Kreislaufwirtschaft in der Photovoltaik: Prototyp eines Bio-Solarmoduls

04.09.2024 – Der ökologische Fußabdruck bei der Stromgewinnung aus Photovoltaik ist im Vergleich zu fossilen Energiequellen geringer. Solaranlagen produzieren im Betrieb keine schädlichen Emissionen, doch betrachtet man den gesamten Lebenszyklus von der Rohstoffgewinnung über die Produktion bis hin zur Nutzung und Entsorgung, kann noch einiges nachhaltiger werden.

Status Quo in der Solarmodul-Produktion

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 im industriellen Maßstab wirtschaftlich funktionierendes Recyclingkonzept gibt. Einige Verfahren sind in der Entwicklung, aber noch nicht in der Breite ausgerollt.

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.

Forschungsprojekt setzt nachhaltige Rohstoffe ein

Genau an diesem Punkt setzt das Forschungsprojekt E² – E-Quadrat an. Ein Team von 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.

Das 380 Watt-Solarmodul, das als Bio-Modul-Prototyp im Projekt entwickelt wurde, zeichnet sich durch drei Besonderheiten aus. Der Rahmen des Moduls besteht zum Teil aus Holz. Er kann nach der Lebensdauer des Moduls komplett recycelt und wieder in die Modulproduktion eingeschleust werden.

Die Zellverbindungen des Moduls wurden nicht, wie sonst meist üblich, 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.

Rückseitenfolie aus biobasiertem Ehtylen

Die Rückseitenfolie des Bio-Moduls besteht zu 30 Prozent aus recyceltem Polyethylenterephthalat (PET). Die Ethylenvinylacetat-Folie (EVA-Folie), die 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, allerdings auch so fest mit den Zellen verbunden lässt, dass die Trennung im Recycling ein Problem darstellt. Die Verwendung von biobasiertem Ethylen stellt den wohl bedeutsamsten Fortschritt dar, denn für Rückseitenfolien im Gigawattmaßstab kommen derzeit enorme Mengen fossil erzeugter Kunststoffe zum Einsatz.

Folienkonzept auch auf andere Anwendungen übertragbar

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 aktuellen 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. pf