ศ.ฟู่เย่าเสียน ทุ่มเทเวลาในการศึกษาวิจัยด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ มานานกว่า 20 ปี ในมือถือโซลาร์เซลล์ชนิดฟิล์มบางที่เคยได้รับความนิยมอย่างมาก พร้อมบอกเล่าเรื่องราวการพัฒนาของภาคอุตสาหกรรมทั้งในยุคที่เฟื่องฟูและตกต่ำ
จากการประมาณการของทบวงอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมไต้หวัน ในปี ค.ศ. 2023 ไต้หวันจะสร้างขยะที่เป็นแผงโซลาร์เซลล์ซึ่งหมดอายุใช้งานประมาณ 10,000 ตัน และตั้งแต่ปี ค.ศ. 2035 เป็นต้นไปจะเพิ่มมากกว่า 100,000 ตันต่อปี ในขณะที่แบบจำลองเชิงคาดการณ์ของทบวงการพลังงานหมุนเวียนระหว่างประเทศ (International Renewable Energy Agency, IRENA) ระบุว่า ปี ค.ศ. 2050 ทั่วโลกจะมีขยะแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุมากถึง 910 ล้านตัน หรือเทียบเท่ากับช้างเอเชีย 220 ล้านเชือก ส่งผลให้ปัญหาขยะที่ยากต่อการกำจัดเหล่านี้ บดบังเจตนารมณ์อันดีงามในการพัฒนาพลังงานสะอาดเสียสิ้น การรีไซเคิลซากแผงโซลาร์เซลล์จึงถือเป็นภารกิจเร่งด่วนที่ทั่วโลกต้องเร่งหาทางแก้ไข
ทีมวิจัยของบัณฑิตวิทยาลัย คณะพลังงานสีเขียว (Department of Greenergy) มหาวิทยาลัยแห่งชาติไถหนาน (National University of Tainan : NUTN) ก้าวล้ำนำหน้านานาประเทศ โดยสามารถคิดค้นและพัฒนาระบบรีไซเคิลแบบ 100% ภายใต้แนวคิด “วัสดุที่มีความยั่งยืน” พวกเขาได้ร่วมกันสร้างระบบเศรษฐกิจหมุนเวียนในอุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์พลังงานแสงอาทิตย์ (Sun Optoelectronics) และช่วยหาทางออกให้แก่ปัญหาแห่งศตวรรษ ในขณะเดียวกันยังเป็นการบุกเบิกเส้นทางใหม่ให้แก่อุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของไต้หวันอีกด้วย
ในช่วงฤดูร้อน ภาคกลางและภาคใต้ของไต้หวันมีแสงแดดที่เจิดจ้า แผงโซลาร์เซลล์กำลังทำงานอย่างขะมักเขม้น หากเป็นการติดตั้งโดยผ่านการระดมทุนของภาคเอกชน ในยามนี้ทุกคนกำลังมีความสุขกับรายรับที่มาจากการขายกระแสไฟฟ้า และการก้าวไปสู่เป้าหมายของการใช้พลังงานสะอาด แต่แผงโซลาร์เซลล์ที่ติดตั้งอยู่บนหลังคาอาคารและบนที่ดินว่างเปล่าเหล่านี้ ไม่ได้มีอายุการใช้งานยาวนานเป็นร้อยปี จากเทคนิคในปัจจุบัน แผงโซลาร์เซลล์มีอายุการใช้งานประมาณ 20 ปี อีกทั้งมักมีข่าวให้ได้ยินอยู่บ่อยครั้งว่า แผงโซลาร์เซลล์เกิดการชำรุดเสียหายอันเนื่องมาจากภัยธรรมชาติและมูลนก ในระหว่างที่เรานึกว่าการหันมาใช้พลังงานแสงอาทิตย์มากขึ้นจะช่วยชะลอการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศลงได้ แต่ทุกคนเคยคิดหรือไม่ว่า จะจัดการกับแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุเหล่านี้อย่างไร
ภารกิจอันยิ่งใหญ่ระดับนานาชาติ
แผงโซลาร์เซลล์ 1 แผง ประกอบขึ้นจากการนำโซลาร์เซลล์บรรจุลงไปใน EVA Film ซึ่งจะถูกประกบไว้ตรงกลางระหว่างแผ่นกระจกกับแผ่น Backsheet จากนั้นหุ้มทั้งสี่ด้านด้วยอะลูมิเนียมเฟรม โดยร้อยละ 90 ของโซลาร์เซลล์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดจะเป็นโซลาร์เซลล์ที่ทำจากผลึกซิลิคอน ด้วยเหตุนี้เอง วัสดุหลักที่ใช้ในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยกระจก 75% อะลูมิเนียม 10% และ EVA 10% นอกจากนี้ยังมีซิลิคอน ทองแดง และเงิน เป็นต้น
ศาสตราจารย์ฟู่เย่าเสียน (傅耀賢) จากคณะพลังงานสีเขียว มหาวิทยาลัยแห่งชาติไถหนานเปิดเผยว่า “แผงโซลาร์เซลล์สามารถทนทานต่อแสงอาทิตย์ ลม และฝน เป็นเวลาอย่างน้อย 20 ปี แสดงให้เห็นว่าวัสดุที่ใช้ในการผลิตมีคุณภาพสูงมาก สมควรที่จะถูกนำมารีไซเคิลเพื่อนำกลับมาใช้ประโยชน์ใหม่”
จากการที่ยุโรปเริ่มพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าก่อน ทำให้ต้องเผชิญกับปัญหาการจัดการแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุเร็วกว่าภูมิภาคอื่น ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีองค์กร PV Cycle ที่จัดตั้งขึ้นโดยสหภาพยุโรปเป็นผู้นำในด้านการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุ วิธีการจัดการแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุของ PV Cycle คือ เริ่มจากการรื้ออะลูมิเนียมเฟรมซึ่งเป็นกรอบหุ้มแผงโซลาร์เซลล์ออก จากนั้นบดด้วยเครื่องจักรแล้วคัดแยกวัสดุที่เป็นกระจก โลหะ และพลาสติก ในจำนวนนี้วัสดุที่เป็นพลาสติกจะต้องผ่านกระบวนการไพโรไลซิส (Pyrolysis) เพื่อแยกสารประกอบ และนำ EVA Film กับแผ่น Backsheet ไปผ่านกระบวนการแปรสภาพเป็นก๊าซ (Gasification) ด้วยความร้อนสูง ซึ่งในที่สุดก็จะได้วัสดุที่สามารถนำกลับมาใช้ประโยชน์ใหม่อาทิ อะลูมิเนียม ซิลิคอน ทองแดง เงิน และกระจก เป็นต้น
ลองจินตนาการดูว่า กระบวนการไพโรไลซิส ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการสลายตัวของวัสดุอินทรีย์ที่ไม่มีออกซิเจนภายใต้สถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง หลังจากวัสดุต่าง ๆ บนแผงโซลาร์เซลล์ผ่านกระบวนการไพโรไลซิสแล้วจะกลายสภาพเป็นคาร์บอนหรือก๊าซ แต่เนื่องจากแผ่น Backsheet ในแผงโซลาร์เซลล์มีส่วนประกอบของฟลูออรีน หลังผ่านการเผาไหม้จะทำให้เกิดก๊าซที่ทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศ ดังนั้นการนำกระบวนการไพโรไลซิสมาใช้ในการสลายตัวของวัสดุบนแผงโซลาร์เซลล์ จำเป็นต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์ที่ใช้ดักจับก๊าซพิษ จากนั้นก็ต้องดำเนินการจัดการอย่างเหมาะสม และนี่ก็เป็นเหตุผลที่ทำให้สายการผลิตเพื่อการรีไซเคิลของ PV Cycle ต้องการใช้โรงงานที่มีพื้นที่กว้างใหญ่ไม่ต่างจากโรงงานถลุงเหล็ก นอกจากนี้ราคาเครื่องจักรแต่ละตัวก็สูงเกือบ 100 ล้านเหรียญไต้หวัน
ศ.ฟู่เย่าเสียนยกตัวอย่างแผ่น Backsheet เคลือบ PVDF ที่มีส่วนประกอบของฟลูออรีนว่า “PVDF ที่เป็นวัสดุใหม่ราคากิโลกรัมละ 1,300 เหรียญไต้หวัน หลังผ่านการรีไซเคิลแล้วก็ยังมีราคาหลายร้อยเหรียญ แต่ถ้านำไปเผาทิ้งก็จะมีราคาเป็น 0 และยังต้องเสียเงินในการจัดการกับปัญหามลพิษอีก” ด้วยความเสียดายและทนไม่ได้กับการนำเอาวัสดุที่ยังมีประโยชน์ไปทิ้งเป็นขยะ อีกทั้งยังก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับการสร้างมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งย้อนแย้งกับจุดประสงค์เริ่มแรกของการพัฒนาพลังงานสีเขียว กระตุ้นให้ ศ. ฟู่เย่าเสียนและทีมวิจัยตั้งปณิธานร่วมกันว่า จะต้องคิดค้นวิธีการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ให้ได้ 100%
วัสดุก่อสร้างที่เป็นแผงโซลาร์เซลล์ในตัว ได้ไอเดียในการวิจัยและคิดค้นมาจาก U-glass ซึ่งมีความปลอดภัยมากกว่าผนังกระจกนอกอาคารหลายเท่าตัว คนที่มี น้ำหนัก 90 กก. ก็สามารถขึ้นไปเหยียบได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ
ระบบการรีไซเคิล 100% ที่ก้าวล้ำนำโลก
ในช่วงที่นานาประเทศกำลังผลักดันพลังงานสีเขียวอย่างขนาดใหญ่ โดยมีเป้าหมายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสุทธิเป็นศูนย์ (NET Zero) ในปี 2050 ศ. ฟู่เย่าเสียน ตระหนักถึงปัญหาการรีไซเคิลซากแผงโซลาร์เซลล์ที่อยู่เบื้องหลังการพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์ที่กำลังเฟื่องฟู จึงตั้งคำถามกับตัวเองว่า “หากเพียงแค่เผาทิ้ง ไม่มีการหมุนเวียนกลับมาใช้ใหม่ แต่ละปีทั่วโลกจะสร้างขยะที่เป็นซากแผงโซลาร์เซลล์นับ 100 ล้านตัน แล้วการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ยังถือว่าเป็นการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอีกหรือ ?”
ในปี ค.ศ. 2017 ศ.ฟู่เย่าเสียน จึงนำทีมวิจัยเริ่มต้นทำการศึกษาวิจัยการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์อย่างจริงจัง ทีมนักวิจัยที่มีภูมิหลังด้านเคมีวิทยา ในช่วงเริ่มแรกได้ใช้กระบวนการทางเคมีในการแยกสารประกอบในแผงโซลาร์เซลล์ แต่น้ำยาเคมีทำให้เกิดมลภาวะซ้ำสอง แม้ประสบผลสำเร็จในการศึกษาวิจัยแต่ไม่เคยคิดจะนำมาออกมาเผยแพร่ ทีมวิจัยเปลี่ยนมาทดลองใช้เทคนิคทางกายภาพ โดยใช้วิธีการทำลายพื้นผิวของวัสดุอย่างละมุนละม่อมด้วยการรื้อแผงโซลาร์เซลล์ออกทีละชั้น จากการที่ไต้หวันเป็นฐานการผลิตเครื่องมือกลที่สำคัญของโลก ทำให้มีพื้นฐานอันแข็งแกร่งในด้านเทคโนโลยีเครื่องจักรกลที่มีความแม่นยำสูง หลังผ่านการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันเทคนิคใหม่ล่าสุดคือ ภายใต้หลักการที่เครื่องจักรกลสามารถแยกสารประกอบจากแผงโซลาร์เซลล์ออกมาได้ในอุณหภูมิห้อง โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น และไม่ทำลายคุณสมบัติเดิมของวัสดุ ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการรีไซเคิลและสามารถแยกโลหะมีค่าจากอะลูมิเนียมเฟรม ผลึกซิลิคอน กระจก พลาสติก EVA และ PVDF ออกมาได้
เศรษฐกิจหมุนเวียนในอุตสาหกรรม Sun Optoelectronics
หากเพียงแค่รีไซเคิลวัสดุแต่ละชนิดเท่านั้นยังถือว่าไม่เพียงพอ เพื่อให้การรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์มีโอกาสที่จะกระตุ้นให้เกิดการพัฒนาในภาคอุตสาหกรรม ทีมวิจัยได้ทำการศึกษาวิจัยต่อยอดเกี่ยวกับการใช้ประโยชน์ของวัสดุหลังการรีไซเคิล รวมถึงสำรวจความเป็นไปได้ของโมเดลธุรกิจ ดร.หงเจียชง (洪嘉聰) หนึ่งในสมาชิกคนสำคัญของทีมวิจัยเปิดเผยว่า ความจริงแล้ว ในระหว่างการศึกษาวิจัยมีผู้ประกอบการมาติดต่อขอซื้อเทคนิคการรีไซเคิลจาก ศ.ฟู่เย่าเสียนหลายต่อหลายครั้ง
เนื่องจากในขั้นตอนของการหุ้มพลาสติกมีการผสมโลหะบางชนิดลงไป ส่งผลให้พลาสติก EVA ที่ได้จากการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์มีระดับความบริสุทธิ์ไม่สูงเหมือนวัสดุใหม่ ทีมวิจัยพลิกจุดอ่อนให้เป็นจุดแข็ง คิดค้นและพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ที่เดิมก็ต้องการใช้พลาสติก EVA ที่ต้องผสมโลหะ อย่างเช่น รองเท้าป้องกันไฟฟ้าสถิตสำหรับใช้ในห้องปลอดเชื้อ เป็นต้น ภายใต้ความเพียรพยายามของทีมวิจัย ปัจจุบันมีผู้ประกอบการแสดงความประสงค์จะใช้พลาสติก EVA ที่ได้จากการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ เพื่อนำไปใช้ในการผลิตรองเท้าป้องกันไฟฟ้าสถิตและเสื่อโยคะ
ทีมวิจัยทำการศึกษาวิจัยการจัดการและการนำไปใช้ประโยชน์หลังการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ สร้างระบบเศรษฐกิจหมุนเวียนในอุตสาหกรรม Sun Optoelectronics อีกด้วย ในภาพจากซ้ายคือ ดร.ไต้เสวียปิน ศ.ฟู่เย่าเสียน ดร.หลิวเจินเฉิง ดร.เคอฮ่าวเวย และดร.หงเจียชง
การคิดเชิงนวัตกรรม ไม่ต้องแย่งที่ดินกับภาคประชาชนอีกต่อไป
อุดมการณ์ของทีมวิจัยคือ ไม่ใช่เพียงแค่การรีไซเคิล (recycle) เท่านั้น แต่ยังต้องนำไปผลิตเป็นของใช้ที่มีมูลค่าและใช้ประโยชน์ได้มากกว่าเดิม ยิ่งไปกว่านั้นยังต้องฟื้นฟูสู่สภาพเดิม (recovery) เพื่อให้วัสดุรีไซเคิลสามารถนำกลับมาผลิตเป็นแผงโซลาร์เซลล์ใหม่ โดยในส่วนของกระจกซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญและครองสัดส่วนมากที่สุดในแผงโซลาร์เซลล์ จัดเป็นปัญหาที่ยุ่งยากที่สุดและเป็นปัญหาที่ทุกคนไม่อยากแตะต้องมากที่สุด แต่ทีมวิจัยของ ศ.ฟู่เย่าเสียน กลับสามารถรีไซเคิลกระจกในแผงโซลาร์เซลล์หมดอายุให้กลายเป็นแผงโซลาร์เซลล์ในอีกรูปแบบหนึ่งได้ นับเป็นการยืดอายุวัสดุให้ยืนยาวยิ่งขึ้น
แผงโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมจะทำจากแผ่นกระจกจึงต้องมีการติดตั้งอะลูมิเนียมเฟรมหุ้มไว้เพื่อป้องกันแรงกระแทกจากภายนอก ทีมวิจัยของ ศ.ฟู่เย่าเสียน ได้ไอเดียจากวัสดุก่อสร้างที่เป็น “กระจกรูปตัวยู” (U-glass) และการนำโซลาร์
เซลล์ฝังลงไปใน U-glass ซึ่งนำไปสู่การคิดค้นและพัฒนาขั้นตอนการผลิต U-glass สำหรับฝังโซลาร์เซลล์จากกระจกรีไซเคิล ดร. ไต้เสวียปิน (戴學斌) หนึ่งในสมาชิกคนสำคัญของทีมวิจัย ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ ยกตัวอย่างด้วยการหยิบนามบัตรใบหนึ่งขึ้นมา เดิมกระดาษแผ่นหนึ่งไม่สามารถรองรับน้ำหนักได้ แต่หากพับปลายกระดาษทั้ง 2 ด้านเข้าด้านใน ให้กลายเป็นรูปตัว U ก็จะทำให้แรงต้านสามารถกระจายออกไปได้อย่างทั่วถึง ทำให้สามารถรองรับน้ำหนักได้ ซึ่งเป็นหลักการของ U-glass นั่นเอง
เมื่อเดือนกันยายนปีที่แล้ว ทีมวิจัยของ ศ.ฟู่เย่าเสียน ได้ร่วมมือกับ CPC Corporation ซึ่งเป็นรัฐวิสาหกิจที่ประกอบธุรกิจด้านพลังงานเชื้อเพลิงของไต้หวัน ในการนำ U-glass ที่ได้จากการคิดค้นและพัฒนาของพวกเขามาสร้างเป็นบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ ดร. หลิวเจินเฉิง (劉真誠) สมาชิกคนสำคัญของทีมวิจัย กล่าวแบบติดตลกว่า “ระหว่างการติดตั้งมีการใช้ค้อนทุบลงไปบนกระจกไม่ขาดระยะ แต่กลับไม่เป็นอะไรเลย แสดงว่าวัสดุก่อสร้างชนิดนี้มีความแข็งแรงเพียงพอ” สำหรับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ก็เพียงพอแก่การใช้งานของเครื่องปรับอากาศภายในบ้าน เป็นการเพิ่มความมั่นใจให้แก่ทีมวิจัยที่จะผลักดันการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ให้กลายเป็นวัสดุก่อสร้าง
เพื่อเพิ่มสัดส่วนของการผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จึงต้องมีการเพิ่มการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ในปริมาณที่มากขึ้น ดังนั้นการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์จึงมีปัญหาการแก่งแย่งที่ดินกับภาคประชาชนมาโดยตลอด แนวคิดของทีมวิจัยก็คือ หากสามารถบูรณาการแผงโซลาร์เซลล์กับสิ่งปลูกสร้างเข้าด้วยกัน ก็จะทำให้สามารถจ่ายเพียงแค่ค่าวัสดุก่อสร้างก็มีประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้ด้วย อย่างเช่น กำแพงกั้นเสียงริมทางด่วนและทางเดินเท้า ล้วนเป็นสถานที่ที่ ศ.ฟู่เย่าเสียน เห็นว่าน่าจะสามารถทำการติดตั้งได้ หากทำได้เช่นนั้นจริงก็จะช่วยลดต้นทุนในการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ อีกทั้งยังเป็นการนำอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์พลังงานแสงอาทิตย์หลอมรวมเข้ากับวิถีชีวิต นอกจากนี้ยังไม่จำเป็นต้องหาพื้นที่ว่างเพื่อใช้สำหรับการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ นับเป็นการแก้ไขปัญหาการแย่งที่ดินกับภาคประชาชนได้อีกด้วย
สร้างอนาคตให้แก่อุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ทีมวิจัยทุ่มเทความพยายามในการศึกษาวิจัยการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์เป็นเวลานานถึง 5 ปี ตราบจนปัจจุบัน วัสดุก่อสร้างที่เป็นแผงโซลาร์เซลล์อยู่ในตัวกำลังอยู่ระหว่างการระดมทุนเพื่อนำไปเป็นค่าใช้จ่ายในการขอใบรับรองคุณภาพผลิตภัณฑ์ และมีผู้ประกอบการทั้งในและต่างประเทศแสดงความประสงค์ที่จะสร้างความร่วมมือด้วย หากผ่านการรับรองคุณภาพทั้งในส่วนของวัสดุก่อสร้างและออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ก็จะเป็นการเปิดโลกทัศน์ใหม่ให้แก่อุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในอีกทางหนึ่ง
สำหรับอุปกรณ์เครื่องรีไซเคิลได้เข้าสู่ขั้นตอนของการทดสอบระบบอัตโนมัติ ซึ่งทีมวิจัยยังวางแผนที่จะสร้างสายการผลิตแบบอัตโนมัติทั้งระบบที่สามารถบรรจุลงในตู้คอนเทนเนอร์ขนาด 40 ฟุตได้ หากเป็นเช่นนั้นจริง ก็จะสามารถส่งเครื่องรีไซเคิลไปยังทั่วทุกมุมโลกได้ และสามารถประหยัดพลังงานที่สูญเสียไปกับการขนส่งซากแผงโซลาร์เซลล์ของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ อีกทั้งยังแสดงให้เห็นว่า ไต้หวันสามารถใช้เทคโนโลยีการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์มาบุกเบิกเส้นทางใหม่ในการก้าวไปสู่ตลาดสากลได้อีกด้วย
เพิ่มเติม
จิ๊กซอว์ชิ้นสุดท้ายของอุตสาหกรรม ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ระบบรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์แบบ 100%
