Die nächste Generation von Solarmodulen ist nicht nur effizienter, sondern auch umweltfreundlicher, kreislaufwirtschaftlich und weniger abhängig von Rohstoffen außerhalb Europas. Für die strategische Position Europas sind das keine Nebensächlichkeiten. Es handelt sich um Rahmenbedingungen.
Solarenergie ist das Rückgrat der niederländischen Energiewende. Jedes Jahr kommen Hunderttausende von Solarmodulen hinzu – auf den Dächern von Wohnhäusern und Unternehmen sowie in großen Freiflächenanlagen. Gleichzeitig erreicht die erste Generation von Solarmodulen das Ende ihrer technischen Lebensdauer.
Diese Entwicklung stellt die Branche vor eine umfassendere Herausforderung als nur die Ausweitung. Es geht nicht nur um mehr Solarmodule, sondern um bessere Solarmodule: Module, die weniger von knappen Rohstoffen abhängig sind, sich hochwertig recyceln lassen und den Anforderungen entsprechen, die Europa an eine zukunftssichere Energieversorgung stellt. Denn die heutigen Entscheidungen hinsichtlich Material und Design bestimmen nicht nur die Umweltbilanz der Module, sondern auch ihre Verarbeitbarkeit, ihren Restwert und ihre Anfälligkeit gegenüber sich ändernden gesetzlichen Vorschriften.
Damit stehen Nachhaltigkeit, wirtschaftliche Tragfähigkeit und strategische Autonomie in direktem Zusammenhang. Viele Solarmodule, die heute noch als Standard auf dem Markt gelten, sind im Wesentlichen linear konzipiert: Sie lassen sich nur schwer hochwertig recyceln, sind von Rohstoffen und Produktionsketten außerhalb Europas abhängig und nicht frei von zukünftigen regulatorischen Risiken. Genau hier wächst die Spannung zwischen dem raschen Ausbau der Solarenergie und den Rahmenbedingungen, die erforderlich sind, um dieses Wachstum langfristig tragfähig zu gestalten.
Wie lässt sich das Potenzial der bereits installierten Solarmodule optimal ausschöpfen? Und wie kann sichergestellt werden, dass neue Solarmodule vom ersten Tag an besser auf die Anforderungen der Energiewende abgestimmt sind: sauber, kreislaufwirtschaftlich, wirtschaftlich tragfähig und weniger abhängig von Lieferketten außerhalb Europas? Um diese Fragen zu beantworten, verfolgt TNO gemeinsam mit Partnern einen zweigleisigen Ansatz.
Der erste Ansatz konzentriert sich auf den bestehenden Bestand: Millionen von Modulen, die irgendwann einmal ausgetauscht werden und aus denen wertvolle Rohstoffe zurückgewonnen werden müssen. Rohstoffe, die andernfalls verloren gehen, erneut importiert werden müssen oder als Abfall enden.
Der zweite Ansatz blickt in die Zukunft: Wie lassen sich Solarmodule so konzipieren, dass sie bereits bei ihrer Markteinführung die Anforderungen von morgen erfüllen, frei von Schadstoffen sind, von vornherein auf Recycling ausgelegt sind und in Europa hergestellt werden?
Beide Ansätze sind untrennbar miteinander verbunden. Recyclingtechnologie ist für die bestehende Flotte unerlässlich, doch die nachhaltigste Maßnahme besteht darin, zu verhindern, dass künftige Solarmodule dieselben Probleme mit sich bringen. An beiden Fronten erzielt TNO gemeinsam mit seinen Partnern konkrete Ergebnisse.
Solarzellen sind konstruktionsbedingt so robust, dass sie jahrzehntelang halten, doch genau das ist auch ihre Schwäche, wenn es um das Recycling geht. Glas, Solarzellen und Schutzschichten sind mit starken Klebstoffen miteinander verbunden. Die derzeitigen Recyclingverfahren sind daher meist sehr grob: Zerkleinern oder Erhitzen und anschließende Verarbeitung zu Baumaterialien, beispielsweise für Straßenbeläge oder Brücken. Dabei gehen wertvolle Materialien verloren. Alternative Recyclingverfahren, bei denen versucht wird, Materialien zurückzugewinnen, verbrauchen meist unverhältnismäßig viel Energie.
Die wirtschaftliche Logik ist klar: Bereits im Jahr 2024 wurden rund 24 Prozent des weltweit geförderten Silbers in Solarmodulen verarbeitet. Seitdem ist der Silberverbrauch pro Modul zwar zurückgegangen, macht aber aufgrund des Produktionswachstums nach wie vor einen beträchtlichen Anteil am weltweiten Silberverbrauch aus. Wenn dieser Rohstoff in großem Umfang als Abfall entsorgt wird, bleibt unnötig viel wirtschaftlicher Wert ungenutzt.
Silber, aber auch das Silizium, aus dem die Solarzellen selbst hergestellt werden, sind zudem knappe Rohstoffe. Ihre Rückgewinnung ist daher unerlässlich, zumal die Nachfrage weltweit stark zunimmt. Durch das Wachstum der Solarenergie und anderer Anwendungsbereiche gerät die Verfügbarkeit unter Druck. Gerade deshalb ist es entscheidend, diese Rohstoffe so gut wie möglich im Kreislauf zu halten.
TNO entwickelte daher einen grundlegend anderen Ansatz für das Recycling: eine Lasertechnologie, die gezielt die Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten im Solarmodul auflöst, ohne die darunterliegenden Materialien zu beschädigen. Mit einer erwarteten Rückgewinnungsquote von 99 Prozent für Silber bei einem Bruchteil des Energieverbrauchs bestehender Verfahren wird das Recycling von einem Kostenfaktor zu einer wirtschaftlich attraktiven Rohstoffquelle.
“Bis 2030 erwarten wir in Europa eine beträchtliche Flut ausgedienter Solarmodule. Das ist kein Abfallproblem, sondern eine Chance für die Rohstoffgewinnung.”
Mirjam Theelen, Forschungsleiter bei TNO
Was steckt eigentlich in den gängigen Solarmodulen, die derzeit auf den meisten niederländischen Dächern installiert sind? Die Antwort hat sowohl wirtschaftliche als auch strategische Auswirkungen und ist weniger erfreulich, als die Branche in der Regel zugibt.
Neben dem bereits erwähnten Silber und Silizium besteht ein typisches Solarmodul aus Glas, einem Aluminiumrahmen und Kunststoffen (Verpackung). Der Aluminiumrahmen lässt sich relativ einfach wiederverwerten, was bereits in großem Umfang praktiziert wird. Bei Glas und Kunststoff sieht das anders aus.
Die überwiegende Mehrheit dieser Module wird aus Glas hergestellt, das aus China stammt. Dieses Glas, das etwa 70 Prozent des Gewichts eines Solarmoduls ausmacht, enthält Antimon: ein giftiges Schwermetall, das dem flüssigen Glas beigemischt wird, um Luftblasen zu entfernen und eine transparente und klare Glasmasse zu erhalten. Dieser Veredelungsprozess ist für die Qualität dieses speziellen Glases, das für Solarmodule verwendet wird, unerlässlich, macht das Endprodukt jedoch gleichzeitig problematisch.
Antimon ist schädlich für Mensch und Umwelt und gilt als kritischer Rohstoff, dessen Gewinnung sich stark auf Gebiete außerhalb Europas konzentriert. Daher ist es eine Herausforderung, das Glas am Ende seiner Lebensdauer in großem Maßstab hochwertig zu recyceln, und in der Praxis landet es oft in minderwertigeren Anwendungen, beispielsweise im Bauwesen als Füll-, Dämm- oder Fundamentmaterial. Ein Teil des Materialwerts geht dadurch unvermeidlich verloren. Jedes Solarmodul enthält durchschnittlich mehrere Dutzend Gramm Antimon.
Neben Antimon spielen auch PFAS eine Rolle in der Diskussion um nachhaltige Solarmodule. PFAS, die als ‘Forever Chemicals’ bekannt sind, da sie in der Umwelt praktisch nicht abgebaut werden, werden in den schützenden Kunststoffschichten von Solarmodulen verwendet. Um welche Schichten es sich dabei handelt, hängt von der Konstruktion des Moduls ab.
Innerhalb der EU läuft bereits seit 2023 ein REACH-Beschränkungsverfahren, das auf ein Verbot von PFAS in Solarmodulen abzielt und sich nun seiner Endphase nähert. Für Akteure, die derzeit in PFAS-haltige Module investieren, stellt dies ein regulatorisches Risiko mit unmittelbaren finanziellen Folgen dar.
Die Materialauswahl bei der Konstruktion bestimmt also unmittelbar, wie gut sich ein Modul recyceln lässt, welche regulatorischen Risiken damit verbunden sind und wie groß die Abhängigkeit von externen Rohstoffketten ist. Das sind keine technischen Details. Es handelt sich um wirtschaftliche und strategische Entscheidungen.
Während TNO an einer besseren Wiederverwertung der derzeit installierten Solarmodule arbeitet, läuft parallel dazu die Entwicklung einer neuen Modulgeneration, die diese Probleme bereits an der Quelle angeht. “Circular by Design” – vom ersten Produktionstag an. Dieser Ansatz umfasst zwei Ebenen: das, was bereits heute verfügbar ist, und das, was in Kürze auf den Markt kommen wird.
Ein anschauliches Beispiel dafür, dass dies bereits heute möglich ist, liefert Solarge, ein niederländischer Hersteller mit einem Werk im limburgischen Weert, der bereits leichte Solarmodule auf den Markt bringt, die völlig frei von PFAS und Antimon sind, und damit den kommenden europäischen Vorschriften einen Schritt voraus ist. Die Module bestehen aus Kunststoff statt aus Glas, wodurch sie etwa halb so schwer sind wie herkömmliche Module.
Daher eignen sie sich für Dächer, die die Last herkömmlicher Solarmodule nicht tragen können – eine Kategorie, deren Fläche schätzungsweise der Gesamtfläche aller bisher in den Niederlanden installierten Solarmodule entspricht.
Die Module sind vollständig nach dem Kreislaufprinzip konzipiert: Die Rückgewinnung von Materialien bringt am Ende der Lebensdauer Erlöse statt Kosten. Solarge bietet seinen Kunden eine Rücknahmegarantie – Kreislaufwirtschaft als Geschäftsmodell und nicht als Marketingversprechen.
Dass die Lasertechnologie funktioniert, wurde im Vollmaßstab nachgewiesen. Im Rahmen des CVER-Projekts (Circulaire Verwerking van Zonnepanelen, Kreislaufwirtschaft für Solarmodule) wandte TNO die Lasertechnologie auf komplette Module von Solarge an, leichte Solarmodule aus Kunststoff, die vollständig frei von PFAS und Antimon sind. An diesem Projekt arbeitet auch ein weiterer Partner aus der Lieferkette mit, das Recyclingunternehmen MIREC.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich zirkuläres Design und hochwertiges Recycling gegenseitig verstärken. Bei der Demontage der Solarge-Module mithilfe der Lasertechnologie wurde Folgendes erreicht:
Die PFAS-freie Kunststoff-Rückseite (Polypropylen mit Glasfasern) ließ sich problemlos ablösen, wiederverwenden und erneut laminieren – ein direkter Beweis für einen geschlossenen Materialkreislauf.
Die Polymer-Deckschicht ließ sich nach dem Lasern und einer leichten Erwärmung problemlos vom Modul entfernen, ohne die darunterliegenden Schichten zu beschädigen.
Mehr als 99 Prozent des Wafermaterials wurden zurückgewonnen, wobei die Reinheit bei über 99,9 Prozent lag.
Obwohl Solarge-Module aufgrund ihrer Konstruktion ohnehin schon außergewöhnlich silberarm sind – was an sich schon einen Nachhaltigkeitsvorteil darstellt –, konnten in ersten Tests bereits 93 Prozent des enthaltenen Silbers mit einer Reinheit von über 96 Prozent zurückgewonnen werden.
Intelligent konzipierte Module lassen sich auch intelligenter recyceln. Die Ergebnisse belegen, dass diese doppelte Logik funktioniert: Bessere Materialien zu Beginn bedeuten bessere Erträge am Ende der Lebensdauer und damit niedrigere Gesamtsystemkosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
Der nächste Schritt sind Solarmodule, die nicht aus Silizium, sondern aus Perowskit hergestellt werden.
TNO stellt fest, dass weltweit viele Akteure auf eine neue Solarzellentechnologie setzen: die Perowskit-Solarzellentechnologie, die häufig auf Glas aufgebracht wird.
Im Gegensatz zu vielen anderen Akteuren entscheidet sich TNO bewusst für die Roll-to-Roll-Technologie mit flexiblen Folien und nutzt dabei das Wissen und die Erfahrung des niederländischen Ökosystems. Anwendungsbereiche des Endprodukts liegen sowohl in maßgeschneiderten Leichtbau-Folien, die Solarstrom erzeugen, als auch in der Leichtbau-Technologie für kreislauffähige Solarmodule mit Polymeren, wie sie beispielsweise von Solarge eingesetzt wird.
TNO und Solarge haben gemeinsam bereits einen Prototyp eines Perowskit-Solarmoduls in einer einzigartigen Polymerkonstruktion entwickelt – eine niederländische Weltneuheit, die diese beiden innovativen Technologien vereint. Die lichtabsorbierende Schicht wurde mithilfe des Roll-to-Roll-Fertigungsverfahrens von TNO für Perowskit hergestellt, bei dem Solarzellen sozusagen auf einem Fließband gefertigt werden, ähnlich wie beim Drucken einer Zeitung. Solarge steuert das Know-how für die Kunststoffkonstruktion rund um diese Zellen bei – derselbe Ansatz wie bei ihren bestehenden Modulen: leicht, kreislauffähig und glasfrei.
Eine zusätzliche Herausforderung, an der verschiedene Akteure gemeinsam mit u. a. TNO arbeiten, besteht darin, diese Kunststoffkonstruktion PFAS-frei zu halten. Derzeit wird intensiv an der Wirksamkeit dieser Schichten geforscht, wobei Kosten, Verfügbarkeit und Zertifizierbarkeit berücksichtigt werden. Der Prototyp zeigt bereits, dass die Kombination der Technologien grundsätzlich für den Schritt hin zu mehrschichtigen Perowskit-Solarzellen geeignet ist, bei denen die CO₂-Emissionen voraussichtlich unter 10 Gramm pro Kilowattstunde liegen werden – ein Bruchteil dessen, was bei herkömmlichen Solarmodulen anfällt.
Solarge und TNO arbeiten an Plänen, um die Technologie so schnell wie möglich zu einem ausgereiften Produkt weiterzuentwickeln, unterstützt durch das Wachstumsfondsprojekt SolarNL.
“Damit übernehmen die Niederlande weltweit eine Vorreiterrolle im Bereich der Nachhaltigkeit, und langfristig sind auch Preisdurchbrüche möglich.”
Gerard de Leede, CTO bei Solarge
Eine nachhaltige Energiekette, in der wir selbstständig erneuerbare Energie erzeugen, macht die Niederlande und Europa in wirtschaftlicher, klimatechnischer und politischer Hinsicht widerstandsfähig. Wer Solarenergie als Grundlage der Energiewende nutzen will, muss auch über die Kette hinter diesen Solarmodulen nachdenken. Europa ist derzeit stark von Komponenten aus China abhängig, von Glas bis hin zu seltenen Erden. Diese Abhängigkeit macht die Energiewende strukturell anfällig: gegenüber Preisschwankungen, geopolitischen Spannungen und Lieferrisiken.
Die Innovationen, die TNO und seine Industriepartner entwickeln, bieten auf jeder dieser Ebenen ein Gegengewicht. Die Perowskit-Technologie lässt sich vor Ort mit Materialien herstellen, die größtenteils in Europa verfügbar sind. Leichte Kunststoffmodule verringern die Abhängigkeit von chinesischem Glas. Kreislauforientierte Material- und Designentscheidungen machen die Module zukunftssicher. Fortschrittliche Recyclingtechnologie hält wertvolle Rohstoffe in der europäischen Wertschöpfungskette. Und eine wachsende europäische Fertigungsindustrie rund um neue PV-Technologien vergrößert den strategischen Handlungsspielraum von politischen Entscheidungsträgern und der Industrie.
Strategische Energieautonomie ist kein ideologischer Standpunkt. Sie ist eine wirtschaftliche Grundvoraussetzung. Wer die Kontrolle über die Versorgungskette behält, behält auch die Kontrolle über die Kosten und die Kontinuität der Energieversorgung.
Die Energiewende kann nur dann gelingen, wenn sie auch wirtschaftlich tragfähig und strategisch solide ist. Das erfordert mehr als nur die Installation weiterer Solarmodule. Es erfordert Module, die die Rohstoffkette entlasten statt zu belasten, die ohne Wertverlust recycelbar sind und die Europa weniger abhängig von Lieferketten außerhalb des Kontinents machen.
TNO ist an beiden Fronten aktiv: zum einen an fortschrittlicher Recyclingtechnologie, mit der wertvolle Rohstoffe aus bestehenden Modulen zurückgewonnen werden, und zum anderen an einer neuen Generation, die diese Probleme bereits an der Quelle angeht. Von kreislauffähigen Kunststoffmodulen, die bereits heute auf niederländischen Dächern liegen, bis hin zu Perowskit-Solarzellen, die am Fließband produziert werden, von maßgeschneiderten Solarfolien bis hin zu geschlossenen Materialkreisläufen: Die Technologie, um die Solarbranche zukunftssicher zu machen, befindet sich in der Entwicklung und ist teilweise bereits verfügbar.
Die nächste Generation von Solarmodulen ist nicht nur effizienter. Sie sind umweltfreundlicher, kreislaufwirtschaftlich und strategisch sinnvoller. Und sie sind näher, als man denkt.
Link zum Originalartikel: Solarenergie der Zukunft: sauberer, kreislaufwirtschaftlich und europäisch
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