных конструкций оценивается в 20-30 лет. После этого надо будет позаботиться об избавлении от "солнечного мусора". Придется что-то делать с алюминиевыми рамами и стойками, а также с защитными стеклами - вместе они составят 85-95% отходов. Остальное - сами батареи, металлическая фольга, распределительные щиты, контактные коробки, соединительные провода, печатные платы, свинцовый припой. В состав солнечных панелей некоторых типов, например, тонкопленочных, входят ядовитые соединения - теллурид кадмия или диселенид меди и индия.
Использованные, отработавшие своё солнечные модули традиционно относятся регуляторами к категории электронного мусора (e-waste). Годовой мировой объём электронного мусора в 2015 составил 43,8 миллиона метрических тонн (оценка). А уже в 2019 году он превысил до 50 млн тонн. Фотоэлектрические панели сегодня — это всего лишь доли процента мирового объема электронных отходов. Да, солнечная энергетика — молодая отрасль и пока не успела сильно намусорить. В то же время мы знаем, насколько быстро она развивается. Глобальная установленная мощность растёт экспоненциально. Поэтому через 10-15 лет проблема утилизации солнечных панелей встанет достаточно остро.
Предполагается, что к 2030 году в мире образуется 1,7-8 млн тонн отходов солнечных панелей (накопленным итогом) в зависимости от рассмотренных сценариев (regular loss – использование модулей в течение 30-летнего срока службы, early loss – раннее окончание рока службы по разным причинам, например, замена морально устаревшего оборудования на более современное). Такое количество "солнечного мусора" соответствует 3-16% сегодняшнего годового объема электронных отходов.
А уже к 2050 году, годовой объем отходов отработанных солнечных панелей в (5 млн тонн) будет соответствовать более 10% всего электронного мусора, образованного на земле в 2014 году. То есть прогнозируемый объем "солнечных отходов" значителен, но он всё-таки будет составлять лишь незначительную процентную долю всех электронных отходов (e-waste).
Узаконенная утилизация
В большинстве стран солнечные панели классифицируются как общие или промышленные отходы, управление ими осуществляется в соответствии с обычными требованиями, касающимися обработки и утилизации отходов. Помимо такого универсального регулирования разрабатываются добровольные и нормативные подходы для специального управления "солнечным мусором".
Европейский союз (ЕС) первым ввёл правила утилизации отходов солнечных электростанций – модули должны утилизироваться в соответствии с Директивой об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) (2012/19/EU). С 2012 года положения Директивы WEEE были включены в национальное законодательство странами-членами ЕС, создав первый рынок, на котором переработка солнечных панелей обязательна.
В Соединенных Штатах утилизация панелей регулируется Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (Resource Conservation and Recovery Act), который является правовой основой для управления опасными и неопасными отходами. В 2016 году Ассоциация солнечной энергетики США (SEIA) в партнёрстве с производителями солнечных панелей и монтажными организациями запустила национальную программу добровольной утилизации панелей, которая направлена на то, чтобы сделать эффективные решения по переработке более доступными для потребителей.
В Японии отработанные солнечные панели подпадают под общие регламенты по управлению отходами (Waste Management and Public Cleansing Act). В 2015 году была разработана дорожная карта для продвижения схемы сбора, переработки и надлежащего обращения с оборудованием возобновляемой энергетики с истекшим сроком эксплуатации. В 2017 году японская Ассоциация солнечной энергетики (Japan Photovoltaic Energy Association — JPEA) опубликовала руководство по надлежащему обращению с солнечными модулями по окончании срока их службы (документ имеет рекомендательный характер). Дополнительно, Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (NEDO) разрабатывает технологию переработки.
На международном уровне новый стандарт лидерства в области экологической устойчивости для фотоэлектрических модулей (NSF 457 — Sustainability Leadership of Photovoltaic Modules) включает в себя критерии управления этими изделиями по окончании срока их эксплуатации.
Технологии переработки и извлечение материалов
Одной из основных проблем, стоящих перед отраслью, является утилизация накопителей энергии – аккумуляторов и непосредственно солнечных панелей. В солнечной энергетике данная задача решается посредством постоянного снижения удельной материалоемкости изделий и применения новых технологий и новых материалов.
В последние годы в Европе, Китае, Японии, США и Корее активно спонсировались проекты НИОКР, касающиеся технологий переработки солнечных панелей, и в тех же регионах была зарегистрирована значительная патентная активность как в области технологии переработки кристаллического кремния (c-Si), так и для тонкопленочных фотоэлектрических модулей.
Можно разделить "грубую" переработку (извлечение стекла, алюминия, меди — материалов, которые составляют основную массу модуля) и тонкую переработку (high-value recycling), подразумевающую извлечение практически всех химических элементов, используемых в фотоэлектрической панели.
В связи с тем, что сегодня объемы "солнечных отходов" невелики, модули в основном перерабатываются на заводах, предназначенных для переработки многослойного стекла, металлов или электронных отходов. В результате выделяются только основные (по массе) материалы — стекло, алюминий и медь, в то время как солнечные ячейки и другие материалы, такие как пластмассы, сжигаются (или отправляются на полигоны).
То есть 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. Тонкая переработка состоит из трех основных этапов: 1) предварительная обработка, включающая удаление металлической рамы и распределительной коробки, 2) деламинация и удаление ламинирующей плёнки и 3) извлечение стекла и металлов.
Солнечные модули состоят из стекла, алюминия, меди и полупроводниковых материалов, которые могут быть извлечены и использованы повторно. Обычные панели из кристаллического кремния состоят (по массе) из 76% стекла, 10% полимерных материалов, 8% алюминия, 5% кремниевых полупроводников, 1% меди, менее 0,1% серебра и других металлов, включая олово и свинец. В тонкопленочных модулях доля стекла гораздо выше — 89% (CIGS) и 97% (CdTe).
Сегодня в Европе извлекается для повторного использования 65-70% (по массе) материалов, из которых состоят солнечные модули, что соответствует Директиве ЕС WEEE. CENELEC, Европейский комитет по стандартизации электротехники, разработал дополнительный стандарт для сбора и переработки панелей (EN50625-2-4 и TS50625-3-5). В стандарте указаны различные административные, организационные и технические требования, направленные на предотвращение загрязнения и ненадлежащего обращения, минимизацию выбросов, содействие увеличению доли восстановленных материалов и операций по глубокой переработке. Он также препятствует отгрузке модулей-отходов на объекты, которые не соответствуют стандартным требованиям охраны окружающей среды и здоровья.
Производственные компании имеют способы сделать солнечную продукцию проще в утилизации, и некоторые компании предприняли инициативу, чтобы обеспечить этот процесс наиболее экологически чистым для окружающей среды. Многие из химических веществ имеют большой потенциал для переработки из-за их ценности. Когда у производителей появляются стимулы для переработки этих материалов, они снижают затраты. Новые технологии также проложили путь для использования органических продуктов, которые оказывают меньшее воздействие на окружающую среду.
Вместо эпилога
Сегодня отходы солнечных электростанций не являются глобальной мировой проблемой, поскольку их объёмы малы – доли процента электронного мусора (e-waste), образующегося на планете каждый год. При этом задача эффективной переработки солнечных панелей по окончании срока их использования уже основательно проработана. Производственные компании имеют возможность сделать солнечную продукцию проще в утилизации, и некоторые компании уже предприняли инициативу, чтобы обеспечить этот процесс наиболее экологически чистым для окружающей среды. Многие из химических веществ имеют большой потенциал для переработки из-за их ценности. Когда у производителей появляются стимулы для переработки этих материалов, они снижают затраты. Кроме того, новые технологии производства солнечных панелей также проложили путь для использования органических продуктов, которые оказывают меньшее воздействие на окружающую среду. |