Modulrecycling

Schon seit 2010 gibt es ein Hersteller-übergreifendes Recyclingsystem (PV Cycle), das derzeit mehr als 300 Mitglieder hat. Seit 2014 sind die Produzenten auf Basis der europäischen WEEE-Richtlinie (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive) verpflichtet, PV-Module kostenlos zurückzunehmen und in den Wertstoffkreislauf zurückzuführen. In Deutschland werden Solarmodule als elektrische Großgeräte eingestuft, die angestrebte Sammelquote wurde im entsprechenden Gesetz mit mindestens 85 Prozent, die Recyclingquote mit mindestens 80 Prozent definiert. Hersteller müssen sich verpflichtend bei der Stiftung „Elektro-Altgeräte-Register (ear)“ registrieren.

Viele Module aus der ersten großen Welle des Photovoltaik-Ausbaus nach dem Start des Erneuerbare-Energien-Gesetzes im Jahr 2000 kommen gerade oder demnächst an ihr Lebensende. Sie enthalten viele wertvolle Ressourcen, vom Aluminiumrahmen und Front-Glas über Kupfer in den Zellverbindern bis hin zu Edelmetallen auf den Zellen. Theoretisch können bis zu 95 Prozent eines Moduls recycelt werden.

Es gibt verschiedene technologische Routen zur Aufarbeitung von End-of-Life (EoL)-Modulen, die kombiniert werden können. Aktuell wird hauptsächlich die mechanische Zerkleinerung angewendet. Dafür werden zuerst der Rahmen und die Anschlussdose/Kabel entfernt und anschließend wird das Laminat aus Glas, Kunststoff und Solarzellen geschreddert. Das anfallende Materialgemisch in Form von unterschiedlich großen Partikeln muss dann aufwändig durch mechanische, physikalische und chemische Verfahren getrennt und gereinigt werden. Mitunter geschieht das bereits teilautomatisiert, etwa durch den Einsatz von Sensoren und Magneten zur Identifizierung von Metallen. Da Aluminiumrahmen und Glas mehr als 80% Gewichtsanteil an einem PV-Modul haben, konzentrieren sich die etablierten Recycling-Technologien auf diese Materialen. Für andere Materialien wie Silizium und Kunststoffe sind verschiedene Verfahren in der Entwicklung.

Am Beginn steht das Einsammeln alter Module, die zu einem Verwertungsunternehmen gebracht werden. Beim Recycling gilt es dann zunächst, die im Modul fest miteinander verbundenen Materialien zu separieren, also Aluminiumrahmen, Anschlussdose und Glas vom Laminat zu trennen. Die einzelnen Fraktionen werden anschließend zerkleinert und gereinigt, sodass sie schließlich zur Wiederverwendung bereitstehen. Für die Trennung der Materialien voneinander kommen thermische Verfahren (Schmelzen), mechanische Verfahren (Mahlen und Sieben) und chemische Verfahren (Lösungsmittel, Säuren, Laugen) zum Einsatz. Bei Dünnschichtmodulen gibt es ein paar Besonderheiten, so kann hier etwa auch besonders gut mit Pyrolyse (Erhitzen der Materialien unter Ausschluss von Sauerstoff, wodurch sie sich zersetzen und in verschiedene Gase und Feststoffe zerlegt werden) und Flotation (Trennen von hydrophoben und hydrophilen Materialien durch Zugabe von Luftblasen) gearbeitet werden.

Kunststoffe haben einen Anteil von unter 10 Prozent am Gesamtgewicht und den Materialkosten für ein PV-Modul, kommen aber an zahlreichen Stellen zum Einsatz und sind für die Haltbarkeit und Betriebssicherheit unerlässlich. Besonders wichtig sind sie erstens als Verkapselungsmaterialien, hier sind beispielsweise Ethylen-Vinylacetat (EVA), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) besonders gängig, weil sie transparent und witterungsbeständig sind sowie gute elektrische Eigenschaften haben. Zweitens spielen sie bei den Rückseitenfolien eine besonders prominente Rolle, wo beispielsweise Fluorpolymere (PVF), Polyamid (PA) und Polyester (PET) zum Einsatz kommen, damit eine hohe Witterungsbeständigkeit, insbesondere gegen UV-Einstrahlung, passende mechanische Eigenschaften wie Reißfestigkeit sowie gute Barriereeigenschaften gegen Feuchtigkeit und Gase gewährleistet sind. Darüber hinaus werden Kunststoffe auch als Klebstoffe (Silikonkautschuk, Epoxidharze), als Teile des Gehäuses (z. B.  Acrylnitril-Butadien-Styrol ABS) oder für transparente Abdeckungen anstelle von Glas (Polycarbonat PC) eingesetzt. Für das Recycling von Kunststoffen aus Solarmodulen gibt es derzeit diverse Forschungsaktivitäten, aber noch keine wirtschaftlich tragfähige Lösung. Die größte technische Herausforderung liegt in der Komplexität und Materialvielfalt. Es gilt, die einzelnen Kunststoffe mit geeigneten Methoden möglichst sortenrein zu isolieren und in einer Form verfügbar zu machen, die eine möglichst hochwertige erneute Nutzung möglich macht. Probleme für ein effizientes Kunststoffrecycling stellen zum Beispiel der hohe Vernetzungsgrad im EVA, die Mehrlagigkeit der Rückseitenfolien oder mögliche Verunreinigung der Kunststoffe dar.

Das Fraunhofer CSP ist seit vielen Jahren und bei zahlreichen technologischen Aspekten engagiert, um PV-Recycling in Zusammenarbeit mit der Industrie zu etablieren und zu optimieren. Das reicht von der Wiederverwendung und Veredelung von zurückgewonnenem Silizium über den Aufbau von Pilotanlagen bis hin zur Herstellung von PERC-Solarzellen als recyceltem Silizium. Im Projekt „RETRIEVE“ bringen wir unsere Kompetenzen zur Materialanalytik insbesondere für Kunststoffe ein. Außerdem arbeitet das Forschungsteam an Standards zur Produktprüfung, die Voraussetzung für eine erfolgreiche Kreislaufwirtschaft sind. Nicht zuletzt leistet das Fraunhofer CSP erhebliche Beiträge für die Verbesserung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Module: Je länger die Module intakt im Betrieb sind, desto geringer wird schließlich der Recyclingbedarf.

Ziel im Photovoltaik-Markt sollte eine echte Kreislaufwirtschaft sein, bei der möglichst viele im Modul verbaute Materialien mit möglichst hoher Wertschöpfung wieder in den Produktzyklus gelangen. Voraussetzung dafür sind zunächst einmal tragfähige Sammel- und Entsorgungsstrukturen. Dazu gehören auch die weitere Qualifizierung und idealerweise eine Zertifizierung von Installations- und Handwerksbetrieben, damit weniger Module beim Auf- und Abbau von Photovoltaik-Anlagen beschädigt und damit oft auch in ihrer Recycling-Fähigkeit beeinträchtigt werden. Ein wichtiges Thema ist auch die Entwicklung von Standards zur Funktionsprüfung, damit bewertet werden kann, wann ein Modul überhaupt „End of life“ erreicht hat. Ansätze für das „Design for Recycling“, die bereits bei der Herstellung die spätere Wiederverwertung mitdenken, können Aufbereitungsprozesse vereinfachen und gerade für die Wiederverwertung von Kunststoffen aus PV-Modulen erhebliche Verbesserungen bringen. Wenn der CO₂-Fußabdruck pro gefertigtem Modul stärker in den Fokus rückt, könnten die Hersteller eventuell verstärkt auf Biopolymere setzen – auch hierfür gilt es dann, geeignete Methoden zur Wiederverwertung zu entwickeln.