Photovoltaikanlage: Entsorgung und Recycling

Eine Photovoltaikanlage besteht aus vielen Komponenten: den Photovoltaikmodulen, der PV-Verkabelung, dem Wechselrichter, der Unterkonstruktion, dem Energiemanagementsystem und häufig auch aus einem Speicher.  

Die einzelnen Komponenten unterscheiden sich deutlich in ihrem Aufbau, weshalb sie auf verschiedenen Wegen nach Ablauf ihrer Lebensdauer entsorgt bzw. recycelt werden müssen. Der Artikel stellt das Vorgehen für die wichtigsten Komponenten vor.

Entsorgung: Wohin mit ausgedienten Solarmodulen? 

Solarmodule fallen als Elektro- und Elektronikaltgeräte unter die WEEE-Richtlinie (WEEE = waste electrical and electronic equipment). In der Richtlinie sind der Vertrieb sowie die Rücknahme und die sachgemäße Entsorgung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten innerhalb der Europäischen Union geregelt. In deutsches Recht wird die WEEE-Richtlinie über das seit dem 01.02.2016 gültige Elektro- und Elektronikgerätegesetz (ElektroG) umgesetzt. Solarmodule sind hier der Kategorie 4/ Sammelgruppe (SG) 6 zugeordnet.  

Hersteller und deren bevollmächtigte Händler sind gemäß der WEEE-Richtlinie verpflichtet, sich beim Elektro-Altgeräte-Register (Stiftung EAR) zu registrieren. Für den Endkunden bietet die Registrierung die Sicherheit, dass die Alt-Module ordnungsgemäß entsorgt werden. Allerdings sind vor dem 24.10.2015, dem Zeitpunkt des Inkrafttretens der WEEE-Richtlinie, in Verkehr gebrachte PV-Module von dieser Regelung ausgenommen. Für diese ist der Letztbesitzer selbst verantwortlich.  

Für private Nutzer stellt das kein Problem dar, denn alle Module aus privaten Haushalten bzw. haushaltsübliche Mengen (was genau darunter verstanden wird, ist in den Bundesländern zum Teil unterschiedlich geregelt) können kostenlos beim kommunalen Wertstoffhof abgegeben werden. Wer diesen Weg nutzen will, sollte sich informieren, welche Wertstoffhöfe die Module auch tatsächlich annehmen und in welcher Menge. Meist werden Maximalmengen als Stückzahl an Modulen oder als von den Modulen eingenommene Fläche angegeben. Ist die Zahl zu entsorgender Solarmodule größer, empfiehlt sich die Abstimmung mit der kommunalen Abgabestelle im Vorfeld. 

Recycling: Was passiert mit ausgedienten Solarmodulen? 

Ausrangierte, aber noch funktionsfähige Module können theoretisch als Gebrauchtware anderswo wieder verwendet werden. Ein Gebrauchtmarkt für Solarmodule in Deutschland ist zwar vorhanden, aber noch unterentwickelt. Teilweise werden ausrangierte PV-Module auch ins Ausland gebracht oder einfach eingelagert. Genaue Zahlen hierzu existieren nicht. Damit die Second-Hand-Module effizient eingesetzt werden können, ist es erforderlich, die aktuelle Leistung zu messen und die Module entsprechend zu klassifizieren. Da das Modul mit der geringsten Leistung die Gesamtleistung der Anlage bestimmt, sollten keine allzu großen Unterschiede bestehen. 

Bei defekten PV-Elementen ist ein vollwertiges Recycling der Inhaltsstoffe prinzipiell möglich. Mit gängigen Verfahren lassen sich 90 und mehr Prozent der eingesetzten Materialien zurückgewinnen. Die Technologien dafür sind vorhanden, werden aber bisher noch nicht im industriellen Maßstab eingesetzt. In den nächsten Jahren ist mit einer deutlichen Steigerung des Recyclingbedarfs zu rechnen, weshalb sich hier entsprechende Geschäftsmodelle etablieren werden. Das Recycling von PV-Modulen ist ökonomisch und ökologisch sinnvoll, denn es können große Mengen an Rohstoffen wiedergewonnen und verkauft werden.  

Woraus bestehen Solarmodule?  

Solarmodule sind nicht giftig und kein Sondermüll. Abhängig von der Art der Solarzellen können jedoch einzelne Komponenten als gefährlich eingestuft werden.  

Photovoltaikmodule sind in der Regel aus folgenden Bestandteilen aufgebaut: 

• Silizium-Solarzellen 
• Metallkontakte 
• einer Einbettungsschicht aus Kunststoffen, die die Zellen und die Kontakte umschließt, 
• einer vorderen Glasplatte  
• und einer rückseitigen Folie zur Isolierung oder alternativ, aus einer zweiten Glasplatte auf der Rückseite  

Das Photovoltaikmodul verfügt außerdem meist über einen Rahmen aus Aluminium, der die Module schützt und stabilisiert, und über eine Anschlussdose.  

Der überwiegende Teil der weltweit hergestellten PV-Module besteht aus kristallinem Silizium. Diese Module werden auch bevorzugt im privaten Sektor eingesetzt und enthalten nur in kleinen Mengen Materialien wie Silber, Zinn und Blei, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Dünnschichtmodule, wie sie häufig bei Solarparks zum Einsatz kommen, enthalten in geringen Mengen Kupfer und Zink und Materialien wie Indium, Gallium, Selen, Cadmium, Tellur und Blei. Diese Stoffe sind fest gebunden und werden im Betrieb nicht ausgewaschen. Es ist aber wichtig, dass die Module ordnungsgemäß entsorgt werden, um Umweltschäden zu vermeiden. 

Die Rückseitenfolie besteht im Allgemeinen aus halogenierten Polymeren (hochvernetzte organische Verbindungen) wie z. B. PVDF (Polyvinylidenfluorid), während es sich bei der Einbettungsschicht meist um EVA (Polyethylenvinylacetat) handelt. Um ein elektrisches Feld zu erzeugen, werden auf der Vorder- und Rückseite der Zelle gitterförmige Kontakte gedruckt. Diese metallischen Kontakte zwischen den Zellen bestehen im Allgemeinen aus Legierungen von Silber, Zinn und Blei.  

Auf den Einsatz von Blei für die elektrischen Kontakte kann verzichtet werden, allerdings macht das die Module etwas teuer. Deshalb haben sich Module ohne Blei am Markt noch nicht durchgesetzt. Die EU plant für 2023 jedoch eine Ökodesign-Richtlinie, mit der Grenzwerte für gefährliche Substanzen eingeführt werden sollen. Auch über ein generelles Verbot von Blei in PV-Modulen ist in der Diskussion. 

Wie funktioniert das Recycling von Solarmodulen bisher in der Praxis? 

Der erste Schritt des Recyclings besteht in der manuellen Demontage des Aluminiumrahmens und der Anschlussdose, die dann der weiteren Verwendung zugeführt werden. Die Solarzellen selbst werden im weiteren Recyclingprozess zerstört - entweder mechanisch durch Bruch, thermisch oder chemisch. Recycelt werden können nur die Bestandteile bzw. Materialien, nicht die Zellen selbst, da diese extrem empfindlich sind und nicht zerstörungsfrei aus dem Verbund gelöst werden können.  

Der Solarzellen-Kunststoff-Verbund, der nach Entfernung von Rahmen und Glasscheiben zurückbleibt, wird „geshreddert“, das heißt, in kleine Teile zermahlen. Bei dieses „Delaminierung“ löst sich die Kunststoff-Einbettung zumindest teilweise von den Metall- und Glasbestandteilen der Zellen. Danach folgen weitere Schritte zur Aufbereitung der Reststoffe. 

Die stark zerkleinerten Glasanteile werden zum Beispiel durch einen Floatingprozess abgetrennt. Auch chemische oder thermische Zersetzung sowie eine Versprödung des Verbundes durch extreme Kälte können zur Delaminierung eingesetzt werden. Die Trennung ist jedoch stets unvollständig und muss durch z.B. durch das magnetische Abscheiden metallischer Stoffe verfeinert werden.

Die derzeit gängigste Methode zur Trennung des Solarzellen-EVA-Verbundes von Photovoltaikmodulen besteht darin, die Einbettungsschicht in einem Förderbandofen bei einer Temperatur von 450°C bis 600°C zu verbrennen. Bei dieser Brennmethode gehen die organischen Materialien des Photovoltaikmoduls verloren, nur anorganische Komponenten wie Glas, Metallbänder und Siliziumscheiben können recycelt werden. Die Methode hat zudem weitere Nachteile: 

Bei der Verbrennung der halogenierten Polymere entstehen giftige Gase, die aus dem Abgas entfernt werden müssen. Metalle wie Zinn, Blei und Silber verdampfen und müssen durch die Abgasbehandlung zurückgewonnen werden. Die metallischen Kontakte schmelzen und es kommt zu einer Diffusion in das Glas oder das Silizium der Zellen. Dies macht weitere Reinigungsschritte des Glases erforderlich.  

Eine andere, schonendere Recycling-Methode besteht darin, die EVA-Folie mit Säure zu versetzen und den chemisch aufgelockerten Verbund dann in einem Reaktor unter einer speziellen Atmosphäre zu behandeln. Der Kunststoff löst sich dabei ab und kann mechanisch entfernt werden.  

Umweltfreundlicher ist das Verfahren, bei dem in einem Reaktor unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur mit Wasser gearbeitet wird. Unter diesen Bedingungen hat das Wasser eine hohe Reaktivität und ist in der Lage, chemische Bindungen in komplexen Molekülen wie Polymeren aufzubrechen und diese in einfachere Verbindungen umzuwandeln. Glas und Rückseitenfolie können so vom Solarzellen-Polymerverbund (Rest-Laminat) abgelöst werden.  

Das Rest-Laminat wird in mehreren Schritten mit Oxidationsmitteln wie Salpetersäure und Wasserstoffperoxid, Sauerstoff oder Ozon behandelt, um die organischen Verbindungen weiter zu entfernen und Silizium und die Metallkomponenten abzutrennen. Letztere werden während des Vorgangs aufgelöst und durch Ausfällung oder Elektrolyse zurückgewonnen.   

Während die Behandlung des Laminats noch in den Kinderschuhen steckt, kann das Aluminium aus den Rahmen in erprobten Prozessen recycelt werden, wenn diese nicht mehr für gleichartige Module wiederverwendet werden. Der große Vorteil des Aluminium-Recyclings: Er wird nur ca. 5 % der Energie benötigt, die zur Herstellung neuen Aluminiums vonnöten ist. Dennoch ist der Prozess energetisch recht aufwändig, denn das Material wird in großvolumigen Öfen eingeschmolzen, Verunreinigen als Schlacken auf dem Reaktor entnommen. Werden die Aluminiumlegierungen sortenrein gesammelt, lassen sich diese jedoch zuverlässig ohne Qualitätsverlust recyceln.  

Ebenfalls aus Aluminium bestehen die Unterkonstruktionen für die Photovoltaikanlage. Da es sich dabei um normierte Formteile handelt, lassen sich diese häufig einfach weiterverwenden. Ist dies nicht möglich, wird das Aluminium dem oben beschriebenen Recyclingprozess zugeführt.  

Ähnlich etablierte Prozesse wie beim Aluminium existieren für das Kupfer aus den Kabeln der Photovoltaikanlage. Kabelrecycling ist eine der wichtigsten Quellen für recyceltes Kupfer. Die Kabel werden dazu zerkleinert und das Kupfer durch Sortieranlagen oder elektrostatische Separatoren von der Isolation getrennt. Danach wird das Metall wieder eingeschmolzen oder auch elektrolytisch gereinigt.  

Quelle

Die in Photovoltaikanlagen verbauten Wechselrichter sind Elektronikschrott und zählen als ungefährlicher Abfall. Ausnahme sind ältere Geräte, bei denen PCB-haltige Kondensatoren verbaut wurden. Damit gelten die Wechselrichter als verunreinigt und für ihre fachgerechte Entsorgung muss ein Nachweis erbracht werden.  

Wechselrichter werden zum Recycling in die einzelnen Baugruppen zerlegt. Dabei fallen Eisen, Kunststoffe, Trafoschrott und Platinen an. Aus dem Trafoschrott werden Materialien wie Kuper, Eisen und Edelmetalle wiedergewonnen. Dazu wird der Trafo geshreddert und das Eisen magnetisch abgetrennt. Die Kupferfraktion wird in Kupferhütten eingeschmolzen und zu neuem industrietauglichen Reinkupfer raffiniert. Auch die Platinen werden erst zerkleinert. Danach trennt man Eisenmetalle und Aluminium und zuletzt die Edelmetalle ab. Die organischen Substanzen werden in der Regel verbrannt, einzelne Bauelemente in der Regel nicht weiterverwendet.  

Eine besondere Herausforderung stellen Entsorgung bzw. Recycling der Batteriespeicher dar, denn bei einer unsachgemäßen Demontage kann es im schlimmsten Fall zu einem Brand kommen. Die Hersteller sind deshalb laut Batteriegesetz (BattG) zur kostenfreien Rücknahme und zu einer gesetzeskonformen Verwertung verpflichtet. Die Kosten für diese Aufgaben lassen sich durch den „Batterieabfall“ teilweise refinanzieren, denn die ausrangierten Heimspeicher enthalten noch viele wertvolle Rohstoffe, die gesammelt und in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. 

Um den nicht mehr funktionsfähigen Stromspeicher effizient verwerten zu können, ist es erforderlich, die Abfälle möglichst sortenrein zu trennen. Neuere Modelle wie die Battery flex von Solarwatt sind so designt, dass der Speicher problemlos in seine Bestandteile zerlegt werden kann. Die einzelnen Fraktionen wie das Gehäuse oder die Batteriemodule werden dann auf die angemessene Art weiterverwendet oder recycelt. Insbesondere die schichtartig aufgebauten Batteriemodule enthalten noch gefragte Materialien wie Lithium, Nickel oder Kobalt. 

Die eigentlichen Batteriemodule werden zum Recycling meist eingeschmolzen und die Metalle anhand ihrer Schmelzpunkte und Dichten getrennt. Danach erfolgt eine Aufbereitung der Bestandteile. Bei diesem Verfahren verbleibt das Lithium jedoch häufig in der Schlacke zurück und es entstehen giftige Nebenprodukte wie Fluorwasserstoff. 

Neuere Verfahren versuchen daher das Einschmelzen zu vermeiden. So werden die Batterien unter Stickstoffatmosphäre geshreddert und die gewonnenen Materialien weiterverarbeitet. 

Auch gibt es Versuche, die Batterien elektrohydraulisch zu zerkleinern. Bei diesem Verfahren „wird das zu zerkleinernde Material in einem Reaktor in eine Flüssigkeit wie Wasser gegeben. Über eine elektrische Entladung werden Schockwellen erzeugt, die sich mit Hilfe der Flüssigkeit im Reaktor ausbreiten und so eine Auftrennung des Materials entlang von Phasengrenzen bewirken…“

Wie bei den Modulen auch, befindet sich das Recycling der Stromspeicher noch in einer frühen Phase, weil noch nicht ausreichend große Mengen für eine industrielle Aufbereitung zur Verfügung stehen. Es ist zu erwarten, dass es hier in den nächsten Jahren zu neuen Entwicklungen kommt, die insbesondere die wiederholte Nutzung einmal der Natur entnommener Ressourcen im Blick haben. 

Hat eine PV-Anlage ausgedient, können einzelne Elemente der Solarmodule und Komponenten wie Wechselrichter oder Solarbatterien recycelt werden. Abermals nutzbar sind beispielsweise Rohstoffe wie Cadmium und Blei, aber auch in der PV-Anlage enthaltenes Kobalt, ferner Nickel, Kupfer, Silber, Glas und Aluminium. Zuständig für das Recycling von Photovoltaikanlagen sind darauf spezialisierte Entsorgungsunternehmen, welche die einzelnen Komponenten einer Solaranlage in der Regel im Auftrag des Herstellers bei den Verbrauchern und Wertstoffhöfen abholen und anschließend aufbereiten.