Die Anlage in Tialpi konnte 85 % der Masse der gebrauchten Photovoltaikmodule zurückgewinnen. Dazu gehören das Glas, der Aluminiumrahmen und die externen elektrischen Kabel. Damit konnte das Werk dieses wertvolle Material in einer Vielzahl von Anwendungen wiederverwenden.
Herausforderungen bei Recyclingtechnologien
Das Recyclingverfahren für gebrauchte PV-Paneele muss umweltfreundlich sein und gleichzeitig die Schäden an Modulen und PV-Zellen minimieren. Es sollte auch wirtschaftlich machbar sein und eine hohe Rückgewinnung von Materialien gewährleisten. Als nächstes müssen recyclingfreundliche Moduldesigns entwickelt werden. Derzeit gibt es zwei Hauptansätze für dieses Problem.
Der erste Ansatz verwendet Flusssäure, um das reine Silizium wegzuätzen. Diese Methode ist teuer und korrosiv. Sie ist für gebrauchte PV-Paneele wirtschaftlich nicht sinnvoll und birgt ein hohes Kontaminationsrisiko. Außerdem besteht bei dieser Methode die Gefahr, dass nahe gelegene Wasserläufe verunreinigt werden.
Bei der zweiten Methode werden die einzelnen PV-Zellen von den sie umgebenden Materialien getrennt. In einem Solarmodul bestehen die Komponenten aus Siliziumzellen, einer Rückseitenfolie und einem Aluminiumrahmen. Diese Komponenten sind außerdem von Kupferkabeln umgeben. Darüber hinaus können PV-Paneele weitere Materialien enthalten, darunter Zinn, Blei und Silber. Die Metalle in den Solarzellen sind schwer zu trennen und zu recyceln, da sie in Polymerschichten eingekapselt sind. Diese Methode erfordert außerdem hohe Temperaturen.
Das End-of-Life-Management von PV-Modulen ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Frühzeitige Ausfälle von PV-Modulen sind ein häufiges Problem, sollten aber kein Grund für eine vorzeitige Entsorgung der Module sein. Reparierte PV-Module aus zweiter Hand können in einkommensschwachen Gebieten zu ermäßigten Preisen verkauft werden. Sie können in einkommensschwachen Gebieten auch für elektronische Schilder und Ladestationen für E-Bikes wiederverwendet werden. Außerdem können reparierte PV-Module in netzunabhängigen Systemen und für andere kleine Anwendungen eingesetzt werden.
Das Recycling von Solaranlagen ist eine hervorragende Möglichkeit, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Die Kosten für gebrauchte Solarmodule sind in den letzten Jahren erheblich gesunken, und dank umfangreicher staatlicher Subventionen sind sie eine beliebte Wahl für Hausdächer. Das Problem ist jedoch, dass die große Mehrheit dieser Solarmodule nie recycelt wird.
Der erste Schritt besteht darin, die Recyclingkapazität der Solarindustrie zu erhöhen. Zu diesem Zweck hat die Solar Energy Industries Association vor kurzem das National PV Recycling Program ins Leben gerufen, mit dem die Kosten für die Entsorgung von Solarmodulen am Ende ihrer Lebensdauer gesenkt werden sollen. Darüber hinaus verstärken einzelne Unternehmen ihre Recyclingaktivitäten in den USA und im Ausland.
Charakterisierung gebrauchter Photovoltaikmodule
Die Charakterisierung gebrauchter Photovoltaikmodule erfordert die Bewertung einer Vielzahl von Parametern. Zu diesen Parametern gehören der Idealitätsfaktor, die Elektronenladung und der Prozentsatz der Bestrahlungsstärke. Auch die Temperatur der Paneele spielt bei der Berechnung des Derating eine Rolle. Bei den Messungen der Temperatur der Paneele sollten Temperaturschwankungen berücksichtigt werden. Außerdem sollten die Spannung und der Strom des PV-Generators auf der Grundlage der Eigenschaften der Zellen berechnet werden.
Die Temperatur von PV-Modulen beeinflusst ihre Empfindlichkeit gegenüber Hot Spots. Diese Art von Phänomen kann zu einer Vielzahl von Problemen für die Zellen führen. Es führt auch zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Module. Darüber hinaus kann ein PV-Modul einen Hot Spot aufweisen, einen Bereich mit hoher Temperatur, in dem es keine Energie aufnehmen kann.
Fortschrittliche Prüfverfahren für PV-Module helfen, Probleme und Defekte frühzeitig zu erkennen. Sie liefern auch wertvolle Rückmeldungen für die Konstruktion von PV-Modulen und anderen Komponenten. Dieses Feedback ist wichtig, um das Ausfallrisiko zu verringern und ein zuverlässiges und effizientes Solarenergiesystem zu gewährleisten. Allerdings erfordern fortschrittliche Inspektionsmethoden eine fortschrittliche Ausrüstung. Daher sind sie möglicherweise nicht so genau wie eine Prüfung im Labor.
Mit Hilfe der Spektroskopie können Forscher gebrauchte Photovoltaikmodule anhand ihrer spektralen Eigenschaften charakterisieren. Anhand dieser Daten konnten sie den Transmissionsgrad und den Grad der Verschmutzung an verschiedenen Standorten bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verschmutzung die Durchlässigkeit der PV-Paneele in den UV- und blauen Wellenlängen verringert und in den roten und infraroten Wellenlängen allmählich zunimmt. Die Forscher haben einen Parameter entwickelt, um diese Veränderungen zu messen.
Der relative Transmissionsgrad (RT) ist ein Schlüsselparameter zur Charakterisierung gebrauchter Fotovoltaikmodule. Er wurde beim Recycling von Solarmodulen verwendet. Der Breitband-RT ist ein Mittelwert der halbkugelförmigen relativen Durchlässigkeitswerte. Seine Werte wurden aus früheren Studien abgeleitet und sind für Solarmodule anwendbar. Der relative Transmissionsgrad für PV-Module hängt von der Sonneneinstrahlung und dem Verschmutzungsgrad der Module ab.
Die durchschnittliche Lebensdauer von PV-Modulen beträgt 25-30 Jahre. Außerdem steigt die Installationsrate von PV-Modulen exponentiell an. Die erwartete Zunahme der Erzeugung von PV-Modulen wird zu einer erheblichen Abfallmenge führen, die sich jedoch erst nach und nach bemerkbar machen wird. Die geschätzte Menge an verbrauchten Paneelen bis 2030 beträgt 1,7-8 Millionen Tonnen und sechzig-78 Millionen Tonnen im Jahr 2050.
Chemische Verfahren
Chemische Verfahren werden zunehmend als Mittel zur Rückgewinnung wertvoller Metalle aus gebrauchten Photovoltaikmodulen eingesetzt. Durch den Einsatz von Bor-dotierten Diamantelektroden und Schwefelsäure oxidieren diese Verfahren Kupfer, Zinn, Silber und andere Metalle aus gebrauchten Photovoltaikmodulen. Das zurückgewonnene Material kann dann zur Herstellung neuer Solarmodule verarbeitet werden.
Derzeit werden nur etwa 10 % der PV-Module recycelt. Diese niedrige Zahl ist vor allem darauf zurückzuführen, dass es in vielen Ländern keine Vorschriften gibt und die Kosten für das Recycling hoch sind. Außerdem enthalten Module auf Siliziumbasis nicht genügend wertvolle Materialien, um das Verfahren wirtschaftlich rentabel zu machen. Dennoch könnte der geschätzte Wiederverwertungswert von gebrauchten Photovoltaikmodulen bis 2050 mehr als 15 Milliarden US-Dollar erreichen.
Die elektrochemisch unterstützte Laugung ist ein weiterer Ansatz zur Rückgewinnung von Edelmetallen aus PV-Modulen. Mit diesem Verfahren wurden reines Cu und Ag, beides mäßig edle Metalle, aufgelöst. Die Cu-Folie wurde in das Anodenfach gelegt, und während des Auslaugungsprozesses wurden in regelmäßigen Abständen Massenmessungen durchgeführt. Während des Auslaugungsprozesses wurden verschiedene Säuren als Elektrolytlösungen zugegeben.
Die japanische Regierung hat 2012 einen Einspeisetarif eingeführt, der eine Vergütung für Strom aus erneuerbaren Energiequellen garantiert. Diese Politik hat den raschen Ausbau der Installation von Solarmodulen in Japan vorangetrieben. Daher werden viele PV-Module innerhalb von 20-30 Jahren ihr Lebensende erreichen. Um den EoL-Prozess zu erleichtern, hat die Japan Photovoltaic Energy Association freiwillige Richtlinien für die ordnungsgemäße Entsorgung gebrauchter Photovoltaikmodule veröffentlicht. Darin werden die Hersteller auch aufgefordert, Informationen über den chemischen Gehalt ihrer Produkte bereitzustellen.
In den nächsten zwei Jahrzehnten werden Photovoltaikmodule am Ende ihrer Lebensdauer recycelt werden müssen. Die wichtigste Ressource dabei ist hochreines Silizium (Si). Der Wert von Si in kristallinen Photovoltaikmodulen beträgt 95 $/kW zu Metallpreisen im Jahr 2012. Bis 2050 könnten aus den ausgedienten PV-Modulen etwa achtundachtzigtausend Tonnen Si gewonnen werden.
Gegenwärtig hat das kalifornische Department of Toxic Substances Control (CDTC) Vorschriften erlassen, die es erlauben, ausgediente PV-Module als Universalabfall zu recyceln. Die Vorschriften schreiben vor, dass die Einrichtungen, die diese Abfälle behandeln, sie vor der Annahme prüfen müssen.
Elektrolyse
Die Elektrolyse gebrauchter Photovoltaikmodule ist eine vielversprechende Möglichkeit, Geld zu sparen und gleichzeitig Strom aus gebrauchten Solarmodulen zu erzeugen. Elektrogewinnungsanlagen arbeiten im Durchschnitt fünfzehn Jahre lang und können etwa 12 Jahre lang kostenlosen Strom erzeugen. Mit diesen Anlagen können Sie zwischen 600.000 und 900.000 Dollar sparen. Diese Technologie kann auch in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden, in denen Dieselkraft teuer ist. Sie wird zu einer beliebten Wahl für erneuerbare Energien.
Bei diesem Verfahren werden gebrauchte PV-Paneele in verschiedene Komponenten zerlegt. Das Verfahren wird als sequentielle elektrolytische Gewinnung bezeichnet. Die zurückgewonnenen Metalle sind Silber und Kupfer. Das Verfahren wird in einer Anlage namens Tialpi durchgeführt. Die Tialpi-Anlage ist in der Lage, 85 % der Masse eines PV-Panels zurückzugewinnen. Die verbleibenden Teile können auch für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden.
Derzeit werden für das Verfahren Kupfer und Zinn verwendet. Diese Materialien werden bestrahlt. Kupfer ist der Hauptbestandteil und macht mehr als achtzig Prozent der Gesamtmasse aus. Das restliche Kupfer wird mit einem Lotgemisch aus Sn und Pb beschichtet, das die restlichen 10 % der Masse ausmacht.
Es wird ein sequentieller elektrolytischer Gewinnungsprozess mit einer simulierten Laugungslösung durchgeführt. Zur Berechnung der Metallrückgewinnungsrate sind die Metallgehalte in typischen Silizium-Solarmodulen in Tabelle 2 aufgeführt. Es wird angenommen, dass der Bleigehalt gleich dem Zinngehalt ist. Aluminium hingegen hat ein negatives Reduktionspotenzial und wird daher aus dem Experiment ausgeschlossen. Im ersten Schritt wurde ein 100-ml-Becher mit 11,4 % HNO3 und 0,0431 g Silber in die Lösung getaucht. Im zweiten Schritt wurden 0,72 g Zinn in die Lösung gegeben.
Die elektrolytische Gewinnung gebrauchter Photovoltaikmodule ist ein nachhaltiges und umweltfreundliches Verfahren zur Rückgewinnung wertvoller Materialien aus gebrauchten Solarmodulen. Dieses Verfahren kann die Kosten für neue Solarmodule senken und die Nachhaltigkeit der Lieferketten langfristig verbessern. Außerdem trägt es zur Verringerung der CO2-Emissionen und der Energierücklaufzeit bei.
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