HSBI-Promotionsprojekt: Zirkuläre Nutzung von Photovoltaik-Modulen?

Bielefeld (hsbi). Der Klimawandel und die zunehmende Ressourcenknappheit stellen bedeutende Herausforderungen für die Gesellschaft dar, wobei die Photovoltaik (PV) eine Schlüsselrolle in der Energiewende spielt. Über eine mögliche zirkuläre Nutzung von PV-Modulen forscht Katharina Schnatmann an der Hochschule Bielefeld (HSBI): „Bislang stehen beim Design von PV-Modulen kreislaufschließende Prozesse, wie die Reparatur und das Recycling, jedoch in der Regel noch nicht im Fokus.“. Im Gegenteil: die Photovoltaikindustrie ist durch lineare Wirtschaftsstrukturen, energieintensive Produktion, Downcycling und geringe Nachhaltigkeit geprägt. Einen Ansatzpunkt für nachhaltige Technologien bietet die zirkuläre Wertschöpfung oder Circular Economy mit ihren Prinzipien des zirkulären Designs. An dieser Stelle will Katharina Schnatmann mit ihrem Forschungsprojekt ansetzen.

In Experteninterviews mit Recyclingunternehmen konnte sie spezifische Herausforderungen im Moduldesign identifizieren, darunter schwer lösbare Verbindungen und der Einsatz giftiger Materialien. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Handlungsempfehlungen für ein nachhaltiges Design abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass kreislauffähige Alternativen existieren, deren Implementierung in der PV-Industrie jedoch weitere Untersuchungen erfordert. Prof. Dr. Eva Schwenzfeier-Hellkamp weist auf einen rechtlichen Aspekt hin: „Angesichts der sich weiterentwickelnden EU-Ökodesign-Anforderungen wird das Design kreislauffähiger Produkte immer wichtiger. Die Arbeit von Katharina Schnatmann legt daher das Fundament für weiterführende Untersuchungen in diesem Bereich.“

Schon im Bachelor erste Einblicke in die Forschung bekommen

Doch der Reihe nach: Bereits in ihrem Bachelorstudium der Regenerativen Energien begeisterte sich Katharina Schnatmann für die Forschung am Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik: Dort lernte sie das Institut für Technische Energie-Systeme (ITES) kennen: „2020 bin ich mit einer Untersuchung von cradle-to-cradle zertifizierten PV-Modulen im Rahmen eines Bachelorprojektes das erste Mal mit dem Thema in Berührung gekommen.“ Cradle-to-cradle, also von der Wiege zur Wiege, oder kurz: C2C, ist ein Ansatz für eine zirkuläre Wertschöpfung, der Abfall eliminiert, indem Produkte so designt werden, dass sie nach der Nutzung vollständig in biologische oder technische Kreisläufe zurückfließen. „Ich habe mich mit kristallinen PV-Modulen beschäftigt und geschaut, wie nachhaltig die nach dem cradle-to-cradle Prinzip zertifizierten Module wirklich sind“, erklärt Katharina Schnatmann. Die Erkenntnisse aus dem Projekt: selbst die C2C-zertifizierten Module haben im Grunde nicht viel mit einer Circular Economy zu tun, wie Schnatmann weiter erklärt: „Es findet auch bei diesen Modulen primär Downcycling statt, das heißt die ursprünglichen Materialien werden zu minderwertigeren weiterverarbeitet. Die Qualität und Eigenschaften des Ausgangsmaterials gehen dabei verloren. Echte Kreislaufprozesse in der Nutzung, wie Reparatur und strukturierte Wiederverwendung spielen keine große Rolle. Zudem ist die Modulherstellung sehr ressourcenintensiv.“ Diese Ausgangssituation war für sie der Aufhänger für viele weitere Arbeiten im Bachelor Regenerative Energien und ihrem anschließenden Master Elektrotechnik, darunter eine erste Untersuchung von Second-Life Modulen im Rahmen der Masterarbeit. Second-Life bedeutet, gebrauchten Modulen ein zweites Leben – „second Life“ – zu schenken. Geeignete Module, beispielsweise vom Recycler, werden im Idealfall gesäubert, professionell geprüft und rezertifiziert sowie im Anschluss wieder verkauft und installiert.

Das Promotionsthema steht: Zirkuläre Design-Ansätze für kristalline Photovoltaikmodule stehen im Fokus

Aus all den Arbeiten ist inzwischen ihr Promotionsthema gewachsen, welches sie seit Januar 2025 offiziell am Promotionskolleg NRW bearbeitet: „Entwicklung von zirkulären Design-Ansätzen für kristalline Photovoltaikmodule auf Grundlage einer integrativen Potenzialanalyse der R-Prinzipien“.

Die R-Prinzipien sind Leitlinien der Circular Economy, die den Ressourcenverbrauch minimieren und Abfälle durch gezielte Maßnahmen über den gesamten Produktlebenszyklus vermeiden sollen. Sie reichen von „Refuse“ (Vermeidung) über „Reduce“ (Reduzierung) bis hin zu „Recycle“ (stoffliche Verwertung). Das Ziel ist eine nachhaltige zirkuläre Wertschöpfung. Im Exposé für ihre Arbeit heißt es: „Im Rahmen dieser Promotion sollen zirkuläre Design-Ansätze für kristalline Photovoltaikmodule entwickelt und somit für eine essenzielle Technologie der Energiewende eine ressourcenschonende und ganzheitlich nachhaltige Lösung geschaffen werden. Hierfür wird eine umfassende Potentialanalyse der R-Prinzipien auf Grundlage von interdisziplinären Untersuchungsmethoden durchgeführt, zudem werden neue Designansätze für eine zirkuläre Nutzung evaluiert.“

Das Projekt gliedert sich in zwei Arbeitspakete: Im ersten Schritt analysiert Schnatmann aktuelle Designs und leitet Handlungsempfehlungen für ein neues Produktdesign ab. Im zweiten Arbeitspaket ist das Ziel, basierend auf diesen Empfehlungen ein kleines modulares Modul zu bauen und zu testen. Die Umsetzung erfolgt schrittweise – mit 3D-Druck entstehen erste Ansätze, und die Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Reiling Glas Recycling soll Kontinuität geben. Betreut wird sie an der HSBI von Prof. Dr.-Ing. Eva Schwenzfeier-Hellkamp, die auch das ITES leitet. Zweitbetreuer ist Prof. Dr. Ulf Blieske von der Technischen Hochschule Köln, der seine Expertise in der Modulherstellung einbringt. Die dritte Betreuerin ist Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann, ebenfalls Mitglied im ITES. Sie bringt als Professorin für Physik und Messtechnik unter anderem ihre Expertise in der Messtechnik ein. Drei von sieben Professor:innen im ITES haben im Übrigen das Promotionsrecht: Neben Eva Schwenzfeier-Hellkamp und Andrea Ehrmann zählt auch Jens Haubrock dazu.  Zum ITES gehört unter anderem das Photovoltaik-Labor, das auch von der Forschungsgruppe Zirkuläre Wertschöpfung im Transferprojekt InCamS@BI genutzt wird.

Großgerät: Ein neuer PV-Modultester soll den Modulprototyp evaluieren

Ein neues Großgerät, welches das ITES bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingeworben hat, spielt im Kontext von Schnatmanns Arbeit eine große Rolle: Der PV-Modultester. „Das ist ein Prüfgerät, mit dem elektrische Kennlinien unter Laborbedingungen aufgezeichnet werden können. Ein LED-Flasher simuliert das Sonnenlicht. So kann die Leistung eines Moduls schnell beurteilt werden. Darüber hinaus kann das Gerät Defekte und Alterungsvorgänge analysieren, die Dioden prüfen, die elektrische Sicherheit checken und Zelldefekte visualisieren.“ Der Tester prüft aktuell Alt- bzw. Bestandsmodule auf ihr Wiederverwendungspotenzial. Ziel ist, zum Abschluss der Arbeit den zirkulären Modulprototyp mit dem Prüfgerät zu evaluieren. Beim Bau des Prototyps wird Katharina Schnatmann maßgeblich von Arne Petring unterstützt, der ebenfalls Regenerative Energien studiert und somit wie Katharina Schnatmann bereits im Bachelor in ein Forschungsprojekt eingebunden ist. (vku)

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