Кремнию определили нанобудущее
В России разработан эффективный метод переработки кремниевых пластин, позволяющий получать из отслуживших солнечных панелей совершенно новый продукт
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.
На вопрос, не слишком ли прост метод и не опасается ли авторский коллектив его банального копирования, Евлашин недоумевает. «На самом деле мысль о нем пришла совершенно случайно, в процессе работы над совершенно иной тематикой — мы исследовали модификации поверхности углерода на кремнии, — вспоминает он. — И попутно задумались: а почему бы не попробовать генерировать новый материал под воздействием температуры и давления?» Результаты исследования были опубликованы, и теперь у команды есть полгода на оформление патентных заявок. О том, что опыты были случайны, говорит масштаб: «Размеры пластины составляли примерно сантиметр на сантиметр — просто под размер автоклава, который имелся у нас», — поясняет глава группы разработчиков. Но процесс можно масштабировать — габариты кремниевого лома зависят только от размеров автоклава. Такие аппараты есть, и в настоящее время группа Евлашина ищет подходящий промышленный реактор для продолжения экспериментов.
Овчинка стоит выделки
«Разумеется, мы смотрим на все прежде всего с научной точки зрения, но, по нашим представлениям, предлагаемая технология вполне коммерциализируема и у нее неплохие перспективы, — полагает Станислав Евлашин. — Сегодня автоклавные технологии используются для различных целей повсеместно, так что приспособить их для использования в промышленных масштабах вполне возможно».
Ученые планируют лицензировать технологию с возможной дальнейшей продажей прав на ее использование. «Откроем стартап и через него начнем поиск потенциальных заказчиков», — поясняет Евлашин.
Пока, по его словам, речь идет прежде всего о переработке пластин солнечных батарей, но таким же образом можно использовать любой кремниевый лом: отходы микроэлектронной промышленности (платы после их разборки), производственные отходы, которые появляются при резке или отбраковке кремниевых пластин, и т. п.
В России пока масштабы маленькие, так что надо смотреть шире — на Европу, США и другие регионы. «Нам сейчас нужно заинтересовать потребителей солнечных батарей в сотрудничестве с нами, — отмечает аспирант Юлия Бондарева, один из разработчиков. — Сейчас те же кремниевые пластины просто ломаются, перемалываются, растворяются кислотами до исходных веществ и затем каким-то образом захораниваются. В нашем же случае используется бескислотная технология (если не учитывать нашатырный спирт, который можно добавлять в качестве катализатора для ускорения процесса), то есть это экологически чистый процесс. И потом, мы ведь не просто перерабатываем мусор, мы даем кремнию вторую жизнь, получаем продукт, который можно использовать в дальнейшем, — наночастицы оксида кремния». Спектр их применения, по ее словам, довольно широк. Такие наночастицы используют в косметической промышленности (например, в зубных пастах), оптических приборах, медицине (как переносчик лекарственных препаратов по организму) и т. д.
«Первые сетевые солнечные электростанции в России были построены в 2014 году, — пояснили “Эксперту” в Ассоциации предприятий солнечной энергетики. — Срок службы солнечных модулей составляет не менее двадцати лет, соответственно, необходимость их утилизации возникнет не ранее 2034 года». Впрочем, здесь признают, что вопрос утилизации солнечных модулей актуален, так как с каждым годом растет количество новых объектов солнечной генерации. Соответственно будет развиваться и рынок услуг по переработке солнечных модулей, будут появляться новые решения и технологии.
К тому же переработка отработанных или поврежденных солнечных панелей — дело весьма выгодное, учитывая, что все материалы, из которых они состоят, могут быть извлечены и пойти на повторное использование. Более того, стоимость лома среднестатистической фотоэлектрической станции (в основном сталь и медь) превышает затраты на вывод ее из эксплуатации. Так что в этом случае переработка становится выгоднее, чем захоронение получаемых отходов. Во-первых, их немного, учитывая, что подобные станции не требуют серьезных капитальных затрат на строительство фундаментов и т. д., а во-вторых, они сами по себе являются ценным материалом.
Как пояснили в ассоциации, сейчас российские производители кремниевые пластины (исходное сырье для солнечных ячеек) и пластины с нанесенными слоями передают на переработку в специализированные организации, где переработчик извлекает ценные компоненты, а остальное уходит в мусор.
Вопросы методологии
«Технология, разработанная “Сколтехом”, интересна, так как представляет собой экологичный способ утилизации кремния без использования токсичных реагентов, — отмечают в сообществе производителей. — Но она трудноприменима для утилизации всех солнечных модулей, поскольку некоторые модели российского производства представляют собой заламинированную панель. Для подобной переработки понадобятся дополнительные ресурсы, поэтому наиболее востребованной может стать технология полного цикла утилизации всей конструкции с подобным эффектом».
Заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ Алексей Тарасов в беседе с «Экспертом» выделил два аспекта этой работы: то, что разработчики метода смогли относительно простым способом сделать хорошие наночастицы оксида кремния, и то, что для этого использовали кремний из солнечных батарей. «Первое достаточно любопытно и полезно в целом для синтетического материаловедения, — отмечает г-н Тарасов. — Но второе крайне сомнительно, так как такая кремниевая пыль в таких количествах просто никому не нужна, а нанодисперсные коллоиды, вообще говоря, вызывают сомнение в отношении их безопасности». Сами энтузиасты с такими сомнениями отчасти согласны, но продолжают настаивать на том, что перспективы у их метода есть, хотя он действительно опережает свое время.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl