Comparative study on environmental impacts of end-of-life photovoltaic panel treatments using life cycle assessment methodology

Abstract

In June 2020, Siberia experienced abnormally high temperatures with a record-breaking 38℃ in the Arctic Circle. Carbon dioxide (CO2) is well-known to be a major greenhouse gas (GHG) responsible for global warming. Among several CO2 emission sources, the contribution of the energy sector accounts for 58.8% of all GHG emissions worldwide. Recently, efforts were undertaken to encourage using renewable energy sources to minimize environmental impacts. Renewable energy sources such as solar energy, wind energy, biomass energy, and geothermal energy provide a promising opportunity for mitigating GHG emission and global warming as substitutes for fossil fuels and could supply 20%–40% of the primary energy demand in 2050.

Among those renewable energy sources, solar energy is the most abundant and accessible, in both direct and indirect pathways. By using photovoltaic (PV) cells, solar energy may be directly converted to electricity without emissions, noise, and vibration. In the last decade, the worldwide PV market has increased rapidly. At the end of 2017, the cumulative global installed PV capacity reached 397.4 GW. The typical lifespan of PV panels is 25–30 years, and PV panel waste would thus become a main environmental issue within the next few years. Countries with high cumulative installation capacity would encounter the largest burden of PV waste in the future. At the end of 2050, the cumulative global PV waste amounts could reach 60–78 million tons.

Life cycle assessment (LCA) is an effective tool for systematically evaluating the environmental impact of products and/or processes during their life cycle, including manufacturing, operation, and end-of-life (EoL) disposal. Although the environmental impact of PV systems focusing the production and operation phases has been extensively investigated over the past few years, limited studies have focused on the management of EoL PV panels.

Considering the dramatic increase in EoL PV panels as an emerging waste problem in the field of solid waste management, a proper PV waste management protocol has to be established to support a circular economy. Therefore, recovering materials from EoL PV panels is proposed as a primary strategy to reduce the negative environmental impacts, aiding sustainability. The EoL treatment process starts by transporting EoL panels to the recycling facility.

The LCA results of the EoL PV treatment without considering the avoided impacts related to the material recovery demonstrated that the environmental impacts of high-level treatment were higher than those of low-level treatment because of higher environmental burdens associated with additional processes requiring chemicals, electricity, and thermal treatment. When considering environmental disburden associated with material recovery, the net environmental benefits from the high-level treatment were almost two times higher than those of low-level scenarios.

The main empirical findings derived from this study can be summarized as follows. Comparing the environmental impacts related to the transportation of PV wastes, the scenario that included transporting the wastes to the recycling facility via the collection center had 14.2% to 26.2% less adverse environmental impact than the scenario that involved directly transporting the wastes to the recycling facility. This reduction in adverse environmental impact was due mainly to the reduction in the weight after pre-treatment and the transport efficacy provided by a large-sized vehicle even though the distance via the collection center increased. Furthermore, the environmental impacts associated with the material recovery process were assessed for three leaching agents: HNO3, I2–KI, and thiourea, to choose the most environmentally friendly alternative. The LCA results for using thiourea showed that the environmental burdens were higher than those for the other two leaching agents. The LCA results for the use of thiourea showed that the environmental burdens were higher than those for the other two leaching agents. However, based on the level of the endpoint analysis and considering the recovery of material, the net benefit was found to be higher when using HNO3 as the leaching agent rather than either of the other two leaching methods.

When the secondary production of material was considered, some indicators could not exceed the environmental burdens of the recycling processes. Consequently, the findings associated with the treatment of EoL PV panels suggest that resource recovery and transportation should be considered to reduce the economic and environmental burdens.

2020년 6월 북극권 시베리아 지역의 기온이 38도를 기록하여 역대 최고기온을 기록한 바 있다. 온실가스 중 이산화탄소는 지구온난화의 주범으로, 전세계적으로 에너지 부문이 58.8%를 기여하는 것으로 알려져 있다. 최근, 환경영향을 최소화하기 위해 재생에너지 보급을 확대하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 태양광, 풍력, 바이오, 지열 등 재생에너지원은 화석연료를 대체하여 온실가스 배출을 저감하고 지구온난화를 완화할 대책으로 제시되고 있으며, 2050년에는 일차에너지의 20 - 40%가 신재생에너지를 통해 공급될 것으로 예측되고 있다.

신재생에너지 중 태양에너지는 가장 풍부하고 다양한 환경에서 이용이 가능한 에너지원으로, 태양전지를 이용하여 오염물질 배출이나 소음, 진동 없이 태양에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다. 지난 10년간 태양광 시장은 급격히 증가하여, 2017년 전세계 누적 발전용량은 397.4 GW에 달하고 있다. 태양광패널의 수명이 25 - 30년임을 고려할 때, 태양광패널은 수 년 내로 환경 이슈가 될 것으로 예측되고 있다. 태양광패널의 누적 설치 용량과 태양광 설비 목표가 큰 나라는 특히 태양광 폐패널과 관련한 환경 부담에 직면할 것으로 예상된다. 2050년말 누적 폐패널 발생량은 6,000만톤-7,800만톤에 이를 것으로 전망된다.

전과정 평가 방법은 제품 또는 시스템의 제조, 사용, 폐기 등 모든 과정에 걸쳐 환경에 미치는 영향을 평가하는 기법이다. 몇 년간 생산과 운영 단계의 태양광 시스템에 대한 환경영향 평가가 이루어졌으나, 태양광 패널의 폐기 단계에 초점을 맞춘 연구는 제한적으로 이루어진 바 있다. 태양광 폐패널의 급격한 증가에 따라 폐패널의 적절한 처리 방안을 수립하는 것이 필요하다. 폐패널에 포함된 물질의 회수를 통해 환경영향을 줄일 수 있는 방안이 제안되고 있다. 폐패널의 처리과정은 폐패널의 처리시설로 수송하는 것으로 시작된다.

본 연구에서 폐패널을 열처리에 의한 물질분리와 화학처리에 의한 회수공정을 포함하여 높은 수준으로 처리할 경우 이에 수반되는 화학물질, 전기, 에너지 투입으로 인해 분리, 파쇄에 의한 물리적인 처리만을 포함하는 낮은 수준의 처리보다 환경부하가 더 큰 것으로 나타났다. 반면, 재활용을 통해 회수되는 물질에 의한 회피영향을 고려한 경우, 폐패널 처리에 의한 환경 부담은 두 경우 폐패널 처리에 의한 환경편익은 높은 수준으로 처리할 경우가 낮은 수준의 처리보다 두 배 정도 큰 것으로 나타났다.

본 연구를 통해 실질적으로 도출된 연구결과는 다음과 같다 : 태양광 폐패널 수송시 수거센터에서 전처리를 거치는 경우 수송에 의한 환경부하는 전체 수송거리의 증가에도 불구하고 재활용 시설로 직접 수송하는 경우보다 -26.2% 에서 -14.2 %로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 불구하고전처리에 의한 폐패널 무게의 감소 및 대형차량 사용으로 인한 수송 효율성의 증가 때문으로 분석되었다. 물질회수에 사용가능한 세 가지 용출제(질산, 요오드, 티오요소) 사용시의 환경영향을 비교한 결과, 티오요소를 사용한 경우, 환경편익이 가장 큰 것으로 나타났다.

회수된 재활용 물질에 의한 추가 생산 회피를 고려하더라도 환경영향 범주 중 일부는 처리과정에 의해 환경부하가 발생한다. 결론적으로, 폐패널의 처리시의 경제적, 환경부하의 감소를 위해서는 자원회수와 수송에 대한 고려가 필요하다.