تحديات إعادة تدوير الألواح الشمسية

ومن المتوقع أن تزيد نفايات الألواح الشمسية بأكثر من 4000 في المائة في العقد المقبل.هل صناعة إعادة تدوير الألواح الشمسية جاهزة للتعامل مع هذه الكميات؟ومع تزايد الطلب على الألواح الجديدة بشكل كبير وندرة المواد الخام، فإن السباق مستمر.

لوحة شمسيةأصبحت إعادة التدوير تحديًا حقيقيًا.تعد الطاقة الشمسية أمرًا بالغ الأهمية لاستراتيجية المملكة المتحدة لصافي الانبعاثات الصفرية، وهي خيار دائم ومستدام للشركات والأسر، وهي تنمو بسرعة.

في عام 2021، أضافت المملكة المتحدة 730 ميجاوات من القدرة الشمسية الجديدة، ليصل الحجم الإجمالي إلى 14.6 جيجاوات، بزيادة قدرها 5.3 في المائة عن عام 2020، وفي الربع الثاني من عام 2022، ساهمت الطاقة الشمسية بنسبة 6.4 في المائة من إجمالي توليد الكهرباء في المملكة المتحدة.ضمن استراتيجية أمن الطاقة لشهر أبريل، أكدت وزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية (BEIS) أنه بحلول عام 2035، من المتوقع أن يزيد نشر الطاقة الشمسية في المملكة المتحدة خمسة أضعاف، ليصل الحجم الإجمالي إلى 70 جيجاوات: حوالي 15 في المائة من المتوقع في المملكة المتحدة (وزيادة) متطلبات الكهرباء، بحسب ماكينزي.

إحدى القضايا الناشئة هي ما يجب فعله بشأن الألواح الشمسية بمجرد وصولها إلى نهاية عمرها الافتراضي الذي يبلغ 30 عامًا.ومع استمرار نمو السوق في الارتفاع في المستقبل، ستتزايد أيضًا كومة النفايات الشمسية.وفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، من المتوقع أن تولد المملكة المتحدة 30 ألف طن من النفايات الشمسية في العقد المقبل.بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تصل الزيادة في اللوحات القديمة إلى السوق في ثلاثينيات القرن الحاليالألواح الشمسيةمن الألفية تبدأ في التعثر.وتتوقع الوكالة الدولية للطاقة المتجددة أن تتراوح النفايات العالمية الناجمة عن الألواح الشمسية بين 1.7 مليون وثمانية ملايين طن في عام 2030.

علاوة على ذلك، يلوح في الأفق اختناق محتمل في توريد المواد الخام، حيث من المتوقع أن يتجاوز الطلب على الألواح توافر المكونات الخام.

يتزايد الضغط على صناعة إعادة تدوير الألواح الشمسية لزيادة قدرتها من أجل التعامل مع ارتفاع الألواح الميتة ودعم تصنيع الألواح الشمسية الجديدة.في يوليو/تموز، اقترح سام فاندرهوف، خبير صناعة الطاقة الشمسية، أنه - على مستوى العالم - يتم إعادة تدوير لوحة واحدة فقط من كل عشر ألواح كهروضوئية، وينتهي الأمر بالباقي في مكب النفايات، في إشارة مرة أخرى إلى بيانات من الوكالة الدولية للطاقة المتجددة.

متقيد بالقوانين

داخل المملكة المتحدة،يتم تصنيف الألواح الشمسية رسميًا على أنهاالكهربائية والإلكترونيةمعدات(EEE)، ضمن فئة مخصصة 14. وعلى هذا النحو، فإن الألواح الكهروضوئية مشمولة بلوائح نفايات الأجهزة الكهربائية والإلكترونية (WEEE)؛ويتم مراقبة نهاية عمرها الافتراضي، ويجري بالفعل تطوير البنية التحتية لإعادة تدوير الألواح الشمسية الصلبة.

يلتزم منتجو الألواح الشمسية بالانضمام إلى نظام امتثال المنتج (PCS)، والإبلاغ عن الحمولات المقدمة إلى السوق والحصول على مذكرات الامتثال لتغطية إعادة التدوير المستقبلية لتلك الوحدات.ويجب عليهم أيضًا وضع علامة على المنتجات لإرشاد المستخدمين ومرافق المعالجة بشأن تكوين المواد والتخلص الصحيح منها.

وفي الوقت نفسه، يجب على الموزعين جمع المنتجات منتهية الصلاحية.يجب أن يكون لديهم إجراء لاستعادة النفايات الكهروضوئية أو المساهمة في خطة الاستعادة المعتمدة من الحكومة.

ومع ذلك، وفقًا لسكوت بتلر، الرئيس التنفيذي لمنظمة Material Focus، وهي منظمة غير حكومية تمول من رسوم الامتثال لمخلفات المعدات الكهربائية والإلكترونية، هناك بعض الاعتبارات المميزة التي ستؤثر على استعادة الألواح الشمسية: الأسر.على الرغم من أنه منتج محلي، إلا أنه ليس شيئًا يستطيع الكثير من الناس التعامل معه بأنفسهم.

"أتصور أن عملية الإزالة يجب أن يشارك فيها متخصص مسجل في مجال الكهرباء الرئيسية... وقد يكون هو المفتاح لإدارة هذه [النفايات].في حين أن الأمر قد يكون صعبًا لأنهم غير مجهزين للتعامل مع النفايات، إلا أنه ليس من الصعب أن تصبح ناقلًا للنفايات.

يشير بتلر إلى أن الألواح الشمسية التي تقترب الآن من نهاية عمرها قد تكون صعبة في إعادة التدوير بسبب الاختلاف في التصنيع: "فيما يتعلق بإعادة التدوير، أعتقد أن التحدي مع الخلايا الكهروضوئية سيكون فهم الكيمياء لأنه، خاصة في البداية، هناك الكثير من الخلطات الكيميائية المختلفة التي تحدث.الأشياء التي ستبدأ في الظهور الآن هي قديمة جدًا، 20 عامًا هي دورة طويلة جدًا.لذلك ربما تكون هناك فجوة في المعلومات قد يلزم سدها فيما يتعلق بمن يطرح ما هو موجود في السوق وما هو عليه."

عمليات إعادة التدوير

تختلف عمليات إعادة تدوير الألواح وفقًا لتركيبة الألواح الشمسية، وأكثرها شيوعًا هو القائم على السيليكون.وشكلت الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون، المعروفة بقدرتها على تحمل التكاليف والمرونة، حصة 73.3 في المائة من السوق في عام 2020؛وتمثل الأغشية الرقيقة 10.4 في المائة، وتمثل الألواح المصنعة من مواد أخرى (حساسة للصبغ، والخلايا الكهروضوئية المركزة، والهجينة العضوية) النسبة المتبقية البالغة 16.3 في المائة (Chowdhury et al, 2020).

عندما يتم جمعها، أيلوحة كهروضوئيةمن الصعب تفكيكها.يمكن إزالة إطار الألومنيوم وصندوق التوصيل بكل بساطة؛الجزء الصعب هو لوح الزجاج المسطح المصفح، والذي يحتوي على كميات منخفضة من المعادن الحديدية وغير الحديدية والبلاستيك ومواد أشباه الموصلات.فيما يتعلق بحلول المعالجة، فإن التحدي ليس تقنيًا، حيث توجد تقنيات الانحلال الحراري والفصل المبرد (التجميد) والتقطيع الميكانيكي كتقنيات فصل للمواد المختلفة.التحدي الأكبر هو أن الألواح الكهروضوئية لا تولد نفايات مشابهة لنفايات التغليف أو المواد الاستهلاكية ذات العمر القصير.ولذلك فإن السؤال الأساسي هو سؤال اقتصادي: من سيستثمر في خط معالجة لا يعرف متى ستصل النفايات؟

تتضمن الألواح ذات الأغشية الرقيقة عملية معالجة تتطلب بعض الخطوات الإضافية لاستعادة مركب المعدن "تيلوريد الكادميوم" بطريقة سليمة بيئيًا.على الرغم من كونها خيارًا أقل شيوعًا، إلا أن الألواح ذات الأغشية الرقيقة تتمتع باستخدام مواد أكثر كفاءة، وتحتوي على مادة شبه موصلة أرق، مما يوفر التكلفة والكربون أثناء التصنيع.تعمل هذه الألواح بشكل أفضل في الإضاءة المنخفضة وفي الزوايا "المتطرفة"، وهي مفيدة للأسطح والواجهات الرأسية.

لاستعادة المواد، يتم تمزيق الألواح الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة لإزالة التصفيح، قبل فصل القطع الصلبة والسائلة بواسطة برغي دوار.تتم بعد ذلك إزالة الفيلم باستخدام الحمض والبيروكسيد، تليها إزالة المواد البينية بالاهتزاز، بينما يتم فصل الزجاج والمعدن المتبقي واستعادتهما.

إعادة تدوير الألواح الشمسية على نطاق واسع

على الرغم من تزايد مبادرات إعادة التدوير الحالية بشكل مطرد، إلا أنه يتم حاليًا استرداد ما بين 80 إلى 95 في المائة فقط من مواد الألواح الشمسية التي يتم إعادة تدويرها.ولتحقيق هذا الهدف، تقود شركة إدارة النفايات Veolia مشروعًا لإعادة تدوير الألواح الشمسية بالكامل على نطاق صناعي، في مشروع مستمر بتمويل من EIT RawMaterials.تعمل شركة ReProSolar على تطوير عملية عالية الكفاءة لإعادة تدوير الألواح الهالكة، مما يسمح باستعادة جميع مكونات الوحدات الكهروضوئية القائمة على السيليكون.

باستخدام تقنية التصفيح لفصل الخلية الشمسية عن اللوحة الزجاجية، تقوم العمليات الفيزيائية والكيميائية باستعادة جميع المواد، بما في ذلك الفضة النقية والسيليكون، دون تدمير الوحدات الكهروضوئية.

بالشراكة مع FLAXRES GmbH وROSI Solar، اثنانشركات التكنولوجياالتي تعمل على تطوير أساليب جديدة لاستعادة المواد الخام من الألواح الكهروضوئية، وسيختبر المشروع الجدوى على نطاق صناعي بحلول نهاية العام، حيث ستتم معالجة 5000 طن من الوحدات الكهروضوئية التي تم إيقاف تشغيلها سنويًا في مصنع تجريبي في ألمانيا في عام 2024.

يعد تسويق عملية إعادة التدوير الكاملة أمرًا أساسيًا لمواجهة التحدي الحالي في السوق، مما يوفر إمدادات قوية من مكونات الألواح الكهروضوئية المستردة لتلبية الطلب المتزايد على الألواح والتعامل مع الكميات المتزايدة من نفايات الألواح الشمسية.

ويمكن تحقيق مكاسب اقتصادية كبيرة من استعادة مكونات الألواح الكهروضوئية عالية القيمة مع تضخم الطلب.الفضة، على سبيل المثال، في حين تمثل 0.05 في المائة من وزن اللوحة، فإنها تشكل 14 في المائة من قيمتها السوقية.وتشمل المعادن الثمينة الأخرى والقابلة للاسترداد الألومنيوم والنحاس والتيلوريوم.ووفقا لشركة ريستاد إنيرجي، في حين تبلغ قيمة المواد المستردة من الألواح الكهروضوئية المنتهية عمرها حاليا 170 مليون دولار، فمن المقرر أن تصل قيمتها إلى أكثر من 2.7 مليار دولار في عام 2030.

إعادة تصميم الألواح الشمسية

بالإضافة إلى الابتكارات في عالم إعادة تدوير الألواح الشمسية، يتم أيضًا إعادة تصور تصميم الألواح مع وضع إعادة الاستخدام في الاعتبار.كشفت المنظمة الهولندية للبحث العلمي التطبيقي (TNO) عن الألواح الشمسية "التصميم لإعادة التدوير" (D4R) المطورة حديثًا في ديسمبر 2021، والتي تم تصنيعها لاعتبارات نهاية العمر الافتراضي.تم تصميم اللوحات، التي تم اختبارها لمدة 30 عامًا، لسهولة التفكيك دون إتلاف المكونات.

تحتوي الألواح المغلفة برقائق لاصقة على آلية تشغيل متكاملة لفصل الخلايا والإطارات.العملية منخفضة الطاقة ولا تتضمن أي عناصر سامة.

يضم البحث مشروعين، الأول هو مشروع DEREC، الذي قام بوضع تصور واختبار لوحات D4R على نطاق صغير لضمان تفكيكها بشكل نظيف بعد محاكاة فترة الخدمة.سيقوم مشروع PARSEC بعد ذلك بتوسيع نطاق التكنولوجيا إلى لوحات D4R كاملة الحجم للاستخدام التجاري والسكني.

في حين أنها لوحاتالمصنعةمنذ ما يقرب من 30 عامًا، والتي تشكل التحدي الحالي للقائمين بإعادة التدوير، يمكن لألواح D4R تبسيط عملية إعادة تدوير الألواح لدفع الصناعة إلى الأمام.وبالإضافة إلى الألواح الجديدة، يبحث الكونسورتيوم في تقنيات إعادة التدوير لنماذج الألواح الشمسية الحالية، لتحقيق الحصول على السيليكون النقي لإعادة استخدامه.

ختاماً

بشكل تراكمي، تظهر هذه الابتكارات واعدة في تركيزها على التسويق التجاري، على الرغم من استمرار القلق بشأن ما إذا كان سيتم تلبية النطاق المطلوب، مع زيادة حجم اللوحات القديمة والطلب على لوحات جديدة.ومع ذلك، إذا سارت جهود التسويق بشكل جيد، وإذا أمكن تنفيذ خطط تصنيع الألواح من المواد المستردة بالكامل، فإن صناعة الألواح الشمسية تتطلع إلى اقتصاد دائري قوي.