ماذا يحدث عندما تتلف الألواح الشمسية؟

وبحلول نهاية عام 2024، سيتم تشغيل ما يقرب من 2000 جيجاوات من قدرة توليد الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم. وتتكون كل لوحة من السيليكون والزجاج والبوليمرات المختلفة والألومنيوم والنحاس ومجموعة متنوعة من المعادن الأخرى التي تلتقط طاقة الشمس. كقاعدة عامة، ما لم تظهر على اللوحة علامات التآكل، فسوف تستمر لمدة تصل إلى 30 عامًا قبل أن تحتاج إلى الاستبدال. ولكن ماذا يحدث لكل هذه المواد الخام عندما يصبح إنتاج الألواح الشمسية الحالي عتيقا؟ بالتأكيد نحن لا نضيع كل شيء، أليس كذلك؟

ما الذي يقتل الألواح الشمسية؟ تشير الحكمة التقليدية إلى أن الألواح الشمسية تدوم حوالي 30 عامًا، لكن هذه ليست القصة بأكملها هنا. وقال جارفين هيث من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL): “إن أفضل تقدير لدينا هو 30 عامًا”. وجد المختبر الوطني للطاقة المتجددة أن هناك معدلًا أعلى للفشل في وقت مبكر من عمر الوحدة، وغالبًا ما يكون ذلك بسبب أخطاء التصنيع أو التثبيت. في منتصف العمر، القليل من المجالس تفشل. ثم تبدأ الإحصائيات في الارتفاع شمالًا مع اقتراب المرء من العقد الثالث، ولكن على الرغم من ذلك، فإن عدد اللوحات الفاشلة هو “أقل من واحد بالمائة” من إجمالي اللوحات الموجودة في الخدمة في تلك المرحلة.

مات بورنيل هو مؤسس شركة ReSolar، وهي شركة بريطانية ناشئة تركز على إعادة استخدام الألواح الشمسية وإعادة تشغيلها وإعادة تدويرها. وكجزء من عمله، قام بورنيل بزيارة مزرعة للطاقة الشمسية مكونة من 40 ألف لوحة حيث انكسر 200 لوحة أثناء التثبيت. وقال: “لقد أخذت حوالي 50 من هذا الموقع واختبرتها لمعرفة قيمتها في إعادة الاستخدام وقدرتها على التوليد، وكان معظمها ضمن “نطاق تحمل الشركة المصنعة”. وفيما يتعلق بالشرخ الغريب في الزجاج أو الانتفاخ في الإطار، والذي قد يسبب مشاكل في المستقبل، فإن الألواح تعمل بشكل لا تشوبه شائبة.

إذا نجت اللوحة من ولادتها وتركيبها، فإن أكبر عامل مدمر للألواح الشمسية هو الطقس. وقال هيث إن السبب الشائع هو الأحداث الجوية القاسية التي تلحق الضرر باللوحة، أو حتى الطقس العادي العنيف الذي يتسبب في تدهور الأمور. لسوء الحظ، بمجرد كسر اللوحة، غالبًا لا يستحق الإصلاح.

ولذلك، فإن الألواح التي تعتبر “مكسورة” أثناء التصنيع أو التركيب قد تظل قادرة على توليد الطاقة من الشمس. ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من الألواح التي يتم التخلص منها بعد 25 أو 30 عامًا، حتى لو لم تكن بها أي عيوب كبيرة. هناك سبب بسيط جدًا لعدم سماح مزارع الطاقة الشمسية لهذه الألواح بامتصاص الأشعة، وبالتالي تتوقف عن العمل ببساطة.

تكمن المشكلة الرئيسية في فقدان الكفاءة عندما لا تتمكن الوحدات من توليد نفس القدر من الكهرباء الذي كانت عليه عندما تم تركيبها لأول مرة. تتكون معظم الألواح الشمسية من طبقات مغلفة بمادة لاصقة توضع بين الزجاج والخلايا الشمسية لربطها ببعضها البعض وزيادة صلابتها. يمكن أن يؤدي التعرض لأشعة الشمس إلى تغير لون هذه الطلاءات، مما يقلل من كمية الضوء التي يمكن أن تصل إلى الخلايا. وهذا يقلل من قدرة توليد الطاقة، وهي مشكلة بالنسبة للمزارع التجارية الكبيرة.

وأوضح جارفين هيث أن “المنشأة تضمن أداء ألواحها [الشمسية] لمدة 30 عامًا”. على سبيل المثال، تعد الشركة المصنعة بأن وحداتها ستكون ذات كفاءة بنسبة 80% على الأقل خلال معظم عمرها المتوقع الذي يبلغ ثلاثة عقود. تمنح هذه الضمانات عملاء المرافق الثقة فيما يشترونه، وعندما تنتهي صلاحيتها، غالبًا ما يكون التخلص منها واستبدالها أكثر فعالية من حيث التكلفة.

تحتوي الشبكات الكهربائية على عدد محدود من التوصيلات، والتي تمثل بشكل أساسي المسار الذي يمكن من خلاله تغذية الشبكة بالكهرباء. ولكل توصيلة حد أقصى صارم للطاقة المنقولة، مما يتطلب من مزارع الطاقة الشمسية إنتاج الحد الأقصى من كمية الكهرباء المسموح بها في جميع الأوقات. قال هيث: “[حتى لو] كنت تعمل ضمن الضمان، فإن تكلفة الفرصة البديلة لامتلاك جهاز ينتج [المزيد] من الطاقة عندما تحصل عليه تعتبر قيمة للغاية”.

استخدم Matt Burnell من ReSolar مثال مزرعة الطاقة الشمسية بقدرة 10 ميجاوات في المملكة المتحدة مع وصلات بقدرة 15 ميجاوات. “قبل عشر سنوات، لم يكن بمقدورهم سوى استيعاب 10 ميجاوات فقط في المساحة المتاحة […]، ولكن مع وجود أنظمة أحدث وأكثر كفاءة، أصبح من المنطقي الآن من الناحية المالية بالنسبة لهم تفكيك الأنظمة وإعادة بنائها”. باستخدام جداول البيانات والبحث عن طرق لتعظيم استثماراتهم بشكل أفضل. والنتيجة النهائية هي التخلص من كل تلك اللوحات الجيدة. قال بورنيل: “عندما تفكر في الكربون الذي ينشأ عندما يتم استيراد [الألواح] [من الصين]، ثم ينتهي بها الأمر في مجرى النفايات […] يبدو الأمر جنونيًا”.

حتى لو كان من الممكن إصلاح الألواح الشمسية بكفاءة كاملة، فمن غير المرجح أن يتم افتتاح ورش إصلاح الألواح الشمسية في المملكة المتحدة. وقال بورنيل: “هناك سؤال جدي حول تكلفة العمالة لفحص وإصلاح وحدة جديدة مقابل مجرد شراء وحدة جديدة”. وأضاف مثالاً آخر على الألواح التي كان لا بد من إزالتها بسبب لوائح السلامة من الحرائق وكانت أيضًا معرضة لخطر الإلغاء لأن الجهد المبذول لإعادة استخدامها كان كبيرًا للغاية. ولتقليل النفايات، قامت شركة ReSolar في النهاية بجمع هذه الألواح وإرسالها إلى أوكرانيا لاستخدامها في المستشفى.

هناك قاعدة أخرى تتمثل في أنه يتم إعادة تدوير لوحة واحدة فقط من كل عشرة ألواح شمسية، وينتهي الأمر بالألواح التسعة المتبقية في مكب النفايات. لا توجد طريقة قياسية لتتبع الوجهة النهائية للوحة الترخيص، وليس من الواضح كيف سيتم تنفيذ مثل هذا النظام. ومع ذلك، هناك خطر من أن تمتلئ مدافن النفايات بكمية الألواح المتساقطة من الأسطح. على سبيل المثال، نشرت صحيفة لوس أنجلوس تايمز تقريرا عن التخمة الوشيكة للألواح الشمسية في كاليفورنيا بعد أن حاولت الولاية تركيب المزيد من الألواح الشمسية بدءا من عام 2006. الوضع القانوني ليس موحدًا، حيث وصف غريست عام 2020 بأنه “الغرب المتوحش”، حيث تمتلك واشنطن فقط أي نوع من التشريعات الإلزامية. تخضع الألواح الشمسية المهملة للوائح الفيدرالية المتعلقة بالنفايات الصلبة والخطرة اعتمادًا على المواد المستخدمة في تصنيعها. إذا كانت اللوحة تحتوي على معادن ثقيلة مثل الرصاص والكادميوم، فلا يمكن التخلص منها في مكب النفايات العام بسبب المخاوف من تسرب السموم إلى الأرض. ومع ذلك، فإن هذا يعني في كثير من الأحيان أنه يجب تحويل هذه الألواح إلى مدافن النفايات المخصصة للتخلص من النفايات الخطرة.

تدرس وكالة حماية البيئة حاليًا وضع قواعد من شأنها توحيد عملية إعادة تدوير الألواح الشمسية وبطاريات الليثيوم. ولكن على الرغم من عدم وجود لوائح فيدرالية لإعادة التدوير أو قوانين صارمة على مستوى الولاية، فإن الوضع أبعد ما يكون عن المثالي. في الواقع، يتم إرسال نسبة صغيرة فقط من الألواح إلى مراكز إعادة التدوير، بينما يُترك الباقي لمصير مجهول. وكما يشير هيث، فإن الخطر يكمن في أنه على الرغم من أن إعادة التدوير غير اقتصادية وغير متاحة، إلا أننا سنرى أكوامًا ضخمة من الألواح الشمسية الوظيفية تتراكم عندما يتغير الوضع.

في المملكة المتحدة وأوروبا، تخضع الألواح الشمسية لتوجيهات نفايات المعدات الكهربائية والإلكترونية (WEEE). تتطلب اللوائح من الشركات الموردة جمع وإعادة تدوير الألواح المهملة أو دفع تكاليف مؤسسة أخرى للقيام بذلك. نأمل أن يعني هذا أننا لا نرى المزيد من الألواح ينتهي بها الأمر في مكب النفايات، ولكنه يعني أيضًا أنه غالبًا ما يكون إعادة تدوير اللوحات الوظيفية أكثر اقتصادًا بدلاً من إعادة استخدامها.

إذا كنت ترغب في فتح المواد الخام الكامنة داخل اللوحة الشمسية، فهناك خياران. هناك الطريقة الميكانيكية التي يتم بها قطع المكونات. إنها أبسط وأكثر إسرافًا: يمكنها استعادة الزجاج والمعادن، ولكن القليل من أي شيء آخر. أو هناك طرق حرارية وكيميائية تهدف إلى فصل المكونات وبالتالي التمكن من استخلاص المزيد من العناصر النزرة.

“لدى شركات إعادة التدوير الحالية أسواق تقليدية تعتمد عليها اقتصاداتها، لذلك ينظر القائمون على إعادة تدوير الزجاج إلى الوحدة ويقولون: “رائع، الوحدة مكونة من 80 بالمائة من الزجاج، وأنا أعرف ما يجب فعله بها”،” قال هيث مع المواد الموجودة بالداخل هناك. هي معادن ثمينة أخرى ذات قيمة أعلى، ولكن يتم خلطها بطبقات بوليمر بلاستيكية يصعب فصلها اقتصاديًا والتخلص منها.

وقد تناول تقرير الوكالة الدولية للطاقة لعام 2024 بشأن إعادة تدوير الألواح أن هذه الأساليب الميكانيكية ليس لها تأثير إيجابي على جودة المواد. وقالت: “إن مخرجات المعالجة الميكانيكية عادة لا تكون نقية للغاية ويجب أن يستهدف الإنتاج الأفضل المواد عالية القيمة […]، وخاصة السيليكون والفضة”. وأضافت أن عمليات إعادة التدوير هذه في كثير من الأحيان لا يتم تحسينها لتشغيل الألواح الشمسية، لذلك “في كثير من الأحيان تنخفض جودة المواد المستردة إلى حد ما”، وهي ليست خطوة كبيرة نحو الاقتصاد الدائري.

ومن الصعب أيضًا معرفة ما يوجد داخل اللوحة الشمسية. قال مات بورنيل من شركة ReSolar: “إن الفرق في المواد [في الألواح الشمسية] هائل”. قائمة الشركات المصنعة ليست ملزمة بعد بمشاركة بيانات المواد الخام الخاصة بها، على الرغم من أن اللوائح الجديدة ستغير هذا الأمر قريبًا. وحتى في هذه الحالة، من الصعب على القائمين بإعادة التدوير معرفة ما يمكنهم أخذه من الألواح التي يريدون معالجتها.

بالإضافة إلى عدم معرفة شركات إعادة التدوير بتركيبة الألواح، هناك خطر إضافة مواد كيميائية ضارة لتسريع بعض العمليات. أنطوان شالو هو المدير الإداري لشركة ROSI Solar، وهي شركة لإعادة تدوير الألواح الشمسية في فرنسا. وتحدث عن استخدام المواد الكيميائية مثل التيفلون والأنتيمون، وكلاهما سام ولا ينبغي إطلاقهما في الغلاف الجوي. “لقد اختبرنا هذه المواد الكيميائية بعناية شديدة، لكننا لم نختبرها بعد.”

وأوضح قائلاً: “لقد طورنا عمليات إعادة التدوير الخاصة بنا لالتقاطها، لكننا نحث [المصنعين] على استخدامها بشكل أقل [في المستقبل]”.

يعتقد بورنيل أن الصناعة في المراحل الأولى من إعادة تدوير الطاقة الشمسية، لكنه واثق من أنه مع استثمارات اليوم، يمكن العثور على الحلول بسرعة في المستقبل القريب. وقال: “لدينا الكثير من الوقت، لذا فنحن نعرف ما سيأتي إلى السوق اليوم ونعرف ما سيأتي إلى النظام خلال 25 إلى 30 عامًا”. لقد حان الوقت الحقيقي، حيث أن العدد الكبير من الألواح التي تم تركيبها في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين سوف تدخل مجرى النفايات في العقد المقبل.

في الوقت الحالي، لا يعد تشغيل ROSI رخيصًا مثل شركات إعادة التدوير الأخرى، وتعرف Shallow أن ذلك قد يكون مشكلة. وقال: “في الوقت الحالي، لا يوجد سبب اقتصادي للشركات لإعادة التدوير معنا، ولكن هناك مشكلة في الصورة”. “يريد جميع المصنعين وأصحاب المشاريع الكهروضوئية قصة جيدة لنهاية عمر وحدات الطاقة الشمسية الخاصة بهم.” ومع ذلك، هناك ميزة أخرى لهذه العملية وهي إنتاج مواد معاد تدويرها عالية النقاء يمكن استخدامها من قبل الشركات المصنعة المحلية.

تتمثل الخطوة نحو إنشاء لوحة شمسية أكثر قابلية لإعادة التدوير في التخلص من استخدام هذه البوليمرات اللاصقة في بنائها. إذا كان من الممكن تصنيع اللوحة من ألواح زجاجية مع إدخال الخلايا الشمسية، فسيكون من الأسهل بكثير تفكيكها. ناهيك عن أنك ستحصل على أداء أطول وأفضل معها نظرًا لعدم وجود طبقات بوليمر متغيرة اللون.

ولحسن الحظ، أثبت فريق من المختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددة (NREL) إمكانية وجود مثل هذا المنتج. فبدلاً من لصق الطبقات معًا، يقوم ليزر الفيمتو ثانية بلحام الجزء الأمامي والخلفي من الزجاج معًا. يتم وضع الخلايا الشمسية داخل بعضها البعض ولا يتم تجميعها معًا إلا من خلال توصيل الزجاج بنظيره. عندما تصل اللوحة أخيرًا إلى نهاية عمرها الافتراضي، والذي يمكن أن يستمر لفترة أطول بكثير من 30 عامًا، يمكن إعادة تدويرها عن طريق كسر الزجاج.

ذلك من د. ويقول المشروع الذي يقوده ديفيد يونغ إنه إذا تم قبول المقترحات، فيمكننا أن نرى نسخة تجارية من مجلس الإدارة في غضون عامين إلى ثلاثة أعوام. وأضاف أن الصلابة التي يتم تحقيقها عن طريق اللحام قوية ومقاومة للماء مثل الألواح ذات طبقات البوليمر. لسوء الحظ، بحلول ذلك الوقت سيكون لدينا عقود عديدة من اللوحات المصنوعة باستخدام النظام القديم والتي سيتعين علينا التعامل معها. وإلى أن نحصل على طريقة فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير لإعادة تدويرها، فإن الإجابة على السؤال “ماذا يحدث للألواح الشمسية عندما تنكسر؟”