طريقة نظيفة لإعادة تدوير الألواح الشمسية.. استعادة السيليكون والفضة والنحاس بدون استخدام مواد كيميائية سامة

داخل حاوية شحن في منطقة صناعية في البندقية، تحاول الشركة الإيطالية الناشئة 9-Tech حل مشكلة عالمية تلوح في الأفق، وهي كيفية إعادة تدوير 54 مليون إلى 160 مليون طن من وحدات الطاقة الشمسية بشكل مسؤول والتي من المتوقع أن تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي، بحلول عام 2050.

واستعادة المواد لن يكون سهلا. تم تصميم الألواح الشمسية لتتحمل أي بيئة على الأرض لمدة تتراوح بين 20 إلى 30 عامًا، وحتى بعد البقاء في الشمس لمدة ثلاثة عقود، يصعب تفكيك الأجهزة.

تقوم معظم مرافق إعادة التدوير برمي السيليكون والفضة والنحاس – وهي المواد الأكثر قيمة ولكن الأقل سهولة في الوصول إليها في الألواح الشمسية القديمة – وتستعيد إطارات الألومنيوم والألواح الزجاجية فقط.

سوف تتزايد الحاجة إلى إعادة التدوير مع قيام العالم بنشر الطاقة الشمسية بشكل متزايد، وقد تم بالفعل نشر أكثر من 1.2 تيراواط من الطاقة الشمسية على مستوى العالم، يتم حاليًا توزيع الألواح الشمسية بمعدل يزيد عن 400 جيجاوات سنويًا، ومن المتوقع أن يرتفع المعدل إلى 3 تيراواط سنويًا بحلول عام 2030، وفقًا لتحليل الأدبيات التي أجراها باحثون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL).

وقف تراكم جبل من النفايات الكهروضوئية

في محاولة لوقف تراكم جبل من النفايات الكهروضوئية، يسعى الباحثون إلى اتباع طرق أفضل لإعادة التدوير.

يمكن للطرق الأكثر تقدمًا المقترحة حتى الآن استرداد ما لا يقل عن 90 بالمائة من النحاس والفضة والسيليكون والزجاج والألمنيوم في وحدة كهروضوئية من السيليكون البلورية.

لكن هذه العمليات مكلفة وغالباً ما تتضمن مواد كيميائية سامة. لم تثبت أي طريقة لإعادة التدوير أنها رخيصة الثمن مثل دفن النفايات، وعدد قليل جدًا منها يعمل على نطاق صناعي، كما يقول غارفين هيث، المهندس البيئي الرئيسي في NREL، الذي يدير مجموعة من الخبراء الدوليين المعينين من قبل وكالة الطاقة الدولية لتحليل استدامة الطاقة الكهروضوئية.

يقول مؤسسو 9-Tech أن لديهم طريقة أفضل. إن عمليتهم صاخبة وتتضمن فرن الاحتراق، وحمام الموجات فوق الصوتية، والفرز الميكانيكي، حيث تهز اهتزازاتهم أرضية حاوية الشحن المتواضعة حيث يختبرون تشغيلهم منذ ما يقرب من عامين. يقول فرانشيسكو ميسيروتشي ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في 9-Tech، إن الشركة لا تستخدم أي مواد كيميائية سامة، ولا تطلق أي ملوثات في البيئة، وتستعيد ما يصل إلى 90 بالمائة من المواد الموجودة في الألواح الشمسية.

كيفية إعادة تدوير الألواح الشمسية

وتقوم الشركة بتخصيص عملياتها لألواح الطاقة الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري، والتي تشكل 97 بالمائة من السوق الكهروضوئية العالمية، تتكون الألواح عادةً من مجموعة من رقائق السيليكون المشبعة بالبورون والفوسفور، ومغطاة بطبقة مضادة للانعكاس من نيتريد السيليكون.

تتم طباعة الموصلات الفضية على سطح الرقاقة، ويتم لحام الموصلات النحاسية على المصفوفة بنمط شبكي. ولحماية المواد من الرطوبة والتلف، يقوم المصنعون بتصفيح المجموعة بأكملها في بوليمرات لاصقة – عادة أسيتات فينيل الإيثيلين. ثم يقومون بتغليف المصفوفة الرقائقية بصفائح من الزجاج المقسى، وتأطير كل شيء بالألمنيوم، وإغلاق الحواف، وإرفاق صندوق توصيل في الخلف.

عندما يحين وقت إعادة تدوير اللوحة، فإن إحدى الخطوات الأكثر تحديًا هي إزالة البوليمرات التي تلتصق بكل شيء. “لا يتعلق الأمر فقط بالحواف أو بضع نقاط من الغراء.

يقول هيث: “إنه سطح كامل – عدة أقدام مربعة – من البوليمر”. يمكن حرق البوليمر، لكن هذا يؤدي إلى إطلاق أول أكسيد الكربون وحمض الهيدروفلوريك وملوثات ضارة أخرى. كما أن فصل الموصلات الفضية يمثل تحديًا كبيرًا؛ لأنه يتم تطبيقها في طبقة رقيقة جدًا -حوالي 10 إلى 20 ميكرومترًا- والتي ترتبط بقوة بالسيليكون. عادةً ما تتضمن إزالتها كواشف سامة مثل حمض الهيدروفلوريك أو حمض النيتريك أو هيدروكسيد الصوديوم.

يعالج فريق 9-Tech هذه التحديات بطريقتين. إنهم يستعيدون الفضة باستخدام الموجات فوق الصوتية بدلاً من المواد الكيميائية السامة، وعلى الرغم من أنهم يحرقون البوليمرات، إلا أنهم يلتقطون الملوثات المنبعثة.

تبدأ العملية في المصنع التجريبي للشركة حيث يقوم العمال يدويًا بإزالة إطار الألومنيوم وصندوق التوصيل والزجاج المقسى. وهذا يترك شطيرة من البوليمرات، ورقائق السيليكون، والموصلات المعدنية. بدون الإطار أو الزجاج، تنحني طبقات الساندويتش، مما يؤدي إلى تحطيم السيليكون الهش إلى قطع صغيرة. يقوم العمال بتكسير الزجاج المقسى ومن ثم إرسال جميع المواد، والتي لا تزال في الغالب في مكانها بسبب البوليمرات، إلى فرن الاحتراق المستمر. عند تسخينها إلى أكثر من 400 درجة مئوية، تتبخر البوليمرات، ويلتقط المرشح الملوثات. يلتقط النظام أيضًا الحرارة من الفرن ويعيد استخدامها لتحقيق كفاءة الطاقة.

عندما تخرج المادة المتبقية من الفرن، تقوم الأسطوانة بإزالة النحاس ميكانيكيًا. تقوم سلسلة من المناخل بفرز القطع المكسورة من الزجاج والسيليكون على أساس السُمك. يتم غمر قطع السيليكون، التي لا تزال مغطاة بالفضة، في حمام من الأحماض العضوية ومعالجتها بالموجات فوق الصوتية لتفكيك الروابط بين العناصر. تعمل الموجات فوق الصوتية عن طريق نشر الموجات الصوتية في الحمام الحمضي، مما يؤدي إلى تناوب دورات الضغط العالي والمنخفض. إذا كانت الموجات شديدة بما فيه الكفاية، فإنها تخلق فقاعات تجويف تتفاعل ميكانيكيًا مع المادة، مما يتسبب في إزاحة الفضة من السيليكون، كما يوضح بيتروجيوفاني سيرشير ، الرئيس التنفيذي لشركة 9-Tech.

وأخيرًا، يقوم العمال بإزالة شظايا السيليكون من حمام الموجات فوق الصوتية باستخدام شبكة شبكية. وهذا يترك غبارًا فضيًا ناعمًا في المحلول، والذي يمكن استعادته عن طريق الترشيح أو الطرد المركزي. أخيرًا، يقول سيرشير، إن المصنع التجريبي لشركة 9-Tech يمكنه استرداد 90 بالمائة من الفضة، و95 بالمائة من السيليكون، و99 بالمائة أو أكثر من النحاس والألمنيوم والزجاج من الوحدة الكهروضوئية. علاوة على ذلك، تعتبر المادة نقية للغاية، مما يزيد من أنواع التطبيقات التي يمكن إعادة استخدامها فيها.

تعد عملية إعادة التدوير في الشركة الناشئة أكثر تكلفة من الطرق الحالية التي تستعيد الألمنيوم والزجاج فقط. لكن استخراج السيليكون والفضة والنحاس عالي النقاء من شأنه أن يعوض التكلفة الإضافية، كما يقول ميسيروتشي.

بالإضافة إلى ذلك، فهو أكثر كفاءة من تعدين العناصر البكر. ويقول إنه يمكنك استخراج حوالي 500 جرام من الفضة من طن من الألواح الشمسية، ولكن يمكنك استخراج 165 جرامًا فقط من الفضة من طن من الخام.

يقول ميسيروتشي: “لا يزال لدى اللوحة الكهروضوئية، في نهاية عمرها الافتراضي، الكثير لتقدمه”. “يمكن اعتباره منجمًا صغيرًا للعناصر الثمينة.”

العشرات من الطرق الجديدة لإعادة تدوير الألواح الكهروضوئية

سيعرف فريق 9-Tech المزيد عن ربحية طريقتهم بعد أن يقوموا ببناء منشأة عرض أكبر على مدار الـ 18 شهرًا القادمة. وسيكون هذا المصنع، الذي يقع في نفس المنطقة الصناعية في البندقية التي تقع فيها حاوية الشحن، قادرًا على التعامل مع ما يصل إلى 800 وحدة شمسية يوميًا. يعالج مصنعهم التجريبي حوالي سبع وحدات فقط في اليوم.

يعد نهج الشركة أحد طرق إعادة التدوير العديدة للألواح الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلورية قيد التطوير. حددت مراجعة شاملة نشرت في شهر أبريل في مجلة الإنتاج الأنظف عشرات الجهود الأخرى على مستوى العالم، بما في ذلك الأساليب الحرارية والكيميائية والميكانيكية والبصرية. تتضمن الطريقة الأكثر شيوعًا طحن طبقات السيليكون والمعدن والبوليمر إلى قطع صغيرة، وفصلها حسب الكثافة، واستعادة السيليكون والمعدن بعملية حرارية أو كيميائية.

وتشمل العمليات الأخرى تشعيع الليزر، والنبضات ذات الجهد العالي، والفرز البصري، والانحلال الحراري، والمذيبات الكيميائية، والحفر، والتصفيح بسكين ساخن.

الدافع وراء هذا الابتكار، جزئياً، هو اللوائح التي اعتمدها الاتحاد الأوروبي في عام 2012. وتتطلب القواعد من جميع الشركات المصنعة للألواح الكهروضوئية في الاتحاد الأوروبي تشغيل برامج الاسترداد أو إعادة التدوير، أو الشراكة مع خطط إعادة التدوير الأخرى.

ونتيجة لذلك، تمتلك ألمانيا، التي تمتلك أكبر قدرة على الطاقة الشمسية في أوروبا، واحدًا من أكبر أنظمة إعادة تدوير الطاقة الكهروضوئية في العالم.