Die Auswirkung von Recycling auf die Öko-Bilanz von ausgewählten PV-Modultechnologien

Inhaltsverzeichnis:

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Steigende Abfallmengen
1.2 Wertvolle Inhaltsstoffe des PV-Moduls
1.3 Ziele

2. Methodik - Klimabilanz
2.1 Prozesskette eines PV-Moduls

3. Durchführung
3.1 Funktionelle Einheit und Systemgrenzen
3.2 Sachbilanz
3.3 Monokristalline Zellen
3.3.1 Das Czochralski – Verfahren
3.4 Polykristalline Zellen
3.4.1 Blockgießverfahren
3.5 Szenario 1: Monokristallines Modul, primäre Rohstoffe
3.6 Szenario 2: Polykristallines Modul, primäre Rohstoffe
3.7 Berechnungen mit Recycling – GEMIS
3.7.1 Recycling
3.7.2 Gewählte Recyclingverfahren
3.8 Szenario 3: Monokristallines Modul, 50 % sekundäre Rohstoffe
3.9 Szenario 4: Polykristallines Modul, 50 % sekundäre Rohstoffe

4. Ergebnisse und Diskussion
4.1 Ergebnisse des monokristallinen Moduls
4.1.1 Ergebnisse Szenario 1: Monokristallines Modul, primäre Rohstoffe
4.1.2 Ergebnisse Szenario 3 . Monokristallines Modul, 50 % sekundäre Rohstoffe
4.2 Ergebnisse des polykristallines Moduls
4.2.1 Ergebnisse Szenario 2: Polykristallines Modul, primäre Rohstoffe
4.2.2 Ergebnisse Szenario 4 . Polykristallines Modul, 50 % sekundäre Rohstoffe
4.3 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse
4.4 Offene Fragen und Ausblick
4.5 Verbesserungen im PV-Recycling
4.5.1 PV CYCLE

5. Anhang

5.1 Quellen

5.2 Abbildungsverzeichnis

5.3 Tabellenverzeichnis

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkung von Recycling auf die Öko-Bilanz von ausgewählten PV-Modultechnologien aufzuzeigen. Dieses Ziel wurde anhand der Erstellung von Klimabilanzen für ein mono- und ein polykristallines PV-Modul verfolgt. Für die Herstellung einer Klimabilanz ist es notwendig sich mit den Herstellungsprozessen der verschiedenen PV-Technologien auseinanderzusetzen. Zusätzlich wurden Experteninterviews durchgeführt und auf diversen Datenbanken zugegriffen.

Für jede PV-Technologie wurden zwei Klimabilanzen erstellt: je eine für die Herstellung eines PV-Moduls aus Primär-Rohstoffen und eine für die Herstellung eines PV-Moduls mit 50 Gewichtsprozente recycelten Rohstoffen. Silizium, Glas und Aluminium wurden als Recycling-Materialien gewählt, da sie für den CO2-Fußabdruck am relevantesten sind. Alle Prozessschritte der Modulproduktion werden in Deutschland durchgeführt. Die PV-Module werden in Wien mit einer angenommenen Lebensdauer von 30 Jahren betrieben.

Beim monokristallinen PV-Modul wird durch den Einsatz von jeweils 50 % Recycling-Materialien (Glas, Aluminium und Silizium) der CO2-Fußabdruck um 7,6 % im Vergleich zu PV-Module ohne Recycling-Materialien gesenkt. Beim polykristallinen PV-Modul kommt die Reduzierung durch das Recycling auf 8%. Diese Ergebnisse beziehen sich auf den europäischen Energiemix.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Die Photovoltaikindustrie erlebt in den letzten Jahren einen starken Aufschwung, der in Abbildung 1 ersichtlich ist. Waren im Jahre 2000 weltweit noch Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) mit einer Gesamt-Leistung von fast 1,5 GWpeak installiert, wurde im Jahre 2012 die 100 GWpeak Marke erreicht. Dieser Wert erhöhte sich in 2013 auf knapp 140 GWpeak. (EPIA, 2014, p. 17)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Entwicklung der globalen installierten PV-Leistung (kumulativ) 2000 - 2013 Quelle: (EPIA, 2014)

In Abbildung 2 ist die Veränderung der installierten PV-Leistung seit den frühen 90-er Jahren in Österreich dargestellt. Im Jahr 2000 waren knapp 5 MWpeak PV-Anlagenleistung installiert. Zehn Jahre später lag dieser Wert bereits über 95 MWpeak. Im Jahr 2013 waren aufgrund des weiterhin starken Anstiegs rund 626 MWpeak installiert (BMVIT, 2014, p. 95).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kumulierte installierte PV-Leistung in Österreich in MWpeak von 1993 bis 2013

Quelle: (BMVIT, 2014)

Die Energieerzeugung mit PV ist eine saubere Art der Energiegewinnung. Doch im Rahmen der Herstellung und Entsorgung von PV-Modulen entsteht auch Abfall.

1.1 Steigende Abfallmengen

Aktuell wird davon ausgegangen, dass PV-Module rund 25 bis 30 Jahre zur Stromproduktion eingesetzt werden können. Wie in „Methodology Guidelines on Life Cycle Assessment of Photovoltaic Electricity“, Report IEA PVPS T12-01: 2009 angegeben, hat sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf eine technische Lebensdauer von PV-Modulen von 30 Jahren geeinigt. Für die Angaben der vorliegenden Arbeit wird deshalb von einer Lebensdauer von 30 Jahren ausgegangen (PV CYCLE, 2012, S. 4).

Aufgrund dieser begrenzten Lebensdauer und der stetig wachsenden Mengen an neu installierten PV-Anlagen werden in Zukunft große Mengen an Altmodulen anfallen. Daraus ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit eine Lösung für die Entsorgung der ausgedienten Module zu finden. Dazu müssen die beiden umwelttechnischen Themenkomplexe erneuerbare Energien und Abfallwirtschaft miteinander verbunden werden.

Noch sind die Abfallmengen sehr gering, aber die prognostizierten Abfallmengen für die nächsten Jahrzehnte zeigen deutlich, dass der PV-Abfall sehr stark ansteigen wird. Die gemeinnützige Organisation PV-Cycle prognostizierte in ihren bisherigen Untersuchungen über PV-Abfallmengen, dass schon in diesem Jahr 2015 mit der ersten großen Welle an ausgedienten Modulen zu rechnen sei und erwartete bis zu 15.000 Tonnen (green jobs Austria , 2013, S. 4).

Tabelle 1 zeigt eine Abschätzung der PV-Abfallmengen in Europa für die Jahre 2025 bis 2050. Es ist darin ersichtlich, dass spätestens ab 2035 mit über einer Million Tonnen PV-Abfall pro Jahr zu rechnen sein wird.

Tabelle 1: PV-Abfallprognosen für Europa, gerundet

Datenquelle: (Beckmann, 2012)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Österreich waren Ende 2013 rund 626 MWpeak PV-Leistung installiert. Geht man von einem durchschnittlichen Gewicht von 100 Tonnen pro MWpeak aus, ergeben sich in den nächsten 30 Jahren rund 63.000 Tonnen PV-Abfall. Da ein Großteil der Anlagen erst in den letzten Jahren installiert wurde, wird aber der mengenmäßig größte Anteil des Abfalls in rund 20-30 Jahren anfallen (green jobs Austria , 2013, S. 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Anteile der installierten Solarzellentypen in Österreich von 2010-2013

Quelle: (BMVIT, 2014)

Derzeit machen kristalline Silizium-Solarzelltypen in Österreich weit über 95 % der installierten Zellen aus. Die am weitesten verbreiteten Technologien sind die der mono- und polykristallinen Siliziumzellen. Andere Technologien wie die der amorphen Siliziumzellen haben in der Vergangenheit einen kleinen Marktanteil besessen, mittlerweile aber an Bedeutung verloren. Weltweit ist die Verteilung der Technologien ähnlich wie in Österreich. In vielen Publikationen und Prognosen aus den letzten Jahren wird erwähnt, dass Dünnschichtzellen stark an Bedeutung gewinnen werden und deren Marktanteil immer größer werden wird (vgl. Kummer, 2011, S. 9). Jedoch zeigt Abbildung 3 eine andere Entwicklung: darin sieht man, dass der Anteil der installierten Dünnschichtzellen in Österreich im Jahr 2012 und 2013 sehr stark zurückgegangen ist - auf 1 %. Die zukünftige Entwicklung der Dünnschichtzellen oder anderer PV-Technologien ist also schwer voraussagbar. Auch durch Befragung internationalen Experten aus dem Bereich der Photovoltaik konnten keine Schlüsse auf die zukünftigen Entwicklungen in der Branche gezogen werden. Aus aktueller Sicht kann man jedoch sicher davon ausgehen, dass der Großteil des PV-Abfallaufkommens - zumindest für die nächsten Jahrzehnte - aus kristallinen Siliziumzellen bestehen wird.

Das Hauptmaterial der kristallinen Zellen ist Silizium - das zweithäufigste Material auf der Erde. Daher ist es sehr unwahrscheinlich, dass es langfristig, auch unter Berücksichtigung von Umweltauswirkungen beim Abbau zu Problemen bei der Rohstoffbeschaffung kommen wird.

Eine weitere Eigenschaft von Silizium ist, dass es nicht giftig ist und nicht korrodiert (vgl. Fritz, 2012).

1.2 Wertvolle Inhaltsstoffe des PV-Moduls

Neben wertvollen Inhaltstoffen enthalten PV-Module auch eine Reihe an potentiell umwelt-schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Blei, Siliziumtetrachlorid, Cadmium oder Selen. Umfassendes Recycling verringert nicht nur die Menge an benötigten Primär-Rohstoffen, sondern auch die Menge an verwendeten Schadstoffen. Somit trägt das Recycling der ausgedienten Module nicht nur zur Verbesserung der Öko-Bilanz sondern auch zum allgemeinen Umweltschutz bei (green jobs Austria , 2013).

Wie in Tabelle 2 ersichtlich, enthalten PV-Module viele wertvolle Materialien, die durch Recyclingprozesse wiedergewonnen werden können:

Tabelle 2: Zusammensetzung von Modulen

Quelle: Recycling von Solarmodulen - Potential und Anspruch eines zukünftigen Stoffstroms / PV Cycle. Zitiert in (BINE, 2010)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Recycling kann die herstellende Industrie im Allgemeinen, aber besonders die Hersteller von PV-Modulen, wertvolle Rohstoffe zurückgewinnen. Damit kann der Bedarf an Primärrohstoffe, deren Gewinnung oft energieaufwändig und emissionsintensiv ist, verringert werden. Eine effektive Extraktion sortenreiner Rohstoffe ist zusätzlich auch deshalb wichtig, weil sich die Wirtschaftlichkeit des Recyclingprozesses damit erhöht, und die ökologischen Kenndaten von PV-Anlagen (z.B. CO2-Bilanz, umweltbelastende Effekte, Energieeinsatz) verbessert werden können. In diesem Zusammenhang spricht man auch vom sogenannten Erntefaktor, der das Verhältnis von gewonnener zur eingesetzten Energie beschreibt. Diese Maßzahl zeigt, wie viel elektrische Energie eine PV-Anlage während ihrer Lebensdauer produziert im Vergleich zu der Primärenergie, die für die Herstellung, Betrieb, Wartung und Abbau bzw. Entsorgung der Anlage aufgewendet werden muss. Der Erntefaktor trifft damit eine Aussage über die Energiebilanz einer Anlage und Werte über 1 bedeuten eine positive Gesamt-Energiebilanz.

Der Erntefaktor erreicht z.B. bei kristallinen Silizium-Modulen bei einer Einsatzdauer von 25 Jahren – je nach Annahme und Bedingung – den Faktor 5 bis 50 (BINE, 2010). Wenn Energieeinsatz bei gleichbleibenden Bedingungen entlang der Herstellungsprozesskette verringert wird, erhöht sich der Erntefaktor und der CO2-Ausstoß pro hergestellter Einheit sinkt. Bei gleichbleibender erzeugter Energie, hat dies positive Auswirkungen auf die CO2-Bilanz.

Durch automatisierte Prozesse sind in Zukunft Recyclingraten von bis zu 95 % zu erwarten. Wafer, die teilweise mit recyceltem Silizium hergestellt werden, weisen niedrigere Kosten auf, was aufgrund des hohen Preisdrucks in der Photovoltaikbranche einen wesentlichen Aspekt darstellt. Wird ausschließlich aus Primär-Quarzsand gewonnenes Silizium zur Produktion herangezogen, dauert es bis zu dreimal so lange, bis die Module die zu ihrer Herstellung benötigte Energie wieder erzeugt haben (BINE, 2010).

Aus dem bisher Erwähnten, ergibt sich die Frage, ob und wie sich die Ökobilanz von PV-Modulen durch Recycling verbessern lässt. Das soll in dieser Arbeit anhand von mono- und polykristallinen PV-Modulen untersucht werden, da diese Technologien den größten Anteil am PV-Abfallaufkommen in den nächsten Jahrzehnten haben werden (siehe Kapitel 1.1).

1.3 Ziele

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist somit das Vergleichen der Klimabilanzen von mono- und polykristallinen PV-Modulen, die in Szenarien jeweils mit und ohne Recyclingmaterialien untersucht und verglichen werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, sind folgende Schritte notwendig:

- Recherchieren der Herstellungsprozesse (siehe Kapitel 1.7 und 1.8)
- Erfassung der wichtigsten Emissionsströme entlang der gesamten Wertschöpfungskette
- Recherchieren der vorhandenen Recyclingprozessen
- Berechnungen der CO2-Äquivalente mit GEMIS 4.9

2. Methodik - Klimabilanz

Eine Klimabilanz ist eine auf die Klimawirkung beschränke Ökobilanz. Diese betrachtet den gesamten Lebenszyklus eines Produktes von der Herstellung, über die Nutzung (und eventuelle Erneuerung) bis hin zur Entsorgung. Damit können Produkte ökologisch bewertet und verglichen werden. Dabei wird das Treibhauspotential (GWP) entlang des gesamten Lebensweges eines Produktes berücksichtigt, indem alle relevanten Emissionen von Treibhausgasen erfasst werden.

In einer Klimabilanz werden im Vergleich zu einer vollständigen Öko-Bilanz werden folgende Umweltauswirkungen nicht berücksichtigt:

- Zerstörung des stratosphärischen Ozons („Ozonloch")
- Bodenversauerung
- Überdüngung
- Photosmog (bodennahes Ozon)
Bei der Durchführung einer Klimabilanz wird wie folgt vorgegangen:
- Zieldefinition und Untersuchungsrahmen
- Festlegung der funktionellen Einheit: diese muss eindeutig definiert und messbar sein und dem Ziel der Untersuchung entsprechen.
- Festlegung der Systemgrenzen: die eindeutige Definierung der Systemgrenzen ist eine wichtige Voraussetzung für die Bilanz, da das Ergebnis der Untersuchung sehr stark davon abhängen kann. Die Systemgrenzen müssen auf ihre sachliche, geographische und zeitliche Abgrenzung hin definiert werden.
- Sachbilanz
- Eine ausführliche Literaturrecherche und -analyse sowie Expertenanfragen haben eine zentrale Bedeutung bei dem Verständnis der detaillierten Herstellungsschritte von mono- und polykristallinen PV-Modulen. Ein grundlegendes Verständnis der Prozesskette ist notwendig, um eine Bilanz durchzuführen und Recyclingmaßnahmen im zweiten Schritt darin zu implementieren. Dafür werden folgende Medien recherchiert: wissenschaftliche Zeitschriftenartikel und Bücher, zentrale Publikationen zur Photovoltaik- Technologien sowie Broschüren und Websites von Modulherstellern und Recycling-Unternehmen.
- Des Weiteren werden Experten von Unternehmen, Instituten und Forschungseinrichtungen kontaktiert. Diese Anfragen dienen dazu, genauere Daten und Informationen zu erhalten bzw. bestätigen zu lassen.
- Verschiedene Datenbanken zur Recherche: Verwendet werden unter anderem die internationale Datenbank „ecoinvent“ und die in das Programm GEMIS 4.9 implementierte Datenbank. Ecoinvent ist eine Datenbank, erstellt vom schweizerischen ecoinvent-Zentrum zur zentralen Erfassung, Berechnung, Verwaltung und Angebot von Ökobilanzdaten via Internet. In der Datenbank werden folgende Informationen angeboten: Sachbilanzdaten zu Energie, Materialien, Abfallentsorgung, landwirtschaftliche Produkte und Prozesse, Transporte, Elektronik, Metallverarbeitung und Gebäudelüftung, die im Industriedaten von unabhängigen Experten erstellt werden.
- Wirkungsanalyse mittels Parametrisierung und Berechnung mit GEMIS 4.9: Das Globale Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) ist ein frei verfügbares Computermodell mit integrierter Datenbank zur Lebensweg- und Ökobilanzierung und Stoffstromanalyse sowie den CO2-Fußabdruck für Energie-, Stoff- und Verkehrssysteme.
- Interpretation der Ergebnisse: Hier geht es um die Auswertung der Ergebnisse in Bezug auf die Qualität der Ausgangsdaten. Die Vertrauenswürdigkeit und Genauigkeit der Ausgangsdaten beeinflussen das Endergebnis im großen Ausmaß. Es werden die wichtigsten Einflussfaktoren, wie z.B. Wirkungsgrad, Standort, Lebensdauer, etc. diskutiert.

2.1 Prozesskette eines PV-Moduls

Um die Prozesskette der Fertigung eines PV-Moduls erstellen zu können, muss der Aufbau eins solchen bekannt sein. Dieser ist in Abbildung 4 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Aufbau eines PV-Moduls mit kristallinen Zellen; Quelle: http://www.renewable-energy-concepts.com

Die Abbildung 4 zeigt ein Standard-Schema, das für die meisten kristallinen Module zutrifft. Gewichtsverteilung, Zusammensetzung und verwendete Materialien, wie z.B. der Kunststoff zum Einkapseln der Zellen, können von Hersteller zu Hersteller variieren. Den Kern eines Moduls bilden die Solarzellen. Diese sind der stromerzeugende Teil eines Moduls und werden untereinander mit Lötbändern verschaltet. Zum Schutz vor Feuchtigkeit werden sie in eine Ethylen-Vinyl-Acetat-Folie (EVA) einlaminiert. Um die PV-Zellen vor mechanischen Beschädigungen wie Hagel oder Schneebruch zu schützen, sind diese mit einer Glasscheibe bedeckt. Bei dem Glas handelt es sich um ein spezielles, eisenarmes Solarglas mit hoher Lichtdurchlässigkeit. Der Aluminiumrahmen dient zur allgemeinen Stabilisierung des Moduls. Über den Rahmen werden die Module meist an ihrem Bestimmungsort montiert. An der Rückseite schützt eine Kunststoff-Folie (meistens Tedlar) die PV-Zellen. Bei manchen Systemen, insbesondere bei Fassadenintegrierung der Module, werden der Rahmen und die Tedlar-Folie durch eine zweite Glasplatte an der Rückseite ersetzt.

Die Prozesskette in Abbildung 5 zeigt die Herstellung eines monokristallinen Moduls. Der Abbau von Silizium bildet den Ausgangsprozess. Bei der Herstellung eines polykristallinen Moduls ist die Prozesskette bis zu dem Prozess „Fabrik\Silizium-MG-DE-2010_DA“ mit der Prozesskette des monokristallinen Moduls ident.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Prozesskette - monokristallines Modul

Zu jedem Prozess der Kette sind die unterschiedlichen Energie-Inputs (in rot) und die Stoff-Inputs (in blau) angeführt. Die mit „T“ beschrifteten Felder zeigen notwendige Transporte. Die Angaben beziehen sich auf 1 kg Output des jeweiligen Prozesses. Der Nutzungsgrad eines Input-Produktes gibt das Verhältnis kg Input pro kg Output im Prozess an.

3. Durchführung

In dem folgendem Kapitel wird die Durchführung der Klimabilanz beschrieben. Es ist wie folgt vorgegangen worden:

- Festlegen der funktionellen Einheit und der Systemgrenzen
- Herstellung der Prozessketten in GEMIS 4.9
- Parametrisierungen in der Prozesskette
- Berechnungen
- Diskussion der Ergebnisse

3.1 Funktionelle Einheit und Systemgrenzen

Um die ausgewählten PV-Modultechnologien vergleichen zu können, müssen die funktionelle Einheit und die Systemgrenzen festgelegt werden.

In einer Klimabilanz ist es notwendig, die Klimawirksamkeit der treibhausrelevanten Gase entlang des Produktlebensweges zu berücksichtigen. Das wichtigste Treibhausgas, das von Menschen verursacht wird, ist Kohlendioxid (CO2). Es gibt jedoch weitere Treibhausgase (siehe Tabelle 3), die ebenfalls zum Treibhauseffekt beitragen – jeweils in unterschiedlichem Ausmaß, da sie über unterschiedliche Zeiträume in der Atmosphäre verbleiben. Um die Klimaschädlichkeit der verschiedenen Treibhausgasse besser miteinander vergleichen zu können, wird jeweils ein bestimmter Zeitraum (meist 100 Jahre) angenommen. Dadurch ergeben sich verschiedene CO2-Äquivalenzfaktoren für die Wirkung jedes Nicht-CO2-Treibhaugases, die auch als Global-Warming-Potential (GWP) bezeichnet werden (vgl. Gotthard Stein, 2013, S. 33).

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Treibhausgase und ihr Treibhauspotenzial (GWP) laut dem Weltklimarat IPPC:

Um die Klimawirkung der einzelnen Gase zu verdeutlichen, werden alle Treibhausgase in sogenannte CO2-Äquivalente umgerechnet. Diese geben an, welcher Menge CO2 die Klimawirkung der gesamten Gasmenge entspricht.

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