Vorhabenbezeichnung: Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten

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1 Abschlussbericht Vorhabenbezeichnung: Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten Auftraggeber: Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden Württemberg Durchführung: Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) Institut für Photovoltaik (ipv), vormals: Institut für Physikalische Elektronik (ipe) Laufzeit des Vorhabens: Berichtszeitraum: Stand: Ziel der gemeinsamen Arbeiten des Institutes für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft und des Institutes für Photovoltaik war die Abschätzung der Umweltbelastungen und des Austrittspotentials von Schadstoffen bei Photovoltaikmodulen. Der gewaltige Anstieg um einen Faktor 1000 der jährlich produzierten Photovoltaikmodule von 22 MW im Jahr 1983 auf 27 GW im Jahr 2010, zeigt dass die Photovoltaik mittlerweile von einem Nischenprodukt zu einem Weltmarkt herangewachsen ist. Im Jahr 2011 wurden Photovoltaikmodule mit einer Leistung von 37 GW produziert. Dieser enorme Anstieg wurde vor allem durch das deutsche Einspeisegesetz und das Erneuerbare-Energien-Gesetz gefördert. Die vorliegende Studie betrachtet zunächst den Jahresweltmarkt an Photovoltaikmodulen und die Inhaltsstoffe der verschiedenen Photovoltaik-Technologien. Aus diesen Daten berechnen wir die zu erwartenden Abfallmengen an Modulen, ihrer Schadstoffe und Rohstoffe, die zum Recyceln zur Verfügung stehen. Bis zum Jahr 2010 wurden über 2,5 Millionen Tonnen an PV-Modulen weltweit produziert. Mit einer Nutzungsdauer von etwa 20 Jahren für die Module werden bis zum Jahr 2030 dann auch 2,5 Millionen Tonnen an Photovoltaik-Abfall anfallen. Bisher existieren großtechnische Recycling-Verfahren nur für Module aus kristallinem Silizium und aus Cadmiumtellurid, Verfahren für Module auf der Basis von amorphem Silizium und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid sind erst in der Entwicklungsphase. PV-Module enthalten als Schadstoffe hauptsächlich Blei, Cadmium und Tellur. Blei ist vor allem in Lötverbindungen innerhalb der Module zu finden, Cadmium und Tellur als aktive Schicht im Cadmiumtellurid (CdTe)-Modul. Die wenigen bisherigen Studien zum Auslaugverhalten von Schadstoffen aus PV-Modulen widersprechen sich. Ein Teil der Auslaugexperimente in wässrigen Lösungen zeigt keine nennenswerten Mengen an ausgelösten Schadstoffen, dagegen zeigt der andere Teil der Studien, dass erhebliche Schadstoffmengen aus- Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 1 von 54

2 treten. Wir klären die widersprüchlichen Aussagen auf, indem wir die ph-werte der in den Studien verwendeten Lösungen mit in Betracht ziehen. Wird in sauren Lösungen ausgelaugt, zeigt sich ein fast vollständiges Auslaugen der Schadstoffe. Das Recycling-Prinzip der Firma First Solar nutzt diese Tatsache: die CdTe-Schicht wird mit Hilfe einer Säure aus dem Modul gelöst. Dagegen treten im alkalischen Bereich nahezu keine Schadstoffe aus. Eigene Versuche können diese aus Literaturdaten ableitbare Abhängigkeit des Auslaugens vom ph-wert der Lösung bestätigen. Zunächst untersuchen wir ein Worst-Case Szenario, in dem wir die Oberfläche des Moduls möglichst vergrößern und so die Wechselwirkung von Modul und Lösung maximieren. Dazu mahlen wir die Module klein und geben das Modulpulver in Lösungen mit verschiedenen ph-werten. Vergleichen wir die Literaturdaten mit unseren Worst-Case -Daten zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung, sofern wir den entscheidenden Parameter, den ph-wert der Lösungen, berücksichtigen. Die Elution von Pb, Cd und Te steigt bei niedrigen ph-werten, dagegen geht bei hohen ph-werten nur Te in Lösung; Cd fällt als Hydroxid oder Carbonat aus. Die Verbindung CdTe löst sich in wässrigen Lösungen auf, sowohl bei hohen ph-werten, als auch bei niedrigen ph-werten. Besonders interessant ist hierbei, dass das toxische Element Cd bei ph-werten herausgelöst werden kann, welche denjenigen von Regenwasser entsprechen. 1. Jahresweltmarkt an Photovoltaik-Modulen Der Markt für Erneuerbare Energien, vor allem der Photovoltaik-Markt, ist den letzten Jahren enorm gewachsen. Bild 1.1 zeigt das exponentielle Wachstum in der Photovoltaik im Zeitraum von 1983 bis Der Großteil des Weltmarkts besteht aus Modulen aus kristallinen Silizium-Solarzellen (c-si). Nur etwa 10 % der produzierten Module basieren auf der sogenannten Dünnschicht-Technologie. Im Jahr 2010 sind PV-Module mit einer Leistung von 27 GW hergestellt worden; der Anteil an c-si Modulen beträgt etwa 24 GW und etwa 3 GW sind Dünnschicht-Module. Bild 1.1:Jahresweltmarkt an Photovoltaik-Modulen. Die produzierte Leistung der PV- Module ist für das entsprechende Jahr angegeben. Der Großteil der produzierten PV- Module besteht aus Modulen aus kristallinen Silizium-Solarzellen, c-si; der Anteil an Dünnschicht-Modulen beträgt etwa 10 %. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 2 von 54

3 Bild 1.2 zeigt PV-Module mit den vier wichtigsten, am Markt vertretenen Technologien. Die PV-Module aus kristallinem Silizium c-si haben einen mittleren Wirkungsgrad η 15%, Module aus Cadmiumtellurid CdTe η 10%, Module aus amorphem Silizium a-si η 6 % und Bild 1.2: Fotos von PV-Modulen. Von links nach rechts: Modul aus kristallinem Silizium c-si mit einem mittleren Wirkungsgrad η = 15%, erkennbar durch den Aufbau aus einzelnen Solarzellen, Modul aus Cadmiumtellurid CdTe mit η = 10%, Modul aus amorphem Silizium a-si mit η = 6 % und Modul aus Kupferindiumgalliumdiselenid CIGS mit η = 12%. Bild 1.3: Jahresweltmarkt an PV-Modulen, unterteilt in die verschiedenen Techniken: c-simodule haben den größten Anteil, a-si hat bis zum Jahr 2004 den Dünnschicht-Markt beherrscht. CdTe und CIGS zeigen einen starken Zuwachs ab dem Jahr Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 3 von 54

4 Module aus Kupferindiumgalliumdiselenid CIGS η 12%. Um dieselbe Leistung zu erzielen benötigen Dünnschicht-Module deutlich mehr Fläche als Module aus kristallinem Silizium. Eine Unterteilung der PV-Modulanteile in die verschiedenen Technologien, die in den Jahren 1983 bis 2010 hergestellt wurden, zeigt in Bild 1.3 den stark angestiegenen Anteil der a-si-, CdTe- und der CIGS-Technologie am Jahresweltmarkt. Die Dünnschichtmodul-Anteile bleiben aber immer noch um den Faktor 10 geringer als der Anteil an kristallinen Silizium- Modulen. 2. Erwartete Abfallmengen an PV-Modulen Die zu erwartende Abfallmenge an PV-Modulen ergibt sich durch die Menge an PV-Modulen und ihre mittlere Nutzungsdauer von 20 Jahren. Das exponentielle Wachstum in der Produktion und Installation von Modulen spiegelt sich nach etwa 20 Jahren als die Abfallmenge wider, die verarbeitet werden muss. Bild 2.1 zeigt die anfallende Abfallmenge an Modulen: im Jahr 2010 sollten danach etwa 5000 t an PV-Modulen aus dem Jahr 1990 als Abfall eingegangen sein. Leider liegen hier nur Zahlen für Europa für das Jahr 2008 vor, in dem tatsächlich 3800 t PV-Abfall entstanden sind. Unsere Prognose für den PV-Abfall durch die 20jährige Laufzeit indiziert einen weltweiten Abfall von 4000 t. Die Recycling-Organisation PV-Cycle hat im Jahr 2010 dagegen nur etwa 1400 t eingesammelt 1. Mit unserem derzeitigen Wachstum der PV-Industrie ist im Jahr 2030 bereits mit etwa t Abfall an PV- Modulen zu rechnen. Im Folgenden wird die entstehende Abfallmenge aufgeteilt in die jeweiligen Modultechnologien und ihre Inhaltsstoffe. Die vier unterschiedlichen Modultechnologien werden nach ihren Inhaltsstoffen in den Kategorien mögliche Schadstoffe, Rohstoffe und begrenzte Rohstoffe beleuchtet. Eine mögliche Freisetzung der Schadstoffe in den PV-Modulen kann die Umwelt gefährden. Die Rohstoffe und vor allem die begrenzten Rohstoffe geben eine Richtung für das Recyceln der Module an. Bild 2.1: Erwartete Abfallmenge der PV-Module nach einer Laufzeit der Module von 20 Jahren. Im Jahr 2010 sollte eine Abfallmenge weltweit von etwa 5000 t erreicht sein. Bereits 2030 sind t an PV-Abfall zu erwarten. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 4 von 54

5 3. Inhaltsstoffe der Photovoltaik-Module Die Modultechnologien enthalten als Kern aktive Halbleiterschichten, die das Licht absorbieren und in elektrischen Strom umwandeln. Diese unterschiedlichen Halbleiterschichten unterteilen die Modultechnologien in (i) die Photovoltaikmodule aus kristallinen Siliziumscheiben c-si, (ii) die Module aus Cadmiumtellurid CdTe (iii) die Module aus amorphem Silizium a-si, und (iv) die Module aus Kupferindiumgalliumdiselenid CIGS. Im Folgenden werden die Inhaltsstoffe der Module aufgezeigt, die in den weiteren Rechnungen und Abschätzungen verwendet werden. Es handelt sich um Durchschnittswerte, so dass die Werte von einzelnen Modulen von verschiedenen Firmen sicherlich abweichen können. 3.a) Module aus kristallinem Silizium Zwei Typen von kristallinem Silizium werden verwendet und unterscheiden sich nach ihrer Herstellungsmethode: (i) Das monokristalline Silizium, bei dem aus einem hochreinem, einkristallinem Stab Scheiben, auch Wafer genannt, mit einem Durchmesser bis zu 156 mm und einer Dicke von 150 bis 200 µm geschnitten werden. Die monokristallinen Wafer sind an den fehlenden Ecken erkennbar. (ii) Die multikristallinen Silizium-Wafer werden aus einem gegossenen Block geschnitten mit einer quadratischen Fläche von 156 x 156 mm 2 und einer Dicke von 150 bis 200 µm. Die Technologie der multikristallinen Wafer nimmt zu, da sie in den Herstellungskosten günstiger ist und in den Modulen etwa denselben Wirkungsgrad erreicht. Üblicherweise ist das Silizium bereits mit Bor dotiert, um eine p-typ Dotierung zu erreichen. Beide Typen erfahren anschließend die gleichen Prozessschritte. Bild 3.1a zeigt den schematischen Aufbau einer Silizium Solarzelle, wie sie typischerweise in der Industrie hergestellt wird. Eine Phosphor-Diffusion erzeugt den Emitter auf der Oberfläche des Wafers. Nach dem Aufbringen einer Antireflexionsschicht, einem blau bis blauschwarzem Siliziumnitrid SiN, erfolgt der Siebdruck von Metallpasten zur elektrischen Kontaktierung von Vorderund Rückseite der Solarzelle. Bislang sind in den Metallpasten neben Silber, bzw. Aluminium noch Blei in Form von Bleioxiden und Cadmium in Form von Cadmiumoxid enthalten. (a) (b) Bild 3.1: a) Schema einer typischen, industriell hergestellten kristallinen Siliziumsolarzelle: ein mit Bor dotierter Wafer erfährt Phosphor-Diffusion. SiN dient als Antireflexschicht auf der Vorderseite. Ag-Paste und Al-/Ag-Paste dienen als Kontaktierung auf Vorder- und Rückseite der Zelle. b) Serienverschaltung von Solarzellen mittels Lötbändchen im Modul. Die EVA-Folie kapselt die Zellen unter Glas. Tedlar, als Rückseite des Moduls und ein Al-Rahmen stabilisieren das Modul. Blei ist in den Pasten zur Kontakierung und in Lötverbindungen zu finden. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 5 von 54

6 Jede Zelle generiert eine Spannung von etwa 0.5 V. Bild 3.1b zeigt schematisch die Serienverschaltung von Zellen, um eine höhere Spannung zur Verfügung zu stellen. Bleihaltige Lötbändchen verbinden den Vorderseitenkontakt einer Zelle mit dem Rückseitenkontakt der nächsten Zelle. Eine Folie aus Ethylenvinylacetat (EVA) versiegelt die Zellen unter Glas. Zuletzt gibt ein Aluminiumrahmen dem Modul Stabilität. Mit einer solchen Bauweise ist eine Garantie von 20 bis 25 Jahre für das Modul möglich. Module aus kristallinem Silizium haben einen Marktanteil von etwa 80 bis 90 %. Tabelle 3.1 zeigt typische Daten für ein Modul aus kristallinem Silizium über Größe. Leistung, Gewicht und Inhaltstoffe. Tabelle 3.1: Größe, Leistung, Gewicht und Inhaltsstoffe eines typischen Moduls aus kristallinem Silizium. 3.b) Dünnschichtmodule Der Vorteil von Dünnschichtmodulen lag bislang in geringeren Herstellungskosten durch eine großflächige Deposition der aktiven Halbleiterschicht, bei der wenige Mikrometer an Schichtdicke für die Absorption des Lichtes ausreichen. Mittlerweile liegen die c-si-module durch die große Produktion an Modulen im ähnlichen Preisrahmen. Das Halbleitermaterial wird vorwiegend auf Glas aufgebracht. Ein transparentes, leitfähiges Oxid (englisch: transparent conductive oxide TCO) dient als Vorderseitenkontakt und eine Metallschicht, z.b. Molybdän, auf der Rückseite als Rückseitenkontakt. Ein Laser trennt die unterschiedlichen Schichten als Zellen voneinander und verschaltet die Zellen, um höhere Spannungen zu erzielen. Die Verschaltung der Zellen ist typischerweise als Nadelstreifen auf der Oberfläche zu sehen. Nach wie vor erreichen die Dünnschichtmodule deutlich geringere Wirkungsgrade als die Module aus kristallinem Silizium, so dass, um dieselbe Leistung zu erzielen, entsprechend mehr Fläche benötigt wird. Der Marktanteil der Dünnschichtmodule liegt bei etwa 10 bis 20 %. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 6 von 54

7 Module aus Cadmiumtellurid Bild 3.2a zeigt den Schichtaufbau eines typischen Cadmiumtelluridmoduls. Zwischen zwei Glasplatten, auf der Vorderseite ein thermisch vorgespanntes und auf der Rückseite ein gehärtetes Glas, befindet sich die aktive Halbleiterschicht Cadmiumtellurid CdTe. Eine Cadmiumsulfidschicht bildet den pn-übergang. Auf der Vorderseite kontaktiert eine transparentes, leitfähiges Oxid TCO, meist Indiumzinnoxid oder Indiumoxid, und auf der Rückseite Molybdän. Eine Folie aus Ethylenvinylacetat (EVA) versiegelt die Zellen unter Glas. Typischerweise haben CdTe-Module einen Wirkungsgrad η = 10 %. Der Marktanteil im Jahr 2010 lag bei etwa 5 %. Die Verbindung CdTe wird in der EU Gefahrenkennzeichnung (EG) 1272/2008 (CLP) zwar nicht explizit benannt, aber als Cadmiumverbindung generell als gesundheitsschädlich und umweltgefährdend eingeordnet. Nach der Gestis-Stoffdatenbank * sind Cd-Verbindungen als gefährlicher Abfall einzustufen. Hier wird explizit erwähnt, dass eine Verbrennung cadmiumhaltiger Abfälle wegen der leichten Sublimierbarkeit des Oxids praktisch ausscheidet. Bei der Sammlung von Kleinmengen müssen Sammelbehälter für giftige anorganische Rückstände sowie Schwermetall-Salze und ihre Lösungen verwendet werden. (a) (b) Bild 3.2: a) Schichtzusammensetzung eines typischen CdTe-Moduls. Zwischen 2 Gläsern befindet sich die CdTe-Schicht, CdS stellt den pn-übergang her. Auf der Vorderseite kontaktiert ein transparentes, leitfähiges Oxid TCO und auf der Rückseite Molybdän. b) Tabelle mit Größen-, Gewichts-, Leistungsdaten und Daten über Inhaltsstoffe des CdTe-Moduls. Bild 3.2b zeigt Größe, Gewicht, Leistung und Zusammensetzung der Inhaltsstoffe eines typischen CdTe-Moduls. Je nach Schichtdicke von d CdTe = 1.8 µm bis d CdTe = 3.3 µm kann ein Modul 7 bis 13 g CdTe enthalten. Die Verbindung des Moduls zur Anschlussdose nach außen geschieht über Lötbändchen. Auf der Rückseite gibt es meistens zwei Quer- und eine Längsverbindung für den Vorder-und Rückseitenkontakt im Modul. Bild 3.3a zeigt die Rückseite eines Moduls mit Lötverbindungen zur Anschlussdose und Bild 3.3b eine vergrößerte * Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 7 von 54

8 Ansicht der Lötbändchen. Typischerweise werden auch hier bleihaltige Lötbändchen verwendet. (a) (b) Bild 3.3: a) Rückseite eines CdTe-Moduls mit Lötbändchen für den Kontakt vom Modul zur Anschlussdose mit Kabel. b) Vergrößertes Bild der Lötverbindung. Module aus amorphem Silizium Bild 3.4a zeigt den Schichtaufbau eines typischen Moduls aus amorphem Silizium. Zwischen zwei Glasplatten befindet sich als aktive Halbleiterschicht, das amorphe Silizium a-si. Auf der Vorderseite kontaktiert eine transparentes, leitfähiges Oxid TCO, meistens Indiumzinnoxid oder Zinkoxid, und auf der Rückseite Molybdän oder Aluminium. Eine Folie aus Ethylen- (a) (b) Bild 3.4: a) Schichtzusammensetzung eines typischen Moduls aus amorphem Silizium a-si. Zwischen 2 Gläsern befindet sich die a-si-schicht. Auf der Vorderseite kontaktiert ein transparentes, leitfähiges Oxid TCO und auf der Rückseite Molybdän. b) Tabelle mit Größen-, Gewichts-, Leistungsdaten und Daten über Inhaltsstoffe des a-si-moduls. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 8 von 54

9 vinylacetat (EVA) versiegelt die Zellen unter Glas. Typischerweise haben a-si-module einen Wirkungsgrad η = 5 % bis η = 7 %. Ein Vorteil von a-si liegt in der einfachen Herstellung von Tandemzellen, auch mit mikrokristallinem Silizium µc-si, die dann einen höheren Wirkungsgrad erreichen können. Größe, Gewicht, Leistung und Inhaltsstoffe eines typischen a-si- Moduls sind in Bild 3.4b aufgezeigt. Der Marktanteil von a-si- oder auch µc-si betrug im Jahr 2010 etwa 5 %. Module aus a-si enthalten in der aktiven Schicht keine Schadstoffe, einzig die Lötverbindungen können Blei enthalten, ähnlich den Lötverbindungen in den CdTeModulen in Bild 3.3. Module aus Kupferindiumgalliumdiselenid CIGS oder Kupferindiumselenid CIS Bild 3.5a zeigt den schematischen Aufbau eines Kupferindiumgalliumdiselenid (CIGS)- Moduls. Zwischen zwei Glasplatten liegt die aktive Schicht aus CuInGaSe 2 zusammen mit einer Pufferschicht aus Cadmiumsulfid CdS. Ein transparentes, leitfähiges Oxid TCO, üblicherweise Zinkoxid, kontaktiert die Vorderseite und eine Molybdänschicht die Rückseite. Eine Folie aus Ethylenvinylacetat (EVA) versiegelt die Zellen unter dem Glas. Der Aufbau von Kupferindiumselenid (CIS)-Modulen ist ähnlich, nur das Gallium wird weggelassen. Auch bei den CIGS-Modulen erfolgt die Verschaltung auf der Rückseite mittels bleihaltiger Lötbändchen. Die CIGS-Module erreichen einen Wirkungsgrad η 12 %, der höchste im Bereich der Dünnschichtmodule. Größe, Gewicht, Leistung und Inhaltsstoffe eines typischen CIGS-Moduls sind in Bild 3.5b aufgezeigt. Der Marktanteil lag im Jahr 2010 bei weniger als 2 %. (a) (b) Bild 3.5: a) Schichtzusammensetzung eines typischen CIGS-Moduls. Zwischen 2 Gläsern befindet sich die aktive CuInGaSe 2 -Schicht. CIS-Module verzichten auf Ga. Auf der Vorderseite kontaktiert ein transparentes, leitfähiges Oxid TCO und auf der Rückseite Molybdän. Bei vielen Modulherstellern wird eine Pufferschicht aus CdS verwendet. b) Tabelle mit Größen-, Gewichts-, Leistungsdaten und Daten über Inhaltsstoffe des CIGS-Moduls. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 9 von 54

10 3.c) Inhaltsstoffe der Photovoltaikmodule Tabelle 3.1 fasst die Inhaltsstoffe für die verschiedenen Modultechnologien zusammen. Wir unterteilen die Inhaltsstoffe in die Kategorien Schadstoffe, Rohstoffe und begrenzte Rohstoffe. Angegeben sind die Gewichtsmengen pro Fläche, um die Flächenverteilung der unterschiedlichen Stoffe deutlich zu machen. Die geringsten Mengen an Schadstoffen sind in der a-si-technologie zu finden, leider werden aber auch hier, wie in allen Dünnschichttechnologien, noch bleihaltige Lötverbindungen verwendet. Die CIGS-Technologie enthält geringe Mengen an Cd über eine Cadmiumsulfidschicht, die aber auch nicht zwingend notwendig ist. Blei ist vor allem in den c-si-modulen zu finden mit G Pb 2.6 g/m 2 durch die bleihaltigen Lötverbindungen der Solarzellen im Modul. Cadmium ist in den CdTe-Modulen zu finden, im Bereich von G Cd 7.8 g/m 2 und Tellur im Bereich von G Te 10.1 g/m 2, was einer Schichtdicke d CdTe = 3.3 µm entspricht 2. Als begrenzten Rohstoff findet sich in der a-si-technologie das Germanium mit G Ge 1.2 g/m 2 und in CIGS-Modulen Indium mit G In 4 g/m 2, Gallium mit G Ga 0.8 g/m 2 und Selen mit G Se 5.2 g/m 2. Der größte Gewichtsanteil bei den Modulen stammt vom Rohstoff Glas, der in allen Technologien zu finden ist, je nach Größe der Module in einer Menge von 11 kg/m 2 < G Glas < 15.6 kg/m 2. Aluminium als Rahmenmaterial kommt in den Mengen von 1 kg/m 2 < G Al < 2 kg/m 2 vor. Silber als kostenintensivster Rohstoff in der c-si-technologie findet vor allem Verwendung in den Metallisierungspasten auf der Vorderseite der Solarzellen, mit einem Gewichtsanteil G Ag = 20 g/m 2. Kupfer als Rohstoff findet sich vor allem in der Verkabelung bei allen Modultechnologien im Bereich von G Cu = 100 g/m 2. Bei den CIGS-Modulen findet sich Cu ebenfalls in der aktiven Halbleiterschicht; der Wert in der ersten Zeile repräsentiert den für den Cu-Anteil in der CuInGaSe2-Schicht und in der 2. Zeile den Wert für den Cu-Anteil in der Verkabelung. Tabelle 3.1: Inhaltsstoffe von Modulen unterschiedlicher Technologien, unterteilt in die Kategorien Schadstoffe, Rohstoffe und begrenzte Rohstoffe. Angegeben sind die Inhaltsstoffe pro Fläche. Schadstoffe sind vor allem in der CdTe- und der c-si-technologie zu finden: Cd und Pb. Begrenzte Rohstoffe sind in der CIGS- und a-si-technologie zu finden: In, Ga, Se und Ga. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 10 von 54

11 4. Produzierte Abfallmengen 4.a) Schadstoffe Auch grüne Technik enthält Schadstoffe, die durch die weltweite Installation der PV-Module großflächig verbreitet werden. Wie hoch der Anteil an Schadstoffen liegt, ist im Kapitel 3 abgeschätzt. Bislang sind Produkte der Photovoltaik aus den entsprechenden Verordnungen im Elektronikschrottbereich ausgenommen. Die Entsorgung der Module fällt bislang weder in den Anwendungsbereich der EU-Richtlinie WEEE (engl.: Waste Electrical and Electronic Equipment), noch der EU-Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe RoHS (engl.: Restriction of the Use of Hazardous Substances). Die Einstufung gemäß Abfallverzeichnisordnung erfolgt derzeit nicht einheitlich, je nach Anfallstelle und Modulart nach unterschiedlichen Abfallschlüsseln 3. Mit Hilfe der Produktionsdaten der PV-Module (siehe Bild 1.3) und den Inhaltsstoffen der einzelnen Modultechnologien (siehe Tabelle 3.1) sind wir in der Lage die Werte für die bislang verbreiteten Schadstoffe abzuschätzen. Bild 4.1 zeigt, wie das exponentielle Wachstum in der Produktion, auch das exponentielle Wachstum in der Verbreitung der Schadstoffe Blei und Cadmium generiert. Wird der Pb- und CdTe-Gehalt von 1983 bis 2010 aufsummiert, ergibt sich eine Verbreitung von 1200 t an Blei auf etwa 540 km 2 und 560 t an CdTe auf 33 km 2 durch Modulflächen auf dem Hausdach oder im Freiland. Blei stammt größtenteils aus den Lötverbindungen in den c-si-modulen. Bild 4.2 zeigt die Anteile am Pb-Verbrauch der c- Si-, a-si, CdTe- und CIGS-Technologie. Die c-si-module verteilen mittlerweile auf einer Fläche von 400 km 2 mehr als 1000 t an Pb. Bild 4.1: Schadstoffmengen in PV-Modulen, die von 1993 bis 2010 auf Hausdächern oder Freilandflächen verbreitet werden; Blei stammt größtenteils aus den Lötverbindungen und CdTe aus den CdTe-Modulen. Wird der Pb- und CdTe-Gehalt von 1983 bis 2010 aufsummiert, ergibt sich eine Verbreitung von 1200 t an Blei auf etwa 560 km 2 und 560 t an CdTe auf 33 km 2. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 11 von 54

12 Bild 4.2: Produzierte Schadstoffmengen an Blei in PV-Modulen; Blei stammt größtenteils aus den Lötverbindungen in den c-si-modulen, aber auch aus den Lötverbindungen in den CdTe-, a-si und CIGS-Modulen. 4.b) Rohstoffverbrauch Für eine Einschätzung über ein sinnvolles Recyceln der PV-Module kann ein Überblick über den bisherigen Verbrauch an Roh-, bzw. Wertstoffen von Nutzen sein. Insbesondere der Bild 4.3: Rohstoffverbrauch durch die Produktion an PV-Modulen; den höchsten Gewichtsanteil übernimmt Glas, gefolgt von Aluminium und Kupfer. Silber hat den geringsten Anteil, es ist vor allem in den Kontakten für c-si-solarzellen zu finden. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 12 von 54

13 Anteil an Glas ist für eine Rückgewinnung/Aufbereitung von Interesse. Bild 4.3 zeigt den Rohstoffverbrauch, der anhand der Produktionszahlen der PV-Module in Bild 2.3 und der Inhaltstoffe der Module aus Tabelle 3.1 berechnet wurde. Der Gewichtsanteil von Glas ist erwartungsgemäß der höchste mit über 2 Millionen Tonnen im Jahr 2010, gefolgt von Aluminium mit t. Im Jahr 2010 hat Kupfer einen Verbrauch von t und Silber von etwa t erreicht. 4.c) Verbrauch an begrenzten Rohstoffen Mangelnde Verfügbarkeit von Rohstoffen führt, wirtschaftlich gesehen, zunächst einmal zu Preiserhöhungen. Dies fördert langfristig natürlich auch Verfahren zur Wiedergewinnung der Rohstoffe. In den letzten Jahren gab es daher Diskussionen über die schwierig zu ersetzenden Gewürzmetalle, wie z.b. Indium und Tellur 4,5. Das Fehlen einer dieser Gewürzmetalle kann ganze Wertschöpfungsketten unterbrechen. Indium ist zwingend notwendig in der CIGS-Technologie, Tellur in der CdTe-Technologie. Green 2 stellt fest, dass sowohl Te, wie auch In nur mit deutlich höheren Preisen auf einen Abbau von t/jahr kommen können. Minen mit hoher Ausbeute stehen nicht mehr zu Verfügung, eine Möglichkeit bietet eine verstärkte Extraktion von Beiprodukten in Minen oder bei Abfallströmen. Bild 4.4 zeigt den bisherigen Verbrauch an begrenzten Rohstoffen in der Photovoltaik. Mit zunehmendem Wachstum der Dünnschichttechnologien CIGS, CdTe und a-si ist auch mit entsprechend zunehmendem Verbrauch der Elemente In, Te, Ge und Ga zu rechnen. Bild 4.4: Verbrauch an den begrenzten Rohstoffen Germanium, Indium, Gallium und Tellur. Im Vergleich dazu ist der Silberverbrauch (siehe auch Bild 4.2) mit eingezeichnet. Tabelle 4.1 führt den Rohstoffverbrauch der PV in der Jahresproduktion für das Jahr 2010 auf und vergleicht ihn mit der jeweiligen weltweiten Produktionsmenge. Blei und Cadmium werden deutlich mehr produziert, als in der PV verbraucht wird. Dagegen verbraucht die CdTe-Technologie nahezu die gesamte Produktion an Tellur. Hier ist ein richtiger Engpass zu erwarten, falls die Produktion der CdTe-Module weiter exponentiell ansteigt. Gallium und Indium bewegen sich noch im Prozentbereich. Dagegen verbrauchen die a-si-module schon Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 13 von 54

14 etwa 9 % der Germanium- und die c-si-module schon 11 % der Silber-Weltproduktion. Der Kupfer- und Aluminiumverbrauch bewegt sich im Promillebereich. Tabelle 4.1: Produktionsmengen von Rohstoffen und ihr Verbrauch in der Photovoltaik 4.d) Zukünftige Abfallmengen + Produktionsabfälle an PV-Modulen Die PV-Produktion steigt exponentiell an. Dabei entstehen auch Produktionsabfälle, die in den Zahlen der zu erwartenden Abfallmengen noch nicht berücksichtigt sind. Mit der Annah- (a) (b) Bild 4.4: a) Erwartete Abfallmengen weltweit nach 20jähriger Laufzeit der PV-Module. b) Erwartete Abfallmengen aus a) addiert mit den aktuellen Produktionsabfällen, hier geschätzte 0.5 % der Produktion. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 14 von 54

15 me, dass es zu Produktionsabfällen von 0,5 % in der PV-Produktion kommt, steigt der anfallende Abfall, ebenfalls wie die Produktion, exponentiell an und nimmt deutlich gegenüber den zu erwartenden Abfallmengen aus den produzierten PV-Modulen zu. Bild 4.4a zeigt den zu erwartenden Abfall an PV Modulen nach einer Laufzeit von 20 Jahren. In Bild 4.4b dagegen ist der erwartete Abfall an PV-Modulen nach 20 Jahren zu sehen mit den aktuellen Produktionsabfällen aufsummiert. Für diese Rechnung ist ein Produktionsabfall von 0,5 % der Produktion angenommen. Im Jahr 2008 sind europaweit alleine schon t an PV Modulabfall aufgetreten 6. Die Prognose weltweit ergibt t, mit Produktionsabfall wären es dann t. Leider liegen keine Zahlen für den weltweiten PV-Modulabfall vor. 5. Entsorgungs- und Recyclingverfahren Der hier dargestellte Stand der Forschung zum Thema Recycling und Entsorgung von PV- Modulen beruht teilweise auf den Ergebnissen einer umfangreichen Studie (im Auftrag des BMU), in der im Jahr 2007 untersucht wurde, welche Aufbereitungs- und Recyclingverfahren für PV-Module verfügbar waren und wie ein Rücknahme- und Verwertungssystem beschaffen sein sollte 10. Diese Studie wurde ergänzt durch neuere Entwicklungen aus den letzten 3 bis 4 Jahren. Die Analyse der Behandlungs- und Verwertungsverfahren verdeutlicht, dass derzeit nur zwei Verfahren großtechnisch verfügbar sind. Das Behandlungsverfahren der Firma Deutsche Solar, das vor allem für kristalline Siliziummodule angewandt wird und das Behandlungsverfahren der Firma First Solar, das vor allem mit Blick auf CdTe-Module realisiert wurde. Für andere Technologien befinden sich Verfahren in der Entwicklung, deren Realisierungswahrscheinlichkeit, bzw. Zeitpunkt derzeit allerdings nicht abschätzbar ist. Beide großtechnisch realisierte Verfahren sind technisch in der Lage, neben Glas auch Silizium und CdTe als separate Fraktionen abzutrennen. Silizium und CdTe können damit prinzipiell weiter verwertet werden. Neben diesen Recyclingverfahren wäre es in Deutschland prinzipiell möglich, PV-Module in Untertagedeponien zu entsorgen. Nach bestimmten Vorbehandlungsschritten (zur Minderung der organischen Kohlenstoffgehalte) könnten PV-Module auch auf Siedlungsabfalldeponien oder Bauschuttdeponien verbracht werden. Im Folgenden werden zunächst die Ursachen betrachtet, die zu einem Funktionsausfall der PV-Module führen, womit der Entsorgungs- bzw. Recyclingfall eintritt. 5.a) Warum Recycling von PV-Modulen Physische Schäden an Solarzellen Die hier genannten Ursachen beziehen sich auf das im September 2006 durchgeführte Experiment der Deutsche Solar AG am Standort Freiberg, bei dem eine 23 Jahre alte PV- Anlage, die älteste PV-Anlage Deutschlands von der Insel Pellworm, über thermische und chemische Prozesse recycelt wurde. Gründe für die Außerbetriebnahme waren hauptsächlich Isolationsschäden der Elektrik, Bruchstellen im Glas, abgebrochene Ecken der Modulkomponenten sowie eine schadhafte Laminierung. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 15 von 54

16 Bild 5.1: Schadensursachen von Solarmodulen 7. Wie aus Bild 5.1 zu entnehmen ist, sind 50% aller Schadensursachen auf Isolationsmängel zurückzuführen. Weiterhin waren knapp ein Drittel der Glasflächen durch Bruchstellen beschädigt. Durch das Eindringen von Feuchtigkeit, Staub, etc. wurde dadurch die Elektronik negativ beeinflusst, was sich in einer Abnahme des Wirkungsgrades bemerkbar macht. 20% der Solarzellen wiesen abgebrochene Kanten auf. Elektrische Schäden an Solarzellen Auf die Frage wie lange Solarmodule arbeiten, gibt es keine eindeutige Antwort. Die durchschnittliche Garantielaufzeit von 20 Jahren wird oftmals überschritten. Das zeigt ein Beispiel einer Pumpstation im US-Bundesstaat Arizona, bei der die 1976 installierten Solarzellen im Jahr 2003 also 27 Jahre nach deren Installation - immer noch 70 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung erbrachten. Schäden in der Elektrik treten vor allem dann auf, wenn die Isolierungen der Module altern. Durch undichte Stellen der Kanten- oder Rückseitenversiegelung kann Wasserdampf in die Zellen eindringen und zu Korrosion der elektrischen Kontakte führen 8. 5.b) Großtechnische Verfahren zum Recycling von PV-Modulen Verfahren zum Recycling von Si-Modulen (Pilotanlage) Die 2002 in Betrieb gegangene Pilotanlage am Standort Freiberg ermöglicht das Recycling einer Vielzahl unterschiedlicher Photovoltaikmodule. Um komplette Solarzellen aufzubereiten, ist bei neueren Modulen die Solarzellendicke zu gering und der Zustand nach dem Rückbau bzw. Transport zu schlecht, weswegen sich die Gewinnung von Solarzellenbruch als wirtschaftlicher erwiesen hat 9. Der Solarzellenbruch wird zuerst gereinigt und dann zu multikristallinen Gussblöcken eingeschmolzen, um daraus letztendlich neue Wafer herstellen zu können. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 16 von 54

17 Bild 5.2: Recyclingprozess von c-si Modulen Im Folgenden werden die Behandlungsschritte kurz dargestellt: Bei der thermischen Behandlung wird der Verbundstoff der Module so stark erhitzt, dass die einzelnen Materialien voneinander separiert werden können. Intakte Zellen, Zellbruchstücke, rostfreie Stahlrahmen und Glasscheiben können danach weiter behandelt werden. In der dann folgenden chemischen Behandlung wird die Metallbeschichtung, die Antireflexionsbeschichtung und der p/n Übergang über mehrere selektive Ätzschritte abgetragen. Hierbei kommen mineralische Säuren und Laugen zum Einsatz. Die Ätzrezepturen müssen auf die jeweiligen Schichtsysteme angepasst werden, d.h. es sind keine universellen Verfahren einsetzbar. Silberbeschichtungen werden nur mit Säure behandelt, Aluminiumbeschichtungen hingegen anfangs mit Laugen, sowie in einem späteren Schritt mit einer Säure. Die elektronische Qualität muss ebenfalls erhalten bleiben. Dazu ist es notwendig, dass jeder Behandlungsschritt des Ätzvorganges vollständig abgeschlossen sein muss, damit die Ätzung der nächsten Schicht erfolgen kann. Denn Rückstände der vorherigen Schicht können nicht durch die Behandlung der nachfolgenden Schicht abgetragen werden. Zu starke Ätzungen können die darunterliegende Schicht angreifen, zu schwache Ätzungen hinterlassen Rückstände, die ebenfalls die Qualität und die weitere Behandlung negativ beeinflussen. Weiterhin muss die Ätztemperatur, die Dauer des Ätzvorganges, und die alkalische bzw. saure Lösung so angepasst werden, dass nur so viel Silizium abgetragen wird, wie es für die bestmögliche Qualität der recycelten Wafer unbedingt notwendig ist 7. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 17 von 54

18 Recyclingverfahren der First Solar AG Das Recyclingverfahren der First Solar wurde hautsächlich zur Aufarbeitung der CdTe- Module entwickelt. Folgende Prozessschritte wurden hierzu entwickelt: Zerkleinerung: Die Module werden in zwei Schritten zerkleinert. Im ersten Arbeitsgang werden die Module geschreddert, um den Transport in der Anlage zu erleichtern. Im nächsten Arbeitsgang wird das Glas durch eine Hammermühle auf eine Teilchengröße von unter 5 mm zerkleinert, damit der Beschichtungsverbund der Partikel aufgebrochen wird. Schichtentfernung: Die Halbleiterschichten werden in einer langsam drehenden Laugungstrommel mit Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum von 4-6 Stunden behandelt. Danach erfolgt die Trennung vom Glas und den flüssigen Bestandteilen. Durch eine schrittweise Erhöhung des ph-werts durch Natronlauge werden die Metalle Altmodule Schredder Hammermühle Trockenprozess Nassprozess Resultat Entfernung d. Halbleiter- Schichten Ausgefällte Materialien Ausfällung Glas-, Laminierung-, Material-Separation Glas und größere Teile der Laminierfolie Unraffiniertes Halbleitermaterial Entwässerung Glas Trennung von Fest- und Flüssigkeitsstoffen Laminiermaterial Glasspülung Gereinigtes Glas Bild 5.3: Recyclingverfahren der First Solar AG (Vereinfachte Darstellung) Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 18 von 54

19 ausgefällt und können mit einer Filterpresse abgetrennt werden. Neben den beiden hier dargestellten Verfahren wurden zahlreiche Untersuchungen im Labor- und Pilotmaßstab zur Entwicklung von Recyclingverfahren, u.a. auch für CIGS-Module durchgeführt, die bisher allerdings zu keiner großtechnischen Anwendung geführt haben. Eine ausführliche Darstellung findet sich in der Ökopol-Studie c) Kosten und ökologische Effizienz der Verfahren Um möglichst hohe Produktpreise für die recycelten Materialien zu erzielen, müssen die Verfahren ausreichend reine Stofffraktionen generieren. In diesem Zusammenhang werden die Begriffe Upcycling und Downcycling verwendet. Erreicht das Recyclingverfahren eine ausreichende Qualität ( Upcycling ), so kann das recycelte Silizium wiederverwertet werden und durch den Verkauf mindestens die Kosten des Verfahrens decken oder sogar Gewinne einbringen. Von Downcycling ist die Rede, wenn das Material nicht die entsprechende Reinheit vorweist. Aus energetischer Sicht ist das Recycling sinnvoll, da der Recyclingprozess weniger Energie benötigt, als die vergleichbare Produktion von Primärmaterialien. Zusätzlich werden gegenüber der Neuproduktion Emissionen vermindert. Bei den verwendeten Ätzlösungen wird weiterhin versucht, die Toxizität und Umweltschädlichkeit zu verringern, nicht nur um ökologischen Ansprüchen zu genügen, sondern auch um die Entsorgungskosten für die Restlösungen gering zu halten. Die durch die Materialtrennung und die thermische Behandlung entstehende Umweltbelastung, wird bei automatisierten Anlagentypen durch Energieoptimierung zusätzlich reduziert. Hochwertige Endprodukte, höhere Durchsätze und Recyclinggraten ermöglichen es, die anfallenden Kosten zu decken bzw. Gewinne zu erzielen 9. Bild 5.4: Recyclingverfahren im Vergleich (SolarWorld 2010) Der Vergleich der verschiedenen Verfahren in Bild 5.4 zeigt, dass ein automatisierter Anlagenbetrieb sowohl aus ökonomischer wie auch aus ökologischer Sicht die besten Ergebnisse Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 19 von 54

20 liefert. Bei der Müllverbrennung können weder Rohstoffe noch Emissionen eingespart werden, wodurch hier die größte Umweltbelastung entsteht. Die Kosten sind bei der Verbrennung und dem Schredderprozess fast gleich, wobei der Schredderprozess die Umwelt mehr entlastet. Die hohe ökologische Effizienz der Pilotanlage wird bisher mit hohen Kosten getragen, wohingegen der automatisierte Anlagenbetrieb wahrscheinlich geringere Kosten verursacht und in Zukunft sogar Gewinne erwarten lässt. 5.d) Energieverbrauch des Recyclingprozesses Der Energieverbrauch des Recyclingprozesses, der sich aus dem Verbrauch von Erdgas und dem Verbrauch an elektrischer Energie zusammensetzt, wird einerseits für die thermische Behandlung und andererseits für den Ätzvorgang benötigt. Für die Berechnung der generierten Energie pro Jahr, wurden eine Bestrahlungsstärke eines mitteleuropäischen Standortes mit 1000 kwh/m²/jahr und ein Nutzungsgrad von 0,75 angenommen. Für die Produktion eines neuen Moduls (bestehend aus 72 Wafern) sind 306 kwh, für das Recycling lediglich 92 kwh nötig 11.Die Energierücklaufzeit oder EPBT (energy-pay-backtime) wird als die Zeit definiert, die nötig ist, um die für die Produktion der PV-Anlage erforderliche Energie zu generieren. Recycelte Module erreichen eine Energierücklaufzeit von 1,6 Jahren, wohingegen neu produzierte Module eine Energierücklaufzeit von 3,3 Jahren beanspruchen (s. Tabelle 5.1). Tabelle 5.1: Energieverbrauch und Energiegewinnung während der Produktions- und Nutzungsphase eines 160 Wp Moduls, bestehend aus 72 multikristallinen Zellen mit einer Fläche von 12,5 x 12,5 cm Module mit neuen Module mit recycelten Einheit Wafer Wafer Herstellung der 306 kwhel Wafer (multi) Recyclingprozess 92 kwh Herstellung der kwh Zellen Einbau der Zellen kwh Gesamt kwh Energiegewinnung kwh/jahr Energierücklaufzeit Jahre Die geringere Energierücklaufzeit recycelter Module macht deutlich, dass die Produktion der Primärmaterialien sehr viel Energie beansprucht. Der Recyclingprozess dagegen benötigt weniger als ein Drittel der Energie, die für die Herstellung neuer Wafer erforderlich ist. 5.e) Transportsysteme für ausgediente und schadhafte PV-Module Photovoltaikmodule müssen entsorgt werden, sobald sie das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben bzw. durch Beschädigung ihre Funktion verloren haben. Um die Effizienz der verwendeten Ressourcen zu steigern und um Kosten einzusparen, ist es sinnvoll diese Altmodule zu einer entsprechenden Recycling- Anlage zu transportieren. Damit dies geschehen kann, muss zuallererst ein Rücknahmesystem oder eine Sammelstelle eingerichtet werden. PV-Module fallen derzeit noch nicht unter die Sonderregelungen des Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 20 von 54

21 WEEE (Waste Electrical and Electronical Equipment, übersetzt: Elektro- und Elektronikgeräte-Abfall), trotzdem ist der Hersteller des Produktes verantwortlich für die sachgerechte Entsorgung 3. Als nächsten Schritt empfiehlt es sich, ein Logistik-Konzept zu entwerfen, welches die Übergabe vom Endverbraucher zum Recycling-Betrieb regelt. Dafür muss bekannt sein, welche Mengen an Alt- bzw. beschädigten Modulen pro Jahr (bspw. in Deutschland) anfallen. Die Erfassung aktueller Abfallströme ist enorm wichtig, um herauszufinden, woher die Mehrzahl der Module stammt und wo sie derzeit verwertet werden. Ebenso müssen die einzelnen Logistikprozesse geprüft werden. Darunter fällt die Bereitstellung angemessener Transportmittel, geeigneter Lagerungsstätten, sowie die Planung der Standorte für Recycling- Anlagen. Ein Problem beim Transport der zu entsorgenden Photovoltaikmodule entsteht durch die Verwendung von nicht sachgerechten Transportbehältern. Wie in Bild 5.5 zu erkennen ist, werden PV- Module häufig zusammen mit anderen Altmaterialien oder Abfällen verpackt. Dies führt häufig dazu, dass die PV- Module brechen und der Recyclingprozess dadurch erschwert wird. Bild 5.5: Unsachgemäße Lagerung von Solarmodulen 3. In den Bild 5.5 und Bild 5.6 ist die Lagerung und der Transport von Altmodulen in herkömmlichen Gitterboxen und Container zu sehen. Durch das Eigengewicht der Module, den unbefestigten Transport und die für Photovoltaikmodule unsachgemäße Entladung (s. Bild 5.6), wird die Wiederverwertung der einzelnen Modulteile stark beeinträchtigt. Bild 5.6: Transport und Entladung von Solarmodulen 3. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 21 von 54

22 Bild 5.7: Entladung von Altmodulen Solarmodulen 3. Damit die PV- Module möglichst unbeschädigt an ihrem Zielort, also der Recyclinganlage ankommen, muss zuallererst ein passendes Transportmittel gefunden werden, in welchem die Module nicht übermäßig beschädigt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Module vom restlichen Abfall getrennt befördert werden. Aspekte der Arbeitssicherheit müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Beispielsweise sollten größere Module nicht alleine getragen werden, um einerseits die Verletzungsgefahr zu minimieren und andererseits das Brechen der Glas- bzw. Modulflächen zu verhindern. Für ein erfolgreiches Recycling sind Module so zu stapeln, dass die Laminate und die eingebetteten Zellen nicht beschädigt werden. Auch bei der Demontage ist darauf zu achten, dass die Module nicht einfach vom Dach in den Container geworfen werden. Das folgende Beispiel zeigt, wie Module mittels standardisierter Verpackungsmittel transportiert werden können, ohne dabei beschädigt zu werden. Bild 5.7: Transport mittels Einweg- und Europaletten 3. 5.f) Rücknahmesysteme PV Cycle Das im Juli 2007 gegründete PV Cycle ist ein Zusammenschluss mehrerer Unternehmen der Photovoltaikindustrie, mit dem Ziel ein freiwilliges Rücknahme- und Recyclingprogramm für Altmodule aufzubauen. Die Mitglieder des PV Cycle sind Produzenten, Importeure, Forschungsinstitute und Großhändler, die bereits heute fast 90% des Europäischen Marktes für PV-Produkte einnehmen. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 22 von 54

23 Solarzelle Solarmodul Rohstoff Lebenszyklus von PV-Anlagen PV- Anlage Recyclingprozess Demontage der Anlage Produktion von Solarenergie (i.a. über 20 Jahre) Bild 5.8: Lebenszyklus einer PV Anlage (in Anlehnung an eine Grafik der Firma First Solar) Bild 5.8 zeigt die einzelnen Stadien einer PV-Anlage, vom Rohmaterial bis zum fertigen Modul, und vom ausgedienten Modul über den Recyclingprozess wieder zur Rückgewinnung des Rohmaterials. Der geschlossene Kreislauf bietet die Möglichkeit der nachhaltigen Wiederverwertung der entsprechenden Rohstoffe. Europaweit gibt es derzeit 185 Sammelstellen für Altmodule. In Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich sind die meisten dieser Sammelstellen vorzufinden. Im Jahr 2011 wurden durch PV-Cycle in Europa insgesamt ca t Alt-Module gesammelt und recycelt 1. 5.g) Recyclinggerechtes Design Schon bei der Entwicklung der Solarmodule sollte versucht werden, die Module so zu konzipieren, dass die Module im Schadensfall leichter in ihre Einzelteile zerlegt werden können, Bild 5.9: Konzeptstudie für recyclinggerechtes Design 12. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 23 von 54

24 bzw. dass einzelne Teile ohne großen Aufwand abgetrennt und repariert werden können. Ein Beispiel, die Reparaturfähigkeit und Recyclingfreundlichkeit eines Moduls zu erhöhen, zeigt das Bild 5.9. Durch das Einbringen von Zwischenfolien lassen sich defekte Solarzellen leichter ablösen und können dann repariert oder durch neue ersetzt werden 12. Bild 5.10: Ablösen einer Zwischenfolie Das Ablösen der Solarzelle von der Zwischenfolie ist in Bild 5.10 dargestellt. Eine weitere Möglichkeit, den Reparaturvorgang zu erleichtern, ist durch einen Rahmen mit speziellen Verbindungselementen gegeben. Die sogenannten shape memory alloys sind Metalle mit Formgedächtnis, das heißt die Metalle verändern ihre Form beim Erhitzen und erlangen wieder ihre alte Form, nachdem die Temperatureinwirkung nachlässt. 5.h) Zusammenfassung Recycling Die Photovoltaikindustrie bietet eine breite Palette an Solarzellen und module an, die ganz unterschiedliche Bauweisen und Zusammensetzungen vorweisen. Dadurch erhöht sich der Anpassungsaufwand an die jeweils eingesetzte Recycling-Technologie. Neben dem Verfahren der Deutsche Solar AG, bei dem die schadhaften und ausgedienten Module über thermische und chemische Prozesse entweder als Ganzes oder als Bruchstücke der Solarzellen aufbereitet werden, bietet die First Solar AG ein weiteres Verfahren an. Bei diesem Verfahren werden die Module mechanisch zerkleinert und anschließend über weitere chemische und maschinelle Prozesse in ihre Bestandteile zerlegt, separiert und letztlich die Halbleiterrohstoffe zurückgewonnen. Während den vergangenen 20 Jahren wurden zahlreiche weitere Verfahren für c-si und Dünnschichtmodule entwickelt und teilweise auch mit erheblichen Fördermitteln untersucht. Diese Verfahren haben bisher jedoch noch keine technische Reife erlangt. Schon während der Konstruktionsphase können Maßnahmen getroffen werden, die das Recycling erleichtern. Der Energieverbrauch für die Herstellung von Solarzellen aus Recycling- Materialien benötigt weniger als ein Drittel der Energie, die für die Herstellung von Solarzellen aus Primärmaterialien beansprucht wird. Aus ökologischer Sicht sind lediglich die verwendeten Ätzlösungen zu bemängeln, da diese teilweise toxisch und somit bei unsachgemäßer Handhabung eine Gefahr für die Umwelt darstellen könnten. Die Einsparung an Energie und damit auch die Reduktion von Emissionen machen das Recycling umwelttechnisch gesehen sinnvoll. Eine abfallwirtschaftliche Bewertung der beiden großtechnischen Verfahren ist derzeit sehr schwierig, da nur wenige Daten zu den verarbeiteten Mengen bzw. zum daraus resultierenden Abfallanfall zu erhalten sind. Eine weitere Studie zur Ökobilanz /LCA betrachtet nur Teilaspekte und ist aus unserer Sicht daher mit größter Vorsicht zu betrachten. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 24 von 54

25 Allerdings ergibt die Energiebilanz für Herstellung bzw. Recycling von PV-Modulen ganz eindeutige Vorteile für das Recycling. 6. Bisherige Studien Leider liegen bislang nur wenige Studien zur Umweltfreundlichkeit, insbesondere zum Auslaugverhalten von PV-Modulen vor. Einzig die schadstoffhaltigen CdTe-Module sind genauer untersucht. Tabelle 3 fasst die Studien von verschiedenen Auftraggebern und deren beauftragte Institute und Laboratorien zusammen. Die Firma First Solar, der größte Hersteller von CdTe- Modulen, hat an das Institut Fresenius und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Studien über den Feststoffgehalt und das Auslaugverhalten in Auftrag gegeben. Beide Studien sind nicht veröffentlicht; nur das Ergebnis ist auf der Homepage von First Solar nachzulesen 13. Danach stellt der Feststofftest von Fresenius, wie auch die Auslaugtests der BAM fest, dass First Solar-Module nicht als Sondermüll zu behandeln sind. Dagegen zeigt die Studie, die von einer Gruppe von Photovoltaikfirmen, bestehend aus der Renewable Energy Corporation (REC), Solarworld, Wacker und Photovoltech, an das Norwegian Geotechnical Institute in Auftrag gegeben wurde, dass mit abnehmendem ph-wert der Elution deutlich mehr Cadmium extrahiert wird. Die Studie der Non Toxic Solar Alliance (NTSA) an das Sierra Analytical Lab kommt sogar zu dem Schluss, dass die CdTe-Module nach kalifornischem Recht als Sondermüll zu behandeln sind. Eine von der NTSA in Auftrag gegebene Bewertung der beiden letzten Studien, die vom Wuppertal Institut durchgeführt wurde, hat die Gefährdung der Umwelt durch unsachgemäße Entsorgung der CdTe-Module als Ergebnis. Eine Kreuzbegutachtung von 3 verschiedenen Studien im Auftrag der Europäischen Kommission und ihrem Joint Research Center kommt zu dem Schluss, dass unter normaler Verwendung oder vorhersehbaren Unfällen weder Cd noch Te aus den Modulen freigesetzt wird. Auch Steinenberger vom Fraunhofer Institut für Festkörpertechnologie in München kommt zu einem ähnlichen Fazit, in einer Studie im Auftrag vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Wird ein intaktes Modul ausgelaugt, wird nichts freigesetzt. Werden kleine Modulstücke ausgelaugt, werden nach Steinenberger ausgelaugte Schadstoffe sowohl aus den CdTe-Modulen, wie auch aus den CIS-Modulen frei, was aber als unbedenklich eingestuft wird. Widersprüche in den Studien zeigen auf, dass hier noch Klärungsbedarf besteht. Die verschiedenen Tests haben unterschiedliche Bedingungen, wie z.b. die Größe der betrachteten Modulstücke, verschiedene Eluate, verschiedene ph-werte der Eluate und verschiedene Zeiten. Das macht einen Vergleich sehr schwierig. Die Studien der NTSA und der Gruppe von Photovoltaik-Firmen zeigen ein verstärktes Auslaugen von Cadmium unter sauren Bedingungen, also bei Eluaten mit niedrigen ph-werten. Leider wird der Einfluss eines unterschiedlichen ph-werts bei den Eluaten in den Studien der EU/JRC und dem BMBF nicht berücksichtigt. Abschlussbericht 2011, Photovoltaikmodule Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten, Seite 25 von 54