Photovoltaik (PV) ist ein wesentlicher Bestandteil zur Erreichung der Energiewende in Deutschland, was sich in dem hohen Umfang der jährlich neu installierten PV-Leistung widerspiegelt. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer ist diese Entwicklung mit einem entsprechend hohen PV-Abfallaufkommen in der Zukunft verbunden. Um hierfür ein effektives Recyclingsystem aufzubauen, sind Informationen über die zeitliche Verteilung, den Umfang und die Materialzusammensetzung des Abfallaufkommens nötig. Mit Hilfe einer Materialflussanalyse in Verbindung mit einer Lebensdauerberechnung werden diese Informationen für Deutschland in dem Zeitraum zwischen 2000 und 2050 ermittelt. Ebenso relevant für die Verwertung der PV-Module sind die vorhandenen Recyclingtechnologien und deren technische Reifegrade, welche mittels der Technology Readiness Level Methodik bestimmt werden.

Textprobe: Kapitel 2.2.2, Erhalt wertvoller und seltener Rohstoffe: Bei allen PV-Modultypen machen die Trägerschichten aus Glas oder Eisen, die Frontglasschicht und der Aluminiumrahmen, sofern Bestandteil des Moduls, den größten Massenanteil aus und stellen somit auch einen signifikanten Materialwert dar. Goe und Gasutad (2014) gehen hier von einem Anteil von ca. 40% - 60% des Primärmaterialwertes je nach Modultyp aus. Zudem sind für diese Materialien bereits ausgereifte Recyclingtechnologien vorhanden, sodass die Verwertung dieser Komponenten besonders sinnvoll ist. Aber auch die quantitativ weitaus geringer vertretenen Rohstoffe können einen ökonomisch signifikanten Wert besitzen. Diese Rohstoffe gilt es aufgrund ihres limitierten Vorkommens in der Erdkruste zu erhalten, um das Wachstum der auf diese Rohstoffe angewiesenen PV-Branche nicht zu gefährden und weiteren Preisanstiegen entgegenzuwirken. Bei c-Si-Solarzellen stellen die Wafer, Kupfer und Silber wertvolle Rohstoffe dar. Zwar ist Silizium als zweithäufigstes Element der Erdkruste in keiner Weise ein seltener Rohstoffe, jedoch ist die Herstellung von hochreinem Silizium (99,999% Reinheit) mittels Siemensverfahren sehr energieintensiv (115 kWh/kg solar grade Silizium) und somit für 75% des Energiebedarfs der gesamten Modulherstellung verantwortlich (Zuser und Rechberger, 2011 Fu et al., 2014 Goe und Gaustad, 2014). Zudem müsste laut Zuser und Rechberger (2011) die Produktion von Solarsilizium in den nächsten 30 Jahren um das 10-15 fache gesteigert werden, um den Bedarf für PV-Module zu decken. Die Wiederverwendung des hochreinen Siliziums kann also dazu beitragen das Wachstum der PV-Branche zu unterstützen und die Kosten bei der Produktion zu senken. So kann im Jahr 2040 der kumulierte Siliziumbedarf durch Recycling um bis zu 21% gesenkt werden (Zuser und Rechberger, 2011). Neben Silizium stellt vor allem Silber als Bestandteil der Kontakte in kristallinen, aber auch teilweise in amorphen Siliziumsolarzellen eine wertvolle Ressource dar und ist ein wesentlicher Kostentreiber bei der Zellproduktion (Grandell und Thorenz, 2014). Recycling von Silber ist neben dem ökonomischen Nutzen auch notwendig, um Engpässe in der Versorgung zu verhindern. So überstieg der Silberbedarf die Produktion im letzten Jahrzehnt um 20%-30% und konnte nur durch Recycling gedeckt werden (ebd.). In Dünnschichtsolarzellen sind es vor allem Indium, Gallium, Germanium und Tellur die es aufgrund ihrer begrenzten Verfügbarkeit im Kreislauf zu erhalten gilt. Vor allem die langfristige Tellurversorgung für CdTe-Solarzellen ist als kritisch zu betrachten. Da Tellur ein Beiprodukt der Kupferraffination ist, ist die Deckung der Nachfrage stark von der Kupferproduktion abhängig und unterlag in den letzten Jahren starken Preisschwankungen (Fthenakis, 2009). Zuser und Rechberger (2011) prognostizieren eine zukünftige Nachfragesteigerung, die die aktuelle Produktion um den Faktor 30 bis 180 übersteigt und somit entscheidend die Wachstumschancen von CdTe-Modulherstellern beeinflusst. Für CI(G)S- und a-Si Solarmodule kann die zukünftige Versorgung von Indium und bzw. bei CI(G)S-Modulen zudem Gallium zu einem limitierenden Faktor bei der Produktion werden (Zuser und Rechberger, 2011). Beide Rohstoffe sind Nebenprodukte der Zinkherstellung, wodurch die Versorgung stark von der Zinkproduktion abhängig ist (Fthenakis, 2009). Zudem stellt das bei a-Si Zellen eingesetzte Germanium, einen besonderen Kostentreiber dieser Technologie dar. So stieg der Preis dieses Metalls bis Anfang 2015 auf über 2000 €/kg (London Metal Exchange , 2015). Eine Ausweitung der Indium-, Gallium- und Tellurproduktion ist für die Raffinerien wenig attraktiv, da der Markt für diese Nebenprodukte relativ klein ist und mehr Aufwand bei der Extraktion erfordern würde (Moss et al., 2013). Zudem stehen PV-Produzenten bei der Beschaffung von Indium mit der LCD-Industrie in Konkurrenz, die zur Zeit für 65% des Indiumbedarfs verantwortlich ist und in der Regel durch höhere Profitmargen Preisanstiege besser kompensieren kann (Fthenakis, 2009 Zuser und Rechberger, 2011). Sowohl für Tellur als auch für Indium und Gallium schätzen Moss et al. (2013) das Risiko von Versorgungsengpässen als hoch ein, wobei politische und marktbezogene Risiken analysiert wurden. 2.2.3, Verringerung von Umweltwirkungen: Durch die Produktion von PV-Modulen werden der Umwelt zwangsläufig durch Ressourcenentnahme und Treibhausgasemissionen Schäden zugefügt. Mit Hilfe der Substitution durch Sekundärmaterialien können diese Eingriffe in die Umwelt verringert werden. Ein Maß zur Bewertung der Umweltauswirkungen von PV-Modulen stellt die Energy Payback Time (EPBT) dar. Die EPBT gibt an, wie lange ein PV-Modul eingesetzt werden muss, damit der energetische Herstellungsaufwand egalisiert wird (Schlemm, 2009). Sie ist somit eine Art energetische Amortisationskennziffer. Die EPBT von CdTe, CI(G)S, a-Si und c-Si Modulen beträgt ohne Recycling 0,8 Jahre, 1,0 Jahre, 1,5 Jahre und 1,3 Jahre (Goe und Gaustad, 2014). Durch Recycling mit für Siedlungsabfälle in den USA gewöhnlichen Recyclingraten (z.B. 36% für Aluminium) können die Werte für CdTe, CI(G)S und c-Si Module um 0.2 Jahre und um 0.5 Jahre für a-Si Module verringert werden (ebd.). Durch eine weitere Steigerung der Recyclingraten kann die EPBT für CdTe und CIGS Module sogar um bis zu 0,5 bzw. 0,7 Jahre und um bis zu 1,1 Jahre für a-Si und c-Si gesenkt werden (ebd.). Bei dieser Modellierung wurde zudem festgestellt, dass das Energieeinsparungspotential für Module mit geringen Wirkungsgraden besonders hoch ist. Es ist anzumerken, dass bei diesen Berechnungen von einer solare Einstrahlung von 1700 kw/h/m² pro Jahr ausgegangen wurde, was den Gegebenheiten in Spanien oder dem Südwesten der USA, nicht jedoch denen in Deutschland entspricht. Neben der EPBT dient die Analyse der Treibhausgasemissionen der Bewertung von Umwelteingriffen durch die Produktion und Nutzung von PV-Modulen. So werden z.B. bei der Produktion von c-Si Solarzellen 260 kg CO2-eq/m2 ausgestoßen, wobei die Produktion des Solar Grade Siliziums der Haupttreiber ist (Bekkelund, 2013). Jedoch hängt das Ausmaß des Global Warming Potential (GWP) bei der Solarzellenproduktion stark vom eingesetzten Energieträger und somit i.d.R. vom Produktionsstandort ab. So werden bei der Produktion in China ca. 70% mehr Treibhausgase ausgestoßen als in Europa (Jungbluth et al., 2008). Verrechnet man die bei der Produktion, Installation und Nutzung (z.B. Wartung) ausgestoßenen Treibhausgase mit der über den Lebenszyklus durch das PV-Modul Energie bereitgestellte Energie erhält man z.B. für c-Si Module 18.0 bis 72.4 gCO2-eq/kWh (Bakhiyi et al., 2014). Die äquivalenten Werte für Photovoltaikmodule der zweiten Generation bewegen sich in einem ähnlichen Bereich und können ebenso wie bei c-Si Photovoltaikmodulen durch Recycling gesenkt werden. Laut Berechnungen von Menikpura et al. (2014) können durch das Recycling aller Arten von Elektronikabfall Treibhausgasemissionen in signifikanten Umfang reduziert werden. So werden z.B. durch die Wiederverwendung von Aluminium aus einer Waschmaschine 9,33 kg CO2-eq/kg vermieden (ebd.). Weiterhin wird durch das Recycling von Photovoltaikmodulen der Ressourcenabbau z.B. ausgedrückt im Metal Depletion Potential (MDP) reduziert, da Metalle wie Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Indium etc. im Kreislauf erhalten werden. Ähnlich verhält es sich mit dem terrestrischen Ökotoxizitätspotential (TETP), dem marinen Ökotoxizitätspotential (METP) und dem Humantoxizitätspotential (HTP) (Bekkelund, 2013). Durch sachgerechte Recyclingvorgänge kann sichergestellt werden, dass in PV-Modulen enthaltene toxische Stoffe nicht in die Umwelt gelangen und das Ökosystem bzw. die menschliche Gesundheit schädigen. Besonders ist hierbei Cadmium hervorzuheben, welches z.B. bei der Herstellung der n-leitenden Schicht und der TCO-Schicht bei CI(G)S-Solarzellen in Form von Cadmiumsulfid zum Einsatz kommt. Da Cadmium umweltschädlich und kanzerogen ist, wird derzeit an Alternativen geforscht, welche sich jedoch noch negativ auf die Wirkungsgrade auswirken (Mertens, 2011 Behrendt et al., 2010). Vor allem ist Cadmium Bestandteil von CdTe-Modulen und wird dabei mittels Koverdampfung aufgetragen. Da sich dabei Rückstände in der Verdampfungskammer bilden, sind bei der Reinigung dieser besonders hohe Anforderungen an Umwelt- und Arbeitsschutz nötig (Behrendt et al., 2010). Laut Zayed und Philippe (2009) ist Cadmium in Verbindung mit Tellur weniger toxisch als Cadmium selbst. Durch die Einkapselung im Produktionsprozess ist CdTe in PV-Modulen als ungefährlich einzustufen, da sogar im Falle eines Feuerschadens das CdTe in der geschmolzenen Glasmatrix eingeschlossen wird (Fthenakis et al., 2005). Jedoch stellt die unsachgerechte Entsorgung von CdTe-Modulen ein substantielles ökologisches Risiko dar (Marwede, 2013). Deshalb hat der CdTe-Modulhersteller First Solar schon frühzeitig Anstrengungen unternommen, um ein Rücknahme- und Verwertungssystem für diese Module aufzubauen. Weitere toxische Stoffe in Photovoltaikmodulen sind vor allem Selen in CI(G)S-Modulen und Blei, welches in Loten verwendet wird.

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Tim Stolle, M.Sc., wurde 1987 in Berlin geboren. Sein Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der Technischen Universität Berlin sowie an der Ramon-Llull-Universität in Barcelona schloss er im Jahr 2015 ab. Der Autor spezialisierte sich im Bereich des Energie- und Ressourcenmanagements. Besonderen Raum nahmen dabei Themen rund um den Einsatz erneuerbarer Energien sowie der Kreislauf- und Abfallwirtschaft ein. Während seiner Tätigkeit als studentischer Mitarbeiter wirkte Tim Stolle zudem an verschiedenen wissenschaftlichen Veröffentlichungen mit.