TNO, Dr. Laure Plasmatechnologie, Damo-Aldel en E-magy ontvangen met dit project subsidie vanuit de regeling TSE Industrie 2021: Circulaire Economie van de KIA CE en RVO.
Volgens de huidige groeiscenario’s voor fotovoltaïsche energieopwekking zal in 2050 wereldwijd meer dan 60 terawattpiek (TWp) aan zonne-energie worden geïnstalleerd. Dat is 100 keer meer dan de hoeveelheid die eind 2019 was geïnstalleerd. Een belangrijke verbinding die betrokken is bij de productie van zonnecellen is silicium, geproduceerd door reductie van het mineraal kwartsiet. Deze verbinding is in principe in voldoende hoeveelheden beschikbaar, maar het hele proces van kwartsiet tot silicium van zonnekwaliteit omvat verschillende zeer energie-intensieve zuiveringsstappen.
Tegelijkertijd zal een exponentieel toenemend aantal afgedankte PV-panelen een probleem gaan vormen gezien de enorme hoeveelheid afval die ermee gepaard gaat. Momenteel wordt dit afval verwerkt tot bouwgrondstoffen voor b.v. isolatie (glaswol) en metallurgisch silicium met een lage zuiverheid en lage economische waarde, waarbij de hoeveelheid energie die wordt besteed aan de productie van de originele zonnecellen niet wordt gerespecteerd. Gezien het voornemen om om te schakelen naar een circulaire en werkelijk duurzame economie is dit een ongewenste situatie.
Doel van het project
Dit project richt zich op silicium, een waardevol materiaal gezien zijn zuiverheid en de hoeveelheid energie die erin wordt gestoken bij de productie. Het doel is om dit materiaal op een hoger niveau te hergebruiken dan de huidige praktijk en uiteindelijk weer in zonnecellen. Momenteel is de PV-siliciumindustrie nogal conservatief en het aanbrengen van wijzigingen in de bestaande productiematerialen en -processen stuit op ernstige barrières. Dat is niet voor niets en gekoppeld aan productkwaliteit. Hierdoor is het moeilijk om gerecycleerd silicium van onbekende herkomst en zuiverheid in het productieproces te introduceren. Gezien de relatief kleine volumes van het tegenwoordig beschikbare recyclebare PV-silicium is het moeilijk om te investeren in de zuivering van dit materiaal tot silicium van zonnekwaliteit. Hierdoor is de drempel voor hergebruik in de PV-productie op dit moment te hoog, waardoor het moeilijk is om een businesscase te vinden. Om deze barrière te overwinnen, zijn twee toepassingen van hoogwaardig silicium (anders dan zonnecellen) geïdentificeerd als potentiële marktintroductiemogelijkheden: silicium-aluminiumlegering en verbeterde lithiumbatterijanoden. Het zorgt voor een geleidelijke groei en verbetering van de recyclingprocessen om het uiteindelijk geschikt te maken voor de productie van zonnecellen.
Korte omschrijving van de activiteiten
Het siliciumschroot dat wordt geoogst van zonnepanelen aan het einde van hun levensduur, bevat verschillende onzuiverheden afkomstig van de celmetallisatie en doteermiddelen. Om het silicium geschikt te maken voor de toepassingen voorzien in dit project is een zuiveringsstap nodig. Zuivering zal plaatsvinden door middel van een nieuwe technologie, een bestaande technologie die in dit geval voor nieuwe doeleinden zal worden toegepast. Met behulp van zowel afgedankte zonnecellen als afgekeurde zonnecellen zal het proces worden geoptimaliseerd om silicium te produceren met de vereiste zuiverheidsniveaus. Het materiaal zal worden gekarakteriseerd door verschillende analytische technieken om de instellingen voor het nieuwe proces te evalueren en te verfijnen in een aantal feedbackloops. Experimentele batches gezuiverd silicium zullen worden gebruikt om een silicium-aluminium (Silumin) legering te produceren en de eigenschappen ervan te evalueren. Gezien de toepassing van de batterijanode zal het gezuiverde siliciumrecyclaat worden omgezet in siliciumdeeltjes ter grootte van een micron met een poreuze siliciumstructuur op nanoschaal. Testbatterijen op laboratoriumschaal zullen worden geproduceerd en de prestaties worden geëvalueerd.
Resultaat
Het project resulteert in een proces voor hoogwaardige circulair vervaardigde siliciumproducten op basis van afgedankte PV-panelen, in de categorie R7 en R8 (hergebruiken en recyclen) van de circulariteitsladder van het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL). Het gerecyclede silicium zal eerst worden toegepast in siliciumaluminiumlegering en batterijen voor e-auto’s met als uiteindelijke doel een volledig cirkelvormige siliciumwafel van zonnekwaliteit te leveren voor gebruik in zonnepanelen. Het toepassen van gerecycled silicium in plaats van nieuw gewonnen en verwerkt materiaal resulteert in een veel lagere CO2-voetafdruk van de betrokken eindproducten, door sterk verminderde CO2-uitstoot. Op basis van de projectresultaten wordt een aanzet gegeven om de Nederlandse recyclingindustrie te activeren richting circulair produceren.