Nuova tecnologia di circolazione dell’acqua per ridurre i costi di produzione delle celle solari PERC

I ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) hanno sviluppato modelli per valutare e confrontare due strategie idriche circolari in una fabbrica di celle solari PERC (Passivated emitter and rear) da 5 GW. Si tratta del primo “modello idrico completo” pubblicato per una fabbrica di celle solari.

Il team ha confrontato due scenari di flusso di acqua dolce e di acque reflue con una strategia idrica in un impianto di produzione di celle PERC convenzionale. Il primo scenario, noto come acque reflue a bassa contaminazione (LCR), recupera le acque di risciacquo in modo che possano essere scaricate indirettamente in linea con le normative. “Inoltre, alcuni flussi di acque reflue sono stati utilizzati come acqua dolce per le applicazioni a valle! hanno spiegato i ricercatori.

Il secondo scenario, noto come scarico minimo di liquidi (MLD), secondo il team di ricerca riduce il più possibile la quantità di acque reflue in uscita dalla fabbrica identificando e recuperando al contempo eventuali oggetti di valore dalle acque reflue.

Per ogni scenario, sono state condotte un’analisi costi-benefici e una valutazione del ciclo di vita (LCA) utilizzando il software Umberto 11, comunemente usato per analizzare l’impatto ambientale di aziende e prodotti, e il database Ecoinvent dell’inventario del ciclo di vita. L’analisi si è basata anche su uno specifico modello di flusso di materiali, sulla valutazione ambientale e sul calcolo del costo totale di proprietà (TCO).

“È necessaria un’analisi complessiva dell’impatto ambientale per determinare se le soluzioni proposte consentono di ottenere un miglioramento ambientale netto per il sistema di produzione delle celle solari” ha dichiarato il team. “I risultati mostrano che, per gli scenari analizzati, il 38% e il 79% del consumo di acqua e il 40% e l’84% dello scarico indiretto delle acque reflue nella fabbrica di celle possono essere risparmiati rispettivamente con gli approcci LCR e MLD”.

Inoltre, per le strategie LCR e MLD sono state individuate riduzioni dei costi di produzione delle celle rispettivamente dello 0,5% e dello 0,7%. “Rispetto allo scenario di riferimento, le strategie circolari per l’acqua proposte offrono significativi risparmi di acqua e di acque reflue” ha dichiarato il gruppo.

Sono stati presi in considerazione diversi tipi di tecnologie per la gestione dell’acqua e delle acque reflue tenendo conto dei costi, della domanda di energia, dei rischi operativi e della complessità. Sono state prese in considerazione solo le tecnologie di riciclo dell’acqua disponibili in commercio e specificamente adatte alle caratteristiche chimiche delle acque reflue del fotovoltaico come l’osmosi inversa, la precipitazione del fluoruro di calcio e le tecnologie di ultrafiltrazione.

Il team ha inoltre raccolto dati approfonditi per ciascuna delle fasi di produzione delle celle solari PERC. Altri vincoli importanti erano una produzione di 2.819 m2 di celle all’ora e prodotti con le seguenti caratteristiche: 160 µm di spessore, 244,32 cm2, 5,37 W e 22% di efficienza di conversione di potenza della cella.

Per costruire i modelli di scenario sono stati utilizzati diversi strumenti. Per la miscelazione dei flussi, l’evaporazione, le reazioni di precipitazione e neutralizzazione e l’uso di sostanze chimiche, il team ha utilizzato il software phreeqc, un programma informatico per la speciazione, la reazione batch, il trasporto monodimensionale e i calcoli geochimici inversi. Le soluzioni per i processi di evaporazione sono state modellate con il database SIT.dat per soluzioni altamente saline. I processi a membrana sono stati simulati con il software di progettazione del trattamento delle acque DuPont WAVE. Sono stati dimostrati anche i modelli dei flussi di acqua e di acque reflue, compresi i processi di bonifica dell’acqua.

Per quanto riguarda la valutazione dell’impatto del ciclo di vita (LCIA), è stata utilizzata l’impronta ambientale dell’UE, versione 3.0, ed è stato ottenuto un miglioramento del punteggio singolo dell’impatto ambientale della produzione di celle. È inferiore dello 0,4% per l’LCR e del 3,2% per l’MLD.

“L’analisi dei costi del ciclo di vita ha dimostrato che queste tecnologie sono economicamente valide per questa applicazione, ma è stato necessario valutare attentamente i prezzi dell’energia, dell’acqua e dello scarico delle acque reflue”, hanno dichiarato gli studiosi, aggiungendo che sono possibili riduzioni dei costi netti di produzione delle celle pari a 0,025 euro/W e 0,035 euro/W per le strategie LCR e MDL, rispettivamente.

“Le riduzioni dell’impatto ambientale della fabbrica di celle sono stimate da -1,4% a 34,3% per le diverse categorie di impatto, con riduzioni significative dell’ecotossicità dell’acqua dolce, dell’eutrofizzazione dell’acqua dolce e dell’eutrofizzazione marina per entrambe le strategie di acqua circolare”, ha spiegato il team.

I ricercatori hanno fornito una spesa in conto capitale (CAPEX) e spese operative (OPEX) per ciascuna delle due strategie idriche circolari, notando che il consumo energetico complessivo della LCR è “relativamente basso” con un caso di “CAPEX e OPEX molto bassi”. Hanno inoltre osservato che, rispetto al caso di riferimento, non si ottiene alcun recupero di risorse diverse dall’acqua.

Nella loro analisi dello scenario MLD hanno notato che richiede un’elevata energia termica e maggiori CAPEX e OPEX per i macchinari necessari. L’MLD consente anche una riduzione dell’acqua dolce del 79% e delle acque reflue dell’84%, con conseguenti risparmi annuali sui costi dell’acqua dolce e delle acque reflue, oltre all’opportunità di recuperare “sottoprodotti preziosi” da utilizzare in altri settori.

In prospettiva, i ricercatori vedono l’adozione nelle fabbriche a contatto passivo con ossido di tunnel (TOPCON) e a etero-giunzione (HJT), poiché “molti dei flussi di acque reflue analizzati sono simili”. Si consiglia di installare un dimostratore, “per convalidare i risparmi stimati, dato che è stato necessario superare molte sfide tecniche”.

Il nuovo concetto di circolazione dell’acqua è stato presentato nello studio “Circular water strategies in solar cells manufacturing”, pubblicato su Solar Energy. Lo studio è frutto della collaborazione di ricercatori del Fraunhofer ISE, di RENA Technologies GmbH, della Technische Universität di Berlino e del Fraunhofer Institute for Building Physics.

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