Czy będzie problem z recyklingiem modułów PV w przyszłości?

Wprowadzenie

Dziś pomówmy o problemie, który zaczyna się coraz częściej analizować. Produkujemy i instalujemy coraz więcej modułów PV i zaczynamy się zastanawiać, czy koszty utylizacji tych urządzeń nie spowodują problemów, które będą nas kosztować więcej niż wyprodukowana zielona energia. Zatem przeanalizujmy temat! Co do przyrostu systemów PV jest on imponujący! Oczekuje się, że globalna moc energii słonecznej wzrośnie do 4,5 terawata do 2050 r., ale spowoduje to rosnące obciążenie odpadami fotowoltaicznymi, które w tym samym roku mogą osiągnąć -70-80 milionów ton. Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA) oszacowała, że pod koniec 2016 r. na całym świecie było około 250 000 ton odpadów modułów PV [8][9][10][11].

Rys. 1. Przewidywany przyrost masy odpadów z instalacji PV na świecie - Źródło: Nat. Energia 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0645-2.

To wbrew pozorom dość istotny problem. Często w przypadku problemów środowiskowych są one ignorowane, dopóki nas nie przytłoczą. Tak samo jest z modułami PV, które staną się najważniejszym problemem odpadów, gdy pierwsza ich generacja zainstalowana na początku 2000 roku osiągnie koniec okresu użytkowania około 2030 roku.

Technologicznie wydawałoby się, że recykling modułów PV powinien się opłacać i to bardzo. Jednak ekonomika recyklingu modułów PV nie jest korzystna, ponieważ w celu odzysku stosunkowo niewielkich ilości cennych metali ze zużytych ogniw PV ponoszone są wysokie koszty przetwarzania. Moduły PV są w większości wykonane ze szkła, z mniejszą ilością aluminium, plastiku, miedzi i krzemu, a także śladowych ilości srebra i innych metali, w zależności od rodzaju panelu. Np. srebro stanowi niewielki procent masy krzemowego panelu słonecznego (0,3% do 0,4%), ale stanowi aż 60% wartości złomu modułu. Trudno je jednak odzyskiwać. Srebro jest trudne do odzyskania ze styków sitodrukowych, ponieważ srebro jest osadzone w kompozycie z materiałami dielektrycznymi i zaprojektowane tak, aby silnie przylegało do płytki krzemowej. Zyski wynikają głównie recyklingu aluminiowych ram, które można łatwo zdemontować i poddać recyklingowi [6].

Rys. 2. Przewidywany światowy przyrost liczby modułów, które będą musiały zostać poddane utylizacji [22]

Zadajmy sobie jednak pytanie, czy odpady z modułów PV to znaczne ilości, które przekraczają inne branże? Poniżej wykres przedstawia wzrost światowej produkcji tworzyw sztucznych, mierzony w tonach, począwszy od 1950 roku. W 1950 roku świat produkował tylko 2 miliony ton rocznie. Od tego czasu roczna produkcja wzrosła prawie 230-krotnie, osiągając 460 mln ton w 2019 roku! Nie mamy co się łudzić wartość ta wg szacunków wzrośnie do 1 miliarda ton rocznie w ciągu następnych czterech dekad! Borykamy się problem ich utylizacji oraz rosnącego udziału mikrocząstek tworzyw sztucznych w morzach i oceanach. Do 2019 roku świat wyprodukował 9,5 miliarda ton tworzyw sztucznych (potocznie nazywamy je „plastikami”) – to więcej niż jedna tona na każdą żyjącą obecnie osobę na świecie! Oczekuje się, że wskaźniki recyklingu poprawią się w tym czasie i wzrosną z 9% obserwowanych średnio na świecie w 2019 r. do 17 procent w 2060 r. Nadal będzie to niższy udział niż składowanie i spalanie, odpowiednio 50% i 18% [14] [16].

Oczywiście są kraje w Europie które mają wysokie wskaźniku odzysku tworzyw takie jak Niemcy, którzy dzięki przepisom i technologii wdrożyli efektywne systemy recyklingu. W krajach rozwijających się wygląda to jednak zupełnie inaczej. Wskaźniki są bardzo wysokie. Należy niestety podejrzewać, że podobnie może być z modułami PV. Kraje bogate sobie z tym problemem poradzą. W różny sposób. Przez odpowiednie przepisy i wdrażanie zaawansowanych technologii (odpady opakowanie są np. najczęściej spalane spalarniach z odzyskiem energii), ale drogich technologii. Istnieje zarażenie sprzedaży zużytych/używanych modułów PV do krajów biedniejszych i pozbycie się w ten sposób problemu. Tak się to dziej przecież ze starymi komputerami, elektroniką – czyli grupie odpadów, do których też należą moduły PV [14][15][16].

Rys. 3. Wzrost światowej produkcji tworzyw sztucznych, mierzony w tonach rocznie, począwszy od 1950 roku [14]

Podając ten przykład powyżej chcemy pokazać, że każda branża ma swoje problemy łańcucha produkcji oraz końcowej utylizacji. Tworzywa sztuczne są tutaj wzorcowym przykładem, że trzeba przygotować efektywne systemy prawne oraz technologie recyklingu. Inaczej możemy za dekadę się zastanawiać co zrobiliśmy nie tak?

Czy mamy dostępne technologie recyklingu modułów PV?

Zużyte moduły PV są rezerwuarem cennych materiałów, w tym aluminium, miedzi, srebra, krzemu i szkła. Istnieją cztery główne korzyści płynące z recyklingu paneli po zakończeniu ich eksploatacji: ograniczenie wyczerpywania się materiałów (np. srebra), unikanie emisji substancji toksycznych do środowiska (np. ołowiu i fluoru), generowanie przychodów ekonomicznych poprzez odzyskiwanie cennych materiałów z panelu ( np. aluminium, miedź oraz krzem i srebro o wysokiej czystości) oraz unikanie inwestycji w energię w celu wytworzenia materiałów pierwotnych w celu ich zastąpienia. Oczekuje się , że rynek recyklingu modułów PV osiągnie wartość 420-520- mln USD. do 2029 r. z CAGR na poziomie 13,1% w okresie prognozy. Jest to wartość wystarczająca do wyprodukowania około 50 milionów nowych paneli, dających 18 GW nowych mocy wytwórczych. Rynek ten przekroczy wartość 15 miliardów dolarów do 2050 roku, co odpowiednio można wykorzystać do produkcji dwóch miliardów paneli, czyli 630 GW nowych mocy. Zatem będzie to rynek dochodowy [8][17][18].

Dotychczas najczęstsze metody recyklingu modułów krzemowych, zwanych też c-Si PV, opierają się na procesach mechanicznych, termicznych i chemicznych. Recykling modułów PV wykonanych na bazie krzemu polega na demontażu ramy znajdującej się na modułach PV w celu oddzielenia części aluminiowych i szklanych – rysunek 4. Mamy jednak również technologie umożliwiacie przetwarzanie dowolnych modułów PV. W 2014 roku japońska Organizacja Rozwoju Nowej Energii i Technologii Przemysłowych (NEDO) opracowała już w 2014 roku innowacyjną technologię recyklingu PV, która oddziela i przetwarza różne rodzaje modułów (krzem krystaliczny, krzem cienkowarstwowy i CIS) [22][23].

Rys. 4. Proces technologiczny recyklingi modułów PV w fabryce Veolii (kolejne etapy oraz przykład jednej z pierwszych linii recyklingu modułów PV w Japonii w 2014 roku [14][23]

Przykładem może też być zakład recyklingu Veolii, który specjalizuje się w recyklingu klasycznych modułów PV. Typowy moduł PV z krzemu krystalicznego składa się z 65-75% szkła, 10-15% aluminiowa rama, 10% plastiku i 3-5% krzemu. Zakład recyklingu Veolii może demontować, sortować, przetwarzać i poddawać recyklingowi 95% przetwarzanych materiałów. Zakład poddawał recyklingowi 4000 ton w 2022 r. Po przetworzeniu i zapakowaniu posortowanych materiałów są one wysyłane do różnych branż w celu ponownego wykorzystania. Wśród nich dwie trzecie szkła jest poddawane recyklingowi i staje się stłuczką, która jest wysyłana do przemysłu szklarskiego; rama aluminiowa jest wysyłana do rafinerii aluminium; odpady z tworzyw sztucznych można wykorzystać jako paliwo w cementowni; odzyskany krzem można wykorzystać w przemyśle metali szlachetnych. Odzysk poszczególnych materiałów różni się w zależności od rodzaju modułów PV. Przedstawiono to na rysunku nr 5 [19][20][21][22][23].

Rys. 5. Porównanie odzysku poszczególnych materiałów w zależności od technologii modułów PV [19]

Materiały pochodzące z recyklingu są zwykle zanieczyszczone, co sprawia, że nadają się raczej do downcyklingu niż recyklingu jednak sytuacja ta się coraz bardziej poprawia. W przyszłości technologie pozwalać odzyskiwać np. krzem wysokiej czystości, co umożliwi powtórne jego wykorzystywanie w produkcji nowych modułów PV (oczywiście przy założeniu, ze technologia produkcji szybko nie będzie ewaluować nowe generacje modułów PV bez krzemu). Wskaźniki odzysku materiałów będą coraz wyższe bo cały czas obserwujemy w tym zakresie postęp technologii – pytanie czy będzie to opłacalne. Poniżej postęp w dziedzinie opracowywanych i wdrażanych technologii odzysku materiałów z modułów PV oraz szacowana ilość materiałów, które będzie możliwy do uzyskania w roku 20230 [10][15][16][17][18][19][22].

Rys. 6. Postęp w odzyskiwaniu masy z recyklingu krzemowych modułów fotowoltaicznych w ciągu ostatnich latach [10]

Rys. 7. Szacowana ilość materiałów które będziemy odzyskiwać z modułów PV wg raportu IRENA: End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels [22]

Jak wyglądają przepisy w zakresie recyklingu modułów PV i jak się je egzekwuje?

Jeśli będzie problem z opłacalnością to oczywiście jak w innych branżach będzie trzeba stosować wsparcie oraz określone sankcje za brak segregacji i utylizacji modułów PV. Tak się robi w innych branżach i umówmy się moduły PV nie są tutaj żadnym wyjątkiem! W zakresie recyklingu modułów PV są już określone przepisy. Unia Europejska, opracowała dyrektywę WEEE - 2012/19/UE (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive). Zalicza ona moduły PV jako urządzenia elektroniczne i wymaga dla nich 85% efektywności w odzyskiwaniu surowców wtórnych. Z tego przynajmniej 80% musi zostać wykorzystane w recyklingu lub dalszej produkcji. Zgodnie z unijnymi zaleceniami, producenci modułów PV zainstalowanych w UE powinni pokryć koszty ich zbiórki i recyklingu. W cenie modułu jest opłata ze recykling. Zatem wszystko zostało określone i opisane w zakresie wymogów co do których powinniśmy się stosować [20].

Rynek polski jest znacznie mniejszy niż w innych krajach Europy, ale jeśli weźmiemy pod uwagę panele zainstalowane tylko do 2010 roku, to już mówimy o 1,5 mln ton odpadów, które niebawem będą trafiały do recyklingu. Według szacunków w Polsce w najbliższych latach taki los czeka ponad 100 tys. ton zużytych instalacji fotowoltaicznych [21].

W Polsce z prawnego punktu widzenia odpady z paneli fotowoltaicznych traktowane są jak „elektrośmieci”. Nie można ich po prostu wyrzucić do kosza, czy też uznać za odpady wielkogabarytowe. Trzeba je dostarczyć do wyznaczonych punktów wyspecjalizowanych w recykling modułów PV. W takim przypadku koszt utylizacji paneli fotowoltaicznych w dużej mierze zależy od ich masy. Średnie ceny kształtują się na poziomie około 1,5 zł za kilogram. Średnia cena utylizacji w Polsce instalacji PV o mocy 10kWp na dzisiejsze ceny może wynieść zatem nawet 800zł [21][25].

W wielu krajach problem znaczenia recyklingu i jego kosztów jest zauważany. Holenderski rząd ogłosił plany podniesienia opłaty za recykling modułów fotowoltaicznych od 1 lipca. Holenderscy importerzy, którzy sprzedają panele słoneczne klientom w Holandii, będą musieli od 1 lipca płacić opłatę recyklingową w wysokości 40 euro (42,50 USD) za tonę. Obecnie płacą tylko 6,50 euro za tonę [5].

W USA składowanie starych modułów PV było generalnie tańsze niż ich recykling, ale zaczyna bardzo szybko to się zmieniać. Departament Energii USA również chce to odwrócić stosując odpowiednie przepisy. Koszt recyklingu modułów PV w USA waha się od 15 do 45 USD za moduł, w porównaniu z kosztem jego składowania od 1 do 5 USD. Ostatnio koszty te wzrastają jednak o kilkanaście procent rocznie w ostatnim roku. Jest to zmiana wynikająca ze zmiany podejścia władz poszczególnych stanów [7].

Czy można określić wpływ produkcji – eksploatacji i utylizacji modułów PV na środowisko?

Ok mamy technologie i mamy przepisy i ustawodawstwo. Obecnie poza efektywnymi technologiami recyklingu zaczynamy porównywać całościowo wpływ danej branży OZE na środowisko. Analizy cyklu życia (tzw. LCA - Life-cycle analysis) od wytwarzania do utylizacji są uzupełnieniem analiz ekonomicznych. W zakresie ekonomii wiemy, że systemy PV stają się bezkonkurencyjne. Wg ostatnich analiz koszty produkcji samych modułów po zainstalowaniu farmy PV „spłacają” się w dwa lata! W zakresie ekologicznym porównywanie nie jest to proste, a szczególnie porównywanie tak złożonych technologii jest szczególnie trudne. Istnieje jednak wiele opublikowanych naukowych badań dotyczących oceny ilości wytwarzanych gazów cieplarnianych z elektrowni różnego typu.

Tabela 1. Emisje gazów cieplarnianych w całym cyklu życia z urządzeń wytwórczych energii – Źródło: Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Electricity Generation: Update, NREL Fact Sheet (2021)

* Dotyczy elektrowni biomasowych, gazowych i węglowych niewykorzystujących technologii CCS (wychwytywania i magazynowania dwutlenku węgla)

NREL (National Renewable Energy Laboratory) w projekcie Life Cycle Assessment Harmonization (zharmonizowane wyniki środowiskowej oceny cyklu życia) uwzględniło 3000 takich badań i opublikowało zharmonizowane wyniki w dokumencie Life Cycle Greenhouse Gas Emissions from Electricity Generation (emisje gazów cieplarnianych w całym cyklu życia z urządzeń wytwórczych energii). Wytwarzanie różnych urządzeń powoduje uwalnianie różnych gazów cieplarnianych, nie tylko dwutlenku węgla. Przykładowo produkcja modułów fotowoltaicznych w zasadzie nie wymaga wytwarzania CO2, ale innych gazów cieplarnianych już tak. Celem łatwiejszego porównania wyników, używa się miary zwanej równoważnikiem dwutlenku węgla, wykorzystującej wpływ tego gazu jako punktu odniesienia [1][2][3][5][9][10].

Jak widzimy najnowsze badania wskazują, że przy zachowaniu odpowiedniej technologii oraz ustawodawstwa opisującego jakie są wymogi co do recyklingu urządzeń PV żadna katastrofa ekologiczna nam nie grozi jak próbują opisywać to niektórzy dziennikarze i analitycy. Nie ma technologii, która w sposób neutralny/pozytywny wpływa na środowisko. Wpływ jest zawsze jakiś – problem polega na jego określeniu i zapewnieniu warunków, aby można go kontrolować i najlepiej, aby był niższy/porównywalny niż konkurencyjne rozwiązania.

Podsumowanie – moim zdaniem

Powiedzieliśmy dziś i potwierdziliśmy: modułów PV, które będzie trzeba utylizować będzie niedługo (około 20 lat) bardzo dużo! Biorąc pod uwagę średni czas życia paneli wynoszący 25 lat, przewiduje się, że światowe odpady fotowoltaiczne osiągną od 4% do 14% całkowitej mocy wytwórczej do 2030 r. i mogą wzrosnąć do ponad 80% (około 78 mln ton) do 2050 r [11].

Rys. 8. Zmiana technologii modułów które będą podlegać recyklingowi [11]

Jednak w zakresie technologii to epoka! Dodatkowo mamy już w zasadzie technologie recyklingu modułów PV, które są coraz bardziej efektywne. Dodatkowo one będą ewaluować wraz ze zmianą technologii produkcji modułów PV – pokazano to na rysunku nr 8 (Nowe generacje modułów PV). Co do wpływu środowiskowego jest on zdecydowanie niższy niż klasyczne technologie. Energia wytwarzana węgla węglowa w wielu krajach wytwarza około setki milionów ton rocznie w toksycznych popiołów i żużli, a także cały dwutlenek węgla, który dostaje się do atmosfery. Recykling i łańcuchy dostaw dla każdego produktu są ważne i ważne dla fotowoltaiki, ale bardzo często różnego rodzaju przerażające historie o modułach PV, które będą wyrzucane do lasów i zatrują naszą planetę za 20lat są propagandą na granicy działań przeciwko zmianom klimatu.

Konieczne jest aby wdraża

procedury produkcji modułów PV uwzględniające odpowiedzialność producentów zgodnie np. z zasadą cradle to cradle. Tylko po to, aby uniknąć problemu, który zostanie rozwiązany przez kolejne pokolenia [24].

Jesteśmy na etapie początkowym rozwoju PV. Na razie mamy nawet problem w Polsce, polegający na tym, że nie ma wystarczającego strumienia odpadów z branży PV bo większość istniejących instalacji PV nie ma 5 lat. Nie ma póki co w Polsce możliwości wykazywania zakładanych w prawie wskaźników odzysku [26].

Podsumowując: Jesteśmy gotowi technologicznie na problem odpadów z branży modułów PV, który pojawi się za dekadę, dwie. Wg mnie nawet szybciej niż później, ponieważ inwestorzy mogą zacząć wymieniać istniejące instalacje PV przed okresem końca ich życia, ponieważ pojawia się technologie o wiele bardziej sprawne i tak tanie, że opłacać się będzie modyfikować istniejące farmy PV! Miejmy też więc świadomość, że branża PV może już wtedy pod względem technologii i cech zupełnie inaczej będzie wyglądać.

Literatura

1. https://cen.acs.org/environment/recycling/Solar-panels-face-recycling-challenge-photovoltaic-waste/100/i18 (15.06.2023)

2. https://www.technologyreview.com/2021/08/19/1032215/solar-panels-recycling/ (15.06.2023)

3. https://www.wsj.com/articles/the-solar-boom-will-create-millions-of-tons-of-junk-panels-11651658402 (15.06.2023)

4. https://www.powermag.com/blog/future-of-solar-energy-brighter-than-sun-rapid-innovations-pave-the-way/ (15.06.2023)

5. https://www.pv-magazine.com/2023/02/23/netherlands-raises-fee-for-solar-module-recycling/ (15.06.2023)

6. https://resource-recycling.com/recycling/2022/04/05/feds-want-industry-help-to-lower-pv-recycling-costs/ (15.06.2023)

7. https://resource-recycling.com/recycling/2023/06/12/us-landfilling-costs-jumped-sharply-last-year/ (15.06.2023)

8. Recent progress in silicon PV module recycling processes - www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921344922004463 (15.06.2023)

9. Technical challenges and opportunities in realizing a circular economy for waste photovoltaic modules - www.renewableengine.co.uk/wp-content/uploads/2020/10/Technical-Challenges-and-opportunities-in-realising-a-circular-economy-for-waste-photovoltaic-modules.pdf (15.06.2023)

10. A techno-economic review of silicon photovoltaic module recycling - https://www.researchgate.net/publication/332698777_A_techno-economic_review_of_silicon_photovoltaic_module_recycling (15.06.2023)

11. An overview of solar photovoltaic panels’ end-of-life material recycling - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211467X19301245 (15.06.2023)

12. https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2021/10/T12_2021_PV-Design-for-Recycling-Guidelines_Report.pdf (15.06.2023)

13. https://globenergia.pl/czy-moduly-fotowoltaiczne-sa-przyjazne-srodowisku-emisja-co2-w-produkcji-i-recyklingu/ (15.06.2023)

14. https://ourworldindata.org/plastic-pollution (15.06.2023)

15. https://www.plasticsforchange.org/blog/category/why-are-plastic-recycling-rate-so-low (15.06.2023)

16. https://www.statista.com/chart/18064/plastic-waste-in-the-us-municipal-solid-waste-disposal/ (15.06.2023)

17. https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/solar-panel-recycling-market/70224/ (15.06.2023)

18. https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-solar-panel-recycling-market (15.06.2023)

19. https://www.greentechrenewables.com/article/can-solar-panels-be-recycled (15.06.2023)

20. https://environment.ec.europa.eu/topics/waste-and-recycling/waste-electrical-and-electronic-equipment-weee_en (15.06.2023)

21. https://www.gramwzielone.pl/energia-sloneczna/105872/polski-pomysl-na-recykling-modulow-pv (15.06.2023)

22. Raport End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels - https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2016/08/PVPS-IRENA_recycling_report_slide_deck_summary_FINAL.pdf (15.06.2023)

23. https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/01/End_of_Life_Management_of_Photovoltaic_Panels_Trends_in_PV_Module_Recycling_Technologies_by_task_12.pdf(15.06.2023)

24. http://www.product-life.org/pl/c2c-od-kolyski-do-kolyski(15.06.2023)

25. https://corab.pl/aktualnosci/utylizacja-i-recykling-paneli-fotowoltaicznych-jak(15.06.2023)

26. https://wysokienapiecie.pl/34929-kto-zaplaci-za-recykling-paneli-fotowoltaicznych-w-polsce/(15.06.2023)