Соларните модули и кръговата икономика: Учени създават модели за управление на отпадъците от фотоволтаичната индустрия

Тъй като слънчевата енергия нараства бързо като източник на енергия, броят на фотоволтаичните (PV) модули, които се произвеждат и инсталират всяка година, ще продължи да се увеличава. До 2050 г. Съединените щати може да са инсталирали 1600 гигавата PV (или повече), за да декарбонизират електрическата си система. Това е с 20 пъти повече от количеството, инсталирано днес. Дори преди 2050 г. много от тези фотоволтаични модули може да започнат да се извеждат от експлоатация. Какво се случва с тези модули?

Текст под снимка: Графиката от проучването за слънчевите бъдеще на Министерството на енергетиката на САЩ показва възможни сценарии за бъдещ растеж на слънчевата енергия в Съединените щати. Въпреки че не цялото слънчево разгръщане, предвидено тук, ще бъде фотоволтаично, по-голямата част ще бъде. Това представлява многократно увеличение на броя на фотоволтаичните модули, които ще бъдат произведени и в крайна сметка трябва да бъдат спрени от употреба.

Много изследователи и членове на PV индустрията, включително изследователи от Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL), започнаха да обмислят решения на въпроса за края на живота на фотоволтаичните модули. Повечето предвиждат кръгова икономика за фотоволтаични материали, в която модулите (или стъклото, силиций, алуминий и други материали, които ги съставят) се улавят отново в края на живота им за повторна употреба или рециклиране.

Липса на данни за края на жизнения цикъл

По-кръговата фотоволтаична икономика би отклонила големи количества фотоволтаични отпадъци от депата и би осигурила ценни изходни материали за нови слънчеви модули. По този начин ще намали мащаба на новите ресурси, които трябва да бъдат извлечени и рафинирани, за да се развие безвъглеродна енергийна система, коментира специализираното издания EnergyPost. Въпреки това, неотдавнашните събирания на PV експерти по тази тема разкриха основна пречка – данни за края на живота на PV модулите силно липсват. Не знаем колко модула се спират от експлоатация днес, как се складират или как тези стари панели влияят върху потока от фотоволтаични материали.

„Има голям интерес да направим соларната енергия, вече чист енергиен източник, напълно устойчив икономически и екологично“, обяснява Силвана Овайт, изследовател на NREL PV по надеждността. „Хората преминават към рециклиране като решение, но за продукт, който трябва да издържи повече от 30 години – нещо по-близо до покрив, отколкото до мобилен телефон – а това води до голямо забавяне в потока от рециклирани материали. Това обаче и да дава време за планиране на проактивно ефективно събиране и рециклиране на модулите. Но това също така посочва важността на алтернативните пътища на кръговост при фотоволтаични материали."

Кръговата икономика и соларните модули: задаване на правилните въпроси

По-добре ли е да се изградят по-издръжливи модули, които да издържат по-дълго, преди да се нуждаят от подмяна? Или модулите с по-кратък живот, напълно рециклируеми, са по-добър подход? Как би могло еволюцията на фотоволтаичната технология, като по-тънки панели или нови материали, да играе роля в кръговата икономика? Това са някои от въпросите, на които инструментът за моделиране на PV в кръговата икономика (PV in the Circular Economy (PV ICE) е предназначен да помогне да отговори.

PV ICE използва най-новите данни от PV индустрията, за да моделира потока от фотоволтаични материали през следващите няколко десетилетия, като помага да се предвидят ефектите от различни пазарни тенденции, технологични разработки и правителствени политики.

Разработен от малък екип в PV Reliability Group на NREL, инструментът с отворен код и се състои от две основни части. Първата част е набор от файлове с данни, които събират ключовите свойства на днешните фотоволтаични модули - и прогнози за бъдещите панели - включително количествата различни материали, които съдържат, очаквания им живот и тяхната ефективност на преобразуване на мощност, наред с други характеристики.

Моделиране на „средностатистичекси“ модул

„Нашата цел беше да създадем „средностатистически“ кристален силициев модул“, каза Хедър Мирлетц, доктор на науките, студент в Минно-преработващото училище в Колорадо, който помогна за разработването на PV ICE. „PV технологията се развива бързо и продължава да го прави. Така че този „средностатистически“ силициев модул също трябва да се развие, за да улавя точно материалите, влизащи и излизащи в недрата на земята.

Започнахме с разглеждане на пазарния дял и с течение на времето за различни типове дизайни на клетки и модули, създадохме средни стойности за това как изглежда силициевият модул от 1995 до 2030 г. Бе създаден и компонентен материал и данни за модула от редица различни източници — индустрия и литература — за проследяване на промените в клетките и модулите. Тази техника може да се приложи и към спецификацията на един производител, въпреки че индустрията за фотоволтаични модули не е предложила този тип прозрачност на материалите до момента."

Моделиране на жизнения цикъл на слънчевите модули

Втората ключова част на PV ICE е модел за това как тези модули и материалите, които съдържат, ще се движат през жизнения цикъл на PV. Това включва прогнози за това колко соларни модула ще бъдат инсталирани през следващите години и предположения за ключови процеси, като ефективност на производството или добив и процент на отказ. Също толкова важно е, че програмата също така моделира решенията на заинтересованите страни и как тези решения могат да променят потока от материали.

Чрез различна ефективност на процесите и решения на заинтересованите страни, PV ICE дава възможност на изследователите да проучат как подобрената надеждност или различни кръгови пътища - като ремонт, повторна употреба, преработване или рециклиране - могат да повлияят на това колко модулен материал от изхвърлените соларни системи се депонира и колко може да бъде възстановен, за да помогне внедряване на повече фотоволтаични модули. Резултатът е подробен модел за това как материалите влизат, преминават и потенциално излизат от кръгова фотоволтаична икономика.

Повече опции за изучаване на кръговата икономика

„Този инструмент е уникален, защото обединява PV и устойчивите общностите в интердисциплинарен подход; ние улавяме реални индустриални практики като панелите с две лица, проблеми с веригата на търговия, продължителност на проекта и деградация. Той надхвърля подхода за първоначално приближение при простия анализ на материалния поток“, каза Овайт.

Например, екипът на PV ICE установи, че няколко предишни прогнози са надценили скоростта, с която днешните модули ще се провалят и ще изискват подмяна. Данните на терен (и желанието на собствениците на системи да подписват все по-дълги договори) предполагат, че модулите издържат по-дълго. Актуализирането на това предположение в инструмента за PV ICE разкри, че обемът на отпадъците от фотоволтаични модули ще расте по-бавно и ще достигне дадените величини далеч по-късно от предвижданото досега.

„Нашите анализи показват, че отпадъците от жизнения цикъл преди 2050 г. са най-чувствителни към живота и надеждността на модула“, каза Мирлец. „Изискванията за първични материали са най-чувствителни към производствения добив. Пътищата на кръговата икономика – „намаляване, повторно използване, рециклиране“ – са в реда на въздействие и нашите резултати отразяват и засилват тази класация“, обяснява специалистът.

Текст под снимка: Екипът на PV ICE планира евентуално да улови шест ключови измерения в своя софтуер с отворен код. Целта е да се създаде инструмент, който да позволи на потребителите да разгледат изчерпателно всички основни въздействия на различните опции в края на живота на фотоволтаичните модули. Графика: Al Hicks, NREL.

Разширяване на PV ICE: от финансиране до създаване на работни места

Екипът работи за добавяне на измерения към PV ICE, за да обхване други ключови области на кръговата икономика. На първо място ще бъдат енергийните потоци и финансовите фактори, които ще позволят на екипа да проучи възвръщаемостта на инвестициите за различни подходи за повторна употреба или рециклиране.

След това екипът ще използва енергийните потоци с инструменти за оценка на жизнения цикъл, за да изчисли въздействието върху околната среда и въглеродната интензивност. И накрая, програмата ще бъде допълнена с показатели за социално въздействие, които ще вземат предвид създаването на работни места, заплатите и безопасността на работниците при различните подходи на кръговата икономика.

Полученият инструмент с отворен код ще бъде полезен за много различни групи. Федералните и щатските агенции могат да проучат устойчивостта на своите избори за покупка, целите на изследването и политиките си и да предскажат времето на местните PV отпадъци.

Производителите на модули биха могли да оценят дългосрочните въздействия от техните нови дизайни на модули, избора на материали и веригите за доставки и по-добър план за управление на края на живота им (например, разполагане на съоръжения за рециклиране). Собствениците на фотоволтаични системи и техните инвеститори могат по-добре да разберат ефекта от избора си, докато финансират нови внедрявания или поддържат (и пенсионират) съществуващи системи.

Крайната цел е да се определи количествено потока от материали, енергия и въглерод в PV индустрията, за да се помогне за информиране на решения, които позволяват по-рентабилна и справедлива кръгова икономика.