Was passiert mit einem Solar-PV-Modul nach seiner erwarteten Betriebsdauer von 25 Jahren? Da weltweit bereits rund 2 TW an PV-Anlagen auf Hausdächern und in Kraftwerken installiert sind und viele davon vor Ablauf der 15-jährigen Betriebsdauer ausgemustert werden, steigt die Zahl der entsorgten PV-Module jedes Jahr. Da PV-Module von Tag zu Tag billiger werden und sich die Effizienz von PV-Modulen ständig verbessert, werden viele PV-Kraftwerke in Kraftwerken bereits vor Erreichen der erwarteten Betriebsdauer von 25 Jahren erneuert. Viele dieser Module funktionieren immer noch gut. Können sie für ein zweites Leben eingesetzt werden, um noch ein paar Jahre lang Solarstrom zu liefern?
Eine Photovoltaikanlage aus wiederverwendeten Paneelen
Bild: Ricardo Ruther/ISES
Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostizierte im Jahr 2020, dass die weltweit kumulierte installierte Kapazität der Photovoltaik bis 1 2025 TWp überschreiten würde (PVPS TASK, 2020). Bis Ende 2024 wird sich diese Zahl jedoch auf über 2 TW verdoppelt haben. Jüngste Prognosen zur Energieproduktion deuten darauf hin, dass ein großer Anstieg erforderlich ist. Das Ziel ist eine globale PV-Kapazität von 75 TW bis 2050, um den globalen Temperaturanstieg auf 1.5 °C zu begrenzen und die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern.
Es ist allgemein anerkannt, dass Photovoltaik (zusammen mit großflächiger Onshore-Windkraft) die nachhaltigste und kostengünstigste Energieumwandlungstechnologie ist. Um die Welt vollständig zu dekarbonisieren, muss die weltweite Nutzung von Solarenergie etwa 40 Mal so stark sein wie heute. Dies wird im Jahr 2042 erreicht sein, wenn die derzeitige Wachstumsrate von 20 % pro Jahr anhält.
Das Wachstum der PV-Erzeugung auf globaler Ebene wird in Zukunft zwangsläufig zu einer erheblichen Abfallmenge aus PV-Modulen führen. Andererseits vermeidet die Solar-PV den Ausstoß von Kohlendioxid. Jedes Kilogramm Solarmodul erzeugt im Laufe seiner Lebensdauer etwa 0.9 MWh, wodurch etwa 900 Kilogramm Kohlendioxid aus der Kohleverbrennung vermieden werden können – ein Verhältnis von 900:1. Diese Berechnung geht von einer zukünftigen PV-Modulmasse von 25 W/kg (ohne Rahmen), einem Kapazitätsfaktor von 16 % und einer Modullebensdauer von 25 Jahren aus.
Wenn wir davon ausgehen, dass 10 Milliarden Menschen 100 TW Photovoltaik (jeweils 10 kW) für die globale Dekarbonisierung benötigen, werden jedes Jahr 400 W/Person an Solarmodulen ausgemustert. Das entspricht 16 kg Solarmodulabfall pro Person und Jahr, der größtenteils aus Glas besteht, mit kleinen Mengen an Kunststoff, Silizium und Metallen. Der derzeitige Glasabfallstrom in den USA beträgt etwa 11 Millionen Tonnen oder 32 kg pro Person. Somit erhöht die Photovoltaik den bestehenden Abfallstrom um 50 % und vermeidet gleichzeitig die Emission einer 900-mal größeren Menge an Kohlendioxid. Der zukünftige Solarmodulabfall von 16 kg pro Person und Jahr beträgt nur 2 % der 800 kg pro Person und Jahr an festem Abfall in den USA.
Zusammenfassend ist der Abfall von Solarmodulen ein kleines Problem. Gibt es jedoch eine Alternative zur Entsorgung von Solarmodulen auf Mülldeponien? Können PV-Module nach ihrer Ausmusterung noch Strom erzeugen? Es laufen Studien, die einen Kreislauflebenszyklus für Solarmodule vorschlagen. Der Effizienzverlust eines Photovoltaikmoduls kann je nach Klima und verwendeten Materialien zwischen 0.4 % und 5 % pro Jahr betragen.
Die Fertigungstechnologie zur Steigerung der Leistung von PV-Modulen schreitet rasch voran. Die Größe der Panels nimmt zu und auch die Effizienz der Zellen steigt. Zwischen 1980 und 2020 konnte das Leistungsgewicht von PV-Modulen um 76 % gesenkt werden. Dies bedeutet, dass neue Panels auf vorhandenen Trägerstrukturen oder Trackern montiert werden können, um viel mehr Leistung zu erzeugen.
Derzeit ist die vorherrschende Technologie auf dem Weltmarkt monokristallines Silizium mit einer ungefähren Modulleistung von 550 W bis 750 W, verglichen mit 350 W im Jahr 2019, weniger als 200 W im Jahr 2010 und unter 100 W vor dem Jahr 2000. Große Mengen an PV-Modulen werden entsorgt, und es besteht Unklarheit hinsichtlich der technischen, wirtschaftlichen und sozialen Machbarkeit ihrer Wiederverwendung in einem zweiten Leben, anstatt sie direkt dem Recycling zuzuführen. Darüber hinaus mangelt es an Richtlinien, Standards und Methoden, die vorgeben, ob die Geräte wiederverwendet werden können (zweites Leben) oder recycelt werden sollten. Gesetze wie die WEEE-Richtlinie in Europa stellen eine Herausforderung für den Wiederverwendungsmarkt dar.
Kreislaufwirtschaft: Wiederverwenden und Recyceln
PV CYCLE ist eine gemeinnützige, mitgliederbasierte Organisation, die 2007 von der PV-Industrie gegründet wurde, um ein breites Spektrum an elektrischen und elektronischen Geräten, darunter PV-Module, Batterien, Verpackungen und Industrieabfälle, zu verwalten. Sie bietet Abfallmanagement- und Rechtskonformitätsdienste für Unternehmen und Abfallbesitzer an und hat Vertreter auf der ganzen Welt. Ein solches Mitglied in Brasilien ist in den letzten vier Jahren um das 160-fache gewachsen und hat im Jahr 13, als das Unternehmen mit der Sammlung ausrangierter PV-Module begann, 430 Tonnen (0.2 PV-Module = 2020 MW) verarbeitet, auf bisher 2800 Tonnen (mehr als 91 PV-Module = 45 MW) im Jahr 2024. Dieses Wachstum soll bis Ende 4500 75 Tonnen = 2024 MW erreichen; fast 80 % dieser Module stammen aus PV-Kraftwerken im Versorgungsmaßstab. Etwa 10 % der ausrangierten PV-Module stammen von Händlern (brandneu, während Transport und Handhabung beschädigt) und die restlichen 10 % stammen von kleineren Systemintegratoren. SunR expandiert nun nach ganz Lateinamerika und zielt dabei auch auf große Photovoltaik-Kraftwerke ab, die vor weniger als zehn Jahren in Betrieb genommen wurden.
Im Jahr 1999 ersetzte die Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) einen Dieselgenerator auf einer kleinen Satelliteninsel (Insel Ratones Grande) vor der Hauptinsel Florianopolis in Brasilien durch ein netzunabhängiges 5-kW-PV-System, das in den folgenden Bildern dargestellt ist. Die 10 % effizienten polykristallinen Silizium-PV-Module waren bis 2022 ununterbrochen in Betrieb, als beschlossen wurde, sie durch neue Module mit mehr als doppelt so hoher Effizienz zu ersetzen, um die installierte Kapazität auf derselben Fläche an diesem platzbeschränkten Standort zu verdoppeln. Nach mehr als 20 Betriebsjahren in dieser Offshore-Umgebung haben die meisten der 76 PV-Module immer noch eine Leistung von etwa 80 % der ursprünglichen Nennleistung. Anstatt sie zu entsorgen/recyceln, wurden sie im Solarenergie-Forschungslabor der UFSC neu installiert und werden in einem Projekt zur Wiederverwendung von PV-Modulen überwacht. Sozialwohnungsprogramme in Brasilien und anderswo können von sehr kostengünstigen Second-Life-PV-Modulen profitieren, sofern ihre Leistung und Sicherheit auch nach Ablauf der Herstellergarantien gewährleistet werden können. Obwohl es noch keine gängige Praxis ist, gibt es in Europa, den USA und Australien mehrere Forschungsgruppen und Unternehmen, die Wiederverwendungs- und Second-Life-Aktivitäten entwickeln.
Die Kreislaufwirtschaft von PV-Modulen könnte Wiederverwendung und ein zweites Leben umfassen, bevor sie schließlich recycelt werden, um Materialien für die Herstellung neuer PV-Module zurückzugewinnen. Da es jedoch moderne PV-Module mit 25- bis 30-jährigen Garantien gibt, die weniger als 0.10 $/W kosten, wie wir sie heute haben, ist die Wirtschaftlichkeit von PV-Modulen mit zweitem Leben eine schwierige Angelegenheit.
Autoren: Prof. Ricardo Rüther (UFSC), Prof. Andrew Blakers /ANU
Andrew.blakers@anu.edu.au
rruther@gmail.com
ISES, die International Solar Energy Society, ist eine von der UN akkreditierte NGO, die 1954 gegründet wurde und sich für eine Welt mit 100 % erneuerbarer Energie für alle einsetzt, die effizient und sinnvoll genutzt wird.
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