Solarpaneele: Recycling - jetzt schon - oder später?

Jeder, der kann - und einen Handwerkertermin bekommt - kauft dieser Tage eine Photovoltaik-Anlage für sein Dach, seinen Balkon oder seinen Fensterrahmen, sicherlich auch für sein Boot, um "wenigstens etwas Strom zu machen".

Aber auch ein Solarpaneel hat ein Verfallsdatum! Das steht nicht gedruckt auf der Glasfläche, aber es passiert. Entweder das Paneel verliert an Leistungsfähigkeit, weist einen technischen Defekt auf, wird durch Hagel oder anderweitigen Aufprall beschädigt, oder wird durch neue Entwicklungen obsolet. Die durchschnittliche Lebensdauer eines Solarpaneels steht bei 20 bis 25 Jahren. Darüber denken derzeit nur die wenigsten nach! Selbst wenn Paneele 40 Jahre effizient funktionsfähig bleiben sollten - was passiert nicht alles während eines halben menschlichen Lebens![ds_preview]

Endprodukte des Recyclings von PV-Anlagen. Foto: Reiling Recycling

Am Ende des Produkt-Lebenszyklus stellen sich zwei Herausforderungen: Die zu entsorgenden Paneele (gesamte Glasplatte) müssen gesetzeskonform erfasst und vor allem die Bestandteile der Module (hauchdünne, hochreine, die energieumsetzenden Halbleiterelemente umschließende Glasschicht) möglichst sortenrein in den Kreislauf zurückgeführt werden. Das letztere ist ein vielschichtiges Verfahren, zu dem es wegen der bisher relativ gering angefallenen Menge an Paneelschrott noch wenig Erfahrung gibt.

Heute - zwanzig Jahre nach Beginn der allgemein zugänglichen Photovoltaik - wird weltweit bereits mehr als ein Terawatt (eine Million Megawatt) elektrischer Leistung durch Solarpaneele erzeugt. Bei etwa 400 Watt pro Paneel sind das etwa 2,5 Milliarden Paneele auf Hausdächern und in Voltaik-Farmen. Die werden spätestens im Jahr 2050 PV-Müll sein. Und es werden täglich allein in Deutschland über tausend Paneele mehr. Das ist gut für die CO2-Bilanz, aber schlecht für die Abfall-Bilanz.

Die Internationale Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) schätzt, dass weltweit bis 2030 mindestens 2, vielleicht auch 4 Millionen Tonnen Paneelschrott anfallen, sollten die Paneele doch nicht so lange halten, wie erwartet. Kühl und trocken würden sie länger leben, aber das verhindert schon der Klimawandel. Bis 2050 - wenn alle heute verbauten Paneele umgewälzt sein sollten - werden es weltweit 200 Millionen Tonnen sein. PV-Paneele werden also zu einem massiven Problem, wenn nicht bereits jetzt das Recycling mit Nachdruck begonnen wird!

Materialzusammensetzung PV-Paneel. Grafik: Fraunhofer-CSP

Im Juni 2023 startet in Frankreich das weltweit erste Unternehmen, das sich ausschließlich auf das Trennen und Wiedergewinnen des Materials der Paneele konzentriert. "ROSI Solar" (Return of Silicon (dt.: Silizium)) in Grenoble hat sich auf Verfahren zur Bearbeitung ausrangierter Paneele spezialisiert und hofft, durch Erfahrungsgewinn mit den Methoden und Weiterentwicklung der Verfahren auf eine Wiedergewinnungsrate von 99% zu gelangen.

Aber auch in Deutschland brauchen wir uns nicht in den Schatten zu stellen. Auch hier gibt es in Münster einen Recycling-Spezialisten, der sich seit 15 Jahren bereits dem Wiederverwenden von PV-Paneelen widmet. Neben Münster als dem vorrangigen PV-Recycling-Standort in Deutschland gibt es quer durch das Land vier weitere Anlagen des gleichen Betreibers, in denen PV-Elemente aufbereitet werden (nahe Bielefeld, Nürnberg, Magdeburg, und zwischen Leipzig und Dresden). Wirtschaftlich rentabel wird das Wiederverwenden der Anteile ab einer Menge von 10.000 Tonnen PV-Paneele jährlich. Zur Bearbeitung derartiger Mengen soll jetzt die Anlage in Münster befähigt werden. Wo vor fünf Jahren 500 Tonnen im Jahr angeliefert wurden, da sind es zur Zeit 500 Tonnen monatlich - mit rasant steigender Tendenz. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut (Fraunhofer - Center für Silizium-Photovoltaik (CSP)) in Halle/Saale werden derzeit Verfahren entwickelt, die ein Recycling vor allem der Module schneller und effizienter machen sollen.

Materialzusammensetzung PV-Paneel. Grafik: Fraunhofer-CSP

In der EU sind die Hersteller und Importeure von Paneelen auch für deren Rücknahme als Altmaterial in die Pflicht genommen. In der Praxis bezahlen die Hersteller den Recyclinghof für das Entgegennehmen der von Privatpersonen abgegebenen Paneele. Für kommerzielle Solarparks ist das Verfahren direkt gebührenpflichtig. Aber: Hier wurde bisher das einfachste und billigste Verfahren gewählt: crushing & shredding - also Zertrümmern, Zerkleinern, Entsorgen. Nun müssen entsprechend der EU-Gesetzgebung 80% des Modulgewichts recycelt werden, was allerdings bereits durch die Menge an Glas und Aluminium erreicht wird. Sowohl die Glasfronten, als auch die Aluminiumrahmen und -träger lassen sich noch recht gut trennen. Schwieriger wird es bei Kupfer, Silber und Silizium, das aus den Modulen zu extrahieren ist. Aber gerade der verbleibende Rest ist besonders wertvoll: 60% des Materialwertes (Kupfer, Silber) sind in 3% des Gewichts enthalten. Bisher war gerade das Extrahieren dieser Materialien wegen der geringen Mengen eher aufwendig und unwirtschaftlich.

Insgesamt lassen sich fast alle Materialien bei der Herstellung leistungsstärkerer Paneele wieder verwenden - bis auf die Glasplatte selbst, die nach Abtrennen der wertvollen Materialien bisher nur noch von minderer Qualität sein soll und sich nicht mehr für die Herstellung neuer Paneele eignet. Dieser Glassand lässt sich dann nur noch in Fliesen, Schleifmaterial und Asphalt etc. weiter verwenden.

Viel interessanter - weil energetisch relevant - ist jedoch die Rückgewinnung des Siliziums (auch: Kieselerde) der nur millimeterdicken PV-Module. Hier setzt die deutsche Entwicklung an, bei der es zusätzlich darum geht, die hochreinen Halbleiter-Anteile in den Verfahren zu steigern. Denn allein die Silizium-Gewinnung für eine Neuanfertigung ist sehr energieintensiv, da es in Schmelz-Reduktionsöfen bei etwa 2.300 Grad Celsius aus Quarzsand gewonnen wird - mit entsprechend hohem CO2-Fußabdruck. Lässt sich das Halbmetall Silizium aus den verbrauchten Modulen zurückgewinnen, muss es nicht neu hergestellt werden.

SunWare-Photovoltaik-Paneele auf Bimini. Foto: SunWare

Zur Zeit läuft das Verfahren beim Fraunhofer-Institut wie folgt ab: Tonnenweise millimeterkleiner Modulbruchstücke werden zunächst von Glas und Kunststoff befreit. Dann trennen mehrere nasschemische Ätzprozesse in Säurebädern andere Metalle ab, wie Kupfer, Silber oder Aluminium. Stetig reiner werdendes Silizium wird ab einem gewünschten Reinheitsgrad eingeschmolzen. Aus dem flüssigen Silizium wird schließlich wie beim Kerzenziehen ein zylinderförmiger Stab (Ingot) gefertigt. Daraus werden dann die hauchdünnen, quadratischen Wafer für die neuen PV-Module geschnitten. Nach zwei Wochen sind aus dem Schrott große Blöcke Silizium und kleine Barren Silber entstanden. Festzuhalten ist aber auch, dass Silber langfristig der materielle Flaschenhals bei der PV-Modulherstellung sein wird, denn es gibt jetzt schon nicht genug davon. Außerdem ist es teuer!

SunWare-Paneele auf Persenning. Foto: SunWare

Ob dieser Prozess der wirtschaftlich sinnvollste ist, wird sich noch zeigen müssen. Vorstellbar sind aber auch andere Verwertungen in der chemischen Industrie, der Keramik- und der Batterieherstellung, die geringere Reinheitsforderungen an Silizium-Produkte stellen und dadurch den Recyclingprozess kostengünstiger machen.

Die Schere wird noch einmal durch Daten aus Frankreich verdeutlicht: Während ROSI für 2022 in ganz Frankreich Paneele einsammelte und etwa 4.000 Tonnen Altmaterial bearbeiten konnte, wurden in dieser Zeit auch 232.000 Tonnen Paneele gekauft. In zwanzig Jahren wird diese Menge jährlich wieder aufzubereiten sein.

Abschließend sind zwei Punkte festzuhalten.

Erstens: Wenn insgesamt ein sehr hoher Anteil der Paneele sinnvoll wiederverwendet in den Kreislauf gebracht werden kann, dann wird aus der "Schrottverarbeitung" ein wirtschaftlich rentables Unterfangen. Wäre dem nicht so, müsste es teuer bezahlt werden - was die ambitionierte Energiewende in Deutschland wiederum erschweren dürfte.

Und zweitens: Unabhängig davon, ob sich andere Herstellungsmethoden entwickeln und etablieren, oder ob ein Technologiesprung uns effizientere Verfahren der erneuerbaren Energieumwandlung beschert, die Fragen nach Instandsetzbarkeit und Materialrückgewinnung müssen beim Entwickeln von Produkten - welcher Art auch immer, und nicht nur bei PV-Paneelen - grundsätzlich und von Anfang an eine maßgebliche Rolle spielen.

Zu guter letzt noch ein erschreckender Vergleich: Weltweit werden derzeit 400 Millionen Tonnen Plastik pro Jahr produziert. Aber das ist ein anderes Thema.

Quellen: bbc, bdew, naturschutz.ch, reiling

Hier geht's in's Eingemachte: Aufbau und Funktion eines PV-Moduls

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken. Ein idealer Halbleiter ist Silizium, da es in Quarzsand vorkommt, dadurch preiswert und in grossen Mengen erhältlich ist. Damit die positiven und negativen Ladungsträger richtig geleitet werden, wird das Halbleitermaterial «dotiert». Damit ist das definierte Einbringen von Kleinstmengen an chemischen Elementen (z.B. Bor oder Phosphor) gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p-leitende Halbleiterschicht mittels Bor-Atomen) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht mittels Phosphor-Atomen) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Die Ladungen werden dann via einer Leitbahn aus Silber zu Metallkontakten auf der Seite des PV-Moduls transportiert. Über diese Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äussere Kreis geschlossen, das heisst ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fliesst ein Gleichstrom.

Photovoltaik - Prinzipskizze Aufbau und Funktion PV-Modul. Grafik: Faktor-Verlag

© Christof Bucher, Photovoltaikanlagen, Faktor Verlag

https://naturschutz.ch/hintergrund/wissen/funktioniert-recycling-von-photovoltaikanlagen/165605