Promotionsstipendium: Dr.-Ing. Michael Straub-Mück

Kolleg Circular Economy: Interdisziplinäre Studie zur Etablierung einer PV-Recyclingindustrie in Deutschland: Eine technische, ökonomische und sozio-ökonomische Analyse bis ins Jahr 2045

Die globale Herausforderung des Klimawandels erfordert einen tiefgreifenden Umbau des Energiesystems hin zu erneuerbaren Energieträgern. Photovoltaik nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein. Mit dem dynamischen Ausbau der PV-Kapazitäten wächst jedoch zwangsläufig das künftige Aufkommen ausgedienter PV-Module. Die Frage, wie diese Module sinnvoll und ökonomisch tragfähig recycelt werden können, ist sowohl für die Sicherung kritischer Rohstoffe als auch für Ressourcenschonung und gesellschaftliche Akzeptanz zentral. Vor diesem Hintergrund untersucht die Arbeit systematisch die rechtlichen, technischen und ökonomischen Rahmenbedingungen des PV-Recyclings in Deutschland und bewertet, unter welchen Voraussetzungen sich ein langfristig wirtschaftlich tragfähiges PV-Recyclingsystem etablieren lässt. Ausgehend von einer Betrachtung der gesetzlichen Regelungen zum Umgang mit Elektro- und Elektronikaltgeräten zeigt die Arbeit, dass das bestehende Instrumentarium zwar einen im internationalen Vergleich fortschrittlichen Rahmen für die Rücknahme und Entsorgung von PV-Modulen bietet, in der praktischen Ausgestaltung jedoch wesentliche Defizite aufweist. Insbesondere die Möglichkeit der Optierung durch öffentlich-rechtliche Entsorgungsträger führt zu einer asymmetrischen Kostenverteilung zulasten einzelner Hersteller, ohne diese zugleich wirksam für den Rücklauf ihrer eigenen Altgeräte in die Verantwortung zu nehmen. Dadurch werden Anreize für Reparatur, Wiederverwendung und hochwertiges Recycling geschwächt. Hinzu kommt, dass die überwiegend inputbasiert berechneten Recyclingquoten keine hinreichende Lenkungswirkung in Richtung eines rohstofforientierten Recyclings entfalten, sodass das Ziel der Kreislaufwirtschaft insbesondere im Hinblick auf kritische Rohstoffe verfehlt zu werden droht. Um die Lebensdauer von PV-Modulen und das zukünftige Abfallaufkommen belastbar zu quantifizieren, wird eine umfassende Metaanalyse der Degradationsraten im Feld gealterter PV-Module durchgeführt. Die Auswertung von 610 Beobachtungen aus 80 Primärstudien ergibt eine mediane jährliche Degradationsrate von 0,94 %/Jahr bei erheblicher Heterogenität. Eine Metaregression identifiziert Klimazone, Montageort und Zelltechnologie als zentrale Einflussgrößen. Kalte, trockene Standorte sowie gut hinterlüftete Dachinstallationen wirken sich positiv auf die Lebensdauer aus. Unter günstigen Bedingungen beträgt die geschätzte Degradationsrate kristalliner Siliziummodule in Deutschland lediglich 0,43 %/Jahr, was einer durchschnittlichen Lebensdauer von rund 47 Jahren entspricht. Auf Basis der Metaanalyse wird das zukünftige PV-Abfallaufkommen in Deutschland und weltweit modelliert. Allein in Deutschland ist bis 2045 mit etwa 6–7,5 Mio. t PV-Abfall zu rechnen. Global liegen die erwarteten Mengen je nach Szenario zwischen rund 198 Mio. t und über 600 Mio. t. Insbesondere frühzeitige Modulausfälle können das Abfallaufkommen deutlich vorziehen und erhöhen. Im Vergleich zur bisherigen Literatur ergeben sich insgesamt deutlich höhere Abfallprognosen, was die Dringlichkeit unterstreicht, rechtzeitig skalierbare und nachhaltige Recyclingstrukturen aufzubauen. Die anschließende Begutachtung industrieller und pilotierter PV-Recyclinganlagen in Deutschland zeigt, dass sich das PV-Recycling von einer Nischenbranche zu einem industriell relevanten Sektor entwickelt. Aktuell sind mindestens neun aktive Anlagen identifizierbar, die sich hinsichtlich Prozessführung und Rückgewinnungstiefe deutlich unterscheiden. Deutschland nimmt eine internationale Vorreiterrolle ein, da ein Großteil der Anlagen technisch in der Lage ist, neben Glas und Aluminium auch Silber zu separieren. Gleichwohl bestehen Herausforderungen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, insbesondere aufgrund derzeit noch geringer Rücklaufmengen. Eine ökonometrische Analyse der Wechselwirkungen zwischen Angebot, Nachfrage und Preis auf Metallmärkten zeigt, dass Recycling eine zentrale Funktion bei der Stabilisierung von Rohstoffpreisen und der Verringerung physischer Knappheiten übernehmen kann. Insbesondere in Märkten mit hohen Sekundärproduktionsanteilen wirkt Recycling signifikant auf Preise, Konsum und Verfügbarkeitsprämien. Die Sekundärproduktion reagiert sensibel auf veränderte Marktbedingungen und bietet aufgrund kurzer Anpassungsfristen eine hohe Flexibilität. Recycling erfüllt damit nicht nur eine ökologische, sondern auch eine wichtige marktstabilisierende Funktion. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden diese Zusammenhänge anschließend spezifisch für den Silbermarkt untersucht und quantifiziert. Das angewandte Modell bildet die Grundlage für Silberpreisprognosen, in die sowohl die zukünftige Nachfrage nach Silber durch den weiteren Ausbau neuer PV-Module als auch das prognostizierte Sekundärangebot aus dem Recycling ausgedienter Module einfließen. Auf Basis der prognostizierten Silberpreise und Abfallmengen wird anschließend die Wirtschaftlichkeit des PV-Recyclings bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein wirtschaftlicher Betrieb von PV-Recyclinganlagen grundsätzlich realisierbar ist. Insgesamt deutet dies darauf hin, dass sich bei fortgesetztem PV-Ausbau und technologischem Fortschritt eine dauerhaft wirtschaftlich tragfähige Recyclingbranche etablieren kann, die sowohl zur Ressourcenschonung als auch zur Versorgungssicherheit mit kritischen Rohstoffen einen substantiellen Beitrag leistet.

AZ: 20022/025

Zeitraum

01.09.2022 - 31.08.2025

Institut

Universität Augsburg Institut für Materials Resource Management Professur für Applied Data Analysis

Betreuer

Prof. Dr. Andreas Rathgeber