Recyklace fotovoltaických panelů na konci životnosti
Životnost fotovoltaických panelů je v současnosti odhadována na minimálně 30 let, v ideálním případě však může být až dvojnásobná. Panely jsou přitom zdrojem cenných surovin. Přestože FV panely nespadají pod působnosti evropské direktivy o odpadech, výrobci a dodavatelé vytvořili dobrovolný program PV Cycle.
Životnost fotovoltaických panelů
Životnost fotovoltaického panelu je definována poklesem výkonu o 20 %. Téměř všichni výrobci běžně dostupných krystalických a tenkovrstvých panelů garantují maximální pokles účinnosti o 10 % za 10 nebo 12 let a 20 % za 25 let. V praxi se na nejstarších instalacích pokles účinnosti po 25 letech pohybuje kolem 6 až 8 %. Skutečná životnost proto bude výrazně delší.
V současnosti se předpokládá, že životnost definovaná poklesem účinnosti o 20 % bude u kvalitních panelů minimálně 30 až 40 let od jejich instalace. Panely však mohou být funkční i po této době, pouze jejich účinnost bude postupně dále klesat. Investor může zvážit, zda je pro něj výhodnější vyrábět elektřinu s nižší účinností, nebo investovat do nových panelů. Staré panely ani v tom případě nemusí být zlikvidovány, ale mohou být nabídnuty zájemcům, pro něž je nízká cena panelů důležitější než jejich účinnost. Podobným způsobem se v současnosti nakládá například s trakčními akumulátory. Životnost panelů se tím může významně prodloužit, podle současných odhadů pravděpodobně až k horizontu 50 i více let.
Důvody vyřazení panelů
V loňském roce bylo hlavním důvodem pro vyřazení panelu jeho mechanické poškození při dopravě nebo instalaci. Je však nutno upozornit, že mechanická odolnost panelů je vysoká. Populární vtip (obrázek 2) je založen na neznalosti – panely jsou při standardním testování mimo jiné ostřelovány kroupami o velikosti 25 mm rychlostí 100 km/h.
V prvních měsících a letech se mohou projevit skryté vady materiálu, které neodhalila výstupní kontrola ve výrobním závodě. Podíl takových závad je u kvalitních panelů nízký, obvykle hluboko pod 1 % objemu dodávek.
U méně kvalitních panelů se mohou projevit výrobní chyby, případně použití nekvalitních materiálů. Hlavním problémem je delaminace – sendvičová struktura panelu se vlivem teploty a UV záření „rozlepí“. Pokud k takové závadě dojde, týká se obvykle celé výrobní série. Přesnější informace o množství takových panelů v České republice chybí.
Co panely jsou a co nejsou
Považovat fotovoltaické panely za elektronická zařízení je sporné. Morální životnost například LCD televizorů se pohybuje kolem 5 až 10 let. Fyzická životnost je pravděpodobně delší, sotva však bude dosahovat několika desítek let, což je na druhou stranu hodnota běžná u fotovoltaických panelů. Morální i fyzická životnost ostatní spotřební elektroniky je obvykle ještě kratší.
Některé typy tenkovrstvých fotovoltaických panelů se sice vyrábějí podobnou technologií jako LCD obrazovky, fyzickou životností a charakterem použití se však podobají spíše prvkům prosklených fasád. Jedná se proto spíše o stavební prvky než spotřební elektroniku. Nařídit recyklační poplatek za prosklené fasády nebo jiné stavební prvky dosud nikoho nenapadlo.
Fotovoltaické panely nespadají pod směrnici 2002/95/ES o omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních (RoHS) ani pod směrnici 2002/96/ES o odpadních elektrických a elektronických zařízeních (OEEZ). Obě směrnice budou revidovány a o zahrnutí fotovoltaických panelů se diskutuje, v současné verzi RoHS jsou panely explicitně vyjmuty.
PV Cycle
První sběrné místo systému PV Cycle v České republice (Google, PV Cycle)
Přesto byl k recyklaci fotovoltaických panelů vytvořen systém PV Cycle. Jedná se o celoevropskou aktivitu výrobců a dodavatelů fotovoltaických panelů založenou na dobrovolné zodpovědnosti za výrobek v průběhu celého životního cyklu. Výrobci a dodavatelé se snaží budovat zelený image oboru, ke kterému zodpovědnost za nakládání s odpadem v souladu s rámcovou směrnicí o odpadech 2008/98/ES samozřejmě patří.
V každém sběrném místě systému PV Cycle (viz mapka) jsou instalovány dva kontejnery na fotovoltaické panely. Jeden kontejner je určen na krystalické křemíkové panely, druhý na panely tenkovrstvé, pro jejichž recyklaci je používána jiná technologie. Po naplnění je kontejner vyměněn za prázdný a panely jsou odvezeny k recyklaci. Pro odvoz většího množství panelů, například z pozemní fotovoltaické elektrárny, je používán vhodnější způsob – kamion určený pro dopravu panelů k recyklaci přijede přímo k likvidované elektrárně.
Recyklované materiály
Největší podíl na hmotnosti krystalických panelů připadá na sklo (60–70 %) a hliníkový rám (kolem 20 %). U tenkovrstvých panelů je podíl skla a hliníku přes 95 %. Oba tyto materiály jsou běžně recyklovány z téměř 100 %. Ostatní kovové materiály jsou ceněnými surovinami, které se vyplatí z odpadu získávat. Plasty lze recyklovat jen částečně nebo vůbec.
Hliník – primární produkce je energeticky náročná – 200 MJ/kg elektřiny a přestavuje asi 8 % spotřeby energie na výrobu celého panelu. V současnosti jsou proto vyráběny i panely bez rámu. Tato praxe však není nutná, hliník lze snadno recyklovat s velmi nízkou spotřebou – 8 MJ/kg převážně tepelné energie, výtěžnost se u kusového hliníku, kam spadají i rámy fotovoltaických panelů blíží 100 %.
Sklo – základní konstrukční díl všech typů fotovoltaických panelů, pouze v některých případech jsou používány plastové materiály. Recyklace skla může snížit spotřebu energie na jeho výrobu asi o 40 %. Recyklace však významně snižuje nároky na těžbu surovin a kapacitu skládek odpadů. Výhodou skla je, že většině případů lze materiál zrecyklovat na původní výrobek.
Plastové komponenty – vlivem klimatických podmínek obvykle degradují, jen vzácně je lze jednoduchými metodami recyklovat na původní výrobek. V praxi se spíše využívá energie, kterou je možno uvolnit jejich spálením.
Fotovoltaické články – u klasické krystalické technologie se podíl článků na hmotnosti panelů pohybuje v jednotkách procent, v průběhu času se přitom významně snižuje. Krystalické články se však podílejí až 80 % na spotřebě energie na výrobu panelu a zhruba 50 % na jeho ceně. Na konci životnosti jsou přitom články v podstatě nezměněny. S recyklací celých článků nebo desek jsou již první praktické zkušenosti. Podíl funkčních vrstev tenkovrstvých článků na hmotnosti panelů i na nákladech na jejich výrobu je ještě o jeden až dva řády nižší. I v tom případě se však jedná o cenné polovodičové materiály, jejichž zpětné získávání je obvykle výhodnější než ze surovin.
Těžké kovy – představují z hlediska hmotnosti, ceny i spotřeby energie na výrobu panelů zanedbatelné položky. Podíl jednotlivých kovů na hmotnosti panelů se pohybuje v desetinách promile. Energetická i materiálová náročnost recyklace je srovnatelná s výrobou z primárních surovin. Recyklace je však nutná z jiných důvodů. Těžké kovy jsou toxické a je proto nutno je oddělit od životního prostředí. Mimoto zejména u stříbra je již v blízké budoucnosti očekáváno vyčerpání ekonomicky těžitelných zásob a v důsledku toho růst nákladů na těžbu a tedy i ceny stříbra. Je pravděpodobné, že problém bude vyřešen použitím jiných materiálů.
Metody recyklace
Pro recyklaci panelů bylo navrženo několik metod. Některé jsou univerzální, jiné jsou vhodné jen pro určité typy panelů.
Termická recyklace
V současnosti zřejmě nejpokročilejší metodu recyklace panelů navrhla a odzkoušela firma Deutsche solar AG. Celé panely jsou zavezeny do speciální pece, kde jsou zahřívány na teplotu nad 500 °C. Při této teplotě se plastové materiály odpaří, následně jsou v další komoře řízeně spalovány. Ostatní materiály jsou separovány ručně. Jsou-li panely nepoškozené, lze vytěžit až 85 % článků pro nové použití. Spotřebu energie na výrobu nových panelů je díky tomu možno snížit až o 70 %. Metoda je použitelná pro všechny stávající konstrukce panelů z krystalických článků.
| Materiál | Složení panelů [kg/kWp] | Podíl [%] | Výtěžnost recyklace [%] |
|---|---|---|---|
| Sklo | 60 | 67 | > 95 |
| Hliník | 16 | 18 | 100 |
| Plasty | 10 | 11 | – |
| Křemík | 3 | 3 | 85 |
| Junction box | 2 | 2 | – |
| Měď | 1 | 1 | 80 |
Mechanicko-chemická metoda
Pro likvidaci panelů je navrhován podobný postup jako při recyklaci LCD televizorů. Na začátku se ručně demontuje hliníkový rám. Následuje drcení a třídění velikostních frakcí. K oddělení jednotlivých materiálů slouží separační metody – fluidní a mokré splavy a elektrodynamická separace. Stříbro a další zájmové kovy jsou získávány chemicky a pyrometalurgicky. Získané kovy mohou být použity jako surovina v metalurgickém průmyslu, plasty budou pravděpodobně likvidovány spálením s možností využít teplo. Ve srovnání s termickou recyklací je u této metody nižší podíl ruční práce. Výsledkem jsou však pouze drcené suroviny. Metoda je použitelná spíše pro tenkovrstvé panely, u nichž nelze polovodičové materiály získat jiným způsobem.
| Materiál | Složení panelů [kg/kWp] | Podíl [%] | Výtěžnost recyklace [%] |
|---|---|---|---|
| Sklo | 150 | 84 | > 95 |
| Hliník | 20 | 12 | 100 |
| Plasty | 5 | 3 | – |
| Ostatní | 2 | 1 | ∼90 |
Konstrukční úpravy
Pro zjednodušení likvidace na konci životnosti byly navrženy konstrukční úpravy, které usnadňují demontáž celých článků z panelu. Jednou z možností je jednotlivé články před laminací do EVA fólie nejdříve zapouzdřit do materiálu s nízkou přilnavostí k článkům, například silikonu. Jinou možností je hermetické zapouzdření článků mezi dvě vrstvy skla bez použití EVA fólie nebo jiných plastů. Použitou konstrukční úpravou je v podstatě určen i způsob recyklace.
V praxi se konstrukční úpravy neprosadily, protože výrobní náklady jsou vyšší. Chybí přitom způsob, jak hodnověrně prokázat očekávanou vyšší životnost panelů. Další výhoda – snížení energetické náročnosti výroby panelů – se postupně vytrácí. Především se novými technologiemi podařilo výrazně snížit energetickou náročnost výroby solárního křemíku. Zároveň se na výrobu krystalických článků používají stále tenčí desky, což rovněž přispívá ke snížení energetické náročnosti výroby panelů. Tenčí desky, zejména z multikrystalického křemíku, jsou však křehčí, výtěžnost při recyklaci se proto výrazně snižuje.
Množství instalovaných panelů
Rozvoj fotovoltaiky v Německu a v České republice
Pomineme-li několik drobných instalací z dřívější doby, byly v současnosti nejstarší panely instalovány mezi lety 2000 až 2006 v rámci programu Slunce do škol. Celkově bylo instalováno přes 1000 systémů na základních školách; výkon těchto systémů byl 100 Wp nebo 200 Wp (jeden nebo dva panely). Později byly instalovány systémy o výkonu 1,2 kWp na středních školách a 20 až 40 kWp na vysokých školách. Celkový počet instalovaných panelů je však v porovnání s pozdějšími lety zanedbatelný.
Teprve se zavedením podpory výkupu elektřiny z obnovitelných zdrojů podle zákona č. 180/2005 Sb. dochází od roku 2006 k významnému růstu instalovaného výkonu, a tedy i množství instalovaných panelů. Vzhledem k očekávané životnosti lze větší objemy panelů k recyklaci očekávat nejdříve po roce 2030. Do té doby budou likvidovány pouze panely poškozené při dopravě a montáži, případně panely se skrytými výrobními vadami, které se obvykle projeví v prvních měsících a letech provozu. Obtížně odhadnutelné je množství nekvalitních panelů, jejichž účinnost klesne o 10 % dříve než za garantovaných 10 let. Takové panely by byly provozovatelem fotovoltaické elektrárny reklamovány u výrobce nebo dodavatele, kteří by byli zodpovědní i za jejich recyklaci.
| Rok | Instalovaný výkon [MWp] | Množství panelů [t] | Předpokládaný konec životnosti [rok] |
|---|---|---|---|
| 2007 | 3,4 | 400 | 2030... |
| 2008 | 60 | 7 000 | |
| 2009 | 400 | 45 000 | |
| 2010 | 1450 | 160 000 | 2040... |
| 2011 | 50 | 6 000 |
Množství panelů k recyklaci
V nejbližších 10 až 20 letech lze očekávat, že množství panelů vyřazených z provozu bude vemi nízké. Bude se většinou jednat o panely poškozené při nehodách a živelních pohromách. Odhady se pohybují od několika set do 1000 tun ročně. Ve srovnání s celkovou produkcí odpadů v České republice (přes 20 mil. tun) se jedná o zlomky promile. Kvalitní panely instalované v letech 2009 až 2011 budou vyřazovány z provozu ve větších objemech pravděpodobně až po roce 2040.
Panely nižší kvality zřejmě budou vyřazovány dříve, jejich množství je však obtížné odhadnout. Na konci roku 2010 v horečné snaze dokončit projekty velkých fotovoltaických elektráren za každou cenu byli investoři ochotni koupit v podstatě cokoli. Vysoké odhady – 30 i více procent – pocházejí od zástupců firem, které dodávají kvalitní produkci, může se proto jednat o reklamní tah. Importu výrobků nízké kvality se snažily zabránit banky tím, že si vytvářely seznamy doporučených typů panelů respektive dodavatelů. Ani nekvalitní panely však nemusí být vyřazeny z provozu. Nejčastějším problémem je nižší výkon nebo rychlejší pokles účinnosti. Několik reklamací tohoto typu již proběhlo, ve všech případech však prozatím investor přistoupil na vrácení části kupní ceny.
Za ekonomicky rentabilní je považována kapacita recyklační linky kolem 20 tis. tun panelů ročně. Taková množství panelů lze očekávat až po roce 2040. Do té doby bude výstavba specializované recyklační linky nerentabilní. Využití univerzálních recyklačních metod respektive zařízení na druhou stranu nezaručuje efektivní využití speciálních fotovoltaických materiálů. Z uvedených důvodů by vhodným řešením minimálně do roku 2030 bylo přistoupení České republiky k systému PV Cycle a recyklace panelů na stávajících linkách v Německu.
Systém PV Cycle je financován výrobci panelů respektive dodavateli na evropský trh. V současnosti zahrnuje přes 85 % dodaných panelů.
The service life of photovoltaic panels is currently estimated at least 30 years. However, in the ideal case, it can be doubled up. Panels are recognised as a source of valuable raw materials too. Even though solar panels do not fall under the scope of European directives on waste management, manufacturers and suppliers have created a voluntary program of PV Cycle.