Wolfgang Schröder - Photovoltaik & Batteriespeicher

Momentan fallen zwar noch keine nennenswerten Mengen an ausgedienten PV-Modulen und Solarzellen an, das wird sich in den kommenden Jahren aber unweigerlich ändern. Die zu erwartende Abfallmenge an PV-Modulen wird unterschiedlich prognostiziert. Man spricht davon, dass bis zum Jahr 2030 in der EU etwa 130 000 t ausgedienter Module erwartet werden. Das exponentielle Wachstum in der Produktion und Installation von Modulen spiegelt sich nach etwa 20 Jahren als die Abfallmenge wider, die „verarbeitet“ werden muss, wobei freilich nicht damit zu rechnen ist, dass alle PV-Anlagen nach 20 Jahren Nutzungsdauer wieder abgebaut werden. Im Jahr 2010 sollten demnach etwa 5 000 Tonnen an PV-Modulen aus dem Jahr 1990 als Abfall eingegangen sein. Eine Prognose für den PV-Abfall durch eine Studie des Instituts für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) und des Instituts für Photovoltaik (ipv) aus dem Jahr 2012 kam auf eine weltweiten Abfallmenge von 4 000 Tonnen pro Jahr. Die Recyclingorganisation PV-Cycle hat im Jahr 2010 dagegen nur etwa 1 400 Tonnen eingesammelt.

Als Reaktion auf die insgesamt unbefriedigende Entwicklung fallen seit dem 24. Januar 2012 auch Solarmodule unter eine Novellierung der Elektroschrott-Richtlinie. Für die PV-Branche sieht die Novelle vor, dass 85 Prozent aller verkauften Solarmodule gesammelt und zu 80 Prozent in die Wiederverwertung gebracht werden müssen.

Bis 2014 waren alle 27 EU-Mitgliedsländer verpflichtet, die Verordnung in nationales Recht umzusetzen. Dadurch hat man die Hersteller in die Pflicht genommen, Strukturen für die Wiederverwertung bereitzustellen. Die Trennung der Module von anderen Elektrogeräten wird dabei bevorzugt. Bereits existierende Sammel- und Recyclingstrukturen sollen zudem ausgebaut werden.

In Deutschland wird die Rücknahme aktuell über das Elektro- und Elektronikgerätegesetz (ElektroG) geregelt, der deutschen Umsetzung der europäischen WEEE-Richtlinie (WEEE = Waste of Electrical and Electronic Equipment). Die Hersteller und Inverkehrbringer von Solarmodulen müssen sich registrieren und dafür sorgen, dass die von ihnen verkauften Photovoltaikmodule zurückgenommen und ordnungsgemäß entsorgt werden. Das ist bei Solaranlagen nicht anders als bei Staubsaugern und Fernsehern.

Der Branchenverband BSW-Solar hat Ende Oktober 2019 ein Merkblatt zum sicheren Umgang mit PV-Altmodulen veröffentlicht, das sich an Installateure und Betreiber von PV-Anlagen richtet.

Durch die breite Palette an Solarzellen und -modulen erhöht sich der Anpassungsaufwand an die jeweils eingesetzte Recyclingtechnologie. Bisher existieren großtechnische Recyclingverfahren nur für Module aus kristallinem Silizium und aus Cadmiumtellurid. Verfahren für Module mit anderen Halbleitertechniken befinden sich erst in der Entwicklungsphase. Neben dem Verfahren der Deutsche Solar AG, bei dem die schadhaften und ausgedienten Module über thermische und chemische Prozesse entweder als Ganzes oder als Bruchstücke der Solarzellen aufbereitet werden, bietet beispielsweise die Firma First Solar für ihre Cadmium/Tellurit-Module ein technisch anderes Verfahren an, bei dem die Module mechanisch zerkleinert und anschließend über weitere chemische und maschinelle Prozesse in ihre Bestandteile zerlegt, separiert und die Halbleiterrohstoffe letztlich zurückgewonnen werden. Der energieintensiv hergestellte Teil der Solarzellen (Silizium) kann vier- bis fünfmal wiederverwertet werden.

Recycling von Solarmodulen

Quelle: „Recycling von Solarmodulen – Potenzial und Anspruch eines zukünftigen Stoffstroms“, PV-Cycle-Studie 2007

Die Gewinnung von Lithium in Südamerika geht sehr zulasten der Umwelt.

Der Energieverbrauch für die Herstellung von Solarzellen aus Recyclingmaterialien benötigt weniger als ein Drittel der Energie, die für die Herstellung von Solarzellen aus Primärmaterialien beansprucht wird – aus ökologischer Sicht sind lediglich die verwendeten Ätzlösungen zu bemängeln, da diese teilweise toxisch und somit bei unsachgemäßer Handhabung eine Gefahr für die Umwelt darstellen können. Die Einsparung an Energie und damit auch die Reduktion von Emissionen machen das Recycling umwelttechnisch gesehen sinnvoll. Somit ergibt die Energiebilanz für Herstellung beziehungsweise Recycling von PV-Modulen ganz eindeutige Vorteile für das Recycling.

Immer mehr Photovoltaikanlagen werden mit Batteriespeicher betrieben. Bei Batteriespeichern, zum Beispiel mit der Lithium-Ionen-Technologie, ist die Umweltbilanz im Verhältnis zur reinen Photovoltaik differenzierter zu betrachten. Die meisten Studien befassen sich hierzu mit der Elektromobilität, welche sich nochmals vom Betrieb von PV-Anlagen unterscheidet.

Lithium-Ionen-Akkus haben sich schon seit langer Zeit zum Branchenstandard entwickelt. Vor der größeren Markteinführung von Stromspeichern in Verbindung mit einer Solaranlage oder auch der Elektromobilität waren diese bereits in vielen elektronischen Geräten wie Smartphones und Laptops im Einsatz.

Ähnlich wie bei der Photovoltaik ergeben sich unterschiedliche Perspektiven angefangen von der Herstellung über den Betrieb bis hin zur Entsorgung. Dabei dürfte der reine Betrieb eines Stromspeichers ökologisch kaum negative Tendenzen aufweisen, insbesondere wenn er mit regenerativem Strom betrieben wird, was in der Elektromobilität heute noch nicht zu 100 Prozent geschieht. Ansonsten spielen hinsichtlich der Öko-Bilanz drei Faktoren eine wichtige Rolle:

1die Umwelteinflüsse durch Rohstoffabbau, Produktion und Transport

2die dafür aufgewendete Energie

3das Recycling

Für die Herstellung von Solarstromspeichern sind spezielle Rohstoffe erforderlich, die in Deutschland nicht vorkommen und teilweise generell selten in der übrigen Welt vorhanden sind.

Lithium ist ein auf der Erde zwar häufig zu findendes Leichtmetall, allerdings kommt es nur in geringen Konzentrationen vor. Das Lithium für die Stromspeicher wird vorrangig in Chile, Bolivien, China und Argentinien abgebaut, wo bereits die ersten Probleme entstehen.

Zur Lithiumgewinnung wird salzhaltiges Grundwasser an die Oberfläche gepumpt und über eine Kette von Verdunstungsteichen geleitet, in denen über mehrere Monate ein Verdunstungsprozess an der Sonne stattfindet. Hat das Lithiumchlorid in den Teichen die nötige Konzentration erreicht, wird die Lösung in eine Aufbereitungsanlage gepumpt, wo unerwünschtes Bor und Magnesium extrahiert und ausgefiltert werden, um anschließend mit Natriumcarbonat behandelt zu werden. Das dabei ausgefällte Lithiumcarbonat wird gefiltert und getrocknet. Überschüssige Restsole wird in den Salzsee zurückgepumpt. Gerade in trockenen Gegenden wie Chile wird durch die Grundwasserverwendung das Austrocknen der Landschaft gefördert.

Kobalt wird überwiegend aus Kupfer- und Nickelerzen gewonnen. Die genaue Gewinnungsart ist von der Zusammensetzung des Ausgangserzes abhängig und bisweilen sehr aufwendig.

Der größte Teil des Kobalts wird durch Reduktion der Nebenprodukte in der Gewinnung des Nickel- und Kupferabbaus und der Schmelze gewonnen. Daher hängt die Kobaltversorgung in hohem Maße vom Kupfer- und Nickelabbau in einem bestimmten Markt ab. Es gibt verschiedene Methoden, um Kobalt von Kupfer und Nickel zu trennen, abhängig von der Höhe der Kobaltkonzentration und der genauen Zusammensetzung des verwendeten Erzes. Kobalt kann unter anderem aus der Kupferschmelze ausgelaugt werden. Dementsprechend ergeben sich neben hohem chemischen und energetischen Einsatz auch ein hoher Einsatz von Wasser und entsprechenden Abwässern zur Gewinnung.