Nhìn những “cánh đồng điện mặt trời” gồm hàng nghìn, hàng triệu tấm pin, rộng mênh mông và trải dài hàng trăm héc-ta, người ta sẽ nghĩ rằng, sau khi các nhà máy điện mặt trời kết thúc hoạt động, đống rác thải từ các tấm pin mặt trời hết hạn sử dụng sẽ khổng lồ và sẽ có thể gây ra thảm họa về môi trường. Nhưng may mắn thay, phần lớn các vật liệu cấu thành tấm pin là không độc hại và hơn nữa có thể xử lý, tái chế và thu hồi trên 85% khối lượng của chúng để sử dụng lại cho sản xuất tấm PMT mới, vừa không tạo ra phế thải gây ô nhiễm môi trường, vừa tiết kiệm được nguồn tài nguyên thiên nhiên và năng lượng rất lớn và quí báu.
1. Các tấm PMT hết hạn sử dụng có đáng quan ngại vì làm ô nhiễm môi trường hay không ?
Nguồn điện mặt trời (ĐMT) là nguồn sử dụng các tấm pin mặt trời (PMT) để thu năng lượng mặt trời (NLMT) và sản xuất điện.
Thực tế, mật độ NLMT trên bề mặt Quả Đất không cao. Vào thời gian giữa trưa của ngày nắng to, mật độ cực đại chỉ khoảng 1000 W/m2. Ngoài ra, hiệu suất biến đổi NLMT thành điện của tấm PMT thương mại hiện nay cũng chỉ khoảng (16 – 17)%. Điều này có nghĩa là, nếu NLMT chiếu vào tấm PMT đạt cực đại là 1000 W/m2, thì qua tấm PMT ta chỉ thu được lượng điện là 160 W/m2. Vì các lý do nói trên nên để xây dựng nhà máy ĐMT công suất lớn cần rất nhiều diện tích để lắp đặt các tấm PMT. Hiện nay, trung bình cần khoảng 1,2 ha (12.000 m2) để lắp dàn PMT có công suất là 1000 kW hay 1 MW. Như vây, một nhà máy ĐMT công suất 150 MW, phải sử dụng đến 429.000 tấm PMT loại 350 Wp/tấm và cần diện tích khoảng 180 ha (hay 1.800.000 m2) để lắp đặt các dàn PMT.
Vì vậy, khi nhìn các dàn PMT của một nhà máy ĐMT công suất hàng chục, hàng trăm MW ta có cảm giác “cánh đồng PMT” mênh mông, trải dài tít tắp. Và do đó, người ta sẽ nghĩ rằng, khi nhà máy ĐMT kết thúc hoạt động (khoảng sau 20 - 25 năm), đống các tấm PMT hết hạn sử dụng (dưới đây viết tắt là tấm PMT HHSD) sẽ là khổng lồ và là một thảm họa cho môi trường !
Thật sự có đáng quan ngại như vậy không ?
Trước hết cần thấy rằng, các nhà máy ĐMT là các nhà máy điện sạch vì nhiên liệu là nguồn NLMT, vận hành không phát thải bất kỳ khí hay bụi nào, không có tiếng ồn,… Một lượng nhỏ nước thải chỉ là nước lau rửa định kỳ bụi bám trên bề mặt các tấm PMT, là bụi vốn có trong không khí.
Các nhà máy ĐMT chỉ “thải” ra các tấm PMT HHSD sau khi cá nhà máy ngừng hoạt động. Vì khối lượng các tấm PMT là rất lớn và ngày càng nhiều hơn nên vấn đề xử lý nguồn thải này hiện là vấn đề thời sự và đang được các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới quan tâm nghiên cứu và đã thu được những kết quả quan trọng bước đầu.
Để đánh giá xem các tấm PMT HHSD có nguy hại hay không chúng ta cần tìm hiểu các thành phần vật liệu cấu tạo nên chúng cũng như khả năng tái chế thu hồi các vật liệu này để sử dụng lại.
Hiện có 2 loại tấm PMT thương mại. Đó là loại tấm PMT tinh thể Silicon (Si) và loại tấm PMT màng mỏng vô định hình. Do có nhiều ưu điểm hơn nên trên thị trường thế giới hiện nay thị phần của loại PMT tinh thể Si chiếm trên 90%. Riêng đối với Việt Nam ta, mặc dù công suất các nguồn ĐMT đã lắp đặt đến nay đã rất lớn, trên 19.000 MW, nhưng 100% tấm PMT là loai tinh thể Si. Đây cũng là xu hướng trong tương lai, ít nhất đến năm 2050. Vì vậy, dưới đây chúng tôi chỉ đề cập đến loại PMT tinh thể Si.
Cấu trúc của PMT và tấm PMT tinh thể Si
Hình 1. Cấu tạo của một PMT tinh thể Si
Các điện cực dương và âm là các điện cực kim loại; n-Si và p-Si là các vật liệu bán dẫn Si loại n (Si pha tạp chất Photpho) và loại p (Si pha tạp chất Bohr). Tỷ lệ các tạp chất trong Si chỉ khoảng dưới một phần triệu.
Trước hết cần phân biệt các thuật ngữ quan trọng trong nguồn ĐMT là PMT, Tấm PMT và Dàn PMT. (1) PMT hay tế bào quang điện (Photovoltaic Cells – PV Cells) là thành phần chính của nguồn ĐMT, nó có cấu trúc như hình 1 và có chức năng rất quan trọng là thu NLMT và chuyển thành điện năng; (2) Tấm PMT (SolarPhotovoltaic Module) là một cấu trúc gồm nhiều PMT được nối điện với nhau và các lớp chất bảo vệ cho các PMT khi nó phải làm việc ngoài trời lâu dài (xem hình 2 và 3); (3) Dàn PMT (Solar Photovoltaic Array hay Panel) gồm nhiều tấm PMT ghép nối điện lại với nhau và được lắp vào các khung dàn kim loại. Dàn PMT là thành phần quan trọng nhất của nhà máy ĐMT.
Hình 2. Cấu tạo của một tấm PMT tinh thể Si
Tấm PMT gồm nhiều PMT được nối điện với nhau bằng các dây đồng. Để bảo vệ các PMT người ta dùng các tấm vật liệu như cho trên hình 3. Các tấm vật liệu này được nung trong buồng chân không đến khoảng (110 – 120)OC. Ở nhiệt độ này, EVA nóng chảy lấp đầy các khe trong tấm PMT. Người ta ép các tấm lại. Sau khi làm nguội, các tấm vật liệu sẽ đóng cứng thành một khối vững chắc và trơ với khí hậu và thời tiết.
Hình 3. Các thành phần/lớp tạo thành một tấm PMT tinh thể Si
EVA là một loại nhựa trong suốt, nóng chảy ở nhiệt độ khoảng (110-120) OC. Tấm PMT sau khi ép cứng được đóng khung bằng nhôm (xem hình 2)
Các vật liệu trong tấm PMT tinh thể Si và tính không độc hại của chúng
Như cho trên hình 3, các thành phần cấu tạo nên một tấm PMT, trừ lớp PMT và hộp nối điện sẽ nói sau, là các vật liệu không độc hại như đã được nhấn mạnh trong các tài liệu [1], [2] và [4]. Hơn nữa, phần lớn các vật liệu này có thể tái chế, thu hồi để sử dụng lại cho sản xuất các tấm PMT mới.
Vật liệu chính trong một PMT (hình 1) là Si, là một nguyên tố nhiều thứ 2 trong vỏ Trái Đất và không độc hại. Các điện cực làm bằng Bạc (Ag) hay hợp kim Bạc-Đồng (Ag-Cu). Để sản xuất tấm PMT (hình 2) người ta dùng chất hàn là hợp kim của Thiếc (Sn), Kẽm (Zn) và Chì (Pb) và dây Đồng để hàn nối các PMT lại với nhau. Như vậy, trong tấm PMT chứa một số vật liệu kim loại nặng. Tuy nhiên, tỷ lệ về khối lượng các kim loại nặng này rất không đáng kể và có thể tái chế thu hồi gần như 100%.
Bảng 1. Các vật liệu trong một tấm PMT tinh thể Si và khả năng thu hồi chúng sau quá trình xử lý và tái chế
Ghi chú: Các ô đánh dấu “X” là vật liệu không được tái chế mà bỏ đi.
Nguồn: [2]
Hộp nối điện là một hộp rất nhỏ có vỏ ngoài bằng nhựa, bên trong có một vài Đi-ốt và điện cực để nối dây dẫn. Tỷ lệ về khối lượng của hộp nối điện so với khối lượng module chỉ 2% (bảng 1).
Như vậy, khi xem xét cấu tạo, vật liệu và khả năng xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD có thể kết luận rằng, chúng hoàn toàn không đáng quan ngại về mặt môi trường. Hơn thế nữa các tấm PMT này còn là nguồn tài nguyên rất quý giá, cần thu gom, quản lý và xử lý, tái chế như được trình bày dưới đây.
2. Xử lý và tái chế các tấm PMT HHSD
Việc xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD là rất quan trọng vì 2 lý do chính sau đây: (1) Bảo vệ môi trường, và (2) Thu hồi được phần lớn (trên 85%) các vật liệu để sử dụng lại cho sản xuất tấm PMT mới, vừa tiết kiệm được một lượng rất lớn tài nguyên thiên nhiên và vừa tiết kiệm năng lượng để sản xuất ra chúng.
Bảng 1 cho các vật liệu, tỷ lệ của chúng và khả năng thu hồi sau khi xử lý, tái chế tấm PMT tinh thể Si theo nghiên cứu của các tác giả [2]. Bảng này cũng đưa ra kết quả ước tính khối lượng các vật liệu thu hồi được nếu xử lý và tái chế 500.000 tấn tấm PMT HHSD (bằng khối lượng các tấm PMT hết hạn ở CH Séc và Slovakia vào năm 2025) để thấy lượng vật chất thu hồi được lớn và có giá trị như thế nào.
Ta thấy, thủy tinh và nhôm là hai vật liệu có tỷ trọng về khối lượng lớn nhất, chiếm lần lượt là 74% và 10,3%; Si chiếm 3,35%; các kim loại khác như Bạc, Thiếc, Đồng… đều rất nhỏ, dưới 0,57%.
Công nghệ xử lý, tái chế
Hiện nay đã có một số công nghệ tái chế được thử nghiệm và thu được kết quả tốt. Mục tiêu của công nghệ tái chế là tách và tinh lọc các vật liệu trong tấm PMT HHSD, thu hồi và sử dụng lại chúng. Như đã nói, việc xử lý tái chế các tấm PMT HHSD không chỉ làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn thu hồi được các vật liệu rất cần cho sản xuất PMT, tiết kiệm tài nguyên và năng lượng.
Công nghệ xử lý, tái chế tấm PMT HHSD là một công nghệ tổ hợp gồm nhiều công đoạn, mỗi công đoạn sử dụng một công nghệ xử lý tương ứng như cho trên hình 4. Hình này cũng cho thấy các công nghệ xử lý, tái chế là một thành phần trong chuỗi tuần hoàn từ sản xuất – sử dụng – xử lý tái chế - sản xuất.
Hình 4. Sơ đồ chu trình khép kín của sản xuất và xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD tinh thể Si
Công nghệ xử lý, tái chế tấm PMT hết hạn sử dụng và chu trình tuần hoàn đối với tấm PMT tinh thể Si từ sản xuất – sử dụng – tái chế - sản xuất.
Nguồn: [4]
Như vậy, công nghệ xử lý, tái chế tấm PMT HHSD gồm 3 công đoạn chính tương ứng với các công nghệ xử lý cơ học, xử lý nhiệt và xử lý hóa học (hình 4). Để tăng hiệu quả xử lý trong từng công đoạn người ta có thể sử dụng thêm các kỹ thuật hỗ trợ như kỹ thuật siêu âm, laser, v.v… Sản phẩm của quá trình xử lý, tái chế như thủy tinh, nhôm, các kim loại và đặc biệt là Si độ sạch cao được đưa trở lại nhà máy sản xuất tấm PMT mới. Tỷ lệ thu hồi các vật liệu được cho trên bảng 1. Một vài vật liệu rẻ tiền, khối lượng không đáng kể như EVA, Tedlar, keo dính, … được đốt cháy mà không thu hồi.
Cần nhấn mạnh rằng, việc xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD cần đầu tư khá lớn về kinh phí và năng lượng. Tuy nhiên, khi so sánh lượng vật liệu thu hồi được để sử dụng lại với kinh phí và năng lượng cho việc khai thác khoáng sản và tinh luyện chúng cho sản xuất tấm PMT mới thì việc xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD kinh tế hơn nhiều như đã được phân tích trong các tài liệu [2] và [4].
3. Kết luận
Với sự phát triển mạnh mẽ của nguồn ĐMT trên thế giới và ở Việt Nam, trong vài thập niên tới, lượng các tấm PMT HHSD sẽ rất lớn và ngày càng nhiều hơn. Nhưng với tính không độc hại của phần lớn các vật liệu trong tấm PMT và với công nghệ xử lý, tái chế hiện nay, thì có thể nói, nguồn các tấm PMT HHSD không còn là vấn đề đáng lo ngại về mặt môi trường. Hơn nữa, nhờ xử lý, tái chế các tấm PMT HHSD chúng ta còn tiết kiệm được tài nguyên thiên nhiên vốn đang cạn kiệt dần và năng lượng. Vấn đề đối với các quốc gia, trong đó có Việt Nam, chỉ còn là đề ra và thực hiện các chính sách thu gom, quản lý và xử lý nguồn tài nguyên quí báu này như thế nào mà thôi. Nếu có chính sách và cơ chế đúng đắn và kịp thời thì không những các tấm PMT HHSD không còn gây ô nhiễm môi trường, mà còn là nguồn tài nguyên rất giá trị cho đất nước và là cơ sở để xây dựng một ngành công nghiệp mới rất hứa hẹn – công nghiệp xử lý và tái chế tấm PMT.
Đặng Đình Thống
Hội KHCN sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả (VECEA)
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
- Đào Minh Hiển: Pin năng lượng mặt trời hết hạn sử dụng và phương án giải quyết. Tạp chí “nangluongvietnam” 12/11/2020.
- David Strachala, Josef Hylsky và cộng sự: Methods for recycling photovoltaic modules and their impacts on environment and material extraction. Department of Electrotechnology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Brno University of Technology. Acta Montanistica Slovaca Volume 22 (2017), number 3, 257-269.
- Jin-Seok lee: Management Status of End-of-life Photovoltaic Panels in Korea. Korea Institute of Energy Research, March 2021 .
- Marina Monteiro Lunardi cà cộng sự: A Review of Recycling Processes for Photovoltaic Modules, July 2018.
