Αξιοποίηση Φωτοβολταϊκών Τέλους Ζωής: 
Διερεύνηση Εναλλακτικών Χρήσεων

Παυλόπουλος, Χαράλαμπος

dc.contributor.author	Παυλόπουλος, Χαράλαμπος
dc.date.accessioned	2025-09-22T09:39:14Z
dc.date.available	2025-09-22T09:39:14Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62506
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30202
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	φωτοβολταϊκά	el
dc.subject	σταθεροποίηση	el
dc.subject	γεωπολυμερή	el
dc.subject	φωτοκατάλυση	el
dc.subject	διηλεκτρικά	el
dc.title	Αξιοποίηση Φωτοβολταϊκών Τέλους Ζωής: Διερεύνηση Εναλλακτικών Χρήσεων	el
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ IV: ΣΥΝΘΕΣΗΣ & ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ - Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Διαχείριση Αποβλήτων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06
heal.abstract	Η ραγδαία διάδοση της χρήσης φωτοβολταϊκών συστημάτων παγκοσμίως, στο πλαίσιο της απανθρακοποίησης και πράσινης ενεργειακής μετάβασης, συνεπάγεται και επικείμενη ραγδαία αύξηση των αποβλήτων τους. Ο Διεθνής Οργανισμός Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (IRENA) εκτιμά ότι τα απόβλητα φωτοβολταϊκών ενδέχεται να φτάσουν τους 78 εκατομμύρια τόνους έως το 2050. Καθώς ήδη οι πρώτες εγκαταστάσεις πλησιάζουν το τέλος του κύκλου ζωής τους (25-30 έτη), είναι αναγκαία η διαμόρφωση κατάλληλων στρατηγικών διαχείρισης. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να διερευνήσει εναλλακτικές οδούς επαναχρησιμοποίησης των φωτοβολταϊκών μετά το τέλος ζωής τους συμπληρωματικά στις μεθοδολογίες ανάκτησης που αναπτύσσονται. Δόθηκε έμφαση στη μελέτη φωτοβολταϊκών κρυσταλλικού πυριτίου (1ης γενιάς), που αποτελούν συντριπτική πλειονότητα στα έως τώρα εγκατεστημένα συστήματα, καθώς και σε φωτοβολταϊκά λεπτού υμενίου (2ης γενιάς). Διερευνήθηκαν τέσσερεις πιθανές οδοί επαναξιοποίησης που βασίστηκαν κατά κύριο λόγο στην εκμετάλλευση των ιδιοτήτων των ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα, καθώς και στην ανάπτυξη σύνθετων υλικών. Η πρώτη ερευνητική οδός αφορά την τροποποίηση ανακτημένων ημιαγωγών κρυσταλλικού πυριτίου για την παρασκευή φωτοκαταλύτη. Η κύρια μέθοδος που εφαρμόστηκε ήταν χημική χάραξη υποβοηθούμενη από μέταλλα με στόχο τη δημιουργία νανοδομών στην επιφάνεια του πυριτίου. Στη συνέχεια, για την βελτίωση της φωτοκαταλυτικής του ενεργότητας πραγματοποιήθηκε εμπλουτισμός (doping) με μέταλλα όπως Cu, Ag, Pt, ενώ παρασκευάστηκε και σύνθετος φωτοκαταλύτης Si/Co3O4. Οι καταλύτες αξιολογήθηκαν σε φωτοκαταλυτικές εφαρμογές διάσπασης χρωστικής (Μπλε του Μεθυλενίου), αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και διάσπασης νερού για παραγωγή υδρογόνου. Κατά την πρώτη πειραματική προσέγγιση η μείωση στη συγκέντρωση της χρωστικής δεν ξεπέρασε το 34%, ωστόσο ήταν εμφανής η συνεισφορά των διεργασιών χάραξης και εμπλουτισμού. Στη συνέχεια, κατά την αναγωγή εξασθενούς χρωμίου παρουσία κιτρικού οξέος επιτεύχθηκε πλήρης αναγωγή διαλυμάτων αρχικής συγκέντρωσης 15-30 mg/L σε χρόνους που εξαρτήθηκαν από τις συνθήκες κάθε πειράματος. Το γεγονός ωστόσο που παρουσίασε ιδιαίτερο ενδιαφέρον ήταν ότι η δράση αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί και απουσία ακτινοβολίας τονίζοντας τον πολλαπλό ρόλο του κιτρικού οξέος στο διάλυμα, σε αντίθεση με υπάρχουσα βιβλιογραφία που το αποδίδει καθαρά στη δράση φωτοκαταλύτη πυριτίου. Τέλος, όσον αφορά τη φωτο καταλυτική διάσπαση νερού για παραγωγή υδρογόνου ο υβριδικός καταλύτης Si/Co3O4 έδωσε τα βέλτιστα αποτελέσματα ως προς την επαναληψιμότητα της παραγωγής (>200 μmol σε 6 ώρες ακτινοβόλησης) και ως προς την σταθερότητα, καθώς ήταν η μόνη τροποποίηση στην οποία η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου δεν μειώνεται ραγδαία σε διαδοχικούς κύκλους. Παράλληλα, μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης αποβλήτου φωτοβολταϊκού πάνελ ως πρόσθετο σε εποξειδική ρητίνη για παρασκευή σύνθετου υλικού με διηλεκτρικές ιδιότητες. Αρχικά διερευνήθηκε η απόκριση ανακτημένου πυριτίου φωτοβολταϊκών 1ης γενιάς σε δυο διαφορετικά συστήματα εμπορικών ρητινών (Araldite, Resoltech). Έπειτα, χρησιμοποιώντας τη ρητίνη που παρουσίασε περισσότερο ικανοποιητική συμπεριφορά κατασκευάστηκαν σύνθετα χρησιμοποιώντας το σύνολο του αποβλήτου φωτοβολταϊκών πάνελ μετά από άλεση. Κατά την πρώτη πειραματική φάση, η παρουσία του πρόσθετου δεν φάνηκε να επηρεάζει σημαντικά τις αντοχές σε κάμψη της ρητίνης, ενώ μείωσε σημαντικά τις αντοχές σε διάτμηση υποδεικνύοντας μη επαρκή διασπορά των σωματιδίων εντός της πολυμερικής μήτρας και συσσώρευση τάσεων γύρω από τους κόκκους του πυριτίου. Η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των πολυμερικών μητρών αυξήθηκε στους 30°C έως και 12.5% για την Araldite και έως 84.0% για την Resoltech για εύρος συχνοτήτων 0.1 έως 106 Hz. Σε χαμηλή συχνότητα, η ικανότητα αποθήκευσης αυξήθηκε έως και 3.5 φορές σε σχέση με την καθαρή εποξειδική ρητίνη σε δείγματα Araldite και έως 3 φορές για την Resoltech. Ωστόσο η Araldite παρουσιάζει αυτή τη συμπεριφορά μόνο σε υψηλότερες θερμοκρασίες (>80°C) ενώ η Resoltech παρουσιάζει τουλάχιστον 1.5 φορά αύξηση σε όλο το εύρος θερμοκρασιών που εξετάστηκαν (30-120°C). Προχωρώντας στη δεύτερη πειραματική φάση εφαρμόστηκε μηχανική άλεση για περαιτέρω μείωση μεγέθους και επαρκή διασπορά του πρόσθετου. Γεγονός που επιβεβαιώθηκε από τις μηχανικές αντοχές των συνθέτων, που δεν παρουσίασαν σημαντικές μεταβολές σε σύγκριση με τη μήτρα σε αυτή την περίπτωση. Η παρουσία αποβλήτων φωτοβολταϊκών πάνελ 2ης γενιάς (ημιαγωγός τύπου CuIn(Ga)Se ή CI(G)S) αύξησε την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας της πολυμερικής μήτρας Resoltech στους 30°C έως και 25% στην περίπτωση του πρόσθετου 2.5% κ.β. από CIGS για εύρος συχνοτήτων 0.1 έως 106 Hz. Σε χαμηλή συχνότητα η ικανότητα αποθήκευσης για τα δείγματα με πρόσθετο από φωτοβολταϊκά 2ης γενιάς (CIS & CIGS) σημείωσε σημαντική αύξηση μετά τους 50°C τετραπλασιάζοντας την αρχική τιμή της ρητίνης ενώ σε θερμοκρασίες >100°C έφτασαν τις 45 (CIGS) και 40 (CIS) φορές αύξηση. Επιπλέον, διερευνήθηκε η σταθεροποίηση–στερεοποίηση αποβλήτων φωτοβολταϊκών πάνελ σε τσιμέντο Portland. Παρασκευάστηκε τσιμεντοκονία με αντικατάσταση μέρους της άμμου από απόβλητο φωτοβολταϊκών πάνελ σε ποσοστά έως και 20.0% κ.β., ενώ αξιολογήθηκαν η εκχύλιση βαρέων μετάλλων, οι μηχανικές αντοχές και η ανθεκτικότητα των προκύπτοντων δοκιμίων. Στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών 1ης γενιάς η ύπαρξη πυριτίου και αργιλίου οδήγησε σε τσιμεντοκονία με μειωμένες μηχανικές αντοχές, καθώς αυτά αντιδρούν προς παραγωγή υδρογόνου παρουσία του υδροξειδίου του ασβεστίου προκαλώντας ενθυλάκωση αερίου και διόγκωση στο τελικό προϊόν. Αντιθέτως, για τα φωτοβολταϊκά 2ης γενιάς οι τιμές αντοχής σε θλίψη στις 28 ημέρες που ελήφθησαν ήταν οι υψηλότερες για αντικατάσταση άμμου σε ποσοστό πάνω από 10% κ.β. και κυμαίνονται από 48.7 έως 58.5 MPa και 46.5 έως 54.6 Mpa για δείγματα CIGS και CIS αντίστοιχα, σε σύγκριση με 32.1 MPa του δοκιμίου αναφοράς. Τιμές που αντιστοιχούν σε 51.7 έως 74.1% και 44.9 έως 70.1% αύξηση αντίστοιχα. Οι δοκιμές ανθεκτικότητας σε διαδοχικούς κύκλους υγρού-ξηρού και ψύξης-απόψυξης έδειξαν πως όχι μόνο αυξάνεται η αντοχή των δοκιμίων σε περιβαλλοντικά φαινόμενα με την παρουσία φωτοβολταϊκών δεύτερης γενιάς αλλά τα δοκίμια με υψηλή αντικατάσταση αδρανούς 20% κ.β. CIS και CIGS είναι τα μόνα που δεν παρουσίασαν αστοχία. Σε αμφότερες τις περιπτώσεις οι συγκεντρώσεις των μετάλλων που ελέγχθηκαν με ICP-OES μετά τις δοκιμές εκχύλισης ήταν χαμηλότερες των 50 μg/L, κρίνοντας επιτυχή τη σταθεροποίησή τους. Τέλος, μελετήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης ανακτημένου πυριτίου και φωτοβολταϊκών 1ης γενιάς για την παραγωγή διαλύματος ενεργοποίησης γεωπολυμερισμού με ταυτόχρονη ανάκτηση υδρογόνου μέσω αλκαλικής αντίδρασης με NaOH. Αρχικά εξετάστηκε η χρήση ανακτημένου πυριτίου, με παρατηρούμενη παραγωγή υδρογόνου 1.55 L/g, απόδοση 89.2% της θεωρητικά αναμενόμενης. Στο διάλυμα που προέκυψε έγινε ταυτοποίηση του προϊόντος μεταπυριτικού νατρίου (Na₂SiO₃) και χρησιμοποιήθηκε στον γεωπολυμερισμό ιπτάμενης τέφρας με το τελικό προϊόν να αναπτύσσει θλιπτική αντοχή 7 ημερών 19.5MPa. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης του συνόλου του φωτοβολταϊκού μετά από άλεση. Εξετάστηκαν διαφορετικές αναλογίες των συστατικών της αντίδρασης και με γνώμονα τη συνολική απόδοση διαλυτοποίησης του πυριτίου και τον μοριακό λόγο SiO2/(Na2O+K2O) στο τελικό διάλυμα ενεργοποίησης επιλέχθηκε η βέλτιστη. Χρησιμοποιώντας την επιλεγμένη αναλογία κατασκευάστηκαν γεωπολυμερή ιπτάμενης τέφρας και αποβλήτου τούβλου τα οποία ανέπτυξαν αντοχή σε θλίψη 7 ημερών 18.8 και 32.9 ΜPa αντίστοιχα. Εν κατακλείδι, τα απόβλητα φωτοβολταϊκών πάνελ 2ης γενιάς φάνηκε πως μπορούν μετά από μόλις μια μηχανική προεπεξεργασία να χρησιμοποιηθούν στην παρασκευή σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης με αυξημένη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας και στην παραγωγή τσιμεντοκονίας αυξημένων αντοχών, σταθεροποιώντας παράλληλα επιτυχώς βαρέα μέταλλα όπως κάδμιο που περιέχονται σε αυτά. Ανακτημένο κρυσταλλικό πυρίτιο μπορεί επίσης να αξιοποιηθεί για την παραγωγή σύνθετου διηλεκτρικού υλικού με αυξημένη αποθηκευτική ικανότητα σε ικανοποιητικό εύρος θερμοκρασιών και συχνοτήτων. Απόβλητα φωτοβολταϊκών πάνελ 1ης γενιάς μπορούν να σταθεροποιηθούν επιτυχώς σε τσιμέντο Portland, ωστόσο μόνο σε χαμηλά ποσοστά αντικατάστασης (1%) λόγω του φαινομένου διόγκωσης που παρατηρείται. Μετά από κατάλληλες τροποποιήσεις μπορεί να παρασκευαστεί φωτοκαταλύτης από ανακτημένο πυρίτιο, ωστόσο οι έντονες χημικές (χάραξη με HF) ή θερμικές (400 ֯C - Si/Co3O4) διεργασίες που απαιτούνται καθιστούν σημαντικό το περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε σχέση με το όφελος της εφαρμογής. Τέλος, τόσο το ανακτημένο πυρίτιο όσο και το σύνολο του φωτοβολταϊκού πάνελ 1ης γενιάς χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς για την παραγωγή διαλύματος ενεργοποίησης γεωπολυμερισμού με ταυτόχρονη ανάκτηση υδρογόνου, ενώ κατασκευάστηκαν γεωπολυμερή αξιοποιώντας ταυτόχρονα ένα ακόμα ρεύμα αποβλήτων (ιπτάμενη τέφρα, απόβλητα τούβλων). Επομένως, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να αποτελέσουν μια σημαντική ερευνητική βάση για την περαιτέρω διερεύνηση και βελτιστοποίηση των οδών αξιοποίησης που προτείνονται αλλά και για τη διαμόρφωση νέων καινοτόμων μεθόδων επαναχρησιμοποίησης φωτοβολταϊκών τέλους ζωής.	el
heal.sponsor	Η παρούσα διατριβή υλοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου «ΦΩΤΟΜΕΓΑ: ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗ ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ» (κωδικός: Τ1ΕΔΚ-04249), το οποίο συγχρηματοδοτήθηκε από την Ελλάδα και την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος "Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα και Καινοτομία" (ΕΠΑνΕΚ) του ΕΣΠΑ 2014–2020, στο πλαίσιο της δράσης «Ερευνώ – Δημιουργώ – Καινοτομώ». Φορέας διαχείρισης της Δράσης αποτελεί η Ειδική Υπηρεσία Διαχείρισης και Εφαρμογής Δράσεων στους τομείς Έρευνας, Τεχνολογικής Ανάπτυξης και Καινοτομίας (ΕΥΔΕ ΕΤΑΚ).	el
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Ρεμουντάκη, Εμμανουέλα
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς
heal.committeeMemberName	Κακκάλη, Γλυκερία
heal.committeeMemberName	Βλυσίδης, Ανέστης
heal.committeeMemberName	Χρόνης, Νικόλαος
heal.committeeMemberName	Ψαρράς, Γεώργιος
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	282
heal.fullTextAvailability	false