В 2020 году в мире будет введено в строй 117 ГВт мощности солнечных электростанций. Это почти половина (47,5%) всей генерации, которая будет построена в этом году. Такой прогноз дает Европейская ассоциация солнечной энергетики (SolarPower Europe). И в дальнейшем глобальный прирост солнечной энергетики продолжится: в следующем году ожидается прибавка в 150 ГВт, а в 2024-м — почти 200 ГВт.
Наиболее распространенный материал при изготовлении солнечных панелей — кремниевые пластины. Срок их службы, а с ними и самих панелей, составляет 20–25 лет. Учитывая, что взрывной рост фотовольтаики начался не так давно, пока еще мало кто задумывается о переработке вышедших из строя солнечных панелей. Тем более в России, где массово устанавливать солнечные панели стали не так давно.
«Разумеется, проблема безопасной утилизации кремниевых составляющих панелей солнечных батарей для России ни сегодня, ни даже завтра не будет актуальной, — признает старший научный сотрудник Центра проектирования производственных технологий и материалов “Сколтеха” Станислав Евлашин. — Но нужно же смотреть и в будущее!»
А оно, как по расчетам его группы, так и европейских исследователей, сулит немало проблем. Согласно данным исследования End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels, проведенного аналитиками IRENA (Международное агентство возобновляемой энергетики) и МЭА (Международное энергетическое агентство), к 2030 году в мире образуется 1,7–8 млн тонн отходов солнечных панелей. А еще через двадцать лет объемы использованных солнечных панелей, состоящих из кремниевых пластин, достигнут 60–78 млн тонн. Так что ответ на вопрос, каким образом утилизировать эту массу высокотехнологичного мусора, нужно иметь уже сегодня.
Как сварить кремний в «скороварке»
Модуль солнечной электростанции — это сэндвич, где есть стекло, полимерные пленки, кремний и множество металлов — алюминий, сталь, медь, серебро и др.
Большая часть этих составляющих вполне поддается переработке, однако вопрос, что делать с кремнием, до сих пор остается открытым.
Группа ученых под руководством Станислава Евлашина недавно предложила простой способ конвертации кремниевых пластин в наночастицы оксида кремния в водном растворе со стопроцентной эффективностью. «Для преобразования пластин использовался метод гидротермального синтеза в водной среде, — объясняет глава группы. — Причем для получения частиц в пределах 8–50 нанометров большого количества оборудования не требуется». Чтобы проще представить себе принцип работы метода, достаточно вспомнить обычную бытовую скороварку, которые раньше у многих исправно служили на кухне. «За тем исключением, что у нас автоклав — закрытый сосуд, в котором за счет того, что поднимается температура, растет и давление, — поясняет Евлашин. — Это приводит к тому, что кремний растворяется в обычной воде. Но не просто растворяется — происходит самосборка его частиц». На входе загружается пластина, содержащая кремний (отработанная солнечная панель, микроэлектронная плата и т. д.). Далее идет нагревание воды, повышение давления, и на выходе получается водный раствор — взвесь белого цвета, внутри которой находятся наночастицы оксида кремния. Затраты, по словам Станислава Евлашина, минимальны: помимо самого оборудования это только плата за электроэнергию.
