ReSolar

Das Problem

Die Stromerzeugung mittels Photovoltaik leistet einen wertvollen Beitrag für eine nachhaltige Energieversorgung und die Reduktion von CO₂-Emissionen. Die Herstellung von Photovoltaik-Modulen basiert jedoch auf begrenzt verfügbaren – teilweise sogar kritischen – Ressourcen und energieintensiven Fertigungsprozessen.

Ein Weg, Ressourcen- und Energieeinsatz zu verringern, wäre die Etablierung einer echten Kreislaufwirtschaft, in der ausgediente Module und Produktionsabfälle möglichst effizient wiederverwendet werden. Mit bisher verfügbaren Recyclingverfahren werden die Module allerdings größtenteils „downgecycelt“, wodurch enthaltene Wertstoffe für die Solarindustrie verloren gehen und damit verbundene Energieeinsparungspotenziale ungenutzt bleiben.

Aufgrund des enormen Rohstoffbedarfs für den geplanten Ausbau der Photovoltaik und des gleichzeitig rasant anwachsenden Abfallaufkommens (alleine für Deutschland bis zu 1 Mio. Tonnen ausgedienter PV-Module in 2030) werden somit intelligente, flexible und skalierbare Prozesslösungen benötigt, die eine geschlossene Kreislaufführung der wertvollen Materialien gewährleisten.

Die Lösung

Das Team von ReSolar hat einen innovativen Prozess entwickelt, in dem die Module nicht wie üblich geschreddert und »downgecycelt« beziehungsweise deponiert, sondern möglichst sortenrein in die einzelnen Materialfraktionen aufgetrennt werden. ReSolar zerlegt die PV-Module mittels Schockwellen. Die Materialverbunde werden damit gezielt und sauber an den Materialgrenzen aufgetrennt und können anschließend über Siebung in Glas-, Halbleiter/Metall- und Polymeranteile sortiert werden.

Das hochwertige eisenarme Solarglas kann so ohne zusätzlichen Eiseneintrag durch Mahlwerkzeuge oder störende Verunreinigungen durch Polymerrestanhaftungen wieder der Solarglasherstellung zugeführt werden. So wird eisenarmer Quarzsand für die Glasherstellung eingespart, der als natürliche Ressource nur begrenzt verfügbar ist. Gleichzeitig reduziert sich der Energieaufwand bei der Herstellung, da das Schmelzen der Quarzkristalle bei hohen Temperaturen entfällt.

Daneben generiert der Rückgewinnungsprozess ein Konzentrat aus Silber und Silizium, das physikalisch oder chemisch aufgetrennt werden kann. Die starke Aufkonzentration der Materialien erleichtert die Trennung und reduziert den Chemikalieneinsatz, was Prozessaufwand und insbesondere Prozessmittel reduziert. So kann beispielsweise das zurückgewonnene Silizium-Konzentrat bei der Produktion von Halbleitersilizium anstelle von metallurgischem Silizium eingesetzt werden, was einen energieintensiven Lichtbogenofenprozess einspart. Silizium ist für die EU als kritisches Material deklariert, weshalb die Schonung dieser Ressource besonders wichtig ist.

Das Verfahren wurde erfolgreich zum Patent angemeldet und das Patent wurde inzwischen erteilt. Die dazugehörige Schockwellen-Technologie wurde zu einem kontinuierlichen Prozess weiterentwickelt.

Das Projekt  

Das Projekt ReSolar hat die Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung, effizientes Recycling sowie die Schonung kritischer Ressourcen zum Ziel. Das Team entwickelt eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für die Solarindustrie, in der PV-Module nach ihrer Nutzung auf intelligente Weise in reine Materialfraktionen getrennt und effizient zu neuen Modulen recycelt werden können. Dies schont wichtige Ressourcen und ermöglicht die Einsparung von Energie und von CO₂-Emissionen bei den Fertigungsprozessen. Im Rahmen des Fraunhofer-Förderprogramms AHEAD wird eine Überführung in ein Start-up bewertet und vorbereitet. Dabei steht nicht die Maximierung der Erträge im Fokus, sondern die Generierung eines maximalen Nutzens für Klima, Umwelt und Gesellschaft. Die Wurzeln des Vorhabens liegen in den Arbeiten von Dr. Andreas Bittner sowie seinem Team am Fraunhofer ISC. Beteiligt ist auch der Anlagenbauer ImpulsTec und dessen CEO Stefan Eisert.  

Originalität/Innovation  

Das Herzstück des Projekts ist eine materialsensitive Auftrennung und Zerkleinerung der PV-Module in einem Schritt, wodurch vergleichsweise reine Materialfraktionen generiert und effizient für eine geschlossene Kreislaufführung aufbereitet werden können. Dies schont wertvolle Ressourcen und ermöglicht die Einsparung von Energie und Prozessmitteln bei der Produktion neuer PV-Module.

Alleinstellungsmerkmal  

Im Vergleich zu üblichen Recyclingprozessen müssen die wertvollen Funktionsmaterialien nicht »downgecycelt« werden, sondern können durch sortenreine Trennung einer hochwertigen Verwertung, wie der Herstellung neuer PV-Module, zugeführt werden. Im Vergleich zu alternativen neuen Ansätzen können nicht nur Si-basierte Module, sondern auch CdTe-Module recycelt werden. Zudem werden dabei keine hohen Temperaturen wie bei der thermischen Verbundtrennung und keine manuellen Demontageschritte wie bei dem Blitzlampen-Prozess benötigt.

Marktfähigkeit  

Der Schockwellen-Prozess selbst ist bereits hochskaliert und lässt sich noch weiter skalieren. Damit ist bereits ein wichtiger Schritt hin zum Markteintritt gemacht. Der Fokus liegt derzeit in der Optimierung der Materialreinheiten und der Bewertung der Verwertungsoptionen. Für die Aufbereitung der Materialfraktionen sind Partnerschaften mit entsprechenden Firmen oder auch die Etablierung eigener Prozessschritte zum Beispiel über Kooperationen mit Fraunhofer-Partnern denkbar.

Wirtschaftliche Verwertbarkeit  

Für das Jahr 2030 werden für Deutschland bis zu 1 Mio. Tonnen ausgedienter PV-Module erwartet. Durch kontinuierlichen Ausbau der installierten Photovoltaikleistung ist auch ein Anstieg ausgedienter Module zu erwarten, bis 2050, so eine Prognose der International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programme (IEA PVSP), könnte sich diese Zahl vervierfachen. Weltweit betrachtet könnte das Volumen von ausgemusterten PV-Modulen laut dieser Schätzung zwischen 60 und knapp 80 Millionen Tonnen liegen.

Im Hinblick auf steigende Energiepreise und weitere Restriktionen hinsichtlich der CO₂-Emissionen wie auch der als kritisch eingestuften Primärrohstoffe werden qualitativ hochwertige, effizient gewinnbare und mit geringerem Energieaufwand wieder für die Produktion einsetzbare Sekundärrohstoffe aus dem Recycling zukünftig erheblich an Bedeutung gewinnen. Das ist genau die Zielrichtung von ReSolar.

Eine intelligente, flexible und skalierbare Prozesslösung ist notwendig, die eine geschlossene Kreislaufführung der wertvollen Materialien gewährleistet. Durch das Fraunhofer-Förderprogramms AHEAD wird aktuell eine Überführung der Technologie in ein Start-up bewertet und vorbereitet.