Solarmodule entsorgen End-of-Life Management von Solaranlagen und PV-Modulen: Kreislaufwirtschaft stärkt das Zukunftspotenzial der Photovoltaik

Photovoltaik – Kosten und Nutzen

Stromgewinnung durch Photovoltaik hat in den letzten zwei Jahrzehnten einen rasanten Aufschwung erfahren. Neben China, Japan, Indien und den USA gehört auch Deutschland zu den Spitzennutzern von Photovoltaik-Anlagen. Über eine Million davon sind allein 2023 hierzulande in Betrieb gegangen, am Ende dieses Jahres werden circa weitere 1,5 Millionen gefolgt sein. 12 Prozent des landesweiten Stromverbrauchs werden von Solarstrom gedeckt. Die Prognosen für die Folgejahre gehen von einer kontinuierlich steigenden Tendenz aus.

Ein Boom, der gute Gründe hat. 2022 konnte durch die Nutzung von PV-Anlagen in Deutschland das CO2-Aufkommen um 41,7 Millionen Tonnen reduziert werden. Doch zeigen PV-Anlagen neben ökologischen Nachhaltigkeitseffekten auch ganz konkrete wirtschaftliche Vorteile.

In Anbetracht steigender Energiepreise ist für Verbraucherinnen und Verbraucher eine möglichst autarke Stromversorgung mittels Solaranlagen zunehmend rentabel. Hinzu kommt, dass die Anlagen vom Bund mit Finanzzuschüssen und Gesetzesmaßnahmen gefördert werden. Erst in diesem Mai wurde, basierend auf den Vorgaben des EEG, das sogenannte Solarpaket 1 erlassen (Gesetz zur Änderung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes und weiterer energiewirtschaftsrechtlicher Vorschriften zur Steigerung des Ausbaus photovoltaischer Energieerzeugung). Darüber hinaus minimieren sich auch dank produktionstechnischer Fortschritte die Kostenspannen für den Erwerb und die Installation von PV-Anlagen. Die Preise für diese sind 2024 im Vergleich zum Vorjahr um 13 Prozent gesunken und bewegen sich zur Zeit zwischen 1000 und 1400 Euro pro kWp. Preise für Solarmodule sind um 40 Prozent gefallen, das entspricht 13 Cent pro Wp (Wp=Watt-Peak, bzw. kWp=Kilowatt-Peak, Einheit für die elektrische Leistung von Solarzellen).

Die Investition in Photovoltaik rechnet sich also sowohl im kommunalen, im gewerblichen wie auch im privaten Bereich. In letzteren fiel 2023 gut die Hälfte aller neu installierten Anlagen. 31 Prozent gingen auf Freiflächen in Betrieb (Solarparks), rund 18 Prozent auf Gewerbedächern.

Materialien und Wertstoffe in Solarmodulen

Die durchschnittliche Lebensdauer von PV-Anlagen wird bei 25 bis 30 Jahren veranschlagt. Eine Zeitspanne, die fraglos für die Robustheit der Technologie spricht. Doch selbst das stabilste Solarpanel hat irgendwann ausgedient. Zukunftsorientierte Recycling-Unternehmen haben deren kreislaufwirtschaftliche Weiterbehandlung und Verwertung deshalb schon mit Inkrafttreten des EEG (2000) in den Fokus genommen. Verfügen doch viele der in Solaranlagen verbauten Materialien über einen hohen Wiederverwendbarkeitsgrad. Das gilt vor allem für deren zentrale Bestandteile: Die Solarmodule respektive Solarpanels.

In diesen meist schwarzen, blauen oder grauen Platten wird die Vielzahl der enthaltenen einzelnen Zellen in einem Rahmen eingefasst und das auftreffende Sonnenlicht in Energie und Strom transformiert. Am häufigsten finden dabei monokristalline Solarmodule Verwendung. Die Module sind aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt:

• Silizium-Wafer (prozentualer Anteil: ca. 5-10 Prozent des Modulgewichts) sind das „Herzstück“ des Moduls. Das für ihre Herstellung verwendete monokristalline Silizium verfügt über einen hohen Reinheitsgrad. Entsprechend recycelt, kann es zur Herstellung neuer Solarmodule verwendet werden. Erforderlich für das Recycling ist eine akkurate Trennung des Siliziums vom EVA (Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, ein elastisches, flexibles Polymer)
• EVA (prozentualer Anteil: ca. 10 Prozent des Modulgewichts) gewährleistet in Form von Verkapselung/Versiegelung/Verklebung den Schutz der Zellen im Inneren des Moduls und ist somit eine der maßgeblichen Garantien für dessen lange Lebensdauer. Prinzipiell können recycelte EVA-Polymere bei der Herstellung von neuen Solarmodulen wiederverwendet werden. Allerdings ist hier das Recycling noch technologisch zu aufwändig, ergo unwirtschaftlich.
• Rückseitenfolien (prozentualer Anteil: ca. 3-5 Prozent des Modulgewichts) werden verwendet, um wiederum EVA und andere Materialien und letztlich die Zelle selbst vor Erosion durch Licht, Feuchtigkeit, Hitze oder Frost zu schützen. Gemeinhin bestehen diese Rückseitenschutzhüllen aus Aluminiumfolien, seltener aus Polymeren. Beide können zur Wiederverwendung recycelt werden; wobei anzumerken ist, dass Rückseiten aus Polymeren nur einen geringen Recyclingwert haben.
• Aluminiumrahmen (prozentualer Anteil: ca. 5-10 Prozent des Modulgewichts). Die Rahmen für Solarmodule bestehen in der Regel aus Aluminium und können somit nach dem Recycling einem Schmelzprozess unterzogen und dann zur Herstellung neuer Aluminiumprodukte verwendet werden. Der Recyclingwert von Aluminium ist hoch, der Schwierigkeitsgrad des Recyclingprozesses dank bereits ausgereifter Technologien gering.
• Glas (prozentualer Anteil: ca. 75-80 Prozent des Modulgewichts) gewährleistet die Aufnahme des Sonnenlichts, lenkt es auf die Zellen im Modul-Inneren und schützt diese außerdem vor äußeren physischen Schäden. Zu unterscheiden ist dabei zwischen Einfachglas- und Glas-Glas-Solarmodulen. Für erstere wird vollständig gehärtetes Glas verwendet, für Glas-Glas-Module kommt halbgehärtetes Glas zum Einsatz.
• Steckverbinder, Drähte (prozentualer Anteil: weniger als 1 Prozent) bilden die geringfügigste Materialkomponente in den Modulen, enthalten aber oft Kupfer und andere wertvolle Metalle.

Schadstoffanteile in PV-Modulen und die Parameter für ihre Entsorgung

Aufgrund der in ihnen enthaltenen Wertstoffe sind PV-Module für ein Recycling prädestiniert. Voraussetzung dafür ist die zielführende Entsorgungsstrategie für PV-Anlagen insgesamt (siehe dazu: Wohin mit ausgedienten Solarmodulen?).

Die Entsorgung speziell der PV-Module ist im Elektro- und Elektronikgerätegesetz (ElektroG) in § 3.13 geregelt. Im ElektroG sind PV-Module als Großgeräte definiert („elektrische Vorrichtungen zur Erzeugung von Strom aus solarer Strahlungsenergie“) und Rücknahmepflichten sowie Finanzierungsparameter festgeschrieben. Der Anteil der Verwertung (Sammelquote) muss mindestens 85 Prozent betragen, der Anteil der Vorbereitung zu Wiederverwendung ist bei mindestens 80 Prozent (Recyclingquote) fixiert.

Neben ihren Wertstoffen enthalten manche PV-Module auch Schadstoffe, wenn auch nur in geringer Menge. Als gefährliche Abfälle werden PV-Module nicht deklariert. Je nach Art der Zelle aber, sind einzelne ihrer Komponenten als gefährlich einzustufen (Anteile von Blei, Selen, Cadmium).

Es gibt drei verschiedene Modul-Varianten:

1. Module mit kristallinem Silizium (siehe oben)
2. Module mit Dünnschichtzellen (z. B. amorphes Silizium, Cadmiumtellurid, Kupfer, Indium, Galium)
3. PV-Module aus organischem Material; etwa organische Polymere und sogenannte „kleine Moleküle“ (Lipide, Sterol)

Für das Recycling heißt das:

• Siliziumbasierte und nicht-siliziumbasierte Module müssen voneinander getrennt behandelt werden.
• Bei siliziumbasierten Modulen darf die Glasfraktion einen Bleigehalt von 100 Milligramm je Kilogramm nicht überschreiten. Die Obergrenze für Selen und Cadmium ist bei 1 Milligramm pro Kilogramm festgelegt. In anderen Abfallfraktionen darf der Bleigehalt 200 Milligramm pro Kilogramm nicht überschreiten (Selen und Cadmium: 1 Milligramm je Kilogramm)
• Bei nicht-siliziumbasierten Modulen ist die Schadstoffgrenze bei einem Bleigehalt von 10 Milligramm je Kilogramm veranschlagt; bei Selen und Cadmium liegt die Obergrenze bei 1 Milligramm pro Kilogramm.
• Wenn der Bleigehalt von 10 Milligramm oder der Selen- und Cadmiumgehalt von 1 Milligramm pro Kilogramm nicht überschritten wird, dürfen unterschiedliche PV-Module auch gemeinsam behandelt werden.
• Aluminium/Cadmium/Tellurid-Anteile der Module sind getrennt voneinander zu recyceln.

Entsorgung haushaltsüblicher Mengen von PV-Modulen

Auf den meisten Wertstoffhöfen können PV-Module in „haushaltsübliche Mengen“ kostenlos abgegeben werden. Haushaltübliche Mengen umfassen hier laut Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA 31 A: „Umsetzung des Elektro- und Elektronikgerätegesetzes“) 20-50 Altmodule. Achtung: Nicht jeder Wertstoffhof nimmt alte Solarmodule an. Es macht also Sinn, sich im Vorfeld zu informieren, ob eine Abgabe am örtlichen Recyclinghof überhaupt und wenn ja, in welchem Umfang möglich ist; also wie viele Module konkret pro Haushalt abgegeben werden dürfen.

Nach EEG sind in der Regel Hersteller und Importeure der PV-Module auch für deren Sammlung und Entsorgung zuständig. Das heißt, Hersteller oder Installateure einer Solaranlage sind verpflichtet, diese nach ihrem Betriebsende vom Kunden kostenfrei zurückzunehmen und in den Recyclingkreislauf zu überführen. Auch der Handel (inklusive Online-Handel) muss alte Module zurücknehmen, wenn die Verkaufs- oder Lagerfläche vor Ort größer als 400 m2 ist.

Entsorgung größerer gewerblicher Mengen an PV-Modulen und Solarpanels: Kosten und Möglichkeiten

Wo Privatpersonen ihre PV-Module im oben angeführten Umfang kostenfrei bei Sammelstellen oder Wertstoffhof abgeben können, ist die gewerbliche Entsorgung nach § 19 ElektroG an Gebühren gekoppelt. Diese changieren zwischen 180 bis 210 Euro pro Tonne, was etwa 4 Euro pro Modul mit einem Gewicht von 20 Kilogramm entspricht. Werden für das Recycling wichtige Rohstoffe (z. B. Aluminiumrahmen oder Kupfer) mit eingerechnet, können sich die Gebührenbeträge verringern. Trotz der Tatsache, dass der Restwert eines Solarmoduls mit 10 bis 30 Euro veranschlagt wird, bleiben die Kosten gleichwohl vakant. Das liegt auch daran, dass (bisher) nur wenige Recyclingunternehmen technologisch dazu in der Lage sind, Solarmodule so zu behandeln, dass die besagten enthaltenen kostensenkenden Wertstoffe (inklusive Silizium, Indium, Tellur, Seltene Erden) generiert werden können.

Unternehmen, die auf Installation und De-Installation von PV-Anlagen spezialisiert sind, können alte Module auf kommunalen Wertstoffhöfen auch dann entsorgen, wenn sie aus gewerblich betriebenen PV-Anlagen stammen. Voraussetzung dafür ist aber, dass die handelsüblichen Mengen nicht überschritten werden und zudem ein Nachweis existiert, dass die Module aus der jeweiligen Kommune stammen. Ist dem nicht so oder stammen die PV-Module aus gewerblichen Kontexten wie etwa einem Solarpark und bringen entsprechende Größen- und Mengendimensionen mit sich, greifen wieder die Vorgaben § 19 ElektroG.

Wichtig: Gemäß § 19 Absatz 1 ist zwar jeder Modul-Hersteller zur kostenlosen Rücknahme verpflichtet, allerdings sind von dieser Rücknahmepflicht alle PV-Module ausgenommen, die vor dem 24. Oktober 2015 in Verkehr gebracht wurden. Alle älteren, also vor diesem Stichtag aktivierten Solarmodule, liegen in der Verantwortung des „entsorgungspflichtigen Letztbesitzers“, der folglich – eigenverantwortlich und kostentragend – aus die Entsorgung zu übernehmen hat.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass öffentlich-rechtliche Sammelstellen (Wertstoffhöfe) PV-Module nicht gegen Gebühr von gewerblichen Endnutzern annehmen dürfen. Für den Ab- oder Rückbau sowie den Transport und die Entsorgung von PV-Anlagen (oder ggf. ganzer Solarparks) ist die Beauftragung eines professionalisierten, also eines zertifizierten Entsorgungsunternehmen gesetzlich bindend.

PV-Cycle

Um das Ineinandergreifen der Abläufe bei Sammlung, Transport und Recycling größerer PV-Abfallmengen schlanker, effektiver und auch unbürokratischer zu gestalten, ist 2010 mit PV-Cycle ein branchenübergreifendes und europaweites Rücknahme- und Entsorgungsnetzwerk installiert worden. PV-Cycle ist eine Allianz von Solar-Unternehmen, Sammelstellen, Transporteuren und Recyclingprofis und bietet für alle Module der PV-Cycle-Mitglieder-Marken Container an zertifizierten Sammelstellen (bei Großhändlern, Installateuren, Herstellern usw.) oder im gegebenen Fall einen Abholservice. Nicht zuletzt sorgt PV-Cycle auch für eine absichernde Verknüpfung der komplexen gesetzlichen Richtlinien, die von ElektroG über VerpackG bis BattG für Industriebatterien mit der kreislaufwirtschaftlichen Handhabe von PV-Modulen verbunden sind.

Trennverfahren für PV-Module und PV-Panels

Für den Recyclingprozess existieren mit Blick auf die zwei Hauptkategorien (Module mit kristallinem Silizium, Module mit Dünnschichtzellen) unterschiedliche Trennverfahren. Für siliziumbasierte PV-Module umfasst dieses im Wesentlichen folgende Arbeitsschritte:

• Entfernung von Rahmen und Anschlusskasten
• Trennung der Aluminium- von den Glaskomponenten
• Trennung des Glases durch thermische, mechanische oder chemische Verfahren vom Siliziumwafer
• Reinigung des Silizium und der Metalle

Das Trennverfahren beim Dünnschichtplatten-Recycling umfasst wiederum folgende Arbeitsschritte:

• Schreddern der Panels (auf Partikel von 4-5mm)
• Flüssigkeitsabscheidung (Trennung fester und flüssiger Bestandteile)
• Separierung des Halbeitermaterials (Materialrückgewinnung bis zu 95 Prozent)
• Glasrückgewinnung durch Spülung und Vibration (hier können bis zu 90 Prozent der Glaselemente in den Produktionskreislauf rückgeführt werden)

Noch bewegt sich das PV-Recycling insgesamt in weitgehend überschaubaren Grenzen. Zudem gibt es in Deutschland nur eine ebenso überschaubare Zahl von Entsorger-Unternehmen, die überhaupt in der Lage sind, Solarmodule auf hochwertigem Niveau zu recyceln. Noch!

End-of-Life und Zukunftsprojekte: Die Innovationsmaßnahme „Photorama“, neue Recycling-Betriebe und eine wissenschaftliche Studie

Denn die erste Generation der zu Beginn der 2000er Jahre installierten Anlagen erreicht in Kürze das Ende ihres Lebenszyklus. Und man greift nicht zu hoch, wenn man konstatiert, dass das EoL dieser PV-Anlagen zugleich den Anfang einer neuen kreislaufwirtschaftlichen Dynamik markieren wird: Nach Prognosen sollen bis 2035 allein in Deutschland mehrere Millionen Tonnen PV-Abfälle zu erwarten sein. Um dieser Herausforderung Herr zu werden, ist die technologische Innovation mit Blick auf die Forcierung mechanischer, thermischer oder chemischer Recycling-Prozesse eine wesentliche Voraussetzung. Eine weitere ist die eng ineinandergreifende Vernetzung der einzelnen kreislaufwirtschaftlichen Abläufe.

Dem trug im Mai auch die Umwelttechnologiemesse IFAT in München Rechnung. Vorgestellt wurde dort unter anderem „Photorama“, eine EU-finanzierte Innovationsmaßnahme, die eine vollständige Management-Pilotlinie von der automatischen Demontage über intelligente Schichttrennungstechnologien bis hin zur Rückgewinnung von Metallen aus Solarzellen umfasst. Über 98 Prozent von PV-Abfällen sollen so auf industrieller Ebene wieder in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden (siehe: Messe-Highlights für gefährliche Abfälle).

Dies verdeutlicht die essenzielle Rolle, die Recycling-Unternehmen in naher Zukunft spielen werden, die sich auf diese Prozesse früh genug eingestellt haben. Ein Beispiel hierfür ist Lünen: Die REMONDIS Electrorecycling GmbH nimmt dort bereits Solarmodule in größerem Maßstab an. Das Material wird auf Wiederverwendbarkeit geprüft und bei entsprechender Eignung wieder als Produkt in einen 2nd-Life-Zyklus gebracht. Alle anderen Module werden zwischengelagert und anschließend von spezialisierten Netzwerkpartnern recycelt. Zum Ende dieses Jahres ist zudem die Inbetriebnahme der ersten PV-Recycling-Anlage innerhalb der Gruppe geplant, die auf ein mechanisches Verfahren setzt und für siliziumbasierte geeignet ist. Hier gibt es auch eine enge Kooperation mit den Kollegen aus dem Glasrecycling, um möglichst hochwertige Verwertungswege für das Glas erschließen zu können.

In der Studie „Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland“ hat das Fraunhofer ISE den Stand und die Sinnhaftigkeit der PV-Stromgewinnung untersucht. Eine zentrale Frage der Studie lautet, wie viel Photovoltaik für die Energiewende benötigt wird. Die Antwort in Kürze: „Um unseren gesamten Energiebedarf aus Erneuerbaren Energien zu decken, ist ein massiver Ausbau der installierten PV-Leistung notwendig, neben einer Reihe weiterer Maßnahmen.“ Eine weitere Frage behandelt die Relevanz von PV für die Stromversorgung, die mit „Ja“ beantwortet wird. Zur Frage, ob in Deutschland genügend Flächen für PV-Anlagen vorhanden sind, heißt es: „Ja, und zwar ohne nennenswerte Konflikte mit der Landwirtschaft oder dem Naturschutz.” Schließlich wird die Frage erörtert, ob PV-Anlagen ökologisch wertvolle Flächen zerstören. Das Resümee lautet: „Nein, ganz im Gegenteil, gewöhnlich fördern sie die Renaturierung.“ Die Studie macht deutlich: Photovoltaik ist eine vielversprechende Option für die Zukunft.

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