Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Mit Heißdraht-CVD hergestellte Si-Schichten für eine Heterostruktur-Solarzelle.
Nachhaltiges Recycling von Silizium-PV-Modulen
Pyrolyse als Schlüsseltechnologie
Photovoltaikmodule haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren. Neben der natürlichen Alterung können auch wirtschaftliche Faktoren oder Schäden durch Umwelteinflüsse dazu führen, dass Module vorzeitig ausgetauscht werden müssen. Mit dem rasanten Ausbau der Solarenergie wird deshalb in den kommenden Jahren die Anzahl der ausgedienten Solarzellen erheblich steigen. Diese Entwicklung stellt eine große Herausforderung dar, da die in den Modulen verarbeiteten Rohstoffe wie Silber, Glas, Silizium, Metalle und Polymere wertvolle Ressourcen sind, die effizient zurückgewonnen werden müssen. Die Pyrolyse bietet hier vielversprechende Ansätze für ein nachhaltiges und wirtschaftliches Recycling.
Effizientes Recycling durch mikrowellenangeregte Pyrolyse
Konventionelle Recyclingverfahren stoßen insbesondere bei beschädigten oder gebrochenen PV-Modulen an ihre Grenzen. Der am Fraunhofer IST untersuchte Ansatz setzt daher auf die thermische Zersetzung der organischen Bestandteile durch eine mikrowellenangeregte Pyrolyse. Diese innovative Methode ermöglicht eine effiziente Erwärmung der Module, die für die Trennung der unterschiedlichen Materialien notwendig ist. Gleichzeitig können die in den Modulen enthaltenen Polymere in Form von Pyrolyseölen und -gasen sowohl stofflich als auch energetisch verwertet werden. Dies trägt nicht nur zur Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe bei, sondern bietet auch eine nachhaltige Lösung für eine ressourcenschonende Kreislaufwirtschaft.
Im Projekt »Circular Economy menschengerecht gestalten« (PV-Kreis) entwickelte Mikrowellenpyrolyseanlage.
Ergebnisse
Verschiedene Silizium-PV-Module wurden zunächst eingehend auf ihren Aufbau und ihre stoffliche Zusammensetzung untersucht. Mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) wurden insbesondere die erforderliche Temperatur für die thermische Zersetzung sowie die Zusammensetzung der gasförmigen Pyrolyseprodukte von granulatförmigen PV-Modulen ermittelt. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnte gemeinsam mit den Projektpartnern ein Anlagenkonzept entwickelt werden, welches inzwischen in eine Prototypenanlage umgesetzt wurde.
Diese Prototypenanlage stellt einen wichtigen Schritt in der praktischen Anwendung der mikrowellenangeregten Pyrolyse dar und bietet die Möglichkeit, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Recyclingprozesses weiter zu optimieren.
Ausblick: Optimierung, Emissionskontrolle und Materialerweiterung
Im weiteren Verlauf des Projekts wird die Prototypenanlage in Betrieb genommen und intensiv getestet, um die Prozessführung kontinuierlich zu optimieren. Im Fokus stehen dabei insbesondere die Neutralisation giftiger Prozessgase wie Flusssäure sowie die Ermittlung und Minimierung des erforderlichen Energieaufwands. Zudem ist geplant, in Zukunft auch andere Kompositmaterialien wie glasfaser- oder kohlefaserverstärkte Polymere sowie elektrische Bauteile oder Elektronikkomponenten in den Recyclingprozess zu integrieren.
Anlagenkonzept zur Mikrowellenpyrolyse von PV-Modulen.
Ermittelte stoffliche Zusammensetzung eines Si-PV-Moduls.
Mikroskopaufnahme eines Querschliffs eines Si-PV-Moduls.
Das Projekt
Die Arbeiten wurden im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts »Circular Economy menschengerecht gestalten« (PV-Kreis) unter dem Förderkennzeichen 02L22C114 gefördert.