Ecco come riciclare in modo efficiente i pannelli fotovoltaici

I ricercatori del MUSAM studiano un nuovo modello per simulare l’energia richiesta da nuovi metodi di riciclo.

Pannelli fotovoltaici SPL/AGF

A dicembre del 2020, risultavano installati in Italia quasi un milione di impianti fotovoltaici, per una potenza di oltre 21mila megawatt secondo il dato riportato dal Gestore servizi energetici, ovvero circa tre volte la potenza complessiva delle centrali energetiche a carbone sul territorio nazionale. Ma il numero di impianti installati è destinato a salire ancora, in tutto il mondo.
Se da un lato la diffusione del fotovoltaico può essere vista come un passo in avanti per la transizione verso fonti di energia rinnovabile e l’indipendenza energetica, dall’altro smaltire un grande numero di pannelli al termine della loro vita operativa può rappresentare un problema. 

A lanciare l’allarme, già nel 2016, è stato un rapporto dell’International Renewable Energy Agency, organizzazione intergovernativa per la promozione dell’energia pulita. Secondo l’agenzia, nei prossimi anni arriverà il momento di smantellare molti degli impianti montati all’inizio degli anni 2000, dato che il loro tempo di funzionamento è proprio di circa 25-30 anni.

Quello che succede oggi è che, al termine del loro uso, i pannelli vengono solitamente sottoposti alla frantumazione dei materiali per ridurne via via le dimensioni, così da separarne le componenti recuperabili: un processo industriale che comporta dispendio di energia e denaro. I ricercatori della Scuola IMT Alti Studi Lucca sono al lavoro per studiare un metodo alternativo per riciclare in maniera più efficiente i pannelli fotovoltaici.

Pelare gli strati

Uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Engineering Fracture Mechanics da ricercatori del laboratorio MUSAM della Scuola IMT mette in evidenza i vantaggi di un’altra tecnica, il cosiddetto peeling, che prevede la separazione dei diversi strati che compongono i pannelli. La complessità del loro riciclo dipende infatti dalla composizione dei moduli, formati normalmente da diversi materiali: uno strato di vetro temperato in superficie, le celle solari in silicio che convertono l’energia della luce solare in elettricità, e uno strato posteriore. Le celle solari sono inoltre rivestite da entrambi i lati da un ulteriore strato, composto di solito da materia plastica (etilene vinil acetato o EVA), che tiene insieme i diversi componenti e li protegge dalle condizioni ambientali esterne.

Strati che compongono un modulo fotovoltaico (da Z. Liu et al.)

Simulazioni numeriche

I ricercatori hanno messo a punto un metodo di simulazione numerica che permette di calcolare la quantità di energia richiesta per il processo di peeling tenendo conto delle condizioni ambientali. In base alle simulazioni, l’energia necessaria per utilizzare questa tecnica è di addirittura circa cento volte inferiore all’energia richiesta per la frantumazione. Per arrivare a questo risultato, i ricercatori hanno innanzitutto calcolato con un nuovo approccio come la forza che tiene insieme gli strati diminuisca a causa dell’umidità e della temperatura. Hanno così potuto constatare che l’adesione diminuisce con l’aumentare dell’umidità, della temperatura e del tempo di esposizione a questi agenti esterni. “Il modello ci consente di predire il comportamento dei materiali che compongono i pannelli. In questo modo possiamo progettare virtualmente nuovi modelli di riciclo, ottenendo predizioni accurate senza la necessità di condurre esperimenti costosi”, spiega Zeng Liu, dottorando del progetto NewFrac presso l’unità di ricerca MUSAM e tra gli autori dello studio. Per un pannello a fine vita in una regione calda e umida, per esempio, il peeling dovrebbe risultare ancora più conveniente, richiedendo una minore energia per separare gli strati. Il polimero EVA, infatti, degrada le sue proprietà adesive più rapidamente nel tempo in questo genere di condizioni ambientali. Le simulazioni numeriche hanno dimostrato chiaramente che il processo di pelatura, non conveniente per un pannello nuovo e quindi sinora non introdotto nelle fasi di riciclo, risulta facilitato dal degrado chimico-fisico dello strato di EVA dopo 25-30 anni di vita.

Il futuro del fotovoltaico

Un riciclo efficiente dei pannelli fotovoltaici può significare un’importante riduzione delle emissioni di carbonio e dei consumi di energia nel mondo. “Finora è stata prestata molta attenzione alla produzione di moduli fotovoltaici rispettosi dell’ambiente, ma gli sforzi focalizzati in modo specifico sul trattamento dei prodotti a fine vita sono ancora limitati”, osserva Marco Paggi, professore in scienza delle costruzioni alla Scuola IMT e direttore del laboratorio MUSAM. “Il riciclaggio non solo è un modo efficace per impedire che le sostanze tossiche e pericolose nei prodotti fotovoltaici entrino nelle falde acquifere e nel suolo, causando così effetti biochimici negativi sull’ambiente, ma permette di conservare materiali metallici preziosi come argento, germanio, cadmio oltre che materiale puro ad alta intensità energetica come i wafer di silicio. In prospettiva, poi, il riciclaggio del fotovoltaico potrebbe dare origine a una nuova filiera industriale sul territorio italiano, essendo il nostro paese tra i primi sei al mondo per installazioni fotovoltaiche, impianto che inevitabilmente dovranno essere ricondizionati e riciclati a fine vita.”

Una dimostrazione della ricerca sul fotovoltaico alla Scuola IMT per il grande pubblico durante la manifestazione “La Notte dei Ricercatori”

L’approccio di simulazione matematica proposto dai ricercatori apre la strada a nuove ricerche sul peeling e sul processo d’invecchiamento dei moduli. Ad esempio, futuri studi potrebbero andare a investigare la quantità di energia richiesta per il peeling in condizioni ambientali dinamiche, considerando le differenze di temperatura a livello giornaliero e stagionale. In generale, un approccio come quello proposto potrebbe essere utile al mercato nel momento in cui, come a breve accadrà, si presenta la prospettiva di riciclare in modo sostenibile una grande quantità di impianti.

Marco Maria Grande

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