Riesige Berge an Photovoltaik-Altmodulen
Die Photovoltaik trägt jetzt schon einen großen Beitrag zur Energieerzeugung bei und dieser wird kontinuierlich wachsen, denn Solarenergie gilt als nachhaltige Alternative zu Öl und Gas. Jedoch bringen die Photovoltaikmodule auch einige Umweltprobleme mit sich. Die Aufbereitung des enthaltenen Siliziums kostet viel Energie, Dünnschichtmodule stoßen bei der Produktion klimaschädliches Stickstoff-Fluorid aus, das Recycling wurde noch nicht wirklich hochgefahren und die Effizienz der Solarmodule haben Luft nach oben.
Photovoltaikanlagen nutzen den photoelektrischen Effekt, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Eine Besonderheit ist das Silizium in der Solarzelle. Dieses Metall hat die besondere Eigenschaft sich durch die elektromagnetische Strahlung des Sonnenlichts aufzuladen. Durch ein Schichtensystem wird die Ladung gebündelt und zu nutzbarem Strom umgewandelt.
Die Recyclingwirtschaft wird immer dynamischer im Bereich Photovoltaik (PV)-Altmodulen – riesige Mengen an PV-Altmodulen werden erwartet. Aus dem Report der Internationalen Energieagentur (IEA) von 2022 geht hervor, dass weltweit bis zu 80 Millionen Tonnen PV-Altmodule erwartet werden. Für Deutschland wird prognostiziert, dass 400 000 t – 1 000 000 t in 2030 und 4,3 Mio. t Tonnen bis 2050 anfallen. In folgenden Ländern werden die meisten PV-Altmodule erwartet: 1. China, 2. USA, 3. Japan, 4. Indien, 5. Deutschland. The research company Rystad Energy schätzt weltweit PV-Altmodule auf 27 Mio. t jährlich ab 2040.
Recycling von PV-Modulen
Ausgediente PV-Module haben in der Regel eine Lebenszeit von circa zwanzig bis dreißig Jahre hinter sich. Solaranlagen werden aber auch aufgrund von Leistungsnachlass, Wetterschäden und Produktgarantien aus dem Verkehr gezogen.
Bürger haben die Möglichkeit PV-Altmodule kostenlos am Wertstoffhof abzugeben. Die PV-Modul Hersteller sind gesetzlich dazu verpflichtet PV-Module kostenlos zurückzunehmen und in den Wertstoffkreislauf zu überführen. Viele Hersteller nutzen Seit 2010 das branchenweite PV-Recyclingsystem „PV Cycle“. Weitere Rücknahmeanbieter sind PVEX und Take-e-way. Hier werden vorwiegend die Materialien Glas und Aluminium recycelt. Das Recycling von Metallen aus Solarzellen wird noch nicht umgesetzt.
In Deutschland müssen bei der Verwertung von PV-Anlagen eine Recyclingquote von 80% erreicht werden, das bestimmt die WEEE-Richtlinie der EU. In der Praxis zeigt sich aber, dass oft bis zu 95 % der Materialien recycelt werden.
Mono- als auch polykristalline PV-Module können gut recycelt werden: Sie bestehen zum Großteil aus Glas, Aluminium und Kunststoffen (Bild 1). Bis zu 95 % des PV-Moduls ist daraus hergestellt (Bild 2). Die restlichen 5 % sind Metalle wie Silizium, Silber, Kupfer, Zinn und Blei.
Aktuell wird nur das Aluminium, Glas und Kupfer recycelt, nicht aber die Solarzelle mit den wertvollen Metallen. Da bei der Herstellung von Metallen, vor allem bei Silizium hohe C02-Emissionen entstehen, sollte auch der Fokus auf die Rückgewinnung dieser Materialien liegen.
Das Schwierige beim PV-Modulrecycling sind die fest verbundenen Modulbestandteile wieder aufzubrechen und die enthaltenen Materialien in hoher Reinheit rückzugewinnen. Da die Quoten, die gemäß WEEE wiederverwertet müssen, mit der Abtrennung des Aluminiumrahmens, des Kabels und des Glases einfach einzuhalten sind, gibt es keine Anreize in weitere Recyclingtechnologien zu investieren. Anpassungen der Recyclingvorgaben wird erwartet, wie zum Beispiel, dass Quoten pro Inhaltsstoff gelten sollten. Somit müssten die Metalle Silber und Silizium auch aufbereitet werden.
Silizium-Recycling
Einer der wichtigsten und wertvollsten Bestandteile ist das Halbleitermaterial Silizium. Das Fraunhofer CSP hat ein Recyclingverfahren entwickelt, mit dem das Silizium im industriellen Maßstab zurückgewonnen werden kann.
Nach dem Abtrennen des Aluminiumrahmens (Bild 3), der Anschlussdose und der Glasplatten werden die Solarmodule geschreddert. Die Materialfraktion im Größenbereich 0,1 – 1 mm wird im hamos KWS (Bild 4) elektrostatisch zu sauberem Metall und Glas getrennt (Bild 5).
Die Metallfraktion enthält Silizium, Silber, Kupfer, Zinn und Blei. Im nächsten Schritt wird nasschemisches Ätzen eingesetzt um Rückseitenkontakte, Silberkontakte, Antireflexschichten und Emitter zu entfernen. Im Anschluss ist es möglich, das Silizium in Standardprozesse zu überführen.
Des Weiteren wird ein zusätzlicher Materialstrom im Größenbereich 1 – 4 mm abgesiebt. Dieser besteht aus Sammelschienen – sogenannte Busbars – die auch im elektrostatischen Separator hamos KWS vom Glas abgetrennt werden können (Bild 6). Das zurückgewonnene Glas wird überwiegend zu Schaumglas (Foamglas) weiter verwertet. Verfahren zur besseren Glastrennung befinden sich in der Erprobung.
Die hamos GmbH ist in der Erprobung eines Recyclingverfahrens, in dem die zeitaufwendige Demontage des Aluminiumrahmens und der Anschlussbox entfällt.
In diesem Recyclingprozess wird die Zuleitung (Kupferkabel) abgetrennt, und dann wird das komplette PV-Modul zerkleinert. Am Ende des Prozesses werden verschiedene, saubere Glas- und Metallfraktionen erzielt. Der Vorteil dieses Recyclingverfahrens ist, dass hohe Durchsätze erzielt werden können.
Aufgrund der hohen Anzahl erwarteter PV-Altmodule könnte der Recyclingprozess der hamos zur Rückgewinnung der Metalle aus Altmodulen im industriellen Maßstab eingesetzt werden. Die Besonderheit des Recyclingkonzeptes ist die Reinheit der Rezyklate.
Effizienzsteigerung von Solarmodulen
Die Produktion von Photovoltaikanlagen verbrauchen viel Energie, große Flächen sind notwendig und die Effizienz der Solarmodule haben Luft nach oben.
Mittlerweile verwenden die meisten Modulhersteller fast ausschließlich monokristalline Solarzellen. Sie haben einen Wirkungsgrad von bis zu 25 %. Steht eine große Fläche für die Photovoltaikanlage zur Verfügung, setzt man teilweise auch noch polykristalline Module ein, die die gleiche Leistung mit einer größeren Anzahl kostengünstigerer Module erreichen. Monokristalline Zellen kann man aufgrund der Farbe von polykristallinen Zellen unterscheiden. Diese sind schwarz, polykristalline Solarzellen haben hingegeben eine bläuliche Farbe.
Bei einem Photovoltaikmodul mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von bis zu 25 %, wird der größte Teil des Lichtspektrums von circa 75 % nicht genutzt. In naher Zukunft könnten weitere Technologien diese Probleme aus dem Weg schaffen.
Solarzellen aus ferroelektrischen Materialien
Die Perowskit-Zellen bestehen aus ferroelektrischen Materialien und haben einen Wirkungsgrad von ~29 %. Die Besonderheit hierbei ist, dass die Perowskit-Zellen durch Sprühen oder Streichen auf einen leitenden Untergrund aufgetragen werden. Praxistaugliche Konzepte könnten in ein paar Jahren auf den Markt kommen.
Mehrfachzellen
Es gibt bereits Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von ~48 %, diese Mehrfachzellen bestehen aus verschiedenen Halbleiterschichten. Hierbei nutzt jede Halbleiterschicht unterschiedliche Lichtspektren. Diese Mehrfachzellen sind noch nicht vermarktet.
Solarfolie aus organischem Abfall
Die Solarfolie AuREUS kann 20 – 50 % länger arbeiten als gewöhnliche Module und ist leicht und flexibel. Hierbei werden Solarzellen aus Ernteabfällen, den fluoreszierende Partikel, hergestellt. Die fluoreszierende Partikel werden in einer Harzschicht eingehüllt und durch Sonnenstrahlen erzeugen sie dann Strom – auch wenn es bewölkt ist.
Solare Blumen
Eine Solaranalage von der Firma Smartflower kann jährlich bis zu ~6000 kWh erzeugen. Es wird eine schattenfreie Fläche von 27 m2 benötigt. Die Solaranlage sieht einer Sonnenblume ähnlich und kann Ihre „Solarblätter“ so zur Sonne drehen und neigen, dass die Strahlen immer im optimalen Winkel stehen und aufgenommen werden können. Bei Unwetter schließt die Anlage automatisch.
Solarfarbe
Forscher arbeiten an einer Farbe, die sich auf eine Wand auftragen lässt und Strom erzeugen soll. Durch kleine Titandioxid-Partikel in der Farbe, die mit Cadmiumdioxid oder Cadmiumselenid beschichtet und auf einen leitenden Film aufgetragen werden, kann Strom erzeugt werden. Ein weiteres Institut forscht auch an einer Farbe, die der Luft Feuchtigkeit entzieht und Wassermoleküle aufspalten kann. Zurück bleibt ein Energieträger: Sauerstoff und Wasserstoff.
Solarfenster
Die Firma ubiquitous energy bieten Fenster an, welche Strom erzeugen können. Diese Fenster nutzen transparente Solarzellen und nutzen nur ultraviolettes Licht zur Stromerzeugung. Dieser Strom wird dann von Salzmolekülen zu Solarstreifen am Rand des Fensters weitergeleitet. Der Wirkungsgrad liegt bei ~10 %.
Es gibt weitere Forschungen in Südkorea. Dort wird experimentiert winzige Löcher in die Siliziumzellen zu stanzen. Die Löcher werden so angeordnet, dass eine optische Täuschung erzeugt wird. Außerdem lassen die löchrigen Silizium-Zellen das Licht ohne jede Verfärbung durch. Der Wirkungsgrad liegt bei ~12 %.
Es dürfte interessant sein, inwieweit sich die Effizienz der Solarmodule steigern wird und wie das passende Recyclingkonzept dazu aussehen könnte.
Um das Recycling und die Wiederverwendung von PV-Modulen zu stärken, hat die Deutsche Umwelthilfe DUH gemeinsam mit Partnern aus der Solar- und Entsorgungsbranche ein Weißbuch mit Verbesserungsmöglichkeiten im Jahr 2021 veröffentlicht. Das Weißbuch stellt folgende Forderungen:
Modul-Design Anpassung zur besseren Trennung der Materialien
Verzicht auf Bleibestandteilen
Grenzwerte für Silizium- und Silberverwendung
Stärkung von Wiederverwendung und Recycling
Sicherstellung der Wiederverwendungsfähigkeit durch fachkundigen Transport
Ausbau der Sammel- und Entsorgungsstrukturen
Es wird unter anderem deutlich gemacht, dass Recycler einen Anreiz brauchen, z.B. durch Recyclingvorgaben pro Wertstoff und einen planbaren und gesicherten Materialstrom, um in neue und hochwertige Recyclingtechnologien zu investieren und dadurch sinnvolle Erlöse für die recycelten Materialien zu erzielen.
Autorin: Selinda Sliz, Head of Marketing, hamos GmbH
