Um den Ausbau Erneuerbarer Energien voranzutreiben, werden unter anderem Solarmodule benötigt. Deren Wiederverwertung ist jedoch sehr aufwändig, da wichtige Komponenten nur schwer zu recyceln oder zu reparieren sind. In einem neuen Forschungsprojekt hat die TH Köln gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft daran gearbeitet, diese Bauteile umweltfreundlicher und langlebiger zu gestalten. Zudem untersuchten die Wissenschaftler*innen wirtschaftliche Aspekte und den ökologischen Fußabdruck von Solarmodulen.
Solarmodule bestehen aus Glas, Kunststofffolien, Solarzellen und Elektronik, die von einem Aluminiumrahmen zusammengehalten werden. Bisher ist es schwierig, diese Komponenten zu trennen, um sie anschließend wiederverwerten oder reparieren zu können. „Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben wir Lösungen für energieeffizientere und umweltfreundlichere Materialien sowie ein neues reparierbares Anschlussdosendesign erarbeitet“, erklärt Prof. Dr. Ulf Blieske vom Cologne Institute for Renewable Energy (CIRE) der TH Köln. Er leitete das Teilprojekt zu nachhaltigem Moduldesign und Reparierbarkeit. Weitere Ziele des Gesamtvorhabens waren ein geringer Material- und Energieverbrauch bei der Herstellung, die Vermeidung umweltbedenklicher Stoffe sowie die Erhöhung des Energieertrags.
Vereintes Know-how aus verschiedenen Instituten
In einem ersten Schritt bündelten mehrere Wissenschaftler*innen der Hochschule aus den Fachbereichen Erneuerbare Energien, Materialwissenschaften und Werkstoffanwendung sowie Lebenszyklusanalyse ihre Expertise. Dazu untersuchten sie konkret drei zentrale Komponenten: Solarglas, Kunststofffolien und Vergussmassen zur Isolierung von Bauteilen.
„Wir haben von einem Unternehmen ein dünnes Solarglas erhalten, das weniger Energie bei der Produktion benötigt, und dessen Stabilität getestet. In den Normen sind die Prüfverfahren aufgeführt. Diese beschreiben, wie man die Stabilität von Solargläsern testen soll. Das Team von Prof. Dr. Ruth Kasper und Hannah Sophie Reichart vom Institut für Konstruktiven Ingenieurbau unserer Hochschule hat entdeckt, dass sich diese Normen nicht auf die besonders dünnen Gläser anwenden lassen und demnach angepasst werden sollten“, erläutert Oliver Pfeiffer, wissenschaftlicher Mitarbeiter vom CIRE. „Zudem haben wir festgestellt, dass Solarglas auch ohne den Zusatz des giftigen Metalls Antimon die notwendige Transmission, also Lichtdurchlässigkeit, erreichen kann.“
Einsatz von umweltfreundlicheren Rohstoffen getestet
Des Weiteren befassten sich die Forschenden mit Kunststofffolien, die in Solarmodulen eingesetzt werden, um die Solarzellen vor Umwelteinflüssen und mechanischen Beschädigungen zu schützen. Dabei wurden nachhaltigere Varianten aus natürlichen Rohstoffen wie Holzfasern oder Reisabfällen getestet. Einige dieser Alternativen erwiesen sich als stabil und recycelbar. Abschließend kamen entfernbare Vergussmassen zur Isolierung von Bauteilen in Anschlussdosen zum Einsatz, in denen sicherheitsrelevante Elektronik verbaut ist. Dadurch können beispielsweise defekte Stecker ausgetauscht und somit Reparaturen erleichtert werden.
„Wir haben mit einigen Partnern aus dem Konsortium ein Folgeprojekt beantragt, welches das Recycling von Solarglas weiter voranbringen soll. Ein weiteres lohnendes Vorhaben wäre die industrielle Erprobung der erarbeiteten Lösungen. Allerdings haben viele Unternehmen ihre Produktion außerhalb Europas verlagert. Wenn umweltfreundlichere Solarmodule marktfähig werden sollen, braucht es politische Unterstützung“, so Blieske.
Lebenszyklusanalyse und marktfähige Lösungen
Neben den technischen Arbeiten und Analysen untersuchte das Team der TH Köln auch wirtschaftliche Aspekte und den ökologischen Fußabdruck von Solarmodulen. Dazu wurde die Produktion zweier Modultypen in Deutschland und China sowie die Rückgewinnung von Materialien am Nutzungsende verglichen. Ein zentrales Ergebnis war, dass bei einer Produktion hierzulande rund ein Viertel weniger Treibhausgasemissionen entstehen.
In einem weiteren Arbeitspaket widmeten sich die Forschenden der Frage, ob nachhaltige Solarmodule eine Chance auf dem Markt haben. Um deren Verbreitung zu erhöhen, müssen neben wirtschaftlichen Strategien auch regulatorische und politische Rahmenbedingungen adressiert werden. In der Praxis haben sich partizipative Workshop-Formate demnach als effektives Instrument bewährt, um den Fokus auf einen Mehrebenenansatz zu lenken.
Über das Projekt
Das Verbundprojekt „GreenSolarModules“ wurde vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE koordiniert. Prof. Dr. Ulf Blieske vom Cologne Institute for Renewable Energy der TH Köln leitete das Teilprojekt zu nachhaltigem Moduldesign und Reparierbarkeit. Von Seiten der Hochschule waren zudem Prof. Dr. Ruth Kasper vom Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Prof. Dr. Martin Bonnet und Prof. Dr. Valérie Varney vom Institut für Material- und Prozesstechnologie sowie Prof. Dr. Ramchandra Bhandari vom Institute for Natural Resources Technology and Management beteiligt.
Weitere Projektpartner waren das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP, das Fraunhofer Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die EXXERGY GmbH (chemisch-thermische Glasbehandlung). Als assoziierte Partner unterstützten KÖMMERLING CHEMISCHE FABRIK GmbH, Ulbrich of Austria GmbH, Hydro Extrusion Nenzing GmbH, Reiling GmbH & Co. KG sowie LuxChemtech GmbH bei Materialtests und Recycling.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Projekt im Rahmen des Programms „Innovationen für die Energiewende“ über drei Jahre mit insgesamt rund 4.368.000 Euro. Davon entfielen etwa 390.000 Euro auf das Teilprojekt der TH Köln.
Die TH Köln zählt zu den innovativsten Hochschulen für Angewandte Wissenschaften. Sie bietet Studierenden sowie Wissenschaftler*innen aus dem In- und Ausland ein inspirierendes Lern-, Arbeits- und Forschungsumfeld in den Sozial-, Kultur-, Gesellschafts-, Ingenieur- und Naturwissenschaften. Zurzeit sind über 21.000 Studierende in mehr als 90 Bachelor- und Masterstudiengängen eingeschrieben. Die TH Köln gestaltet Soziale Innovation – mit diesem Anspruch begegnen wir den Herausforderungen der Gesellschaft. Unser interdisziplinäres Denken und Handeln, unsere regionalen, nationalen und internationalen Aktivitäten machen uns in vielen Bereichen zur geschätzten Kooperationspartnerin und Wegbereiterin.
