Ringmajanduse võimalustest päikeseenergeetikas

Jäätmed võivad olla väga väärtuslik tooraine, mille kasutamine vähendab mineraalide kaevandamise kui väga suure keskkonnamõjuga tegevuse mahtu.

MAARJA GROSSBERG-KUUSK

Juba kümmekond aastat on päikeseenergeetika kõige kiiremini kasvav taastuvenergeetika valdkond. 2023. aastal lisandus maailmas 407 gigavatti (GW) taastuvenergia võimsust, millest 346 GW moodustas päikeseenergeetika, mis ulatus kogumahult 1419 GWni. Ka Eestis ulatusid elektrivõrguga liitunud päikese­elektri tootmisvõimsused 2023. aastal juba üle 800 megavati (MW).

Päikesepaneelide rakendamise võimalused üha avarduvad. Näeme neid hoonete fassaadidel ja katustel nii nähtavate kui ka peaaegu nähtamatutena (ehitisintegreeritud päikesepaneelide puhul on päikeseelemendid märkamatult katuse- või fassaadimaterjaliga üheks tooteks ühendatud) ning põldudel, aga leidub isegi ujuvaid päikeseparke veekogudel. Kahtlemata on tegemist ühe keskkonnasõbralikuma viisiga toota elektrienergiat.

Päikesepaneelide jäätmed

Päikesepaneelidel on keskkonnamõju muidugi olemas ja see on eelkõige seotud nende tootmisega, sealhulgas vajalike ressursside kaevandamisega ning oma eluea ära elanud paneelide utiliseerimisega. Viimasele alljärgnevas keskendungi, sest taastuvenergia üha intensiivsemal rakendamisel energiatootmises ei tohi ära unustada, et ka need tehnoloogiad (sh päikesepaneelid) muutuvad ühel hetkel jäätmeteks. Jäätmed võivad olla aga samas või mõnes muus valdkonnas väga väärtuslik tooraine, mille kasutamine vähendab mineraalide kaevandamise kui väga suure keskkonnamõjuga tegevuse mahtu.

Isegi kõige mustema stsenaariumi korral moodustavad päikesepaneelide jäätmed 2050. aastal, milleks on püstitatud nõudlikud kliimaneutraalsuse eesmärgid, alla kümnendiku kõikidest elektroonikajäätmetest.¹ Päikesepaneelide, tuugenite ja tuumajaamade jäätmed kokku moodustavad vaid väikese osa võrreldes kivisöejäätmetega, milleks on peamiselt tuhk. Arvestades päikese­elektri tootmise võimsuste kasvu ja seda, et päikesepaneelide eluiga on keskeltläbi 30 aastat, on lähikümnendil oodata päikeseparkide utiliseerimise vajaduse kiiret kasvu. Rahvusvahelise Taastuvenergia Agentuuri (International Renewable Energy Agency, IRENA) hinnangul on 2050. aastaks ringluses kuni 80 miljonit tonni päikesepaneelide jäätmeid.²

Päikesepaneelide käitlemine toimub Euroopa Liidu riikides vastavalt elektroonikajäätmete ja ohtlike jäätmete käitlemist reguleerivatele direktiividele. Esimene neist (Euroopa Parlamendi ja nõukogu direktiiv 2012/19/EN) keelab elektroonikajäätmete ladestamise prügilates ja nõuab nende ümbertöötlemist. Oma eluea lõppu jõudnud päikesepaneelide ümbertöötlemise tehnoloogiate väljatöötamine on seega möödapääsmatu. Sellist tehnoloogilist lahendust, mis oleks end juba igapäevakasutuses tõestanud keskkonnasõbraliku, tasuva ja efektiivse meetodina päikesepaneeli võimalikult paljude komponentide taaskasutamiseks, veel ei ole. Küll aga on mitu innovaatilist tehnoloogiat hiljuti jõudnud katsefaasi.

Millest päikesepaneelid koosnevad

Päikeseenergiatehnoloogiate turust moodustavad ligikaudu 90% ränil põhinevad päikesepaneelid, mis järgmiste aastakümnete jooksul jõuavad oma elukaare lõppu. Päikesepaneeli põhikomponendiks on ränielemendid, milles päikesekiirgus neeldub, elektrivool saadakse fotoelektrilise efekti abil. Päikese­elemendid on mõlemalt poolt kaitstud polümeerist hermeetiku kihiga, mis eelkõige peab takistama niiskuse ligipääsu ränielementidele (vt joonis). Mehaanilise tugevuse lisamiseks on päikesepaneel kaetud tugeva solaarklaasiga ning teiselt poolt tagakihiga. Kogu päikesepaneeli struktuuri ümbritseb alumiiniumraam. Lisanduvad elektriühendused.

Mahu poolest sisaldab üks klassikaline ränipaneel ligikaudu 76% klaasi, 8% alumiiniumi, 10% polümeeri, 5% räni, 1% vaske ja 0,1% hõbedat. Valdavalt suunatakse materjaliringlusse praegu vaid alumiinium ja klaas, aga teadlased on välja töötamas lahendusi ka väärtuslikumate komponentide nagu hõbeda, vase ja räni eraldamiseks.

Milliseid päikesepaneeli komponente saab materjaliringlusse suunata? Päikesepaneel on loodud keskkonnatingimustele võimalikult pika aja jooksul vastu pidama ega ole seetõttu ka kergesti lahtivõetav. Lihtne on eemaldada alumiiniumraam ja see täielikult taaskasutada, alumiinium on enim taaskasutatav metall. Ka solaarklaasi eemaldamine pole keeruline, enamasti purustatakse klaas mehaaniliselt ja segatakse muu ümbertöödeldud klaasiga, mida saab kasutada näiteks soojusisolatsioonimaterjali klaasvahu või klaaskiu tootmises.

Selleks et eemaldada päikese­elementidele lamineeritud hermeetiku kihti ja pääseda ligi väärtuslikele ümbertöödeldavatele metallidele ja pooljuhtmaterjalidele, tuleb kasutada kas kõrget temperatuuri (450–500^o C) või kangeid kemikaale. Aga on ka leebemaid lahendusi. Austraalia teadlased pakuvad lahendust, mille puhul saab mikrolaineahjust tuntud mikrolainete abil hermeetikuga kaetud päikesepaneeli töödelda nii, et hermeetik pehmeneb piisavalt, et selle saaks lihtsalt mehaaniliselt maha koorida. Sama on võimalik saavutada mõne orgaanilise lahustiga, mille mõjul hermeetik paisub ja on kergesti maha kooritav; see tekitab aga omakorda reostust. Ümbertöötlemise teeb keeruliseks veel selliste mürgiste raskemetallide nagu kaadmiumi ja plii sisaldus kasutusel olevates ränipaneelides; õnneks küll on neid väga väikeses koguses.

Väärtuslik ressurss erinevate energiatehnoloogia valdkondade jaoks. Jõuamegi ränielementideni. Praegu on olemas võime ränipaneelide komponentide ringlussevõtuks kuni 95% ulatuses. Just ränielementide koostisosad oleksid materjaliringluses kõige väärtuslikum teisene toore, sest tegemist on kriitiliste mineraalidega, mille varud maakoores on piiratud. Nende komponentide töötlemine on keeruline protsess, kuid mõni uuenduslik lahendus on juba katsetuste faasis ja ehk lähiajal ka laiemas kasutuses.

Päikeseelemendis kasutatava räni puhastamine elektroonikatööstuse jaoks nõutava puhtuse tasemeni nõuab väga palju energiat. Näiteks iga kilogrammi räni puhastamisel päikeseelemendi jaoks vajaliku puhtusastmeni tekib 50 kilogrammi süsihappegaasi (CO₂). Aga saab ka keskkonnasõbralikumalt. Üks paljutõotavamaid lahendusi tuleb Saksamaalt, kus teadlased Fraunhofer ISE uurimiskeskusest koostöös elektroonikajäätmete käitlejaga Reiling GmbH & Co on välja töötanud meetodi räni puhastamiseks. Ränielemendid purustatakse mehaaniliselt 0,1–1 mm suurusteks osakesteks, mis seejärel keemiliselt töödeldakse, et vajaliku puhtusega räni ning ka hõbe ja vask kätte saada. Saadud räni taaskasutatakse monokristalse räni kasvatamisel. Sellisel viisil ümbertöödeldud ränist suudavad nad toota uued ränielemendid efektiivsusega 19,7%, mis jääb vaid mõne protsendi võrra alla turul olevatele uutele ränipaneelidele.

Prantsuse iduettevõte ROSI (Return of Silicon – eesti keeles „räni tagasi­tulek“) on samuti jõudnud oma tehnoloogiaga katsetuste faasi. See tehnoloogia võimaldab ränielementidest kätte saada kõrge puhtusastmega räni, hõbedat ja vaske. Nende patenditud tehnoloogia hõlmab mitteagressiivset termilist ja keemilist töötlust ning põhineb pürolüüsil. Viimane on meile tuttav koduste elektriahjude puhastamise meetodina.

Jäätmetest saadud väärtuslikud materjalid suunatakse tagasi päikesepaneelide tootmisse või teise valdkonna toormeks. Näiteks saab ümbertöödeldud räni kasutada ka liitiumioonakudes anoodimaterjalina. Ühe sellise tehnoloogia on välja töötanud ja patentinud Austraalia Deakini ülikooli teadlased. Liitiumioonakud on kasutusel aga elektriautodes, mille tootmismaht samuti tohutu kiirusega kasvab. Kasutades ringlusse võetud ressursse, saame vähendada mitmesuguste energiatehnoloogiate keskkonnamõju ning ka sõltuvust Aasiast sisse veetavast toormest.

Innovatsioon päikeseenergiatehnoloogiate arendamises. Kuigi päikese­paneelide jäätmete puhul võime arvestada, et lähikümnenditel on tegemist enamasti ränipaneelidega, siis järgemööda jõuavad turule ka uued tehnoloogiad. Uute päikesepaneelide arendamisel arvestatakse juba arendusfaasis kogu elutsükli keskkonnamõjuga alates lähteainete kättesaadavusest ja varudest maakoores kuni oma eluea lõpus oleva päikesepaneeli koostisosade ringlussevõtu võimalustega. Teadlased, sealhulgas materjaliteadlased Tallinna tehnikaülikooli materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudist, töötavad välja päikesepaneele, mis ei sisalda kriitilisi ja mürgiseid lähteaineid ja mille komponente saab minimaalse keskkonnamõjuga ringlusse võtta.

Eesmärk on ka päikesepaneelide eluea pikendamine, et vähendada seeläbi toote keskkonnajalajälge ja jäätmete teket. Väljatöötamisel on ka uued hermeetikumaterjalid, mis kaitsevad päikeseelementi senisest paremini keskkonnamõju, eelkõige niiskuse eest ja pikendavad päikesepaneeli eluiga.

Kokkuvõttes kasvab taastuvenergia tehnoloogiate võidukäiguga ka jäätmete hulk, millel on suur keskkonnamõju. Seetõttu peame varakult töötama välja strateegiad taastuvenergia tehnoloogiate jäätmete väärindamiseks. Päikesepaneelide jäätmed on väärtuslik tooraine mitmele valdkonnale, sealhulgas päikeseenergeetikale endale. Kui töötame välja keskkonnasõbralikud, taskukohased ja efektiivsed tehnoloogiad päikesepaneelide jäätmete ringlussevõtukuks, saame vähendada energiatehnoloogiate keskkonnamõju eelkõige sellega, et väheneb vajalike ressursside kaevandamismaht.

Maarja Grossberg-Kuusk on akadeemik, Tallinna Tehnikaülikooli professor.

1 Heather Mirletz, Henry Hieslmair, Silvana Ovaitt, Taylor L. Curtis, Teresa M. Barnes, Unfounded concerns about photovoltaic module toxicity and waste are slowing decarbonization. – Nature Phyics 2023, 19, 1376–1378.

2 Stephanie Weckend, Andreas Wade, Garvin Heath, End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels. IRENA and IEA-PVPS 2016.