Chất thải từ điện mặt trời: Cần sớm có giải pháp

Các dự báo chính thức của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) khẳng định rằng “lượng rác thải tấm pin mặt trời được dự đoán có thể đạt tổng cộng 78 triệu tấn vào năm 2050”.

Điện mặt trời tại Việt Nam đang phát triển với tốc độ cao. Ảnh: Vina Real Group.

Trên giấy tờ, việc sử dụng năng lượng mặt trời mang đầy sự hứa hẹn về một tương lai năng lượng sạch và tiết kiệm. Pin mặt trời ngày càng trở nên dễ sản xuất hơn, cùng với đó là ngày càng trở nên nhỏ gọn và dễ di chuyển, lắp đặt cũng như tháo dỡ. Nhưng có một số vấn đề đối với việc sử dụng năng lượng mặt trời hiếm khi được đề cập đến: Liệu hoạt động sản xuất và chất thải từ ngành công nghiệp điện mặt trời có gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng hơn so với việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch không?

Sản xuất tấm pin mặt trời thường yêu cầu sử dụng một số hóa chất độc hại. Thêm vào đó, các tấm pin mặt trời có tuổi thọ hoạt động chỉ từ khoảng 20 đến 30 năm. Kể từ khi chúng được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 2000, hàng triệu tấn tấm pin năng lượng mặt trời đang bên bờ vực “bị loại biên”. Hiện không dễ dàng để xử lý đúng cách các kim loại độc hại bên trong pin mặt trời. Vì vậy, chúng thường chỉ được chôn lấp tại các bãi rác tập trung hoặc gửi đến các nước đang phát triển. Đáng quan ngại trong trường hợp các tấm pin bị chôn trong bãi rác, những kim loại độc hại trong đó có thể rò rỉ ra môi trường và gây nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng nếu ngấm vào nguồn nước ngầm.

Có gì trong tấm pin mặt trời?

Một tấm pin mặt trời về cơ bản được tạo thành từ một số tấm tinh thể silicon gọi là tế bào (Cell). Mỗi mảnh vuông trong một tấm pin mặt trời được bao quanh bởi một lớp nhôm và kính – có nhiệm vụ hấp thụ, chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng sạch của tương lai. Ảnh: The Globe and Mail.

Khi các nguyên tử silicon tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, electron bị đẩy ra và tạo thành tia lửa, giống như phản ứng vật lý xảy ra khi cho kim loại vào lò vi sóng. Các electron này được đưa qua tế bào quang điện thông qua các tạp chất kim loại được thêm vào silicon và các dây đồng.

Phải sử dụng silicon tinh khiết vì cấu trúc tinh thể mà nó tạo thành sẽ tạo điều kiện tốt nhất cho các electron chảy qua. Sản xuất thường sinh ra nitơ trifluoride và lưu huỳnh hexafluoride – những khí cực kỳ có hại, gây hiệu ứng nhà kính.

Thông thường silicon có thể tái chế được, nhưng để cải thiện hiệu suất điện của pin mặt trời, các kim loại như cadmium và chì sẽ được thêm vào. Điều này làm cho pin mặt trời khó tái chế, vì sẽ tốn năng lượng đáng kể để chiết xuất các kim loại nguy hiểm. Trên thực tế, các công ty thường tốn nhiều chi phí hơn để tái chế một tấm pin mặt trời hơn là sản xuất một tấm pin mặt trời.

Vấn đề đối với việc thải bỏ tấm pin mặt trời

Hầu hết các nhà máy tái chế năng lượng mặt trời chỉ đơn giản là loại bỏ bạc và đồng có giá trị khỏi các tế bào quang điện, sau đó tái chế kính và vỏ nhựa bị ô nhiễm bằng cách đốt chúng trong lò xi măng. Vì quá trình này tốn kém cả mặt tài chính và thời gian, nên các công ty năng lượng mặt trời thường sẽ chỉ đưa các tấm pin đã hỏng hoặc hết hạn vào bãi chôn lấp hoặc xuất khẩu chúng sang các nước thuộc thế giới thứ ba.

Cấu trúc các lớp của pin mặt trời. Ảnh: Vrsolar

Mặc dù một bãi chôn lấp được xây dựng phù hợp để có thể chứa hầu hết các chất độc hại trong chất thải, bao gồm những tấm pin mặt trời, nhưng nhiều quốc gia đang phát triển không có cơ sở hạ tầng hoặc quy chuẩn để xử lý đúng cách chất thải tấm pin mặt trời nhập khẩu. Khả năng rửa trôi các kim loại này ra môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng, đặc biệt là ở các nước không có công nghệ và điều kiện xử lý. Khi thế giới tiếp tục sử dụng năng lượng mặt trời, vấn đề này có thể trở nên tồi tệ hơn trong những thập kỷ tới, với gần 80 triệu tấn chất thải từ pin mặt trời vào năm 2050.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các kim loại nặng trong các tấm pin mặt trời - cụ thể là chì và cadmium - có thể thoát ra khỏi tế bào quang điện và đi vào nước ngầm, cũng như ảnh hưởng đến động thực vật. Những kim loại này cũng gây ảnh hưởng xấu đối với sức khỏe con người. Chì thường được biết là làm suy giảm sự phát triển trí não ở trẻ em và cadmium là chất gây ung thư.

Việc tái chế pin mặt trời có thể giảm thiểu rủi ro mà chúng gây ra, và may mắn thay, các phương pháp hiệu quả vẫn tồn tại. Nhiều thành phần trong tấm pin có thể được tái chế. Thủy tinh chiếm phần lớn trọng lượng của một tấm pin mặt trời (khoảng 75%) và tái chế thủy tinh đã là một ngành công nghiệp lâu đời. Các vật liệu khác có thể tái chế dễ dàng bao gồm khung nhôm, dây đồng và hộp nối nhựa. Các thành phần khác của hệ thống điện mặt trời như bộ biến tần, giá đỡ và hệ thống pin dự phòng, cũng có thể được tái chế. Biến tần có thể được tái chế như rác thải điện tử và giá đỡ có thể được tái chế như các kim loại phế liệu tương tự. Hệ thống lưu trữ năng lượng lưới bằng pin có thể được xử lý bằng các công nghệ tái chế pin hiện tại.

Quy trình tái chế

Một quy trình tái chế lý tưởng sẽ thu hồi càng nhiều vật liệu từ tấm pin mặt trời càng tốt. Có nhiều phương pháp khác nhau để tái chế các tấm pin mặt trời, có thể bao gồm một số hoặc cả ba bước sau: Tháo khung và hộp nối; Tách thủy tinh và tấm silicon thông qua các quá trình nhiệt học, cơ học hoặc hóa học; và (hoặc) tách và tinh chế tế bào silicon và các kim loại đặc biệt (ví dụ, bạc, thiếc, chì, đồng) thông qua các kỹ thuật điện và hóa học.

Một lượng lớn pin mặt trời hư hỏng hoặc hết hạn có thể kết thúc vòng đời tại các bãi chôn rác. Ảnh: GreenCitizen

First Solar, công ty năng lượng mặt trời lớn nhất của Mỹ, có các cơ sở có thể chiết xuất 90% vật liệu trong các tấm pin, sau đó sử dụng để tái chế trở lại thành các tấm pin mặt trời hoặc thiết bị điện tử mới. Veolia, công ty xử lý chất thải của Pháp, đã mở nhà máy đầu tiên ở châu Âu chỉ chuyên tái chế pin mặt trời. Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để thuyết phục các công ty sử dụng những phương pháp này, thay vì chọn phương pháp rẻ tiền hơn là chôn lấp hoặc xuất sang các nước khác.

Tái sử dụng tấm pin mặt trời

Một cách khác để ngăn chặn việc thải các tấm pin mặt trời ra các bãi chôn lấp đó là sử dụng lại tấm pin, bằng cách tái sử dụng trực tiếp hoặc sau khi tân trang lại. Khi được tái sử dụng, các tấm pin mặt trời sẽ có “cuộc sống thứ hai” tạo ra năng lượng sạch. Có nhiều cách hữu ích để tái sử dụng các tấm pin mặt trời trong những trường hợp chúng không được kết nối với lưới điện, đó là sử dụng tại trạm sạc xe đạp điện hoặc các loại phương tiện khác.

Thế giới đang ngày càng quan tâm đến vấn đề tái chế rác thải của ngành công nghiệp điện mặt trời. Ảnh: Union of Concerned Scientists

Hiện tại, Trung Quốc và Mỹ là những nước sử dụng nhiều nhất các tấm pin năng lượng mặt trời, nhưng mới chỉ có châu Âu thực hiện các biện pháp yêu cầu các nhà sản xuất phải chịu trách nhiệm về chất thải từ tấm pin mặt trời của họ. Liên minh châu Âu yêu cầu các công ty năng lượng mặt trời thu thập và tái chế các tấm pin, với chi phí tái chế được tính vào giá bán. Tại Thụy Sĩ, chính phủ nước này nêu bật vai trò của nhà đầu tư và công ty chuyên xử lý môi trường trong việc tái chế pin năng lượng mặt trời. Đối với các tấm pin mặt trời đã hết tuổi thọ, nước này sẽ tận dụng những vật tư, linh kiện còn giá trị sử dụng và tiêu hủy những vật tư không còn giá trị sử dụng.

Bằng cách này, chất thải và tác động đến môi trường của các tấm pin được giảm thiểu với mức giá chỉ tăng nhẹ đối với người tiêu dùng. Trong khi đó, Mỹ và Trung Quốc hiện chưa sẵn sàng áp dụng biện pháp tương tự. Cho đến nay, Washington là tiểu bang duy nhất ở Mỹ bắt buộc các nhà sản xuất phải xử lý các tấm pin mặt trời tại cơ sở chuyên biệt.

Cải tiến làm năng lượng mặt trời “sạch hơn”

Nhiều công ty khởi nghiệp công nghệ đã theo đuổi các giải pháp giúp cho quy trình sản xuất thực tế sạch hơn. Một số nhà khoa học đang khám phá những cách mới để tinh chế silicon cho pin mặt trời hoặc đang thử nghiệm với pin mặt trời sử dụng silicon cấp thấp hơn.

Tái sử dụng là một biện pháp hữu ích đối với vấn đề rác thải pin mặt trời. Ảnh: IEEE Spectrum.

Ngoài ra, một số nghiên cứu gần đây tại Nhật Bản và Ấn Độ trong công nghệ năng lượng mặt trời có thể loại bỏ hoàn toàn silicon bằng cách sử dụng một vật liệu gọi là perovskite. Thay vì sử dụng tinh thể silicon, pin mặt trời perovskite được làm bằng tinh thể kim loại, thường là chì. Nguyên liệu thô và tổng hợp cho các tế bào perovskite chì rẻ hơn nhiều so với silicon có độ tinh khiết cao cần thiết cho các tấm pin mặt trời truyền thống. Phương pháp này giúp tiết kiệm chi phí hơn nhiều.

Chỉ có một số cách để tạo ra pin mặt trời silicon, nhưng có nhiều cách để tạo ra tế bào perovskite, mang lại những tấm pin mặt trời độc đáo cho các ứng dụng khác nhau. Nhưng điều hứa hẹn nhất của tế bào perovskite là tạo ra nguồn năng lượng ngang ngửa với tế bào silicon nhưng dễ chế tạo hơn và thân thiện với môi trường hơn. Đồng thời, các báo cáo đã chỉ ra rằng các tế bào perovskite còn có thể được chế tạo từ các kim loại hoặc á kim không độc hại như thiếc hoặc germani, và có khả năng hoạt động tương đương hiệu quả của các tế bào perovskite chì.

Đến nay, ba ưu điểm lớn nhất mà điện mặt trời mang lại cho người dùng chính là: Thân thiện với môi trường; giảm chất thải gây hiệu ứng nhà kính so với các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống; và giảm tải cho lưới điện quốc gia, tiết kiệm tiền điện, thậm chí có thêm thu nhập cho chủ sử dụng điện mặt trời. Thực tế cho thấy, sử dụng năng lượng mặt trời là giải pháp năng lượng sạch trong tương lai loài người. Tuy nhiên, xã hội cũng phải thừa nhận, đối mặt và xử lý triệt để những phát sinh, đặt biệt là vấn đề rác thải, của ngành công nghiệp này. Nếu không, việc khai thác năng lượng ánh sáng có thể sẽ biến tương lai của chúng ta trở nên tăm tối hơn.

Bài toán xử lý, tái chế tại Việt Nam

Cuối tháng 4 vừa qua, Phó Thủ tướng Chính phủ Lê Văn Thành chủ trì cuộc họp của Hội đồng thẩm định Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn 2045 (Quy hoạch điện VIII) và đã thông qua dự thảo Quy hoạch Điện VIII. Dự kiến, Quy hoạch điện VIII sẽ được trình Thủ tướng Chính phủ xem xét, phê duyệt vào tháng 5 này.

Liệu pin mặt trời perovskite có thể giải quyết được vấn đề rác thải pin mặt trời? Ảnh: Saur Energy International.

Trong những năm gần đây, điện mặt trời đã được nhiều hộ gia đình, doanh nghiệp, các tổ chức, nhà kinh doanh… quan tâm đầu tư, khai thác nhằm phục vụ sinh hoạt, sản xuất cũng như kinh doanh trên thị trường điện tại Việt Nam. Đi cùng với lợi ích kinh tế mang lại, các công trình điện mặt trời là nỗi lo về rác thải khi có hàng chục triệu tấm pin mặt trời đang hoạt động hiện nay. Xử lý loại rác thải này như thế nào sau khi chúng hết hạn sử dụng hoặc bị hư hỏng phải thải bỏ… cũng là vấn đề đang được quan tâm hiện nay ở nước ta. Tại Việt Nam, khối lượng chất thải từ tấm pin mặt trời còn khá nhỏ so với các nước, tuy nhiên để đảm bảo phát triển bền vững, Nhà nước cần sớm nghiên cứu để có chính sách cơ chế phù hợp liên quan tới vấn đề quản lý, thu gom và xử lý rác thải từ tấm pin mặt trời. Với chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2045, lượng phế thải từ các tấm pin mặt trời nếu không được quản lý sẽ gây ô nhiễm môi trường. Như vậy, Nhà nước cần sớm nghiên cứu để có chính sách cơ chế phù hợp liên quan tới thu nhận và xử lý rác thải từ tấm pin mặt trời.

Thực tế, Việt Nam đã có những quy định cụ thể liên quan đến việc xử lý tấm pin năng lượng mặt trời đã có. Tại Thông tư 18/2020/TT-BCT của Bộ Công Thương ban hành ngày 17/7/2020 quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời, trong đó điều khoản yêu cầu về môi trường nêu rõ: Trong quá trình vận hành hoặc khi kết thúc dự án điện mặt trời nối lưới, hệ thống điện mặt trời mái nhà, bên bán điện có trách nhiệm thu gom, tháo dỡ, hoàn trả mặt bằng và chịu trách nhiệm xử lý toàn bộ vật tư, thiết bị của các công trình điện mặt trời theo đúng quy định của pháp luật. Bên cạnh đó, tấm pin mặt trời thải loại được quản lý theo các quy định về quản lý chất thải. Cụ thể, chủ nguồn thải có trách nhiệm phân định rác thải từ các tấm pin mặt trời theo quy định tại Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại để quản lý cho phù hợp (QCVN 07:2009/BTNMT). Bộ Tài nguyên Môi trường cũng đang chủ trì xây dựng dự thảo Luật bảo vệ môi trường sửa đổi. Trong dự thảo, Bộ Tài nguyên Môi trường sẽ ban hành danh mục các chất thải nguy hại, chất thải công nghiệp phải kiểm soát và chất thải công nghiệp thông thường. Dự thảo Luật cũng quy định cụ thể về chất thải phát sinh trong quá trình sản xuất, kinh doanh phải đáp ứng tiêu chuẩn, quy chuẩn chất lượng nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu theo quy định của pháp luật.

Điện mặt trời nếu xử lý tốt sẽ không đáng lo ngại. Quan trọng là hiệu quả quản lý nhà nước, cơ chế, chính sách cụ thể, chế tài, trách nhiệm, kinh phí... để thu hồi,tái chế rác thải từ điện mặt trời, không để hình thành bãi thải khổng lồ, tạo gánh nặng cho xã hội. Nhìn ở góc độ kinh tế tuần hoàn thì đây có thể trở thành cơ hội cho Việt Nam phát triển công nghiệp tái chế tấm pin trong tương lai.