Fotovoltaico: prodotte celle solari Perc con silicio riciclato al 100%
Il riciclaggio di tutti i componenti dei pannelli solari resta una grande sfida, ma in Germania sono stati fatti grandi progressi
[11 Febbraio 2022]
Ogni anno, solo in Germania finiscono sul mercato del riciclaggio circa 10.000 tonnellate di silicio contenuto nei moduli fotovoltaici dismessi. La maggior parte degli impianti fotovoltaici in Germania sono stati installati tra il 2009 e il 2011, durante la prima ondata di espansione del fotovoltaico, e quindi entro il 2029 ci saranno diverse centinaia di migliaia di tonnellate di silicio all’anno.
Andreas Bett, direttore del Fraunhofer ISE, conferma: «Questa espansione sarà prevedibilmente seguita da una prima ondata di dismissioni vent’anni dopo, intorno al 2029, quando scadrà la tariffa incentivante per i moduli fotovoltaici installati. Pertanto, è necessario stabilire processi e procedure adeguati per recuperare il materiale di silicio dai moduli scartati in una fase iniziale». Già nel 2021, la quantità totale installata di moduli fotovoltaici in Germania era di circa cinque milioni di tonnellate, con un contenuto di silicio di 150.000 tonnellate. In quanto materiale semiconduttore, il silicio è il componente principale delle celle solari.
Attualmente, l’alluminio, il vetro e il rame dei moduli scartati vengono recuperati e riutilizzati, ma non le celle solari al silicio, i i quadratini, solitamente blu, che si vedono disposti a tessere sui pannelli solari. Sono le parti che catturano l’energia solare per convertirla in elettricità e il silicio è il loro materiale essenziale e, per poterlo riutilizzare, i ricercatori del Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle (Saale) e del Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, insieme alla più grande azienda tedesca di riciclaggio di moduli fotovoltaici, Reiling GmbH & Co. KG, hanno sviluppato una soluzione nella quale il silicio nei moduli scartati è stato riciclato su scala industriale e riutilizzato per produrre nuove celle solari PERC.
Il procedimento per il recupero del materiale di silicio è stato sviluppato grazie al finanziamento del ministero federale tedesco dell’economia e del clima (Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz – BMWK) e i ricercatori spiegano che «Con questo processo è possibile riciclare tutti i moduli fotovoltaici in silicio cristallino, indipendentemente dal produttore e dalla provenienza».
Peter Dold, project manager di Fraunhofer CSP, aggiunge; «Se non fosse così, allora ci sarebbe troppo lavoro per le aziende di riciclaggio. Per noi era importante sviluppare un processo scalabile che abbia un senso economico. Molto è possibile in laboratorio, ma il nostro nuovo processo dovrebbe dimostrarsi utile nella pratica per l’industria del riciclaggio».
Durante il procedimento, i frammenti di celle solari vengono separati e in sottoprodotti nel processo di riciclaggio meccanico, che è già funzionante. Al Fraunhofer CSP, i frammenti cellulari con dimensioni da 0,1 a 1 millimetro vengono prima liberati dal vetro e dalla plastica mediante vari processi di cernita. Segue la rimozione graduale del contatto posteriore, dei contatti in argento, dello strato antiriflesso e infine dell’emettitore mediante incisione chimica a umido. Il silicio così ripulito viene trasformato in lingotti monocristallini o quasi monocristallini con processi standard e quindi in wafer.
La cristallizzazione viene eseguita con silicio riciclato al 100% senza l’aggiunta di silicio ultrapuro commerciale. I wafer fatti di silicio riciclato sono stati utilizzati in celle solari al il PV-TEC di Fraunhofer ISE e nella prima prova, l’efficienza di conversione della cella solare è stata del 19,7%.
Dold conclude: «Questo è inferiore all’efficienza delle celle solari PERC premium di oggi, che hanno un’efficienza di circa il 22,2% ma, contestualizzando i risultati iniziali, è sicuramente superiore a quella delle celle solari nei vecchi moduli scartati».
Per avere un’idea del significato di questo annuncio dato dai ricercatori tedeschi, Dan Gearino di Inside Clean Energy ha contattato Meng Tao dell’Arizona State University, un’autorità mondiale per il riciclaggio dei componenti del fotovoltaico, che gli ha detto: «Applaudo i loro progressi», ma poi ha spiegato perché il riciclaggio del silicio è solo una piccola parte della gestione dei rifiuti dell’industria fotovoltaica: «L’energia solare è in forte espansione, con milioni di tonnellate di pannelli solari prodotti ogni anno. Un pannello ha una durata prevista di circa 25 anni, il che significa che i nuovi parchi solari di oggi andranno fuori servizio alla fine degli anni ’40».
Un rapporto del 2016 dell’International Renewable Energy Agency (Irena) avvertiva che i rifiuti dei pannelli solari sarebbero passati da 78 milioni di tonnellate a 250.000 tonnellate entro il 2050. Ma Tao fa notare che «Dopo l’uscita di quel rapporto, la crescita dell’energia solare è accelerata, quindi i numeri del 2050 saranno probabilmente ancora più elevati. Con l’invecchiamento delle celle solari, sulla superficie del silicio possono iniziare ad apparire minuscole crepe, che possono ridurre la capacità delle celle di svolgere il proprio lavoro. Ma la maggior parte del deterioramento di un pannello solare è dovuto all’usura di altre parti, come i contatti elettrici. La maggior parte del peso in un pannello solare, circa il 75%, è vetro. Poi viene l’alluminio, con il 10%; il cablaggio in una scatola di giunzione, al 5%; e il silicio, con solo il 3,5%». I pannelli contengono anche piccole quantità di piombo – che variano a secondo della tecnologia e del produttore dei pannelli – , motivo per cui non possono essere smaltiti in discarica.
«Quindi – evidenzia Tao – il silicio è un materiale importante e poterlo riciclare è un passo avanti, ma i ricercatori devono trovare modi economici per riciclare tutte le parti di un pannello solare. Oggi, la maggior parte dei riciclatori che lavorano con i pannelli solari li rompono per riutilizzare l’alluminio e il cablaggio, ma per gli altri componenti c’è un mercato limitato». Per esempio, il vetro dei pannelli solari può essere utilizzato per produrre un materiale che può essere miscelato con il cemento.
Tao ricorda però che «L’obiettivo finale del riciclaggio del solare è rendere il processo circolare, il che significa che i vecchi componenti solari potrebbero essere trasformati per essere utilizzati in nuovi componenti solari. Col vetro non è ancora successo».