À l’intérieur d’un conteneur d’expédition dans une zone industrielle de Venise, la startup italienne 9-Tech s’attaque à un problème mondial imminent : comment recycler de manière responsable les déchets 54 millions à 160 millions de tonnes de modules solaires qui devraient atteindre la fin de leur vie productive d’ici 2050. La récupération des matériaux ne sera pas facile. Les panneaux solaires sont construits pour résister à n’importe quel environnement sur Terre pendant 20 à 30 ans, et même après être restés au soleil pendant trois décennies, le matériel est difficile à démonter. En fait, la plupart des installations de recyclage éliminent le silicium, l’argent et le cuivre – les matériaux les plus précieux mais les moins accessibles des vieux panneaux solaires – et ne récupèrent que les cadres en aluminium et les vitres.
La startup 9-Tech exploite son usine pilote à partir d’un conteneur maritime modifié hébergé au Green Propulsion Laboratory du port industriel de Marghera à Venise.Luigi Avantaggiato
Le besoin de recyclage ne fera qu’augmenter à mesure que le monde déploiera de plus en plus l’énergie solaire. Plus que
1,2 térawatts de l’énergie solaire a déjà été déployée dans le monde. Les panneaux solaires sont actuellement distribués à un rythme de plus de 400 gigawatts par an, et ce taux devrait augmenter jusqu’à 3 TW par an d’ici 2030, selon une analyse de la littérature réalisée par des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL).
Pour tenter d’empêcher l’accumulation d’une montagne de déchets photovoltaïques, les chercheurs recherchent de meilleures méthodes de recyclage.
Les méthodes les plus avancées proposées jusqu’à présent permettent de récupérer au moins 90 % du cuivre, de l’argent, du silicium, du verre et de l’aluminium d’un module photovoltaïque en silicium cristallin. Mais ces procédés sont coûteux et impliquent souvent des produits chimiques toxiques. Aucune méthode de recyclage ne s’est avérée aussi bon marché que la mise en décharge, et très peu d’entre elles fonctionnent à l’échelle industrielle, affirme Garvin Heathingénieur environnemental principal chez NREL, qui gère un groupe d’experts internationaux chargé par l’Agence internationale de l’énergie d’analyser la durabilité du photovoltaïque.
Les fondateurs de
9-Tech disent qu’ils ont un meilleur moyen. Leur procédé est bruyant, impliquant un four à combustion, un bain à ultrasons et un tri mécanique dont les vibrations font trembler le plancher du modeste conteneur où ils testent leur fonctionnement depuis près de deux ans. L’entreprise n’utilise aucun produit chimique toxique, ne rejette aucun polluant dans l’environnement et récupère jusqu’à 90 % des matériaux contenus dans un panneau solaire, déclare Francesco Miserocchidirecteur de la technologie chez 9-Tech.
Des morceaux de silicium et de verre sont séparés du reste du panneau.
Luigi Avantaggiato
Comment recycler les panneaux solaires
Une fois le cadre, le verre et la boîte de jonction retirés d’un panneau photovoltaïque, les couches internes pliables de silicium, de polymères et de conducteurs métalliques restent. Les ouvriers coupent les couches intérieures en grandes sections en vue du four.Luigi Avantaggiato
L’entreprise adapte son procédé aux panneaux solaires en silicium cristallin, qui composent 97 pour cent du marché mondial du photovoltaïque. Les panneaux généralement consister d’un ensemble de tranches de silicium dopées au bore et au phosphore, et surmontées d’un revêtement antireflet de nitrure de silicium. Les conducteurs en argent sont sérigraphiés sur la surface de la plaquette et les conducteurs en cuivre sont soudés sur le réseau selon un motif en grille. Pour protéger les matériaux de l’humidité et des dommages, les fabricants laminent l’ensemble de la gamme avec des polymères adhésifs, généralement de l’éthylène-acétate de vinyle. Ensuite, ils enveloppent le réseau feuilleté dans des feuilles de verre trempé, encadrent le tout en aluminium, scellent les bords et fixent une boîte de jonction à l’arrière.
Lorsqu’il est temps de recycler un panneau, l’une des étapes les plus difficiles consiste à éliminer les polymères qui adhèrent à tout. « Il ne s’agit pas seulement des bords ou de quelques points de colle. Il s’agit d’une surface entière de plusieurs pieds carrés de polymère », explique Heath. Le polymère peut être brûlé, mais cela libère du monoxyde de carbone, de l’acide fluorhydrique et d’autres polluants nocifs. La séparation des conducteurs en argent s’avère également difficile car ils sont appliqués en une couche très fine (environ 10 à 20 micromètres) fortement attachée au silicium. Leur élimination implique généralement des réactifs toxiques tels que l’acide fluorhydrique, l’acide nitrique ou l’hydroxyde de sodium.
L’équipe de 9-Tech relève ces défis de deux manières. Ils récupèrent l’argent à l’aide d’ultrasons plutôt que de produits chimiques toxiques, et bien qu’ils brûlent les polymères, ils captent les polluants émis.
Des couches de silicium et de polymère sont introduites dans un four à combustion continue, qui chauffe les matériaux à plus de 400 °C, vaporisant ainsi les polymères.9-Tech
Le processus dans l’usine pilote de l’entreprise commence par le retrait manuel du cadre en aluminium, de la boîte de jonction et du verre trempé. Cela laisse un sandwich de polymères, de plaquettes de silicium et de conducteurs métalliques. Sans le cadre ni le verre, les couches sandwich se plient, brisant le silicium fragile en petits morceaux. Les ouvriers cassent le verre trempé puis envoient tous les matériaux, pour la plupart encore en place grâce aux polymères, dans un four à combustion continue. Chauffés à plus de 400 °C, les polymères se vaporisent et un filtre capte les polluants. Le système capte également la chaleur du four et la réutilise à des fins d’efficacité énergétique.
Un rouleau mécanique sépare la grille de cuivre une fois que les matériaux photovoltaïques sortent du four.Luigi Avantaggiato
Une fois les matériaux sortis du four, des tamis mécaniques séparent le cuivre, le verre et le silicium.En haut : Luigi Avavanggiato ; En bas : 9-Tech
Lorsque le matériau restant sort du four, un rouleau enlève mécaniquement le cuivre. Une série de tamis trie les morceaux de verre et de silicium brisés en fonction de leur épaisseur. Les morceaux de silicium, encore entrelacés d’argent, sont immergés dans un bain d’acide organique et traités aux ultrasons pour relâcher les liaisons entre les éléments. Les ultrasons fonctionnent en propageant des ondes sonores dans le bain d’acide, ce qui entraîne une alternance de cycles haute et basse pression. Si les ondes sont suffisamment intenses, elles créent des bulles de cavitation qui interagissent mécaniquement avec le matériau, provoquant le délogement de l’argent du silicium, explique Pietrogiovanni CerchierPDG de 9-Tech.
Enfin, les ouvriers retirent les fragments de silicium du bain à ultrasons à l’aide d’un filet grillagé. Cela laisse une fine poussière d’argent dans la solution, qui peut être récupérée par filtration ou centrifugeuse. Au total, dit Cerchier, l’usine pilote de 9-Tech peut récupérer 90 pour cent de l’argent, 95 pour cent du silicium et 99 pour cent ou plus du cuivre, de l’aluminium et du verre d’un module photovoltaïque. De plus, le matériau est considéré comme très pur, ce qui augmente les types d’applications pour lesquelles il peut être réutilisé.
Les travailleurs de 9-Tech plongent des morceaux de silicium argentés dans un bain d’acide organique et les traitent aux ultrasons pour desserrer les liaisons entre les éléments.9-Tech
Le processus de recyclage de la startup est plus coûteux que les méthodes existantes qui récupèrent uniquement l’aluminium et le verre. Mais l’extraction de silicium, d’argent et de cuivre de haute pureté devrait compenser le coût supplémentaire, estime Miserocchi. De plus, c’est plus efficace que l’extraction d’éléments vierges. On peut extraire environ 500 grammes d’argent d’une tonne de panneaux solaires, mais seulement 165 grammes d’argent d’une tonne de minerai, dit-il. « Un panneau photovoltaïque en fin de vie a encore beaucoup à offrir », explique Miserocchi. “Cela peut être considéré comme une petite mine d’éléments précieux.”
L’argent émerge du bain de silicium sous forme d’une fine poussière. 9-Tech
Des dizaines de nouvelles façons de recycler les panneaux photovoltaïques
Le cuivre, le verre et le silicium de haute pureté sont récupérés à partir du processus de recyclage des panneaux photovoltaïques de 9-Tech.Luigi Avantaggiato
L’équipe de 9-Tech en saura davantage sur la rentabilité de sa méthode après avoir construit une installation de démonstration plus grande au cours des 18 prochains mois. Cette usine, située dans la même zone industrielle de Venise que le conteneur maritime, pourra traiter jusqu’à 800 modules solaires par jour. Leur usine pilote ne traite qu’environ sept modules par jour.
L’approche de l’entreprise est l’une des nombreuses méthodes de recyclage des panneaux photovoltaïques en silicium cristallin en développement. UN
examen complet publié en avril dans le Journal de production plus propre identifié des dizaines d’autres efforts à l’échelle mondiale, notamment des approches thermiques, chimiques, mécaniques et optiques. La méthode la plus courante consiste à broyer les couches de silicium, de métal et de polymère en petits morceaux, à les séparer par densité et à récupérer le silicium et le métal par un procédé thermique ou chimique. D’autres processus incluent l’irradiation laser, les impulsions haute tension, le tri optique, la pyrolyse, les solvants chimiques, la gravure et le délaminage avec un couteau chaud.
Cette innovation est en partie motivée par les réglementations adoptées par l’Union européenne en 2012. Les règles exigent que tous les fabricants de panneaux photovoltaïques de l’UE mettent en œuvre des programmes de reprise ou de recyclage, ou s’associent à d’autres programmes de recyclage. En conséquence, l’Allemagne, qui possède la plus grande capacité d’énergie solaire en Europe, possède l’une des
les plus grands systèmes de recyclage photovoltaïque dans le monde.
« Un panneau photovoltaïque en fin de vie a encore beaucoup à offrir », explique Miserocchi. “Cela peut être considéré comme une petite mine d’éléments précieux.”
Mais le recyclage est une activité à volume élevé et, mis à part les événements météorologiques catastrophiques qui détruisent les centrales solaires, les modules solaires usagés parviennent aux recycleurs au compte-goutte. Et puis il y a le défi de trouver une seconde vie aux matériaux après leur récupération – une chaîne d’approvisionnement qui n’est pas bien développée.
First Solar, un fabricant mondial de systèmes photovoltaïques basé à Tempe, en Arizona, a résolu ces deux problèmes à grande échelle en construisant un
programme de recyclage interne avec sept installations dans cinq pays. L’entreprise fabrique des panneaux solaires à couches minces de tellurure de cadmium que les acheteurs peuvent acheter avec le prix de recyclage intégré. À la fin de la durée de vie des panneaux, les acheteurs les renvoient à First Solar pour les recycler dans de nouveaux produits. Le matériau semi-conducteur peut être recyclé jusqu’à 41 fois, ce qui lui confère une durée de vie de plus de 1 200 ans, selon l’entreprise. Mais le verre n’est pas assez pur pour être réutilisé dans les modules solaires, c’est pourquoi l’entreprise prévoit de le fournir aux fabricants de verre flotté pour l’utiliser dans les fenêtres et les portes.
Les défis du recyclage ont incité les chercheurs à repenser la manière dont les panneaux solaires cristallins sont fabriqués. Par exemple, certains fabricants tentent de réduire ou d’éliminer l’argent difficile à récupérer, en le remplaçant par d’autres métaux conducteurs. Et une équipe au NREL
a démontré en février un moyen d’éliminer les polymères dans les panneaux photovoltaïques en soudant les vitres au laser au lieu de cela, ce qui peut faire un meilleur travail en scellant l’humidité. Cette technique peut se prêter à modules solaires en pérovskiteune technologie prometteuse et particulièrement sensible à l’humidité et à la corrosion.
« Le recyclage ne devrait pas être la seule stratégie », déclare Heath. Les gens devraient envisager d’autres moyens de réparer ou de réutiliser les panneaux solaires pour prolonger leur durée de vie avant de recourir au recyclage, dit-il.
Reportage supplémentaire de Luigi Avantaggiato
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