ความท้าทายของการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์

ขยะแผงโซลาร์เซลล์คาดว่าจะเพิ่มขึ้นมากกว่าร้อยละ 4,000 ในทศวรรษหน้าอุตสาหกรรมรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์พร้อมที่จะรับมือกับปริมาณเหล่านี้แล้วหรือยัง?เนื่องจากความต้องการแผงใหม่เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณและวัตถุดิบก็ขาดแคลน การแข่งขันจึงดำเนินต่อไป

แผงเซลล์แสงอาทิตย์การรีไซเคิลกำลังกลายเป็นความท้าทายอย่างแท้จริงพลังงานแสงอาทิตย์ถือเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและยั่งยืนสำหรับธุรกิจและครัวเรือน ซึ่งมีความสำคัญต่อกลยุทธ์ Net Zero ของสหราชอาณาจักร และกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว

ในปี 2021 สหราชอาณาจักรเพิ่มกำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่ 730MW ทำให้ปริมาณโดยรวมอยู่ที่ 14.6GW เพิ่มขึ้น 5.3% จากปี 2020 และในไตรมาสที่สองของปี 2022 พลังงานแสงอาทิตย์มีส่วนคิดเป็น 6.4% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดในสหราชอาณาจักรภายใต้ยุทธศาสตร์ความมั่นคงด้านพลังงานของเดือนเมษายน กระทรวงธุรกิจ พลังงาน และยุทธศาสตร์อุตสาหกรรม (BEIS) ยืนยันว่าภายในปี 2578 การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ของสหราชอาณาจักรคาดว่าจะเพิ่มขึ้น 5 เท่า ซึ่งจะทำให้ปริมาณโดยรวมอยู่ที่ 70GW: ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ของที่คาดการณ์ไว้ของสหราชอาณาจักร (และเพิ่มขึ้น) ความต้องการไฟฟ้า ตามข้อมูลของ McKinsey

ปัญหาที่กำลังเกิดขึ้นคือจะทำอย่างไรกับแผงโซลาร์เซลล์เมื่อแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุการใช้งาน 30 ปีในขณะที่การเติบโตของตลาดยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในอนาคต ขยะจากแสงอาทิตย์ที่เพิ่มมากขึ้นก็เช่นกันตามรายงานของสำนักงานพลังงานทดแทนระหว่างประเทศ (IRENA) สหราชอาณาจักรคาดว่าจะสร้างขยะจากแสงอาทิตย์ 30,000 ตันในทศวรรษหน้านอกจากนี้ คาดการณ์ว่าแผงที่เลิกใช้งานแล้วจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงทศวรรษ 2030แผงเซลล์แสงอาทิตย์จากสหัสวรรษเริ่มสะดุดIRENA คาดการณ์ของเสียทั่วโลกจากแผงโซลาร์เซลล์จะอยู่ระหว่าง 1.7 ล้านถึงแปดล้านตันในปี 2573

นอกจากนี้ ปัญหาคอขวดที่อาจเกิดขึ้นในการจัดหาวัตถุดิบยังมีความต้องการแผงที่เกินกว่าความพร้อมของส่วนประกอบบริสุทธิ์

ความกดดันกำลังสร้างแรงกดดันให้อุตสาหกรรมรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ต้องเพิ่มกำลังการผลิตเพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของแผงโซลาร์เซลล์ที่เลิกใช้งาน และสนับสนุนการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ใหม่ในเดือนกรกฎาคม Sam Vanderhoof ผู้เชี่ยวชาญด้านอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์แนะนำว่าทั่วโลก มีเพียงหนึ่งในสิบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) เท่านั้นที่ถูกรีไซเคิล โดยส่วนที่เหลือจะถูกนำไปฝังกลบ โดยอ้างอิงข้อมูลจาก IRENA อีกครั้ง

กฎระเบียบและการปฏิบัติตาม

ภายในสหราชอาณาจักรแผงโซลาร์เซลล์มีการจัดประเภทอย่างเป็นทางการว่าไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์(EEE) ภายใต้หมวดหมู่ 14 โดยเฉพาะ ดังนั้น แผงเซลล์แสงอาทิตย์จึงได้รับการคุ้มครองโดยกฎระเบียบ EEE ของเสีย (WEEE)การสิ้นสุดอายุการใช้งานได้รับการตรวจสอบ และการพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ที่แข็งแกร่งกำลังดำเนินการอยู่

ผู้ผลิตแผงโซลาร์เซลล์มีหน้าที่ต้องเข้าร่วม Producer Compliance Scheme (PCS) โดยรายงานน้ำหนักที่นำออกสู่ตลาด และรับบันทึกการปฏิบัติตามข้อกำหนดเพื่อครอบคลุมการรีไซเคิลในอนาคตของหน่วยเหล่านั้นพวกเขายังต้องทำเครื่องหมายผลิตภัณฑ์เพื่อแนะนำผู้ใช้และสถานบำบัดเกี่ยวกับองค์ประกอบของวัสดุและการกำจัดที่ถูกต้อง

ผู้จัดจำหน่ายจะต้องรวบรวมผลิตภัณฑ์ที่หมดอายุการใช้งานไปพร้อมๆ กันพวกเขาต้องมีขั้นตอนการรับคืนสำหรับของเสียจาก PV หรือมีส่วนร่วมในโครงการรับคืนที่ได้รับการอนุมัติจากรัฐบาล

อย่างไรก็ตาม ตามคำกล่าวของ Scott Butler ประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ Material Focus ซึ่งเป็นองค์กรพัฒนาเอกชนที่ได้รับทุนจากค่าธรรมเนียมการปฏิบัติตาม WEEE มีข้อควรพิจารณาบางประการที่ชัดเจนซึ่งจะส่งผลต่อการกู้คืนแผงโซลาร์เซลล์: “ด้วย PV คุณจะคาดหวังว่าจะมีความสัมพันธ์ระหว่างผู้ติดตั้ง/ผู้ถอดการติดตั้งสำหรับ ครัวเรือนแม้ว่าจะเป็นผลิตภัณฑ์ในประเทศ แต่ก็ไม่ใช่สิ่งที่หลาย ๆ คนจะสามารถจัดการได้ด้วยตนเอง

“ฉันคิดว่าการถอนการติดตั้งจะต้องเกี่ยวข้องกับผู้เชี่ยวชาญที่ได้รับการขึ้นทะเบียนสำหรับระบบไฟฟ้าหลัก… และสิ่งเหล่านี้อาจเป็นกุญแจสำคัญในการจัดการ [ของเสีย] นี้แม้ว่าอาจเป็นเรื่องยากเนื่องจากพวกเขาไม่ได้เตรียมพร้อมรับมือกับขยะ แต่ก็ไม่ใช่เรื่องยากนักที่จะเป็นผู้ขนส่งขยะ”

บัตเลอร์ตั้งข้อสังเกตว่าแผงโซลาร์เซลล์ที่ใกล้หมดอายุการใช้งานอาจเป็นความท้าทายในการรีไซเคิลเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในการผลิต: "ในแง่ของการรีไซเคิล ผมคิดว่าความท้าทายของ PV จะต้องทำความเข้าใจกับเคมี เพราะโดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้น มีสารเคมีหลายชนิดผสมกันเกิดขึ้นของที่จะเริ่มออกตอนนี้ก็ค่อนข้างเก่าแล้ว 20 ปีเป็นวงจรที่ค่อนข้างยาวดังนั้นอาจมีช่องว่างข้อมูลที่อาจต้องเสียบปลั๊กว่าใครเป็นผู้วางตลาดและคืออะไร”

กระบวนการรีไซเคิล

กระบวนการรีไซเคิลสำหรับแผงแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบของแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ซิลิคอนแผงโซลาร์เซลล์ชนิดซิลิกอนเป็นที่รู้จักในด้านความสามารถในการจ่ายและความยืดหยุ่น โดยมีส่วนแบ่งตลาดถึง 73.3 เปอร์เซ็นต์ในปี 2020ฟิล์มบางคิดเป็นร้อยละ 10.4 และแผงที่ผลิตจากวัสดุอื่นๆ (ไวต่อสีย้อม เซลล์แสงอาทิตย์เข้มข้น ลูกผสมอินทรีย์) คิดเป็นร้อยละ 16.3 ที่เหลือ (Chowdhury et al, 2020)

เมื่อรวบรวมแล้วแต่อย่างใดแผงพีวีเป็นการยากที่จะถอดแยกชิ้นส่วนสามารถถอดโครงอะลูมิเนียมและกล่องรวมสัญญาณออกได้อย่างง่ายดายส่วนที่ท้าทายคือแผ่นกระจกแบนเคลือบซึ่งมีโลหะที่เป็นเหล็กและไม่ใช่เหล็ก พลาสติก และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในปริมาณต่ำในส่วนของโซลูชันการบำบัด ความท้าทายไม่ได้อยู่ที่ด้านเทคนิค เนื่องจากไพโรไลซิส การแยกด้วยความเย็นจัด (แช่แข็ง) และการทำลายเชิงกลเป็นเทคนิคการแยกสำหรับวัสดุต่างๆความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือแผงเซลล์แสงอาทิตย์ไม่สร้างของเสียที่คล้ายกับของเสียจากบรรจุภัณฑ์หรือวัสดุสิ้นเปลืองที่มีอายุการใช้งานสั้นดังนั้น คำถามหลักคือประเด็นทางเศรษฐกิจ ใครจะลงทุนในสายการบำบัดซึ่งไม่รู้ว่าของเสียจะมาถึงเมื่อใด

แผงฟิล์มบางเกี่ยวข้องกับกระบวนการบำบัด ซึ่งต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่อนำ 'แคดเมียมเทลลูไรด์' ของโลหะผสมกลับมาใช้ใหม่อย่างเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแม้ว่าตัวเลือกที่ได้รับความนิยมน้อยกว่า แต่แผงฟิล์มบางก็มีการใช้วัสดุที่มีประสิทธิภาพมากกว่า โดยมีสารกึ่งตัวนำที่บางกว่า ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนและคาร์บอนในระหว่างการผลิตแผงเหล่านี้ทำงานได้ดีกว่าในที่มีแสงน้อยและในมุม 'สุดขั้ว' ซึ่งมีประโยชน์สำหรับพื้นผิวแนวตั้งและส่วนหน้า

ในการนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางจะถูกฉีกเพื่อขจัดการเคลือบออก ก่อนที่เศษของแข็งและของเหลวจะถูกแยกออกจากกันด้วยสกรูหมุนจากนั้นฟิล์มจะถูกกำจัดออกโดยใช้กรดและเปอร์ออกไซด์ ตามด้วยการขจัดวัสดุที่อยู่ระหว่างชั้นด้วยการสั่นสะเทือน ในขณะที่แก้วและโลหะที่เหลือจะถูกแยกและนำกลับมาใช้ใหม่

การรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ในระดับขนาดใหญ่

แม้ว่าความคิดริเริ่มในการรีไซเคิลในปัจจุบันจะเติบโตอย่างต่อเนื่อง แต่ในปัจจุบันมีเพียง 80 ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ของวัสดุแผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้ในการรีไซเคิลเท่านั้นที่ได้รับการกู้คืนเพื่อก้าวไปข้างหน้า บริษัทจัดการขยะ Veolia กำลังเป็นผู้นำโครงการนำแผงโซลาร์เซลล์กลับมาใช้ใหม่อย่างเต็มรูปแบบในระดับอุตสาหกรรม ในโครงการที่กำลังดำเนินอยู่ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจาก EIT RawMaterialsReProSolar กำลังพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงในการรีไซเคิลแผงที่หมดอายุการใช้งาน ซึ่งช่วยให้สามารถกู้คืนส่วนประกอบโมดูล PV ที่ใช้ซิลิคอนทั้งหมดได้

ด้วยการใช้เทคโนโลยีการแยกชั้นเพื่อแยกเซลล์แสงอาทิตย์ออกจากแผ่นกระจก กระบวนการทางกายภาพและเคมีจะกู้คืนวัสดุทั้งหมด รวมถึงเงินบริสุทธิ์และซิลิคอน โดยไม่ทำลายโมดูล PV

ในความร่วมมือกับ FLAXRES GmbH และ ROSI Solar สองแห่งบริษัทเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนาวิธีการใหม่ในการเรียกคืนวัตถุดิบจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ โครงการนี้จะทดสอบความเป็นไปได้ในระดับอุตสาหกรรมภายในสิ้นปีนี้ โดยจะมีการประมวลผลโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ที่เลิกใช้งานแล้วจำนวน 5,000 ตันต่อปีที่โรงงานสาธิตในเยอรมนีในปี พ.ศ. 2567

การนำกระบวนการรีไซเคิลที่สมบูรณ์ไปสู่เชิงพาณิชย์เป็นกุญแจสำคัญในการตอบสนองความท้าทายของตลาดในปัจจุบัน โดยนำส่วนประกอบแผง PV ที่นำกลับมาใช้ใหม่มาใช้เป็นจำนวนมาก เพื่อตอบสนองความต้องการแผงที่เพิ่มขึ้น และการจัดการปริมาณขยะแผงโซลาร์เซลล์ที่เพิ่มขึ้น

ผลกำไรทางเศรษฐกิจที่สำคัญอาจมาจากการฟื้นตัวของส่วนประกอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีมูลค่าสูงตามความต้องการที่เพิ่มขึ้นตัวอย่างเช่น เงิน แม้จะคิดเป็น 0.05 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแผง แต่ก็คิดเป็น 14 เปอร์เซ็นต์ของมูลค่าตลาดโลหะมีค่าและนำกลับมาใช้ใหม่ได้อื่นๆ ได้แก่ อะลูมิเนียม ทองแดง และเทลลูเรียมจากข้อมูลของ Rystad Energy แม้ว่าวัสดุที่ได้รับจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่หมดอายุการใช้งานจะมีมูลค่า 170 ล้านเหรียญสหรัฐ แต่คาดว่าจะมีมูลค่ามากกว่า 2.7 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2573

การออกแบบแผงโซลาร์เซลล์ใหม่

นอกเหนือจากนวัตกรรมในโลกของการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์แล้ว การออกแบบแผงยังได้รับการคิดใหม่โดยคำนึงถึงการนำกลับมาใช้ใหม่องค์การเพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ประยุกต์แห่งเนเธอร์แลนด์ (TNO) เปิดเผยแผงโซลาร์เซลล์ "การออกแบบเพื่อการรีไซเคิล" (D4R) ที่พัฒนาขึ้นใหม่ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2564 ซึ่งผลิตขึ้นเพื่อพิจารณาถึงการสิ้นสุดอายุการใช้งานแผงซึ่งมีอายุการใช้งาน 30 ปีที่ได้รับการทดสอบแล้ว ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ถอดแยกชิ้นส่วนได้ง่ายโดยไม่ทำให้ส่วนประกอบเสียหาย

แผงที่ห่อหุ้มด้วยฟอยล์มีกาวยึดกลไกทริกเกอร์แบบบูรณาการสำหรับการแยกเซลล์และเฟรมกระบวนการนี้ใช้พลังงานต่ำและไม่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่เป็นพิษ

การวิจัยนี้จัดทำโดยสองโครงการ โครงการแรกคือโครงการ DEREC ซึ่งวางแนวคิดและทดสอบแผง D4R ในขนาดเล็ก เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถแยกชิ้นส่วนได้สะอาดตามอายุการใช้งานที่จำลองไว้จากนั้น โครงการ PARSEC จะขยายเทคโนโลยีให้เป็นแผง D4R ขนาดเต็มสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และที่อยู่อาศัย

ในขณะที่มันเป็นแผงผลิตเมื่อเกือบ 30 ปีที่แล้ว ซึ่งเป็นความท้าทายในปัจจุบันสำหรับผู้รีไซเคิล แผง D4R สามารถทำให้การรีไซเคิลแผงง่ายขึ้นเพื่อขับเคลื่อนอุตสาหกรรมไปข้างหน้านอกเหนือจากแผงใหม่นี้ กลุ่มความร่วมมือกำลังวิจัยเทคนิคการรีไซเคิลสำหรับแผงโซลาร์เซลล์รุ่นปัจจุบัน เพื่อให้ได้มาซึ่งซิลิคอนบริสุทธิ์เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่

สรุปแล้ว

โดยรวมแล้ว นวัตกรรมเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มในการมุ่งเน้นไปที่การค้า แม้ว่าความกังวลจะยังคงอยู่ที่ว่าจะบรรลุตามขนาดที่ต้องการหรือไม่ โดยทั้งปริมาณแผงที่เลิกใช้แล้วและความต้องการแผงใหม่ที่เพิ่มขึ้นอย่างไรก็ตาม หากความพยายามในเชิงพาณิชย์เป็นไปด้วยดี และหากสามารถจัดส่งแผนการผลิตแผงจากวัสดุที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์ อุตสาหกรรมแผงโซลาร์เซลล์ก็กำลังมองหาเศรษฐกิจหมุนเวียนที่แข็งแกร่ง