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新たな環境技術で、太陽光パネル廃棄物問題の解決なるか


国際環境経済研究所理事、東京大学客員准教授


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 先日、環境ビジネスに関する研究会で、信州大学繊維学部の金子正彦特任教授の講演を伺う機会がありました。金子先生は、「太陽電池パネルの分解と有価物の回収技術」に取り組んでいます。日本では十年~十数年後に、太陽光パネルの大量廃棄問題に直面することが懸念されていることから、大変関心を持ってお話を伺いました。(図1)

 近い将来廃棄される太陽光パネルは膨大な量になると思われますが、図2のように国内に太陽光発電設備のリサイクル技術は一部存在していますが、十分ではない状況です。古い太陽電池パネルをリユースしていく取り組みも大切ですが、その一方、解体するパネルが相当量出てくることが予想されます。しかし、太陽光モジュールは現在の技術では分解処理が困難と言われています。太陽光発電設備のリサイクル技術を低コストに行うことは、今後の大きな課題です。現在、国はNEDO(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)の実証研究プロジェクト等で処理技術の開発に支援を行っている状況です。

図1 太陽光発電システムの発生量見通し 出典:環境省

図1 太陽光発電システムの発生量見通し 出典:環境省

図2 使用済太陽光発電設備システムのフロー 出典:環境省

図2 使用済太陽光発電設備システムのフロー 出典:環境省

 そうした中、新たな処理技術が、太陽光パネル大量廃棄物問題の解決への糸口になるかもしれません。金子先生のご講演から技術の概要を紹介したいと思います。

太陽電池モジュールの処理技術の課題

 現在の太陽電池パネルのリサイクル方法として、大量の樹脂を含むパネルを高温で熱分解したり、塩素系の溶剤や強酸で樹脂を溶かしたりして原材料を取り出す方法があります。しかし、処理の過程でパネルを覆う樹脂が太陽電池セルのシリコンやガラスにこびり付き、分けて回収する際の大きな障害となっています。

 太陽電池モジュールの現在の処理技術の主な課題として、

(1)
「乾式技術(熱分解法)」は、有機物が炭化した状態で残るので、有価物と有機物を完全に分解することができず、有価物をクリーンな状態で回収することはできない。
(2)
「湿式技術」は、処理に長時間を要し、実用的ではない。
(3)
「外枠外し」は、機械的に強引に引きはがす以外の技術はない。

といった問題があり、今後膨大な量が生じる使用済み太陽電池パネルを処理し、有価物を回収するための有用な技術は見られません。しかし、「半導体熱活性法(TASC法:Thermal Activation of Semiconductors)」が、これらの課題を解決する可能性があります。

半導体熱活性法(TASC法)とは?

 TASC法とは、半導体を350~500℃に加熱すると強力な酸化効果が発現し、この酸化力を利用して、ポリマーのような巨大分子を一瞬にして、エチレン、プロパンのレベルまで裁断化し、空気中の酸素を反応させて、水と二酸化炭素に完全分解する技術のことです。TASC法は有機物のみを完全分解して除去し、有価物をクリーンな形で回収できる技術です。

 TASCは、2013年に設立された大学ベンチャー「ジンテク」創始者の水口仁氏(横浜国立大学名誉教授、信州大学特任教授)が2000年頃に発見した新規な現象でした。金子先生は現在、水口先生とともにTASC法の開発をされています。(科学技術振興機構ならびに環境省の環境研究総合推進費補助金の支援を受ける)

 「TASC法によるポリマーの分解プロセス」(図3)については、ジンテクの資料から抜粋して記載します。

 TASC技術で使われる半導体は、酸化物半導体と呼ばれる金属酸化物であり、高温かつ酸素雰囲気で安定的な化合物です。中でも緑色をした酸化クロムは最も安定で、その融点は2200℃です。この酸化クロムを350~500℃に加熱すると、突如として強い酸化力が発現します。強い酸化力ということは、別の言い方をすれば、「電子を引き抜く力が強い」ということです。
 ポリマーが過熱された半導体に接触すると、ポリマーから接合電子が引き抜かれ、ポリマー内に不安定なカチオン・ラジカルが形成されます(ラジカル生成)。ラジカルはポリマー内を伝播し、ポリマー全体を不安定化します。その結果、ポリマーは自滅し、小さな分子へと逐次分解され、エチレンやプロパン化された分子は空気中の酸素と反応し、水と炭酸ガスになる(完全燃焼)。
 分解プロセスは、半導体の酸化力による①ラジカルの生成、②ラジカル開裂、そして③小分子の酸素との完全燃焼反応の3つの素過程から構成されています。

図3 TASC法によるポリマーの分解プロセス 出典:ジンテク

図3 TASC法によるポリマーの分解プロセス 出典:ジンテク

次のページ:TASC技術の応用

 太陽電池パネルを酸化クロムの半導体上に置き、約500℃で約20分間熱すると、パネル内の樹脂から電子が半導体に引き抜かれます。樹脂全体が不安定化し、樹脂は細かい分子へと分解します。分子は空気中の酸素と反応して完全燃焼し、樹脂が全て除去されます。熱処理の後に太陽電池パネルを叩くだけで、ガラスが粉々になり、太陽電池セルを簡単に分けることができます。また、銅とすずの合金製導線なども簡単に取り出すことが可能です。


図4 TASC処理により太陽電池パネルから回収された有価物       シリコン太陽電池セル、ガラス・カレット、インターコネクター 出典:ジンテク

図4 TASC処理により太陽電池パネルから回収された有価物
シリコン太陽電池セル、ガラス・カレット、インターコネクター 出典:ジンテク


 TASC技術により、太陽電池パネル内の有機化合物のポリマー成分をクリーンな形で完全分解し、パネルの解体、そして有価物(ガラス、シリコン・ウェファー、銀をはじめとする電極材料)の回収に成功しました。(図4)TASC技術は100%乾式法で、処理工程もシンプルなため、太陽電池パネルのリサイクルにかかるコストは現在の10分の1程度になると言います。

TASC技術の応用

 TASC技術のメリットは、有機化合物(炭素を含む化合物)を完全に分解する力を持つ一方、無機化合物(炭素を含まない化合物)には何も影響を与えないことです。有機化合物と無機化合物が混ざり合った物質から、有機化合物を完全に取り除き、無機化合物を原形のまま取り出すことが可能です。

 また、ポリマーのような巨大分子が一瞬にして完全分解されるため、太陽電池パネルの解体と有価物の回収のみならず、他にも応用が可能です。「繊維強化プラスチック(FRP)のリサイクル」においてポリマー・マトリックスのみを分解し、強化繊維を回収することや、ボンド磁石等から「レアアースやレアメタル等の金属の回収」、「VOC(揮発性有機化合物)汚臭等の完全浄化」、「焼成炉から発生するタールの除去」などへの応用が期待されています。

 現在、TASC法は特許出願中で、5年以内の実用化を目指しているそうです。TASC法は、将来起きるだろう太陽電池パネルの廃棄物問題に対して、安価で簡便なリサイクル技術を提供するとともに、環境分野のさまざまな課題を解決する画期的な技術としての可能性を秘めていることに期待が大きく膨らみます。

※TASC技術の詳細や問い合わせは、「ジンテク」のウェブサイトをご参照ください。
http://jintech.org/?page_id=57



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