Recykling odpadów z fotowoltaiki i farm wiatrowych

Dagmara Jagoda-Pużak
główny inżynier ekolog

Temat wyeksploatowanych łopat wiatrowych już dziś budzi szereg kontrowersji związanych z ich recyklingiem. Z roku na rok obserwuje się przyrost mocy zainstalowanej z farm wiatrowych. Zgodnie z ideą Gospodarki Obiegu Zamkniętego już dziś należy poszukiwać rozwiązań, co zrobić z turbinami po zakończeniu eksploatacji. Podobnie jest w przypadku fotowoltaiki, której intensywny rozwój zarówno w Europie, jak i w Polsce, niesie ze sobą potrzebę recyklingu, szacowaną na około 100 tys. paneli fotowoltaicznych, które za jakiś czas staną się odpadem.¹

Możliwe są trzy sposoby postępowania z wyeksploatowanymi turbinami wiatrowymi: składowanie, obróbka termiczna oraz recykling. Najbardziej problematyczna jest kwestia utylizacji bądź recyklingu łopat turbin wiatrowych, ze względu na zastosowanie w ich konstrukcji materiałów kompozytowych na bazie włókna szklanego. Materiały te nastręczają trudności w recyklingu w związku z mocnym związaniem włókien z żywicą a co się z tym wiąże, w ich rozdzielaniu tak, aby włókno nadawało się do ponownego wykorzystania¹⁰. Ponadto wysoka zawartość żywic (30%) sprawia, że składowanie jest praktycznie niemożliwe, gdyż wykluczają je regulacje zawarte w ramowej Dyrektywie Odpadowej nr 2008/98/WE⁸. Kolejnym problemem jest ekonomika procesu, ponieważ pierwotne włókno szklane jest bardzo tanie, co sprawia, że odbiorcom końcowym nie opłaca się kupować włókna odzyskanego z łopat turbin wiatrowych. Ponadto proces recyklingu włókna osłabia jego parametry wytrzymałościowe. Po odzyskaniu włókna szklanego z łopaty niezbędne są także kosztowne kąpiele chemiczne w celu przywrócenia w jak największym stopniu jego pierwotnych właściwości. ^1,10,11

W literaturze przedmiotu pojawia się koncepcja przedłużania czasu eksploatacji turbin wiatrowych. Teoretycznie czas pracy turbin przewidziany jest na 20 lat. Jednakże turbiny wiatrowe dość często pracują w korzystniejszych warunkach niż pierwotnie zakładano. W przypadku turbin pracujących w trudnych warunkach szacuje się, że można przedłużyć ich użytkowanie średnio o 13 lat.^1,3,10,11

Już dziś zarówno producenci paneli fotowoltaicznych, jak również dostawcy, zdają sobie sprawę z narastającego problemu przyszłości – ilości powstałych odpadów z wyeksploatowanych instalacji fotowoltaicznych. Zgodnie z danymi SolarPower Europe na koniec 2020 r. moc w fotowoltaice w 27 państwach członkowskich UE wyniosła 137,2 GW. Do 2024 roku prognozowany jest prawie dwukrotny wzrost do 252 GW. Taka ilość zainstalowanej mocy z fotowoltaiki wymusza ogromne zainteresowanie jej recyklingiem. ^1,3

W Europie zapotrzebowanie na recykling zużytych paneli fotowoltaicznych jest bardzo duże, w Polsce trochę mniejsze. Wynika to z faktu, że nasze panele fotowoltaiczne są stosunkowo młode i nie trafiają jeszcze jako odpad na składowiska odpadów, a ich żywotność sięga około 25 lat. Przy czym podkreślić należy, że są to dane od producentów i dystrybutorów, a okres żywotności paneli może być różny w zależności od warunków ich użytkowania. ^1,3

Według raportu Research & Markets „Europe Solar Panel Recykling Market 2020-2027” w roku 2020, wartość rynku wyniosła 49,1 mln dolarów. Zgodnie z prognozami średnioroczny wzrost będzie plasował się w okolicy 19%, co w efekcie w 2026 roku przybliży go do poziomu 165,8 mln dolarów. Zgodnie z danymi prognostycznymi wg Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej IRENA, szacuje się, że do 2050 roku powstanie rynek surowców wtórnych (z wymiany instalacji fotowoltaicznych), przede wszystkim szkła w ilości 78 mln ton. ^1,3 Recykling paneli fotowoltaicznych jest niezwykle istotny, ponieważ do 2030 r. na składowiskach może znaleźć się aż ćwierć miliona ton zużytych paneli. ^1,3

Panele fotowoltaiczne składają się z krzemu krystalicznego, a ich ogniwa wykonane są z półprzewodników krzemowych. Z tego typu instalacji można odzyskać cenne surowce tj. krzem, aluminium, szkło, a nawet metale szlachetne (np. srebro). ^8,9

Najpopularniejsze moduły fotowoltaiczne zbudowane są z:

• 76% - szkło,
• 10% - plastik,
• 8% - aluminium,
• 5% - krzem,
• 1% - pozostałe metale.

Recykling paneli fotowoltaicznych jest procesem złożonym i trudnym. Aby wykorzystać poszczególne elementy paneli, najpierw trzeba je rozłożyć, co jest czasochłonne i kosztowne.³

Australijscy naukowcy opracowali sposób na recykling zużytych paneli . Polega on na chemicznej i termicznej technice wydobywania krzemu, bez wykorzystywania niebezpiecznych substancji. Tak odzyskany krzem może być przekształcony do produkcji nanomateriału.⁴

W roku 2022 niemieccy naukowcy z Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics CSP i Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems opracowali technologię recyklingu paneli fotowoltaicznych, która nie tylko pozwala na odzyskanie niemal 100% krzemu ze zużytych urządzeń, ale również zastosowanie ich przy produkcji nowych ogniw typu PERC (Passivated Emitter Rear Cell). Naukowcy twierdzą, że ich metoda wkrótce może zostać skomercjalizowana i zastosowana na skalę przemysłową.⁶

Obecnie w Polsce recykling paneli fotowoltaicznych praktycznie nie istnieje. Do tego instalacje recyklingu paneli fotowoltaicznych są nieekonomiczne. W 2021 r. spółka technologiczno-badawcza 2loop Tech powołała konsorcjum z krakowską Akademią Górniczo–Hutniczą, w ramach którego wspólnie zaczęto opracowywać innowacyjne metody recyklingu. Do prowadzonych już badań dołączyła się także Spółka Esoleo. Badania przewidują, że wdrożenie specjalistycznej linii do recyklingu paneli fotowoltaicznych nastąpi do końca 2023 r.^1,3

Grupa PGE Polska Grupa Energetyczna S.A. również pracuje nad nowymi metodami recyklingu paneli fotowoltaicznych (ale również odpadami wiatrakowymi).⁶ Zakres prac obejmuje:

• recykling surowców z wyeksploatowanych paneli pv i odzysk m.in. aluminium, krzemu, srebra, stali i innych surowców,
• wykorzystanie łopat turbin wiatrowych w przemyśle cementowym, poprzez odzysk włókien kompozytowych czy też nadanie im nowych zastosowań,
• odzysk cennych metali z magazynów energii tj. manganu, litu, kobaltu, niklu i miedzi
• opracowanie nowych elementów konstrukcyjnych do budowy np. farm fotowoltaicznych, które w dużej mierze mogłyby zastąpić istniejące konstrukcje stalowe⁶.

Z danych literaturowych wynika, że istnieje szereg pomysłów na recykling łopat turbin wiatrowych. Jednym z nich jest wykorzystanie łopat turbin wiatrowych do produkcji cementu. Pomysł ten obecnie jest realizowany w Stanach Zjednoczonych i jest na etapie eksperymentu. Kolejnym pomysłem recyklingu łopat jest przekształcanie ich w procesie pirolizy na osobne części tj. fenol i włókna, które mogą zostać wykorzystane do produkcji kolejnych produktów. W Polsce łopaty turbin wiatrowych są przerabiane na ławki czy też huśtawki. Pojawiają się także propozycje upcyklingu, jednak potrzeba jeszcze czasu i pracy aby znaleźć właściwe rozwiązania dla recyklingu łopat turbin wiatrowych.⁹

Potrzeba stworzenia metod odzysku i recyklingu tego rodzaju materiałów jest mocnym bodźcem do rozwoju nauki w tym obszarze. Różnorodne sposoby rozwiązania problemów recyklingu łopat turbin wiatrowych i odpadów z fotowoltaiki dają nadzieję, że w perspektywie najbliższych lat powstaną wokół nas nowoczesne instalacje na skalę komercyjną.

1. https://www.cire.pl/artykuly/brak-kategorii/pelny-recykling-lopat-turbin-wiatrowych---przyszlosc-czy-zludna-nadzieja
2. https://smoglab.pl/recykling-wiatrakow/
3. https://www.cire.pl/artykuly/materialy-problemowe/187014-w-polsce-ponad-100-tys-paneli-fotowoltaicznych-niedlugo-stanie-sie-odpadem-konieczne-sa-inwestycje-w-ich-recykling
4. https://strefainwestorow.pl/w-zielonej-strefie/oze/recykling-paneli-fotowoltaicznych
5. https://www.rynekelektryczny.pl/inicjatywa-pge-w-zakresie-recyklingu-paneli-pv-i-wiatrakow/
6. https://soltec.pl/pl/blog/post/utylizacja-i-recykling-paneli-fotowoltaicznych-najwazniejsze-informacje-.html
7. https://e-magazyny.pl/aktualnosci/oze/jaki-moze-byc-los-zuzytych-lopat-turbin-wiatrowych/
8. DYREKTYWA PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY 2008/98/WE z dnia 19 listopada 2008 r.
9. Fotowoltaika - informacje ogólne - Kompania Solarna
10. „Procesy termiczne i chemiczne w recyklingu ogniw i modułów fotowoltaicznych z krystalicznego krzemu” Rozprawa doktorska, Piotr Ostrowski, Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego, Gdańsk 2010.
11. Pełny recykling łopat turbin wiatrowych - przyszłość czy złudna nadzieja? - MATERIAŁY PROBLEMOWE (cire.pl)