Die grüne Zukunft: Recycling von Photovoltaikmodulen
23.04.2024
„Nichts verschwenden, wiederverwenden!“, ist nicht nur der Ausruf eines beliebten animierten Welpen einer bekannten Kinderserie, wenn er aus vermeintlichem Müll neue Gegenstände kreiert. Daran zeigt sich vielmehr, wie wichtig das Thema „Recycling“ allgemein geworden ist. Gerade auch bei den erneuerbaren Energien wie den nun vielfach auf den Häuserdächern und Balkonen anzutreffenden Photovoltaikmodulen. Allein von den sogenannten Balkonanlagen wurden laut Bundesnetzagentur 260.000 im Jahr 2023 verbaut – es werden noch viele weitere folgen. Ein Bestandteil der Module: Kunststoff. Im Interview mit dem K-Mag erklärt Dr. Sylke Meyer vom Fraunhofer CSP wie dieser für das Recycling aufwändig extrahiert wird.
Frau Dr. Meyer, können Sie uns einen Überblick darüber geben, wie das Recycling von Komponenten von End-of-Life-Solarmodulen, insbesondere hinsichtlich der Kunststoffe, durchgeführt wird?
Dr. Sylke Meyer: Von End-of-Life-Modulen können theoretisch bis zu 95% recycelt werden, wenn verschiedene Verfahren kombiniert werden. Praktisch wird aktuell allerdings 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 muss dann aufwändig durch mechanische, physikalische und chemische Verfahren getrennt und gereinigt werden. Da Aluminiumrahmen und Glas mehr als 80% Gewichtsanteil an einem PV-Modul haben, konzentrieren sich die etablierten Recycling-Technologien auf diese Materialen.
Welche Arten von Kunststoffen sind in Solarmodulen enthalten, und welche Herausforderungen stellen sie beim Recycling dar?
Meyer: Kunststoffe haben einen Anteil von unter 10% am Gesamtgewicht für ein PV-Modul, sind aber für die Haltbarkeit und Betriebssicherheit unerlässlich. Die Bandbreite reicht von Ethylen-Vinylacetat (EVA), Polyolefin-Elastomeren (POE) oder thermoplastischen Olefinen (TPO) zur Verkapselung der Zellen über Fluorpolymere (PVF), Polyamid (PA) und Polyester (PET) als Rückseitenfolien bis hin zu weiteren Kunststoffen, die als Klebstoffe, für Teile des Gehäuses oder für transparente Abdeckungen anstelle von Glas eingesetzt werden. Gerade in dieser Komplexität liegt die größte technische Herausforderung beim Recycling. Konkret betrifft das zum Beispiel den hohe Vernetzungsgrad im EVA oder die Mehrlagigkeit der Rückseitenfolien.
Könnten Sie uns bitte erläutern, wie die Kohlenstoffabscheidung im Recyclingprozess von Solarmodulkomponenten funktioniert?
Meyer: Ethylenvinylacetat (EVA) kann z.B. durch katalytische Thermopyrolyse effektiv recycelt werden. Dieser Prozess senkt die erforderliche Temperatur, bei der Kunststoff in wertvolle petrochemische Produkte zersetzt wird. Dabei wird jedoch an mehreren Stellen CO2 freigesetzt. Für dessen Abtrennung und Nutzung können verschiedene Verfahren eingesetzt werden, z. B. mittels Membranen oder durch chemische Absorption.
Sie untersuchen im Institut auch materialspezifische pyrolytische Polymer-Abbaumechanismen. Können Sie den Vorgang kurz erklären?
Meyer: Damit ist die thermische Zersetzung von Polymeren unter Sauerstoffausschluss gemeint, bei der Gase wie Methan, Ethylen oder Benzol entstehen können, ebenso wie wertvolle flüssige Produkte und Feststoffe. Um den Prozess möglichst effizient und zielgerichtet steuern zu können, ist ein genaues Verständnis der Einflussfaktoren wichtig. Dazu zählen die Polymerstruktur selbst sowie die Reaktionsbedingungen. Im Projekt RETRIEVE unterstützen wir unsere Projektpartner mit unserem Know-how in der Materialanalytik, um die Anwendungspotenziale dieses Verfahrens für das Recycling und darüber hinaus zu verbessern. Wir bringen dabei beispielsweise Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (py-GC-MS) zum Einsatz. Damit lässt sich einerseits die Polymerzusammensetzung von Proben bestimmen, andererseits kann man Additive und/oder Verunreinigungen detektieren.
Wie gestaltet sich die Wirtschaftlichkeit des Recyclingprozesses von Solarmodulen im Vergleich zur Herstellung neuer Materialien?
Meyer: Die Wirtschaftlichkeit ist eine Herausforderung. Etwa die Separierung und Aufbereitung des Kunststoffanteils ist heute noch nicht wirtschaftlich sinnvoll möglich. Neben zusätzlichen politischen Vorgaben zu Recyclingquoten sehe ich hier aber auch Chancen durch Skalierungseffekte. Gerade durch die große Menge an Altmodulen kann sich die Entwicklung passender Verfahren lohnen, was dann wiederum zu einem größeren Angebot und somit sinkenden Preisen von Rezyklaten führen kann.
Wie sehen Sie die zukünftige Entwicklung des Recyclings von Solarmodulkomponenten, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung der Kunststoffrückgewinnung?
Meyer: Ziel muss eine echte Kreislaufwirtschaft sein, bei der möglichst viele im Modul verbaute Materialien mit möglichst hoher Wertschöpfung wieder in den Produktzyklus gelangen. Ein wichtiges Thema ist dabei die Entwicklung von Standards zur Funktionsprüfung, damit wir bewerten können, wann ein Modul überhaupt „End of life“ erreicht hat. Ansätze für das „Design for Recycling“ sollten stärker berücksichtigt werden – gerade beim Einsatz von Kunststoffen kann das ein wichtiger Ansatz sein. Dazu kommen weitere Anstrengungen für die Verbesserung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Module: Je länger die Module intakt im Betrieb sind, desto geringer wird der Recyclingbedarf.