Đến cuối năm 2024, thế giới sẽ có gần 2.000 Gigawatt công suất phát điện mặt trời đang hoạt động. Mỗi tấm pin được làm từ silicon, thủy tinh, nhiều loại polyme, nhôm, đồng và nhiều loại kim loại khác có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời.
Theo kinh nghiệm, các tấm pin mặt trời có tuổi thọ khoảng 30 năm, nhưng đó không phải là toàn bộ câu chuyện ở đây. Garvin Heath thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia (NREL) giải thích: "30 năm là dự đoán tốt nhất của chúng tôi ". NREL phát hiện ra rằng có tỷ lệ hỏng hóc cao hơn khi bắt đầu sử dụng tấm pin, thường là do lỗi sản xuất hoặc lắp đặt. Vào giữa vòng đời, chỉ một số ít tấm pin bị hỏng. Sau đó, số liệu thống kê bắt đầu tăng lên khi bạn tiến gần đến mốc ba thập kỷ, nhưng ngay cả như vậy, số lượng tấm pin bị hỏng cũng "ít hơn một phần trăm" so với tổng số tấm pin đang hoạt động tại thời điểm đó.
Matt Burnell là người sáng lập ReSolar, một công ty khởi nghiệp của Anh đang tìm hiểu về tái sử dụng, tái cấp điện và tái chế các tấm pin mặt trời. Là một phần trong công việc của mình, Burnell đã đến thăm một trang trại năng lượng mặt trời có 40.000 tấm pin, nơi có 200 tấm pin bị hỏng trong quá trình lắp đặt. Ông cho biết: “Tôi đã lấy khoảng 50 tấm pin từ địa điểm đó, thử nghiệm chúng để xem giá trị tái sử dụng và công suất phát điện của chúng”, hầu hết đều nằm trong “phạm vi dung sai của nhà sản xuất”. Về cơ bản, đối với một vết nứt kỳ lạ trên kính hoặc vết lồi trên khung — có thể gây ra sự cố sau này — thì các tấm pin vẫn hoạt động hoàn hảo.
Nếu một tấm pin đã sống sót sau khi ra đời và lắp đặt, thì điều lớn nhất giết chết tấm pin mặt trời là thời tiết. Heath cho biết một nguyên nhân phổ biến là các sự kiện thời tiết khắc nghiệt làm hỏng tấm pin, hoặc thậm chí chỉ là thời tiết khắc nghiệt thông thường khiến mọi thứ xuống cấp. Đáng buồn thay, một khi tấm pin bị hỏng, thường không đáng để sửa chữa.
Vì vậy, các tấm pin được coi là "bị hỏng" trong quá trình sản xuất hoặc lắp đặt vẫn có thể tạo ra năng lượng từ mặt trời. Nhưng cũng có rất nhiều tấm pin bị ngừng sử dụng sau 25 hoặc 30 năm, ngay cả khi chúng không bị hỏng theo bất kỳ nghĩa nào. Có một lý do khá đơn giản khiến các trang trại năng lượng mặt trời không cho phép các tấm pin này hấp thụ tia cho đến khi chúng ngừng hoạt động.
Vấn đề chính là mất hiệu suất, tức là khi các tấm pin không thể tạo ra nhiều điện như khi mới lắp đặt. Hầu hết các tấm pin mặt trời được làm bằng các lớp keo dán nhiều lớp nằm giữa kính và các tế bào quang điện để giữ chúng lại với nhau và hỗ trợ độ cứng. Tiếp xúc với ánh nắng mặt trời có thể khiến các lớp keo dán nhiều lớp đó bị đổi màu, làm giảm lượng ánh sáng có thể chiếu tới các tế bào. Điều đó làm giảm khả năng tạo ra năng lượng, đây là vấn đề đối với các trang trại thương mại lớn.
“Nhà sản xuất bảo hành hiệu suất của các mô-đun năng lượng mặt trời của họ trong thời hạn 30 năm”, Garvin Heath giải thích. Ví dụ, một nhà sản xuất sẽ cam kết rằng các tấm pin của họ sẽ có hiệu suất ít nhất 80% trong phần lớn thời gian sử dụng dự kiến là ba thập kỷ. Những bảo hành này mang lại cho khách hàng quy mô tiện ích lớn sự tự tin vào những gì họ đang mua và khi thời hạn đó kết thúc, thường sẽ tiết kiệm chi phí hơn nhiều nếu chỉ cần loại bỏ và thay thế chúng.
Lưới điện có số lượng kết nối hạn chế, về cơ bản là đường dẫn vào cho phép chúng đẩy điện lên lưới. Mỗi kết nối có giới hạn trên cứng về công suất mà nó có thể gửi, vì vậy các trang trại năng lượng mặt trời cần phải tạo ra lượng điện tối đa được phép mọi lúc. Heath cho biết: “Ngay cả khi chúng hoạt động trong phạm vi hiệu suất bảo hành, chi phí cơ hội của việc có một mô-đun sản xuất nhiều điện hơn trên kết nối của bạn là khá có giá trị”.
Matt Burnell của ReSolar đã sử dụng một ví dụ về một trang trại năng lượng mặt trời 10 Megawatt ở Vương quốc Anh có kết nối 15 Megawatt. “10 năm trước, họ chỉ có thể lắp 10 megawatt vào không gian mà họ có [...] nhưng với các mô-đun mới hơn và hiệu quả hơn, giờ đây họ có thể tháo dỡ tài sản và xây dựng lại nó một cách khả thi về mặt tài chính”. Kết quả cuối cùng là tất cả những tấm pin tốt này đều bị vứt bỏ.
Ngay cả khi các tấm pin có thể được sửa chữa để đạt hiệu suất tối đa, thì cũng không có khả năng các cửa hàng sửa chữa tấm pin mặt trời sẽ mở ra hàng loạt. Burnell cho biết "Có một câu hỏi nghiêm túc xung quanh chi phí nhân công để thử nghiệm, sửa chữa so với việc chỉ mua một tấm pin mới". Ông đã đưa ra một ví dụ khác về các tấm pin phải được tháo dỡ để giải quyết luật an toàn phòng cháy chữa cháy, cũng có nguy cơ bị loại bỏ vì nỗ lực tái sử dụng chúng quá lớn. Để giảm thiểu chất thải, ReSolar thực sự đã thu thập và gửi một lô hàng các tấm pin đó đến Ukraine để sử dụng trong bệnh viện,
Một nguyên tắc chung khác là chỉ có một trong 10 tấm pin mặt trời được tái chế, chín tấm còn lại được đưa đến bãi chôn lấp. Không có phương pháp chuẩn nào để theo dõi điểm đến cuối cùng của tấm pin và không rõ hệ thống tái chế sẽ được triển khai như thế nào. Nhưng có nguy cơ các bãi chôn lấp sắp bị quá tải với khối lượng tấm pin khổng lồ.
Một phần nhỏ các tấm pin thực sự được gửi đến các trung tâm tái chế, phần còn lại bị bỏ mặc với số phận không chắc chắn. Như Heath chỉ ra, rủi ro là trong khi việc tái chế không kinh tế và không khả dụng, chúng ta sẽ thấy những bãi phế thải khổng lồ của các tấm pin mặt trời đang hoạt động, bị bỏ lại chất đống trong khi tình hình thay đổi.
Ở Anh và Châu Âu, các tấm pin mặt trời được quy định trong Chỉ thị về chất thải từ thiết bị điện và điện tử, hay WEEE. Các quy định này bắt buộc các công ty cung cấp phải thu gom và tái chế các tấm pin đã loại bỏ hoặc phải chịu chi phí cho một đơn vị khác thực hiện việc này. Hy vọng là chúng ta sẽ không thấy thêm hàng tấn tấm pin bị đổ ra bãi rác, nhưng cũng có nghĩa là thường sẽ tiết kiệm hơn khi gửi các tấm pin đang hoạt động đi tái chế thay vì tái sử dụng chúng.
Nếu bạn muốn giải phóng các nguyên liệu thô ẩn bên trong tấm pin mặt trời, thì có hai cách tiếp cận. Một là cách cơ học, trong đó bạn có thể cắt nhỏ các thành phần, vừa đơn giản hơn vừa lãng phí hơn: nó có thể thu hồi thủy tinh và kim loại nhưng không đáng kể. Cũng có các cách tiếp cận nhiệt và hóa học nhằm tách các thành phần, cho phép thu hồi nhiều kim loại hiếm hơn.
Heath cho biết: “Các công ty tái chế hiện tại có thị trường truyền thống mà nền kinh tế của họ được xây dựng xung quanh, vì vậy các công ty tái chế thủy tinh nhìn vào một mô-đun và nói 'ôi, một mô-đun có 80 phần trăm trọng lượng là thủy tinh, tôi biết phải làm gì với nó'". Ông cho biết: "Với các vật liệu bên trong, có nhiều kim loại quý có giá trị cao hơn", "nhưng chúng được trộn lẫn với các lớp polyme nhựa [...] rất khó để tách biệt về mặt kinh tế". Do đó, silicon, bạc và đồng được nhúng trong các ô thường bị nghiền thành khối và bị bỏ đi.
Báo cáo cũng nói thêm rằng thường thì các quy trình tái chế này không được tối ưu hóa để chạy tấm pin mặt trời, do đó "thường có một số sự hạ cấp về chất lượng vật liệu thu hồi", đây khó có thể là một bước tiến lớn trên con đường hướng đến tính tuần hoàn.
Ngoài việc các nhà tái chế không biết thành phần của các tấm pin, còn có nguy cơ các hóa chất độc hại được thêm vào để đẩy nhanh một số quy trình. Antoine Chalaux là Tổng giám đốc của ROSI Solar, một công ty tái chế tấm pin mặt trời chuyên nghiệp tại Pháp. Ông đã nói về việc đưa các hóa chất như Teflon và antimon vào, cả hai đều độc hại và không thể thải ra khí quyển. Ông giải thích rằng “Chúng tôi đã phát triển các quy trình tái chế của mình để thu giữ chúng, nhưng chúng tôi đang thúc đẩy các nhà sản xuất sử dụng chúng ít hơn trong tương lai”.
Burnell tin rằng ngành công nghiệp này thực sự đang ở "bước đầu" của quá trình tái chế năng lượng mặt trời nhưng tin tưởng rằng với khoản đầu tư hiện nay, các giải pháp sẽ nhanh chóng được tìm ra trong tương lai rất gần. Ông cho biết "Chúng tôi có thời gian dẫn đầu rất lớn này, vì vậy chúng tôi biết những gì sẽ xuất hiện trên thị trường hiện nay và chúng tôi biết những gì sẽ xuất hiện trong hệ thống trong 25 đến 30 năm nữa".
Hiện tại, quy trình của ROSI không rẻ như các công ty tái chế khác và Chalaux biết rằng điều này có thể là một vấn đề. Tuy nhiên, lợi ích khác của quy trình này là sản xuất ra vật liệu tái chế có độ tinh khiết cao mà các nhà sản xuất địa phương có thể sử dụng.
Một bước tiến tới tấm pin mặt trời có thể tái chế nhiều hơn có thể là loại bỏ việc sử dụng các polyme kết dính đó trong quá trình chế tạo. Nếu một tấm pin có thể chỉ sử dụng các tấm kính với các tế bào quang điện kẹp bên trong, thì việc tháo dỡ sẽ dễ dàng hơn nhiều. Chưa kể đến việc bạn có thể có được hiệu suất lâu hơn và tốt hơn từ chúng, vì sẽ không có lớp polyme nào làm mất màu.
Rất may, một nhóm từ Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) đã chứng minh rằng một sản phẩm như vậy có thể tồn tại. Thay vì dán các lớp lại với nhau, tia laser femto sẽ hàn các tấm kính mặt trước và mặt sau vào nhau. Các tế bào năng lượng mặt trời được kẹp bên trong, được giữ bằng liên kết của kính với các tấm kính khác, và không có gì khác. Và khi tấm pin cuối cùng đạt đến cuối vòng đời của nó, có thể dài hơn 30 năm rất nhiều, nó chỉ có thể được tái chế bằng cách đập vỡ kính.
Dự án do Tiến sĩ David Young dẫn đầu cho biết nếu các đề xuất được chấp nhận, chúng ta có thể thấy phiên bản thương mại của tấm pin trong vòng hai đến ba năm tới. Ông nói thêm rằng độ cứng do hàn mang lại sẽ chắc chắn và chống thấm nước như các tấm pin sử dụng lớp polyme. Thật không may, đến thời điểm đó, chúng ta sẽ có hàng thập kỷ tấm pin được sản xuất bằng hệ thống cũ mà chúng ta vẫn cần phải xử lý. Và cho đến khi chúng ta tìm ra cách tái chế chúng hiệu quả về mặt chi phí và có thể mở rộng quy mô, thì câu trả lời cho câu hỏi 'Điều gì xảy ra với tấm pin mặt trời khi chúng hỏng?' sẽ là 'không có gì tốt đẹp'.
Anh Nguyễn (Theo Engadget)
