Ekologiczne przetwarzanie krzemu na potrzeby gospodarki o obiegu zamkniętym
Energia elektryczna ze źródeł odnawialnych stanowi fundament przyszłego zrównoważonego, neutralnego dla klimatu systemu energetycznego Europy. Postęp technologiczny zwiększa jednocześnie popyt na mikroelektronikę. W rezultacie jesteśmy świadkami gwałtownego rozwoju rynków paneli fotowoltaicznych i wafli krzemowych. Te wysokowartościowe produkty opierają się na przekształcaniu krzemu, będącego jednym z krytycznych surowców, w ogniwa słoneczne oraz mikroukłady wykorzystywane w przedmiotach codziennego użytku, takich jak smartfony.
Trudności dotyczące produkcji krzemu
„Proces pozyskiwania krzemu o wysokiej czystości wymaga zaczęcia od kwarcu”, wyjaśnia Martin Bellmann, koordynator projektu ICARUS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z norweskiej organizacji SINTEF(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Kwarc jest wydobywany, a następnie musi zostać przetworzony, co pochłania dużo energii i prowadzi do istotnych emisji CO2”. W ten sposób powstają kryształy krzemu, które są następnie cięte na cienkie płytki wykorzystywane w celu produkcji ogniw słonecznych lub mikroukładów. „Cały proces przypomina w pewnym sensie cięcie drewna i podobnie jak on przekłada się na wytwarzanie wielu odpadów”, mówi Bellmann. „W wyniku cięcia tracimy około 35 % krzemu”. Co więcej, hodowla kryształów wymaga ekstremalnie wysokich temperatur, a także pojemników do ich topienia wykonanych z kwarcu o wysokiej czystości. Po użyciu są przeznaczone do utylizacji. Innym źródłem odpadów jest grafit wykorzystywany w piecach. Ponadto większość krzemu jest importowana z Azji, co wiąże się z wysokimi kosztami i problemami dotyczącymi bezpieczeństwa łańcuchów dostaw.
Przetwarzanie krzemu przemysłowego
Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ICARUS dostrzegł okazję do rozwiązania problemów związanych z importem, a także wyzwań dotyczących odpadów i emisji. W tym celu badacze podjęli próbę zaprojektowania procesów pozwalających na rafinację i przekształcanie przemysłowych strumieni odpadów krzemu, grafitu i krzemionki w gotowe produkty o wysokiej wartości. „Naszym celem było znalezienie rozwiązań umożliwiających odzyskanie 95 % surowców o wysokiej wartości z produkcji sztab i wafli krzemowych”, wyjaśnia Bellmann. „To pozwoli na wykorzystanie istotnych ilości surowców na potrzeby zastosowań przemysłowych o wysokiej wartości”. Zespół projektu opracował trzy innowacyjne działania pilotażowe, które umożliwiły skuteczne odzyskiwanie krzemu, krzemionki i grafitu. „Prace rozpoczęły się od gromadzenia odpadów u ich źródeł”, dodaje Bellmann. „Proszek krzemowy jest zwykle mokry, więc najpierw musi zostać wysuszony i poddany wstępnej obróbce. Konieczne jest także usunięcie zanieczyszczeń, by jakość surowca pozwalała na jego ponowne wykorzystanie”. Kolejne działanie pilotażowe skupiało się na przetwarzaniu surowców w pełnowartościowe produkty przemysłowe na potrzeby zróżnicowanych zastosowań, w tym ogniw fotowoltaicznych i akumulatorów litowo-jonowych. Odpady krzemowe zostały również przekształcone w wodór i szkło wodne (krzemian sodu) - związek stosowany jako spoiwo i środek wiążący w przemyśle budowlanym.
Zapewnienie niezawodności dostaw krzemu
Zespół prezentuje obecnie te wyniki podmiotom przemysłowym w Europie i na całym świecie. Jedną z analizowanych możliwości jest sprzedaż licencji w celu dalszego rozwoju technologii poprzez partnerstwa. „Rezultaty naszych prac mogą pobudzić rozwój europejskiego przemysłu produkcji ogniw fotowoltaicznych dzięki zapewnieniu dostaw surowca z miejscowych źródeł”, mówi Bellmann. „Opracowana przez nas technologia może wesprzeć odrodzenie tego sektora”. Przemysł półprzewodnikowy wymaga niezawodnych dostaw krzemu o jeszcze wyższym poziomie czystości niż ogniwa fotowoltaiczne. Również w tym przypadku koncepcje i technologie opracowane w ramach projektu ICARUS mogą pomóc zwiększyć konkurencyjność Europy w tym obszarze.
