Možnosti recyklace fotovoltaických panelů a jejich využití pro složky kompozitů ve stavební výrobě
Článek představuje projekt, jehož cílem bylo nalézt uplatnění pro recyklované skleněné frakce z fotovoltaických panelů. Zaměřili jsme se na silikátové stavební materiály, které jsou schopny začlenit skleněné recykláty do své struktury během procesu hydratace, vypalování a tavení. Seznamujeme s výsledky testování možností využití skleněného recyklátu z fotovoltaických panelů pro betonové zdicí prvky. Porovnáváme konkrétní receptury a jejich fyzikální a mechanické vlastnosti s hlavním zaměřením na pevnost v tlaku. Porovnáváme hodnoty těchto receptur s hodnotami běžně používaných kompozitních materiálů – materiálů pro zdicí prvky bez recyklátů.
1. Úvod
Češi patří k jedněm z nejlepších v Evropě v třídění odpadu. A je skvělé, že tento trend neustává [10]. Co se ale týče recyklace průmyslového odpadu a jeho možného následného využití, zde máme rezervy. Tento článek představuje nově podaný projekt na téma Hledání uplatnění pro frakce skelného recyklátu z fotovoltaických panelů v oboru stavebnictví. Projekt se zaměřuje na tři základní silikátové stavební materiály, které jsou schopny během procesu hydratace, procesu výpalu nebo tavení střepy a prášek ze skelného recyklátu bezpečně zabudovat do své struktury. Současně budou hledány takové technologie a výrobky, kdy adice skelného recyklátu přispěje k vylepšení charakteristik materiálu zákadního. Recyklátem budou obohaceny a širokému spektru fyzikálních, chemických a trvanlivostních zkoušek podrobeny: beton prostý, vyztužený a výrobky z něj, cihlářský střep a vypálené výrobky z něj a sklářský kmen a napěněné výrobky něj.
Nosným cílem plánovaného grantového projektu TAČR je, z pohledu zadávací organizace (BAMBAS Elektroodpady, s.r.o., Skalice nad Svitavou) „Vytvoření manuálu pro sestavení a obsluhu linky na zpracování FV panelů“ s hlavním efektem zajištění suroviny a dodávek větších objemů skelného recyklátu pro servisní výzkumné organizace – tedy pro VUSH, a.s. (ověřování skelného recyklátu jako částečné náhrady cementu), pro VUT (návrh receptur betonových směsí, pevnostní a trvanlivostní zkoušky zatvrdlých betonů, posouzení možnosti využití skelného recyklátu jako taviva do cihlářského střepu či frity na cihlářský střep, možnost využití skelného recyklátu jako plniva pro přípravu izolačních desek, ověřování nosné způsobilosti a spolehlivosti zkušebních prefabrikátů). Projektu grantového výzkumu se plánují účastnit i dvě aplikační firmy, a to Prefa Brno a.s. (provozní ověření vlastností prefabrikátů) a Prefa Kompozity, a.s. (provozní ověření vlastností výrobků z kompozitních materiálů).
Fotovoltaické panely instalované v Evropě a v ČR začnou v blízké budoucnosti dosahovat hranic své životnosti, proto se čím dál více hovoří o možnostech a limitech jejich recyklace. Odpadní materiál z fotovoltaických panelů sestává z velké části ze skla, které může najít širší druhotné využití. Mimo jiné ve stavebnictví, a to například jako náhrada kameniva v betonu. Další část článku se zaměří na prozatím zrealizované úvodní testy mechanických vlastností betonových vzorků vyrobených ze skelného recyklátu, který doplnil či zcela nahradil složku kameniva v receptuře betonu.
2. Recyklace a receptury
Recyklace
Recyklace solárních panelů je v posledních letech velkým tématem a přináší řadu zatím nevyřešených otázek.
Od roku 2018 vyžaduje směrnice EU zajistit při likvidaci solárních panelů jejich recyklaci v rozsahu min. 80 % a využití odpadu 85 %. Přičemž recyklací se rozumí druhotné pouze materiálové využití. Využitím odpadu se rozumí, kromě materiálového, i energetické využití [11]. Vývoj kvót v čase ukazuje Tab. 1.
| 2012–2015 | 2015–2018 | Od 2018 | |
|---|---|---|---|
| Využití odpadu ze solárních panelů | 75 % | 80 % | 85 % |
| Recyklace solárních panelů | 65 % | 70 % | 80 % |
| zdroj: https://www.resolar.cz/cs/o-nas | |||
Existuje mnoho typů fotovoltaických panelů – monokrystalické (Mono-SI), polykrystalické (Poly-SI), tenkovrstvé (TFSC, CdTe, CIS, CIGS, a-Si), či koncentrátorové (CVP, HCVP). V ČR jsou instalovány různé typy od různých výrobců. Na klasických solárních panelech I. a II. generace tvoří největší podíl právě sklo (běžně 70 %, u tenkovrstvých až 95 %) [12]. Pro splnění kvót je tedy nutné zajistit primárně recyklaci skla.
Obr. 1 Schéma konstrukce solárního panelu. Zdroj: BAMBAS Elektroodpady s.r.o.
Pro předběžný výzkum vlastností betonů zdicích prvků bylo k výrobě vzorků betonu se skelným recyklátem použito rozdrcené sklo z fotovoltaických panelů ve dvou frakcích dle Obr. 2 (rok 2019).
Obr. 2 Frakce recyklátu: 1–2 mm; 4–8 mm
V současné době producent recyklátu z fotopanelů nabízí frakce rozličnější, ale jejich zrnitost lze výměnou sít měnit dle aktuální potřeby (viz Obr. 3a, 3b).
Obr. 3a Frakce recyklátu: 0–0,6 mm; 0,1–0,6 mm; 1–3 mm
Obr. 3b Frakce recyklátu: směsná; odpad z recyklace; odpad z recyklace – menší podíl skla
Receptury
Sítovým rozborem (ČSN EN 933-1) bylo potvrzeno, že v obou vzorcích spadá více než 90 % do udávané frakce 1–2 mm, resp. 4–8 mm.
Pro výzkum byly použity dvě receptury k výrobě vzorků betonu se skelným recyklátem. První receptura (A) obsahovala skelný recyklát obou výše zmíněných frakcí (2019) a též kamenivo frakce 4–8 mm. Druhá receptura (B) obsahovala pouze skelný recyklát, tedy bez přídavku kameniva. Detailní popis obou receptur uvádí Tab. 2.
| Označení receptury | Množství cementu CEM II 32,5 R | Sklo | Kamenivo | Voda | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1–2 mm | 4–8 mm | 4–8 mm | |||
| [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | [kg/m3] | |
| A | 350 | 700 | 300 | 1000 | 150 |
| B | 350 | 950 | 1150 | – | 150 |
3. Prováděné zkoušky
Samotný skelný recyklát i vzorky vyrobené z betonu ze skelným recyklátem (receptura A a B) byly podrobeny následujícím zkouškám:
- Stanovení sypné hmonosti a mezerovistosti skelného recyklátu (dle ČSN EN 1097-6)
- Stanovení objemové hmotnosti čerstvého betonu – 48 hodin (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12350)
- Stanovení objemové hmotnosti betonu po 28 dnech zrání (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12390)
- Stanovení pevnosti betonu v tlaku (dle ČSN EN 206+A1, ČSN EN 12390-3)
4. Naměřené výsledky a diskuse
Naměřené výsledky sypné hmotnosti a mezerovitosti udává Tab. 3.
| Sypná hmotnost | frakce 1–2 mm [kg/m3] | frakce 4–8 mm [kg/m3] |
|---|---|---|
| volně sypaného recyklátu | 1086 | 1265 |
| zhutněného recyklátu | 1261 | 1413 |
| Mezerovitost | frakce 1–2 mm [%] | frakce 4–8 mm [%] |
| volně sypaného recyklátu | 60 | 53 |
| zhutněného recyklátu | 53 | 48 |
Hodnoty objemové hmotnosti čerstvého betonu, tedy vzorků ve stáří 48 hodin, dosáhly pro recepturu A v průměru 2160 kg.m−3. Pro recepturu B, jenž obsahuje pouze skelný recyklát, byla naměřená průměrná hodnota 1880 kg.m−3.
Daší výsledky prováděných zkoušek, včetně průměrných hodnot pro recepturu A a recepturu B přehledně uvádí tabulka Tab. 4. Pevnost v tlaku byla stanovena po 28 dnech stáří betonu.
| Vzorek | Hmotnost [g] | Objemová hmotnost [kg.m−3] | Rozměry vzorku [mm] | Pevnost [MPa] |
|---|---|---|---|---|
| A1 | 7213,2 | 2137,2 | 150×150×150 | 20,9 |
| A2 | 7227,0 | – | 150×150×150 | 22,6 |
| A3 | 7243,6 | – | 150×150×150 | 22,0 |
| A – průměr | 7227,9 | 2140 | 150×150×150 | 21,8 |
| B1 | 6220,4 | 1843,1 | 150×150×150 | 11,5 |
| B2 | 6286,4 | 1862,6 | 150×150×150 | 11,9 |
| B3 | 6198,6 | 1836,6 | 150×150×150 | 11,9 |
| B4 | 6229,8 | 1845,9 | 150×150×150 | 11,3 |
| B – průměr | 6233,8 | 1850 | 150×150×150 | 11,7 |
Měřením získané pevnosti dosahují přívětivých hodnot. Pro recepturu A, která obsahuje i jednu frakci kameniva, je průměrná naměřená pevnost 21,8 MPa, což opovídá středním hodnotám pevnosti obyčejného betonu. Receptura B osahující pouze skelný recyklát má průměrnou pevnost nižší, a to 11,7 MPa. Nicméně má celkově i nižší objemovou hmotnost, a je tedy lehčí. Beton se skelným recyklátem (receptura B) je i s touto nižší pevností vhodný pro nosné zdicí prvky.
Vlastnosti můžeme porovnat s hojně užívaným lehkým pórobetonem značky YTONG. Data předkládá Tab. 5. Vidíme, že pevnosti pórobetonu dosahují poloviční až více než čtvrtinových hodnot pevnosti betonu se skelným recyklátem (v závislosti na zvolené třídě).
| Typ | Objemová hmotnost [kg.m−3] | Pevnost [MPa] |
|---|---|---|
| Standard P2-400 | 400 | 2,7 |
| Univerzal P3-450 | 450 | 3,5 |
| Statik P4-550 | 550 | 5,0 |
| Statik Plus P6-650 | 650 | 6,5 |
| zdroj dat: informační materiál výrobce, www.ytong.cz | ||
5. Závěr
Získané výsledky pevností betonových tvárnic ze skelného recyklátu prokázaly možnost použití pro základy budov i nosné konstrukce nízkopodlažních objektů.
Příměs polymerních vláken by jistě přinesla další zlepšení mechanických vlastností, nabízí se i kombinace hrubého betonového recyklátu s jemnějším skelným recyklátem při přípravě nové receptury betonu.
Jedno omezení bude vždy hladkost povrchu skla v kontaktu s cementovým tmelem a možná chemická reakce sklo – hydroxid vápenatý. Touto problematikou se již úspěšně zabývá řada vědeckých studií [1], [3], [13], [14].
Poděkování
Příspěvek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 „AdMaS UP -Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.
6. Literatura
- AFSHINNIA, K.; RANGARAJU, P. R. Impact of combined use of ground glass powder and crushed glass aggregate on selected properties of Portland cement concrete. Construction and Building Materials. 2016, 117, 263-272.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.04.072 - BECHNÍK, B.: Recyklace fotovoltaických panelů na konci životnosti. TZB-info. 2011. Dostupné z:
https://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/7868-recyklace-fotovoltaickych-panelu-na-konci-zivotnosti - CORINALDESI, V.; NARDINOCCHI, A.; DONNINI, J. Reuse of recycled glass in mortar manufacturing. European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2016, 20, 140-151. https://doi.org/10.1080/19648189.2016.1246695
- ČSN EN 933-1. Zkoušení geometrických vlastností kameniva – Část 1: Stanovení zrnitosti – Sítový rozbor.
- ČSN EN 1097-3. Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastností kameniva – Část 3: Stanovení sypné hmotnosti a mezerovitosti volně sypaného kameniva.
- ČSN EN 1097-6. Zkoušení mechanických a fyzikálních vlastností kameniva – Část 6: Stanovení objemové hmotnosti zrn a nasákavosti.
- ČSN EN 206+A1. Beton – Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda.
- ČSN EN 12350. Zkoušení čerstvého betonu.
- ČSN EN 12390. Zkoušení ztvrdlého betonu.
- DENÍK.CZ. Češi jsou hned po Belgičanech nejlepší ve třídění odpadu. 11. 5. 2017. [online]. Dostupné z:
https://www.denik.cz/ekonomika/cesi-jsou-hned-po-belgicanech-nejlepsi-ve-trideni-odpadu-20170511.html - THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL: Directive 2012/19/EU of the European Parliament and of the Council of 4 July 2012 on waste electrical and electronic equipment (WEEE) Text with EEA relevance. Dostupné z:
https://data.europa.eu/eli/dir/2012/19/oj - IQ ENERGY: Technologický vývoj fotovoltaických panelů. [online]. Dostupné z:
http://www.iqenergy.cz/produkty-a-reseni/fotovoltaika/technologicky-vyvoj/#.XHLXV-hKhPY - ISMAIL, Z. Z.; AL-HASHMI, E. A. Recycling of waste glass as a partial replacement for fine aggregate in concrete. Waste Management. 2009, 29(2), 655-659. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.08.012
- DE CASTRO, S.; DE BRITO, J. Evaluation of the durability of concrete made with crushed glass aggregates. Journal of Cleaner Production. 2013, 41, 7-14. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.09.021
The article presents a project submitted by TAČR in the Environment for Life section 2. The goal of the project is to find the application of recycled glass fractions from photovoltaic panels in the field of construction. The project focuses on three basic silicate building materials, which are able to incorporate glass recyclate shards into their structure during the hydration, firing and melting process. The paper specifies the first results of testing possibilities for use of glass recyclate from photovoltaic panels for concrete masonry units. It compares particular recipes and its physical and mechanical properties with the main focus on the compressive strength. It then compares the values of these recipes with the values of commonly used composite materials for masonry units without recyclates.