Rückgewinnungstechnologien für die Wiederverwendung von Solarmodulen

13. März 2024

Das Recycling von Komponenten von End of Life-Solarmodulen ist ein wichtiger Ansatz zur nachhaltigen Nutzung von Ressourcen. Dadurch können bestimmte Bestandteile von Solarmodulen wiederverwendet oder in neue Produkte umgewandelt werden. Hier setzt das kürzlich gestartete Verbundprojekt »RETRIEVE« an: Beim Recycling von Solarmodul-Komponenten soll die Materialqualität so verbessert werden, dass sie den aktuellen Anforderungen an die Wiedereingliederung in die Photovoltaik-Wertschöpfungskette entspricht. Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP bringt in das bis März 2027 laufende Projekt seine Kenntnisse im Bereich Materialanalytik sowie Prozessoptimierung ein.

Laser Induced Breakdown Spektroskopie (LIBS) am Fraunhofer CSP — © Fraunhofer CSP
Innovative Analytik, Bewertung und Qualifizierung von Materialien und Rohstoffen ist am Fraunhofer CSP durch eine hochmoderne Ausstattung möglich.

Das Recycling von Solarmodulen ist ein wichtiger Aspekt der Nachhaltigkeit in der Solarindustrie. Solarmodule enthalten verschiedene Materialien, darunter Silizium, Glas, Metalle und Kunststoffe, die recycelt werden können, um Ressourcen zu schonen und Abfälle zu reduzieren. Das Verbundprojekt »RETRIEVE« setzt an diesem Punkt an und möchte einen Beitrag zur Rohstoffunabhängigkeit Europas leisten. Aus dem prognostizierten Zustrom veralteter Module wollen die Projektpartner wertvolle Ressourcen für in Europa hergestellte Photovoltaik-Module gewinnen und so gleichzeitig das Wachstum der europäischen Photovoltaik-Recyclingindustrie fördern.

Der in »RETRIEVE« verfolgte Ansatz möchte die Abhängigkeit von Primärrohstoffen durch eine zirkuläre Nutzung von Ressourcen verringern. Innovative und flexible Rückgewinnungstechnologien sollen für jede Komponente Silizium-basierter Photovoltaik-Module entwickelt werden. Dabei sollen die Spezifikationen beibehalten und gleichzeitig die Umweltauswirkungen der Recyclingprozesse reduziert werden. Wichtige Schritte sind hierbei das Glas-Recycling nach aktuellen Standards, die Reinigung von Produktionsabfällen und von End of Life-Silizium, die Rückgewinnung von Silber und Schwermetallen sowie die Entwicklungen von Möglichkeiten, recycelten Kunststoff durch Kohlenstoffabscheidung möglichst werthaltig weiter- oder wiederzuverwenden.

Das Fraunhofer CSP ist bei den Materialanalysen an allen wesentlichen Prozessschritten der stofflichen Verwertung und des Recyclings beteiligt, insbesondere von Glas, Silizium und Metallen. Hierfür kommt die hoch moderne Ausstattung für die Materialanalytik und -charakterisierung zum Einsatz, darunter die Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry ICP-MS, eine Analysenmethode für die anorganische Elementanalytik, und die Laser Induced Breakdown Spektroskopie (LIBS), die eine in-line Analyse von Elementgehalten ermöglicht. »Wir unterstützen außerdem bei der Prozessoptimierung innerhalb der verschiedenen Aufreinigungs- und Weiterverarbeitungsschritte und untersuchen materialspezifische pyrolytische Polymer-Abbaumechanismen«, sagt Dr. Sylke Meyer, Gruppenleiterin »Materialanalytik« am Fraunhofer CSP.

Foto in druckfähiger Auflösung zum Download. Die Abbildung darf für redaktionelle Zwecke zur Berichterstattung über dieses Thema honorarfrei genutzt werden. Die Verwendung zu anderen Zwecken ist nur nach vorheriger Zustimmung des Fraunhofer IMWS zulässig. [ JPG 2 MB ]

Alle ausklappen Alle einklappen

Welche regulatorischen Vorgaben gibt es für das Recycling von Photovoltaik-Modulen?

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.
Warum werden Recycling-Lösungen für die Solarbranche wichtiger?

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.
Was ist Stand der Technik beim Recycling von Solarmodulen?

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.
Wie läuft der Recyclingprozess konkret ab?

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.
In Solarmodulen sind auch Kunststoffe enthalten. Welche sind das und wie lassen sie sich wiederverwerten?

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.
In welchen Projekten ist das Fraunhofer CSP an der Entwicklung von Lösungen für das PV-Recycling beteiligt?

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.
Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, damit PV-Recycling flächendeckend und kostengünstig funktioniert?

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.

Recycling von Photovoltaik-Modulen für eine nachhaltige Wertschöpfungskette

Rückgewinnungstechnologien für die Wiederverwendung von Solarmodulen

Welche regulatorischen Vorgaben gibt es für das Recycling von Photovoltaik-Modulen?

Warum werden Recycling-Lösungen für die Solarbranche wichtiger?

Was ist Stand der Technik beim Recycling von Solarmodulen?

Wie läuft der Recyclingprozess konkret ab?

In Solarmodulen sind auch Kunststoffe enthalten. Welche sind das und wie lassen sie sich wiederverwerten?

In welchen Projekten ist das Fraunhofer CSP an der Entwicklung von Lösungen für das PV-Recycling beteiligt?

Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, damit PV-Recycling flächendeckend und kostengünstig funktioniert?

Contact Press / Media

Dr. Sylke Meyer

Contact Press / Media

Michael Kraft