Wiedergewinnung von Wertstoffen der Photovoltaik, Anreicherung und Dekontamination – RESOLVED

Stand

Das Projekt wurde zum 30. September 2007 abgeschlossen.

Die Ergebnisse des Vorhabens sind im Schlussbericht sowie als Kurzfassung im Layman-Report dargestellt.

Im Folgenden sind exemplarisch die wichtigsten Ergebnisse des Vorhabens aufgeführt:

Die Dünnschichttechnologie auf der Basis der Halbleiterelemente Cd/Te sowie Kupfer-Indium-Disulfid/Diselenid gewinnt aufgrund der vergleichsweise geringen Produktionskosten und des niedrigen Energie- und Materialverbrauchs bei der Herstellung zunehmend an Bedeutung. Mit der in den kommenden Jahren steigenden Nachfrage an Dünnschichtmodulen und der abnehmenden Ressourcenverfügbarkeit gewinnt die nachhaltige Nutzung vorhandener Rohstoffe zunehmend an Bedeutung. Innerhalb des RESOLVED-Projektes (Recovery of Solar Valuable Materials, Enrichment and Decontamination) wurde die Machbarkeit eines nachhaltigen Recyclingprozesses für Dünnschicht-Photovoltaikmodule demonstriert. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Recyclingstrategie unterscheidet zwei Arten von gebrauchten Modulen, zum einen Module mit intaktem Glas und zum anderen Module mit Glasbruch. Die Strategie für das Recycling von Dünnschichtmodulen wird als geschlossener Doppelkreislauf geführt. Die technische Umsetzung der Recyclingstrategie für Module mit intaktem Glas beinhaltet das thermische Öffnen des Moduls, sodass die Halbleiterschicht auf dem Trägerglas freiliegt und mittels Vakuumsaugstrahlverfahrens abgestrahlt werden kann. Die Halbleitermaterialien werden mittels nassmechanischer Aufbereitung (Flotation) aufkonzentriert. Die Aufbereitung von Modulen mit Glasbruch erfordert andere Aufbereitungsprozesse. Diese Prozesse beinhalten die Zerkleinerung der Module in einer Mühle, die nassmechanische Behandlung des zerkleinerten Materials mittels Attrition sowie die Separation der Feinfraktion (<150µm) der Halbleiterwertstoffe.
Diese beiden Aufbereitungsverfahren waren Gegenstand des Projektes. Innerhalb der letzten Projektphase wurde ein Konzentrat von wieder gewonnenen Cd/Te aufgereinigt und die Qualität untersucht. Die Qualität und Reinheit der recycelten Cd/Te-Materialien ist vergleichbar mit der Qualität und Reinheit natürlicher Vorkommen der Halbleiterelemente. Es ist zu erwarten, dass die wieder gewonnenen Halbleiterelemente dem Produktionsprozess neuer Dünnschichtmodule zugeführt werden können. Die Bewertung der Recyclingprozesse bezüglich ihrer Umweltverträglichkeit erfolgt auf der Grundlage des Life Cycle Assessment (LCA). Es hat sich gezeigt, dass die Recycling-Option mit der Zerkleinerung der Module und anschließender nassmechanischer Aufbereitung nutzbringend in allen betrachteten Kategorien ist. Die Variante mit der thermischen Öffnung der Module wirkt sich nachteilig auf die Bewertungskategorien globale Erwärmung, Ozonabbau, Potential und Verbrauch nicht erneuerbarer Energien aufgrund der Tatsache aus, dass dieser Prozess mehr Energie erfordert als die mechanischen Behandlungsmethoden.

Ergebnisse

Vorbehandlung der Module
Thermische Auftrennung
Die Versuche zur Öffnung der vollständigen Dünnschichtmodule mittels thermischer Energie zeigten, dass eine Öffnung der Module bei etwa 500°C möglich ist. Beim thermischen Öffnen bleiben die Glassplatten in ihrer Form weitgehend erhalten und können anschließend durch Abstrahlen der Oberfläche behandelt werden.

Trennung der Halbleiterschicht vom Trägerglas

Mittels Vakuumsaugstrahlverfahren wurde die Halbleiterschicht erfolgreich vom Trägerglas abgestrahlt. Die effektivsten Strahlmittel waren Glaskugeln, Zirkonoxid, Aluminiumoxid sowie Eisen.

Abbildung: Resultat eines vierfachen Strahlversuchs eines 30x30 cm Cd/Te Moduls

Mechanische Zerkleinerung

Cd/Te- Module mit gebrochenem Glas wurden in einer Hammermühle zerkleinert. Nach der Zerkleinerung lagen Glasfraktionen mit Anhaftungen von Halbleitermaterial und EVA-Stücke mit bis zu 50 mm Durchmesser vor, die der nassmechanischen Aufbereitung zugeführt wurden.

Nassmechanische Aufbereitung
Attrition
Die weitere Aufbereitung der zerkleinerten Module erfolgte durch Attritionsversuche. Die zunächst im Rhönrad-Mischer durchgeführten Versuche ergaben zwar eine erfolgreiche Separation der Halbleiterbeschichtung vom Trägerglas, insbesondere wurden in der Kornfraktion >4mm, aber die lange Behandlungsdauer sowie die geringe Trennung der Halbleiterbeschichtung vom Glas in der Kornfraktion < 2mm führte dazu, die Attritionsversuche im Eirich-Mischer fortzusetzen. Im Gegensatz zum Rhönrad-Mischer wird im Eirich-Mischer durch den höheren Energieeintrag auch die kleine Glasfraktion von der Halbleiterschicht getrennt.

Abbildung mikroskopische Aufnahme der gereinigten Glasfraktion

Anreicherung der Wertstoffe
Hydrozyklon
Zur Demonstration wurde ein Versuch mit Cd/Te-haltigem Material durchgeführt. Das Ergebnis dieses Versuches zeigt, dass die Halbleiterelemente vom Suspensionsrest mittels Hydrozyklon getrennt werden können.

Flotation
Es wurden verschiedene Materialien der Saugstrahlversuche sowie der Attritionsversuche auf das Potential der Anreicherung von Halbleiterelementen mit Hilfe der Flotation untersucht. Die Ergebnisse der Flotationsversuche zeigen, dass die Halbleitermaterialien aus Cd/Te und CIS- Dünnschichtmodulen von Glaspartikeln und EVA-Folie erfolgreich abgetrennt werden können.

Aufreinigung
Das während der Flotation angereicherte CdTe wurde, um den Reinheitsgrad zu erhöhen, hydrometallurgisch aufkonzentriert. Damit konnte der für die Produktion neuer Module erforderliche Reinheitsgrad erreicht werden

Analytik
Im Rahmen des Projektes wurden die Analysemethoden Instrumentelle Photonenaktivierungsanalyse und die energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie eingesetzt und erwiesen sich als geeignete Methoden der zerstörungsfreien Großmengenanalytik. Die Resultate dieser Messungen wurden anhand der Vergleichsergebnisse herkömmlicher Analyseverfahren (ICP-OES) evaluiert.

Untersuchungen zur Nachhaltigkeit
Die Bewertung der Nachhaltigkeit erfolgte auf der Basis eines Life Cycle Assessment (LCA).
Es konnte herausgestellt werden, dass die nassmechanische Aufbereitung der Module klare Vorteile bezüglich der Umweltverträglichkeit im Vergleich zur thermischen Behandlung sowie zur Deponierung der Abfälle aufweist.

Projektnummer: LIFE04 ENV/D/000047

Aktualisiert am: 2008-10-01