Scenarios for end-of-life management of building integrated PV materials

Abstract

Gebäude-integrierte Solarzellen ermöglichen die Energiegewinnung direkt am Ort der Verwendung in urbanen Räumen. Sie sind im Baumaterial integriert und können beispielsweise Dachschindeln und Wandflächen ersetzen. Jedoch ist deren Entsorgung noch eine der mit Solarenergie verbundenen Schwierigkeiten. Derzeit werden die meisten Module deponiert, wobei allerdings wertvolle Materialien verloren gehen. Da die Rohmaterialien nur begrenzt verfügbar sind, wird Recycling notwendig, um Solarenergie langfristig ausbauen zu können. Spezielle Recyclingprozesse sind jedoch sehr energie- und materialintensiv. Aufgrund dessen müssen die Vorteile von Solarenergie im Kontext der Umweltauswirkungen des End-Of-Life Management gesehen werden. In dieser Diplomarbeit wurde eine dynamische Materialflussanalyse verwendet, um eine Wohngegend mit 122.500 m2 Wohnfläche in Tel Aviv zu simulieren, die mit gebäude-integrierten Solarzellen ausgestattet ist. Die Größe der Wohngegend ist exemplarisch für Wohnbauprojekte in Israel und bietet Platz für etwa 3.900 Personen. Verschiedene typische Gebäudetypologien und Szenarien wurden mit dem entwickelten Modell getestet. Life Cycle Assessment Daten wurden integriert, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu bestimmen. Die Resultate zeigen, dass nach 100 Jahren Gebäudelebenszeit, bis zu 14.000 t Abfall aus Solarzellen in der Wohngegend anfallen. Mit der Annahme, dass Bewohner*innen 25 Jahre in der Wohngegend leben, sind das in etwa 900 kg PV-Abfall pro Bewohner*in in 25 Jahren. Der Wert der rückgewinnbaren Materialien beträgt etwa 7 % der Investitionskosten. In 100 Jahren können insgesamt bis zu 2.800 GWh elektrische Energie generiert werden, das entspricht dem Zwei- bis Vierfachen der eingesetzten Energie. Die verursachten Treibhausgasemissionen durch Fertigung und Recycling liegen zwischen 45 und 83 g CO2 eq./kWh produzierter Energie. Vergleichsweise führen Kohlekraftwerke zu 1000 g CO2 eq./kWh und Gaskraftwerke zu 430 g CO2 eq./kWh. Die verglichenen Szenarien variieren in der Abfallproduktion um maximal 8 %, in der Energieproduktion um 26 %. Durch den großen Unterschied an nutzbarer Fläche auf den Gebäuden betragen die Abweichungen unter den getesteten Gebäudetypologien bis zu 62 % in der Abfallmenge und 50 % in der Energieproduktion. Die vorgestellte Studie liefert konkrete Erkenntnisse über mögliche negative Umweltauswirkungen von gebäude-integrierter Photovoltaik und über notwendige Abfallmanagementsysteme, wodurch fundiertere Planungsprozesse ermöglicht werden.

Building-integrated photovoltaics allow for energy harvesting directly at the point of consumption in urban spaces. These solar panels are directly incorporated into building materials and can replace roof coverings, wall cladding, or be installed on glass surfaces. Nonetheless, an existing challenge of solar energy is the end-of-life management of damaged modules, as the majority of modules are currently landfilled, leading to loss of materials. High-quality recycling is required to recover contained materials to reduce the exploitation of raw materials. However, these processes are extremely energy- and resource-intensive and, as a result, also have a negative impact on the environment. Consequently, the advantages of solar energy over fossil fuels must be contextualized in terms of the necessary processes. This study utilized a dynamic material flow analysis, to predict generated waste volumes resulting from the installation of building-integrated solar cells in a prospective residential neighbourhood with 122,500 m2 living space in Tel Aviv. The neighbourhood size is representative for construction projects in Israel and offers living space for around 3.900 people. Several typical residential building types and scenarios were tested. Life cycle assessment data was incorporated to compute the environmental impact. The developed model provides waste volumes, energy production, recoverable substances, and environmental impact from manufacturing and recycling of the solar cells. The findings indicate that after 100 years of construction lifetime, there may be up to 14,000 t of cumulative waste resulting from the neighbourhood. Assuming a 25 year duration of stay for residents, around 900 kg of PV waste emerge for each resident during the 25 years. The revenue from recovered materials can account for around 7 % of the investment costs. A total of 2,800 GWh of energy are generated, which is around two to four times the energy that is required to produce and recycle solar cells. Energy production with the investigated system leads to GHG emissions of 45 to 83 g CO2 eq./kWh of generated energy. For comparison, coal energy contains 1000 g CO2 eq./kWh, and natural gas power plants lead to 430 g CO2 eq./kWh. The compared scenarios vary for 8 % in their waste production and 26 % in energy production. Due to the big differences in usable area on the buildings, the results among the tested building typologies vary up to 62 % in waste and 50 % in energy production. The presented study provides specific insights about possible negative environmental impacts from building integrated photovoltaics and necessary waste management systems. Therefore, it allows for more informed planning processes.