20.08.2021

Elektroniczne „zero waste”? Badacze z AGH opracowują innowacyjne metody recyklingu paneli fotowoltaicznych


Zdjęcie przedstawia dwóch pracowników naukowych w niebieskiej odzieży ochronnej podczas pracy w laboratorium. Mężczyzna w okularach po lewej stronie wsypuje łopatką odczynnik chemiczny do zlewki wypełnionej w połowie wodą, którą trzyma kobieta po prawej stronie. Na stole laboratoryjnym znajduje się też menzurka z włożonym lejkiem oraz elektroniczna waga. Po prawej stronie stoi niebieski sprzęt laboratoryjny.

Prof. dr hab. inż. Barbara Tora i kierownik grupy badawczej dr. inż. Krzysztof Broda z WILiGZ podczas prac nad technikami recyklingu paneli PV / Fot. 2loop Tech S.A.

Elektrośmieci jako bogate źródło cennych surowców? To możliwe! Zespół badawczy pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Brody z Wydziału Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami tworzy innowacyjne metody odzyskiwania metali szlachetnych i innych cennych pierwiastków ze starego sprzętu elektronicznego. W ramach powołanego przez AGH we współpracy ze spółką 2loop Tech konsorcjum naukowo-wdrożeniowego uczeni przygotowują technologię recyklingu instalacji energii odnawialnej. Międzynarodowa grupa badaczy koncentruje się na możliwości pełnego odzysku paneli fotowoltaicznych, zawierających pierwiastki takie jak krzem lub srebro.

Idea „zero waste” oznacza między innymi dążenie do stworzenia gospodarki o zamkniętym obiegu. Jedną z dróg do zrealizowania tego zadania jest recykling, czyli odzyskiwanie surowców z materiałów odpadowych w celu wykorzystania ich do produkcji nowych towarów. Aby w pełni spełnić ten postulat, trzeba wykorzystać każdą zużytą rzecz jako potencjalne źródło zasobów. W ten sposób można nie tylko chronić środowisko przed zanieczyszczeniami, ale także pozyskać drogocenne pierwiastki, których ziemskie złoża, przy utrzymującym się bardzo wysokim tempie ogólnoświatowego wzrostu gospodarczego, mogą zostać wkrótce wyczerpane. Dobry przykład filozofii „zero waste” dali organizatorzy XXXII Letnich Igrzysk Olimpijskich, wykonując wszystkie medale z elektrośmieci. Dzięki inicjatywie Tokyo Medal Project każdy mieszkaniec Japonii mógł zaangażować się w igrzyska, przekazując zużyty sprzęt, który zawierał pewne ilości złota, srebra czy też miedzi. To działanie świetnie wpisało się w strategię zrównoważonego rozwoju państwa.

Metody separacji

Czy jednak każdy może urządzić sobie w domu własne elektroniczne Eldorado? Lepiej tego nie robić, bowiem zużyty sprzęt może zawierać substancje trujące. Niemniej część technik separacji jest prosta i znana wszystkim z lekcji chemii – to dla przykładu metoda grawitacyjna, oparta na różnej gęstości materiałów. Inne są natomiast bardziej skomplikowane i wymagają laboratorium. Tak jest w wypadku rozdzielania przy pomocy obróbki termicznej lub chemicznej. Jedną z najbardziej popularnych i skutecznych metod rozdzielania składników elektroodpadów jest natomiast metoda wykorzystująca różne właściwości magnetyczne konkretnych substancji.

W przypadku odzyskiwania materiałów z elektroniki bardzo często stosuje się metodę elektromagnetyczną. W separatorach magnetycznych o słabym polu można oddzielić żelazo, a w tych o mocnym polu na przykład miedź i aluminium, mające słabe właściwości magnetyczne – mówi prof. dr hab. inż. Barbara Tora, która zajmuje się na WILiGZ badaniem technik separacji.

Wyzwania ekotechnologii

Jednym z wyzwań, jakie stoją współcześnie przed badaczami zajmującymi się metodami separacji elementów elektrośmieci, jest problem recyklingu tak zwanych ekotechnologii. Z roku na rok coraz więcej gospodarstw domowych decyduje się bowiem na montaż instalacji energii odnawialnej, do których zaliczyć można kolektory słoneczne, kotły na biomasę i pompy ciepła. Dzisiaj nie jest to jeszcze tak paląca kwestia, lecz za dekadę lub dwie trzeba będzie zmierzyć się z zadaniem polegającym na przetworzeniu zużytych urządzeń. Uczeni z AGH myślą o przyszłości już teraz i tworzą nowe techniki oddzielania składników instalacji zasilanej przez zieloną energię.

Konsorcjum naukowo-wdrożeniowe

Dowodząc po raz kolejny swojego doniosłego znaczenia dla polskiej gospodarki, AGH utworzyła konsorcjum naukowo-wdrożeniowe ze spółką technologiczno-badawczą 2loop Tech. Umowę o współpracy z ramienia Akademii sygnował dziekan WILiGZ, dr hab. inż. Marek Cała. Cel konsorcjum to opracowanie technologii recyklingu zużytych modułów PV, pozwalających na odzyskanie prawie 100% pierwiastków potrzebnych do wyprodukowania tego typu urządzeń. Dynamicznie wzrastający rynek paneli fotowoltaicznych, których okres żywotności mieści się w przedziale od 20-30 lat, będzie bowiem prowadzić do tego, że w okolicach roku 2050 w Polsce pojawi się problem recyklingu setek tysięcy ton zużytych modułów przetwarzających energię słoneczną w prąd elektryczny. Takiemu właśnie wyzwaniu stawia obecnie czoła grupa badawcza pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Brody, która opracowuje nowe techniki odzyskiwania z paneli cennych materiałów. Metoda ta zostanie później wdrożona w zakładzie firmy 2loop Tech, gdzie powstanie linia przemysłowa recyklingu ogniw słonecznych zbudowanych na przykład z krzemu.

Metody separacji paneli fotowoltaicznych

Jak dokładnie wygląda proces oddzielania od siebie składników PV? Na dzień dzisiejszy często wykonuje się najpierw obróbkę termiczną i rozdrabnianie zużytego sprzętu. Ze względu na koszty i ekologię próbuje się jednak odchodzić od rozdzielania za pomocą pieców, zostając jedynie przy metodzie kruszenia, do której wykorzystuje się maszyny tłukące panele lub młyny wibracyjne. Uzyskany produkt stara się następnie oddzielić na taśmie przy użyciu separatorów optycznych albo metody granulometrycznej (sitowej). Odseparowane mechanicznie szkło może być przy tym wykorzystane do stworzenia nowych paneli lub przewiezione do zakładu, gdzie wykona się z niego butelki. Miedź i aluminium, wchodzące w skład przewodów, też dają się bez problemu oddzielić i przetopić. Krzem z ogniw słonecznych natomiast można by z powodzeniem odzyskać za pomocą bardzo interesującej techniki, opracowanej ponad 100 lat temu w Polsce.

Jest tak zwana metoda Czochralskiego, polskiego chemika, który wymyślił jak z krzemu wykonać ogniwa. Można powiedzieć, że te ogniwa się hoduje – na pewno każdy na lekcjach przyrody w szkole podstawowej poznał metodę krystalizacji, polegającą na tym, że do szklanki z rozpuszczoną solą wkłada się sznurek, na którym tworzą się kryształki. W tym przypadku jest dokładnie tak samo, przy czym sól rozpuszcza się w wodzie w temperaturze otoczenia, z kolei krzem potrzebuje rozpuszczalnika, który będzie rozgrzany do temperatury 1414 st. C. – tłumaczy prof. dr hab. inż. Barbara Tora, która też jest członkiem konsorcjum naukowo-wdrożeniowego.

Czy z ogniw słonecznych można wykonać medal?

Faktem jest, że z 10 telefonów komórkowych można odzyskać jedną złotą obrączkę. Czy z paneli fotowoltaicznych też można zrobić biżuterię? Okazuje się wszak, że jednym z istotnych elementów modułów słonecznych starszej generacji jest dobrze przewodzące prąd elektryczny srebro, które jak najbardziej można poddać recyklingowi, przerabiając je na pierścionek. Szacuje się, że jeden standardowy panel fotowoltaiczny, składający się na przykład z 60 ogniw, zawiera nawet 8 gramów srebra. Medale z tego kruszcu przyznawane podczas igrzysk olimpijskich ważą natomiast 550 gram, a to zaś oznacza, że do wykonania jednego takiego trofeum trzeba byłoby poddać pełnemu recyklingowi prawie 70 paneli fotowoltaicznych. Co więcej, znaczna część tych urządzeń zawiera również miedź, która stanowi główny składnik stopu nazywanego brązem. Materiały pochodzące ze zużytych instalacji można by więc wykorzystać do produkcji aż dwóch z trzech olimpijskich medali.

Zdecydowanie warto zatem nie wyrzucać elektrośmieci do kosza!