Wanneer chemicus Andreas Obst naar de binnentuin van het Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) in Halle (Saale) wandelt, komt hij voorbij een bijzonder zonnepaneel. Hij heeft dit, samen met andere onderzoekers, uit afgedankte en verbrijzelde fotovoltaïsche zonnecellen (PV-cellen) gemaakt. Het gaat om een 20 kg zware standaardmodule met 60 zonnecellen uit kristallijn silicium en een efficiëntie van 19,7 procent - dat is slechts een paar procent minder dan gloednieuwe zonnecellen uit de fabriek.

Maar in vergelijking met de massa's zonnepanelen die straks in het afvalcircuit zullen terechtkomen, is de module in de tuin van dit onderzoeksinstituut in de Duitse deelstaat Sachsen-Anhalt maar peanuts. Nu al worden er in Duitsland jaarlijks bijna 10.000 ton afgedankte zonnecellen naar recyclagepunten gebracht. In 2024 zullen dat er zes keer zoveel zijn, terwijl de grootste afvalgolf pas in 2029 volgt. Dat is 20 jaar na de eerste grote plaatsingsperiode, zegt professor Peter Dold (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, kortweg ISE, in Freiburg). Het ISE schat dat er tegen dan alleen al in Duitsland tussen 400.000 en één miljoen ton zonnepanelen verwijderd moet worden. Per jaar.

In de hele wereld zal het aantal uitgediende en af te voeren PV-installaties binnenkort sterk toenemen. Vanaf 2040 kan het wereldwijd om 27 miljoen ton gaan, schat het Noorse energieconsultancybedrijf Rystad Energy. De grootste berg afgedankte zonnecellen wordt volgens experts in China verwacht, gevolgd door de VS, Japan en India. Duitsland belandt in die afvalranking op plaats vijf. Nog eens tien jaar later, schat het internationale energieagentschap IEA, zou het wereldwijd zelfs om 80 miljoen ton kunnen gaan. Dat is evenveel als het gewicht van alle wilde dieren op aarde samen.

Weinig hoogwaardige recyclage

Bovenstaande cijfers zijn schattingen, omdat de af te voeren hoeveelheden sterk kunnen schommelen. Het gaat immers niet alleen om versleten zonnepanelen, maar ook om verlies door natuurrampen, zoals orkanen, aardbevingen of overstromingen. Niemand weet hoeveel zonnepanelen er vroegtijdig, dus voor het einde van hun normale levenscyclus (20-30 jaar), zullen sneuvelen; het rendement en de levensduur van nieuwe hyperefficiënte zonnecellen zullen mogelijk wel hoger liggen.

Maar ondanks de onzekere cijfers over de toekomstige afvalstroom schieten de plannen voor een gestructureerde recyclage van afgedankte zonnepanelen maar heel traag op. Zo hebben landen als Japan, Zuid-Korea, China en Australië momenteel geen nationaal programma om PV-modules te recycleren. Er wordt wel over diverse technologieën gediscussieerd, maar concreet staat weinig in de startblokken. De Verenigde Staten bekijken vooral hoe die enorme berg straks in de bestaande afvalregeling kan ingepast worden, terwijl China wel al aan economisch rendabele technologische oplossingen werkt.

In Europa is de afvalreglementering tenminste al duidelijker: de recyclage van fotovoltaïsche zonnecellen is geregeld. Zonnepanelen vallen in de Europese landen onder de elektrische toestellen, en die moeten volgens de WEEE-richtlijn (Waste from Electrical and Electronic Equipment) behandeld worden. Het is echter vrij makkelijk om aan die eisen te voldoen: het volstaat om zonnepanelen te ontmantelen door de kabels en het aluminium frame te verwijderen, en het glas eruit te halen. Het koper uit de kabels, het glas en het aluminium zijn samen goed voor meer dan 85 procent van het gewicht van een zonnepaneel. Daarmee wordt het quotum van Europa al gehaald, zegt Ian Marius Peters (Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien). Het glas uit de bedekking kan echter alleen maar gebruikt worden voor glaswol. De rest - silicium, zilver, tin, lood en kunststof - belandt meestal op de afvalhoop of in de verbrandingsoven. Het zou al een heel ander verhaal zijn als de quota niet alleen betrekking zouden hebben op het totale gewicht, maar ook op de afzonderlijke materialen, stelt Peters. Maar daarover wordt voorlopig enkel gepraat.

Gemaakt voor de eeuwigheid?

Hoewel de meeste grondstoffen van zonnepanelen niet als schaars worden beschouwd, zijn de modules toch te waardevol om weg te gooien. Zo gebeurt de winning van hoogzuiver silicium uit kwartszand bijvoorbeeld bij meer dan 2.000 graden Celsius - dat vraagt een hoop energie. Nu bestaat het grootste deel van fotovoltaïsche zonnecellen (die het zonlicht dus omzetten in elektrische stroom) precies uit silicium. Maar juist die PV-cellen belanden meestal nog op de afvalberg. Eén ton afval van zonnepanelen bevat zo'n 25-50 kilogram silicium: het vraagt veel energie en chemie om dit uit de met elkaar versmolten lagen te halen.

Het moeilijkste is om de zonnecellen weer in aparte componenten te scheiden. Zonnepanelen zijn immers gemaakt om ruige omstandigheden te trotseren - anders zouden zand, sneeuw, hitte, koude en vochtigheid snel schade toebrengen. De verschillende lagen in zonnepanelen worden dus stevig versmolten, gelijmd en ingepakt in kunststoffolie om in alle weersomstandigheden stand te houden en een levensduur van meer dan 20 jaar te halen. Juist die weersbestendigheid maakt het moeilijk om de materiaallagen in dit stevige laminaatpakket los te maken.

Andreas Obst heeft samen met andere onderzoekers uit het Fraunhofer ISE en IMWS onderzocht hoe die demontage toch goed kan lukken. Hij wilde bewijzen dat een industriële recyclage van silicium uit zonnepanelen mogelijk is. Het resultaat staat nu dus sinds begin 2022 in de tuin van het Fraunhofer CSP en werkt prima. Wie hier passeert, kan op een schermpje aflezen hoeveel zonne-energie de module zopas heeft geoogst.

Bij dit demontageproces komt er echter heel wat kijken. Eerst worden de zonnecellen op de gebruikelijke mechanische manier vermalen met een shredder, tot een grootte van 0,5 tot 2 millimeter. In die verbrijzelde materiaalmix worden de stukjes glas en silicium dan elektrostatisch gescheiden, de kunststof wordt via sortering op dichtheid verwijderd. Daarna worden de lagen via nat-chemisch etsen verwijderd, waardoor ook het zilver uit de contacten herwonnen wordt. Het zilver maakt maar een fractie van het totale gewicht uit, maar is wel goed voor bijna de helft van de teruggewonnen materiaalwaarde. In een laatste stap worden de antireflectiecoating en de emitter chemisch losgemaakt, tot enkel nog het silicium uit de zonnecel overblijft. Dit gerecycleerde silicium wordt aan het Fraunhofer ISE gekristalliseerd en daaruit worden dan wafers (dunne plakken) gezaagd. Uit de zo herwonnen grondstof worden vervolgens hoogwaardige zonnecellen voor zonnepanelen geproduceerd.

Loont het de moeite?

De ecologische balans voor hun procedé hebben de Fraunhofer-onderzoekers echter nog niet opgemaakt. ‘Het was onze bedoeling om na te gaan of zoiets wel principieel mogelijk is’, zegt Obst. En dat dus met technieken die commercieel ingezet kunnen worden. Lukt de mechanische scheiding? Werkt de chemische methode, zodat je daaruit voldoende zuiver silicium voor zonnecellen kunt kristalliseren? Dat waren de eerste belangrijkste vragen.

Flaxres, een bedrijf uit Dresden, heeft het over een ander boeg gegooid, zonder chemicaliën. Zij bestraalden een compleet zonnepaneel in een aparte ruimte met korte, energie-intensieve lichtflitsen. Tijdens de lichtimpulsen warmen de verbindingen in een fractie van een seconde op tot enkele honderden graden. Daarbij brokkelt de folie van de siliciumchip en smelt de kunststof af. En terwijl de zonnecellen in stukken verkruimelen, springen ook de laatste restjes folie eraf. Na afloop zijn het glas, de folie en het silicium zuiver van elkaar gescheiden. De commerciële start met vijf kleine mobiele installaties is echter uitgesteld en wordt nu gepland voor 2024, is op de website van Flaxres te lezen.

‘Separation method using heated blade - scheidingstechniek met een heet mes’, zo omschrijft een Japans bedrijf zijn methode om glas en zonnecellen van elkaar los te maken. Een mes wordt tot 300 graden Celsius verwarmd en dan tussen het glas en de kunststoflaag ingebracht: het mes schaaft de folie dan in één keer van het glas. Dat lost niet alleen de verbinding, maar levert ook zuiver glas op dat goed gerecycleerd kan worden. Maar ook deze techniek beperkt zich voorlopig tot een testinstallatie.

De technologieën bestaan dus in principe al, maar op dit moment kunnen ze nog niet commercieel ingezet worden voor industriële toepassingen. Dat gebeurt alleen wanneer dat wettelijk is voorgeschreven, zoals bij First Solar in Frankfurt/Oder. Het bedrijf produceert 'dunnefilmpanelen' en brengt die in Duitsland op de markt. Deze zonnecellen met lagen uit cadmiumtelluride (CdTe) of koper-indium-galliumselenide (CIGS) mogen in Duitsland enkel verkocht worden samen met een recyclageconcept.

First Solar heeft de afgelopen jaren 200.000 ton ingezameld en gerecycleerd, ook de grondstoffen uit de coating worden voor nieuwe zonnemodules gebruikt. Het bedrijf verwerkt intussen elk jaar ongeveer 10.000 ton. Dunnefilmpanelen beslaan echter slechts een fractie van de toekomstige afvalstroom zonnepanelen. Wereldwijd bedraagt hun aandeel in al geplaatste zonnemodules slechts vijf procent. De actieve laag is met een dikte van een tot vijf micrometer ook duidelijk dunner dan de 180 micrometer bij siliciumzonnecellen, die de markt domineren.

Een tweede leven voor oude zonnepanelen

Samengevat: technologieën die verder gaan dan hergebruik van glas en aluminium bestaan voorlopig alleen maar als onderzoeksproject. De stap naar commercialisering ontbreekt, zegt Peters, ‘omdat men sterk het gevoel heeft dat daar nog genoeg tijd voor is.’

En als er dan toch rendabele recyclingsystemen voor gebruikte materialen komen, moet er nog een horde genomen worden. Andreas Obst ziet in de grote variatie aan zonnepanelen een enorme uitdaging. Zelf heeft hij al meer dan 500 verschillende types genoteerd. En dat is maar een fractie van wat er op de markt is. Daar zitten ook wel ‘grappige dingen’ bij, zegt hij, zoals een tussenlaag uit glasvezelmatten, of koperen in plaats van zilveren contacten. Eén element zou consequenties hebben voor zijn techniek: als het doteren van boor in de zonnecel zou veranderen, dan werkt zijn methode voor de recyclage van silicium niet meer. Een andere oplossing voor het vaak willekeurig gemengde zonnepaneelafval ziet hij in een QR-code die op elke module wordt aangebracht. Dat zou ook een voorsortering op de inzamelpunten mogelijk maken.

Natuurkundige Ian Marius Peters wil echter meer dan alleen economisch interessante recyclagetechnologieën. Hij onderzoekt nog een andere oplossing om de afvalbergen te beperken. ‘Ik wil niet alleen weten hoe je recyclingtechnieken kunt ontwikkelen, maar ook hoe je zonnepanelen al van in het begin zo kunt construeren dat je ze aan het einde van hun levensduur stukken eenvoudiger uit elkaar kunt halen en hun grondstoffen weer in de kringloop kunt brengen.’ Ook wetenschappers van de onafhankelijke Nederlandse Organisatie voor toegepast natuurwetenschappelijk onderzoek (TNO) en het Industrial Technology Research Institute in Taiwan zoeken naar slimme manieren om de verbindingslagen en inkapseling eenvoudiger los te maken. Het zal dus nog wel een tijd duren voor de nieuwe generatie zonnepanelen met zo'n 'specifieke breukplaats' op de markt komt.

Daarom vindt Peters nog iets heel anders belangrijk. Tien tot vijftig procent van alle afgedankte en ingezamelde zonnepanelen zijn namelijk niet per se onbruikbaar. Sommige hebben nog steeds 80 procent van hun oorspronkelijke efficiëntie. Er zijn dan ook bedrijven die zich gespecialiseerd hebben in een tweede leven hiervoor. Alleen wordt dit hergebruik in Duitsland niet gestimuleerd. Dus bestaan er ook distributienetwerken die de modules naar Afrika of Oost-Europa transporteren. Dat moet je met de nodige voorzichtigheid bekijken, vindt Peters, ‘want zo zitten zij met onze afval opgescheept en hebben we die reusachtige afvalberg die eraan komt alleen maar verplaatst.’