Вступ
Спочатку трохи термінології. Сонячні модулі або панелі часто називають «сонячними батареями». Такий термін може вводити в оману, адже «батарея» — надто широке поняття. Існують, наприклад, сонячні колектори, призначені для нагрівання теплоносія. Поняття «сонячна батарея» цілком підходить для сонячного колектора. Однак цей пристрій не має нічого спільного з фотоелектричними сонячними модулями, окрім джерела енергії — сонця.
Використані сонячні модулі, що відслужили свій строк, регулятори традиційно відносять до категорії електронних відходів (e-waste). Світовий річний обсяг електронних відходів у 2015 році оцінювався у 43,8 млн метричних тонн. Прогнозувалося, що у 2018 році він зросте до 50 млн тонн. Фотоелектричні панелі нині становлять лише частки відсотка світового обсягу електронних відходів. Сонячна енергетика — молода галузь, тому вона ще не встигла створити значні обсяги відходів. Водночас вона дуже швидко розвивається: лише за 2017 рік у світі було введено в експлуатацію близько 100 ГВт сонячних електростанцій. Світова встановлена потужність зростає експоненційно.
Тому через 10–15 років проблема утилізації сонячних панелей постане повною мірою. Оскільки ціни на компоненти сонячних електростанцій постійно знижуються, витрати на демонтаж об’єктів можуть дедалі сильніше впливати на економіку проєктів: їхня частка у витратах протягом життєвого циклу збільшуватиметься. Отже, ефективний підхід до утилізації сонячних панелей важливий і з цієї причини.
У 2016 році IRENA — Міжнародне агентство з відновлюваної енергетики — та МЕА, Міжнародне енергетичне агентство, опублікували спільну працю End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels. У ній докладно описано технології та стратегії утилізації фотоелектричних модулів. Цей досить об’ємний, стовідсотковий за обсягом документ можна розглядати як посібник із цієї теми.
У дослідженні зазначено, що до 2030 року у світі утвориться 1,7–8 млн тонн відходів фотовольтаїки накопиченим підсумком — залежно від розглянутих сценаріїв. Сценарій regular loss передбачає використання модулів протягом 30-річного строку служби, а early loss — дострокове завершення експлуатації з різних причин, наприклад через заміну морально застарілого обладнання сучаснішим. Такий обсяг «сонячного сміття» відповідає 3–16% сучасного річного обсягу електронних відходів. До 2050 року накопичений обсяг сонячних панелей, що завершили свій строк служби, суттєво зросте — до 60–78 млн тонн.
IRENA вважає, що річний обсяг відходів від сонячних панелей, які відпрацювали свій ресурс, у 2050 році становитиме 5 млн тонн. Це приблизно 10% усіх електронних відходів, утворених на Землі у 2014 році. Отже, прогнозований обсяг сонячних відходів буде значним, але все ж становитиме лише невелику частку всіх електронних відходів.
До речі, у цьому дослідженні прогнозувалося, що світова встановлена потужність сонячної енергетики досягне до 2050 року 4500 ГВт — проти приблизно 400 ГВт на час підготовки матеріалу.
Регулювання
У більшості країн сонячні панелі класифікують як загальні або промислові відходи, а поводження з ними здійснюється відповідно до звичайних вимог щодо оброблення та утилізації відходів. Окрім такого універсального регулювання, розробляють добровільні та нормативні підходи для спеціального управління «сонячними відходами».
Європейський Союз першим запровадив правила утилізації відходів сонячних електростанцій: модулі мають утилізуватися відповідно до Директиви про відходи електричного та електронного обладнання WEEE (2012/19/EU). З 2012 року положення директиви WEEE були включені до національного законодавства держав-членів ЄС, створивши перший ринок, де перероблення сонячних модулів є обов’язковим.
У США утилізацію панелей регулює Закон про збереження та відновлення ресурсів (Resource Conservation and Recovery Act), який є правовою основою управління небезпечними та безпечними відходами. У 2016 році Американська асоціація сонячної енергетики (SEIA) разом із виробниками модулів та монтажними організаціями започаткувала загальнонаціональну добровільну програму утилізації панелей. Вона має зробити ефективні рішення з перероблення доступнішими для споживачів.
У Японії відпрацьовані сонячні панелі підпадають під загальні правила поводження з відходами відповідно до Закону про управління відходами та громадську санітарію. У 2015 році було розроблено дорожню карту для просування схем збирання, перероблення та належного поводження з обладнанням відновлюваної енергетики, строк експлуатації якого завершився. У 2017 році Японська асоціація фотоелектричної енергетики (JPEA) опублікувала рекомендаційний посібник щодо належного поводження із сонячними модулями наприкінці строку їхньої служби. Додатково Національний інститут передових промислових наук і технологій розробляє технології перероблення.
У Китаї спеціальних правил утилізації сонячних модулів поки що немає. У межах національної науково-технічної програми протягом дванадцятої п’ятирічки фінансувалися дослідження та розробки у сфері поводження із «сонячними відходами».
В Індії відходами фотоелектричної енергетики опікується Міністерство довкілля, лісів та зміни клімату відповідно до Правил поводження з твердими відходами 2016 року та Правил щодо небезпечних та інших відходів, їхнього управління і транскордонного переміщення.
На міжнародному рівні новий стандарт лідерства в галузі екологічної сталості для фотоелектричних модулів — NSF 457 Sustainability Leadership of Photovoltaic Modules — містить критерії управління такими виробами після завершення строку їхньої експлуатації.
Політика виробників
Сьогодні багато виробників уже пропонують послуги з утилізації випущених ними сонячних модулів і створюють спеціалізовані підприємства для їхнього перероблення. Тут діє принцип розширеної відповідальності виробника (extended producer responsibility), що виходить за межі етапів продажу та експлуатації й охоплює також поводження з виробом після завершення строку його служби.
Наприклад, американська компанія First Solar ще у 2005 році створила глобальну програму зі збирання та перероблення власних сонячних модулів — тонкоплівкових панелей CdTe. Технологія дає змогу повторно використовувати 90% напівпровідникових матеріалів і скла. Із 2018 року переробні підприємства компанії працюють із нульовим скиданням рідких відходів.
Така політика виробників зумовлена не лише посиленням вимог регуляторів або «підвищеною соціальною відповідальністю». Перероблення сонячних модулів також має економічний сенс.
Технології перероблення
Як відомо, у ієрархії поводження з відходами на першому місці стоїть запобігання їх утворенню. У сонячній енергетиці це завдання вирішують завдяки постійному зниженню питомої матеріаломісткості виробів.
Останніми роками в Європі, Китаї, Японії, США та Кореї активно фінансувалися науково-дослідні й дослідно-конструкторські проєкти, що стосувалися технологій перероблення сонячних модулів. У цих самих регіонах спостерігалася значна патентна активність як у сфері перероблення кристалічного кремнію (c-Si), так і тонкоплівкових фотоелектричних модулів.
Можна розрізняти «грубе» перероблення — вилучення скла, алюмінію та міді, тобто матеріалів, що становлять основну масу модуля, — і глибоке перероблення (high-value recycling), яке передбачає вилучення практично всіх хімічних елементів, використаних у фотоелектричній панелі.
Оскільки нинішні обсяги «сонячних відходів» невеликі, модулі здебільшого переробляють на заводах, призначених для перероблення багатошарового скла, металів або електронних відходів. У результаті вилучають лише основні за масою матеріали — скло, алюміній і мідь, тоді як сонячні комірки та інші матеріали, зокрема пластмаси, спалюють або відправляють на полігони.
Тобто грубе перероблення аналогічне наявним технологіям повторного використання ламінованого скла в інших галузях промисловості й не забезпечує відновлення екологічно небезпечних, наприклад свинцю, кадмію та селену, або цінних матеріалів, таких як срібло, індій, телур і кремній.
Глибоке перероблення складається з трьох головних етапів: попередньої обробки з видаленням металевої рами та розподільної коробки; деламінації та видалення ламінувальної плівки; вилучення скла й металів.
Сонячні модулі складаються зі скла, алюмінію, міді та напівпровідникових матеріалів, які можна вилучати й використовувати повторно. Звичайні панелі з кристалічного кремнію за масою складаються з 76% скла, 10% полімерних матеріалів, 8% алюмінію, 5% кремнієвих напівпровідників, 1% міді, менш ніж 0,1% срібла та інших металів, зокрема олова й свинцю. У тонкоплівкових модулях частка скла значно більша: 89% у CIGS та 97% у CdTe.
Як уже зазначалося, нині обсяги відходів сонячної енергетики невеликі, оскільки галузь молода, а гарантійний строк служби модулів зазвичай становить 25 років і більше. Водночас у не такому вже далекому майбутньому очікується експоненційне зростання цих обсягів. До 2030 року вони збільшаться у 40 разів навіть у межах консервативного сценарію regular loss. У такому разі вартість вилучених матеріалів становитиме приблизно 450 млн доларів США. До 2050 року ринок зросте до 15 млрд доларів США на рік, а з накопиченого обсягу відходів можна буде виготовити 2 млрд сонячних модулів, що еквівалентно 630 ГВт потужності.
Сьогодні в Європі для повторного використання вилучають 65–70% матеріалів, із яких складаються сонячні модулі. Це відповідає Директиві ЄС WEEE. Європейський комітет зі стандартизації в електротехніці CENELEC розробив додатковий стандарт зі збирання та перероблення панелей — EN50625-2-4 і TS50625-3-5.
Стандарт містить адміністративні, організаційні та технічні вимоги, спрямовані на запобігання забрудненню й неналежному поводженню з відходами, мінімізацію викидів, збільшення частки відновлених матеріалів і розвиток операцій глибокого перероблення. Він також перешкоджає відправленню модулів-відходів на об’єкти, які не відповідають стандартним вимогам щодо охорони довкілля та здоров’я.
Стандарт передбачає конкретні вимоги до очищення відходів. Вміст небезпечних речовин у фракціях скла, що виходять після перероблення, не має перевищувати таких граничних значень:
- Кадмій: 1 мг/кг сухої речовини для кремнієвих модулів; 10 мг/кг сухої речовини для некремнієвих модулів.
- Селен: 1 мг/кг сухої речовини для кремнієвих модулів; 10 мг/кг сухої речовини для некремнієвих модулів.
- Свинець: 100 мг/кг сухої речовини.
Економіка демонтажу
Питання рентабельності перероблення сонячних модулів не має однозначної відповіді. Вважається, що за великих обсягів відходів — щонайменше 20 000 тонн на рік — відповідні переробні підприємства можуть досягти беззбитковості.
Економіку утилізації модулів часто розглядають у контексті ліквідації більших об’єктів. Проєктна та дозвільна документація для будівництва великих сонячних електростанцій зазвичай містить вимоги щодо демонтажу об’єктів після завершення строку їхньої служби та відновлення земельних ділянок до первісного стану.
Щоб чисті витрати на виведення з експлуатації були від’ємними, тобто окупалися, вартість вилучених матеріалів та/або вартість звільненої землі мають перевищувати витрати на демонтаж. З одного боку, повний демонтаж фотоелектричної сонячної електростанції є відносно простою операцією, оскільки на таких об’єктах немає капітальних споруд із серйозними фундаментами. З іншого боку, там використовується значна кількість сталі, міді та алюмінію, а цінність цих матеріалів цілком може перевищувати витрати на виведення об’єкта з експлуатації.
Економічний аналіз показує, що вартість металобрухту фотоелектричної електростанції — передусім сталі та міді — перевищує витрати на демонтаж. Це робить перероблення кращим рішенням, ніж захоронення відходів.
За сценаріїв глибокого перероблення чистий дохід від робіт із виведення об’єкта з експлуатації може становити 0,01–0,02 долара США на ват без урахування вартості землі.
Таким чином, за належної організації перероблення відходів сонячних електростанцій може бути вигідним навіть без додаткових стимулювальних або регуляторних заходів.
Висновок
Сьогодні відходи сонячних електростанцій не є значною світовою проблемою, оскільки їхні обсяги становлять лише частки відсотка електронного сміття, що щороку утворюється на планеті. Водночас завдання ефективного перероблення сонячних модулів після завершення строку їх використання вже ґрунтовно опрацьовано.
```
