【論文紹介】物理的分離技術の組み合わせによる使用済み太陽光発電パネルのリサイクルシステムのライフサイクル評価

引用・参考文献
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344923000599?via=ihub

Heiho A, Suwa I, Dou Y, et al. Prospective life cycle assessment of recycling systems for spent photovoltaic panels by combined application of physical separation technologies. Resour Conserv Recycling. 2023;192:106922. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344923000599. doi: 10.1016/j.resconrec.2023.106922.

目的、背景

使用済みPVパネルの再利用、リサイクル、適正処分に関する議論が最近始まったが、現行の法律は不十分である（MOE, 2015; MIC, 2017, 2018）。環境省（2015）によると、2030年代後半にPVパネルに費やされる量は年間500～800kt-PVパネルと見積もられている。また、予測される排出量がすべて埋立処分されると仮定すると、2012年の産業廃棄物の最終処分量に占める太陽光パネルの割合は、2020年には0.02%であったのに対し、2039年には6%に達すると予測される。このような中、既存システムの問題点を明らかにし、適切な回収・処理・リサイクルのための技術開発・実証・システム設計に早急に取り組む必要がある。

先行研究と比べてどこがすごいのか

PVパネルの環境負荷は、地域の技術圏や社会経済的特性により、国や地域によって異なると推定されている（Frischknecht et al., 2015）。これらの研究は、廃棄方法の異なる様々な種類のPVパネルを使用したケース間の環境負荷の違いに関する一般的な視点を提供するものであり、新たな技術を導入する場合には結果を更新する必要性を示すものである。特に、太陽光発電パネルにおける資源回収には様々な技術の組み合わせがあり（菊池ら、2020）、国家戦略や技術開発ロードマップを前提に、可能な技術の組み合わせについて事前に最適化設計を行うことが重要である。つまり、使用済み太陽電池パネルの増加という深刻な問題に直面した場合、早急に具体的なフィージビリティスタディとLCAを行いながら、新興技術やエコデザインを早期に開発する必要がある。

研究手法

本研究では、最近日本で試験的に実施された一連の物理的分離技術案の環境影響を評価する。

提案されている技：アルミニウム（Al）フレーム分離（Matsumoto, 2020）、二段階（一次粉砕と二次粉砕）の精密機械分離（Tokoro et al., 2021）、ガラス／エチレンビニルアセテート（EVA）分離のためのホットナイフ法（Matsumoto, 2020）、セルシート中の銅（Cu）と銀（Ag）を対象とした高電圧パルス放電（Tokoro et al., 2020; Lim et al., 2021）


提案された技術と、主に中間処理（破砕と選別）と埋め立てからなる従来システムを、ライフサイクル温室効果ガス排出量（LC-GHG）と資源消費ポテンシャル（LC-RCP）の観点で比較する。

研究結果

LC-GHGは、従来システムで198～254kg-CO2eq、代替システムで185～198kg-CO2eqであった（図2（a））。すべての代替システムは、リサイクル効果により環境負荷が低い。ケースa-1がケースc-3よりも精密な機械的分離によって金属を回収しているにもかかわらず、全体的な影響は基本的に同じであった。これは、PVパネル製造時のLC-GHG総排出量の約59%を占めるSiウェハーの製造（図S4(a)）が、LC-GHG全体を支配しているためである。その結果、回収材料（金属やガラスなど）からのリサイクル効果は、LC-GHG 全体への影響が少ないことを示している。

図 2(c)は、PV パネルの生産過程を含まない場合の LC-GHG の結果である。ケースc-1とケースc-2～a-5の差は、使用済みPVパネルの回収・処理の重要性を示している。従来システムの資源回収工程からの GHG 排出量の範囲は 6.77～34.1 kg-CO2eq であったのに対し、代替システムの範囲は 5.09～7.19 kg-CO2eq であった。リサイクル効果は、Al、ガラス、Cu、Agの回収量に応じて段階的に増加する。

資源回収から最終処分までの環境負荷の内訳はケースによって異なる。他の物理的分離技術と比較すると、高電圧パルス放電は粉砕・選別よりも環境負荷が低い。どのケースでも、資源回収工程よりも、製錬や産業廃棄物処理など、分離工程後の後工程による影響の方が大きかった。製錬によって金属資源を回収するケースa-4は、製錬工程が低濃度の金属含有残渣を受け入れない可能性があるにもかかわらず、総環境負荷が最も低い。

一方、LC-RCP（図2(b)）は、従来型では5.14×10-2～6.88×10-2 kg-Sbeq.、代替型では-3.33×10-2～1.91×10-2 kg-Sbeq.であった。LC-GHGの場合と同様、積み上げ棒グラフから、環境負荷はPVパネル製造に起因していることがわかるが、その内訳はSiウエハ6.08%、Al25.1%、カバーガラス2.18%、Cu1.73%、Ag60.0%である（図S4(b)）。したがって、資源回収のための技術導入は有効であることがわかった。ただし、資源回収プロセスの環境負荷は従来プロセスよりも高くなる傾向にあり、電気パルスの製錬と設備生産が総負荷に大きく寄与している（図2(d)）。とはいえ、回収プロセスを実施することによる追加的な環境負荷は、リサイクルのメリットに比べれば無視できるものであることがわかった。

議論はあるか

代替システムで回収される金属精鉱は、適用される技術によって濃度が異なる。高電圧パルス放電は、最も高濃度のCuブスバーを生成するが、製錬プロセスのインベントリー・データが不足しているため、十分に評価されていない可能性がある。したがって、追加的なインベントリー・データを作成し、製錬所の受入基準によって技術を社会的に実施することが重要である。
→社会実装のネックになっているのはここなのか？
結局製錬が必要？？

ホットナイフ法によるカバーガラスの分離は、カバーガラスのリユース・リサイクルに有効であるが、ガラス製品メーカーの協力と、カバーガラスが割れないようにするための適切な回収・運搬方法が必要である。