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07-08 | 2019

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Special Abfall,

Special Abfall, Recycling und Kreislauf Photovoltaikmodule gemeinsam aufarbeiten Weltweit steigt die Anzahl installierter Photovoltaikmodulen stark an. Mit einer Lebenserwartung von etwa 25 Jahren ergibt sich daraus künftig ein erhöhter Massenstrom im Entsorgungsaufkommen. Seit 2018 fordert die Elektronikschrottrichtlinie eine Verwertungsquote von 85 Prozent in der Gerätekategorie 4, unter die auch diese Module fallen. Dafür braucht es innovative Recyclingkonzepte. Mit der Problematik des steigenden Entsorgungsaufkommens sind auch erhöhte Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu beobachten. Dennoch lag gemäß Angaben der Internationalen Energieagentur von 2016 der Anteil an recycelten Photovoltaikmodulen weltweit nur bei etwa zehn Prozent. Weiterhin konzentriert sich der Großteil der Forschungsvorhaben und der industriellen Aufbereitungsanlagen auf einzelne Modultypen. In der Realität fallen aber verschiedenartige Module gemischt im Entsorgungsstrom an. Neben kristallinen Siliziummodulen, die den größten Marktanteil ausmachen, fallen Dünnschichtmodule immer mehr ins Gewicht. Diese enthalten je nach Bauart Wert- und Schadstoffe wie Indium, Gallium und Cadmiumtellurid, denen aus ökologischen und ökonomischen Gründen eine erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Der zur Entschichtung eingesetzte Schwingturm. Künftiges mehr Altpanels Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) förderte ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur gemeinsamen Aufbereitung verschiedenartiger Photovoltaikmodule. In Kooperation zwischen dem Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) in Duisburg und dem Unternehmen Enviprotect Kühlund Elektrogeräterecycling GmbH im nordrhein-westfälischen Emsdetten wurde ein Verfahrenskonzept entwickelt, das eine Rückgewinnung gemischt anfallender Module ermöglicht. Durch die gemeinsame Aufbereitung erhöht sich aufgrund der verschiedenen Modultypen und der größeren Anzahl auftretender Stoffen die Komplexität der einzelnen Verfahrensschritte. Aus ökologischer Sicht müssen vor allem die Schadstoffe, wie das gesundheitsgefährdende Cadmiumtellurid, individuell betrachtet werden. Reales Aufkommen berücksichtigt Zur Auslegung des Verfahrens wurden im Forschungsvorhaben Untersuchungen zum theoretischen und realen Aufkommen von entsorgten Photovoltaikmodulen durchgeführt. Das reale Aufkommen deckte sich weitestgehend mit Hochrechnungen des Umweltbundesamts (UBA) für die kommenden Jahre. Daher wurde die Zusammensetzung der einzelnen Modultypen auf Basis dieser Daten festgelegt. Für die Versuche wurde ein Entsorgungsstrom simuliert, der 79 Prozent an kristallinen Silizium- und zehn Prozent an amorphen Siliziummodulen enthält sowie acht Prozent an Cadmiumtelluridmodulen und drei Prozent an Dünnsichtsolarzellen des Typs CIGS, dessen Absorber aus Kupfer, Indium Gallium und Selen besteht. Das Aufbereitungskonzept Die gemeinsame Aufbereitung verschiedenartiger Modultypen benötigt ein spezifisches Vorgehen. So steht etwa bei kristallinen Siliziummodulen der Aufschluss von Kunststoff und Glas im Vordergrund, während bei Dünnschichtmodulen Halbleiterschichten vom Glas gelöst werden müssen. Für die Anwendbarkeit aller anfallenden Modultypen wurden im Rahmen des Projektes unterschiedliche Demontage und Zerkleinerungsverfahren untersucht. Dadurch ließen sich Beanspruchungsarten ausmachen, die eine gemeinsame Aufbereitung ermöglichen. Mit gleicher Vorgehensweise wurden Separationsverfahren mit unterschiedlichen Trennmerkmalen erprobt. Zur selektiven Rückgewinnung einzelner Wert- und Schadstoffe wurden Lösungsmittel, Fällungsreaktionen und elektrolytische Ansätze auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht. Entschichtung durch Abrasion Auf Basis der Versuchsergebnisse wurde ein Verfahrenskonzept im technischen Maßstab erarbeitet und überprüft. Über eine manuelle Demontage werden die Aluminiumrahmen und Anschlussdosen entfernt. Im Anschluss werden die Module durch eine Vor- und Nachzerkleinerung aufgeschlossen. Die Entschichtung der Halbleiterschichten erfolgt mittels Abrasion in einem Schwingturm. Dadurch werden die wert- und schadstoffhaltige Schichten der zerkleinerten Stücke gegenseitig voneinander abgerieben und können als pulverförmige Fraktion abgeschieden werden. Über Windsichten, Siebungen und eine elek- 26 UmweltMagazin Juli - August 2019

Abfall, Recycling und Kreislauf Special Bilder: iuta Ein Photovoltaikmodul wurde vorzerkleinert. Dünnschichten auf Glas - vor und nach der Behandlung im Schwingturm. Entsorgte Module unterschiedlicher Bauart. trostatische Separation werden Kunststoffe, Glas und leitfähige Materialien von der pulverförmigen Halbleiterschicht getrennt. Das Verfahrenskonzept ist bis zu diesen Schritten komplett trockenmechanisch ausgelegt. Dadurch können Aluminium, Kabel und Glas zurückgewonnen und stofflich verwertet werden. Weiterhin lassen sich die vorkommenden Polymere abscheiden und energetisch verwerten. Eine chemische Behandlung ist nur für einen geringen Massenanteil der Ausgangfraktionen notwendig. Weiterhin werden keine energieintensiven Pyrolyseverfahren angewandt, die für den thermischen Aufschluss des Kunststoffes beim Recycling von Photovoltaikmodulen gängig sind. Die chemische Behandlung einzelner volumenreduzierter Ausgangsfraktionen ermöglicht die Rückgewinnung von Halbleiter-Silizium, Kupfer und Silber und gleichzeitig die Abscheidung von Schadstoffen, wie Blei, Cadmiumtellurid und Selen. Somit wird eine wirtschaftliche Rückgewinnung der Fraktionen aus einem gemischten Materialstrom ermöglicht. Lohnend & ökologisch vorteilhaft Durch die gemeinsame Behandlung entfallen Kosten, die mit einer Vorsortierung der ausgedienten Module entstehen würden. Darüber hinaus wirkt sich eine einzelne Aufbereitungsanlage im Vergleich zu mehreren Anlagen aufgrund von geringeren Investitionskosten und Abschreibungen wirtschaftlich positiv aus. Die Rentabilität wurde mit durchgeführten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bestätigt. Dazu wurden Betriebs- und Personalkosten, Marktwerte von Stoffen und Chemikalien und Entsorgungskosten für schadstoffhaltige Fraktionen miteinbezogen. Wesentliche Faktoren für eine positive Bilanz sind der geringe Chemikalienbedarf und die Rückgewinnung von Silber, Kupfer, Aluminium und Glas. Auch aus ökologischer Sicht ist in Hinblick auf die CO 2 -Bilanz eine gemeinsame Aufbereitung mehreren Einzelanlagen vorzuziehen. Grund dafür ist, dass nur eine einzige Anlage installiert und betrieben werden muss. Weiterhin wird eine Schadstoffverschleppung über sämtliche Ausgangsfraktionen durch die erarbeiteten Verfahrensschritte unterbunden. Entwicklungsbedarf Die in einigen Dünnschichtmodulen verwendeten Halbleiter Indium und Gallium liegen aktuell nach chemischen Analysen im gemischten Entsorgungsstrom vernachlässigbar gering vor. Dadurch ist aus wirtschaftlicher Sicht eine selektive Rückgewinnung dieser Metalle nicht möglich. In zukünftigen Forschungsvorhaben sollte aufgrund des ansteigenden Anteils ^dieser Module die Rückgewinnung der kritischen Elemente Indium und Gallium weiterhin im Fokus stehen. Darüber hinaus ist eine Wiederverwertung des angereicherten Halbleitersiliziums für die Produktion neuer Photovoltaikmodule zu untersuchen. In einem nächsten Schritt ist eine großtechnische Umsetzung des Verfahrens geplant. Iris Ann Lohmann, Enviprotect Kühl- und Elektrogeräterecycling GmbH, Tobias Scholz & Jochen Schiemann, Institut für Energieund Umwelttechnik e.V., j.schiemann@iuta.de

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