PhotovoltaikAbfall der Zukunft - Rohstoff der Zukunft25.09.2019 – VOEB –Wien

DI Dr. Hannes Menapace, Peter Seppele GmbHDI Dr. Gernot Oreski, Polymer Competence Center Leoben GmbH

ENERGY RESEARCH 4 TH CALLTOPIC 5.5 PHOTOVOLTAICS

> Gründung im Jahre 1929

> Zentrale Feistritz/Drau

> Pelletswerk Sachsenburg

> Recyclinghof Villach

> Hauptsitz in Feistritz/Drau umfasst drei Betriebsbereiche

> BT I: Gefährliche Abfälle, Lager für Betriebsmittel, Werkstätte,

Verwaltung

> BT II: Brückenwaage mit Waaghaus, Nicht gefährliche Abfälle,

Splittinganlage für Gewerbeabfall, Schrotthandel und

Autotrockenlegung

> BT III: Produktion von Dämmstoffen sowie Heizino-Holzpellets

„Sammeln und verwerten statt verschwenden“

AbfallwirtschaftFossile Brennstoffe

Dämmstoffe Holzpellets

> Abfallanalytik (Abwasser- und Abfallanalysen)

> Abfallwirtschaftskonzepte und Fachberatung

(Trainings, Schulungen)

> ADR-Transporte

> Altautos

> Altglas

> Altholz

> Altmetalle/Schrotte (Eisen- und Buntmetalle)

> Altöl

> Altpapier

> Altreifen

> Altspeisefette

> Autotrockenlegungsanlage

> Bauschutt

> Baustellenabfälle und Sperrmüll

> Bioabfall

> Biologische Kleinkläranlagen Beratung und

Wartung

> Chemisch-physikalische Behandlungsanlage für

Flüssigabfälle

> Containerdienste und Transporte

> Datenträgervernichtung (Akten, Festplatten)

> Elektronikschrott

> Entrümpelungen

> Evententsorgungen

> Fachberatungen

> Fäkalienabfuhr

> Fettabscheiderreinigungen

> Gefährliche Abfälle und Problemstoffe

> Gewerbeabfall und Hausmüllentsorgung

> Kanalspülung und -reinigung

> Kartonagen

> Kunststoffe

> Lagerlogistik

> Ölabscheiderreinigungen und Wartung

> Recyclinghofbereitstellung

> Reinigungsdienstleistungen (Straßenreinigung etc.)

> Sortieranlage (Mechanische Aufbereitung)

> Speisereste

> Straßenreinigung

> System-Regionalpartner (ARA, Interseroh, Reclay,

UFH, Landbell, ELS, Bonus)

> Tankreinigung, Tankrevision und Tankdemontagen

> Wertstoffhandel

Dienstleistungen von A bis Z

www.pccl.at 5

Polymer Competence Center Leoben GmbH About Us

PCCL at a Glance

Leading Austrian Center ofExcellence for application-orientedresearch in the field of polymertechnology and polymer science

Foundation 2002Organisation GmbH (ltd.)Turnover p.a. € 9 Mio.Employees 100Patents 45

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(20

18

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Projektdaten

❖ 5 Industriepartner−Davon 4 KMU

❖ 4 wissenschaftliche Partner− Projektkoordinator: PCCL (St)

❖ Laufzeit 3 Jahre❖Budget−Gesamtkosten: 2.623.521 €− Fördermittel: 2.033.052 € (68,2%)

Betriebe54%

WissenschaftlichePartner 46%

WP19%

WP225%

WP324%

WP435%

WP57%

Budgetaufteilung Partner und Arbeitspakete:

Projektmotivation

European Comission, PV Status Report 2018, https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/eur-scientific-and-technical-research-reports/pv-status-report-2018

❖ PV-Produktion ist ein Wachstumsmarkt : 2017 wurden etwa 100GWp an PV-Modulen weltweit produziert

− China, Taiwan und Malaysia dominieren die Modulproduktion

❖ Jährliche Wachstumsraten liegen bei 30 bis 40 %

❖ Installierte Kapazität > 500 GWp (2018)

− ~ 80% in 5 Länder (China, USA, Japan, Deutschland, Indien)

− ~ 120 GWp in der EU installiert

− > 1.25 GWp in Österreich installiert

Motivation – Recycling potential

IEA PVPS Task 12, Report “End of life management solar photovoltaic panels, “ http://iea-pvps.org/index.php?id=381

❖ Weltweit stark steigendes Abfallaufkommen bei PV-Modulen wird für den Zeitraum 2016 bis 2050 erwartet

❖ Bedingt durch das derzeit noch geringe Abfallaufkommen ist derzeit noch keine eigene Behandlungs- / Verwertungsschiene für PV-Module gegeben

− Bis dato erfolgt nur eine mechanische Abtrennung des Rahmens zur stofflichen Verwertung und nach Möglichkeit eine Abtrennung und Verwertung der Glaskomponente

− Öko-Design und Rezyklierbarkeit sind derzeit von untergeordneter Bedeutung, sollten aber in Zukunft wichtig werden

Motivation – Seppele

Abfallwirtschaftsgesetz (AWG)Elektroaltgeräteverordnung

• Stoffverbote

• Sammelstellen

• Systeme und Entpflichtung

• Gerätekategorien

• Verwertungsziele

AbfallbehandlungspflichtenV

• Anforderung an Sammlung-, Lagerung und Transport

• Anforderung an die Behandlung (Getrennt nach PV-Art)

AbfallverzeichnisV

• Abfallverzeichnis

• Dzt. keine eigene SN für PV-Module – Zuordnung zu Großgeräten 35220/35221

• Überarbeitung Abfallverzeichnis (ev. eigene SN für PV-Module, Stand 04.10.18)

❖ Abfallwirtschaft ist ein stark reglementierter Markt (AWG, EAG-VO, Abfallbehandlungspflichten-VO)

− Stoffströme damit eingeschränkt bzw. sortenrein

− Entsorgungsnachweise

❖ Abfallwirtschaft übernimmt Stoffe, die früher Produkte waren und an ihrem Lebensende angelangt sind

− Vergangenheitsbezug bei diversen Abfallströmen (Bsp. KMF)

− Prognosen zum Abfallaufkommen aus Basis der bereits installierten PV-Module und deren Lebensdauer

− Abfall der in Zukunft in seinem Mengenaufkommen steigen wird

− Derzeit noch keine Anlagenkapazität vorhanden – Entsorgungssicherheit für Kunden

❖ Anlagenbereitstellung braucht Vorlaufzeit

Motivation – Optimierung

❖ Anfangsausfälle (1-5 Jahre Laufzeit) → Leistungsverlust

❖ Defekte und Fehler an der Rückseite (Backsheet) und den Anschlußdosen hängen stark von Umwelteinflüssen und klimatischen Stressbedingungenab

− Potential der Lebensdauerverlängerung durch Entwicklung von Reparatursets, die im Feld eingesetzt und im Zuge von Routineprüfungen durchgeführt werden können zur Vermeidung von frühen Ausfällen

− Weiternutzung der reparierten Module nach Sicherheitsprüfung (Gewährleistung, Elektrosicherheit)

M. Halwachs et al. 33rd European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition

A. Zielnik; Photovoltaics World Magazine 1, 5, 2009

Projektvision PVRe²

Reparatur von defekten PV-Modulen

zur Erhöhung der Lebensdauer

Verbesserte Recyclingstrategien

und Technologien für verbaute PV-Module

Materialentwicklung für neue,

nachhaltigere PV-Module

Nachhaltige PV

Schlüsselvorgaben für nachhaltige PV-Module

Basis für nachhaltige PV-Module der nächsten Generation

❖ Verbessern der Recyclingprozesse bei Silizium-PV-Module durch eine schichtweise Auftrennung des Materialverbundes

❖ Steigern der Wiederverwendbarkeit und Verbesserung des Umwelteinflusses (Ökologischer Fußabdruck) der eingesetzten PV-Materialien und Komponenten in einer nachhaltigen Modularchitektur (Ökodesign)

❖ Initiierung von Reparaturlösungen die on-site bei PV-Modulen angewendet werden können um frühe und in der mittleren Lebensphase der Module auftretende Fehler beheben zu können (gerissene Backsheets, Defekt an den elektrischen Anschlüssen)

Recycling

Recyclability

Repair

SustainablePV

Wertschöpfungskette im Projektkonsortium

Umfassender, vertikaler Zugang der den gesamten Produktions- und Produktlebenszyklus abbildet

❖ Abdeckung der gesamten Produktions- und Wertschöpfungskette durch die Firmenpartner

❖ Abdeckung aller wissenschaftlichen Fragestellungen und Sparten durch die wissenschaftlichen Partner im Projekt

Material-entwicklung

Modul-technologie

Wartung

Recycling-technologie

Recyclingtechnologie

Verfahrensentwicklung

Entsorgung / Recycling

Konzept: Nachhaltiges PV-Modul

Materialentwicklung

Modulentwicklung

WP

5: W

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mw

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influ

ß

Zuverlässigkeit

Konzept “Reparatur”

Prozessentwicklung

MaterialentwicklungZuverlässigkeit

Projektstruktur

WP2

WP3

WP4

Konzept Umsetzung/Entwicklung Evaluierung

Recycling – Vorgaben/Zielsetzungen

Stand der Technik: Recycling

❖ Gesamtes Modul wird derzeit geshreddert

❖ Zusammensetzung bezogen auf das einzelne Modul wird nicht erfaßt/ist nicht bekannt

− Mögliche Anwesenheit von gefährlichen Substanzen wird nicht berücksichtigt

Recycling und Wiederverwertung

❖ Entwicklung von Werkzeugen für (I) die automatische Identifikation der verarbeiteten Materialien und (II) den elektrischen Output der alten PV-Module

− Entsorgte Module haben oftmals noch nicht ihr Lebensende erreicht

❖ Schichtweise Auftrennung der PV-Module

− Auftrennung von EVA, Metall/Halbleiter und Fluorpolymer− Aufkonzentrierung von schädlichen Stoffen (Pb - Schlamm)

Fluor (Backsheet)− Funktionstüchtige Komponenten für den Einsatz in PV-

Modulen (Re-use – z.B. Glasplatten)

* Forecast [own calculations]

https://www.elektrotechnik.ch/artikel/recycling-von-photovoltaik-modulen/

Übernahme – Aktueller Stand

Übernahme

❖ Elektroaltgeräte werden in der Regel kostenlos übernommen

❖ PV-Module sind in der EAG-VO als gewerbliche Geräte eingestuft

❖ Keine Abrechnung als Haushaltsgeräte, keine kostenlose Übernahme

Abwicklung / Systeme

❖ Rücknahme im Zuge einer Neuinstallation (Zug-um-Zug-Geschäft)

❖ Entpflichtung via System

❖ Meldung eines Abholbedarfs durch Professionisten (läuft über Hersteller)

❖ Abholung (bzw. Auftrag) durch System

❖ Keine direkte Beauftragung durch den Endkunden

Seppele

❖ Derzeit vorwiegend ASZ

❖ Durchschnitt 100 – 200 kg

❖ Paletten, einfoliert, lichtgeschützt

❖ Entsprechend Aufkommen nur fallweise

Anfragen (1 – 2 pro Jahr)

Recycling

Tudor Dobra

17

2025: 9.100/2.500 t & 2030: 14.400/8.300 tInkludiert: 3% Deutschland, 10% Italien, 15% Tschechien

Abschätzung zum Abfallaufkommen von PV-Modulen in Österreich

Elektro- und Elektronik-Altgeräte, Sammlung und Ausfuhr, Kalenderjahr 2017; Quelle: Tätigkeitsbericht 2017 -Elektroaltgerätekoordinierungsstelle

Recyclingpotential

Material Anteil [%] Gewicht [kg]Jährliches

Potential[t/a]

Glas 70 14 3.500

Aluminium 15 3 750

Backsheet 4 0,8 200

EVA 6 1,2 300

Silizium (Si) 3,5 0,7 175

Silber (Ag) 0,07 0,14 3,5

Kupfer (Cu) 0,5 0,1 25

Zinn (Sn) 0,05 0,01 2,5

Blei (Pb) 0,05 0,01 2,5Tudor Dobra

Hochgerechnet für eine Jahresanfall von 5.000 t

Alu-RahmenGlasWafer aus SiliziumKabel/Anschlußboxen

Verwertungsquote ab 15.08.2018 (Anhang 3, Tab. 3 der EAG-VO): 85 %

Recyclingpotential

Tudor Dobra

Recyclingoptions für PV-Module

IEA PVPS Task 12, Report “End of life management solar photovoltaic panels, “ http://iea-pvps.org/index.php?id=381

Nachhaltige PV Module

▪ Kennzahlen▪ CO2-Fußabdruck der PV-Module

▪ LCA (Lebenszyklusanalyse)

▪ Die gesamte Wertschöpfungskette wird abgedeckt –komplexe Methode

▪ Wie wird Nachhaltigkeit in PV Re² ermittelt?▪ Meilensteine beziehen sich auf die schichtweise Trennung für

das Recycling und eine verbesserte Reparaturfähigkeit

▪ Verringerter Einsatz/Substitution von Gefahrstoffen wird erfaßt

▪ Fokus auf Modulkomponenten oder die gesamte Wertschöpfungskette?

Rohstoff

Produktion

VertriebNutzung

und Re-use

Entsorgung / Recycling

„from cradle to grave“

Eine verbesserte Recyclingfähigkeit bedeutet nicht unbedingt eine Verringerung des CO2-Ausstoßes

Hauptziel: “Designkonzept unter Nutzung eines recyclingfreundlichen Aufbaus (lösbare Verbindungen, trennbare Laminate) und der Verwendung von nicht- bzw. minderschädlichen Substanzen die leichter wiederverwertet werden können”

Nachhaltige PV-Module

Component Approach Benefit

Encapsulation materials

Thermoplastic encapsulant film

▪ Increased recyclability▪ Increased repairability▪ Reduced of carbon footprint

Backsheet films Co-extruded polyolefin based backsheet

▪ Increased recyclability▪ Elimination of hazardous materials▪ Reduced of carbon footprint

Junction box and frame

Reversible or easily removable adhesives

▪ Increased recyclability▪ Increased repairability

Inter-connection

Low temperature, lead free ribbons

▪ Elimination of hazardous materials▪ Reduced of carbon footprint

Nachhaltige PV-Module

Nächste Schritte

❖ Entwicklung von lösbaren Klebstoffen

❖ Optimierung und Anpassung von Vergussmassenund Backsheets

❖ Prüfung der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit für nachhaltige PV-Modulmaterialien und –designs

− Prüfung auf Qualität und Zuverlässigkeit mit Fokus auf Materialverträglichkeiten

❖ Bewertung der Nachhaltigkeit

− Recyclingfähigkeit

− CO2-Fußabdruck & LCA

Encapsulation films

Backsheet films

Interconnection

Adhesives

Reparatur von PV-Modulen

Ziele

❖ Reparatur im Feld und/oder Austausch von defekten Teilen

− Beispiel Backsheet mit Rissen: Entwicklung von Schutzbeschichtungen, Pflastern oder Klebebänder

❖ Charakterisierung und Test von reparierten Modulen

❖ Bewertung der Reparaturlösungen im Hinblick auf die elektrische Betriebssicherheit und Stabilität

Zusammenfassung

→ Reduktion der Umweltbelastung bei der Stromerzeugung mittels PV!

❖ Umfassendes FE-Projekt, das Recyclingtechnik, Materialwissenschaften und Photovoltaik miteinander kombiniert

❖ Lückenschluß zwischen Reparatur, Recyclingfähigkeit, Wiederverwertung von Modulen/Komponenten sowie einem möglichen zukünftigen Produktionsprozeß

❖ Schaffung von Alleinstellungsmerkmalen für die österreichische / europäische PV-Produktion

❖ Auf Ökodesign optimierte, recyclingfreundliche Komponenten und Materialien unter Berücksichtigung des Verhältnissen von Kosten und Nutzen

❖ Erhöhung der Lebensdauer/Einsatzdauer von PV-Modulen durch innovative Reparaturprozesse

❖ Innovative neu Dienstleistungen für die Wartung und Instandhaltung von PV-Anlagen