PV-Ratgeber: Solarmodule richtig recyceln

Auf der ganzen Welt wächst der Markt für Photovoltaikanlagen kontinuierlich, denn um den globalen Energiebedarf decken zu können, werden Millionen von Solarmodulen benötigt. Aber jede PV-Anlage hat nach 20 bis 30 Jahren ausgedient und hinterlässt zahlreiche Abfallprodukte. Doch wenn alte oder beschädigte Paneele einfach entsorgt werden, führt dies zu wirtschaftlichen Verlusten aufgrund der Verschwendung natürlicher Rohstoffe. Glücklicherweise lassen sich die allermeisten Bestandteile dem Recycling-Kreislauf zuführen.

Auf diese Weise können die Module für eine erneute Nutzung zur Verfügung gestellt und ihre Lebenszyklen deutlich verlängert werden. Die recycelten Komponenten können aber auch der Herstellung anderer Produkte dienen. Die Kreislaufwirtschaft gilt als effizientes Modell der Produktion und des Verbrauchs und ist damit ein wichtiger gesamtwirtschaftlicher Ansatz. Solaranlagen werden dann recycelt, wenn sie nicht mehr repariert und wiederverwendet werden können. Bei einigen wenigen Komponenten übersteigen die Kosten für die Wiederverwertung den Wert der gewonnenen Materialien derzeit noch – die stetigen technologischen Fortschritte sind hierbei jedoch vielversprechend. Solarmodule setzen sich aus verschiedenen, fest miteinander verklebten und laminierten Materialien zusammen, darunter Glas, Aluminium, Silizium und Silber. Um diese zu recyceln, bedarf es einer sauberen Trennung. Auch hier werden kontinuierlich neue Methoden erforscht, um keine wertvollen Rohstoffe zu verlieren.

• Ein Solarmodul besteht hauptsächlich aus Silizium, Glas, Aluminium/Edelstahl, Cadmium und Blei.
• Muss ein Solarmodul entsorgt werden, kommt es, je nach Modultyp, zur Entnahme von Flüssigkeiten oder Schadstoffen. Im Anschluss werden die verbliebenen Materialen getrennt, sortiert und so weit wie möglich recycelt.
• Die WEEE-Richtlinie schreibt eine Recycling-Mindestquote von 80 % vor. In der Praxis können oft sogar bis zu 95 % der Bestandteile eines entsorgten Solarmoduls wiederverwertet werden.
• Aktuell werden von ausrangierten Paneelen nur Aluminium, Glas und Kupfer neu aufbereitet, nicht aber die Silizium-Solarzellen.
• Recyclingprozesse sollen weiter optimiert werden. Zugleich bedarf es der Erarbeitung einheitlicher Standards zur Funktionsprüfung von Altmodulen sowie einer Zertifizierung für Installateur:innen und Handwerker:innen.

Die WEEE-Richtlinie (Waste of Electrical and Electronic Equipment) der Europäischen Union schreibt eine Recycling-Mindestquote von 80 % vor. Häufig können sogar bis zu 95 % der Bestandteile eines entsorgten Solarmoduls wiederverwertet werden.

Das Recycling von PV-Anlagen ist in Deutschland gesetzlich festgelegt. Die Entsorgung fällt unter das „Gesetz zur Rücknahme alter Elektrogeräte“, was bedeutet, dass die Hersteller verpflichtet sind, die Module unentgeltlich wieder zurückzunehmen und fachgerecht zu entsorgen.

Verbraucher:innen können die eigenen ausgedienten PV-Module aber auch selbst entsorgen. Die kommunalen Wertstoffhöfe nehmen hiervon haushaltsübliche Mengen von 20-50 Stück kostenfrei entgegen.

Größere Mengen an PV-Modulen, beispielsweise bei gewerblichen Anlagen, werden in der Regel von Betreibern in Kooperation mit externen Dienstleistern entsorgt. Zahlreiche Solar-Unternehmen haben sich dem branchenweiten Rücknahmesystem PV Cycle angeschlossen, welches das Recycling von Modulen und Solarzellen organisiert.

Sowohl mono- als auch polykristalline Solarmodule können recycelt werden. Dabei werden entweder die noch funktionstüchtigen Module aufbereitet und wiederverwendet oder es werden die wertvollen Materialien, wie z.B. Glas und Aluminium, aus den defekten Solarmodulen verwertet. Somit werden wertvolle Ressourcen geschützt.

Um die Recyclingmöglichkeiten von Solarpaneelen nachvollziehen zu können, ist es hilfreich, sich die einzelnen Elemente genauer anzusehen. Ein Solarmodul setzt sich hauptsächlich aus Silizium, Glas, Aluminium/Edelstahl, Cadmium und Blei zusammen.

In dem Modul sind mehrere Zellen durch Serienschaltung miteinander verbunden. Die elektrischen Sammelschienen – sogenannte Busbars – sowie die Kontaktfinger, welche elektrische Leitungen zwischen den Solarzellen darstellen, bestehen zumeist aus Silber. Für einen bestmöglichen Schutz vor Witterung oder mechanischen Einflüssen sind die Zellen mit einem speziellen Solarglas mit sehr geringer Absorption sowie Kunststoff fest umhüllt. Auf der Rückseite befinden sich die elektrischen Anschlüsse. Für die elektrischen Leitungen ist das chemische Element Kupfer verbaut.

Solarzellen gibt es als monokristalline und polykristalline Varianten, wobei beide auf der Grundlage von Silizium basieren. Je nach Ausführung besteht der Aufbau aus einer spezifischen Anordnung dünner Platten, auch „Wafer“ genannt.

Um welche Art von Zellen es sich handelt, lässt sich mit bloßem Auge erkennen: Monokristalline PV-Module erscheinen farblich einheitlich, während die Oberfläche der polykristallinen Variante weniger schematisch wirkt.

Dünnschichtzellen stellen eine dritte Modulbauart auf dem Photovoltaikmarkt dar. Kennzeichnend ist ihre besondere Flexibilität – sie lassen sich rollen und sogar falten. Hauptbestandteil ist auch hier Silizium. Hinzu kommen weitere Halbleitermaterialien wie Indium, Gallium, Kupfer, Diselenid, Kadmium oder Tellurid.

Als allgemein schädliche Materialien in Photovoltaikmodulen gelten Blei, Silber, Zinn, Cadmiumsulfid sowie Cadmiumtellurid.

Haben die Module ausgedient, so werden diese zunächst beim Wertstoffsammelhof eingelagert, bis sie durch ein spezielles Entsorgungsunternehmen abgeholt werden. Im Anschluss wird die sogenannte Erstbehandlung durchgeführt. Anhand einer Prüfung auf Funktionstüchtigkeit entscheidet sich, ob die Photovoltaikanlage verwertet, repariert oder entsorgt werden muss.

Ein Fachbetrieb greift hierfür meist zu einem Flash-Test oder einer Elektrolumineszenz-Aufnahme:

• Der Flash-Test stellt die Leistungsfähigkeit des Solarpanels durch Hochleistungs-LED-Blitze dar.
• Elektrolumineszenz-Aufnahmen machen Brüche und Mikrorisse an den Zellen sichtbar.

Muss das Modul entsorgt werden, kommt es dann je nach Modultyp zur Entnahme von Flüssigkeiten oder Schadstoffen. Im Anschluss werden die verbliebenen Materialen getrennt, sortiert und so weit wie möglich recycelt.

Der konkrete Recyclingprozess bei den gängigen Modulen auf Siliziumbasis basiert auf folgender Reihenfolge:

1. Abtrennung der Anschlussdosen, welche die Kabel enthalten
2. Thermische Behandlung der Module, um die Kunststofffolien zu zersetzen
3. Abtrennung des Aluminiumrahmens
4. Zerkleinerung der Zellen samt der Glaseinfassung
5. Sortierung von Kupfer, Glas und Silizium mittels Trennverfahren
6. Reinigung der Siliziumschicht zur Abtrennung weiterer Aluminiumteile sowie der Leitschicht aus Silber

Schlanke Dünnschichtmodule bestehen zu 95 % aus Glas. Dieses muss zerkleinert werden, um die Halbleiter durch chemische Prozesse ablösen zu können.

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Gegenwärtig werden von ausrangierten Paneelen nur Aluminium, Glas und Kupfer neu aufbereitet, nicht aber die Silizium-Solarzellen. Um auch dieses Material weiter nutzen zu können, braucht es innovative Lösungen.

Eine solche Lösung haben Wissenschaftler:innen des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Kooperation mit dem größten deutschen Recyclingunternehmen für PV-Module, der Reiling GmbH & Co. KG, gefunden.

Das Silizium konnte im industriellen Maßstab recycelt und zur Produktion neuer PERC-Solarzellen genutzt werden. Für die Prozedur werden aus Nebenprodukten des bereits etablierten mechanischen Aufbereitungsprozesses die Solarzellenbruchstücke abgetrennt und gesammelt.

Die Zellbruchstücke, die im Größenbereich von 0,1 bis 1 Millimeter liegen, werden am Fraunhofer CSP zunächst durch verschiedene Sortierverfahren von Glas und Kunststoff befreit. Anschließend erfolgt die schrittweise Entfernung des Rückseitenkontaktes, der Silberkontakte, der Antireflexschicht und des Emitters mittels nasschemischer Ätzung.

Das auf diese Weise aufgereinigte Silizium lässt sich nun in Standardprozessen zu monokristallinen oder quasi-monokristallinen Ingots verarbeiten und anschließend zu Wafern weiterprozessieren.

Die Kristallisation erfolgt mit 100 % Recycling-Silizium ohne Zugabe von kommerziellem Reinstsilizium. Die Wafer, deren Zellwirkungsgrad im ersten Anlauf bei 19,7 % lagen, wurden am Fraunhofer ISE im PV-TEC zu PERC-Solarzellen verarbeitet. Zwar liegt ihr Wirkungsgrad unter dem heutiger Premium PERC-Solarzellen (22,2 %), sicherlich aber über dem der ausgemusterten Zellen.

Im Rahmen des Projektes ReProSolar, von der EU bis zum Jahr 2025 mit 4,8 Millionen Euro gefördert, wird ein spezielles Verfahren für das Recycling von end-of-life Photovoltaikmodulen entwickelt. In Zusammenarbeit mit Unternehmen aus dem öffentlichen und privaten Sektor, die entlang der Wertschöpfungskette des Recyclings von PV-Modulen agieren, sollen erstmals alle Komponenten der PV-Module vollständig zurückgewonnen werden. Auf diese Weise lassen sich u.a. reines Silizium, Silber und Glas der verarbeitenden Industrie wieder zur Verfügung stellen.

Bei ReProSolar handelt es sich also um ein umfassendes Management stillgelegter PV-Module. Die bisher lineare Photovoltaik-Industrie wird so zu einer Kreislaufwirtschaft zur Reduktion von Abfall sowie zur Erhaltung kostbarer Rohstoffe.

Der Prozess basiert auf einer neuartigen Delaminierungstechnologie, mithilfe derer die Solarzellen von der Glasplatte getrennt werden. Innovative physikalisch-chemische Verfahren ermöglichen anschließend die Rückgewinnung aller Materialien und verzichten auf die bisher übliche Zerkleinerung – ein vielversprechendes Projekt im Hinblick auf die gegenwärtigen Recyclingstandards.

Das französische Start-up-Unternehmen Rosi Solar hat eine industrielle Lösung konzipiert, die es ermöglichen soll, hochreines Silizium, Silber und Kupfer aus ausgedienten Photovoltaik-Modulen zurückzugewinnen. Die Idee basiert auf einem Pyrolyseverfahren, welches die verschiedenen Metalle aus den Zellen isoliert.

Die Pyrolyse findet allgemein Anwendung bei der Zersetzung von organischem Material bei niedrigen Temperaturen und unter Ausschluss von Sauerstoff. Das Verfahren punktet mit außerordentlicher Geschwindigkeit und einer hohen Zyklenstabilität.

Nach mehreren Jahren der Forschung und Partnerschaften geht Rosi Solar nun zur industriellen Realisierung der umweltfreundlichen Recyclinglösung über. Das Unternehmen fördert seine Technologien zur Reinigung von Silizium und Silber aus gebrauchten Solarzellen, um einen Markt für die Rückgewinnung hochreiner Rohstoffe in der Solarindustrie zu schaffen.

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Obgleich sich im Bereich der Entsorgung und des Recyclings der Solarmodule bereits viele Verfahren etabliert haben und seit den frühen 2000ern an mechanischen und thermischen Möglichkeiten geforscht wird, schlagen Expert:innen hinsichtlich des Umweltschutzes verbesserte Ansätze vor.

Ein hochwertiges Recycling erfolgt bereits beim Aluminiumaus den Rahmen und Kupfer aus den Kabeln. Das Glas, vermischt mit weiteren Inhaltsstoffen, wird jedoch nur zu Glaswolle verarbeitet, welche sich später nicht erneut wiederverwerten lässt.

Die Deutsche Umwelthilfe betont zudem die Problematik des Downcyclings, obgleich ein vollwertiges Recycling der Inhaltstoffe durchaus möglich wäre. Die Technologien, um die Materialien zu separieren sind vorhanden, werden aber bisher nicht im industriellen Maßstab eingesetzt.

Doch nicht nur die Recyclingprozesse müssen optimiert werden, denn parallel bedarf es der Erarbeitung einheitlicher Standardszur Funktionsprüfung von Altmodulen sowie einer Zertifizierung für Installateur:innen und Handwerker:innen. Noch zu viele Module werden beim Auf- und Abbau beschädigt.

Auch die Festlegung einheitlicher Mindeststandards zur Erfassung von Altmodulen durch die Bundesländer (Maßnahmen zum Schutz der Module, Bestimmungen zu Sammelbehältern oder definierte Rückgabemengen pro Kopf und Tag von mindestens 30 Stück) können insbesondere bei den kommunalen Wertstoffhöfen zu einem Wachstum der Sammelmengen und zu einer besseren Ausschöpfung des Recyclingpotenzials führen.

Um illegale Exporte von nicht mehr funktionstüchtigen Modulen zu unterbinden, braucht es Nachweispflichten, einheitliche Abfallidentifikationsnummern und engmaschige Kontrollen durch die Zoll- und Hafenbehörden.

Um das Recycling und die Wiederverwendung von Photovoltaik-Modulen zu optimieren, erarbeitete die Deutsche Umwelthilfe gemeinsam mit Partnern aus der Solar- und Entsorgungsbranche First Solar, Rosi Solar, Take-e-way und Veolia das Weißbuch „Kreislaufwirtschaft in der Solarbranche stärken“.

Ausschlaggebend war eine Untersuchung der DUH zur Entsorgung von Paneelen in Deutschland. Hierfür wurden entsprechende Literatur ausgewertet, leitfadengestützte Interviews geführt und eine Befragung unter Aufkäufer:innen, Sammelsystemen, Recyclern, Installateur:innen und öffentlich-rechtlichen Entsorgungsträgern vorgenommen.

Das publizierte Weißpapier stellt hinsichtlich des Recyclings von Solaranlagen konkrete Forderungen:

• Anpassung des Modul-Designs zur besseren Trennung der Komponenten
• Verzicht auf die Verwendung von Bleibestandteilen
• Festlegung von Grenzwerten für Silizium und Silber
• Stärkung von Wiederverwendung und Recycling
• Sicherstellung der Wiederverwendungsfähigkeit durch fachkundigen Transport
• Ausbau der Sammel- und Entsorgungsstrukturen

Da sich in den bundesweit rund 340 Recyclinganlagen in den vergangenen Jahren zunehmend heterogene Arbeitsweisen entwickelt haben, soll dieser umfassende Leitfaden die rechtlichen Anforderungen und die praktische Umsetzung des Recyclings im ganzen Land vereinheitlichen.

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