Transition to renewable energy is key to achieving climate neutrality by 2050. However, the rapid expansion of installed capacity globally poses challenges in waste management. One of the fastest-growing sectors worldwide is photovoltaic solar energy, which will generate large amounts of waste at the end of the useful life of photovoltaic modules. This situation requires the implementation of strategies other than conventional recycling, such as the reuse of reconditioned modules. This approach emerges as an alternative in line with the circular economy. Likewise, agrivoltaics, which combines agricultural production with energy generation, is a favorable context for the integration of reconditioned modules as it optimizes land use while reducing pressure on critical resources.
The overall objective of this research is to evaluate the feasibility of reusing photovoltaic modules in agrivoltaic applications. This contributes to extending the useful life of the modules, reducing waste generation, and promoting a sustainable energy model. To this end, specific objectives are proposed: to estimate waste generation in different countries and regions, to analyze defects in reconditioned monocrystalline silicon panels, and to evaluate their performance in an experimental agrivoltaic installation.
The methodology combines predictive modelling using the Weibull distribution to estimate waste generation in different failure scenarios (early or normal), the characterization of reconditioned modules in accordance with IEC standards, and subsequent experimental validation in a pilot agrivoltaic system at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, alimentaria y de biosistemas of the Universidad Politécnica de Madrid.
The results obtained indicate that by 2050, the European Union could generate 16 million cumulative tonnes of photovoltaic waste, considering a normal loss scenario, and 23 million tonnes if the early loss scenario is considered, which presents a need to expand the management structures for this waste and explore options such as reuse. The characterization of 23 reconditioned modules showed that 87% have power losses of less than 20%, confirming their potential for reuse under specific characterization protocols. The integration of these reconditioned modules into an agrivoltaic system shows that they maintain stable performance and their correlations with irradiance are greater than 0.93, which validates their operation in this particular scenario of moderate energy demand. Furthermore, throughout the study period, no significant reductions in agricultural production or water consumption were observed, reinforcing the compatibility of dual land use.
In conclusion, this thesis confirms the viability of integrating refurbished modules into an agrivoltaic system, which presents a feasible and sustainable solution to address the challenge of increasing photovoltaic waste generation and reduce dependence on critical materials, strengthening the circular economy.
RESUMEN
La transición hacia las energías renovables es clave para alcanzar la neutralidad climática en 2050, sin embargo, la rápida expansión de la capacidad instalada a nivel global plantea desafíos en la gestión de residuos. Uno de los sectores con mayor crecimiento a nivel mundial es el de la energía solar fotovoltaica, la cual generará grandes cantidades de residuos al final de la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Esta situación exige la implementación de estrategias diferentes al reciclaje convencional, como es la reutilización de módulos reacondicionados. Este enfoque surge como una alternativa alineada con la economía circular. Asimismo, la agrivoltaica, que combina la producción agrícola con la generación de energía es un contexto favorable para la integración de módulos reacondicionados ya que optimiza el uso del suelo y reduce al mismo tiempo la presión sobre los recursos críticos.
El objetivo general de esta investigación es evaluar la viabilidad de la reutilización de módulos fotovoltaicos en aplicaciones agrivoltaicas. De esta forma se contribuye a prolongar la vida útil de los módulos, se disminuye la generación de residuos y se favorece un modelo energético sostenible. Para ello se plantean objetivos específicos: estimar la generación de residuos en diferentes países y regiones, analizar defectos de paneles reacondicionados de silicio monocristalino y evaluar su funcionamiento en una instalación agrivoltaica experimental.
La metodología combina una modelización predictiva utilizando la distribución de Weibull para estimar la generación de residuos en distintos escenarios de falla (temprana o habitual), la caracterización de los módulos reacondicionados siguiendo las normativas IEC y la posterior validación experimental en un sistema agrivoltaico piloto en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas de la Universidad Politécnica de Madrid.
Los resultados obtenidos indican que hacia 2050 la Unión Europea podría generar 16 millones de toneladas acumuladas de residuos fotovoltaicos, teniendo en cuenta un escenario de pérdida habitual y 23 millones de toneladas si se considera el escenario de pérdidas tempranas, lo que presenta una necesidad de ampliar las estructuras de gestión de estos residuos y explorar opciones como la reutilización. La caracterización de 23 módulos reacondicionados mostró que el 87 % presenta pérdidas de potencia inferiores al 20 %, lo que confirma su potencial de reutilización bajo protocolos de caracterización específicos. La integración de estos módulos reacondicionados muestra que mantienen un comportamiento estable y sus correlaciones con la irradiancia son superiores a 0.93, lo cual valida su funcionamiento en este escenario particular de demanda energética moderada. Asimismo, durante todo el periodo de estudio, no se observaron reducciones significativas en la producción agrícola, así como tampoco en el consumo de agua, lo que refuerza la compatibilidad del doble uso del terreno.
En conclusión, en esta tesis se confirma la viabilidad de la integración de módulos reacondicionados en un sistema agrivoltaico, lo que presenta una solución factible y sostenible para afrontar el desafío de la generación creciente de residuos fotovoltaicos y reducir la dependencia de materiales críticos, fortaleciendo la economía circular.
Transition to renewable energy is key to achieving climate neutrality by 2050. However, the rapid expansion of installed capacity globally poses challenges in waste management. One of the fastest-growing sectors worldwide is photovoltaic solar energy, which will generate large amounts of waste at the end of the useful life of photovoltaic modules. This situation requires the implementation of strategies other than conventional recycling, such as the reuse of reconditioned modules. This approach emerges as an alternative in line with the circular economy. Likewise, agrivoltaics, which combines agricultural production with energy generation, is a favorable context for the integration of reconditioned modules as it optimizes land use while reducing pressure on critical resources.
The overall objective of this research is to evaluate the feasibility of reusing photovoltaic modules in agrivoltaic applications. This contributes to extending the useful life of the modules, reducing waste generation, and promoting a sustainable energy model. To this end, specific objectives are proposed: to estimate waste generation in different countries and regions, to analyze defects in reconditioned monocrystalline silicon panels, and to evaluate their performance in an experimental agrivoltaic installation.
The methodology combines predictive modelling using the Weibull distribution to estimate waste generation in different failure scenarios (early or normal), the characterization of reconditioned modules in accordance with IEC standards, and subsequent experimental validation in a pilot agrivoltaic system at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, alimentaria y de biosistemas of the Universidad Politécnica de Madrid.
The results obtained indicate that by 2050, the European Union could generate 16 million cumulative tonnes of photovoltaic waste, considering a normal loss scenario, and 23 million tonnes if the early loss scenario is considered, which presents a need to expand the management structures for this waste and explore options such as reuse. The characterization of 23 reconditioned modules showed that 87% have power losses of less than 20%, confirming their potential for reuse under specific characterization protocols. The integration of these reconditioned modules into an agrivoltaic system shows that they maintain stable performance and their correlations with irradiance are greater than 0.93, which validates their operation in this particular scenario of moderate energy demand. Furthermore, throughout the study period, no significant reductions in agricultural production or water consumption were observed, reinforcing the compatibility of dual land use.
In conclusion, this thesis confirms the viability of integrating refurbished modules into an agrivoltaic system, which presents a feasible and sustainable solution to address the challenge of increasing photovoltaic waste generation and reduce dependence on critical materials, strengthening the circular economy.
RESUMEN
La transición hacia las energías renovables es clave para alcanzar la neutralidad climática en 2050, sin embargo, la rápida expansión de la capacidad instalada a nivel global plantea desafíos en la gestión de residuos. Uno de los sectores con mayor crecimiento a nivel mundial es el de la energía solar fotovoltaica, la cual generará grandes cantidades de residuos al final de la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Esta situación exige la implementación de estrategias diferentes al reciclaje convencional, como es la reutilización de módulos reacondicionados. Este enfoque surge como una alternativa alineada con la economía circular. Asimismo, la agrivoltaica, que combina la producción agrícola con la generación de energía es un contexto favorable para la integración de módulos reacondicionados ya que optimiza el uso del suelo y reduce al mismo tiempo la presión sobre los recursos críticos.
El objetivo general de esta investigación es evaluar la viabilidad de la reutilización de módulos fotovoltaicos en aplicaciones agrivoltaicas. De esta forma se contribuye a prolongar la vida útil de los módulos, se disminuye la generación de residuos y se favorece un modelo energético sostenible. Para ello se plantean objetivos específicos: estimar la generación de residuos en diferentes países y regiones, analizar defectos de paneles reacondicionados de silicio monocristalino y evaluar su funcionamiento en una instalación agrivoltaica experimental.
La metodología combina una modelización predictiva utilizando la distribución de Weibull para estimar la generación de residuos en distintos escenarios de falla (temprana o habitual), la caracterización de los módulos reacondicionados siguiendo las normativas IEC y la posterior validación experimental en un sistema agrivoltaico piloto en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas de la Universidad Politécnica de Madrid.
Los resultados obtenidos indican que hacia 2050 la Unión Europea podría generar 16 millones de toneladas acumuladas de residuos fotovoltaicos, teniendo en cuenta un escenario de pérdida habitual y 23 millones de toneladas si se considera el escenario de pérdidas tempranas, lo que presenta una necesidad de ampliar las estructuras de gestión de estos residuos y explorar opciones como la reutilización. La caracterización de 23 módulos reacondicionados mostró que el 87 % presenta pérdidas de potencia inferiores al 20 %, lo que confirma su potencial de reutilización bajo protocolos de caracterización específicos. La integración de estos módulos reacondicionados muestra que mantienen un comportamiento estable y sus correlaciones con la irradiancia son superiores a 0.93, lo cual valida su funcionamiento en este escenario particular de demanda energética moderada. Asimismo, durante todo el periodo de estudio, no se observaron reducciones significativas en la producción agrícola, así como tampoco en el consumo de agua, lo que refuerza la compatibilidad del doble uso del terreno.
En conclusión, en esta tesis se confirma la viabilidad de la integración de módulos reacondicionados en un sistema agrivoltaico, lo que presenta una solución factible y sostenible para afrontar el desafío de la generación creciente de residuos fotovoltaicos y reducir la dependencia de materiales críticos, fortaleciendo la economía circular. Read More
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