Mặt trái của năng lượng tái tạo: Các tấm năng lượng mặt trời và chất thải độc hại từ chúng

Thế giới đang nỗ lực không ngừng tìm kiếm năng lượng bền vững, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Trong số những chiến lược ấy thì công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo từ pin mặt trời vẫn đang là chủ đề nhận được nhiều sự chú ý nhất.

Được truyền thông rộng rãi là vật liệu bền vững, an toàn, thân thiện với môi trường, những tuyên bố như vậy thường bỏ qua những thiệt hại thực sự gây ra thông qua việc sản xuất và sử dụng công nghệ này. Cũng giống như các tua bin gió, các tấm pin mặt trời có thể tồn tại những “góc khuất” chưa được công bố. Tuy nhiên điều này không có nghĩa là cần loại bỏ các tấm pin mặt trời mà là nhìn lại một cách trung thực, thực tế hơn về vật liệu này.

Các nhà môi trường ủng hộ năng lượng hạt nhân đã đưa ra các con số so sánh về năng lượng mặt trời cũng như năng lượng hạt nhân. Theo đó, họ đã chỉ ra các tấm pin mặt trời (trong vòng đời của nó) có thể tạo ra lượng chất thải độc hại trên một đơn vị năng lượng gấp 300 lần so với các nhà máy điện hạt nhân.

Giả thiết đặt ra, nếu trong vòng 25 năm, các tấm pin mặt trời (Photovoltaic – PV) và các nhà máy điện hạt nhân đều cùng sản xuất ra một lượng năng lượng, sẽ có sự khác biệt lớn về lượng chất thải. Nếu lấy chất thải của hai dạng năng lượng này thì chất thải từ hạt nhân chỉ có chiều cao tương đương tháp nghiêng Pisa trong khi chất thải từ năng lượng mặt trời tương đương với chiều cao của hai ngọn núi Everest.

Tất nhiên, bản chất của chất thải được tạo ra giữa hai loại là khác nhau, nhưng không thể bỏ qua số lượng chất thải từ sau quá trình sản xuất. Vì vậy, hãy nhìn lại vòng đời của một tấm pin mặt trời từ “phôi thai” cho đến khi “hết hạn sử dụng” để đánh giá khách quan hơn.

Vật liệu nào làm nên pin mặt trời?

Giống như mọi loại vật chất, để sản xuất nên pin mặt trời đều cần nguyên liệu thô. Đối với pin mặt trời, có nhiều vật liệu để cấu thành nên nhưng chủ yếu từ loại silicon đặc biệt. Đây là vật liệu phong phú nhất trên Trái đất. Trong hầu hết trường hợp, nguồn silicon thô ở dạng silicon dioxide hay còn gọi là silica.

Silica, tương tự như amiăng, chúng có thể tiềm ẩn nguy cơ sức khỏe nếu con người hít phải các hạt nhỏ này như bệnh bụi phổi silic. Cũng như bệnh bụi phổi amiăng, bụi phổi silic có thể gây suy phổi và tử vong.

Trong khi sản xuất pin mặt trời, silica cần được tinh chế thành dạng tinh khiết hơn như silicon cấp luyện kim. Điều quan trọng cần lưu ý là vật liệu này được sử dụng cho nhiều thành phần điện nhưng là thành phần chính trong sản xuất bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Quá trình sản xuất loại silicon này diễn ra trong các lò nung khổng lồ, tiêu tốn nhiều năng lượng để duy trì hoạt động. Trong hầu hết trường hợp, năng lượng được cung cấp thông qua quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trực tiếp hoặc các trạm phát điện cung cấp cho lưới điện. Điều này đặc biệt đúng với những quốc gia vẫn phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch để sản xuất điện. Mặc dù khoản đầu tư năng lượng này sẽ được “hoàn vốn” trong suốt thời gian tồn tại của các tấm pin mặt trời nhưng khoảng thời gian này phụ thuộc trực tiếp vào phép đo được gọi là giá trị cường độ Carbon.

Giá trị này là đo lượng CO2 trên mỗi kilowatt giờ điện thải ra. Giá trị này có thể thay đổi theo từng quốc gia, với những nơi như Trung Quốc thì giá trị cao gấp đôi so với Hoa Kỳ. Nếu các tấm pin mặt trời được sản xuất và lắp đặt ở Trung Quốc thì việc “hoàn vốn” tương đối nhanh chóng nhưng khi nếu được sản xuất ở Trung Quốc và đưa đến Mỹ lắp đặt thì việc hoàn vốn sẽ lâu hơn (ngay cả khi không tính đến lượng khí thải ra trong quá trình vận chuyển). Nếu các tấm PV được sản xuất bằng cách sử dụng điện carbon thấp thì việc hoàn vốn nhanh hơn nhiều.

Bản thân quá trình sản xuất silic cấp luyện kim cũng tạo ra nhiều khí độc hại như SO2, N20, CO2… Mặc dù phát thải ở mức độ tương đối thấp nhưng việc sản xuất ở mức độ tương đối thấp nhưng nếu sản xuất với quy mô lớn có thể tạo ra đáng kể lượng chất này (ví dụ như mưa axit…)

Tuy nhiên, đây chỉ là bước khởi đầu để làm bảng điều khiển mới, silicon cấp luyện kim này cần được xử lý thêm. Chúng có thể kết hợp với axit clohydric để tạo thành trichlorosilane, tiền chất chính của silicon siêu tinh khiết trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Silicon cấp luyện kim cũng được phản ứng với hydro để tạo thành các dạng trung gian của silicon như polysilicon và silicon tetrachloride, với tỷ lệ khoảng 1:3. Phản ứng sau xảy ra rất độc hại.

Đối với nhiều nhà sản xuất cẩn thận hơn, các sản phẩm phụ có thể được tái chế để thu hồi silicon cho sản xuất trong tương lai nhưng trong hầu hết trường hợp này, sản phẩm này đều bỏ đi. Nếu silic tetraclorua phản ứng với nước có thể giải phóng axit clohydric, rõ ràng không tốt cho môi trường.

Trong khi các quốc gia như Mỹ, Anh hay các quốc gia thuộc Liên Minh châu Âu có những tiêu chuẩn môi trường khắt khe thì thị trường tại nước châu Á lại ít coi trọng hơn.

Trên thực tế, trong cuộc điều tra được đăng tải trên tờ Washington Post năm 2008 cho thấy một cơ sở sản xuất polysilicon của Trung Quốc chỉ đơn giản là đổ chất thải tetraclorua sang cánh đồng lân cận thay vì đưa qua hệ thống xử lý chất thải cần thiết. Điều này đã vấp phải sự phản đối kịch liệt từ quốc tế và chính phủ Trung Quốc đã đặt ra tiêu chuẩn yêu cầu ít nhất 85% lượng chất thải này phải được tái chế. Tuy nhiên, việc thực hiện và kiểm soát đến nay vẫn còn là dấu hỏi.

Tác động đến môi trường 

Việc sản xuất pin mặt trời không dừng lại ở đó, để chế tạo bảng điều khiển năng lượng mặt trời còn cần thêm một số bước như đúc khuôn polysilicon sau đó tạo thành các tấm mỏng. Các tấm silicon mỏng sau đó được pha trộn với nhiều chất như gali, cadmium, asen, antimon, bitmut, lithium, v.v., để có thể tạo hiệu ứng quang điện. Hầu hết trong số này theo đúng nghĩa của chúng đều có khả năng nguy hiểm cho môi trường.

Quá trình này cũng cần sử dụng phosphoryl clorua có độc tính cao và khả năng ăn mòn lớn. Không chỉ vậy, các bước này còn sử dụng nhiều hóa chất nguy hiểm hơn, trong đó có axit flohydric. Đây là một trong những loại axit mạnh nhất trên thế giới và rất nguy hiểm nếu không được xử lý đúng cách.

Hiện nay có thể thay thế axit flohydric bằng natri hydroxit nhưng hóa chất này cũng có những vấn đề cố hữu của riêng nó. Tuy nhiên chúng có thể dễ dàng xử lý hơn nếu gặp tai nạn.

Sản xuất bảng PV còn tiêu tốn rất nhiều nước. Nước được sử dụng cho nhiều mục đích trong quá trình, từ làm mát, xử lý hóa chất cũng như ngăn chặn ô nhiễm không khí. Để cung cấp cho bạn một cái nhìn sơ bộ về lượng nước sử dụng thì cứ 230 – 550 megawatt có thể “ngốn” tới 1,5 tỷ lít nước để kiểm soát bụi trong quá trình sản xuất. Họ cũng có thể sử dụng đến 26 triệu lít nước hàng năm để rửa bảng điều khiển trong quá trình hoạt động.

Tuy nhiên, điều quan trọng cần chú ý là so với lượng nước dùng để làm mát nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay điện hạt nhân thì con số này vẫn nằm ở mức có thể chấp nhận.

Pin mặt trời có nguy hiểm đến môi trường trong suốt vòng đời của chúng?

Điện năng được chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời có thể coi là “xanh” nhưng có một số mặt trái khi đặt các tấm bảng điều khiển ngoài môi trường.

Ví dụ như việc lắp đặt tấm pin mặt trời quy mô lớn cần nhiều không gian. Điều này có thể tác động đến hệ sinh thái địa phương trong thời gian ngắn nhưng cũng có thể ảnh hưởng lâu dài đến môi trường sống của các loài động thực vật bản địa.

Việc giải phóng mặt bằng quy mô lớn để lắp đặt tấm pin mặt trời thường dẫn đến việc nén chặt đất và thay đổi các kênh thoát nước tự nhiên. Nếu không có các thảm thực vật tự nhiên thì có thể dẫn đến sự gia tăng xói mòn đất và nước chảy trên bề mặt. Cũng giống như nạn phá rừng, điều này có thể gây hại cho hệ sinh thái địa phương về lâu dài.

Như đã đề cập, một số công trình lắp đặt điện mặt trời đang hoạt động có thể cần đến lượng nước lớn để làm sạch hoặc làm mát. Nếu lượng nước ngầm hoặc nước mặt bị tiêu tốn nhiều sẽ tác động trực tiếp đến môi trường.

Ngoài ra, các tấm pin mặt trời chó chứa một số chất lỏng khá nguy hiểm để truyền nhiệt từ bảng điều khiển. Một số khác, hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời quy mô gia đình thường sử dụng chất chống đông có độc tính thấp như polypene glycol. Những đường ống, máy bơm hay các thiết bị phụ trợ khác có thể bị hỏng theo thời gian dẫn đến rò rỉ các chất lỏng ra môi trường và có thể gây hại.

Điều gì xảy ra với các tấm pin mặt trời cũ?

Theo nghiên cứu, hầu hết các tấm pin mặt trời có tuổi thọ khoảng 25 năm hoặc lâu hơn. Khi hết hạn sử dụng, cần phải loại bỏ và thay thế mới. Nhưng các tấm pin mặt trời cũ sẽ đi về đâu? Chúng có an toàn để vứt bỏ và có được tái chế hay không?

Các tổ chức như Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) đã dự đoán đến năm 2050 có khoảng 78 triệu tấn tấm pin mặt trời sẽ hết tuổi thọ. Sẽ cần phải làm gì với lượng rác thải khổng lồ này?

Mặc dù hầu hết các thiết bị điện tử đều được tái chế một cách an toàn nhưng những chất độc hại từ pin mặt trời sẽ trở nên đáng lo ngại hơn nếu không tìm được giải pháp tối ưu. Nếu không biết cách tái chế thì chúng đơn giản là kết thúc vòng đời của mình tại… bãi rác.

Một trong những vấn đề làm phức tạp các nỗ lực tái chế là các tế bào năng lượng mặt trời thường được bao bọc trong nhựa và nằm giữa thủy tinh và một tấm nền. Tuy không khó để thảo rời nhưng chúng cần thời gian và công sức để tái chế.

Một số phương pháp tái chế vẫn còn tồn tại và được hỗ trợ bởi một số khuôn khổ quy định các tấm pin mặt trời phải được tái chế thay vì bỏ đi nhưng các phương pháp này hiện không phải là cách xử lý thân thiện nhất với môi trường.

Ví dụ, tại một cơ sở xử lý rác thải điện tử điển hình, các tấm pin mặt trời được tước vỏ khung nhôm và hộp nối để thu lại kim loại bên trong. Tuy nhiên, phần còn lại của bảng điều khiển như tế bào năng lượng nằm trong các lớp nhựa ethylene-vinyl axetat (EVA) và kính lại khó gia công hơn nhiều.

Vì lý do này, phần còn lại của các tấm pin (thủy tinh, polymer và pin mặt trời) thường được cắt nhỏ một cách đơn giản mặc dù chúng được phủ trong các điện cực bạc và được hàn bằng thiếc và chì. Vì phần lớn khối lượng của vật liệu này là thủy tinh nên chúng sẽ được nghiền thành một dạng thủy tinh không tinh khiết.

Loại thủy tinh này thường không được tái chế thêm vì chúng đã chứa nhựa, chì, cadmium và antimon, có thể gây hại cho môi trường nếu rò rỉ ra bên ngoài.

Các tấm pin mặt trời có thể được tái chế không?

Chỉ một phần nhỏ tấm pin mặt trời được tái chế nhưng mọi thứ đang thay đổi nhanh chóng. Cần lưu ý, để tái chế các tấm pin mặt trời sẽ cần đến chi phí. Ở Mỹ, để tái chế toàn bộ toàn bộ bảng điều khiển cần đến 12-25 đô la, bao gồm cả phí vận chuyển. Mặt khác, muốn vứt một bảng điều khiển cũ đi thì chỉ mất chưa đầy 1 đô la (tùy vào tiểu bang). Rõ ràng không có lợi ích tài chính để tái chế các tấm pin mặt trời này.

Tuy nhiên, nhiều công ty đã đưa ra những phương án tái chế pin mặt trời hiệu quả.

Trong các tấm pin mặt trời có các vật liệu giá trị như bạc và silicon. Nếu giá cả phù hợp thì có thể đáng đầu tư thời gian để tái chế hiệu quả các tấm PV cũ. Như công ty Veolia có trụ sở tại Pháp đang làm. Công ty này đã phát triển nhà máy tái chế PV silicon quy mô thương mại duy nhất trên thế giới. Họ lấy các tấm pin cũ, mài chúng sau đó đưa vào xử lý chất thải bằng kỹ thuật quang học đặc biệt để thu hồi silicon có độ tinh khiết thấp.

Bên cạnh đó, một nhóm nghiên cứu do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia đang nghiên cứu cách tái chế các tấm PV để chiết xuất kim loại và khoáng chất ở dạng tinh khiết cao. Họ hi vọng điều này sẽ làm cho việc tái chế bảng PV thực sự hiệu quả về kinh tế cũng như thân thiện với môi trường.

Một ví dụ khác từ We Recycle Solar có trụ sở tại California, họ đã phát triển công nghệ đặc biệt để chiết xuất càng nhiều vật liệu có giá trị từ các tấm pin năng lượng mặt trời càng tốt. Kể từ khi thành lập cách đây 5 năm, công ty này đã tái chế hàng nghìn tấm pin năng lượng từ các hộ gia đình, doanh nghiệp và trang trại. Giống như các công ty khác, họ loại bỏ khung nhôm và hệ thống dây điện sau đó cắt nhỏ phần còn lại của bảng điều khiển và đưa vào quá trình xử lý hóa học đặc biệt, điện phân và quy trình bổ sung. Quá trình này cho phép tách riêng kim loại, silicon và thủy tinh, đồng thời giảm đáng kể lượng vật liệu không thể tận dụng từ pin mặt trời, giảm đáng kể nhu cầu về bãi chôn lấp.

Một công ty khác, Echo Environmental cũng thực hiện quy trình xử lý ban đầu tương tự với các tấm pin mặt trời đã qua sử dụng. Tuy nhiên không giống như các công ty khác, họ đưa phần còn lại của tấm pin vào loạt quy trình phay để tách ra một phần thủy tinh sạch, sau đó có thể được bán sử dụng trong cách nhiệt sợi thủy tinh hoặc sơn phản chiếu. Phần còn lại được trộn với các mạch vụn khác để nấu chảy.

Một công ty khác Lotus Energy có trụ sở tại Úc đã phát triển phương pháp tái chế gần như 100% các tấm pin mặt trời cũ. Hơn nữa quá trình này không sử dụng hóa chất. Quá trình này có thể tạo ra nhôm cao cấp, bụi silica cao cấp, đồng, PVC và bạc. Các pin silica cũng có thể được tái sử dụng.

Các tấm pin mặt trời có thể tái sử dụng hoặc bán lại không?

Một hướng giải quyết chất thải này là tìm cách tái sử dụng thay vì tái chế hoặc đổ bỏ. Vì các tấm pin mặt trời có thể có giá trị hơn so với các bộ phận cấu thành nên chúng. Ví dụ như liệu các tấm pin mặt trời này có thể được tái sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe đạp điện hay không hoặc được “chế lại” và bán?

Trên thực tế, việc này sẽ phải đi kèm với những lời cảnh báo. Giống như thị trường buôn bán điện thoại cũ đã qua sử dụng đến các nước đang phát triển, một số quốc gia không có hoặc quy định về rác thải điện tử lỏng lẻo sẽ trở thành “bãi phế liệu” cho các quốc gia phát triển. Đây đơn thuần là việc đẩy vấn đề từ nơi này sang nơi khác, không phải là giải pháp đối phó triệt để.

Một vấn đề kép khác với việc bán lại các tấm pin mặt trời cũ lại lần nữa là tài chính. Thị trường PV đã đa dạng nên sẽ có nhiều chương trình giảm giá đáng kể khi mua mới. Chỗ đứng cho việc bán lại pin mặt trời hầu như rất khó.

Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ, chi phí trung bình của mỗi mô đun PV xuất xưởng năm 2019 (dữ liệu gần nhất) là 41 xu cho mỗi watt điện được tạo ra ở hiệu suất cao nhất. 10 năm trước mức trung bình tới 2,79 đô la cho mỗi watt đỉnh.

Nếu phải bỏ tiền đắt thêm một chút nhưng sở hữu hiệu quả cao đáng kể, người tiêu dùng chắc chắn sẽ lựa chọn phương án này thay vì mua lại một bảng điều khiển pin mặt trời cũ.

Một vấn đề khác là ưu đãi tài chính thường đi kèm với việc mua và lắp đặt các tấm pin mặt trời mới như giảm 26% phí lắp đặt PV mới trong khi rất ít chương trình dành cho các tấm pin cũ đã qua sử dụng.

Làm gì để đối phó với vấn đề rác thải điện mặt trời sắp tới?

Đã có nhiều chiến lược đề ra để chống lại “cuộc khủng hoảng” chất thải năng lượng mặt trời. Từ cách tái chế 100% các tấm cũ đến tiềm năng tái sử dụng hoặc thay thế các tấm cũ, vấn đề thực sự nằm ở chỗ nỗ lực và đưa ra ý tưởng nhiều hơn nữa.

Phương án tốt nhất nên là tái cấu trúc mục đích, lắp đặt các tấm cũ hơn vì chi phí môi trường đã được chi cho các đơn vị này. Nếu các ưu đãi được dành cho các tấm pin cũ hoặc có nhiều lợi ích khác từ việc lắp đặt các tấm mới thì sẽ tạo được thị trường lành mạnh cho pin năng lượng mặt trời.

Cho đến lúc đó, chính phủ có thể ban hành nhiều luật bắt buộc phải tái chế hoàn toàn các tấm pin cũ, thay vì đưa thẳng đến bãi rác. Miễn là việc tái chế mang lại lợi nhuận, điều này sẽ giúp giảm đáng kể chi phí môi trường khi chiết xuất và xử lý nguyên liệu thô.

Ngoài ra, có thể khai thác hướng đi mới như tấm pin năng lượng mặt trời silicon dựa trên graphene, tấm pin mặt trời hữu cơ hoặc tấm màng mỏng hơn. Dù là gì đi nữa, nếu muốn pin năng lượng mặt trời thật sự xanh thì từ khâu sản xuất và tái chế nên được thực hiện một cách “xanh” hơn.

Dịch: Vũ Hương | Nguồn: Interesting Engineering

XEM THÊM

• Foster + Partners không đồng tình với báo cáo khí hậu của RIBA vì “sai lệch” so với hiệp ước toàn cầu
• Tương lai của nhà ở bền vững tại Nhật Bản: Phát triển mô hình Net-Zero
• Sống bền vững và mối quan hệ giữa Con người – Thiên nhiên – Kiến trúc