Recycling of discarded photovoltaic modules using mechanical and thermal methods

• Autorzy: Wahman Mustapha , Surowiak Agnieszka

Identyfikatory

DOI

10.29227/IM-2022-01-13

Warianty tytułu

PL

Recykling zużytych modułów fotowoltaicznych metodami mechaniczno-termicznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Photovoltaic installations have experienced very significant growth worldwide since the early 2000s, driven by growing industry and government interest in mitigating climate change, decarbonization, and increasing energy demand. The most prevalent worry with photovoltaic (PV) panels is that their age is limited and they will eventually need to be decommissioned. With the expansion of PV production capacity worldwide, a large amount of PV panel waste will be generated in the future. Since PV panels contain heavy metals such as lead, cadmium and tin, this can have a significant impact on the environment. In addition, they also contain valuable metals (e.g. silver, gallium, indium and germanium) and standard materials (e.g. aluminum, glass) that represent a valuable opportunity when recovered. Developing a sustainable, environmentally friendly recycling process and maximizing the recovery of components from PV panels at the end of their life is expected to solve the PV waste problem. In this work, three alternative methods for recycling silicon-based (mono/polycrystalline) PV panels were investigated based on a combination of mechanical and thermal processes. €e three alternative methods are a hammer crusher followed by thermal treatment and square sieve, a shredder crusher followed by thermal treatment and square sieve, and thermal treatment followed by a slotted sieve. X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) were performed to evaluate the properties of the obtained products. €e results showed that thermal treatment followed by slotted sieve is the most effective method for direct glass recovery for all types of photovoltaic modules studied.

PL

Instalacje fotowoltaiczne stały się bardzo popularnym rozwiązaniem na przestrzeni pierwszego dwudziestolecia XXI wieku. Spowodowane to było głównie rosnącym zainteresowaniem przemysłu i rządów poszczególnych państw dotyczącym skutków i kwestii łagodzenia - zmian klimatycznych, potrzeby dekarbonizacji, jak również rosnącym zapotrzebowaniem na energię. Najbardziej powszechnym problemem związanym z panelami fotowoltaicznymi (PV) jest to, że ich żywotność jest ograniczona, co powoduje, że ostatecznie będą musiały zostać wycofane z eksploatacji. Wraz z rozwojem mocy produkcyjnych PV na całym świecie, w przyszłości będzie generowana duża ilość odpadów związanych z panelami fotowoltaicznymi. Ponieważ panele fotowoltaiczne zawierają metale ciężkie, takie jak ołów, kadm i cyna, może to mieć znaczący wpływ na środowisko naturalne. Ponadto, odpady te zawierają również cenne metale (np. srebro, gal, ind i german) oraz standardowe materiały (np. aluminium, szkło), które po odzyskaniu stanowią cenne źródło tych surowców. Oczekuje się, że opracowanie zrównoważonego, przyjaznego dla środowiska procesu recyklingu i maksymalizacja odzysku komponentów z paneli fotowoltaicznych pod koniec ich życia rozwiąże problem odpadów fotowoltaicznych. W tej pracy zbadano trzy alternatywne metody recyklingu krzemowych paneli fotowoltaicznych (mono/polikrystalicznych) w oparciu o połączenie procesów mechanicznych i termicznych. Trzy metody odzysku polegały na wykorzystaniu kruszarki młotkowej, po której zastosowano obróbkę termiczną i klasyfikację na sicie kwadratowym, kruszarki nożowej typu schredder, a następnie obróbkę termiczną i klasyfikację na sicie kwadratowym oraz obróbkę termiczną, po której następuje klasyfikacja na sicie szczelinowym. Przeprowadzono analizy otrzymanych produktów za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i fluorescencji rentgenowskiej (XRF) w celu oceny efektów odzysku. Wyniki wykazały, że obróbka cieplna, a następnie zastosowanie sita szczelinowego jest najskuteczniejszą metodą bezpośredniego odzyskiwania szkła dla wszystkich badanych typów modułów fotowoltaicznych.

Słowa kluczowe

EN

PV panel; crystalline silicon; recycling; waste; mechanical and thermal processes

PL

panele PV; krzem krystaliczny; recykling; odpady; procesy mechaniczne i termiczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Przeróbki Kopalin
• Czasopismo: Inżynieria Mineralna
• Rocznik: 2022
• Tom: no. 1
• Strony: 107--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab., zdj.

Twórcy

autor

Wahman Mustapha

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering and Resource Management, Department of Environmental Engineering, Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Surowiak Agnieszka

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering and Resource Management, Department of Environmental Engineering, Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• 1. M. Franco and S. Groesser. 2021. A Systematic Literature Review of the Solar Photovoltaic Value Chain for a Circular Economy. Sustainability, 13, 9615, https://www.mdpi.com/2071-1050/13/17/9615.
• 2. IRENA, 2019, Future of Solar Photovoltaic: Deployment, investment, technology, grid integration, and socio-economic aspects. Glob. Energy Transform. https://www.irena.org/publications/2019/Nov/Future-of-Solar-Photovoltaic
• 3. EC 2020a – European Commission, Critical materials for strategic technologies and sectors in the EU – a foresight study, 2020. EU 2020
• 4. BIO Intelligence Service on European Commission, DG ENV, Study on photovoltaic panels supplementing the impact assessment for a recast of the WEEE Directive, A project under the Framework contract ENV.G.4/ FRA/2007/0067, FINAL REPORT, 14 April 2011.
• 5. K. Guzik, A. Burkowicz, and J. Szlugaj, (2022). The EU’s demand for selected critical raw materials used in photovoltaic industry. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management, 38(2), pp.31-59. https:// doi.org/10.24425/gsm.2022.141666
• 6. F. Pagnanelli, E. Moscardini, G. Granata, T.A. Atia, P. Altimari, T. Havlik, L. Toro, 2017, Physical and chemical treatment of end of life panels: an integrated automatic approach viable for different photovoltaic technologies, Waste Manag. 59, 422–431, https://doi.org/10.1016/j.wasman.2016.11.011.
• 7. J. Tao and Y. Suiran, 2015, Review on feasible recycling pathways and technologies of solar photovoltaic modules, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 141, Pages 108-124, https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S092702481500210X?via%3Dihub
• 8. Wealthdaily, 2017. Special Report: Solar Technology. Wealthdaily. Available at: http://www.wealthdaily.com/report/ solar-technology/1409.
• 9. K. Sander, I. Politik, 2007, Study on the Development of a Take-Back and Recovery System for Photovoltaic Products, https://www.tib.eu/en/suchen/id/TIBKAT:59163323X/
• 10. IRENA AND IEA-PVPS, 2016, End-of-life management: Solar Photovoltaic Panels, ISBN:978-92-95111-99-8, https://www.irena.org/publications/2016/Jun/End-of-life-management-Solar-Photovoltaic-Panels.
• 11. Official Journal of the European Guideline (24/07/2012)
• 12. M. M. Lunardi, J. P. Alvarez-Gaitan, and J. I. B. R. Corkish, 2018, A Review of Recycling Processes for Photovoltaic Modules, in Solar Panels and Photovoltaic Materials. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.74390
• 13. E. Klugmann-Radziemska, P. Ostrowski, 2010, Chemical treatment of crystalline silicon solar cells as a method of recovering pure silicon from photovoltaic modules, Renew. Energy 35, pages 1751–1759. https://www.sciencedirect. com/science/article/abs/pii/S0960148109005199
• 14. Y. Kim and J. Lee, 2012, Dissolution of ethylene vinyl acetate in crystalline silicon PV modules using ultrasonic irradiation and organic solvent. Solar Energy Materials and Solar Cells, 98, pages 317-322, https://www.sciencedirect. com/science/article/abs/pii/S0927024811006362
• 15. G. Granata, F. Pagnanelli, E. Moscardini, T. Havlik, L. Toro, 2014, Recycling of photovoltaic panels by physical operations, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 123, pages 239–248, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2014.01.012
• 16. B. Huang, J. Zhao, J. Chai, B. Xue, F. Zhao, X. Wang, 2017, Environmental influence assessment of China’s multi-crystalline silicon (multi-Si) photovoltaic modules considering recycling process. Solar Energy. Solar Energy, Volume 143, Pages 132-141, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0038092X16306454
• 17. V. Fiandra, L. Sannino, C. Andreozzi, F. Corcelli, G. Graditi, 2019, Silicon photovoltaic modules at end-of-life: removal of polymeric layers and separation of materials, Waste Manag. Volume 87, Pages 97-107, https://www. sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956053X19300753
• 18. L. Miaosi, L. Fangyang, Z. Zhe, J. Liang-xing, J. Ming, L. Yanqing, L. Jie, Z. Zongliang, 2021. A comprehensive hydrometallurgical recycling approach for the environmental impact mitigation of EoL solar cells. Journal of Environmental Chemical Engineering. Volume 9, Issue 6, 106830, ISSN 2213-3437, https://doi.org/10.1016/j. jece.2021.106830
• 19. R.A. Sasala, J. Bohland, K. Smigielskic, 1996, Physical and Chemical Pathways for Economic Recycling of Cadmium Telluride Thin-Film Photovoltaic Modules, Solar Cells Inc., Toledo, OH, 43607. https://ieeexplore.ieee.org/document/ 564265
• 20. W.M. Wang, V. Fthenakis, 2005, Kinetics study on separation of cadmium from tellurium in acidic solution media using ion-exchange resins, J. Hazard. Mater. 125 (1–3) pages 80–88. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16118035/
• 21. W. Berger, F. Simon, K. Weimann, E.A. Alsema, 2010, A novel approach for the recycling of thin film photovoltaic modules, Resour. Conserv. Recycl. 54, pages711–718, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2009.12.001.
• 22. C. Farrell, A.I. Osman, X.L. Zhang, A. Murphy, 2019, R. Doherty, K. Morgan, D. W. Rooney, J. Harrison, R. Coulter, D.K. Shen, Assessment of the energy recovery potential of waste Photovoltaic (PV) modules, Sci. Rep. 9 (1), 5267, https://www.nature.com/articles/s41598-019-41762-5
• 23. P. Dias, L. Schmidt, M.M. Lunardi, N.L. Chang, G. Spier, R. Corkish, H. Veitb, 2021, Comprehensive recycling of silicon photovoltaic modules incorporating organic solvent delamination – technical, environmental and economic analyses, Resour. Conserv. Recycl. 165, 105241, https://doi.org/10.1016/j. resconrec.2020.105241.
• 24. A. Kuczyńska-Łażewska and E. Klugmann-Radziemska, 2018. Key issues of the recycling process of used photovoltaic modules of the 1st and 2nd generation. Scientific Papers of the Institute of Mineral and Energy Economy, Polish Academy of Sciences, 102, 329-342. https://9lib.org/document/yr3k66oy-key-issues-recycling-process-generation- life-photovoltaic-modules.html.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)