Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ ba, 11/08/2020 | 10:26

Thứ ba, 11/08/2020 | 10:26

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 21:02 ngày 02/07/2020

Rác thải pin mặt trời và công nghệ xử lý

Do các ưu việt nổi trội về công nghệ, môi trường và tính cạnh tranh về mặt kinh tế, Điện mặt trời đã và đang phát triển rất nhanh trên phạm vi thế giới, hàng năm cung cấp gần một nghìn tỷ kWh. Tuy nhiên, vấn đề nảy sinh là lượng các tấm pin mặt trời hết hạn sử dụng, trở thành phế thải cũng sẽ ngày càng lớn. Nếu chúng không được thu gom, xử lý thì sẽ trở thành nguồn ô nhiễm môi trường rất nặng nề. Bài viết này trình bày những nét chính của bức tranh tổng quát về hiện trạng công nghệ xử lý và chính sách nhằm giải quyết vấn đề phế thải điện mặt trời hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam.
1. Phế thải từ nguồn điện mặt trời
Như ta biết, nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế xã hội của mọi quốc gia trên toàn thế giới không ngừng tăng lên, đặc biệt là đối với các nước đang phát triển. Trong khi đó, nguồn năng lượng truyền thống – nguồn năng lượng hóa thạch – đã bị khai thác cạn kiệt. Nhưng đáng quan ngại hơn là nguồn năng lượng này phát thải khí nhà kính, gây ô nhiễm môi trường nặng nề đến mức đã làm cho  khí hậu Quả Đất bị biến đổi, đe dọa sự sinh tồn của mọi động thực vật trên Quả Đất.
Trước bối cảnh đó, thì việc tìm kiếm các nguồn và công nghệ năng lượng mới, năng lượng sạch, là xu hướng tất yếu trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Các nguồn và công nghệ thỏa mãn các yêu cầu nói trên chính là các nguồn và công nghệ năng lượng tái tạo (NLTT). Như đã biết, tỷ trọng NLTT trong tổng sản xuất và tiêu thụ năng lượng trên thế giới không ngừng tăng lên nhanh chóng. Ví dụ, năm 2018, tỷ phần điện NLTT trong tổng sản xuất điện trên toàn thế giới là 26,2%.
Trong vài thập niên gần đây, trong lúc công suất lắp đặt thủy điện và điện gió tăng không đáng kể, thậm chí không tăng, thì ngược lại, công suất lắp đặt điện mặt trời (ĐMT) tăng rất nhanh chóng, với tốc độ tăng trung bình hàng năm đạt trên 40%/năm như được chỉ ra trên hình 1. Hiện nay, ĐMT  đứng vị trí thứ 3 về tổng công suất lắp đặt (sau thủy điện và điện gió). Các lý do chính dẫn đến ĐMT phát triển nhanh chóng bao gồm (i) Tính kinh tế của công nghệ này ngày càng tốt và đến nay đã có thể cạnh tranh được với năng lượng hóa thạch; (ii) Công nghệ đơn giản, tin cậy; (iii) năng lượng mặt trời phân bố khá đều trên bề mặt Quả Đất nên quốc gia nào, khu vực nào cũng có thể khai thác, sử dụng. Năm 2018, tổng công suất lắp đặt ĐMT trên thế giới là 505 GW. Theo dự báo, đến năm 2030 và đến 2050, tổng công suất này sẽ lần lượt là 2630 GW và 6400 GW (nguồn “An independent Global Energy Forecast to 2050, Schalk Cloete, Part 2). Về sản lượng điện, theo dự báo, đến năm 2050, cơ cấu sản lượng điện NLTT như sau: ĐMT: 35,8%; Điện gió trên bờ: 24,3%; Điện gió ngoài khơi: 12,1%; Thủy điện: 12,4% và các nguồn điện NLTT khác: 15,4% (hình 2).
Như vậy có thể nói, từ sau năm 2030, ĐMT sẽ giữ vị trí số 1 trong các nguồn điện NLTT.
Phế thải từ điện mặt trời
Như đã biết, thời gian phát điện của tấm pin mặt trời (PMT) là khoảng 25 năm. Sau thời gian phát điện này đó nó trở thành “tấm PMT hết thời hạn phục vụ” hay “tấm PMT phế thải”.
Như đã nói ở trên, do ĐMT phát triển rất nhanh, nên hiển nhiên là số lượng các tấm PMT được lắp đặt là rất lớn và ngày càng lớn. Ví dụ, nếu sử dụng tấm PMT phổ biến trên thị trường hiện nay là loại 300 W/tấm, thì với công suất ĐMT thế giới năm 2018 (505 GW), cần khoảng 1,7 tỷ tấm, tương đương khoảng 25,5 triệu tấn vật liệu (15 kg/tấm). Theo dự báo nói trên, thì đến năm 2030 và 2050  lượng phế thải PMT sẽ tương ứng là 131 triệu tấn và 323 triệu tấn vật liệu.
Hình 1. Công suất lắp đặt ĐMT trên toàn thế giới giai đoạn 2008 – 2018.
Trong giai đoạn 2008 - 2018, công suất lắp đặt ĐMT trên thế giới đã tăng 33,7 lần (từ 15 GW lên 505 GW) và tốc độ tăng trung bình hàng năm là 49%/năm (nguồn: REN21, Global Status Report 2019)
Hình 2. Dự báo Cơ cấu sản lượng điện NLTT năm 2050 (nguồn: Renewables, power and energy use forecast to 2050 by Ditlev Engel, Energy transition outlook 2017)
Vì vậy, hiện nay, các nhà khoa học, các nhà sản xuất kinh doanh, các chính phủ, v.v… đã bắt đầu quan tâm nghiên cứu tìm kiếm các công nghệ cũng như đưa ra các chính sách về quản lý, thu gom và xử lý nguồn phế thải PMT.
Cần nhấn mạnh rằng, trên 80% các vật liệu trong một tấm PMT là có thể tái chế, thu hồi để tái sản xuất được. Vì vậy, việc nghiên cứu thu hồi, xử lý các phế thải PMT không những góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường mà còn tiết kiệm nguyên vật liệu, tăng hiệu quả kinh tế, xã hội cho công nghiệp ĐMT.
2. Các công nghệ tái chế, xử lý phế thải ĐMT đang phát triển hiện nay trên thế giới
Hình 3 chỉ ra công nghệ tổng quát xử lý, tái chế phế thải PMT đang được nghiên cứu, phát triển trên thế giới hiện nay.
Hình 3. Công nghệ tổng quát xử lý, tái chế phế thải PMT (Nguồn: Marina Monteiro Lunardi cà cộng sự: A Review of Recycling Processes for Photovoltaic Modules, July 2018.
Như đã thấy, hiện nay, Công nghệ xử lý, tái chế các tấm PMT phế thải là công nghệ tổng hợp, kết hợp các công nghệ Vật lý, công nghệ Nhiệt và công nghệ Hóa học.
Công nghệ xử lý, tái chế Vật lý là công nghệ xử lý đầu tiên. Trong công nghệ này, người ta tiến hành tách các thành phần (hay các lớp) của tấm pin như khung nhôm bao quanh, các hộp nối và các cáp điện, v.v… của tấm PMT phế thải. Các thành phần này sau đó có thể được nghiền vụn để phân tích các chất độc hại và từ đó có giải pháp xử lý thích hợp. Riêng khung bằng hộp kim nhôm có thể tái luyện để sử dụng lại.
Công đoạn tiếp theo là công đoạn xử lý, tái chế bằng công nghệ Nhiệt. Trong công đoạn này, các thành phần của tấm PMT phế thải đã được tách ra từ quá trình xử lý Vật lý nói trên, được nung và ủ ở trong các lò nhiệt ở các nhiệt độ cũng như tốc độ tăng nhiệt độ thích hợp. Ở nhiệt độ cao, các thành phần như keo EVA, bị chảy lỏng. Nhờ đó có thể thu hồi được dây hàn nối, các tấm kính và đặc biệt là có thể thu hồi các pin mặt trời Si (solar cells) cũ (đối với PMT tinh thể Silicon) hay các nguyên tố độc hại Cadmium (Cd), Tellurium (Te), v.v… (đối với PMT màng mỏng) để sử dụng lại.
Bằng công nghệ này, Công ty First Solar đã thông báo thu hồi với tỷ lệ 95% – 97%  khối lượng các nguyên tố Cd và Te trong các tấm PMT màng mỏng và chúng có thể tái sử dụng trong các sản phẩm mới của First Solar. Nhược điểm của công nghệ này là tiêu thụ nhiều năng lượng và cũng có thể phát thải một lượng nhỏ khí độc hại trong quá trình nung và ủ PMT ở nhiệt độ cao.
Công đoạn tiếp là xử lý, tái chế Hóa học. Trong công đoạn này, người ta sử dụng các hóa chất (như chất hòa tan, chất ăn mòn, chất phản ứng khử, v.v…) để xử lý và thu hồi các thành phần trong tấm PMT phế thải.
Để tăng hiệu quả xử, trong các công đoạn trên, người ta còn kết hợp với các công nghệ khác như siêu âm, mài mòn, ngâm chiết, v.v…. tùy theo công đoạn và chế độ công nghệ.
3. Về cơ chế chính sách nhằm khuyến khích, bắt buộc xử lý tái chế phế thải PMT
Trên thế giới
Nói chung, cho đến nay, mặc dù ĐMT đã phát triển và đạt công suất khá lớn (năm 2018 là 505 GW) thế nhưng vẫn còn nhiều các quốc gia trên thế giới chưa có các luật định hay chính sách về xử lý và tái chế phế thải PMT, trừ khối công đồng Châu Âu (EU).
Theo chúng tôi, lý do chinh là vì ĐMT chỉ mới phát triển với công suất đáng kể trong một vài thập niên gần đây, trong khi đó thời gian hoạt động của các tấm PMT lại khá dài, khoảng 25 năm, nên đến  nay lượng các tấm PMT phế thải chưa nhiều, chưa gây ra ảnh hưởng lớn đến môi trường. Chỉ đến khoảng sau năm 2035 thì số lượng tấm PMT phế thải mới đáng kể, nếu không xử lý, tái chế sẽ trở thành vấn đề môi trường rất nghiêm trọng.
Công đồng Châu Âu (EU) là khu vực đầu tiên trên thế giới ban hành các đạo luật về phế thải điện tử nói chung và phế thải ĐMT nói riêng (Thông tư WEEE đối với phế thải PMT). Luật này của EU bao gồm các điều luật về  thu gom, tái chế và tái sử dụng các tấm PMT phế thải cũng như trách nhiệm của các nhà sản xuất và cung cấp các tấm PMT. Theo WEEE, tất cả các nhà sản xuất hoặc nhập khẩu các vật liệu PMT, kể cả tấm PMT, phải đăng ký sản phẩm, trong đó tất cả các số liệu về tấm PMT phải được cung cấp đầy đủ, chi tiết. Hơn nữa, các nhà sản xuất và nhập khẩu phải chịu trách nhiệm việc thu gom, xử lý các tấm PMT phế thải do họ sản xuất hay nhập khẩu khi chúng hết thời hạn sử dụng.
Trong khu vực EU, quốc gia đầu tiên thực hiện Thông tư WEEE là Vương quốc Anh, tiếp đến là Đức.  Cộng hòa Sec đã đưa thêm vào một qui định chặt chẽ hơn đối với việc thu hồi và tái chế các tấm PMT phế thải. Hiện nay, Công ty Retina ở Cộng hòa Sec, đang chào mời 2 công nghệ xử lý và dịch vụ tư vấn liên quan đến việc quản lý xử lý phế thải PMT. Ở châu Âu, tổ chức WEEELABEX hoạt động ngoài Cộng hòa Sec chịu trách nhiệm về chuẩn bị các tiêu chuẩn và qui định cấp chứng chỉ liên quan đến việc thu gom, tích trữ, xử lý và tái xử lý theo tinh thần của WEEE và theo dõi các công ty xử lý phế thải. Ở Ý, để thực hiện WEEE, một điều luật số 49 về quản lý các tấm PMT phế thải  cũng đã được ban hành (the Legislative Decree No. 49 of 14 March 2014). Theo điều luật này thì các tấm PMT phế thải cần phải được xử lý tạo ra các nguyên vật liệu để có thể sử dụng lại như các vật liệu tự nhiên khác. Điều luật này con định lượng rằng, ít nhất 75% (về khối lượng) các tấm PMT hết hạn phải được thu hồi và ít nhất 65% (về khối lượng) phải được tái chế. Tiếp theo, dự kiến sẽ nâng lên các chỉ tiêu nói trên lên 80% và 70%. Viện quốc gia về nghiên cứu và Bảo vệ Môi trường Ý được giao trách nhiệm theo dõi việc thực hiện điều luật trên. Hàng năm tổ chức này phải có báo cáo gửi đến “Bộ Bảo vệ Môi trường trên lãnh thổ và trên biển” về số lượng và phân loại các thiết bị điện và điện tử, trong đó có các tấm PMT hết hạn, có trên thị trường, để lên kế hoạch tái chế, tái sử dụng, và được phục hồi.
Các nước khác trên thế giới ngoài khối EU, như Mỹ, Nhật, Ấn Độ, Úc, Thái Lan, v.v… đều đã nhận thấy cần phải xây dựng và ban hành các điều luật, các chính sách, cơ chế nhằm khuyến khích, thậm chí bắt buộc về xử lý, tái chế và tái sử dụng các tấm PMT phế thải.  Ở các quốc gia này đã bắt đầu có các thông tư, các qui định liên quan đến trách nhiệm thu hồi, xử lý, tái chế các tấm PMT phế thải.
Điều đáng nói là, Trung quốc là nước sản xuất và lắp đặt PMT hàng đầu thế giới, nhưng hiện nay vẫn chưa có các qui định hay luật định nào về xử lý và tái chế đối với rác thải từ các tấm PMT hết thời hạn.
Ở Việt Nam
Với tiềm năng năng lượng mặt trời dồi dào, ĐMT cũng được xác định là công nghệ điện NLTT ưu tiên phát triển ở Việt Nam. Điều này được thể hiện qua một số Văn bản pháp luật quan trọng gần đây của Chính phủ như (1) Quyết định số 11/2016/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 về cơ chế khuyến khích phát triển ĐMT ở Việt Nam; (2) Quy hoạch phát triển điện điều chỉnh giai đoạn 2011-2030 (Quyết Định số 428/QĐ-TTg, ngày 18/3/2016); (3) Nghị Quyết số 55/-NQ/TW, ngày 11/2/2020 của Bộ Chính trị về định hướng chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045; (4) Gần đây nhất là Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg, ngày 6/4/2020 về cơ chế khuyến khích phát triển ĐMT ở Việt Nam; v.v…
Như đã biết, nhờ các chính sách, cơ chế đã ban hành, nên chỉ trong một thời gian rất ngắn, từ 2017 đến 2019, ĐMT ở Việt Nam đã có bước phát triển vượt bậc. Từ vài MW năm 2016, đến cuối năm 2019 tổng suất lắp đặt đã đạt tới khoảng 4.500 MW, hàng năm cung cấp cho đất nước hơn 10 tỷ kWh, tạo ra một diện mạo mới cho ngành năng lượng Việt Nam nói chung và ngành điện sạch nói riêng.
Theo QĐ số 2068/QĐ-TTg về Chiến lược phát triển NLTT đến năm 2030, tầm nhìn đến 2050, thì điện năng sản xuất từ ĐMT đến các năm 2030 và 2050 sẽ lần lượt là 35,4 tỷ kWh và 210 tỷ kWh. Với cường độ năng lượng mặt trời ở Việt Nam, để có được các sản lượng ĐMT nói trên thì công suất lắp đặt ĐMT đến các năm 2030 và 2050 lần lượt vào khoảng 29.000 MWp và 170.000 MWp. Như đã biết, trung bình một nguồn ĐMT công suất 1 MWp sẽ thải ra gần 70 tấn phế thải sau khoảng 20 – 25 năm kể từ ngày nguồn bắt đầu phát điện. Như vậy, theo dự báo của Chiến lược Phát triển NLTT đã nói ở tên, thì lượng PMT phế thải đến năm 2030 và đến năm 2050 lần lượt là khoảng 2 triệu tấn và 12 triệu tấn.  Nếu không được quản lý, thu gom, tái chế thì chắc chắn với số lượng lớn như thế của phế thải PMT sẽ gây ra ô nhiễm môi trường hết sức trầm trọng và lãng phí rất lớn về tài nguyên thiên nhiên.
Nhưng như ta biết, cho đến nay ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu, ứng dụng công nghệ xử lý cũng như chính sách về phế thải ĐMT.
Kết luận
Phế thải từ các tấm PMT hết hạn sẽ là một vấn đề môi trường rất lớn trong những thập niên tới trên thế giới và cả ở Việt Nam chúng ta. Ngoài ra, việc thu gom, tái chế các tấp PMT phế thải còn mang lại lợi ích rất lớn về tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và làm tăng hiệu quả kinh tế của công nghiệp ĐMT vì khoảng 80% vật liệu từ tấm PMT phế thải có thể thu hồi và tái sử dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển các công nghệ thu gom, xử lý và tái chế cũng như ban hành các cơ chế, chính sách cho các hoạt động này trở nên ngày càng quan trọng và cấp bách hơn.
PGS.TS. Đặng Đình Thống - Hội Khoa học và Công nghệ sử dụng năng lượng Tiết kiệm và Hiệu quả Việt Nam
(Nguồn: vecea.vn)

lên đầu trang