Fukushima dẫn đầu nỗ lực tái chế kính pin mặt trời của Nhật Bản: Thách thức, đổi mới và chặng đường phía trước

Sáng kiến tái chế kính pin mặt trời tại Fukushima: Chương mới trong phát triển năng lượng tái tạo bền vững

Tỉnh Fukushima, nơi từng gắn liền với thảm họa hạt nhân, hiện đi đầu trong một thách thức môi trường mới: tái chế kính cường lực từ các tấm pin mặt trời hết hạn sử dụng. Khi làn sóng phát triển điện mặt trời tại Nhật Bản bước vào giai đoạn trưởng thành, nước này đang đối mặt với lượng pin mặt trời thải bỏ ngày càng lớn; dự kiến từ giữa những năm 2030, mỗi năm sẽ có hàng trăm nghìn tấn cần được xử lý. Nỗ lực tiên phong của Fukushima nhằm tái chế loại kính này thành vật liệu cách nhiệt cho nhà ở có thể trở thành hình mẫu cho cả Nhật Bản và các nơi khác.

Vì sao việc xử lý pin mặt trời đang trở thành khủng hoảng ở Nhật Bản?

Nhật Bản bắt đầu đẩy mạnh sử dụng năng lượng mặt trời sau thảm họa hạt nhân Fukushima năm 2011. Năm 2012, chính phủ triển khai cơ chế giá mua điện ưu đãi (FIT), bảo đảm mức giá cố định cho năng lượng tái tạo, qua đó thúc đẩy làn sóng lắp đặt pin mặt trời trên toàn quốc. Nhờ vậy, tổng công suất điện mặt trời lắp đặt của Nhật Bản đạt 85 triệu kilowatt vào năm 2022, đưa nước này lên vị trí thứ ba thế giới.

Tuy nhiên, pin mặt trời thường có tuổi thọ từ 20 đến 30 năm. Các tấm pin được lắp đặt vào đầu những năm 2010 hiện đang tiến gần đến cuối vòng đời sử dụng. Bộ Môi trường ước tính từ cuối những năm 2030, mỗi năm sẽ có từ 500.000 đến 800.000 tấn pin mặt trời cần được xử lý, khối lượng có thể vượt quá năng lực của các cơ sở xử lý chất thải công nghiệp và bãi chôn lấp hiện nay.

Phần lớn pin mặt trời hiện được đưa đến bãi chôn lấp, nhưng cách làm này không bền vững. Pin chứa các chất độc hại như chì và, trong một số trường hợp, cadimi; những chất này có thể ngấm ra môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Khối lượng chất thải khổng lồ cùng số lượng bãi chôn lấp hạn chế khiến việc tìm kiếm các giải pháp xử lý và tái chế bền vững trở nên cấp thiết.

Quy trình tái chế kính pin mặt trời diễn ra như thế nào?

Pin mặt trời là thiết bị phức hợp gồm nhiều lớp. Lớp trên cùng hướng về phía mặt trời được làm từ kính cường lực có độ tinh khiết cao. Bên dưới là các lớp nhựa ethylene-vinyl acetate (EVA), tế bào quang điện (thường làm từ silicon), một lớp EVA khác và tấm nền phía sau. Kính được ép dính với các tế bào bằng EVA, khiến việc tách riêng trở nên khó khăn.

Tại Fukushima, ba công ty—Takaryo Corp., Toshima Glass và Paramount Glass Mfg. Co.—đã hợp tác để giải quyết thách thức này. Quy trình của họ gồm:

• Nghiền kính bảo vệ lấy từ pin mặt trời đã qua sử dụng thành các mảnh nhỏ.
• Trộn kính này với các loại kính phế thải khác, chẳng hạn như kính chai lọ.
• Nung chảy hỗn hợp trong lò.
• Kéo sợi thủy tinh nóng chảy thành các sợi, sau đó dùng làm vật liệu cách nhiệt cho nhà ở.

Cách làm này vừa giúp giảm lượng kính đưa đến bãi chôn lấp, vừa tạo ra một sản phẩm có giá trị cho ngành xây dựng. Các thử nghiệm cho thấy việc thêm một tấn kính pin mặt trời vào 100 tấn vật liệu cách nhiệt không làm ảnh hưởng đến chất lượng thành phẩm.

Những thách thức chính là gì?

Dù có nhiều triển vọng, việc tái chế kính pin mặt trời vẫn gặp những trở ngại đáng kể:

• Khả năng sinh lời: Quy trình này tốn kém hơn so với việc chỉ xử lý kính thải. Việc điều chỉnh tỷ lệ phối trộn mất nhiều thời gian vì kính pin mặt trời chứa các chất khác với kính chai lọ thông thường.
• Quy mô: Paramount Glass ước tính cần ít nhất 100 tấn kính bảo vệ mỗi tháng để thương mại hóa ở quy mô đầy đủ. Hiện các công ty chỉ sử dụng một tấn mỗi tháng trong sản xuất thử nghiệm.
• Chi phí vận chuyển: Việc vận chuyển kính nặng từ các nhà máy điện mặt trời đến cơ sở tái chế làm tăng chi phí. Chính quyền tỉnh Fukushima đã bắt đầu trợ cấp chi phí vận chuyển để hỗ trợ nỗ lực này.
• Độ phức tạp kỹ thuật: Việc tách kính khỏi các bộ phận khác của pin, đặc biệt là nhựa EVA và kim loại nằm bên trong, đòi hỏi thiết bị và quy trình chuyên dụng.

Đổi mới và nỗ lực rộng hơn của ngành

Sáng kiến của Fukushima là một phần trong phong trào rộng khắp Nhật Bản nhằm phát triển công nghệ tái chế pin mặt trời hiệu quả. Một số công ty và tổ chức nghiên cứu đang triển khai các giải pháp đổi mới:

• TAKEEI Corporation tại thành phố Soma, Fukushima, đã đưa vào hoạt động cơ sở sử dụng “búa tái chế PV” để nghiền và tách kính khỏi các tấm pin. Nhà máy có thể xử lý khoảng chín tấn pin mỗi ngày và dự kiến mở rộng công suất. Các tấm pin đạt yêu cầu kiểm định sẽ được bán lại; số còn lại được tháo dỡ để thu hồi những vật liệu như nhôm và kính, sau đó tái chế hoặc xử lý có trách nhiệm.
• AGC Inc. đã tái chế thành công kính phủ của pin mặt trời thành kính nổi, một sản phẩm có giá trị cao được dùng trong xây dựng. Quy trình này giúp tiết kiệm nguyên liệu thô và giảm phát thải khí nhà kính, bởi xử lý kính tái chế tiêu tốn ít năng lượng hơn so với vật liệu nguyên sinh.
• Mitsubishi Chemical Group đã phát triển công nghệ sử dụng nhiệt độ cao để chuyển chất bịt kín trong pin mặt trời thành khí, giúp thu hồi kính, bạc, đồng và nhôm dễ dàng hơn. Phương pháp này giảm chi phí tái chế từ 20–30% và cho phép tái sử dụng khoảng 99% vật liệu của tấm pin.
• NPC và Toshiba Environmental Solutions đã phát triển các phương pháp cơ học để tách kính khỏi tế bào quang điện, chẳng hạn như kỹ thuật “dao nóng” và mài bằng bàn chải thép. Các phương pháp này hướng đến nâng cao hiệu quả và khả năng sinh lời của hoạt động tái chế.

Những đổi mới này rất quan trọng, bởi giá trị kính thu hồi tương đối thấp: kính phế liệu chỉ có giá 0,5–1 yên mỗi kilogram. Để hoạt động tái chế khả thi, các công ty đang tìm cách tạo ra sản phẩm tái chế có giá trị cao hơn hoặc giảm chi phí xử lý.

Chính sách của chính phủ: Hướng tới bắt buộc tái chế pin mặt trời

Nhận thấy quy mô của vấn đề chất thải sắp tới, chính phủ Nhật Bản đang tiến tới bắt buộc tái chế pin mặt trời. Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp cùng Bộ Môi trường dự kiến đề xuất luật yêu cầu các công ty tái chế pin mặt trời, kèm theo chế tài đối với trường hợp không tuân thủ. Một hội đồng chuyên gia đang được thành lập để xây dựng các phương pháp tái chế cụ thể và biện pháp hỗ trợ, trong đó có hỗ trợ tài chính.

Hiện nay, tái chế chưa phải là yêu cầu bắt buộc và phần lớn pin được đưa đến bãi chôn lấp. Chính sách mới nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, giảm thiểu tác động môi trường và đưa Nhật Bản tiệm cận các tiêu chuẩn quốc tế. Liên minh châu Âu đã yêu cầu tái chế pin mặt trời từ năm 2012; các quy định tương tự cũng đang được áp dụng tại một số khu vực ở Mỹ và được cân nhắc ở Trung Quốc.

Chính phủ cũng đang thúc đẩy phát triển các công nghệ điện mặt trời mới, như pin mặt trời perovskite (PSC), nhẹ hơn và linh hoạt hơn nhưng có tuổi thọ ngắn hơn. Các khoản trợ cấp để trang trải chi phí tái chế những tấm pin thế hệ mới này đang được xem xét.

Tác động môi trường và kinh tế

Tái chế pin mặt trời mang lại một số lợi ích môi trường:

• Giảm chất thải chôn lấp: Giảm lượng lớn kính và các vật liệu khác đưa đến những bãi chôn lấp có diện tích hạn chế.
• Ngăn ngừa ô nhiễm: Tái chế đúng cách ngăn các chất độc hại như chì và cadimi ngấm vào đất và nước.
• Bảo tồn tài nguyên: Kính, nhôm và silicon thu hồi có thể được tái sử dụng, giảm nhu cầu về nguyên liệu thô mới và mức tiêu thụ năng lượng.
• Giảm phát thải khí nhà kính: Sử dụng vật liệu tái chế trong sản xuất kính giúp giảm phát thải CO2 so với dùng nguyên liệu nguyên sinh.

Về mặt kinh tế, thách thức là làm sao để hoạt động tái chế có lãi. Giá trị thấp của vật liệu thu hồi và chi phí xử lý cao là những rào cản. Trợ cấp của chính phủ, đổi mới công nghệ và việc tạo ra các sản phẩm tái chế có giá trị cao hơn đều là một phần của giải pháp.

Vai trò hình mẫu quốc gia của Fukushima

Vai trò dẫn đầu của Fukushima trong tái chế pin mặt trời có ý nghĩa vì nhiều lý do. Đây là tỉnh có sản lượng điện mặt trời hằng năm cao nhất Nhật Bản và đã nỗ lực mở rộng năng lượng tái tạo kể từ thảm họa hạt nhân năm 2011. Kinh nghiệm xây dựng hạ tầng tái chế, thúc đẩy hợp tác trong ngành và thu hút hỗ trợ của chính phủ tại đây có thể trở thành hình mẫu cho các khu vực khác đang đối mặt với thách thức tương tự.

Hơn nữa, những nỗ lực của Fukushima là một phần trong chuyển dịch rộng hơn hướng tới nền kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo của Nhật Bản. Các sáng kiến như “Soma Circular Park” và việc ra mắt các nền tảng trực tuyến về tái sử dụng, tái chế pin mặt trời cho thấy sự quan tâm ngày càng lớn đến tính bền vững và hiệu quả sử dụng tài nguyên.

Tiếp theo, việc tái chế pin mặt trời ở Nhật Bản sẽ ra sao?

Khi lượng pin mặt trời hết hạn sử dụng tăng lên, Nhật Bản sẽ phải vượt qua phép thử quan trọng về năng lực quản lý bền vững chất thải từ năng lượng tái tạo. Những bước đi then chốt sắp tới gồm:

• Mở rộng hoạt động tái chế để xử lý hàng trăm nghìn tấn pin mỗi năm.
• Phát triển công nghệ tái chế hiệu quả với chi phí hợp lý.
• Ban hành và thực thi quy định bắt buộc tái chế.
• Khuyến khích tạo ra các sản phẩm tái chế có giá trị cao để cải thiện khả năng sinh lời.
• Thúc đẩy tái sử dụng pin khi có thể, nhất là tại những khu vực có yêu cầu hiệu suất ít nghiêm ngặt hơn.

Để thành công, cần tiếp tục hợp tác giữa chính phủ, doanh nghiệp và các tổ chức nghiên cứu, đồng thời có sự ủng hộ của công chúng đối với các hoạt động năng lượng bền vững.

Tóm lại

• Nhật Bản đang đối mặt với nguy cơ khủng hoảng chất thải pin mặt trời; đến cuối những năm 2030, lượng thải dự kiến lên tới 800.000 tấn mỗi năm.
• Tỉnh Fukushima đang tiên phong tái chế kính pin mặt trời thành vật liệu cách nhiệt, có thể tạo hình mẫu cho cả nước.
• Hoạt động tái chế gặp trở ngại do chi phí cao, độ phức tạp kỹ thuật và nhu cầu vận hành ở quy mô lớn.
• Công nghệ đổi mới và trợ cấp của chính phủ đang giúp hoạt động tái chế khả thi hơn.
• Các quy định bắt buộc tái chế đang được xây dựng nhằm giải quyết những lo ngại về môi trường và tài nguyên.
• Vai trò dẫn đầu của Fukushima phản ánh xu hướng chuyển dịch rộng hơn sang nền kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo của Nhật Bản.
• Tái chế pin mặt trời hiệu quả là điều thiết yếu để bảo đảm quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch của Nhật Bản bền vững về lâu dài.