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Die Menge an PV-Modulen, die in den letzten Jahren in Verkehr gebracht wurden, nimmt deutlich zu. So konnte seit dem Jahr 2017 eine jährliche Steigerung von rund 50.000 – 60.000 Tonnen verzeichnet werden. Im Jahr 2020 wurden insgesamt 320.000 Tonnen an PV-Modulen in Verkehr gebracht. Im Vergleich ist die Menge, die einer Erstbehandlung zugeführt wird, mit 15.400 Tonnen für das Jahr 2020 vergleichsweise gering. Grund dafür ist die Lebensdauer der PV-Module von rund 25 Jahren.
Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft die Mengen an ausgedienten PV-Modulen, die einer Verwertung zuzuführen sind, zunehmen, denn die ab den 1990er Jahren verbauten PV-Module erreichen langsam ihr Lebensende. Im Vergleich der Jahre 2016 und 2020 ist ein deutlicher Zuwachs von 2.000 Tonnen auf 15.000 Tonnen zu verzeichnen. So stieg auch die Anzahl der Entsorgungsanlagen, die PV-Module annehmen, von 13 Anlagen im Jahr 2016 auf 27 Anlagen im Jahr 2020.*
Statistisches Bundesamt (2022): Zur Erstbehandlung angenommene Elektro- und Elektronikaltgeräte (online). Statistisches Bundesamt, 11.02.2022 (abgerufen am: 28.10.2022)
© VDI ZRE (In Anlehnung an Statistisches Bundesamt (2022): Zur Erstbehandlung angenommene Elektro- und Elektronikaltgeräte (online). Statistisches Bundesamt)Mengenentwicklung von PV-Modulen (2017 – 2020)
PV-Module können in drei Generationen unterteilt werden. Nur die erste Generation, die zu rund 90 Prozent verbaut ist, und die zweite Generation, die zu rund zehn Prozent verbaut ist, spielen aktuell in der Entsorgungsbranche eine Rolle.
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Hofmann, A. (2017): LAGA Bericht 31a – Umsetzung des Elektro- und Elektronikgerätegesetzes. Anforderungen an die Entsorgung von Elektro- und Elektronikaltgeräten. Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall, München (abgerufen am: 21.10.2022)
Durch das Recycling von einer Tonne PV-Module auf Siliziumbasis können rund 800 bis 1.200 kg CO2äq eingespart werden. Dies wird hauptsächlich durch die Rückgewinnung der Glas- sowie der Aluminiumfraktion erreicht.*
Fraunhofer IBP (2012): Life Cycle Assessment (LCA) screening of the Maltha recycling process for Si-PV modules. Fraunhofer IBP - Department Life Cycle Engineering, Stuttgart (abgerufen am: 28.10.2022)
In der Praxis wird das Glas nach dem Recycling in der Herstellung von Isolier-/Akkustikdämmung, Glaswolle oder Schaumglas eingesetzt, da hier geringere Qualitätsstandards gefordert sind als in der Flach- und Behälterglasindustrie. Das entspricht einem Downcycling, obwohl ein hochwertiges Recycling für die Flach- und Behälterglasindustrie technisch möglich ist.*
Wolf, J.; Brüning, R.; Nellesen, L. und Schiemann, J. (2017): Anforderungen an die Behandlung spezifischer Elektroaltgeräte unter Ressourcen- und Schadstoffaspekten. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau (abgerufen am: 31.10.2022)
Aufgrund der aktuell noch geringen Mengen an PV-Modulen, die einem Recycling zugeführt werden, gestaltet sich die Umsetzung jedoch bisher unwirtschaftlich. Dies gilt auch für weitere Bestandteile der PV-Module wie u. a. Silizium, Indium, Gallium und Silber.*
Kummer, S.; Strobelt, A.; Kohlmeyer, R.; Kitazume, C.; Oehme, I. und Schnepel, C. (2020): Empfehlungen des UBA für die Weiterentwicklung der Behandlungsanforderungen nach ElektroG. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau (abgerufen am: 28.10.2022)
Vor der stofflichen Verwertung werden die PV-Module nach Modultypen entsprechend der Kennzeichnung der PV-Module bzw. den Informationen der Datenblätter getrennt. Eine Sortierung nur nach optischen Merkmalen wird aufgrund von Fehleinschätzungen nicht empfohlen.*
Hofmann, A. (2018): Mitteilung der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) 31 B. Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall, München (abgerufen am: 28.10.2022)
Nach der Demontage des Rahmens (oder der Backrails), der Anschlussdosen und Kabel werden die PV-Module einer mechanischen Behandlung zugeführt. Siliziumbasierte Dickschicht- (c-Si) und teils auch Dünnschicht-Module (a-Si) können gemeinsam recycelt werden. Untersuchungen zeigten zudem, dass eine Separation von monokristallinen und polykristallinen PV-Modulen (1. Generation) das Recyclingergebnis nicht beeinflusst, jedoch das herstellerspezifische Produktdesign einen Einfluss aufweist.*
Pohl, R. und Heitmann, B. (2019): Aufarbeitung von Altmodulen und Rückführung von Wertstoffen in den Stoffkreislauf (EoL-Cycle) : Abschlussbericht. Reiling Glas Recycling GmbH & Co. KG, Marienfeld (abgerufen am: 31.10.2022)
Die mechanische Behandlung setzt sich dabei grundsätzlich aus der Konditionierung, der Klassifizierung und Sortierung zusammen (Abbildung 6).
© VDI ZRE (In Anlehnung an Hofmann, A. (2018): Mitteilung der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) 31 B. Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall)Mechanische Behandlung von siliziumbasierten PV-Modulen
Das Recycling von Dünnschicht-Modulen kann aufgrund der Kunststofflaminierung in grundsätzlich drei Schritten erfolgen:*
Marwede, M. (2013): Cycling critical absorber materials of CdTe- and CIGS-photovoltaics – Material efficiency along the life-cycle. Universität Augsburg, Augsburg
Weitere Verfahren sind in der Entwicklung. Es wird gefordert, dass das Recycling von PV-Modulen rechtlich an realistische, aber ambitionierte Recyclingquoten gebunden wird, um insbesondere für Glas, Aluminium und kritische Metalle wie Indium, Gallium etc. künftig qualitativ hochwertige, geschlossene Kreisläufe zu etablieren.*
Deutsche Umwelthilfe e.V. (2021): Weißbuch zur Stärkung der Wiederverwendung und des Recyclings von Photovoltaik-Modulen. Deutsche Umwelthilfe e.V., Radolfzell (abgerufen am: 21.10.2022)
Das Unternehmen und der Verfahrensentwickler LuxChemtech GmbH wurde 2022 mit dem KfW Award ausgezeichnet. Dies gründet auf Technologieentwicklungen, durch die Silizium und weitere Halbleitermaterialien recycelt und dem Kreislauf wieder zugeführt werden können. Im Ergebnis werden zerkleinerte Siliziumstücke in einer besonderen Form auf 1.500 °C erhitzt und geschmolzen und anschließend langsam von unten nach oben gekühlt, sodass eine gleichmäßige Kristallisation erfolgt. Nach einer Prozesszeit von fünf Tagen steht dann ein 900 Kilogramm schwerer Siliziumblock in Primärwarequalität für eine erneute Produktion zur Verfügung.
Quelle:
Vallero, C. (2022): Hightech Recycling (online) – KfW Award Gründen. KfW (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.kfw.de/stories/wirtschaft/gruenden/luxchemtech/
Ein weiteres Projekt, „ReProSolar“, wird mit insgesamt 4,8 Mio. Euro über EIT RawMaterials gefördert und zielt auf die Entwicklung eines hocheffizienten Verfahrens für das Recycling von PV-Altmodulen ab. So sollen alle Bestandteile der PV-Module vollständig zurückgewonnen und der Industrie reines Silizium, Silber und Glas zugeführt werden. Hierzu soll eine neue Delaminierungstechnologie die Solarzellen effizient von der Glasplatte trennen und über innovative physikalisch-chemische Verfahren sollen die Materialien zurückgewonnen werden, ohne die PV-Module zerkleinern zu müssen. Die Umsetzbarkeit im industriellen Maßstab wird bei den Partnerbetrieben FLAXRES GmbH in Dresden und ROSI Solar in Grenoble getestet, sodass bis 2023 pro Jahr rund 5.000 Tonnen PV-Altmodule in einer Demonstrationsanlage verarbeitet werden können.
Quelle:
Evonik Industries AG (2021b): Evonik ist Teil des EU-Verbundprojekts ReProSolar zum vollständigen Recycling von Photovoltaik-Modulen - Evonik Industries (online). Evonik Industries AG, 15.06.2021 (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: corporate.evonik.com/de/evonik-ist-teil-des-eu-verbundprojekts-reprosolar-zum-vollstaendigen-recycling-von-photovoltaik-modu-159496.html
Das EU-Projekt „Photorama“ (PHOtovoltaic waste management – advanced Technologies for recOvery & recycling of secondary RAw MAterials from end-of-life modules) ist ein Verbund aus 13 Partnern. Ziel des bis 2024 laufenden Projektes ist die Entwicklung einer zuverlässigen PV-Recyclingtechnologie. Dazu soll eine Pilotanlage entwickelt werden, die ein TRL 7 vorweisen kann.
Quelle:
EU-Projekt Photorama (2021-2024): PHOtovoltaic waste management – advanced Technologies for recOvery & recycling of secondary RAw MAterials from end-of-life modules [online] [abgerufen am: 20.12.2022], verfügbar unter: www.photorama-project.eu
Die FLAXRES GmbH entwickelte eine Technologie, die durch einen hochintensiven Lichtpuls PV-Module in wenigen Sekunden in ihre Bestandteile zerlegt. Hochintensives Licht wird auf die PV-Module geworfen und von der lichtabsorbierenden Schicht, wie beispielsweise den Silizium-Wafern, in Wärme umgewandelt. Durch die schnelle Erhitzung der Materialien kann der Verbund effizient und ohne Einsatz von Chemikalien getrennt werden. Es resultieren die sortenreinen Fraktionen Glas, Aluminium, Kunststoffe, Silizium mit Silber, Kabel, Stromsammelschienen und Anschlussdosen. Die Technologie ist in mobilen Containern verbaut und kann vor Ort angewandt werden.
Quelle:
FLAXRES GmbH (2022): Technologie (online). FLAXRES GmbH (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.flaxres.com/de/technologie/
Eine Arbeitsgruppe am Fraunhofer CSP hat zusammen mit der Reiling GmbH & Co. KG einen skalierbaren Recyclingprozess entwickelt, über den das Recycling aller kristallinen Silizium-PV-Module möglich ist. Dabei spielt der Hersteller bzw. die Herkunft keine Rolle. Hierzu werden aus den Bruchstücken der PV-Module (ca. 0,1 bis 1 Millimeter Größe), die aus dem mechanischen Aufschluss stammen, in verschiedenen Trennprozessen Glas und Kunststoff entfernt. Durch ein sich anschließendes nasschemisches Ätzen können schrittweise die Rückseitenkontakte, die Silberkontakte, die Antireflexschichten und die Emitter getrennt werden. Als Produkt entsteht ein aufgereinigtes Silizium, das zu monokristallinen oder quasi-monokristallinen Ingots weiterverarbeitet und zur erneuten Wafer-Produktion wieder eingesetzt werden kann. Die mit aus vollständig recyceltem Silizium am Fraunhofer ISE produzierten PERC-Module weisen einen Wirkungsgrad von 19,7 Prozent auf und liegen damit zwar unter denen von Premium PERC-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22,2 Prozent, verfügen aber dennoch über einen höheren Wirkungsgrad als alte ausgediente Module. PERC-Solarzellen haben die Besonderheit, dass sie durch eine optimierte Solarzellenrückseite das Licht besser aufnehmen und daher eine höhere Effizienz aufweisen.
Quelle:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (2022): PERC-Solarzellen aus 100 Prozent recyceltem Silizium (online). Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2022/perc-solarzellen-aus-recyceltem-silizium-hergestellt.html
Die ROSI Solar GmbH ist ein Start-up, das PV-Module mit physikalischen, thermischen und sanften chemischen Prozessen, d. h. ohne aggressive Chemie, recycelt. Bei der Rohstoffrückgewinnung liegt der Fokus auf dem Silizium und dem Silber aus den Drähten, die den erzeugten Strom sammeln und durch das Paneel leiten. Laut Herstellerangaben kann so das Silber fast vollständig in fester Form wiedergewonnen werden. Auch das Silizium wird in reiner Form zurückgewonnen und kann für eine erneute Produktion von PV-Modulen eingesetzt werden.
Quelle:
ROSI SAS (2022): Recycling von Photovoltaik-Modulen (online). ROSI SAS (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.rosi-solar.com/de/recycling-von-photovoltaik-modulen/
Das Unternehmen Rinovasol hat sich u. a. auf das Refurbishing von Solar-Modulen spezialisiert. So werden Beschädigungen an Solar- und Photovoltaikpaneelen teilweise vor Ort aufgearbeitet. Nicht aufbereitbare Paneele werden einem Recycling zugeführt, wobei nach Unternehmensangaben bis zu 100 Prozent der Komponenten recycelt werden können. Der entwickelte technologische Recyclingprozess umfasst u. a. das Freischlagen der einzelnen Bestandteile eines PV-Moduls sowie die Sortierung der reinen Fraktionen der Materialien und wird vor Ort bei Landespartnern durch die mobile Zerlegeeinheit durchgeführt.
Quelle:
RINOVASOL (2022): Technologie zum Modulrecycling (online) – Kurze Wege - große Wirkung. Rinovasol Global Services B. V. (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.rinovasol.de/modul-re-using/technologie
Das Unternehmen und der Verfahrensentwickler LuxChemtech GmbH wurde 2022 mit dem KfW Award ausgezeichnet. Dies gründet auf Technologieentwicklungen, durch die Silizium und weitere Halbleitermaterialien recycelt und dem Kreislauf wieder zugeführt werden können. Im Ergebnis werden zerkleinerte Siliziumstücke in einer besonderen Form auf 1.500 °C erhitzt und geschmolzen und anschließend langsam von unten nach oben gekühlt, sodass eine gleichmäßige Kristallisation erfolgt. Nach einer Prozesszeit von fünf Tagen steht dann ein 900 Kilogramm schwerer Siliziumblock in Primärwarequalität für eine erneute Produktion zur Verfügung.
Quelle:
Vallero, C. (2022): Hightech Recycling (online) – KfW Award Gründen. KfW (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.kfw.de/stories/wirtschaft/gruenden/luxchemtech/
Ein weiteres Projekt, „ReProSolar“, wird mit insgesamt 4,8 Mio. Euro über EIT RawMaterials gefördert und zielt auf die Entwicklung eines hocheffizienten Verfahrens für das Recycling von PV-Altmodulen ab. So sollen alle Bestandteile der PV-Module vollständig zurückgewonnen und der Industrie reines Silizium, Silber und Glas zugeführt werden. Hierzu soll eine neue Delaminierungstechnologie die Solarzellen effizient von der Glasplatte trennen und über innovative physikalisch-chemische Verfahren sollen die Materialien zurückgewonnen werden, ohne die PV-Module zerkleinern zu müssen. Die Umsetzbarkeit im industriellen Maßstab wird bei den Partnerbetrieben FLAXRES GmbH in Dresden und ROSI Solar in Grenoble getestet, sodass bis 2023 pro Jahr rund 5.000 Tonnen PV-Altmodule in einer Demonstrationsanlage verarbeitet werden können.
Quelle:
Evonik Industries AG (2021b): Evonik ist Teil des EU-Verbundprojekts ReProSolar zum vollständigen Recycling von Photovoltaik-Modulen - Evonik Industries (online). Evonik Industries AG, 15.06.2021 (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: corporate.evonik.com/de/evonik-ist-teil-des-eu-verbundprojekts-reprosolar-zum-vollstaendigen-recycling-von-photovoltaik-modu-159496.html
Das EU-Projekt „Photorama“ (PHOtovoltaic waste management – advanced Technologies for recOvery & recycling of secondary RAw MAterials from end-of-life modules) ist ein Verbund aus 13 Partnern. Ziel des bis 2024 laufenden Projektes ist die Entwicklung einer zuverlässigen PV-Recyclingtechnologie. Dazu soll eine Pilotanlage entwickelt werden, die ein TRL 7 vorweisen kann.
Quelle:
EU-Projekt Photorama (2021-2024): PHOtovoltaic waste management – advanced Technologies for recOvery & recycling of secondary RAw MAterials from end-of-life modules [online] [abgerufen am: 20.12.2022], verfügbar unter: www.photorama-project.eu
Die FLAXRES GmbH entwickelte eine Technologie, die durch einen hochintensiven Lichtpuls PV-Module in wenigen Sekunden in ihre Bestandteile zerlegt. Hochintensives Licht wird auf die PV-Module geworfen und von der lichtabsorbierenden Schicht, wie beispielsweise den Silizium-Wafern, in Wärme umgewandelt. Durch die schnelle Erhitzung der Materialien kann der Verbund effizient und ohne Einsatz von Chemikalien getrennt werden. Es resultieren die sortenreinen Fraktionen Glas, Aluminium, Kunststoffe, Silizium mit Silber, Kabel, Stromsammelschienen und Anschlussdosen. Die Technologie ist in mobilen Containern verbaut und kann vor Ort angewandt werden.
Quelle:
FLAXRES GmbH (2022): Technologie (online). FLAXRES GmbH (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.flaxres.com/de/technologie/
Eine Arbeitsgruppe am Fraunhofer CSP hat zusammen mit der Reiling GmbH & Co. KG einen skalierbaren Recyclingprozess entwickelt, über den das Recycling aller kristallinen Silizium-PV-Module möglich ist. Dabei spielt der Hersteller bzw. die Herkunft keine Rolle. Hierzu werden aus den Bruchstücken der PV-Module (ca. 0,1 bis 1 Millimeter Größe), die aus dem mechanischen Aufschluss stammen, in verschiedenen Trennprozessen Glas und Kunststoff entfernt. Durch ein sich anschließendes nasschemisches Ätzen können schrittweise die Rückseitenkontakte, die Silberkontakte, die Antireflexschichten und die Emitter getrennt werden. Als Produkt entsteht ein aufgereinigtes Silizium, das zu monokristallinen oder quasi-monokristallinen Ingots weiterverarbeitet und zur erneuten Wafer-Produktion wieder eingesetzt werden kann. Die mit aus vollständig recyceltem Silizium am Fraunhofer ISE produzierten PERC-Module weisen einen Wirkungsgrad von 19,7 Prozent auf und liegen damit zwar unter denen von Premium PERC-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22,2 Prozent, verfügen aber dennoch über einen höheren Wirkungsgrad als alte ausgediente Module. PERC-Solarzellen haben die Besonderheit, dass sie durch eine optimierte Solarzellenrückseite das Licht besser aufnehmen und daher eine höhere Effizienz aufweisen.
Quelle:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (2022): PERC-Solarzellen aus 100 Prozent recyceltem Silizium (online). Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2022/perc-solarzellen-aus-recyceltem-silizium-hergestellt.html
Die ROSI Solar GmbH ist ein Start-up, das PV-Module mit physikalischen, thermischen und sanften chemischen Prozessen, d. h. ohne aggressive Chemie, recycelt. Bei der Rohstoffrückgewinnung liegt der Fokus auf dem Silizium und dem Silber aus den Drähten, die den erzeugten Strom sammeln und durch das Paneel leiten. Laut Herstellerangaben kann so das Silber fast vollständig in fester Form wiedergewonnen werden. Auch das Silizium wird in reiner Form zurückgewonnen und kann für eine erneute Produktion von PV-Modulen eingesetzt werden.
Quelle:
ROSI SAS (2022): Recycling von Photovoltaik-Modulen (online). ROSI SAS (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.rosi-solar.com/de/recycling-von-photovoltaik-modulen/
Das Unternehmen Rinovasol hat sich u. a. auf das Refurbishing von Solar-Modulen spezialisiert. So werden Beschädigungen an Solar- und Photovoltaikpaneelen teilweise vor Ort aufgearbeitet. Nicht aufbereitbare Paneele werden einem Recycling zugeführt, wobei nach Unternehmensangaben bis zu 100 Prozent der Komponenten recycelt werden können. Der entwickelte technologische Recyclingprozess umfasst u. a. das Freischlagen der einzelnen Bestandteile eines PV-Moduls sowie die Sortierung der reinen Fraktionen der Materialien und wird vor Ort bei Landespartnern durch die mobile Zerlegeeinheit durchgeführt.
Quelle:
RINOVASOL (2022): Technologie zum Modulrecycling (online) – Kurze Wege - große Wirkung. Rinovasol Global Services B. V. (abgerufen am: 02.12.2022), verfügbar unter: www.rinovasol.de/modul-re-using/technologie
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Tel.: +49 (0)30 2759506-505
E-Mail: zre-industrie@vdi.de