GÜNEŞ ENERJİ PANELLERİNİN ATIK SORUNU: KULLANILAN AĞIR METALLERİN ÇEVRE VE İNSAN SAĞLIĞINA ETKİLERİ
- EŞREF ATABEY
Jeoloji Yüksek Mühendisi / Tıbbi Jeoloji uzmanı / Yazar
Güneş ve rüzgar enerjisi; doğal ve tükenmez, fosil enerji kaynaklarındaki gibi çevre kirliliği yaratmayan, karbondioksit emisyonunu azaltan enerji kaynağı olarak görülmektedir. Her iki enerji kaynağı üretiminin çevreye olumsuz etkileri de vardır.
Rüzgar türbinleri ile Güneş panellerinin çevresel etkilerinde diğer yazılarımda bahsetmiştim [1, 2, 3, 4].
Bu yazıda Güneş enerji panelleri atık sorunu ve kullanılan metallerin çevre ve insan sağlığına etkilerinden bahsettim.
Güneş enerjisinin, fosil yakıtlara sürdürülebilir bir alternatif olması, çevre üzerinde düşük bir etkiye sahip olması ve herhangi bir ülkenin onu üretme potansiyeline sahip olması gibi avantajları olduğu gibi, buna karşın yalnızca güneş parlarken enerji üretmesi, önemli miktarda araziye ihtiyaç duyması, bazı güneş teknolojilerinin nadir malzemeler gerektirmesi ve panellerde kullanılan metallerin çevre ve insan sağlığına olumsuz etkileri olması gibi dezavantajları bulunmaktadır.
‘’Dünya’nın dört bir yanında milyonlarca güneş paneli kullanım tarihlerine ulaştı. Geri dönüştürülemezler. Bu da yerel çöplüğe gönderilecekleri anlamına gelir. Her panel, galyum arsenit, tellür, gümüş, kristal silikon, kurşun, kadmiyum ve diğer ağır metallerin gerçek bir zehirli kokteylidir. Madde su tablasına sızdıkça su kaynakları, çevre ve insan sağlığı üzerindeki etkisini tahmin etmek zor değildir’’ [5].
Güneş panelleri atıklarının bertaraf edilmesiyle ilgili, ‘’Amerika Birleşik Devletleri’nde kullanılan güneş panellerinin çoğunun yeniden kullanılmak veya çöpe atılmak üzere çok az elektriğe ve zayıf çevre korumasına sahip gelişmekte olan ülkelere gönderildiği; üçüncü Dünya ülkelerine ihraç etmenin daha uygun olacağı’’ belirtiliyor [5].
İleride Güneş panelleri atık sorunu ve bunlardan kaynaklı kirlilik yaşanmaması için, şimdiden çevre ve insan sağlığına olumsuz etkileri göz ardı edilmemesi ve önlemlerin alınması gerekmektedir.
Güneş panellerinde kullanılan metallerin çevre ve insan sağlığına etkileri
Bir güneş paneli esas olarak hücre adı verilen birkaç silikon kristal tabakasından oluşur. Bir güneş panelini oluşturan her hücre, bir alüminyum ve cam tabaka ile sıkıştırılmıştır. Birlikte, güneş ışığını elektriğe dönüştüren enerji üreten bileşenleri oluştururlar. Hücrelerin düzgün çalışması için çok saf silikon gerekir. Silikon atomlarına güneş ışığı vurduğunda, bir elektron fırlar ve mikrodalgada metali ısıttığınızda olana benzer bir kıvılcım oluşturur. Bu elektronlar, silikona eklenen metal safsızlık izleri aracılığıyla hücre boyunca taşınır ve bakır teller onu elektrik akımları olarak taşır [6].
Üretim genellikle çevredeki en zararlı sera gazlarından bazıları olan nitrojen triflorür ve kükürt heksaflorür içerir. Normalde silikon geri dönüştürülebilir. Ancak güneş pillerinin elektrik verimliliğini artırmak için kadmiyum ve kurşun gibi metaller eklenir. Bu, tehlikeli metalleri çıkarmak için önemli miktarda enerji gerektireceğinden, güneş pillerinin geri dönüştürülmesini zorlaştırır [6].
Çoğu güneş enerjisi geri dönüşüm tesisi, hücrelerden değerli gümüş ve bakırı çıkarır ve ardından kirli cam ve plastik kasayı çimento fırınlarında yakarak geri dönüştürür. Süreç maliyetli ve zaman alıcı olduğundan, güneş enerjisi şirketlerinin ölü panelleri çöplüklere atması veya üçüncü dünya ülkelerine ihraç etmesi daha uygundur [6].
Fotovoltaik enerji sistemleri gittikçe yaygınlaşıyor ve güneş panelleri geniş alanlara yayılıyor. Ayrıca evlerin çatılarında gitgide yaygınlaşan milyonlarca güneş paneli var. Güneş panellerinin cam ve alüminyum malzemesi çevre için büyük bir sorun yaratmamasına karşın, güneş hücrelerinden oluşan paneller çeşitli ağır metaller, katkı maddeleri genellikle insan sağlığına ve doğaya zararlı olabilecek kimyasal maddeler içeriyorlar.
Foto 1 Güneş panelleri çiftliği
Fotovoltaik enerji sistemleri
Monokristalin silikon PV paneller: Tek bir silindirik silikon kristalin dilimlerinden oluşan hücreler barındırır. Monokristalin silikon PV panellerin güneş enerjisini elektriğe dönüştürme oranı %15’tir. En verimli güneş enerjisi sistemleridir [7].
Polikristalin silikon PV paneller: Çok kristalli hücreler olarak da bilinen polokristalin silikon PV paneller, eritilen ve yeniden şekillendirilen silikon kristalin kesilmesiyle üretilen hücrelerden oluşur. Güneş enerjisini elektriğe dönüştürme oranı %12’dir [7].
İnce film PV paneller: Güneşten gelen enerjiyi emme oranı yüksek olmasına karşın enerjiye dönüşüm oranı ve verimliliği düşük olan bir panel türüdür.
Amorf silikon PV paneller: Kristal olmayan silikon hücrelerden oluşan Amorf silikon PV paneller, kurşun gibi toksik ağır metaller içermediği için en çevreci panel türü olarak kabul edilir.
Güneş panellerinde kullanılan ağır metallerin etkileri
Çoğu güneş panelleri alüminyum, kadmiyum, bakır, galyum, indiyum, kurşun, molibden, nikel, silisyum, gümüş, selenyum, tellür, kalay ve çinko metallerinin bir kombinasyonunu içerir [8]. Bu metallerden kadmiyum ve kurşun toksik olup, bazılarının da kanserojen etkileri olabilmektedir.
Güneş PV panelleri tipik olarak cam, polimer, alüminyum, bakır ve yarı iletkenden oluşur. Kullanım ömürlerinin sonunda geri kazanılabilen ve geri dönüştürülebilen malzemeler içerir [9].
Alüminyum: Güneş pillerinin kasası olarak kullanılır. Çoğu modern güneş panelinin çerçevesini oluşturur. Yüksek derişimde bulunduğunda, alüminyum tatlı suda yaşayan hayvanlar için çok zehirli olabilir.
Bakır: Yüksek iletkenliği ve dayanıklılığı sayesinde, güneş enerjisi üretiminde güneş panellerinin verimliliğini ve performansını artırmak için gereklidir. Suda ve karada yaşayan yaşama zarar verebilir, hayatta kalmayı, üremeyi ve büyümeyi azaltabilir.
Çinko: Artan enerji dönüşümü yoluyla daha yüksek güneş pili verimliliği elde etmek için çinko oksit kullanılır. Çevreye büyük miktarlarda çinko salınırsa, su kaynaklarını, ekinleri, toprağı ve sebzeleri etkileyebilir. Ağır kirliliğe sahip lokasyonlarda bu durum insan sağlığı üzerinde çeşitli olumsuz etkilere neden olabilmektedir [8].
Gümüş: Yeni güneş elektriğini panellerden kullanım noktasına veya pil depolama sistemine taşımaktan sorumludur. Kristal güneş pillerinin önünde ve arkasında kullanılır. Suya, havaya ve toprağa salınarak yerel insan sağlığı sorunlarına ve çevresel zararlara neden olabilir.
Kadmiyum: Paneller ve güneş hücreleri, daha çok kristal silisyum ya da çok ince film kadmiyum tellürid ya da kadmiyum sülfid tabakalardan yapılıyor. Saf kadmiyum böbrek ve kemiklere zararları vardır, kansere yol açabiliyor.
Kurşun: Güneş hücrelerini birbirlerine ve panelin kenarlarına bağlamada kullanılan lehimde bulunuyor. Bir pilin uygunsuz bir şekilde atılmasıyla ortaya çıkan kurşun asit parçacıkları toprağa, havaya ve suya sızabilir. Kurşun çocuklarda beyin gelişimini bozar [8].
Lityum: Güneş paneli yakındaki su kütlelerine zehirli kimyasallar salınarak hem sudaki yaşamı hem de bu kaynaktan su içen hayvanları kirletebilir ve onlara zarar verebilir.
Silisyum: Kristalin yarı iletkenlik ve ışık soğurma özellikleri vardır. Güneş ışığını emen ve güneş pilleri içinde elektrik üretmek için kullanılan serbest elektronlara dönüştürür. Bitkilerin yapraklarında, fotosentez ve solunum sürecine müdahale eden silika parçacıkları birikebilir.
Güneş pilleri
Günümüzde güneş pillerinin çoğu üç farklı bileşik bileşimden birinden yapılıyor. Bunlar kurşun asit, lityum-iyon ve tuzlu su.
Yeni konut güneş pillerinde kullanılan baskın teknoloji olarak, lityum iyon pillerin genellikle “lityum” benzerlerinin ötesinde krom, kobalt, grafit, mangan ve vanadyum gibi bir dizi element ve mineral içermektedir [8].
Kurşun-asit: Kurşun-asit piller, sülfürik asit ve su karışımı (elektrolit), negatif yüklü kurşun metal plaka (anot) ve pozitif yüklü kurşun dioksit metal plaka (katot) içerir. Plakalar, elektriği depolamak için elektrolit içinde askıya alınır [8].
Lityum iyon: Fazla güneş enerjisini depolamak için en yaygın seçenek olan lityum iyon aküler, kurşun asit akülere göre daha az bakım gerektirir, daha uzun ömürlüdür, daha verimlidir ve daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir.
Tuzlu su: Tuzlu su batarya sistemleri, lityumu sofra tuzunda bulunan element olan sodyum ile değiştirerek enerjiyi yakalayabilen, depolayabilen ve boşaltabilen bir tuzlu su çözeltisi sağlar. Sonuç olarak, tuzlu su pilleri geri dönüştürülebilir ve uzun bir kullanım ömrüne sahiptir, ancak aynı enerji depolama kapasitesine sahip olmayabilir [8].
Güneş paneli atığı
Güneş panellerinde kullanılan metallerden kurşun ve kadmiyum insan sağlığına ve çevreye yüksek düzeyde zararlıdır. Güneş panellerinde yeterince yüksek miktarlarda bulunuyorsa, güneş paneli atığı tehlikeli atık sayılır [10].
Amerika Birleşik Devletleri’nde 2000’li yıllarda ilk kez piyasaya sürüldüklerinden bu yana, tonlarca güneş paneli kullanım ömrünün sonuna gelmesi, endüstri için ciddi bir sorun teşkil ediyor. Mevcut güneş paneli imha uygulamaları çevre dostu olmaktan uzaktır [6].
Tipik olarak 25 yıldan fazla bir ömre sahip olan güneş panelleri, ömürlerinin sonuna geldiğinde ve bir atık akışı haline geldiğinde, güvenli bir şekilde yönetilmeleri gerekir. Güneş fotovoltaik (PV) pazarı büyüdükçe, ömrünü tamamlamış panellerin hacmi de büyüyecektir.
Örneğin 2030 yılına kadar Amerika Birleşik Devletleri’nin toplam bir milyon ton kadar güneş paneli atığı olması bekleniyor. 2050 yılına kadar, Amerika Birleşik Devletleri’nin, tahminen toplam 10 milyon ton panel ile Dünyadaki en fazla ikinci ömrünü tamamlamış panele sahip olması bekleniyor [10].
Perovskite güneş pilleri, silikon kristalleri yerine, genellikle kurşun olan metal kristallerden yapılır.
‘’ABD’de Güneş pillerinin içindeki zehirli metalleri düzgün bir şekilde bertaraf etmek kolay olmadığı ve genel bir gözetim eksikliği olduğu için, onları düzenli depolama alanlarına atmak veya gelişmekte olan ülkelere göndermek genellikle daha ucuzdur. Güneş panelleri çöplüklerde oturdukça, içerdikleri zehirli metaller çevreye sızabilir ve yeraltı suyu kaynağına karışırsa muhtemelen halk sağlığı için tehlike oluşturabilir’’ diye bahsedilmektedir [6].
Güneş paneli atığı sorunu, daha fazla panel ömrünün sonuna yaklaştıkça büyümeye devam edecek. 2017 yılında Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı, Dünya çapında yaklaşık 250.000 metrik ton güneş paneli atığı olduğunu tahmin ediyordu. Bu toplam 2050 yılına kadar 78 milyon metrik tona ulaşacak [6].
Foto 2 Hasar görmüş Güneş panelleri
Foto 3 Güneş panelleri atığı
Kristal silikon fotovoltaik sistemlerden ağır metallerin ve metaloidlerin sızma potansiyeli
Güneş panel sistemlerinde bulunan metallerden kurşun, kadmiyum, lityum, stronsiyum, nikel, baryum, çinko ve bakır ile metaloidlerden selenyum tarafından zenginleştirilip zenginleştirilmediğini belirlemek için fotovoltaik modüllerin altından alınan toprağın analizleri yapılmıştır.
Kurşun ve kadmiyumun toprakta zenginleşmesinin fotovoltaik sistemlerinin daha yakınında artmadığı, selenyum, lityum, stronsiyum, nikel ve baryum değerlerin fotovoltaik sistemlerine yakın toprakta önemli bir artış saptanmıştır. Çinko ve bakır sistemlerin uzağında fazladır [11, 12]. Kurşun ve kadmiyum kaynağının fotovoltaik sistemlerinin sızıntı suları olduğu şeklindedir. Pb için yaban hayatı risk eşiği: 11 mikrogram-1 gram; kadmiyum için: 0,36 mikrogram-1 gramdır [11].
‘’Fotovoltaik paneller için, bu elementlerin sızması olası değildir, bu nedenle güneş panellerinden kurşun ve kadmiyum kirlenmesine ilişkin endişelerin çoğu, zamanla bozulan ve suya maruz kalan çöplüklere atılan panellerle ilgilidir’’ diye de başka bir görüş vardır [12, 13].
Çalışma koşullarında, modül camındaki çatlaklar veya kusurlu laminasyonlar gibi hasarlı alanlardan modüllere su girerse, fotovoltaik panellerin toksik elementleri sızdırması mümkündür.
Baryum, nikel ve stronsiyum, fotovoltaik panellerin altındaki topraklarda önemli ölçüde daha yüksek olarak kaydedilmesine rağmen, bu elementler için kaydedilen miktarların tümü, EPA ve diğerleri tarafından tanımlanan toprak tarama değerlerinin çok altında saptanmıştır [14].
Selenyumun, fotovoltaik panellerine yakın topraklarda önemli ölçüde daha yüksek olduğu gözlemlendiği belirtilmektedir. Selenyum risk eşiği toprak değerleri bitkiler için 0,52 mikrogram-1 gram ve memeliler için 0,63 mikrogram-1gramdır [11].
Fotovoltaik sistemlerin doğrudan ölçtüğü ortalama selenyum derişimi 0,48 mikrogram-1 gram iken, fotovoltaik sistemlerin yakınında gözlenen en yüksek selenyum seviyesi 0,57 mikrogram-1 gram olmuştur. Fotovoltaik sistemlerinin yakınındaki selenyum derişimleri, yerel bitkiler ve diğer vahşi yaşam için çevresel endişe düzeyine yaklaştığı da belirtiliyor [11].
Bakır-indiyum-selenit panelleri hem de kadmiyum tellür panellerini inceleyen benzer bir çalışmada, çatılardaki bakır-indiyum-selenid panellerinin yakınındaki topraktaki selenyumun çevredeki toprağa kıyasla gram başına 0,3 mikrogram yükseldiği bulunmuştur [11].
Öneriler
■Güneş enerjisi ucuz olacak söylemine karşı, aralıklı, mevsim, enlem ve hava durumuna bağlı güneş enerjisinin gerçek maliyetlerini azaltmak için kirlilik ve bertaraf maliyetlerinin yanı sıra habitat kayıplarını, güneş ısısı adalarını ve yedek güç üretimi veya pil ihtiyacı göz ardı edilmemeli.
■20 yıl kadar kullanıldıktan sonra sökülüp ortadan kaldırılmasında ilgili koruyucu önlemlerin alınması gerekiyor. 20 yıl kadar sonra bunlar yenileriyle değiştirilmek zorunda olduğundan üretimin sürmesi ve bunlardaki ağır metallerin dolaşımı da söz konusudur.
■İleride bakım, onarım çalışmalarında, kuvvetli dolu, kaza ve yangınlarda da panellerdeki ağır metaller çevredeki toprak ve sulara, besinlere ulaşabileceğinden şimdiden önlem alınması gerekiyor.
■Güneş paneli içinde ne gibi kimyasal maddeler bulunduğu bilinmeli, olanaklı ise kadmiyumlu olanlar yerine magnezyumlu olanlar kullanılmalıdır.
■Perowskit tipi güneş panelleri geliştirilip içindeki kurşun insan ve çevreye zarar vermeyecek başka bir maddeyle değiştirilebilir ya da kurşun dışarıya sızmayacak şekilde kapsüllenebilirse perowskit panellerinin kullanımı yararlı olabilir [15].
■Üretim sırasında panellerde kullanılan kurşun, kadmiyum toksik metal taneciklerinin havaya ve çevreye yayılması önlenmelidir.
■Geniş arazilerde ve çatılarda kurulmuş olan panellerin bakım, onarım, kaza, kuvvetli yağış (dolu) hasarı, yangın, ileride panellerin sökümü sırasında ve çöpe atılmasında bunlardaki zehirli ağır metallerin toprak ve sulara karışmaması için daha başlangıçta planlama yapılmalıdır.
■Güneş enerjisi şirketlerinin üretim sırasında veya büyük güneş enerjisi “çiftliklerinin” işlemeyi durdurması ve yıkılmasından sonra oluşan atıkları bertaraf etmek, depolamak veya geri dönüştürmek için gerekli önlemleri almalı, yasal çerçeve belirlenmeli ve uygulanmalıdır.
■Tarım arazileri üzerinde GES kurulmamalıdır.
■Mera ve otlakları kaplayacak şekilde geniş alanlara GES kurulmamalıdır.
■Önlemlerin alınma yöntemlerini içeren bir yönetmelik hazırlanmalı ve uygulanması denetlenmelidir.
Yazı ilgili kaynaklardan derlenmiştir. Kısmen ‘’https://www.temizmekan.com/gunes-panellerinin-atik-sorunu/’’ portalında yayımlanmıştır.
Kaynaklar
[1] Eşref Atabey. 2022. Rüzgâr türbinlerinin bal arıları ve arıcılığa (etkileri- https://www.temizmekan.com/ruzgar-turbinlerinin-bal-arilari-ve-ariciliga-etkisi/)
[2] Eşref Atabey. 2022. Rüzgâr türbinlerinin kuşlar ve yarasalara etkileri- (https://www.temizmekan.com/ruzgar-turbinlerinin-kuslara-ve-yarasalara-etkisi/)
[3] Eşref Atabey. 2022. Rüzgar türbinlerinin gürültü etkisi (https:/www.temizmekan.com/ruzgar-turbinlerinin-gurultu-etkisi/)
[4] Eşref Atabey. 2022. Güneş enerjisi santrallerinin çevresel etkileri (https://www.temizmekan.com/gunes-enerjisi-santrallerinin-cevresel-etkileri/ )
[5] https://stopthesethings.com/2020/10/10/lingering-legacy-millions-of-toxic-solar-panels-that-cant-be-recycled-destined-for-landfills/
[6] https://www.discovermagazine.com/environment/solar-panel-waste-the-dark-side-of-clean-energy
[7] https://www.encazip.com/gunes-enerjisi
[8] https://palmetto.com/learning-center/blog/minerals-in-solar-panels-and-solar-batteries
[9] Clean Energy Technology Center. 2017. Health and safety impacts of solar photovoltaics.
[10] https://www.epa.gov/hw/end-life-solar-panels-regulations-and-management
[11] U.S. Environmental Protection Agency. (2018, Dec 20). Ecological soil screening level. Retrieved from https://www.epa.gov/chemical-research/ecological-soil-screening
[12] Seth, A. Robinson ve George, A. Meindl. 2019.Potential for leaching of heavy metals and metalloids from crystalline silicon photovoltaic systems. Journal of Natural Resources and Development, 19- 24.
[13] Zapf-Gottwick, R., Koch, M., Fischer, K., Schwerdt, F., Hamann, L., Kranert, M., Metzger, J., & Werner, J. (2015). Leaching hazardous substances out of photovoltaic modules. International Journal of Advanced Applied Physics Research, 2(2), 7-14.
[14] Shahzad, B., Mughal, M. N., Tanveer, M., Gupta, D., & Abbas, G. (2016). Is lithium biologically an important or toxic element to living organisms? An overview. Environmental Science and Pollution Research, 24(1), 103–115.
[15] Yüksel Atakan. 2018. Güneş enerjisi panellerinin çevreye verdiği zararlar tartışılıyor. HBT Dergisi. Tarih: 29.6.2018
