Nghịch lý năng lượng tái tạo: Pin mặt trời và chất thải độc hại

Khi silica được chiết xuất, nó cần được tinh chế thành dạng tinh khiết hơn, chẳng hạn như silicon cấp luyện kim. Điều quan trọng cần lưu ý là vật liệu này được sử dụng cho nhiều loại thành phần điện, nhưng là thành phần chính trong sản xuất bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Quá trình sản xuất loại silicon này diễn ra trong lò nung khổng lồ, tiêu tốn rất nhiều năng lượng để duy trì hoạt động của chúng.

Trong hầu hết các trường hợp, năng lượng được cung cấp thông qua quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trực tiếp hoặc từ các trạm phát điện cung cấp điện cho lưới điện. Bản thân quá trình sản xuất silic cấp luyện kim cũng tạo ra nhiều khí độc hại - như lưu huỳnh đioxit và oxit nitơ, cũng như tất nhiên, cacbon đioxit (CO2).Trong khi phát thải ở mức độ tương đối thấp, việc sản xuất tấm pin mặt trời quy mô lớn có thể tạo ra một lượng đáng kể các loại khí này (ví dụ như mưa axit...).

Tuy nhiên, đây chỉ là bước khởi đầu của quá trình đúc một bảng điều khiển mới. Silicon cấp luyện kim này cũng cần được xử lý kết hợp với axit clohydric để tạo ratrichlorosilan - tiền chất chính của silicon siêu tinh khiết trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nó cũng được phản ứng với hydro để tạo ra các dạng trung gian của silicon được gọi là polysilicon và silicontetrachloride, với tỷ lệ khoảng 1:3.

Đối với nhà sản xuất cẩn thận hơn, các sản phẩm thải bỏ có thể được tái chế để thu hồi silicon cho sản xuất trong tương lai; nhưng trong hầu hết các trường hợp, nó chỉ đơn giản là vứt đi. Nếu silictetraclorua tiếp xúc với nước, điều này thường dẫn đến giải phóng axit clohydric, rõ ràng là không tốt cho môi trường.

Tác động môi trường của sản xuất tấm pin mặt trời

Thật không may, việc sản xuất polysilicon vẫn chưa phải là kết thúc của câu chuyện. Để có thể hữu ích cho mục đích chế tạo bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cần phải chuẩn bị thêm. Đầu tiên, polysilicon cần được tạo thành thỏi giống như gạch và sau đó được lát thành tấm mỏng.

Tấm Siliconsau đó được “pha tạp” với các chất như gali, cadmium, asen, antimon, bitmut, lithium,..., để tạo ra các thành phần pin mặt trời rất quan trọng tạo ra hiệu ứng quang điện. Hầu hết trong số này, theo đúng nghĩa của chúng, có khả năng rất nguy hiểm đối với môi trường. Quá trình này cũng yêu cầu sử dụng phosphoryl clorua - chất này cũng rất độc và có tính ăn mòn cao.

Không chỉ vậy, hầu hết các bước cũng yêu cầu sử dụng nhiều hóa chất nguy hiểm hơn - trong đó quan trọng nhất là axit flohydric, một trong những loại axit mạnh nhất trên thế giới. Công việc hiện đang được tiến hành để thay thế axit flohydric bằng natri hydroxit, nhưng hóa chất này cũng có những vấn đề cố hữu của riêng nó.

Tuy nhiên, đó vẫn chưa phải là toàn bộ mức độ hủy hoại môi trường tiềm ẩn từ việc sản xuất điện mặt trời. Sản xuất bảng PV cũng tiêu tốn rất nhiều nước. Nước được sử dụng cho nhiều phần khác nhau của quá trình bao gồm làm mát, xử lý hóa chất và ngăn chặn ô nhiễm không khí.

Để cung cấp cho bạn một ý tưởng sơ bộ về lượng nước được sử dụng, các dự án quy mô tiện ích trong phạm vi 230 đến 550 megawatt có thể tiêu thụ tới 1,5 tỷ lít nước để kiểm soát bụi trong quá trình xây dựng. Người ta cũng có thể sử dụng 26 triệu lít hàng năm để rửa bảng điều khiển trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là lượng nước được sử dụng để làm mát nhiên liệu hóa thạch nhiệt điện và nhà máy điện hạt nhân thường cao hơn đáng kể so với mức này.

Trong khi quá trình thực tế chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng có thể được coi là “xanh”, có một số vấn đề khác với các mảng bảng điều khiển năng lượng mặt trời thường không được xem xét. Ví dụ, mảng điện mặt trời quy mô lớn cần không gian - rất nhiều.

Nếu không được xây dựng trên những địa điểm cánh đồng nâu hoặc trên sa mạc, điều này có thể yêu cầu giải phóng mặt bằng (hoặc thực sự là sử dụng các vùng nước như hồ chứa) để nhường chỗ cho các tấm pin. Điều này có thể tác động trực tiếp đến hệ sinh thái địa phương trong ngắn hạn nhưng cũng có thể ảnh hưởng lâu dài hơn đến môi trường sống của các loài động thực vật bản địa.

Điều gì xảy ra với tấm pin mặt trời cũ?

Vào khoảng năm 2050, hoặc lâu hơn, các tổ chức như Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA)dự đoán khoảng 78 triệu tấn tấm pin mặt trời có thể sẽ hết tuổi thọ. Sẽ cần phải làm gì đó với đống rác thải này?

Một trong những vấn đề làm phức tạp những nỗ lực tái chế là tấm pin mặt trời có xu hướng được bao bọc trong nhựa và bị kẹp giữa thủy tinh và một tấm nền. Mặc dù không thách thức về mặt kỹ thuật để tháo rời, nhưng nó cần thời gian. Tuy nhiên, những phương pháp hiện có không phải là cách xử lý thân thiện với môi trường nhất.

Ví dụ, tại một cơ sở xử lý rác thải điện tử điển hình, tấm pin mặt trời được tước bỏ khung nhôm và hộp nối để thu hồi kim loại bên trong. Tuy nhiên, phần còn lại của bảng điều khiển được bao bọc trong các lớp nhựa ethylene-vinyl axetat (EVA) liên kết với kính và khó gia công hơn rất nhiều. Vì lý do này, phần còn lại của tấm pin (thủy tinh, polyme và pin mặt trời) thường được cắt nhỏ một cách đơn giản, mặc dù nó được phủ trong các điện cực bạc và được hàn bằng thiếc và chì.

Vì phần lớn khối lượng của vật liệu này là thủy tinh, nên nó thường được coi như một dạng thủy tinh nghiền không tinh khiết. Loại thủy tinh thải này thường không thể được tái chế thêm vì nó thường chứa nhựa, chì, cadmium và antimon; nếu chúng bị rò rỉ ra khỏi chất thải, có thể gây hại cho môi trường.

Một trong những vấn đề chính của việc tái chế các tấm pin mặt trời là chi phí. Chi phí tái chế toàn bộ bảng điều khiển, như ở Mỹ, có giá từ 12 đến 25 USD, bao gồm cả chi phí vận chuyển. Mặt khác, chi phí ít hơn 1 USD (tùy thuộc vào tiểu bang) để xử lý một bảng điều khiển cũ.

Từ góc độ kinh doanh, không có lợi ích tài chính rõ ràng để tái chế các tấm pin, vậy tại sao phải bận tâm? Một lý do là tấm pin có chứa một số vật liệu rất có giá trị, như bạc và silicon. Nếu giá cả phù hợp, việc trích xuất chúng có thể đáng để đầu tư thời gian để tái chế hiệu quả tấm PV cũ. Đây chính xác là những gì một số công ty, như Veolia, đang làm.

Có trụ sở tại Pháp, công ty này đã phát triển nhà máy tái chế PV silicon quy mô thương mại duy nhất trên thế giới. Công ty thu hồi tấm nền cũ, mài chúng và sau đó xử lý chất thải cho một kỹ thuật quang học đặc biệt để thu hồi một dạng silicon có độ tinh khiết thấp. Veolia ban đầu đã phát triển một quy trình nghiền bi và nhiệt để có thể thu hồi hơn 90% vật liệu có giá trị nhất trong mỗi bảng điều khiển (bao gồm cả bạc). Tuy nhiên, kỹ thuật quang học mới có thể thu hồi hơn 95% các vật liệu cấu thành có giá trị nhất trong tấm PV.

Một tin tuyệt vời, nhưng một số tổ chức còn muốn đi xa hơn nữa. Một nhóm nghiên cứu do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ dẫn đầu đang nghiên cứu cách tái chế tấm PV để chiết xuất kim loại và khoáng chất ở dạng tinh khiết cao. Họ hy vọng điều này sẽ làm cho việc tái chế tấm PV thực sự có hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường nhất có thể.

Một ví dụ khác đến từ We Recycle Solar, có trụ sở tại California. Họ đã phát triển một kỹ thuật đặc biệt để chiết xuất càng nhiều vật liệu có giá trị từ tấm pin mặt trời càng tốt. Giống như các công ty tái chế khác, trước tiên họ loại bỏ khung nhôm và hệ thống dây điện,....

Sau đó, họ cắt nhỏ phần còn lại của bảng điều khiển và đưa nó vào quá trình xử lý hóa học đặc biệt, điện phân và các quy trình bổ sung. Quá trình xử lý này cho phép công ty tách kim loại, silicon và thủy tinh cho các chuyến hàng trong tương lai tới các nhà chế biến hạ nguồn. Quá trình này làm giảm đáng kể lượng vật liệu không thể tận dụng từ các tấm pin mặt trời đã qua sử dụng, giảm đáng kể nhu cầu về bãi chôn lấp.

Một công ty khác, Echo Environmental, cũng thực hiện quy trình xử lý ban đầu tương tự đối với tấm pin mặt trời đã qua sử dụng. Tuy nhiên, không giống như các công ty khác, họ đưa những phần còn lại của tấm pin vào một loạt quy trình phay. Điều này tách ra một phần sạch của kính, sau đó có thể được bán để sử dụng trong cách nhiệt sợi thủy tinh hoặc sơn phản chiếu. Phần còn lại của bảng điều khiển (silicon, v.v.), sau đó được trộn với các mạch vụn khác và vận chuyển để nấu chảy.

Tuy nhiên, công ty Lotus Energy có trụ sở tại Australia, phát triển một phương pháp tái chế gần như 100% tấm pin mặt trời cũ. Hơn nữa, quá trình này không sử dụng hóa chất. Quá trình có thể tạo ra nhôm cao cấp, bụi silica cao cấp, đồng, PVC và bạc. Silica cũng có thể được một số nhà sản xuất tận dụng để tái sử dụng.