Европейский проект C2C-PV нацелен на коренное преобразование солнечных технологий, стремясь создать полностью устойчивый, замкнутый цикл для солнечных панелей. В основе проекта, финансируемого Европейским исследовательским советом через грант Consolidator Grant и возглавляемого доктором Яном Мариусом Петерсом из Института Гельмгольца Эрланген-Нюрнберг (HI ERN), лежит вопрос о том, могут ли солнечные панели быть экологически чистыми не только при использовании, но и на этапах их создания, повторного применения и завершения жизненного цикла.
По мере того как мир стремится к развертыванию тераватт солнечной энергии, возникает серьезная проблема: хотя солнечные панели способствуют декарбонизации энергосистемы, большинство из них в конечном итоге превращаются в отходы. Современные модули, спроектированные для долговечности, с трудом поддаются разделению на компоненты. Они ламинированы, сплавлены и склеены «навечно» и изначально не предназначались для разборки. Проект C2C-PV ставит своей целью изменить эту ситуацию.
Этот проект не пытается усовершенствовать переработку существующих конструкций модулей. Вместо этого он предлагает взглянуть на проблему с другой стороны: переосмыслить сам модуль, а не адаптировать системы переработки к жестким конструкциям. Каждый материал, каждое соединение, каждое сборочное решение пересматриваются для достижения главной цели – возможности многократного использования компонентов на протяжении нескольких поколений. Это не только сокращает отходы и снижает нагрузку на критически важные сырьевые ресурсы, но и переопределяет само понятие устойчивости в энергетических технологиях. По своей сути, C2C-PV представляет собой революционный подход к дизайну в области фотовольтаики, предлагая инженерный план для циркулярной экономики.
Проект рассчитан на пять лет и объединяет материаловедение, разработку архитектуры устройств и экономику жизненного цикла. Однако его амбиции простираются дальше: он призван породить новый подход к солнечной энергии, при котором возможность вторичной переработки рассматривается не как второстепенная задача, а как фундаментальный принцип.
Солнечная энергетика справедливо считается одной из самых «зеленых» в мире. Однако дискуссия об устойчивости не заканчивается на этапе внедрения технологий, а все чаще включает вопрос о том, что происходит с панелями по окончании их срока службы. В этом отношении у солнечной энергетики есть обнадеживающее преимущество. Примерно 75% массы типичного кремниевого фотоэлектрического модуля составляет стекло – материал с хорошо налаженной инфраструктурой переработки. Алюминиевые рамы составляют еще 10-15% – это также широко перерабатываемый материал. Благодаря этому солнечные модули не являются неким экзотическим видом отходов, требующим специальных решений; значительная их часть уже может поступать на существующие промышленные линии переработки.
Серьезную и часто обсуждаемую озабоченность вызывает масштаб проблемы. Ожидается, что к 2050 году установленная мощность фотоэлектрических систем превысит 75 ТВт, и ежегодно десятки миллионов тонн модулей будут достигать конца своего срока службы. Однако важно сохранять объективность: даже по наихудшим сценариям, совокупный объем фотоэлектрических отходов к 2050 году составит всего 1–2% от общемирового объема бытовых отходов и лишь малую долю от отходов, образующихся при использовании ископаемого топлива. В отличие от угольной золы или нефтешламов, материалы фотоэлектрических модулей в основном нетоксичны и управляемы. Недавние аналитические исследования подтверждают, что речь идет не о надвигающемся кризисе, а о решаемой инженерной задаче, которая также открывает новые возможности.
Переработка солнечных панелей позволяет извлекать материалы, производство которых энергозатратно, как, например, стекло, и экономически ценные, такие как серебро. В регионах, подобных Европейскому союзу, нормативные акты уже требуют высоких показателей утилизации, задавая четкое направление для отрасли. Но чтобы полностью раскрыть этот потенциал, необходимо разрешить ключевое противоречие, лежащее в основе конструкции солнечных модулей: баланс между долговечностью и возможностью разборки. Солнечные модули спроектированы так, чтобы выдерживать экстремальные температуры, влажность и ультрафиолетовое излучение на протяжении десятилетий. Клеи, герметики и ламинаты, защищающие их, одновременно затрудняют их демонтаж. Таким образом, искусство переработки фотоэлектрических панелей заключается в поиске компромисса между стабильностью и разделяемостью компонентов. Это вопрос не только инноваций в процессах, но и переосмысления самого дизайна.
Именно здесь на сцену выходит проект C2C-PV, предлагающий концепцию будущего, в котором жизненный цикл солнечной панели не заканчивается на свалке, а начинается заново в новом устройстве.
В рамках своей миссии по созданию фотоэлектрических элементов, пригодных для вторичной переработки, команда C2C-PV определила перовскитные солнечные элементы, обрабатываемые из раствора, как идеальную испытательную платформу. Перовскиты недавно появились как новый материал в фотовольтаике и продемонстрировали беспрецедентный рост эффективности. В отличие от традиционных кремниевых модулей, требующих высокотемпературных и энергоемких процессов, перовскиты обладают уникальным преимуществом: их можно наносить и разбирать в растворе. Это открывает путь к чистой, послойной рекуперации материалов с использованием безопасных растворителей – что является краеугольным камнем концепции «от колыбели до колыбели» (cradle-to-cradle).
В серии недавних экспериментов команда продемонстрировала возможность полной переработки перовскитных ячеек. Было извлечено более 99,9% от общей массы ячейки. Полученные материалы, включая перовскитный поглотитель (MAPbI₃), дырочно-транспортные слои и прозрачные электроды, были очищены и повторно использованы для изготовления новых устройств. Полностью переработанные ячейки достигли эффективности 18%, а частично переработанные – 22%, что соответствует или превосходит показатели аналогов, изготовленных из первичных материалов.
Помимо технического успеха, экономическая составляющая также выглядит убедительно. Технико-экономический анализ показал, что переработка этих компонентов не только сохраняет рабочие характеристики, но и потенциально снижает производственные затраты. В лабораторных условиях гибридный модуль, использующий переработанные компоненты, продемонстрировал потенциал экономии затрат в 64% по сравнению с модулем, полностью изготовленным из новых материалов. В промышленных масштабах это может привести к снижению затрат на материалы на 61%, что еще больше повысит экономическую целесообразность использования перовскитов.
Особого внимания заслуживает вывод, касающийся стекла – подложки, на которой располагается солнечный элемент. Стекло является самым тяжелым компонентом солнечного модуля, а в перовскитных устройствах оно также представляет собой наиболее энергоемкий в производстве элемент. Его повторное использование улучшает возврат инвестиций в энергию и снижает климатическое воздействие получаемого устройства. Более того, это стекло покрыто прозрачным проводящим слоем – часто оксидом индия-олова (ITO) – что значительно повышает его ценность и роль в стратегиях устойчивого развития. Иными словами, повторное использование или переработка стекла является мощным рычагом устойчивости.
Эти результаты подчеркивают, что проектирование с учетом возможности вторичной переработки может не только сократить количество отходов, но и ускорить достижение паритета затрат и снизить воздействие на окружающую среду. Таким образом, проект C2C-PV стремится показать, что циклический дизайн является не компромиссом, а стратегическим преимуществом.
Проект C2C-PV находится на стыке инноваций, устойчивого развития и насущной необходимости. В мире, требующем не просто чистой энергии, а ответственных энергетических систем, он предлагает новое видение, где солнечные модули с самого начала разрабатываются с учетом их «второй жизни». Это напоминание о том, что устойчивость солнечной энергетики не заканчивается установкой. Она охватывает весь период эксплуатации, вывод из эксплуатации и перерождение в новые изделия. Работа проекта с перовскитами показывает, что технические характеристики, экономическая жизнеспособность и полная цикличность переработки не исключают друг друга, а могут взаимно усиливать.
По мере развития ландшафта возобновляемой энергетики должны совершенствоваться и наши принципы проектирования. C2C-PV – это шаг к регенеративному будущему солнечной энергетики, которое не только обеспечит планету энергией, но и сохранит ее ресурсы для будущих поколений.
+ There are no comments
Add yours