Theo Sở Bảo vệ Môi trường ước tính, lượng rác thải từ pin năng lượng mặt trời của Đài Loan vào năm 2023 là khoảng 10.000 tấn, từ năm 2035 sẽ lên đến trên 100.000 tấn mỗi năm và theo ước tính từ mô hình dự báo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế, đến năm 2050, lượng chất thải từ pin mặt trời trên toàn cầu sẽ lên tới 910 triệu tấn, tương đương với 220 triệu con voi châu Á. Việc phát triển năng lượng sạch e rằng sẽ bị vấn đề chất thải hóc búa làm lu mờ, vì vậy thu hồi tái chế tấm pin năng lượng mặt trời phế thải đã trở thành nhiệm vụ cấp bách của toàn thế giới.

Nhóm nghiên cứu của Viện Năng lượng xanh, Đại học Quốc lập Đài Nam hướng mục tiêu “Vật dụng bền vững” làm ý tưởng sáng tạo, dẫn đầu thế giới về việc phát triển hệ thống thu hồi tái chế toàn diện. Họ cùng xây dựng một mô hình kinh tế tuần hoàn cho ngành công nghiệp quang điện, tìm ra cách giải cho bài toán khó của thế kỷ, giúp ngành sản xuất quang điện của Đài Loan mở ra con đường mới.

Dưới ánh nắng gay gắt của mùa hè Trung Nam bộ, những tấm pin năng lượng mặt trời (tấm PV) đang nỗ lực tạo năng lượng phát điện. Nếu đó là những tấm pin do tư nhân góp vốn đầu tư lắp đặt, mọi người đang vui mừng vì được sinh lời nhờ giá điện bán sỉ, cùng hướng tới mục tiêu phát triển nguồn năng lượng sạch. Tuy nhiên, những tấm pin năng lượng mặt trời này được lắp đặt trên mái nhà, ở những nơi trống trải không thể có tuổi thọ hàng trăm năm, theo kỹ thuật hiện nay, tấm PV có tuổi thọ khoảng chừng 20 năm, thỉnh thoảng còn được nghe về những thiệt hại do thiên tai, phân chim v.v... gây ra. Chúng ta nghĩ rằng sử dụng năng lượng mặt trời rộng rãi có thể làm chậm tốc độ biến đổi khí hậu, nhưng mọi người có bao giờ từng suy ngẫm, khi những tấm pin năng lượng mặt trời này ngưng hoạt động thì chúng sẽ đi về đâu? 

Tham gia nghiên cứu quang điện hơn 20 năm, ông Phó Diệu Hiền cầm tấm pin năng lượng mặt trời màng mỏng từng nổi tiếng một thời, say sưa nói về sự thịnh suy của ngành này.

Siêu nhiệm vụ cấp quốc tế

Để tạo nên một tấm pin năng lượng mặt trời, người ta sẽ dùng vật liệu đóng gói như lớp nhựa EVA để bọc ở giữa tấm kính và tấm mặt sau của pin, rồi cho gắn khung nhôm ở bốn bề, mà trên thị trường có tới 90% là pin năng lượng mặt trời silicon được làm từ silic, vì vậy, các vật liệu chủ yếu của pin mặt trời chứa khoảng 75% thủy tinh, 10% nhôm, 10% nhựa EVA, ngoài ra còn bao gồm silic, đồng, bạc v.v... “Tấm pin năng lượng mặt trời có thể chống chịu được trời nắng, mưa gió vùi dập ít nhất 20 năm, cho thấy các vật liệu này có đẳng cấp rất cao, cần được thu hồi để tái sử dụng”, Giáo sư khoa công nghệ năng lượng xanh của Đại học Đài Nam Phó Diệu Hiền (Fu Yaw-shyan) cho biết. 

Công nghệ quang điện của châu Âu phát triển sớm hơn nên phải đối mặt vấn đề xử lý phế thải PV sớm hơn, vì vậy, trong cách xử lý, thu hồi và tái chế tấm pin quang điện trên thế giới hiện nay, chủ yếu là do “PV Cycle”, tổ chức được thành lập bởi Liên minh châu Âu dẫn đầu. Cách xử lý của PV Cycle là cho dỡ bỏ khung nhôm trước, sau đó dùng phương pháp làm vỡ các thành phần thủy tinh, kim loại, nhựa plastic bằng máy, trong đó thành phần nhựa sẽ một lần nữa được sử dụng phương pháp nhiệt phân tách, làm hóa hơi lớp keo EVA và tấm mặt sau bằng nhiệt độ cao, cuối cùng thu hồi các vật liệu gồm nhôm, silic, đồng, bạc và thủy tinh...

Có thể tưởng tượng nhiệt phân tách là sự đốt cháy trong điều kiện không có oxy, khi các vật liệu trên tấm PV trải qua phân tách sẽ bị carbon hóa hoặc trở thành dạng khí. Tuy nhiên, ở mặt sau của tấm pin năng lượng mặt trời có chứa chất fluorine, khí thải ra sau khi được đốt cháy sẽ làm phá hủy tầng ozon, vì vậy, áp dụng phương pháp nhiệt phân tách, cần phải lắp đặt thiết bị thu giữ chất khí độc hại, rồi sau đó xử lý ổn thỏa. Điều này cũng giải thích vì sao dây chuyền thu hồi của PV Cycle cần một không gian lớn như nhà máy luyện thép, hơn thế nữa, một giàn thiết bị có giá gần 100 triệu Đài tệ.

Ông Phó Diệu Hiền lấy thành phần nhựa nhiệt dẻo PVDF của tấm mặt sau có chứa fluorine làm ví dụ, “Vật liệu PVDF mới 1 kilogram có giá 1.300 Đài tệ, khi thu hồi cũng có giá trị khoảng vài trăm Đài tệ, nhưng nếu mang đốt thì giá trị của nó là bằng 0, mà còn phải tốn tiền để xử lý khí thải”. Không nỡ để cho vật liệu hữu dụng bị vứt bỏ, lại còn tiềm ẩn nỗi lo gây ô nhiễm môi trường, điều này chẳng phải là trái với ý tưởng phát triển năng lượng xanh của thuở ban đầu hay sao, vì vậy, ông Phó Diệu Hiền và nhóm nghiên cứu đã quyết tâm phải đạt được mục tiêu thu hồi toàn diện tấm pin năng lượng mặt trời để tái chế.

EVA - một phần nguyên liệu sau khi được thu hồi tái chế

Hệ thống thu hồi tái chế toàn diện dẫn đầu toàn cầu

Khi cả thế giới đang nỗ lực đẩy mạnh năng lượng xanh, cùng hướng tới mục tiêu Net Zero (phát thải ròng bằng 0) vào năm 2050, ông Phó Diệu Hiền đã ý thức được rằng, phía sau sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng mặt trời là vấn đề thu hồi tái chế tấm PV phế thải. “Nếu chỉ là đem đốt, không thu hồi và tái sử dụng có tính tuần hoàn, như thế hàng năm trên thế giới sẽ tạo ra hàng trăm triệu tấn rác thải. Nếu vậy thì sự phát điện bằng năng lượng mặt trời có được xem là bảo vệ môi trường hay không?”, ông Phó Diệu Hiền tự hỏi bản thân.

Do đó, vào năm 2017, ông Phó Diệu Hiền hướng dẫn nhóm của mình bắt đầu tiến hành cuộc nghiên cứu về cách thu hồi tái chế. Xuất thân từ ngành hóa học, ban đầu nhóm nghiên cứu đã áp dụng phương pháp phân hủy hóa học làm điểm thâm nhập, tuy nhiên có thể gây sự ô nhiễm thứ cấp từ chất dung môi. Mặc dù việc nghiên cứu có đạt được thành quả nhưng họ vẫn chưa nghĩ tới vấn đề phổ biến rộng phương pháp này. Nhóm nghiên cứu chuyển sang áp dụng thử kỹ thuật vật lý, sử dụng phương pháp phá hủy bề mặt liên kết của vật liệu để tháo rời từng lớp một của tấm pin năng lượng mặt trời. Đài Loan là quốc gia chuyên sản xuất máy công cụ, sở hữu nền tảng chuyên sâu về kỹ thuật cơ khí chính xác, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với nhiều doanh nghiệp triển khai công việc R&D, khắc phục được các vấn đề như khi máy nóng lên sẽ làm lớp keo bị dính v.v... Trải qua quá trình liên tục nghiên cứu, với kỹ thuật mới nhất ngày nay, máy móc ở nhiệt độ trong phòng là có thể tiến hành công việc tháo rời tấm pin, không cần tăng thêm độ nóng, trên nguyên tắc không phá hủy đặc tính vốn có của vật liệu, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc lần lượt thu hồi được các vật liệu bao gồm khung nhôm, tinh thể silicon, thủy tinh, EVA, PVDF, kim loại quý v.v..

Trong ảnh là một phần nguyên liệu sau khi được thu hồi tái chế: thủy tinh

Tái chế giá trị đích thực, xây dựng vòng kinh tế tuần hoàn cho ngành quang điện

Chỉ thu hồi từng loại vật liệu vẫn chưa đủ, để tạo cơ hội cho tấm pin năng lượng mặt trời đã được thu hồi có thể thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu về cách ứng dụng vật liệu sau thu hồi, khám phá tính khả thi của mô hình kinh doanh thương mại. Tiến sĩ Hồng Gia Thông (Andrew Hung), một trong những thành viên nòng cốt cho biết, trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu kỹ thuật thu hồi, thực ra đã nhiều lần có doanh nghiệp muốn mua loại kỹ thuật này từ ông Phó Diệu Hiền.

Nhựa EVA được thu hồi từ tấm pin năng lượng mặt trời, trong quá trình bọc lớp keo sẽ bị lẫn kim loại, vì vậy độ tinh khiết không bằng vật liệu mới. Để biến khuyết điểm thành ưu điểm, nhóm nghiên cứu vốn có ý định phát triển loại sản phẩm nhựa EVA pha kim loại, ví dụ loại giày chống tĩnh điện đi trong phòng sạch. Nhờ sự nỗ lực của nhóm nghiên cứu, hiện đã có doanh nghiệp đồng ý sử dụng nhựa EVA được thu hồi từ tấm pin năng lượng mặt trời để sản xuất giày dép, thảm tập yoga v.v...

Trong ảnh là một phần nguyên liệu sau khi được thu hồi tái chế: silic

Tư duy sáng tạo, không còn tranh giành đất đai với người dân

Ý tưởng của nhóm nghiên cứu không chỉ dừng lại ở thu hồi tái chế (recycle) mà còn muốn nâng giá trị cho đồ tái chế (upcycling), thậm chí gồm cả phục hồi (recovery), một lần nữa biến vật liệu tái chế trở thành tấm pin năng lượng mặt trời. Trong tấm PV thành phần thủy tinh chiếm tỷ lệ cao nhất, cũng là vấn đề hóc búa  nhất mà mọi người không muốn động chạm. Trong khi đó nhóm nghiên cứu của ông Phó Diệu Hiền lại có thể biến thủy tinh được tái chế từ tấm pin năng lượng mặt trời thành tấm PV theo một hình thức khác, kéo dài sự sống của nó.  

Vật liệu sử dụng cho tấm pin năng lượng truyền thống là loại kính tấm dùng trong xây dựng, phải được gắn thêm khung nhôm để tăng cường độ bền cho tấm kính. Nhóm nghiên cứu của ông Phó Diệu Hiền đã được gợi ý từ loại vật liệu xây dựng có tên gọi là “kính dạng máng” và gắn pin năng lượng mặt trời vào trong tấm kính, phát triển ra một quy trình sản xuất kính quang điện dạng máng từ thủy tinh thu hồi. Tiến sĩ Đới Học Bân (Dai Shyue-bin), một trong những thành viên nòng cốt, có sở trường về chuyên ngành vật lý cầm tấm danh thiếp lên để làm ví dụ, một tờ giấy phẳng vốn không chịu được sức nặng, nếu gấp hai cạnh ngắn theo hướng vào trong hai lần, tạo thành hình móng ngựa, khiến ứng lực được dãn đều thì có thể chịu được sức nặng, đó chính là nguyên lý của tấm kính dạng máng.

Tháng 9 năm ngoái, nhóm nghiên cứu của ông Phó Diệu Hiền hợp tác với Công ty xăng dầu CPC của Đài Loan, sử dụng tấm kính dạng máng được nhóm nghiên cứu phát triển để xây một ngôi nhà năng lượng mặt trời. Tiến sĩ Lưu Chân Thành (Liu Cheng-chen) - thành viên nòng cốt của nhóm vừa cười vừa nói: “Trong quá trình xây dựng, chiếc búa thỉnh thoảng gõ trúng vào tấm kính nhưng không xảy ra bất kỳ chuyện gì cả, cho thấy loại vật liệu xây dựng này đúng là có đủ độ cứng”. Nguồn điện thu được từ ngôi nhà năng lượng mặt trời cũng đủ dùng cho máy điều hòa không khí trong nhà, vì vậy, càng củng cố sự tự tin cho nhóm nghiên cứu trong việc quảng bá vật liệu xây dựng quang điện.

Để tăng tỷ trọng năng lượng mặt trời trong tổng sản lượng điện, chắc chắn phải lắp đặt thêm hàng loạt tấm pin năng lượng mặt trời, vì vậy luôn xảy ra vấn đề tranh giành đất đai với người dân. Nhóm nghiên cứu nảy ra ý tưởng, nếu có thể tích hợp tấm pin năng lượng mặt trời với công trình kiến trúc, chỉ cần tốn thêm chi phí giá thành của vật liệu xây dựng là có thể đạt hiệu quả phát điện. Ví dụ như bức tường cách âm trên đường cao tốc, đường dành cho người đi bộ v.v..., đều được ông Phó Diệu Hiền cho là địa điểm lắp đặt khả thi, như thế không những giảm mạnh chi phí giá thành cho việc lắp đặt những tấm pin năng lượng mặt trời, mà còn có thể đưa quang điện mặt trời vào đời sống, không cần cất công tìm kiếm địa điểm lắp đặt, giải quyết được vấn đề tranh chấp đất đai với người dân.

Nhóm nghiên cứu nỗ lực nghiên cứu về cách xử lý và ứng dụng của tấm pin năng lượng mặt trời sau khi được thu hồi tái chế, xây dựng nền kinh tế tuần hoàn cho ngành quang điện mặt trời. Từ trái sang phải: Đới Học Bân, Phó Diệu Hiền, Lưu Chân Thành, Kha Hạo Uy, Hồng Gia Thông.

Hứa hẹn một ngành công nghiệp quang điện phát triển trong tương lai

Nhóm nghiên cứu tham gia vào công trình nghiên cứu về thu hồi tái chế tấm pin năng lượng mặt trời đã 5 năm, đến nay, vật liệu xây dựng quang điện đang gây quỹ cho kinh phí chứng nhận, cũng đã có doanh nghiệp trong và ngoài nước bày tỏ nguyện vọng hợp tác, nếu được cấp chứng nhận trên cả hai phương diện gồm vật liệu xây dựng và quang điện, sẽ giúp ngành công nghiệp quang điện mở ra một tầm nhìn mới. Thiết bị máy móc thu hồi tái chế cũng đã bước sang giai đoạn kiểm tra tự động, nhóm nghiên cứu cũng đang quy hoạch phương án xây dựng một dây chuyển sản xuất tự động hóa toàn diện, có thể xếp vào được container 40 feet, như vậy có thể vận chuyển thiết bị thu hồi tái chế đến mọi nơi trên thế giới, tiết kiệm được nguồn năng lượng tiêu thụ cho việc vận chuyển những tấm pin phế thải của các nhà máy phát điện bằng năng lượng mặt trời có quy mô lớn và cũng chứng tỏ rằng Đài Loan có thể tìm ra một lối đi mới trong kỹ thuật thu hồi tái chế tấm pin năng lượng mặt trời.

Nghiên cứu phát triển vật liệu xây dựng quang điện từ ý tưởng tấm kính dạng máng với hệ số an toàn cao hơn những tòa nhà vách ngoài được dựng bằng kính cường lực, người có trọng lượng 90 kg đứng lên trên cũng không thành vấn đề.

Nhóm nghiên cứu Đài Loan nỗ lực nghiên cứu công trình thu hồi tái chế toàn diện tấm pin năng lượng mặt trời, tìm ra cách giải cho bài toán khó về vấn đề tấm pin năng lượng mặt trời phế thải, thực hiện mục tiêu năng lượng xanh bền vững.