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Metodi innovativi per il riciclo di moduli fotovoltaici a fine vita

Con il notevole aumento della produzione di energia da fonte solare che si è avuto negli ultimi dieci anni in Europa ed in particolare in Italia, è cresciuta la sensibilità da parte dell’opinione pubblica nei confronti delle problematiche legate allo smaltimento dei rifiuti fotovoltaici.
L’EPIA (European Photovoltaic Industry Association) e PV Cycle (consorzio europeo per il ritiro e recupero dei moduli fotovoltaici) stimano che in Europa dal 2030 in poi ci saranno oltre 10.000 tonnellate all’anno di rifiuti fotovoltaici da smaltire in un crescendo che porterà ad avere dal 2040 in poi oltre un milione di tonnellate di moduli da smaltire ogni anno [1] [2].
Nel presente lavoro di tesi sono state esaminate due nuove metodiche per il disassemblaggio di un modulo fotovoltaico nelle sue parti costituenti, attualmente in fase di studio e perfezionamento.
Il primo approccio sviluppato dal Laboratorio di Elettrotermia del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova [4] consiste nel trattamento di un modulo fotovoltaico con un campo elettrico alle radiofrequenze al fine di generare al suo interno riscaldamento dielettrico e permettere cosi il distacco manuale del vetro di protezione ed il recupero delle celle solari intatte. Lo studio della metodica, in questo lavoro di tesi, viene condotto attraverso una simulazione numerica con il software CST Microwave Studio che riproduce le condizioni sperimentali dell’Università di Padova.
Il secondo approccio, descritto in un articolo del 2011 da alcuni ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Energetica dell’Università Nazionale di Kangwon in Corea [5], consiste nella dissoluzione dell’EVA all’interno di un modulo fotovoltaico immerso in solventi organici e sottoposto a trattamento ultrasonico. Per lo studio di questa seconda metodica, nel presente lavoro di tesi, sono stati effettuati test sperimentali presso i laboratori dell’ENEA di Portici, durante i quali è stato possibile osservare i diversi effetti sull’EVA al variare della densità di potenza di radiazione ultrasonica, concentrazione e tipo di solvente e tempo di irraggiamento.
Nel Capitolo 1, dedicato ai dispositivi fotovoltaici e al problema del loro smaltimento, vengono descritti il principio di funzionamento di una cella solare e i passaggi fondamentali per la produzione di un pannello solare. Infine viene effettuata una rapida panoramica dello stato dell’arte in Europa relativo al problema del riciclaggio di moduli.
Nel Capitolo 2 viene presentata una descrizione teorica delle due metodiche oggetto di studio, e cioè delaminazione con riscaldamento dielettrico e dissoluzione dell’EVA tramite l’uso degli ultrasuoni in solventi organici. Quindi vengono descritti gli apparati sperimentali utilizzati dai due gruppi di ricerca e i risultati sperimentali da loro ottenuti.
Nel Capitolo 3 vengono descritti il modello elaborato per la simulazione numerica effettuata mediante un codice di calcolo dedicato (CST Microwave Studio) e l’apparato sperimentale utilizzato all’ENEA. Infine, vengono presentati e discussi i risultati ottenuti che confermano la fattibilità dell’impiego delle due tecniche proposte in letteratura e che possono rappresentare una base per il loro futuro trasferimento tecnologico.

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2 INTRODUZIONE Con il notevole aumento della produzione di energia da fonte solare che si è avuto negli ultimi dieci anni in Europa ed in particolare in Italia, è cresciuta la sensibilità da parte dell’opinione pubblica nei confronti delle problematiche legate allo smaltimento dei rifiuti fotovoltaici. L’EPIA (European Photovoltaic Industry Association) e PV Cycle (consorzio europeo per il ritiro e recupero dei moduli fotovoltaici) stimano che in Europa dal 2030 in poi ci saranno oltre 10.000 tonnellate all’anno di rifiuti fotovoltaici da smaltire in un crescendo che porterà ad avere dal 2040 in poi oltre un milione di tonnellate di moduli da smaltire ogni anno [1] [2]. La Comunità Europea ed i singoli stati membri sono impegnati a regolamentare tempi e modalità di intervento mentre il mondo scientifico da qualche anno è interessato allo sviluppo di processi industriali di recupero altamente efficienti. In questo contesto si inserisce il presente lavoro di tesi durante il quale è stato affrontato il problema dello smaltimento e riciclo dei moduli fotovoltaici dismessi con l’obiettivo di individuare processi chimico-fisici di trattamento e recupero originali che abbiano il minimo impatto ambientale ed economico. L’80% dei moduli fotovoltaici installati fino alla fine del 2012 si basa su tecnologia al silicio cristallino e tali moduli sono costituiti da uno strato di celle solari racchiuse tra due strati di sigillante plastico (generalmente Etil Vinil Acetato) sul quale vengono fissati il vetro di protezione anteriore e lo strato plastico di protezione posteriore (generalmente Polivinilfluoruro - Tedlar). Questa struttura a “sandwich” è infine racchiusa in una cornice di profilati metallici. In un pannello solare, oltre a materiali come il vetro, l’alluminio ed il silicio, troviamo anche discrete quantità di argento, rame e stagno, usati per la realizzazione dei contatti metallici sui quali viene raccolta l’energia elettrica prodotta per effetto fotoelettrico. Il recupero in alte percentuali di tutti questi materiali oltre ad offrire la possibilità di ridurre di un terzo i costi di produzione dei nuovi dispositivi fotovoltaici con il riutilizzo delle materie prime recuperate [3], riduce notevolmente la quantità di rifiuti smaltiti in discarica. Oggi in Europa, le circa 3000 tonnellate annue di moduli fotovoltaici scartati perché difettosi o danneggiati durante le operazioni di trasporto e installazione, vengono smaltite nella maggior parte dei casi o attraverso frantumazione e deposito in discarica o con processi di incenerimento dai cui residui, grazie ad un processo chimico vengono recuperate piccole percentuali di silicio e metalli preziosi. Nel presente lavoro di tesi sono state esaminate due nuove metodiche per il disassemblaggio di un modulo fotovoltaico nelle sue parti costituenti, attualmente in fase di studio e perfezionamento. Il primo approccio sviluppato dal Laboratorio di Elettrotermia del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Padova [4] consiste nel trattamento di un modulo fotovoltaico con un campo elettrico alle radiofrequenze al fine di generare al suo interno riscaldamento dielettrico e permettere cosi il distacco manuale del vetro di protezione ed il recupero delle celle solari intatte. Lo studio della metodica, in questo lavoro di tesi, viene condotto attraverso una simulazione numerica con il software CST Microwave Studio che riproduce le condizioni sperimentali dell’Università di Padova.

Laurea liv.I

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Domenico Minicozzi Contatta »

Composta da 42 pagine.

 

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