此篇報導為與工商時報合作,並刊載於<太陽能板廢棄回收與再利用技術觀點

2020年06月01日
國立臺南大學綠色能源技術學系教授 傅耀賢
國立臺南大學綠色能源技術學系碩士 洪嘉聰
國立臺南大學綠色能源技術學系碩士 劉眞誠

一、全球能源需求展望
現今全球環保意識高漲,驅使裝設再生能源成為改善氣候變遷的重要目標。太陽能因此成為各國推動綠色能源的主力,全球太陽能板裝置容量不斷增加,平均太陽能板汰換約在裝置完成20年後,略估2030年後將處理大量太陽能板廢棄物,因此發展太陽能板廢棄回收再利用有其重要性。

按國際能源總署(IEA)於2019年11月13日在巴黎總部發佈《世界能源展望2019》[1],預測在2040年前全球能源需求將以每年1.3%的速度增長,表示能源需求依舊強勁增長,其中以太陽能為首的低碳能源將佔一半以上的增長量。

太陽能板的使用壽命有限,原則上使用20年後也能保有超過80%的功率輸出,但礙於生產工藝及材料品質缺陷,市場上僅提供10年的有限產品保固,按國際再生能源機構(IRENA)的預測,若以25年使用年限評估其報廢趨勢,全球預計至2043年,當年所產生之廢舊太陽能板,將會超過新裝設數量,達到437.9GW[2](關於GW請參考:能源名詞解釋1),且至2050年全球廢舊太陽能光電板累計將達到91262.6萬噸。

二、國際發展趨勢
歐盟的太陽能發展起步較其他國家早,亦需較早面對處理廢舊太陽能板的問題,於2012年採用「生產者責任延伸」精神,將廢舊太陽能板回收再處理規範明確納入廢電機電子設備指令(Directive on Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE),現已達95%的回收率。全球第一家專門回收再處理太陽能板的工廠,由隸屬歐盟的太陽能板循環(PV CYCLE)組織與威立雅環保集團(VEOLIA)合作於2018年在法國設立,預計到2021年產能可達到年處理量4萬噸,但以現行規模無法應付未來龐大的廢棄量,需有更積極的回收機制來因應。

三、我國現況
臺灣太陽能政策陸續以「陽光屋頂百萬座」、「太陽光電2年推動計畫」、「綠能屋頂全民參與行動計畫」等計畫鼓勵裝設太陽能板,2018年更通過「再生能源發展條例修正草案」,將2025年再生能源佔發電比20%的目標入法,其中太陽能規劃累積總裝置容量達到20GW。

經濟部也在2020年5月28日的新聞澄清中[3]說明,政府這四年來推動能源轉型已有初步成果,截至今2020年3月,太陽光電裝置容量已達4.3GW,較 2016年1.2GW增加3.1GW,發電量從11 億度大幅成長至40 億度。

回收處理體系由環保署、經濟部能源局、太陽光電產業協會聯手推動。能源局於2019年起就向光電設備設置者預收每kW1000元的回收處理費;環保署建立相關處理體系與稽核;回收工作則由太陽光電產業協會負責,查核每一片的模組序號符合案場設備登記後,安排符合清運與處理資格的業者回收處理。環保署預估,目前一般汰換或因天災產生的廢棄物約占當前設置量0.5%左右。全面更新的汰換潮則將使太陽能板廢棄物在2023年後達1萬噸,2035年達10萬噸。雖然目前回收處理量並不高,但廢太陽能板被惡意棄置重創產業形象,讓能源局、環保署、業者加速建置回收處體系。

太陽光電產業協會秘書長姜暤先表示,目前符合可清除、處理「廢棄物代碼為D-2528的裝置使用後廢棄之太陽能板」共三家,分別是金益鼎、東鋐國際、世裕金屬,預計近日會再增加2-3家。太陽光電產業協會將優先選擇回收再利用率高廠商,例如,能進行分解回收的廠商就會比用掩埋處理的廠商更好。[4]

姜秘書長解釋,第一批的光電廢棄物是老舊汰換的光電板,屬早期產品,重量較重。處理方式是先拆解鋁框跟接線盒,由台灣再處理,其餘粉碎後運送到日本處理。粉碎物在鑄銅過程中可進一步分離出貴重金屬與其他物質,作為煉銅的造渣劑。由於國內沒有煉銅業,才選擇運送日本。未來在台灣處理,會有不同的做法。[5]

考量臺灣位處天然災害高風險地區,環保署以使用壽命20年進行廢舊量評估,其將於2050年累積產生高達161.4萬噸的廢舊太陽能光電板,若以太陽能板循環組織與威利雅環保集團合作工廠的產能則需404年才能完成處理,若未能提供有效的廢棄太陽能板回收再處理解決方案,則將來的太陽能必定會扼殺於其廢棄物問題之下。

四、現行技術發展
從國際能源總署於2018年發表報告[6]乃至於現行商轉的技術,最終仍以燃燒分解膠合層拆解太陽能板。然而以燃燒方法能耗大,亦造成材料損耗與空氣污染,若未完全去除用於強化太陽能板環境耐受性的塑膠薄膜(PVDF)亦會形成具環境毒性的氟碳化合物,導致回收物料交互汙染,僅具「降級回收」價值,綜觀其技術發展充其量只達「垃圾減量」的目的,依據現有技術的開發並未充分利用太陽能板材料對於環境耐受高的特性。

五、 研究創新性
我們以「循環經濟」為中心,太陽能板「完全回收Total Recycle」為出發點,開發「廢棄太陽能板完全回收再處理的循環經濟方案技術與設備開發」,其技術框架是以物理方法破壞不同材料間接面的親和力,來拆解太陽能板,不破壞材料。我們以溫度使膠合層物理型態改變,降低其親和力達到拆解玻璃與背板目的;利用熱固性塑膠受外力之行為差異,來分離電池片與膠合層,該技術涉及之溫度範圍在膠合層「Tc溫度」以下,具有高產率與低能耗特點,全製程不需使用化學溶劑,較無二次汙染之隱患,兼具節能與環保,最小化回收成本,延續物命,達到永續循環發展的綠能目標。此研究成果已進入量產製程開發階段,同時掌握「破碎」與「完整」廢棄太陽能光電板處理技術,可以完整取下玻璃重回產線再利用,今(2020)年有望開發全尺寸試驗機臺,並完成廢棄太陽能光電板的自動化產線設備。

六、 經濟價值
因此我們以對環境與品質更有利的轉換方式,從節能、環保的技術層面出發,將回收物料,提出有效地「回收產能去化」解決方案並「升級再製」成更具經濟效益的商品或素材,兼具低成本與高產值,使廢舊太陽能光電板回收商業化變的可行,不浪費每一材料,使得垃圾變黃金。且持續進行回收佔比達74%的超白玻璃再製成槽型玻璃、矽材再製「碳化矽」和EVA、PVDF與金屬純化再製等相關研究。

七、太陽能板需求及設置空間
因此本研究成果不光以達到完全回收而自足,而是要達成太陽能板的永續循環再利用,以產能去化產製之槽型玻璃整合太陽光電模組開發成「太陽光電牆體建材」,以更低成本與更高施工效率取代現有磚造牆體,應用於牆體、頂棚或隔牆整合於建築結構,更可將現行太陽光電從平面設置進階至立體化,讓太陽能不與民搶地,提出太陽能下階段發展的解決方案,改善了用地短缺侷限太陽光電發展規模,且以立體架構跳脫平面架構,使得節能與創能並行。

槽型玻璃是以先壓延後成型的方式連續生產,可用回收玻璃熔融再制,為本研究「升級再製」標的,可永續循環使用,為理想的綠建築材料,如下圖所示。

太陽能板廢棄回收與再利用技術觀點

圖說:太陽光電牆體建材

註釋與參考資料:

[1] IEA (2019). World Energy Outlook 2019.
[2] 由於是與新裝設太陽能板比較,故計算方式以發電量kW為單位,常見用於能源容量/發電量單位大小的描述,例如裝置容量或機組的發電量預期發展再生能源目標等則多用GW描述。同時因為太陽能板製造技術不斷精進,單片太陽能板的發電量增加,重量減輕,因此廢棄物處理量僅能預估,難有明確的數字。以當前(2020年)的技術而言,每kW太陽能板發電量約由三片太陽能板組成,重量約為60公斤。
[3] 經濟部能源局(2020)。〈非核家園是台灣能源轉型的良機〉。
[4] 陳文姿(2020)。〈廢棄太陽光電板回收機制終於上路 3月底首批處理 片片都要登記〉。
[5] 同前引註。
[6] IEA (2018). World Energy Outlook 2018.

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