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2013-11-06_gmW
Gernot M. Wallner
Präsentation anlässlich des 11. Workshops
Photovoltaik-Modultechnik
TÜV Rheinland
Köln, 11. November 2014
Recyclierbarkeit von PV-
Einkapselungsfolien aus Kunststoff
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2 2014-11-11_gmW 2
Recyclierbarkeit von PV-Einkapselungsfolien aus Kunststoff
Inhalt
Einleitung und Hintergrund
Marktentwicklung Kunststoffe und Potentiale in der Photovoltaik
SolPol-Forschungsinitiative
Einkapselungsmaterialien - Kunststoffe in PV-Modulen
Einbettungsmaterialien
Rück- und Frontseitenfolien
Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien
Innerbetriebliches Recycling
End-of-use Recycling
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3 2014-11-11_gmW 3
Marktentwicklung der Kunststoffe vs. Stahl (Volumsbezogen)
Die Bedeutung der Kunststoffindustrie
Source: Plastics Europe, D (2008)
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4 2014-11-11_gmW 4
Kumulierter, globaler Materialbedarf für 100% REN-Szenario bis 2050 (Basis: Energy[R]Evolution Studie, Greenpeace, 2012)
Entwicklung der Photovoltaik-Industrie
Source: K. Holzhaider, JKU-IPMT (2014)
Jahr Kum. Kunststoff-
bedarf [mio t]
2010 0.5
2020 5.2
2030 12.7
2040 18.4
2050 25.8
Mittlerer, jährlicher
Kunststoffbedarf bis 2050:
0.6 mio t/year
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5 2014-11-11_gmW 5
SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials
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6 2014-11-11_gmW 6
SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials
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7 2014-11-11_gmW 7
SolPol-3: Entwicklungsziele
Backsheet-Lamination
mit extrudierten Folien
Akasol, Krempel (GER)
Stand der
Technik
Kontinuierliche Herstellung von Backsheet/Einbettungs-
und Frontsheet/Einbettungs-Kombinationen
Entwicklungs-
ziele
+
+
+
+
In-line Lamination Co-Extrusion
Laminierter Film
Extrudierter Film extrudierter
Layer 2
extrudierter
Layer 1
Specimen
Constituents
EVA-Elastomere
chemisch vernetzt
(mit Peroxiden)
Thermopl. Elastomere
vornehmlich physikalisch
vernetzt
kürzere Laminations-
zykluszeiten
Kontinuierliche Produktion
(Rolle-zu-Rolle)
verbesserte Performance
Entwicklungs-
ziele Stand der
Technik
Von neuen Materialien …
… zu neuen Prozessen.
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8 2014-11-11_gmW 8
Aufbau von PV-Modulen
Encapsulation (= Einkapselung) umfasst:
a) Embedding (= Einbettung)
b) Frontsheet (meist Glas) und Backsheet (meist Kunststofflaminate)
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9 2014-11-11_gmW 9
Chemischer Aufbau und Eigenschaften von Einbettungsfolien
Ver-
netzung
Material Atomarer
Aufbau
Additive Schmelz-/
Fließtemp., °C
Zersetzungs-
temp., °C
chem
isch
EVA CHO Peroxid, AO, UVA,
Haftverm. - 300 – 500
PVB CHO AO, UVA, Haftverm.
- 250 – 500
physik
alis
ch Ionomer
CHO,
Ca/Zn AO, UVA, Haftverm. < 120°C 300 – 500
Polyolefin CH AO, UVA, Haftverm.
< 120°C 350 – 500
TPSE CHSiON AO, UVA, Haftverm.
~ 140°C 200 – 600
Chemisch oder energetisch recyclierbar (Heizwert: ~ 10 kWh/kg)
Werkstofflich, chemisch oder energetisch recyclierbar
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10 2014-11-11_gmW 10
Einbettungsfolien – Stabilisatoren und Schneckenspuren in EVA
Source: S. Meyer et al., Sol. Eng. Mat. (2014)
Irganox 1010
Irganox 1330
Irgafos 168
Irganox MD 1024
Phosphitisches (P) Antioxidans
Silan (Si) Haftvermittler
Werkstoffliches Recycling von EVA aus Performancegründen nicht sinnvoll
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11 2014-11-11_gmW 11
Chemischer Aufbau und Eigenschaften von Back- und Frontsheets
Klasse Material Atomarer
Aufbau
Additive Schmelz-/
Fließtemp., °C
Zersetzungs-
temp., °C
TPT PVF/PET
/PVF CHF, CHO
AO, UVA, Haftverm.,
20m% TiO2
190, 250 300 – 500
FP FP/PET/
EVA CHF, CHO
AO, UVA, Haftverm.,
15m% TiO2 105, 175, 250 300 – 500
PET Lack/PET
/EVA CHO
AO, UVA, Haftverm.,
10m% TiO2
105, 250 350 – 500
PA PA/PET/
PA CHON
AO, UVA, Haftverm.,
20m% TiO2, SiO2 180, 250 350 – 500
Front-
sheet
ETFE,
FEP CHF UVA, Haftverm. 270 400 – 650
Recyclierbarkeit:
• chemisch oder energetisch
• ETFE, FEP: geringer Heizwert:
~ 2 kWh/kg
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12 2014-11-11_gmW 12
Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien
Case study zum innerbetrieblichen Recycling von Einbettungsmaterialien:
• EVA, PVB, Ionomer
• Verfahrenstechnische und Anlagen-Entwicklung (NGR, Feldkirchen, A)
• Charakterisierung recyclierter Einbettungsmaterialien (JKU-IPMT)
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13 2014-11-11_gmW 13
Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien
Einfluss auf thermische Übergänge und Vernetzbarkeit – EVA
40 60 80 100 120 140 160 180
1E-3
0,01
0,1
1
Folie
Granulat recycliert
Temperatur [°C]
Sp
eic
herm
odu
l E
' [M
Pa
]
Innerbetriebliches Recycling von EVA-Einbettungsfolien prinzipiell möglich
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14 2014-11-11_gmW 14
Recyclierbarkeit von Einkapselungsmaterialien
Einfluss auf thermische Übergänge in der TGA – PVB
100 200 300 400 500 600
0
1
Folie
Granulat recycliert
Temperatur [°C]
rel. M
asse [%
]
Innerbetriebliches Recycling von PVB: Unterschiede feststellbar!
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15 2014-11-11_gmW 15
End-of-Use Recycling von Einkapselungsmaterialien
Hemmnisse für werkstoffliches Recycling:
• Mehrschichtiger Laminataufbau Trennung der Einzelschichten?
• Veränderung der Stabilisierung Abbauprodukte?
• Technologische Weiterentwicklung verbesserte Produkte
• PET und EVA sind kostengünstige Einsatzstoffe Wirtschaftlichkeit?
Energetisches Recycling von Einkapselungsmaterialien
(in der Metallurgie Stand der Technik)
Entwicklung von halogenfreien Kunststoff-Einkapselungsmaterialien auf
Basis von C, H, O, N
Hemmnisse für chemisches Recycling:
• Hoher Energieaufwand für die Pyrolyse der Kunststoffe
• Heterogene Zusammensetzung der Pyrolysegase Trennung