Recyclierbarkeit von PV- Einkapselungsfolien aus Kunststoff Gernot M. Wallner Präsentation anlässlich des 11. Workshops Photovoltaik-Modultechnik TÜV Rheinland Köln, 11. November 2014 2013-11-06_gmW
Recyclierbarkeit von PV-Einkapselungsfolien aus Kunststoff Inhalt Einleitung und Hintergrund Marktentwicklung Kunststoffe und Potentiale in der Photovoltaik SolPol-Forschungsinitiative Einkapselungsmaterialien - Kunststoffe in PV-Modulen Einbettungsmaterialien Rück- und Frontseitenfolien Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien Innerbetriebliches Recycling End-of-use Recycling 2014-11-11_gmW 2
Die Bedeutung der Kunststoffindustrie Marktentwicklung der Kunststoffe vs. Stahl (Volumsbezogen) Source: Plastics Europe, D (2008) 2014-11-11_gmW 3
Entwicklung der Photovoltaik-Industrie Kumulierter, globaler Materialbedarf für 100% REN-Szenario bis 2050 (Basis: Energy[R]Evolution Studie, Greenpeace, 2012) Jahr Kum. Kunststoffbedarf [mio t] 2010 0.5 2020 5.2 2030 12.7 2040 18.4 2050 25.8 Mittlerer, jährlicher Kunststoffbedarf bis 2050: 0.6 mio t/year Source: K. Holzhaider, JKU-IPMT (2014) 2014-11-11_gmW 4
SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials 2014-11-11_gmW 5
SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials 2014-11-11_gmW 6
SolPol-3: Entwicklungsziele Von neuen Materialien Stand der Technik EVA-Elastomere Thermopl. Elastomere Entwicklungsziele Specimen chemisch vernetzt Constituents (mit Peroxiden) zu neuen Prozessen. vornehmlich physikalisch vernetzt kürzere Laminationszykluszeiten Kontinuierliche Produktion (Rolle-zu-Rolle) verbesserte Performance Stand der Technik Entwicklungsziele In-line Lamination + Laminierter Film Co-Extrusion + extrudierter Layer 1 Akasol, Krempel (GER) Backsheet-Lamination mit extrudierten Folien Kontinuierliche Herstellung von Backsheet/Einbettungsund Frontsheet/Einbettungs-Kombinationen 2014-11-11_gmW 7 + Extrudierter Film + extrudierter Layer 2
Aufbau von PV-Modulen Encapsulation (= Einkapselung) umfasst: a) Embedding (= Einbettung) b) Frontsheet (meist Glas) und Backsheet (meist Kunststofflaminate) 2014-11-11_gmW 8
physikalisch chemisch Chemischer Aufbau und Eigenschaften von Einbettungsfolien Material Atomarer Aufbau Additive Schmelz-/ Fließtemp., C Vernetzung Zersetzungstemp., C EVA CHO Peroxid, AO, UVA, Haftverm. - 300 500 PVB CHO AO, UVA, Haftverm. - 250 500 Ionomer CHO, Ca/Zn Polyolefin CH AO, UVA, Haftverm. < 120 C 300 500 AO, UVA, Haftverm. < 120 C 350 500 TPSE CHSiON AO, UVA, Haftverm. ~ 140 C 200 600 Chemisch oder energetisch recyclierbar (Heizwert: ~ 10 kwh/kg) Werkstofflich, chemisch oder energetisch recyclierbar 2014-11-11_gmW 9
Einbettungsfolien Irgafos 168 Stabilisatoren und Schneckenspuren in EVA Phosphitisches (P) Antioxidans Silan (Si) Haftvermittler Werkstoffliches Recycling von EVA aus Performancegründen nicht sinnvoll Source: S. Meyer et al., Sol. Eng. Mat. (2014) 2014-11-11_gmW 10
Chemischer Aufbau und Eigenschaften von Back- und Frontsheets Klasse Material Atomarer Aufbau TPT FP PET PA Frontsheet PVF/PET /PVF FP/PET/ EVA Lack/PET /EVA PA/PET/ PA ETFE, FEP CHF, CHO CHF, CHO CHO CHON Additive Schmelz-/ Fließtemp., C Zersetzungstemp., C AO, UVA, Haftverm., 20m% TiO 2 190, 250 300 500 AO, UVA, Haftverm., 15m% TiO 2 105, 175, 250 300 500 AO, UVA, Haftverm., 10m% TiO 2 105, 250 350 500 AO, UVA, Haftverm., 20m% TiO 2, SiO 2 180, 250 350 500 CHF UVA, Haftverm. 270 400 650 Recyclierbarkeit: chemisch oder energetisch ETFE, FEP: geringer Heizwert: ~ 2 kwh/kg 2014-11-11_gmW 11
Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien Case study zum innerbetrieblichen Recycling von Einbettungsmaterialien: EVA, PVB, Ionomer Verfahrenstechnische und Anlagen-Entwicklung (NGR, Feldkirchen, A) Charakterisierung recyclierter Einbettungsmaterialien (JKU-IPMT) 2014-11-11_gmW 12
Speichermodul E' [MPa] Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien Einfluss auf thermische Übergänge und Vernetzbarkeit EVA 1 0,1 Folie Granulat recycliert 0,01 1E-3 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatur [ C] Innerbetriebliches Recycling von EVA-Einbettungsfolien prinzipiell möglich 2014-11-11_gmW 13
rel. Masse [%] Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien Einfluss auf thermische Übergänge in der TGA PVB 1 0 Folie Granulat recycliert 100 200 300 400 500 600 Temperatur [ C] Innerbetriebliches Recycling von PVB: Unterschiede feststellbar! 2014-11-11_gmW 14
End-of-Use Recycling von Einkapselungsmaterialien Hemmnisse für werkstoffliches Recycling: Mehrschichtiger Laminataufbau Trennung der Einzelschichten? Veränderung der Stabilisierung Abbauprodukte? Technologische Weiterentwicklung verbesserte Produkte PET und EVA sind kostengünstige Einsatzstoffe Wirtschaftlichkeit? Hemmnisse für chemisches Recycling: Hoher Energieaufwand für die Pyrolyse der Kunststoffe Heterogene Zusammensetzung der Pyrolysegase Trennung Energetisches Recycling von Einkapselungsmaterialien (in der Metallurgie Stand der Technik) Entwicklung von halogenfreien Kunststoff-Einkapselungsmaterialien auf Basis von C, H, O, N 2014-11-11_gmW 15