Aus alten Zellen wird neuer Rohstoff

Ein zweites Leben auf dem Dach

Statt ins Recycling können noch funktionsfähige Module auch in die Zweitverwertung gehen. Viele der Anlagen weisen noch um die 80 Prozent ihres einstigen Wirkungsgrades auf. Daher sind zwischen 10 und 50 Prozent der Module, die auf einem Recyclinghof landen oder im Solarpark direkt aussortiert werden, keineswegs unbrauchbar. Eine Reihe von Unternehmen hat sich darauf spezialisiert, solchen Modulen ein „zweites Leben“ zu ermöglichen. Auch Tom Reiling überprüft angelieferte Module auf diese Möglichkeit. Einige davon hat er auf seinen eigenen Dächern installiert, andere haben seine Mitarbeiter gekauft. Doch da die Preise für neue Module über die letzten Jahre stark gesunken sind, findet er sonst kaum Abnehmer für die Second-Hand-Ware. Sie nach Afrika zu exportieren, findet der Unternehmer zwiespältig: „Zwar sind die Solarmodule noch gut zu gebrauchen, aber selbst wir in Deutschland hätten ja dafür noch kein richtiges Entsorgungskonzept.“

Gesetzliche Vorgaben nach Gewicht

An seinem Konzept feilt Tom Reiling noch, doch sein Ziel hat er klar vor Augen: Er will mehr Module wiederverwerten, als es die gesetzlichen Quoten fordern. In Europa sind die Abfallregularien und das Recycling klar geregelt. Solarmodule gelten in Deutschland und den anderen europäischen Ländern als Elektrogeräte, die nach der Richtlinie WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipment) behandelt werden müssen. Bislang sind deren Anforderungen recht einfach zu erfüllen: demontieren, Kabel entfernen, die Aluminium-Rahmen abreißen, das Glas aussortieren – und schon ist den Vorgaben Genüge getan. Allein das Kupfer aus den Kabeln, das Glas und die Alurahmen machen zusammen mehr als 85 Prozent des Gewichts eines Solarmoduls aus. „Damit ist die gesetzlich festgesetzte Quote erfüllt“, erläutert Ian Marius Peters, Forscher am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien. Kabel und Rahmen kommen ins Metallrecycling. Doch das Glas aus der Abdeckung ist gerade noch gut genug für die Herstellung von Glaswolle.

Auch Tom Reiling beliefert bislang nur die Dämmstoffindustrie mit seinem Glas aus dem PV-Anlagen-Recycling. Doch er arbeitet daran, eine gute Glasqualität zu erreichen. Inzwischen konnte er einige Glashütten dafür gewinnen, sein Glas aus Solarmodulen als sekundären Rohstoff für die Produktion hochwertiger Produkte zu testen. Immerhin sei es auch für die Außendarstellung der Glasindustrie von Vorteil, recyceltes Solarglas einzusetzen, meint Reiling. Allerdings: Bislang landet der mengenmäßig kleinere Rest aus Silizium, Silber, Zinn, Blei und den Kunststofffolien meist noch auf der Deponie oder in der Verbrennung. Anders wäre das, wenn sich die Quoten für die Mengen nicht nur auf das Gesamtgewicht beziehen würden, sondern auf die jeweiligen Inhaltsstoffe, ist Peters überzeugt. Doch darüber wird momentan nur diskutiert.

Zwar gelten die meisten Rohstoffe aus dem Recycling laut dem Umweltbundesamt nicht als knapp, doch allein das Aufschmelzen des Quarzsandes bei über 2.000 Grad Celsius zu hochreinem Silizium benötigt eine große Menge an Energie. Deshalb landet das Herzstück eines Solarmoduls – die aus Silizium gefertigten Zellen, die das Sonnenlicht in elektrischen Strom verwandeln – nach wie vor meist auf der Abfallhalde. In einer Tonne Solarschrott stecken immerhin 25 bis 50 Kilogramm Solarsilizium. Doch es aus dem Materialverbund zu lösen, erfordert einen beträchtlichen Energieaufwand – und Chemikalien.

Ein Modul aus dem Schredder

Es ist der nächste Schritt, den Tom Reiling plant: Silizium für eine Wiederverwertung aus dem Verbund zu befreien. Ein Modul aus recyceltem Solarsilizium gibt es schon. Es steht auf dem Hof von Andreas Obst am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) in Halle an der Saale. Der Chemiker hat es zusammen mit anderen Forschenden aus alten und geschredderten Solarzellen von Reilings Recyclinghof hergestellt. Dabei herausgekommen ist ein 20 Kilogramm schweres Modul mit 60 Zellen aus kristallinem Silizium mit einem Zellwirkungsgrad von 19,7 Prozent. Es liegt damit nur wenige Prozentpunkte unter dem Wirkungsgrad fabrikneuer Solarzellen.

Einfach war es nicht, das zu erreichen. Und das Schwierigste ist es, das Modul zunächst in seine einzelnen Bestandteile zu zerlegen. Grundsätzlich ist ein Solarmodul so robust konstruiert, dass es allen Widrigkeiten trotzt. Sand, Schnee, Hitze, Kälte, Feuchtigkeit würden dem Modul sonst mächtig zusetzen. Um das zu vermeiden, wird es mit Kunststofffolien so fest verkapselt, dass es unabhängig von der Witterung eine Lebensdauer vor über 20 Jahren erreicht. Allerdings macht gerade diese große Widerstandskraft es schwierig, den innigen Verbund aus Zellen und Laminierung wieder voneinander zu trennen.

Das Ziel: industrielle Rückgewinnung

Wie das Wiedergewinnen von Silizium trotzdem gelingt, hat Andreas Obst zusammen mit Forschenden vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg und dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS erforscht. Obst wollte beweisen, dass sich aus Zellschrott hochwertige neue Solarzellen fertigen lassen – und dass eine industrielle Rückgewinnung des Solarsiliziums möglich ist. Das Resultat dieses Pilotprodukts steht seit Anfang 2022 auf seinem Hof am CSP – und funktioniert. Beim Gang nach draußen kann der Forscher auf einer Anzeigetafel ablesen, wie viel Sonnenenergie das Modul gerade geerntet hat.

Doch die Zerlegungsprozedur hat es in sich. Zunächst werden die Zellen mit üblicher mechanischer Zerkleinerungstechnik geschreddert – bis auf eine Größe zwischen 0,5 und 2 Millimetern. Aus diesem zerkleinerten Materialmix werden die Bruchstücke aus Glas und Silizium elektrostatisch getrennt, und der Kunststoff wird durch Dichtesortierung entfernt. Mit sogenanntem nasschemischem Ätzen werden die Beschichtungen abgelöst und dadurch auch das Silber aus Kontakten zurückgewonnen. Das Silber macht zwar nur einen Bruchteil des Gewichts aus, beinhaltet aber fast 50 Prozent des Materialwerts. Im letzten Schritt werden die Antireflexschicht und der Emitter chemisch abgelöst, bis nur noch das Solarsilizium übrigbleibt.

Aus diesem Recycling-Silizium zogen die Freiburger Fraunhofer-ISE-Forscher dann einen Kristall, sägten daraus Wafer aus – dünne Platten, die als Rohlinge für die Fertigung von Solarzellen dienen – und gelangten schließlich aus dem so gewonnenen Rohstoff zu hochwertigen Zellen für das Photovoltaik-Modul.

Eine Ökobilanz für ihren Prozess hat das Fraunhofer-Team noch nicht erstellt. „Es ging darum zu klären, ob man es überhaupt hinbekommt“, sagt Obst, und zwar mit markttauglichen Techniken. Klappt die mechanische Trennung? Funktioniert die Nasschemie, sodass sich daraus Solarsilizium mit der geforderten hohen Reinheit kristallisieren lässt? Das waren zunächst die wichtigsten Fragen.

Die Faktoren der Ökobilanz

Das Umweltbundesamt stellte 2021 fest, dass der Strommix bei der Herstellung einen der größten Anteile in der Ökobilanz hat, ebenso wie eine möglichst lange Nutzung der Anlage von rund 30 Jahren. Die Experten des Umweltbundesamts merken überdies bei ihrer Auswertung verschiedener Ökobilanzen an, dass zwar die aktuell sehr vielversprechenden sogenannten PERC-Zellen – im Fachjargon: Zellen mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite – noch kaum bewertet wurden – dass es aber durch die stark gestiegenen Kapazitäten in der Produktion energiesparende technische Weiterentwicklungen gibt. Der Energieverbrauch bei der Herstellung vom metallurgischen Silizium bis zum zugesägten Wafer sinkt dadurch deutlich, geringere Dicken der Siliziumzellen wirken sich außerdem ebenso positiv aus wie ein höherer Wirkungsgrad.

Brachiale Blitze

Einen anderen Weg als den mit Chemikalien will das Unternehmen Flaxres in Dresden gehen. Bei deren Technologie wird das gesamte Modul in einer abgeschirmten Kammer mit kurzen, energieintensiven Lichtblitzen bestrahlt. Während die Lichtpulse einwirken, heizt sich der Materialverbund in Sekundebruchteilen auf mehrere Hundert Grad Celsius auf. Die Folie bröselt dabei vom Siliziumchip, der Kunststoff verschmort. Und während die Zellen in viele Stücke zerbrechen, platzen die Folienreste gleich ganz ab. Danach sind Glas, Folie und Silizium sortenrein getrennt. Den kommerziellen Start erster mobiler Anlagen auf der Basis dieses Verfahrens planen die Dresdner im Jahresverlauf von 2024.

Und es gibt noch weitere Konzepte für das Recycling von Solarmodulen. Zum Beispiel das „Trennen mit einem heißen Messer“: eine Methode, die ein japanisches Unternehmen entworfen hat, um die Verbindung zwischen Glas und Solarzellen zu lösen. Dazu schiebt sich eine auf 300 Grad Celsius erhitzte Klinge zwischen Glas und Silizium-Zellschicht und schabt den Folienverbund in einem Stück vom Glas ab. Sie trennen dabei nicht nur den Verbund, sondern liefert auch sauberes Glas, das frei von Verunreinigungen ist und sich gut recyceln lässt. Doch auch dieses Verfahren wird bislang nur in einer Testanlage eingesetzt. Und es hat ein Manko: Bei verbogenen oder bereits geborstenen Modulen gelingt die Trennung auf diese Weise nicht.

Pfiffige Ideen haben deutsche Startup-Unternehmen wie Solar Materials entwickelt. Die Firma aus Magdeburg setzt darauf, die Silber-Kontakte mit Bürsten abzuschaben. Tom Reiling begrüßt diese Vielfalt. Als Chef eines etablierten Glas-Recyclingbetriebs kennt sich der Münsteraner nicht nur mit großen Massenströmen aus, er arbeitet auch schon seit Jahren am Recycling von Photovoltaik-Anlagen. Erste Anfragen von Solarparkbetreibern haben ihn schon erreicht, und schon ein einziger ganzer Solarpark könnte leicht 500 bis 1000 Tonnen ausgediente Solarmodule auf einen Schlag liefern. Doch die große Entsorgungswelle ist noch nicht bei ihm angekommen. Ein Grund dafür könnte sein, dass die Solarmodule länger halten, als prognostiziert worden ist.

Kreislaufwirtschaft nach Vorschrift

Funktionierende Techniken sind also genug vorhanden – aber meist nur im Prinzip. Denn bislang sind sie nicht wirtschaftlich für eine industrielle Anwendung. Zum Einsatz kommen sie bloß aufgrund gesetzlicher Vorschriften. Das gilt auch für First Solar in Frankfurt an der Oder – ein Unternehmen, das Dünnschichtsolarzellen herstellt und auf den deutschen Markt bringt. Die Solarzellen aus Frankfurt, die mit Schichten aus Kadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) überzogen sind, dürfen in Deutschland nur in Verbindung mit einem Recyclingkonzept verkauft werden. First Solar hat über mehrere Jahre hinweg bereits rund 200.000 Tonnen Solaranlagen zurückgenommen, recycelt und die Rohstoffe aus der Beschichtung für den Bau neuer Module verwendet. Das Unternehmen hat zwar inzwischen sein Produktionswerk geschlossen, verwertet aber immer noch jährlich rund 10.000 Tonnen Altmodule.

Allerdings machen Dünnschichtsolarzellen nur einen kleinen Teil des künftig zu erwartenden Solarmüllbergs aus. Ihr Anteil an den weltweit installierten Modulen beträgt nur etwa fünf Prozent, und die aktive Schicht ist mit ein bis fünf Mikrometer Dicke wesentlich dünner als die rund 180 Mikrometer dicken marktbeherrschenden Silizium-Solarzellen.

Das Resümee: Techniken, mit denen mehr als nur Glas und Aluminium wiederverwertet werden, gibt es bisher nur in Forschungsprojekten. Die Umsetzung in den kommerziellen Betrieb fehlt, sagt Helmholtz-Forscher Ian Marius Peters. „Da herrscht das Gefühl, dass man noch Zeit hat“. Trotz drohender Verschrottungswelle: Die Pläne, wie alte Solarmodule zu recyceln sind, entwickeln sich im Schneckentempo. So gibt es etwa in Japan, Südkorea, China und Australien derzeit keine landesweiten Programme für das Recycling von PV-Modulen, diverse Technologien werden dort bislang nur diskutiert – aber noch kaum ein Ansatz steht bereits in den Startlöchern.

In den USA wird stattdessen darüber nachgedacht, wie sich die künftig großen Mengen an ausgedienten Solarmodulen in die Abfallregularien einpassen lassen, während Forscher in China zumindest auch an wirtschaftlich tragfähigen technischen Lösungen arbeiten.

Und es gibt noch etwas, was das wirtschaftliche Recycling von Solarzellen schwierig macht. So sieht Fraunhofer-Forscher Andreas Obst die große Vielfalt von Modulen als große Herausforderung an. Er selber hat schon über 500 verschiedene Typen erfasst. Und diese Liste umfasst nur einen kleinen Teil dessen, was inzwischen auf dem Markt ist. Darunter habe er einige „lustige Sachen“ gefunden, berichtet Obst: etwa Glasfasermatten als Zwischenlage und ein Modul, bei dem die elektrischen Kontakte nicht aus Silber, sondern aus Kupfer waren. Eines betrifft seine eigene Variante: Wenn künftig die Bor-Dotierung der Solarzelle verändert wird, funktioniert sein Prozess, um das Silizium zurückzugewinnen, nicht mehr. Eine Möglichkeit gegen den oft willkürlich gemischten Solarmüll sieht der Forscher daher in einem QR-Code, der an jedem einzelnen Modul angebracht ist. Damit wäre eine Vorsortierung auf dem Recyclinghof in geeignete und nicht geeignete Zellen möglich.

Der Physiker Ian Marius Peters hingegen betrachtet mehr als bloß wirtschaftliche Recyclingmethoden: „Ich will nicht nur wissen, wie ich die Recyclingtechnologie weiterentwickeln kann, sondern stelle mir die Frage: Wie kann ich Solarmodule von Anfang an so konstruieren, dass sie sich am Ende ihrer Lebenszeit deutlich einfach wieder auseinandernehmen lassen und die Rohstoffe in den Kreislauf zurückgelangen können?“ An einem teschnischen Möglichkeiten, wie die Verkapselung einfacher aufzubrechen ist, forschen auch Wissenschaftler aus den Niederlanden und Taiwan. Doch bis es einmal so weit sein wird, dass Solarmodule mit „Sollbruchstelle“ auf den Markt kommen, wird es wohl noch eine geraume Zeit dauern.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…