التسييل التأكسدي: طفرة في إعادة تدوير الألواح الشمسية

مع تسريع العالم لانتقاله إلى الطاقة المتجددة، برزت الطاقة الشمسية باعتبارها حجر الزاوية في الجهود العالمية لإزالة الكربون. ومع ذلك، فإن الانتشار السريع للألواح الكهروضوئية (PV) يطرح تحديًا عاجلاً، غالبًا ما يتم تجاهله: ما يجب فعله بها في نهاية عمرها الافتراضي الذي يتراوح بين 25-و-30 عامًا. ومع توقع تراكم ما يقدر بنحو 8 ملايين طن من النفايات الشمسية سنويًا بحلول عام 2030، تواجه الصناعة ضغوطًا متزايدة لتطوير تقنيات إعادة التدوير الفعالة والصديقة للبيئة. ومن بين الحلول الواعدة هناك عملية جديدة تعرف باسم التسييل التأكسدي، وهي طريقة لإعادة التدوير الكيميائي يمكنها إعادة تعريف كيفية استعادة المواد القيمة من الوحدات الشمسية التي تم إيقاف تشغيلها.

هناك كمية كبيرة من الطاقة الحرارية والفيزيائية اللازمة لإعادة تدوير الألواح الشمسية التقليدية. المكونات القابلة لإعادة التدوير في الألواح الشمسية التقليدية هي الزجاج والمعادن، وكلاهما أنشأ طرقًا لإعادة التدوير. ومع ذلك، فإن الجزء الأكثر تحديًا في إعادة تدوير الألواح الشمسية هو مادة EVA (إيثيلين - أسيتات الفينيل) المستخدمة كمغلف. في معظم مرافق إعادة التدوير اليوم، يتم تمزيق الألواح الشمسية التقليدية أو معالجتها حراريًا عن طريق حرقها في درجات حرارة عالية جدًا. تحرق هذه العملية المادة المغلفة من الخلايا الشمسية ولكنها تطلق كميات كبيرة من الغازات السامة في الغلاف الجوي، وتتطلب كميات كبيرة من الطاقة، وتؤدي إلى-مواد مستردة منخفضة النقاء، والتي عادةً ما يتم تدويرها-إلى منتجات منخفضة الجودة-.

سيكون لدينا تغيير جذري في الطريقة التي ننظر بها إلى نفاياتنا. التسييل التأكسدي هو طريقة بديلة تم تطويرها للتخلص من الكتلة الحيوية والمواد البلاستيكية. استخدم الباحثون في معهد فراونهوفر في ألمانيا والمختبر الوطني للطاقة المتجددة في الولايات المتحدة أعمالًا من مجالات بحثية أخرى للتوصل إلى طرق جديدة للتخلص من الوحدات الكهروضوئية. يتم تحقيق ذلك إما عن طريق تمزيق أو عدم تمزيق الوحدات الكهروضوئية القديمة، ثم وضع الوحدات في بيئة كيميائية خاضعة للرقابة تتكون من عدة سوائل مختلفة (الماء والمذيبات العضوية والعوامل المؤكسدة مثل بيروكسيد الهيدروجين)، وتعريضها للحرارة المعتدلة والضغط المعتدل في مفاعل الأكسدة. يتم تقطيع تغليف البوليمر EVA - المرتبط بالوحدات الكهروضوئية بشكل مؤكسد أثناء تفاعل الأكسدة الذي يحدث في مفاعل الأكسدة، وبالتالي، يتم تحويل هيدروكربونات سلسلة الكربون الطويلة - إلى هيدروكربونات مجزأة قابلة للذوبان عن طريق أكسدتها بواسطة الأكسجين أثناء هذا التفاعل.

يمكن أن يستغرق تحويل لاتكس EVA إلى منتجات سائلة (أو، في بعض الحالات، شمعية) ما يصل إلى 30-60 دقيقة وسيحرر جميع المكونات الأخرى (الزجاج وخلايا السيليكون والمعادن) من المادة المغلفة دون تغييرها كيميائيًا. بمجرد معالجة المادة بهذه الطريقة، فإن عملية التبريد والترشيح سوف (1) تسمح باستعادة الزجاج في صفائح نظيفة كاملة و(2) تسمح بتقسيم خلايا السيليكون دون كسور من أجل الحفاظ على نظافتها. علاوة على ذلك، فإن المعادن (الفضة والنحاس) الناتجة عن وصلات اللحام لخلايا السيليكون سوف تنفصل وتستقر في بقايا صلبة واحدة يمكن فصلها بسهولة باستخدام إما طريقة الفصل بالكثافة أو الفصل الكهروستاتيكي.

بالمقارنة مع الانحلال الحراري الحراري (500-600 درجة) أو التقطيع الميكانيكي، يعمل التميع التأكسدي عند درجات حرارة منخفضة، مما يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة تقدر بـ 40-60%. ولا ينتج عنه أي غازات سامة-مثل فلوريد الهيدروجين أو الديوكسينات-المنتجات الثانوية الشائعة الناتجة عن حرق الألواح الخلفية المهلجنة. علاوة على ذلك، تولد هذه العملية منتجات كيميائية ثانوية قابلة لإعادة الاستخدام: حيث يمكن تكرير الجزء العضوي المسال إلى مواد كيميائية أساسية أو إضافات للوقود، مما يضيف تدفقات إيرادات للقائمين بإعادة التدوير.

تظهر الدراسات التجريبية المبكرة معدلات استرداد مذهلة. وفي تجربة أجراها اتحاد أوروبي عام 2023، حقق الإسالة التأكسدية ما يلي:

استعادة الزجاج النقي بنسبة 90-95% (with >85% أوراق سليمة)

96% سيليكون استرداد(مع تلوث معدني ضئيل)

استرداد الفضة بنسبة 98%من أصابع الخلية وقضبان التوصيل.

تتناقض هذه الأرقام بشكل حاد مع إعادة التدوير الميكانيكية التقليدية، والتي عادةً ما تسترد فقط 60-70٪ من الزجاج وتفقد معظم الفضة (<20% recovery) due to comminution.

على الرغم من وعده، فإن التسييل التأكسدي ليس جاهزًا بعد للنشر على نطاق -جيجاواط. ولا تزال هناك عقبتان رئيسيتان: تكلفة المفاعل وزمن التفاعل. ومع ذلك، فإن التطورات الحديثة في تصميم مفاعلات التدفق المستمر-والمؤكسدات ذات التكلفة المنخفضة-مثل الهواء (بدلاً من الأكسجين النقي) تعمل على سد الفجوة. وجد تقييم لدورة الحياة-من الجامعة التقنية في الدنمارك لعام 2024 أنه إذا تم تنفيذ عملية التسييل التأكسدي على نطاق 10000 طن سنويًا، فقد تكون تكلفة{10}تنافسية مع رسوم مدافن النفايات في دول الاتحاد الأوروبي، خاصة عند احتساب إيرادات الفضة المستردة.

بدأت صناعة الطاقة الشمسية في الاعتراف بأهمية التسييل التأكسدي. صنفت SEIA رسميًا التسييل المؤكسد على أنه "تقنية ناشئة مهمة" في خارطة الطريق الوطنية لإعادة تدوير الطاقة الكهروضوئية اعتبارًا من مايو 2024. وهناك العديد من الشركات الناشئة بما في ذلك SolCycle من ألمانيا وPV Renew من كندا تخطط لإنشاء مشاريع تجريبية بحلول نهاية عام 2025 من شأنها معالجة 5000 طن من الألواح الشمسية-نهاية-العمر الافتراضي سنويًا خلال المرحلة الأولى عندما يتم إعدادها وتشغيلها.

ومع استمرار زيادة تركيبات الطاقة الشمسية بسرعة (من المتوقع أن تتجاوز القدرة العالمية 6 تيراواط بحلول عام 2030)، فإن فرص إعادة التدوير القابلة للتطوير والنظيفة والصديقة للبيئة-سوف تستمر في التلاشي. يمنح التسييل التأكسدي صناعة الطاقة الشمسية حلاً تقنيًا مفيدًا ويضع أيضًا مخططًا لإنشاء اقتصاد كهروضوئي دائري حقًا (تصبح ألواح اليوم المواد الخام للغد) دون تأثيرات بيئية سلبية. والعقبات الوحيدة المتبقية تكمن في مجالات الاستثمار والتنسيق المناسب. ومع ذلك، بعد أن تم النظر إليها على أنها صناعة مسرفة للغاية فيما يتعلق بمنتجاتها في نهاية عمرها الافتراضي، فإن هذا التطور الكيميائي الجديد لديه القدرة على مواءمة دورة حياة صناعة الطاقة الشمسية ووعدها بتوفير الطاقة النظيفة.