Zerstäuberkammer am ICP/MS

Forschung

Hydrochemie und Analytische Qualitätssicherung

Klassische Wasseranalytik, Ringversuche, Eignungstests

Forschungsschwerpunkte

1. Wasserchemische Analysen:

  • Aufschlüsse zur Elementbestimmung
    - Königswasserauszug
    - Mikrowellenunterstützter Aufschluss (MLS Ethos)
  • Elementbestimmungen
    - mittels ICP-MS (PerkinElmer Nexion 2000)
    - mittels Continuum-Source-Atomabsorptionsspektrometrie mit Flamme und Graphitrohr (Analytik Jena contrAA 700)
    - mittels Atomfluoreszenz (für Quecksilber)(Analytik Jena mercur)
  • Adsorbierbare organische Halogenverbindungen AOX (Analytik Jena multi X 2000)
  • Anionen- und Kationenbestimmung mittels Ionenchromatographie (Dionex ICS-1100)
  • weitere nasschemische und photometrische Bestimmungen

2. Eignungstest-Ringversuche im Rahmen der AQS Baden-Württemberg

3. Stärkung der Qualitätsinfrastruktur in Entwicklungsländern

Aktuelle Forschungsprojekte

Weiterentwicklung von Ringversuchen

  • zur Probenahme von Abwasser
  • zur Vor-Ort-Analytik
  • zum Fischei-Test
  • mit suspendierenden Stoffen
  • zur Bestimmung von Spurenstoffen

Abgeschlossen Forschungsprojekte

Die meisten Photovoltaik-Module enthalten Schadstoffe wie Blei, Cadmium, Tellur, Kupfer und weitere Schwermetalle. Ziel dieses Projektes war es, Mechanismen zu klären, welche zur Freisetzung von Schadstoffen aus Modulen bei unsachgemäßer Entsorgung führen könnten und Schwachstellen zu identifizieren.

Das Projekt zeigte ein Auslaugen von Schadstoffen aus Modulstücken, die aus kommerziell erhältlichen Photovoltaik-Technologien geschnitten wurden. Dabei wurden Module aus kristallinem Silizium (c-Si), aus amorphem Silizium (a-SI), CIGS-(Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-)Module und Cadmiumtellurid-Module (CdTe) untersucht. Ein Auslaugen der Schadstoffe in wässrigen Lösungen beginnt, sobald offene Kanten oder auch Glasbrüche auftreten. Die Delamination der Modulstücke ist dabei keine Voraussetzung für das Auslaugen.

Die Messungen der ausgelaugten Elemente wurde prozentual auf den Gesamtgehalt der Elemente bezogen. Die Messung der Gesamtgehalte der Modulstücke mittels eines Massenspektrometers (ICP-MS) wurde begleitet durch eine Verifizierung der Elemente in den Schichten über eine Röntgenanalyse in einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Übliche Auslaugtests für Abfälle gehen von einem festen Feststoff zu Flüssigkeitsverhältnis aus, zum Beispiel in DIN EN 12457-4 ein Verhältnis 1:10. Im Gegensatz zu anderen Auslaugtests, die nur über 18 bis 48 Stunden in destilliertem Wasser oder auch in wässrigen Lösungen mit pH 4,93 messen, wurden im Rahmen dieses Projekts Langzeitversuche über 1,5 Jahre in wässrigen Lösungen mit pH 3, pH 7 und pH 11 durchgeführt.

Das Auslaugen der Elemente aus den Modulstücken hängt stark vom pH-Wert und Redox-Potential der wässrigen Lösungen ab. Die verwendeten pH-Werte 3, 7 und 11 decken den Bereich der pH-Werte ab, die in der Umwelt vorkommen können. Thermodynamische Stabilitätsbetrachtungen, wie in Pourbaix-Diagrammen, machen die Mobilisierung der Elemente vorhersehbar. Die Art der Säure oder das entsprechende Gegen-Ion spielen weniger eine Rolle.

Bei allen Versuchen kann eine stetige Zunahme der ausgelaugten Elemente beobachtet werden. Versuchsparameter wie Agitation, erhöhte Temperatur oder Beleuchtung führen nicht immer zu einer Beschleunigung im Auslaugen der jeweiligen Elemente.

Bei c-Si-Modulstücken löst sich der Rückkontakt aus Al besonders gut in sauren Lösungen. Bei a-Si-Modulstücken konnten Ni aus dem Rückkontakt und Cu, welches sich sowohl im Rückkontakt als auch in den Lötbändern befindet, in Lösungen mit pH 3 und pH 7 gemessen werden. Die Elemente Cd, Te und Mo aus CdTe-Modulstücken zeigen ein besonders starkes Lösungsverhalten. Cd sowie Te stammen aus der aktiven Schicht und Mo aus dem Rückkontakt der CdTe-Modulstücke. Aus CIGS-Modulstücken lösen sich sowohl Zn aus dem Frontkontakt, als auch Cd aus der Fensterschicht und Molybdän aus dem Rückkontakt zu großen Anteilen.

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Projektkurzbeschreibung: PV-Schadstoffe - Schadstofffreisetzung aus Photovoltaik-Modulen

Fördernde Stelle Bundesministerium für Wirtschaft über Projektträger Jülich
Ansprechpartner Prof. Dr. rer. nat. habil. Jörg W. Metzger
Prof. Dr. habil J. H.Werner, IPV
Dr.-Ing. Michael Koch
Dipl.-Ing. Carolin Feifel
Projektpartner IPV - Institut für Photovoltaik der Universität Stuttgart
Förderzeitraum 07/2014 - 08/2017

Der Markt mit Photovoltaik- (PV-) Modulen verzeichnet starke Wachstumsraten. Man geht davon aus, dass Solarmodule durchschnittlich 25 Jahre lang Energie produzieren. Danach müssen sie entsorgt bzw. recycelt werden.

Es ist Ziel, ein nachhaltiges Kreislaufsystem für PV-Produkte zur Verfügung zu haben, in das flächendeckende Sammelsysteme (z.B. Wertstoffhöfe) integriert sind; daneben müssen geeignete effiziente Recyclingverfahren entwickelt werden, die eine vollständige Abtrennung von Wertstoffen in hoher Reinheit ermöglichen und keine Folgeentsorgungsprobleme mit sich bringen.

Der Kenntnisstand zum Austreten von Schadstoffen aus Photovoltaikmodulen unter verschiedenen Umweltbedingungen ist derzeit noch gering. Das Austreten von Schadstoffen während des Betriebes der Module ist nach Angaben der Hersteller ausgeschlossen. Die Möglichkeit einer Freisetzung von Schadstoffen, z.B. nach Steinschlag, Hagel, Brand, Einwirkung von saurem Regen oder Oxidationsmitteln usw. muss aber überprüft werden. Daneben muss untersucht werden, welche Folgen es hat, wenn Module bzw. zerkleinerte Modulteile unsachgemäß entsorgt werden (Hausmüll, Altglas).

Das Projekt umfasst:

  1. Untersuchung und Beurteilung von Verfahren zum Recycling von Solarmodulen unterschiedlicher Bauart
  2. Untersuchung des Austrittspotenzials von Schadstoffen aus Photovoltaik-Modulen während des Betriebs, insbesondere unter stark wechselnden klimatischen Bedingungen, und nach Ende der Nutzungsdauer unter verschiedenen Bedingungen
  3. Bewertung des Umweltverhaltens und der Recyclingverfahren im Hinblick auf die Situation von Entwicklungs- und Schwellenländern
  4. Untersuchung der Möglichkeiten zur Vermeidung des Schadstoffaustrags und Erarbeitung von Vorschlägen zur umweltfreundlicheren Gestaltung von Solarmodulen und zur Entsorgungspraxis.
  5. Bewertung der Ergebnisse

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Erläuterungen zum Abschlussbericht.
Projektkurzbeschreibung: Photovoltaikmodule - Umweltfreundlichkeit und Recyclingmöglichkeiten

Fördernde Stelle Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr Baden-Württemberg
Ansprechpartner Prof. Dr. rer. nat. habil. Jörg W. Metzger
Dr. Klaus Fischer
Dr.-Ing. Michael Koch
Projektpartner ISWA, Arbeitsbereich Siedlungsabfall, Dr. K. Fischer
Institut für Physikalische Elektronik, Arbeitsgruppe Industrielle Solarzellen, Dr. R. Zapf-Gottwick
ISWA, Arbeitsbereich Hydrochemie und Analytische Qualitätssicherung, Dr. M. Koch
Förderzeitraum 12/2010 - 11/2011

Eine leistungsfähige, sich gegenseitig anerkennende, regionale Qualitätsinfrastruktur (QI) spielt für die Bildung eines gemeinsamen Marktes in den Ländern der Ostafrikanischen Gemeinschaft (Tansania, Kenia, Uganda, Ruanda und Burundi) eine zentrale Rolle, da sie maßgeblich den gegenseitigen und freien Warenverkehr sowie den Umwelt und Verbraucherschutz in einem liberalisierten Markt ermöglicht. In einem Projekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Projektträger: Sekretariat der Ostafrikanischen Gemeinschaft) soll diese QI gestärkt werden. Dazu werden unter anderem Ringversuche zur chemischen Analytik von Lebensmitteln (Salz, Weizenmehl, pflanzliches Öl) durchgeführt.
Aufgabe des ISWA im Rahmen dieses Projektes ist die wissenschaftliche Betreuung und Begleitung dieser Ringversuche.

Projektkurzbeschreibung: Aufbau einer regionalen Qualitätsinfrastruktur in der East African Community (EAC)

Fördernde Stelle Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Ansprechpartner Prof. Dr. rer. nat. habil. Jörg W. Metzger
Dr.-Ing. Michael Koch
Förderkennzeichen PN 2007.2032.6 /95015
Förderzeitraum seit 12/2017, unbefristet

Kontakt

Dieses Bild zeigt Koch
Dr.-Ing.

Michael Koch

Arbeitsbereichsleiter "Hydrochemie und Analytische Qualitätssicherung" (CH / AQS)

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