Rohstoff- und Treibhausgaseinsparungen durch Recycling von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Photovoltaikmodulen

Masterarbeit von Miriam Gunkel

Zuletzt aktualisiert am 17.08.2021

Im Zuge der Energiewende hat der Ausbau von Photovoltaikenergie zur Reduktion von Treibhausgas (THG)-Emissionen stark zugenommen. Die sogenannten Dünnschicht-Photovoltaikmodule stellen dabei eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende dar. In den zu dieser Gruppe zugehörigen Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)-Modulen sind die Metalle Indium (In) und Gallium (Ga) relevant, welche unter anderem aufgrund ihrer Relevanz für Zukunftstechnologien und einer starken Länderkonzentration als kritisch einzustufen sind. Zudem sind Dünnschichtmodule ein komplexer Schichtverbund aus Mikrometer dicken Funktionsschichten und Millimeter dicken Glasscheiben als Substrat und Frontschutz, was eine Herausforderung für das Recycling einzelner Materialfraktionen darstellt. Vorteilhaft an den CIGS-Modulen sind die kostengünstige Produktion und die stabilen Erträge auch bei hohen Temperaturen, weshalb zukünftig mit einem Anstieg des aktuellen Marktanteils gerechnet wird.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde eine Methodik zur Identifikation von kritischen Rohstoff- und Treibhausgaseinsparungen durch Recycling von CIGS-PV-Modulen entwickelt und angewandt. Zur Ermittlung der Einsparpotenziale wurden zunächst der aktuelle Umgang mit Abfällen im CIGS-Lebenszyklus und ein herbeizuführender geschlossener Verwertungskreiskauf von Produktionsabfällen und Altmodulen in zwei Szenarien abgebildet. Mittels produktbezogener Stoffstromanalyse und ökobilanzieller Bewertung wurden zunächst die primären In- und Ga- Mengen sowie die THG-Emissionen im aktuellen Lebenszyklus von CIGS-PV-Modulen bestimmt. Anschließend wurden geeignete Recyclingverfahren für Dünnschichtmodule anhand einer Literaturrecherche und Expertenbefragungen identifiziert und bewertet. Recyclingquoten und Emissionsdaten des Recyclingprozesses wurden in die Stoffstromanalyse und die ökobilanzielle Bewertung zur Ermittlung der erzielbaren Einsparungen durch Recycling eingebunden. Zur Ermittlung deutschlandweiter Einsparpotenziale wurden die Ergebnisse beider Szenarien abschließend mit dem PV-Anlagenzubau und -rückbau in Deutschland verknüpft.

Der In- und Ga-Bedarf wird durch die herstellerabhängige CIGS-Schichtzusammensetzung und den Produktionsausschuss, der vom angewandten Schichtauftragsverfahren abhängt, bestimmt. Die unterschiedlichen Schichtzusammensetzungen und Ausschussraten wurden mithilfe von drei Bedarfsvarianten abgebildet. Im Verhältnis zu anderen Modulbestandteilen, wie zum Beispiel Glas, werden sehr geringe In- und Ga-Mengen benötigt (97 g bzw. 56 g je 3 kWp-Modul mit einer Moduleffizienz von 14 %). Die Verluste in der Produktion betragen 40 % in der mittleren Bedarfsvariante. Am Lebensende können In und Ga aufgrund des gemeinsamen Recyclings mit kristallinen Modulen nicht zurückgewonnen werden. Eine steigende Moduleffizienz trägt zur Verringerung des spezifischen Bedarfs bei, da für den gleichen Ertrag weniger Modulfläche erforderlich ist.

CIGS-Module weisen im aktuellen Lebenszyklus THG-Emissionen in Höhe von 27 g CO2‑Äq. pro kWh auf. Mit 45 % verursachen die verwendeten Materialien für CIGS-Module den größten Beitrag. Dabei machen die Front- und Rückscheibe sowie der Aluminiumrahmen den größten Anteil aus, wohingegen die CIGS-Materialien nur zu 1 % der THG-Emissionen beitragen. Einen bedeutenden Anteil an den Emissionen hat zudem der Energiebedarf für die Produktion. Der Strommix kann folglich erheblich zur Verminderung des THG-Emissionen beitragen.

Das Recycling von Dünnschichtmodulen ist grundsätzlich technisch realisierbar, wie die Entwicklung verschiedener Recyclingverfahren mit unterschiedlichen Ansätzen zur Auftrennung der Module gezeigt hat. Die Recyclingverfahren zielen auf die Rückgewinnung von Glas und wertvollen Metallen ab, um die Materialausbeute durch die Rückgewinnung von zwei Materialfraktionen zu erhöhen. Besonders vorteilhaft für das CIGS-Recycling ist ein optisches Recyclingverfahren, welches im Labormaßstab betrieben wird. Bei diesem wird der Schichtverbund mittels Laser bzw. Blitzlicht gelöst. Allerdings ist das Recycling aufgrund geringer Abfallmengen und niedriger Rohstoffpreise aktuell unwirtschaftlich, weshalb keine CIGS-Recyclinganlage in Deutschland kommerziell betrieben wird.

Einsparungen durch Recycling von Indium (In) und Gallium (Ga) pro 3 kWp CIGS-Modul

Abbildung: Einsparungen durch Recycling von Indium (In) und Gallium (Ga) pro 3 kWp CIGS-Modul

In und Ga kann sowohl aus Produktionsabfällen als auch aus Altmodulen zurückgewonnen werden, weshalb sich die Einsparungen aus den Recyclingquoten der jeweiligen Materialströme ergeben. Die Metalle können aus Produktionsabfällen einfacher zurückgewonnen werden, weshalb hier eine höhere Recyclingquote erzielt wird als beim Recycling aus Altmodulen. Zudem ist die Recyclingquote von In technisch bedingt niedriger als von Ga. Insgesamt können 85 % primäres In und 87 % primäres Ga in der mittleren Bedarfsvariante eingespart werden (vgl. Abbildung 1).

Die Einsparungen von THG-Emissionen fällt im Verhältnis zu den Rohstoffeinsparungen mit 7 % gering aus. Diese sind größten Teils auf das Glasrecycling zurückzuführen, da Glas im Vergleich zu In und Ga einen signifikant höheren Anteil an den Emissionen hat. Aufgrund fehlender Emissionsdaten für das CIGS-Recyclingverfahren wurden die Emissionsdaten eines mechanischen Recyclingverfahrens für Cadmium-Tellurid-Module herangezogen, was aufgrund der gleichen Modulbauweise möglich ist. Die genauen Auswirkungen des optischen Verfahrens hingegen konnten nicht ermittelt werden.

In Deutschland können für den Zeitraum bis 2050 ebenfalls bedeutende Rohstoffeinsparungen von 40 % erzielt werden, weshalb Recycling ein geeignetes Instrument zu Reduktion von Rohstoffabhängigkeiten darstellt. Die THG-Einsparungen hingegen fallen mit 1 % kaum ins Gewicht.

 

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