Development of recycling techniques in 1st and 2nd generation waste photovoltaic panels

Abstract

Waste electrical and electronic equipment (WEEE) or e-waste is globally considered as one of the fastest growing and complex waste streams. The European Directive on WEEE (2012/19/EU) aims at sustainable production and consumption and sets targets for collection, reuse, recycling and recovery. From 15th August 2018 and onwards, WEEE is classified within the six new categories, as stipulated in Annex III of the recast Directive instead of the existing ten categories. End-of-Life (EoL) photovoltaic (P/V) panels consist one of the newest WEEE under category 4 and, thus, a current and future challenge, since their management is yet to be compiled. Because of the P/V market growth and its continuous expansion, the International Renewable Energy Agency (IRENA) has predicted that waste P/V panels will amount to 1.7-8.0 million tonnes by 2030 and to 60-78 million tonnes by 2050. P/Vs are considered as “clean” energy technologies with positive impacts on energy security and climate change, however, the proper management of EoL P/Vs is an indispensable issue that should be particularly addressed and evaluated from a life-cycle viewpoint. The purpose of this thesis is to develop recycling techniques for P/V panels in order to recover valuable components, taking into consideration that they represent one of the newest and most promising sources of secondary raw materials. P/V panels based on different technology, namely polycrystalline silicon (p-Si) and monocrystalline silicon (m-Si) panels classified in the 1st generation of photovoltaics, as well as copper indium selenide (CIS) and amorphous silicon classified in the 2nd generation of photovoltaics, were studied. Aiming at sustainable management of waste panels, various investigations were carried out including four different approaches, (a) the delamination of P/V panels, (b) the recovery of valuable metals (semiconductors), rather than simple recovery of bulk materials, (c) the reuse of glass or plastic in cement mortar production, and (d) the valorization of glass in the production of glass-ceramics for applications in the construction sector. The results showed that metal, glass and plastic parts consisting more than 90% of P/V panels can be reused, recovered or recycled towards an integrated sustainable management of waste P/V panels, indicating potential future applications.

Τα απόβλητα ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού (ΑΗΗΕ) αποτελούν μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες και πιο πολύπλοκες κατηγορίες αποβλήτων παγκοσμίως. Με στόχο τη βιώσιμη παραγωγή και κατανάλωση ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού (ΗΕΕ), η Ευρωπαϊκή Οδηγία για τα ΑΗΗΕ (2012/19/ΕΕ) θέτει στόχους για τη συλλογή, επαναχρησιμοποίηση, ανακύκλωση και ανάκτησή τους. Από τις 15 Αυγούστου 2018 και στο εξής το πεδίο εφαρμογής της Οδηγίας περιλαμβάνει έξι κατηγορίες ΑΗΗΕ, όπως ορίζονται στο παράρτημα III της Οδηγίας, καθώς ολοκληρώνεται η μεταβατική περίοδος η οποία αφορούσε 10 κατηγορίες ΑΗΗΕ. Τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) πλαίσια στο τέλος του κύκλου ζωής τους αποτελούν ένα από τα πλέον πρόσφατα ΑΗΗΕ (κατηγορία 4) και συνάμα μια τρέχουσα και μελλοντική πρόκληση αναφορικά με τη διαχείρισή τους. Με βάση την συνεχή ανάπτυξη στην αγορά Φ/Β συστημάτων και την επερχόμενη αύξησή τους, εκτιμάται ότι τα απόβλητα Φ/Β πλαίσια θα ανέρχονται συνολικά σε 1.7-8.0 εκατομμύρια τόνους μέχρι το 2030 και 60-78 εκατομμύρια τόνους έως το 2050. Αναμφισβήτητα, τα φωτοβολταϊκά είναι μία από τις πλέον περιβαλλοντικά "καθαρές" τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας με θετικό αντίκτυπο στην ενεργειακή ασφάλεια και την κλιματική αλλαγή. Ωστόσο, η ορθή διαχείριση των φωτοβολταϊκών πλαισίων είναι ένα κρίσιμο και καθόλα επίκαιρο περιβαλλοντικό ζήτημα που πρέπει να τεθεί υπό μελέτη. Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στην ανακύκλωση, ανάκτηση και αξιοποίηση των πολύτιμων υλικών που περιέχονται σε απόβλητα φωτοβολταϊκά πλαίσια, λαμβάνοντας υπόψη ότι μπορεί να αποτελέσουν μία σημαντική πηγή δευτερογενών πρώτων υλών. Καθώς τα φωτοβολταϊκά πλαίσια διαφέρουν ως προς τη σύσταση και τη δομή τους, μελετήθηκαν τέσσερις διαφορετικές τεχνολογίες πλαισίων - οι πιο συχνά απαντώμενες - δηλαδή πολυκρυσταλλικού πυριτίου (p-Si) και μονοκρυσταλλικού πυριτίου (m-Si) πλαίσια τα οποία κατατάσσονται στην πρώτη γενιά φωτοβολταϊκών, καθώς και χαλκού ινδίου σεληνίου (CIS) και άμορφου πυριτίου πλαίσια τα οποία κατατάσσονται στη δεύτερη γενιά φωτοβολταϊκών, αντίστοιχα. Προς την κατεύθυνση της ολοκληρωμένης και βιώσιμης διαχείρισης των Φ/Β πλαισίων, αναπτύχθηκαν διάφορες τεχνικές, οι οποίες αποτελούνται από πολλαπλά στάδια επεξεργασίας και αποσκοπούν: (α) στην αποστρωματοποίηση της δομής των πλαισίων, (β) στην ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων (ημιαγωγών), καθώς και «συμβατικών» υλικών, (γ) στην αξιοποίηση γυαλιού ή πλαστικού για την παραγωγή τσιμεντοκονιαμάτων, και (δ) στην αξιοποίηση του γυαλιού για την παραγωγή υαλοκεραμικών με χρήσεις στον κατασκευαστικό τομέα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα μέταλλα, το γυαλί και τα πλαστικά μέρη συνιστούν περισσότερο από το 90% κ.β. των Φ/Β πλαισίων και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν, να ανακτηθούν ή να ανακυκλωθούν στα πλαίσια μιας ολοκληρωμένης και βιώσιμης διαχείρισης των Φ/Β πλαισίων.