Een schone, groene manier om zonnepanelen te recyclen

In een zeecontainer in een industriegebied van Venetië probeert de Italiaanse startup 9-Tech een mondiale uitdaging aan te pakken: hoe kunnen we op verantwoorde wijze de 54 miljoen tot 160 miljoen ton aan zonnepanelen recyclen die naar verwachting tegen 2050 het einde van hun productieve levensduur zullen bereiken? Het terugwinnen van de materialen zal niet eenvoudig zijn.

Zonnepanelen zijn gebouwd om twintig tot dertig jaar lang bestand te zijn tegen elke omgeving op aarde, en zelfs na dertig jaar in de zon te hebben gestaan, is de hardware moeilijk te demonteren. In feite vernietigen de meeste recyclingfaciliteiten het silicium, zilver en koper – de meest waardevolle maar minst toegankelijke materialen in oude zonnepanelen – en halen ze alleen de aluminium frames en ruiten terug.

In een poging om te voorkomen dat een berg fotovoltaïsch afval zich ophoopt, streven onderzoekers naar betere recyclingmethoden. De meest geavanceerde methoden die tot nu toe zijn voorgesteld, kunnen ten minste 90 procent van het koper, zilver, silicium, glas en aluminium in een kristallijn silicium PV-paneel terugwinnen. Maar deze processen zijn duur en er zijn vaak giftige chemicaliën bij betrokken. Geen enkele recyclingmethode is zo goedkoop gebleken als storten, en slechts weinigen werken op industriële schaal.

De oprichters van 9-Tech zeggen dat ze een betere manier hebben. Hun proces is luidruchtig en omvat een verbrandingsoven, een ultrasoonbad en mechanische sortering, waarvan de trillingen de vloer doen schudden van de bescheiden vrachtcontainer waar ze hun werking al bijna twee jaar testen. Het bedrijf gebruikt geen giftige chemicaliën, laat geen verontreinigende stoffen vrij in het milieu en wint tot 90 procent van de materialen in een zonnepaneel terug, zegt CTO Francesco Miserocch.

Hoe dan?

Het bedrijf verwerkt kristallijne siliciumzonnepanelen die doorgaans bestaan ​​uit een reeks siliciumwafels gedoteerd met boor en fosfor, en bedekt met een antireflecterende coating van siliciumnitride. Zilveren geleiders worden op het waferoppervlak gezeefdrukt en koperen geleiders worden in een rasterpatroon op de array gesoldeerd. Om de materialen tegen vocht en schade te beschermen, lamineren fabrikanten de hele reeks in zelfklevende polymeren, meestal ethyleen-vinylacetaat. Vervolgens omhullen ze de gelamineerde reeks in vellen gehard glas, omlijsten het geheel in aluminium, verzegelen de randen en bevestigen een aansluitdoos aan de achterkant.

Wanneer het tijd is om een ​​paneel te recyclen, is een van de meest uitdagende stappen het verwijderen van de polymeren, die aan alles blijven plakken. “Het zijn niet alleen de randen of een paar puntjes lijm. Het is een heel oppervlak – meerdere vierkante meter – van polymeer”, zegt Heath. Het polymeer kan worden verbrand, maar daarbij komen koolmonoxide, fluorwaterstofzuur en andere schadelijke verontreinigende stoffen vrij. Het scheiden van de zilveren geleiders blijkt ook een uitdaging, omdat ze in een heel dunne laag worden aangebracht – ongeveer 10 tot 20 micrometer – die sterk aan het silicium is gehecht. Bij het verwijderen ervan zijn doorgaans giftige reagentia nodig, zoals fluorwaterstofzuur, salpeterzuur of natriumhydroxide.

Het team van 9-Tech recupereert het zilver met behulp van echografie, en hoewel ze de polymeren verbranden, vangen ze de uitgestoten verontreinigende stoffen op.

Breken, schudden en branden

Het proces in de proeffabriek van het bedrijf begint met het handmatig verwijderen van het aluminium frame, de aansluitdoos en het gehard glas. Hierdoor blijft er een sandwich van polymeren, siliciumwafels en metalen geleiders over. Zonder het frame of glas buigen de sandwichlagen, waardoor het kwetsbare silicium in kleine stukjes wordt gebroken. Werknemers kraken het geharde glas en sturen vervolgens alle materialen, die door de polymeren grotendeels nog op hun plaats zitten, naar een continue verbrandingsoven. Bij verhitting tot meer dan 400 °C verdampen de polymeren en vangt een filter de verontreinigende stoffen op. Het systeem vangt ook de warmte van de oven op en hergebruikt deze voor energie-efficiëntie.

Terwijl het resterende materiaal de oven verlaat, verwijdert een rol het koper mechanisch. Een reeks zeven sorteert de gebroken stukjes glas en silicium op basis van dikte. De stukjes silicium, nog steeds doorspekt met zilver, worden ondergedompeld in een bad met organisch zuur en behandeld met ultrageluid om de verbindingen tussen de elementen los te maken. Het ultrageluid werkt door geluidsgolven in het zuurbad te verspreiden, wat resulteert in afwisselende hoge- en lagedrukcycli. Als de golven intens genoeg zijn, creëren ze cavitatiebellen die mechanisch interageren met het materiaal, waardoor het zilver loskomt van het silicium, legt CEO Pietrogiovanni Cerchier uit.

Ten slotte verwijderen werknemers de siliciumfragmenten uit het ultrasone bad met een gaasnet. Hierdoor blijft er een fijn zilverstof achter in de oplossing, dat kan worden teruggewonnen door filtratie of centrifugeren. Alles bij elkaar genomen, zegt Cerchier, kan de proeffabriek van 9-Tech 90 procent van het zilver, 95 procent van het silicium en 99 procent of meer van het koper, aluminium en glas uit een PV-module terugwinnen. Bovendien wordt het materiaal als zeer zuiver beschouwd, waardoor er meer toepassingen mogelijk zijn.

Het recyclingproces van de startup is duurder dan bestaande methoden waarbij alleen aluminium en glas worden teruggewonnen. Maar de winning van zeer zuiver silicium, zilver en koper zou de extra kosten moeten compenseren, zegt Miserocchi. Bovendien is het efficiënter dan het delven van nieuwe elementen. Uit een ton zonnepanelen kun je ongeveer 500 gram zilver halen, maar uit een ton erts slechts 165 gram zilver, zegt hij.

Demonstratiefabriek

Het 9-Tech-team zal meer weten over de winstgevendheid van hun methode nadat ze de komende 18 maanden een grotere demonstratiefaciliteit hebben gebouwd. Die fabriek, die in hetzelfde industriële district van Venetië komt te staan ​​als de zeecontainer, zal tot 800 zonnepanelen per dag kunnen verwerken. Hun proeffabriek verwerkt slechts ongeveer zeven modules per dag.