光電產業的最後一片拼圖 廢太陽能板完全回收系統

聯合新聞網 / 台灣光華雜誌 【文˙陳群芳 圖˙莊坤儒】

新聞連結:https://udn.com/news/story/6845/5600147

根據環保署預估,台灣的太陽能板廢棄物在2023年約產生一萬公噸,2035年起每年則將超過十萬公噸;而以國際再生能源總署的預測模型來推估,至2050年全球的廢太陽能板將達到9.1億公噸,相當於2.2億隻亞洲象。發展潔淨能源的美意,恐被棘手的廢棄物問題而掩蓋,廢太陽能板的回收已是全球當務之急。

台南大學綠能所的研究團隊以「永續物命」為理念,領先國際開發出完全回收系統。他們打造太陽光電產業的循環經濟,為世紀難題找到解方,也為台灣的光電產業闢出一條新路。

夏季中南部艷陽高照,太陽能板努力地做工。若是民間集資架設,大家正開心賺進躉售電價,朝著潔淨能源的目標邁進。但這些裝設在屋頂、空地上的太陽能板,並非長命百歲,以現行技術,太陽能板壽命大約20年,而遭遇天災、鳥糞等攻擊造成的損壞也時有所聞。當我們認為大幅使用太陽能,可以延緩氣候變遷之時,大家可曾想過,這些退役的太陽能板將何去何從?

國際級超級任務

一塊太陽能板的組成,是將太陽能電池以封裝材料如EVA塑膠,封裝在玻璃與背板之間,然後在四周裝上鋁框。而市面上九成的太陽能電池,是採用矽晶製作的矽晶太陽能電池,因此太陽能板的主要材料裡大約是75%玻璃、10%鋁、10%EVA塑膠,其他還有矽、銅、銀等。「太陽能板可以耐受日曬、風吹雨打至少20年,代表這些材料的等級是很高的,應該被回收再利用。」台南大學綠色能源科技學系教授傅耀賢表示。

歐洲的太陽光電發展較早,也較快就面臨廢太陽能板的處理,因此,目前國際上處理廢太陽能板回收,主要是由歐盟成立的組織「PV Cycle」領頭。PV Cycle的處理方法是先將鋁框卸除,再以機械破碎方式分成玻璃、金屬、塑膠,其中塑膠會再以熱裂解的方式,將EVA膠合層及背板以高溫氣化,最後回收鋁、矽、銅、銀、玻璃等材料。

熱裂解可以想像成是沒有氧氣的燃燒,當太陽能板上的材料經過裂解後,會被碳化或是變成氣體。然而太陽能板的背板裡含有氟,燃燒後的氣體會破壞臭氧層,所以採用熱裂解的方式,必須建置捕捉有毒氣體的設備,再妥善處理。這也是為什麼PV Cycle的回收產線需要像煉鋼廠的大空間,且一台設備要價將近台幣一億元。

傅耀賢指出,歐洲的回收產業不像台灣發達,對他們而言,EVA、含氟背板的回收產值都太低,即使大費周章回收,也無處可用,最後還是得找地方掩埋或燒掉;且現階段歐洲也沒有技術將這些物質從太陽能板上分離,才會一開始就選擇燒掉。傅耀賢以含氟背板的成分PVDF為例,「PVDF的新料一公斤1,300元,回收後也有幾百元的價值,但當把它燒掉,價值就是零,還要花錢處理廢氣。」不忍有用的材料被廢棄,還會造成環境汙染的隱憂,這豈不有違發展綠能的初衷,促使傅耀賢與研究團隊,立志要做到太陽能板完全回收。

領先全球的完全回收系統

求學時代主修化學,傅耀賢2001年博士班畢業後便進入工研院,鑽研新材料在太陽能的應用,接著到台南大學任教,繼續太陽光電的研究。20多年不間斷的研究生涯,傅耀賢見證了太陽光電的起伏興衰。傅耀賢表示,冶金級的矽曾經要價1公斤1萬元台幣,當時矽晶太陽能電池的成本非常高,於是投入研究能替代矽晶的薄膜太陽能電池。原本矽晶電池一瓦售價3.4美金,成本1.8美金的薄膜電池具有優勢;隨著矽晶成本降低,現在矽晶太陽能電池每瓦只要0.4美金,轉換效率差、成本相對高的薄膜太陽能電池被淘汰,台灣廠商也倒了好幾間。傅耀賢轉而研究鈣鈦礦太陽能電池,並持續尋找能促進產業發展的研究方向。

當國際間大力推動綠能,以2050年淨零碳排為目標時,傅耀賢意識到太陽能蓬勃發展的背後,是廢太陽能板回收的問題。「如果只是燒掉,沒有循環回收再使用,那全世界每年製造的廢棄物量將以億噸算,這樣太陽能發電還算是環保嗎?」傅耀賢自問。

於是2017年,傅耀賢帶領團隊開始進行回收的研究。化學出身的他們,起初以化學分解的方式切入,但溶劑會造成二次汙染,即使研究有成,仍沒想過推廣。團隊改嘗試物理性技術,以破壞材料接面親和力的方式,一層一層的拆解太陽能板。台灣是工具機大國,具備精密機械技術的深厚基礎,團隊與多間廠商合作研發,克服機器升溫膠合層會沾黏等問題。經過不斷地研究,如今最新的技術是,機台在室溫下即可進行太陽能板拆解,不需要增溫,可在不破壞材料原有特性的原則下,成功將鋁框、矽晶、玻璃、EVA、PVDF、貴重金屬等分別回收。

正價回收,太陽光電的循環經濟

光把材料逐項回收還不夠,為讓太陽能板回收有機會帶動產業發展,團隊繼續研究回收後的材料應用,探索商業模式的可行性。核心成員之一的洪嘉聰博士表示,回收技術研發的過程中,其實數度有廠商想向傅耀賢買下技術。傳統的學術研究,或許就止步於單項技術開發,但傅耀賢知道,技術轉移後,在商言商,人們只會取用價值高的材料,如矽、銀,而EVA、玻璃等商業價值低的材料,可能就被廢棄;所以必須開發各種回收材料的加值應用,將整條產業鏈串起來,才能真的為廢太陽能板找到出路。

傅耀賢表示,台灣有著回收產業鏈完整的優勢,其他國家眼中的廢棄物,台灣的廠商卻有辦法把垃圾變黃金,就像台灣有領先全球的寶特紗紡織技術。回收料對台灣廠商而言是能節省成本的原料,不用從石油提煉新料,也不用挖礦,為地球省下資源。

從太陽能板上回收下來的EVA,因為封裝膠合的過程會混雜金屬,所以純度不若新料高。團隊化缺點為優點,開發本來就要在EVA添加金屬的產品,例如無塵室裡具抗靜電材質的鞋子。在團隊的努力下,現在已有廠商願意使用從太陽能板回收來的EVA,來製作鞋子、瑜珈墊等。

從太陽能背板上刨下來的PVDF,若以熱裂解的方法處理,其產生的氫氟碳化物會對臭氧層造成破壞,但傅耀賢的團隊卻是利用PVDF抗酸鹼的特性,正在研究要做成工業排水的水管,還是工廠用的塗料,抑或是做成水庫的濾水器,評估哪種用途的可行性、商業價值比較高,再持續邁進。

創新思維,不再與民爭地

團隊的理念是,不光做到回收(recycle),還要創價(upcycling),甚至要做到回復(recovery),讓回收後的材料重新變成太陽能板。太陽能板裡占比最大的玻璃,也是最棘手、大家最不想碰觸的問題,傅耀賢的團隊卻能將從太陽能板回收的玻璃,變成另一種形式的太陽能板,延續它的生命。

傳統的太陽能板使用的是平板玻璃,必須加裝鋁框強化玻璃的耐受力。傅耀賢團隊從名為「槽型玻璃」的建材為發想,並將太陽能電池嵌入玻璃中,開發出使用回收玻璃製作槽型光電玻璃的製程。核心成員之一、具物理專長的戴學斌博士拿了一張名片舉例,本來是一張平平的紙無法耐重,但將兩個短邊往內折兩折後,變成ㄇ字型,讓應力能平均展開便能耐重,就是槽型玻璃的原理。

去年九月,傅耀賢的團隊與中油合作,使用他們開發的槽型玻璃來搭建一間太陽能屋,核心成員劉真誠博士笑說:「架設的過程中榔頭不時會敲中玻璃,可一點事兒也沒有,表示這個建材的強度真的夠。」而太陽能屋所發的電力,也足夠供應裡頭的冷氣使用,增強了團隊推展光電建材的信心。

為了增加太陽能占整體發電的比例,勢必得大量增加太陽能板的鋪設,所以太陽能發電一直有與民爭地的問題。團隊的構想是,太陽能板若能跟建築物整合,只要花費建材成本,便能達到發電效果,例如高速公路的隔音牆、人行道等,都是傅耀賢認為可行的裝設場所。如此不僅大幅降低搭建太陽能板的成本,更能將太陽光電融入生活,就不需要特地找空間來裝設,解決與民爭地的問題。

許光電產業一個未來

團隊投入太陽能板回收的研究已經五年,如今,光電建材正籌募認證經費,並已有國內外廠商表達合作意願,一旦通過建材與光電的雙認證,便能為光電產業拓展另一種視野。回收機台設備也已進入自動化的測試階段,團隊還計畫打造一條全自動化、能裝進40呎貨櫃的產線,如此一來便能將回收裝置送到世界各地,節省大型太陽能電廠運輸廢太陽能板所耗費的能源,也意味著台灣能藉由太陽能板回收的技術,在國際市場闢出一條新路。

問傅耀賢這五年來是否遇過瓶頸?他笑笑地說:「走到盡頭很多次,但是都熬過了。」光是回收技術的改良就歷經三次大變動,許多起初理念契合的廠商,開始很支持,但後來等不下去而放棄,一度令傅耀賢沮喪。他明白從零開始的研究,很難讓要養員工的企業願意投入,所以傅耀賢申請政府計畫來取得經費,一點一滴地讓研究往前推進。他說,如何爭取計畫、如何提高技術門檻,這些都是團隊時時刻刻在面對的挑戰。

這幾年政府鼓勵大學成立公司,讓研究成果能與產業接軌,團隊成立台南大學第一個因計畫成果衍生的新創公司。在教育部與科技部的協助下,傅耀賢還要學習企管、募資等各項知識,早已超過人們對大學教授的想像。包含傅耀賢在內的四位團隊核心成員,已決定就算賣地賣房,也要拿出百萬積蓄,作為公司營運的資金。戴學斌笑說,傅耀賢像是傳教士,總提醒團隊把太陽能板回收當成志業。「因為這是對環境有幫助的事,能不能賺錢不知道,但做這件事是快樂的。」傅耀賢義無反顧地說。