Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz in der Photovoltaikbranche werden die Zukunft der erneuerbaren Energien maßgeblich beeinflussen. Aktuell werden bei Solarmodulen noch Rohstoffe und Materialien eingesetzt, die dem Wertstoffkreislauf gar nicht oder nur teilweise wieder zugeführt werden können und Schwächen bei der Umweltverträglichkeit aufweisen. Hier setzt das kürzlich abgeschlossene Projekt „E2 – E-Quadrat. Erneuerbare Energien aus Erneuerbaren Rohstoffen“ an. Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle (Saale) hat zusammen mit Partnern ein Solarmodul entwickelt, bei dem die Komponenten, die nicht direkt zur Licht-Strom-Umwandlung benötigt werden, aus biologisch abbaubaren Materialien, recyclebaren Materialien oder nachwachsenden Rohstoffen bestehen.
Der ökologische Fußabdruck der Photovoltaikbranche ist im Vergleich zu konventionellen Energiequellen oft geringer. Photovoltaikanlagen produzieren während ihres Betriebs keine schädlichen Emissionen und tragen damit erheblich zur Verringerung der Luftverschmutzung und der Treibhausgasemissionen bei. Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus von Solarmodulen – von der Rohstoffgewinnung über die Produktion und Nutzung bis hin zur Entsorgung, werden jedoch Schwachstellen sichtbar.
Alle Lebensphasen eines PV-Moduls durchdacht
Derzeitige Photovoltaik-Module bestehen aus Glas, Polymeren, Metallen und siliziumbasierten Solarzellen. Die Gewinnung der Rohstoffe, insbesondere des Siliziums, kann umweltbelastend sein. Auch werden die einzelnen Komponenten nur selten dem Rohstoffkreislauf wieder zugeführt. Nach dem Ende der durchschnittlichen Betriebsphase und Lebensdauer von Solarmodulen, die aktuell bei 20 bis 25 Jahren liegt, stellen die PV-Altmodule ein wertstoffhaltiges, aber schwer aufzutrennendes Abfallprodukt dar, wofür es gegenwärtig kein konkretes Recyclingkonzept gibt. Ein Großteil der Komponenten wird aktuell entweder verbrannt oder zu minderwertigen Produkten „downgecycelt“. Ansätze, wie die verwendeten Materialien aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt und zugleich wieder in den Kreislauf eingebunden werden, können die Solarbranche noch grüner machen.
An diesem Punkt setzt das Projekt „E2 – E-Quadrat“ an, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde. Ein Team vom Fraunhofer CSP entwickelte und testete zusammen mit der NOVO-TECH GmbH Materialien, die einerseits eine hohe Langzeitzuverlässigkeit gegenüber sämtlichen Witterungseinflüssen besitzen und andererseits vollständig recyclebar sind. „Das Projekt adressierte alle Lebensphasen eines PV-Moduls: von der Herstellung aus Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen über die eigentliche Betriebsphase bis zur stofflichen Verwertung und Rückführung in den Wertstoffkreislauf am Ende der Betriebszeit“, sagt Ringo Köpge, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe „PV-Module, Komponenten und Fertigung“ am Fraunhofer CSP und Projektleiter.
Fraunhofer CSP
Verkapselung der Zellen aus biobasiertem Ethylen
Das 380 Watt-Solarmodul, das als „Bio-Modul-Prototyp“ innerhalb des Projekts entstand, zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Modulen durch vier Besonderheiten aus. Der Rahmen des Moduls besitzt einen hohen Holzanteil. Dieser kann nach der Lebensdauer des Moduls komplett recycelt und wieder in die Modulproduktion eingeschleust werden. Die Zellverbindungen des Moduls wurden nicht, wie sonst standardmäßig, mit bleihaltigen Loten verbunden, sondern mit einem elektrisch leitenden Klebstoff, der Silberpartikel enthält und als Verbinder zwischen den Drähten und den Zellen dient. Aktuell werden nur circa drei bis vier Prozent der Module auf dem weltweiten Markt bleifrei geklebt. Die Rückseitenabdeckung des Moduls besteht aus einer Folie, die zu 30 Prozent aus recyceltem Polyethylenterephthalat (PET) besteht. Die Ethylenvinylacetat-Folie (EVA-Folie), die als transparente Kunststoffschicht bei der Produktion von Solarmodulen eingesetzt wird und als Verkapselungsmaterial der Zellen dient, besteht zu 60 Prozent aus biobasiertem „Zuckerrohr-Ethylen“. Aktuell wird bei den Modulen noch ausschließlich EVA aus fossilen Rohstoffen verwendet, das recycelt oder entsorgt werden muss.
Auf Beständigkeit getestet
Das Team am Fraunhofer CSP hat die einzelnen verbauten Komponenten verschiedenen Tests unterzogen, darunter beschleunigte Alterungs-, Wärme-, Feuchte- und Temperaturwechseltests. Es konnte gezeigt werden, dass jede Komponente, die verbaut wurde, die aktuellsten Modulstandards besteht. Durch die Ergebnisse kann zukünftig der CO2-Fußabdruck durch Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen sowie die Rückführung der energieintensiven Rohstoffe (Siliziumzelle) verbessert werden. Mit dem Nachweis, dass Biopolymere auch für den Einsatz in der Photovoltaik geeignet sind, können diese zukünftig für eine Vielzahl anderer komplexer Außenanwendungen genutzt werden. Die Forschungsergebnisse und das Modul stellt Ringo Köpge im Rahmen der diesjährigen EUPVSEC, die vom 23. bis 27. September in Wien stattfindet, unter dem Titel „Steps Towards a 100% Renewable Material Solar Module: Evaluating Material Substitutions for Encapsulation and Interconnection“ vor. Quelle: Fraunhofer IMWS / ab
