Xử lý pin năng lượng mặt trời khi hết hạn sử dụng: Xu hướng và kinh nghiệm quốc tế

Câu hỏi đặt ra là chúng sẽ trở thành rác thải gây nguy hiểm cho môi trường hay sẽ được tái chế và trở thành cơ hội tốt cho những ngành khác?

Nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời là rất rõ ràng, trong bối cảnh nhu cầu về điện tăng cao trong khi năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch ngày càng ít đi. Giờ đây, với tuổi thọ trung bình của một tấm pin mặt trời là khoảng 20 năm, nhiều tấm pin mặt trời lắp đặt từ đầu những năm 2000 đã sắp hết hạn sử dụng. Ví dụ, tại Australia, dự kiến hơn 100.000 tấn tấm pin điện mặt trời sẽ hết hạn sử dụng vào năm 2035. Câu hỏi đặt ra là chúng sẽ trở thành rác thải gây nguy hiểm cho môi trường hay sẽ được tái chế và trở thành cơ hội tốt cho những ngành khác?

Trong thực tế, với những công nghệ hiện có thì chi phí tái chế nhiều sản phẩm công nghiệp sau khi hết hạn sử dụng thường cao hơn so với chi phí chôn lấp; giá trị của vật liệu thu hồi được sau tái chế cũng thường nhỏ hơn ban đầu và trong nhiều trường hợp sẽ tốn kém hơn là sản xuất mới, do đó việc tái chế chưa thu hút được sự quan tâm của các doanh nghiệp. Nhưng với sự hiện diện của các kim loại nặng, chẳng hạn như chì và thiếc, nếu chất thải được quản lý kém thì không chỉ là vấn đề kinh phí mà là một cuộc khủng hoảng về môi trường sẽ phát sinh sau đó. Vì vậy, khi có ý kiến cho rằng rác thải từ các công trình năng lượng mặt trời có thể là quả bom hẹn giờ. Tuy nhiên, một quả bom hẹn giờ có thể trở thành một cơ hội, nếu ngành công nghiệp xe điện toàn cầu quan tâm đến các sản phẩm năng lượng mặt trời với công nghệ tái chế phù hợp và bền vững.

Các vật liệu độc hại trong các tấm pin hết hạn có thể dẫn đến ô nhiễm nếu thải ra môi trường. Để giải quyết vấn đề đó, nhiệm vụ tiếp theo của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời là thu gom pin mặt trời là xử lý hoặc tái chế an toàn các sản phẩm. Tuy nhiên, trong hệ thống phân cấp quản lý chất thải, việc tái sử dụng hoặc giá trị gia tăng / tái sử dụng được coi là ưu tiên hơn so với tái chế.

Hiện nay, công nghệ năng lượng mặt trời phục vụ cho sản xuất điện được phân chia thành 2 loại: (1) Công nghệ quang điện (Solar Photovoltaic-PV); (2) Công nghệ năng lượng mặt trời hội tụ (Concentrating Solar Thermal Power-CSP) hay công nghệ nhiệt điện mặt trời. 

Chất đóng góp chính vào tổng trọng lượng của mô-đun tinh thể bán dẫn silicon crystalline silicon (c-Si) (a typical crystalline silicon PV module) là thủy tinh (75%), tiếp theo là polyme (10%), nhôm (8%), silicon (5%), đồng (1%) và một lượng nhỏ bạc, thiếc, chì, và các kim loại và linh kiện khác. Chì và thiếc, nếu bị ngấm vào đất và nước ngầm sẽ gây ra các mối lo ngại về sức khỏe và môi trường, trong khi đồng, bạc và silic mang lại cơ hội tạo ra giá trị mới nếu được thu hồi hiệu quả. Vì vậy, phương án chôn lấp nên được thay thế hoàn toàn bằng tái chế để ngăn ngừa ô nhiễm môi trường và lấy lại các vật liệu có giá trị trong bảng điều khiển.

Do đến nay tái chế chưa được coi là phương án “hấp dẫn” về mặt kinh tế, nên các quốc gia cần phải có các biện pháp khuyến khích về kinh tế để đẩy nhanh quá trình chuyển dịch này. Trong số các vật liệu có giá trị trong các tấm pin mặt trời, silicon mang đến cơ hội tốt nhất, nhờ chiếm tỷ trọng chính và độ tinh khiết cực cao (99,9999%). Silicon từ chất thải PV có thể được thu hồi cho các ứng dụng thứ hai trong các tấm pin mặt trời hoặc được tái sử dụng cho các ứng dụng giá trị gia tăng trong cực dương của pin Lithium-ion thế hệ 3b.

Vấn đề “đau đầu” của một ngành lại có thể là kho báu cho ngành khác nếu biết cách

Số lượng ngày càng tăng của các loại xe điện đã tạo cơ hội lớn cho ngành tái chế vật liệu và ngành quản lý chất thải; và có thể là giải pháp cho các tấm pin mặt trời đã qua sử dụng. Pin EV ngày nay là một phần thiết yếu trong sản xuất EV (chiếm 33% đến 57% chi phí sản xuất tùy thuộc vào dòng xe); sản xuất vật liệu cũng là yếu tố đóng góp chính vào chi phí năng lượng sản xuất pin. Các chiến lược cắt giảm chi phí chủ yếu dựa vào những đổi mới ở cấp độ nguyên liệu, tức là tìm nguồn cung ứng và chế biến nguyên liệu một cách tối ưu.

Mặc dù người ủng hộ xe điện chắc chắn hoan nghênh mức giá thấp hơn, nhưng hiệu quả của phương tiện về tổng quãng đường vận hành an toàn mới là điều tiên quyết. Năm 2015, Elon Musk tuyên bố rằng silicon trong pin Model S đã giúp tăng thời gian hoạt động tốt của xe lên 6%. Kể từ đó, các công ty EV như Daimler và BMW cũng đã tích cực tham gia vào các chương trình nghiên cứu và phát triển để tổng hợp silicon cho pin (battery-grade silicon) cho các ứng dụng EV. Silicon thu hồi từ tấm pin mặt trời có thể là thứ họ cần.

Định hướng của các quốc gia trên thế giới

Australia, Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ và Hoa Kỳ là các thị trường PV (Solar Photovoltaic) mở rộng nhanh chóng trên thế giới. (Đơn cử như đến năm 2020 thì có hơn 2,3 triệu hệ thống điện mặt trời được lắp đặt trên mái nhà ở khắp các vùng của Australia). Xử lý pin năng lượng mặt trởi do đó sẽ trở thành vấn đề chung của các nước này cũng như các thị trường nhập khẩu sản phẩm của họ.

Trên thực tế, EU là khu vực duy nhất có khung pháp lý minh bạch và mạnh mẽ để hỗ trợ quá trình tái chế PV. Kể từ giữa năm 2012, Chỉ thị số 2012/19 / EU về tái chế thiết bị điện và điện tử (The Waste Electrical and Electronic Equipment Directive 2012/19/EU) yêu cầu các nước châu Âu áp dụng các chương trình quản lý chất thải PV trong đó các nhà sản xuất chịu trách nhiệm thu hồi và tái chế các tấm pin mà họ đã bán. Mục tiêu của các chính sách này là phát triển các sản phẩm xanh hơn, đồng thời làm cho việc tái chế trở nên hợp lý hơn và bền vững hơn về mặt kinh tế bởi các nhà sản xuất hàng đầu đã tính đến chi phí thu gom và xử lý cuối đời sản phẩm của họ vào giá mà người tiêu dùng phải trả.

Thực tiễn tại Australia

Đến nay, việc tái chế các mô-đun PV ở cuối vòng đời của sản phẩm chưa có quy định pháp lý cụ thể ở Australia. Tuy nhiên, nhận thức của Chính phủ và cộng đồng về vấn đề này ngày càng tăng. Do đó, tại Australia, một chương trình quốc gia do bang Victoria dẫn đầu và có mối quan hệ chặt chẽ với ngành quang điện đang được tiến hành. Mục đích là đưa ra các khuyến nghị cho các bang, vùng lãnh thổ và chính phủ liên bang về cách tiếp cận quản lý quốc gia ưa thích. Mặc dù triển vọng của chương trình chắc chắn là đầy hứa hẹn, nhưng việc đẩy nhanh sự phát triển của nó có thể rất quan trọng. Trên thực tế, mức độ nghiêm trọng của vấn đề đã được ghi nhận vào năm 2015, khi các tấm pin mặt trời được xác định là dòng chất thải điện tử tăng nhanh nhất mà không có cơ sở hạ tầng tái chế chuyên dụng trong phân tích năng lực xử lý và dòng chảy thị trường chất thải điện tử Victoria.

Dự kiến, tại Australia hơn 100.000 tấn tấm pin mặt trời sẽ hết hạn sử dụng vào năm 2035. Đây là một cuộc khủng hoảng hay một cơ hội? Nếu Australia xây dựng được một ngành tái pin năng lượng mặt trời họ có thể tạo ra những giá trị mới cho các ngành khác, đồng thời đảm bảo ngành năng lượng mặt trời không bị tẩy chay. Với công nghệ hiện nay, phần lớn những gì thu lại được chỉ chiếm khoảng 20% trọng lượng gồm khung nhôm và các hộp thiết bị đầu cuối. Việc tái chế 80% còn lại, bao gồm cả silicon quý, hiện chưa được thực hiện ở Australia và theo các chuyên gia, cũng không nhất thiết phải thực hiện ở đây mà có thể tiến hành ở một nơi khác có chi phí sản xuất cạnh tranh hơn.

Nếu không có các chính sách cụ thể, cộng đồng sẽ chỉ biết trông cậy vào tính tự giác và tinh thần trách nhiệm các doanh nghiệp tái chế để xử lý đúng cách chất thải của tấm pin mặt trời. Tuy nhiên, với sự tham gia mạnh mẽ của các nhà khoa học, các doanh nghiệp và đặc biệt là định hướng của các Chính phủ, chúng ta có thể làm được nhiều hơn thế. Cung cấp bằng chứng khoa học về các tác động và lợi ích tiềm năng của việc tái chế các tấm pin năng lượng mặt trời có thể khuyến khích chính phủ và ngành công nghiệp phát triển các chương trình theo hướng này.

Hợp tác quốc tế để xử lý vấn đề chung này của toàn cầu cũng sẽ trở thành một xu hướng tất yếu. Nghiên cứu hợp tác của nhóm các nhà khoa học Australia, dẫn đầu là Tiến sĩ Mahdokht Shaibani với Nhóm Nghiên cứu Năng lượng và Môi trường từ Vật liệu (The GREENMAT) tại Đại học Liege ở Bỉ, cung cấp bằng chứng cho thấy trong tương lai, các tấm pin mặt trời ở cuối vòng đời của chúng lại có thể trở thành nguồn tài nguyên thứ cấp có giá trị cho một vật liệu quan trọng trong pin xe điện: Silicon có cấu trúc Nano siêu tinh khiết (Ultra-pure Nano-structured Silicon).

GREENMAT đã tham gia sâu rộng vào các dự án tái chế pin năng lượng mặt trời do ngành công nghiệp / chính phủ Bỉ tài trợ và do Tiến sĩ Frederic Boschini dẫn đầu, trong đó việc thu hồi hiệu quả silicon là một trọng tâm chính.

Quá trình tái chế các mô-đun silicon ở châu Âu đã bắt đầu từ hơn một thập kỷ trước; tuy nhiên, vấn đề liên quan đến hầu hết các quy trình được phát triển cho đến nay là tỷ lệ thu hồi không quá 80% và giá trị của các tài liệu được truy xuất không cạnh tranh được so với sản xuất mới. Do đó, nếu để cân đối giữa mục tiêu bền vững và kinh tế, cần có sự định hướng và can thiệp sâu sắc hơn của Chính phủ và các tác nhân trong chuỗi cung ứng.

* Bài viết tham khảo nghiên cứu của Tiến sĩ Mahdokht Shaibani và cộng sự (2020). Tiến sĩ Mahdokht Shaibani là nhà cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng, có chuyên môn về tổng hợp vật liệu, kỹ thuật và mở rộng quy mô cho các hệ thống lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo bao gồm pin lithium-lưu huỳnh, cực dương silicon, pin dòng chảy, siêu tụ điện và tụ điện lithium-ion, có bằng Tiến sĩ về Kỹ thuật Cơ khí, chuyên ngành lưu trữ năng lượng tại Đại học Monash, Australia.