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Approfondimenti

22 Aprile 2010

La sfida del riciclaggio nel settore fotovoltaico

(Franco Gabrielli*)

* Ingegnere, direttore dell'agenzia di consulenza aziendale e ricerca personale "Direction"

La crescita esponenziale delle installazioni fotovoltaiche sta costringendo i produttori a confrontarsi con i rischi che possono derivare da uno smaltimento non corretto dei moduli giunti a fine vita.

Fino a pochi anni fa il problema dello smaltimento era poco sentito, anche a causa della giovane età della tecnologia fotovoltaica e dalla lunga durata dei moduli, stimabile mediamente in almeno 25-30 anni.   

D’altra parte, però, l’avvio significativo del fotovoltaico in Germania, negli Usa ed in misura minore in Spagna comincia ad essere già “datato”. E’ quindi evidente l’urgenza di attrezzarsi fin da ora per trovare dei metodi per lo smaltimento sostenibile dei moduli, una volta raggiunta la fine della loro vita utile. Per queste ragioni l’industria, soprattutto in Germania, ha già iniziato a sviluppare dei percorsi di riciclaggio grazie all’attività dell’associazione PV Cycle.
 
PV Cycle è l’associazione europea per il ritiro e riciclaggio volontario dei pannelli fotovoltaici, fondata nel 2007 dall’industria manifatturiera fotovoltaica. La sua sede è a Bruxelles ed oggi rappresenta circa l’85% del mercato fotovoltaico europeo. I principali produttori, importatori, rivenditori si sono riuniti con le varie associazioni ed i centri di ricerca del settore fotovoltaico e attraverso PV Cycle cercano di introdurre una gestione complessiva dei rifiuti, con una politica di ritiro e riciclaggio volontario. L’obbiettivo di PV Cycle è quello di rendere il processo di riciclaggio economicamente interessante, fattibile ed ecologicamente responsabile. Le varie attività di PV Cycle potranno incoraggiare altri mercati, come quello staunitense e giapponese, ad adottare politiche simili.

PV Cycle, correlando il trend dell’installato (in MWp) e riproponendolo in un arco temporale slittato in avanti di 20–28 anni, ha stimato le tonnellate di pannelli che si dovranno riciclare nel prossimo futuro. Considerando che a 1 MWp corrispondono mediamente 70-80 tonnellate di pannelli da trattare, risulta che in Germania già nel 2010 andrebbero smaltite circa 2.800- 3.200 tonnellate di pannelli.

Un trend che nei prossimi anni è destinato inevitabilmente ad aumentare, nel modo seguente:
• 16-17.000 nel 2015
• 34-35.000 nel 2020
• 60.000 nel 2025
• 130.000 nel 2030

Data la sua leadership nel settore, non sorprende che la Germania sia il primo paese europeo a trovarsi con grandi volumi di moduli che hanno già raggiunto la fine della loro vita operativa. Volumi che rappresentano quasi il 50% di tutti i rifiuti fotovoltaici che verranno generati in Europa. 
 
Riciclare: necessità e vantaggi economici

I pannelli fotovoltaici contengono materiali di alto valore che, in molti casi, possono essere recuperati con indubbi vantaggi economici. Infatti la carenza di materiali - un esempio è il silicio – può limitare la crescita del settore ed aumentarne i prezzi. Il riciclaggio può invece facilitare lo sviluppo economico del fotovoltaico ed aiutare a mantenere prezzi contenuti.

È già chiaro dallo sviluppo del mercato che qualsiasi sistema di riciclaggio deve essere in grado di trattare una vasta gamma di prodotti diversi. La chiave sta nell’integrare il riciclaggio anche delle future tipologie di pannelli. Si consideri ad esempio il crescente uso di moduli senza cornice, che eliminano il telaio in alluminio presente nei modelli precedenti.

Anche se oggi il riciclaggio non è sempre facilmente praticabile, in futuro diventerà una necessità. Ne sono consapevoli i produttori, che responsabilmente si occuperanno del riciclaggio su base “volontaria”. Verranno individuati standard di riciclaggio sempre più elevati, con servizi offerti da enti certificati e controllati.

Una progettazione e produzione di moduli fotovoltaici più facili da riciclare e smaltire può essere spinta ed incentivata dalla responsabilità che il produttore ha verso l'impatto del ciclo di vita dei suoi prodotti. Alcuni osservatori suggeriscono che le aziende potrebbero usare il riciclaggio come attività di branding, guadagnando indirettamente piuttosto che dal riciclo stesso.  Altri vedono il riciclaggio come un obbligo da includere nelle varie norme del settore fotovoltaico. Altri ancora infine, come il direttore di PV Cycle, ritengono che il riciclaggio dei moduli sia già oggi economicamente e tecnicamente fattibile.
 
Processi di riciclaggio presenti sul mercato
 
Attualmente esistono due processi di riciclaggio gestiti su scala industriale:
• il processo di trattamento di First Solar, usato per i moduli CdTe (Tellururo di Cadmio);
• il processo di trattamento di Deutsche Solar, sfruttato principalmente per i moduli in silicio cristallino.
 
Processi per le altre tecnologie fotovoltaiche sono ancora in fase di sviluppo.
 
Il trattamento First Solar

First Solar ha sviluppato un processo per riciclaggio dei moduli CdTe a film sottile. L’azienda gestisce la logistica della raccolta dei moduli a fine vita,  fornendo l’imballaggio e il trasporto verso un centro di riciclaggio. First Solar quindi finanzia sia la raccolta che il processo di riciclaggio, accantonando i fondi necessari al momento della vendita del modulo.

Processo di riciclaggio:
• i moduli sono triturati in pezzi di grandi dimensioni, prima di essere schiacciati a pezzi da un mulino a martelli (inferiori a 5 mm), per rompere i legami di laminazione;
• le pellicole del semiconduttore sono rimosse in un contenitore. Questo processo dura 4-6 ore. Un sottile strato di acido solforico e perossido di idrogeno è aggiunto al vetro per ottenere un ottimale rapporto solido-liquido. Le pellicole sono separate dal vetro;
• il vetro viene separato dai liquidi in un recipiente;
• il materiale è poi trasferito in un vaglio vibrante che separa il vetro dai pezzi più grandi di Etilene Vinil Acetato (EVA). L'EVA viene raccolto e depositato in un altro nastro trasportatore;
• dopo esser stato pulito, il vetro viene depositato nei contenitori per il riciclaggio e le acque di lavaggio vengono trattate per il recupero dei metalli comuni;
• i composti metallici sono precipitati in tre fasi a pH crescente con l’utilizzo dell’idrossido di sodio. Le parti solide, dopo che sono trasformate in una massa metallica, sono separate per un’ulteriore successiva lavorazione (per essere riusate come materie prime per la produzione di nuovi pannelli).

Il processo ha un elevato tasso di successo, riuscendo a recuperare: il 90% del vetro per l'utilizzo in nuovi prodotti,  il 95% dei materiali semiconduttori per l'impiego in nuovi pannelli fotovoltaici, l’80% del tellurio, che può a sua volta essere rivenduto (classe commerciale 99,7% Te).
 
Se è vero che i componenti principali della parte attiva delle pellicole, indio e tellurio, sono elementi non particolarmente rari - entrambi infatti sono ottenuti come sottoprodotti della produzione dei metalli, rame e zinco – d’altra parte l’offerta e la domanda degli stessi elementi possono ancora influire molto sul potenziale di crescita del settore film sottili (ed il riciclo ne darebbe una spinta positiva).

Poichè l'impatto ambientale dei processi di riciclo delle pellicole sottili è trascurabile, se confrontato con i processi della loro produzione, è ragionevole concludere che il riciclaggio di tali moduli si traduce in un minor impatto ambientale.
 
Il trattamento Deutsche Solar

Deutsche Solar ha presentato un impianto di riciclaggio pilota nel 2003 e lanciato un progetto di riciclaggio in cui i componenti in plastica sono rimossi (in un processo termico), prima che il wafer di silicio sia recuperato. Deutsche Solar riutilizza i granuli di silicio; tutto il resto è venduto o inviato per il riciclaggio/smaltimento.
 
Il ritiro dei moduli è organizzato attraverso un sistema bring-in (è la società che gestisce l’impianto che deve provvedere all’inoltro dei pannelli al centro di smistamento e/o riciclaggio). In fase di ritiro i moduli devono essere maneggiati con prudenza, usando per il trasporto l’imballaggio originale, o il pallet o il container.

Processo di riciclaggio:
• i pannelli “Rack-mount” sono inceneriti e i componenti in plastica sono bruciati a 600 °C. I restanti materiali, come le celle fotovoltaiche, il vetro e i metalli sono separati manualmente;
• vetro e metalli sono inviati al riciclaggio;
• le celle solari recuperate per il wafer;
• il vetro potrebbe essere adatto come materia prima per il riciclaggio del vetro float.

Secondo uno studio di PV Cycle del 2007, i wafer riciclati risultano elettricamente della stessa qualità di quelli nuovi, anche dopo aver subito le lavorazione sopra descritte. Il silicio recuperato è tale da garantire il rifornimento, come materia prima, dei processi successivi; questo perchè mantiene l'elevata purezza richiesta dalle applicazioni fotovoltaiche. Il riciclaggio, nelle condizioni di mercato attuali, appare conveniente.
 
Il processo può recuperare oltre l'84% del peso del modulo di ingresso fino a 6N di purezza delle frazioni. Il vetro (>90%) può essere usato nei nuovi prodotti e così il 95% dei materiali semiconduttori nei nuovi pannelli.

Il processo termico può recuperare fino al 98% delle celle non danneggiate; ciò dipende dal livello del danneggiamento dei pannelli, dal tipo di struttura del pannello e dalle celle fotovoltaiche utilizzate. Se le celle hanno frantumazioni sui bordi o micro fessure, di norma non sono riciclabili come wafer intatto, ma possono essere sfruttate per ottenere silicio come materia prima.

Più sottile è lo spessore delle celle, minore è la resa. I wafer con spessore maggiore di 200 micron comportano meno rotture e possono essere recuperate per le celle solari. Per wafer con spessore inferiore, il recupero di celle intatte è più difficile: oggi l'obiettivo principale è quello di recuperare il silicio come materia prima, recuperando separatamente gli altri metalli puri, vetro e silicio.
I vantaggi energetici del riciclaggio
 
I dati riportati nelle tabelle seguenti contengono alcuni dei dati  raccolti dagli studi di chi sta operando su queste metodologie di recupero.
 
 
Tabella 1. Composizione di un modulo cristallino e percentuali di recupero dei materiali
Materiale
kg/m² %
in massa
Tasso di
recupero %
Vetro  10,0  74,16  90
Alluminio
 1,39  10,3  100
Celle solari
 0,47
 3,48  90
EVA, Tedlar  1,37  10,15  -
Ribbons
 0,10  0,75  95
Adesivo, ecc.
 0,16  1,16  -
 
Tabella 2. A confronto i consumi energetici necessari per produrre un modulo nuovo ed uno riciclato
 
 

 Modulo nuovo
(kWh/Wafer)

Modulo riciclato
(kWh/Wafer)
Produzione di silicio
7,55
 -
Produzione di celle
0,62  0,65
Produzione dei moduli
1,12
 1,12
Riciclaggio
-
 0,4
Somme
 9,32  2,17

Consumo di energia
(per ogni kWh generato)

 0,129 kWh
 0,030 kWh
 
Tabella 3. Payback time energetico dei moduli fotovoltaici
 
 Consumi energetici per la produzione dei moduli
   Modulo nuovo
Modulo riciclato
 Input energetici  9,32 kWh/wafer
o
4,26 kWh/Wp
 2,17 kWh/wafer
o
0,99 kWh/Wp
 Payback time energetico
 Alto livello di
 radiazione solare
 2,58 anni
 0,6 anni
 Medio livello di
 radiazione solare
 4,92 anni
 1,14 anni
 
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