Resumo executivo
- A primeira geração de painéis fotovoltaicos (PV) instalados na década de 1990 está chegando ao fim de sua vida útil, e as taxas atuais de instalação sugerem que o mundo poderá ter que lidar com 78 milhões de toneladas de resíduos de painéis fotovoltaicos até 2050. Sem programas de reciclagem dedicados, grande parte desse material acabará em aterros sanitários, prejudicando o argumento ambiental a favor da energia solar.
- Um painel de silício típico contém uma pastilha de silício com interconexões de prata, chumbo, cobre e estanho, tudo encapsulado em poli(etileno-acetato de vinila) e protegido por vidro e uma moldura de alumínio. A prata compõe menos de 1% da massa de um painel, mas representa cerca de 47% do valor dos materiais recuperados, tornando a recuperação eficiente da prata especialmente importante para a economia da reciclagem.
- Três abordagens de reciclagem dominam atualmente: delaminação térmica (mais barata e comum, porém consome muita energia e é propensa a emissões tóxicas), delaminação química (eficaz, mas lenta e com desperdício químico) e delaminação mecânica (mais simples, porém menos eficiente na remoção do encapsulante). A atividade de patentes agora supera as publicações em periódicos nesta área, sinalizando um forte interesse comercial em processos melhores.
Com quase 210 gigawatts de capacidade instalada, a energia solar é agora uma presença constante no cenário energético dos EUA. A energia solar representou 67% da nova capacidade de geração de eletricidade nos EUA no primeiro semestre de 2024. Globalmente, a geração solar atingiu perto de 1300 terawatts-hora.
Este é um benefício inequívoco para o planeta e para os esforços de redução de emissões, mas o amadurecimento da indústria de painéis solares também traz novas questões, especificamente o que fazer com todos esses painéis fotovoltaicos (PV) quando atingirem o fim de sua vida útil (EOL). De fato, a primeira geração de painéis fotovoltaicos, instalados na década de 1990, está chegando ao fim de sua vida útil, já que os painéis solares têm uma vida útil aproximada de 30 anos. Com a quantidade de sistemas fotovoltaicos sendo instalados hoje, é possível que o mundo tenha que lidar com 78 milhões de toneladas de resíduos de painéis fotovoltaicos até 2050.
Os resíduos fotovoltaicos apresentam muitos desafios, nomeadamente, como reciclar e recuperar materiais valiosos. Na ausência de programas de reciclagem dedicados, os componentes dos painéis solares acabarão em aterros sanitários, poluindo o meio ambiente, o que contraria a própria razão de seu uso generalizado.
Esses desafios também oferecem amplas oportunidades para soluções energéticas mais circulares, matérias-primas mais prontamente disponíveis para fabricar novos painéis e maior conformidade com as mudanças nas regulamentações governamentais. Nossa análise da CAS Content CollectionTM, o maior repositório de informações científicas publicadas com curadoria humana, revela para onde a pesquisa sobre o fim da vida útil de sistemas fotovoltaicos está caminhando e como podemos encontrar um caminho mais sustentável a seguir.
Painéis solares são recicláveis?
A resposta curta é sim, e existem três métodos atuais para isso. Os sistemas fotovoltaicos típicos consistem em uma pastilha de silício juntamente com interconexões de prata, chumbo, cobre e estanho que geralmente são encapsuladas em poli(etileno-acetato de vinila) (EVA) em ambos os lados (veja a Figura 1). De todos os componentes, a prata é o mais valioso. Ela representa menos de 1% da massa de um sistema fotovoltaico, mas vale 47% de todos os materiais recuperados.
Os processos de reciclagem atuais envolvem quatro etapas:
- Desmontagem da moldura de alumínio, cabo de cobre e caixas de junção
- Remoção da camada de vidro
- Remoção do encapsulante polimérico
- Recuperação de silício e metais
O processo mais desafiador é a remoção da camada de vidro, que geralmente é colada à célula solar encapsulada usando adesivos, também chamada de delaminação (veja a Figura 2).
Os três métodos atuais de reciclagem de painéis solares envolvem benefícios e compensações (veja a Figura 3):
- Delaminação térmica: Neste processo, os módulos fotovoltaicos são submetidos à pirólise em temperaturas que variam de 300 a 650 °C. Isso leva à separação do vidro e à decomposição dos adesivos. Este é o tipo de reciclagem fotovoltaica mais comum e econômico, mas, devido às altas temperaturas operacionais, a delaminação térmica exige mais energia, o que resulta na emissão de gases tóxicos.
- Delaminação química: Este método de reciclagem é eficaz sem danificar o vidro e as células solares. No entanto, os solventes orgânicos e ácidos ou bases inorgânicas usados neste processo exigem um tempo prolongado para reagir com os adesivos e encapsulantes, aumentando o tempo de processamento em até 10 dias. Os produtos químicos utilizados neste processo também são caros, e os resíduos químicos gerados exigem um processo de tratamento complexo.
- Delaminação mecânica: Consiste na trituração dos painéis solares desmontados, seguida de moagem e separação. Embora a delaminação mecânica seja o mais simples dos três processos, a remoção do polímero encapsulante é ineficiente.
Desafios na reciclagem de painéis solares
Como existem benefícios e desvantagens em todos os métodos de reciclagem fotovoltaica, os pesquisadores estão buscando maneiras de aprimorá-los. Nossa análise do cenário atual de pesquisa revela que as publicações de patentes são as mais comuns, demonstrando o amplo interesse comercial nesses processos (veja a Figura 4).
Ao analisarmos mais de perto, descobrimos que os conceitos relacionados à delaminação térmica, como tratamento térmico, decomposição térmica, aquecimento e calcinação, são os mais indexados (veja a Figura 5).
No entanto, muitos desafios precisam ser superados para escalar com sucesso a reciclagem fotovoltaica e lidar com o fluxo de painéis que atingem o fim de sua vida útil. Como mencionado, a emissão de gases tóxicos e o descarte de produtos químicos perigosos complicam os processos de reciclagem atuais. Outro problema é que o silício recuperado geralmente está contaminado com outros elementos e não pode ser usado em novos painéis solares. Para reutilizar o silício no processo de fabricação de wafers, ele deve ser refinado para atingir alta pureza, que varia de 6N (99,9999% de pureza) a 11N.
É fundamental que os fabricantes de módulos fotovoltaicos consigam reutilizar o silício, pois o processo de fabricação desse material é responsável por mais da metade da energia utilizada na produção fotovoltaica. O que complica ainda mais esse processo é o fato de que os wafers de silício fabricados há 30 anos não possuem a mesma qualidade dos fabricados hoje.
Por fim, há incerteza em relação ao custo-benefício da reciclagem fotovoltaica. Um estudo recente constatou que os materiais reciclados eram muito mais baratos do que os materiais virgens: o custo dos materiais virgens para um módulo fotovoltaico foi calculado em 90 USD/m2, enquanto os materiais reciclados recuperados por meio do projeto FRELP (Full Recovery End of Life Photovoltaic) custaram apenas 12,43 USD/m2. Esse custo cai ainda mais, para 1,19 USD/m2, quando os benefícios ambientais da reciclagem são incluídos na análise. No entanto, outros estudos chegaram ao resultado oposto, ou seja, que a reciclagem não é lucrativa devido à falta de elementos de alto valor nos painéis. Superar essa incerteza econômica será crucial para escalar as operações de reciclagem fotovoltaica.
Oportunidades para a reciclagem sustentável de painéis solares
Como fabricantes, gestores de resíduos, governos e outras partes interessadas podem entender melhor os custos e benefícios da reciclagem de painéis solares? Um ponto de partida é realizar análises técnico-econômicas (TEAs) e avaliações de ciclo de vida (LCAs) mais abrangentes. Esses estudos podem compartilhar informações de custo-benefício mais atualizadas e levar em conta a variação dos preços das commodities e outros fatores.
Os processos de reciclagem têm espaço para melhorias — com mais P&D, podemos descobrir métodos que recuperem mais matérias-primas de forma mais eficiente do que os processos atuais. Recuperar mais prata, por exemplo, pode tornar a reciclagem mais econômica. Projetos como o Icarus também podem encontrar avanços na purificação do silício que reduzirão o desperdício e serão mais eficientes no uso de matérias-primas para novos painéis solares.
Os pesquisadores também podem desenvolver designs de painéis inovadores que levem em conta a reciclabilidade. Planejar a desmontagem e a recuperação de materiais na fase de design pode tornar a reciclagem mais eficaz na recuperação de materiais, consumindo menos energia e gerando menos resíduos químicos.
As políticas governamentais também terão um papel importante. Os regulamentos de Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos (WEEE) da UE podem servir como ponto de partida para outros países e regiões. Ao incentivar a reciclagem fotovoltaica, os governos podem ajudar a estimular economias de escala. Como observa a Agência Internacional para as Energias Renováveis, envolver parceiros de descarte de resíduos pode impulsionar o crescimento dos negócios e expandir a receita e as oportunidades de emprego, desenvolvendo assim um ciclo de feedback positivo para a expansão da energia limpa e o crescimento econômico.
