Sensornetzwerke für die Stadt – und was kommt danach?, Hochschule für Life Sciences FHNW

Genau hier setzt das trinationale Forschungsprojekt EMPOWER#IoT an. Es entwickelt energieautarke Sensoren, die sich mit neuartigen Solarzellen selbst versorgen. Das Institut für Ecopreneurship der Hochschule für Life Sciences FHNW (HLS) beschäftigt sich dabei mit der Frage, was mit diesen Technologien am Ende ihrer Lebensdauer geschieht.

Wer an Photovoltaik denkt, hat meist grosse Siliziummodule auf Hausdächern vor Augen. Für kleine Sensoren an Fassaden, unter Brücken oder sogar in Innenräumen braucht es jedoch andere Lösungen. Denn dort sind die Lichtverhältnisse häufig alles andere als ideal.
EMPOWER#IoT setzt deshalb auf Dünnschicht-Photovoltaik, insbesondere auf organische Photovoltaik, kurz OPV, und Perowskit-Solarzellen. OPV-Zellen nutzen kohlenstoffbasierte Materialien zur Stromerzeugung, während in Perovskiten die spezielle Kristallstruktur Licht besonders effizient einfängt und umwandelt. Beide können im Gegensatz zu Siliziummodulen sehr dünn, leicht und flexibel hergestellt werden.
Die Idee besteht darin, dass die Solarzellen tagsüber die Energie für den Sensor liefern und gleichzeitig eine kleine Batterie für die Nacht laden. Dadurch können Batterien kleiner dimensioniert und müssen seltener ersetzt werden. Gleichzeitig entwickeln Fachleute aus der Elektrotechnik neue Protokolle zur Datenübertragung. So entstehen Sensorknoten, die möglichst wenig Energie benötigen und gleichzeitig zuverlässig Daten erfassen und übermitteln.

Neue Energietechnologien sind jedoch nicht automatisch nachhaltig. Entscheidend ist, welche Materialien für sie benötigt werden, wie lange sie eingesetzt werden können und was nach ihrer Nutzung mit ihnen geschieht.
Genau hier liegt die Aufgabe des Instituts für Ecopreneurship. Während die Universitäten Strasbourg und Freiburg an der Herstellung und Weiterentwicklung der Dünnschicht-Solarzellen arbeiten, untersucht die HLS deren Recycling. Im Fokus steht unter anderem die Frage, wie sich wertvolle Materialien gezielt abtrennen und zurückgewinnen lassen. Dünnschicht-Solarzellen enthalten etwa Silber und Indium, beides hochwertige und knappe Rohstoffe. Für Markus Lenz, Arbeitsgruppenleiter und Dozent, Angewandte Kreislaufwirtschaft am Institut für Ecopreneurship der HLS und sein Team bedeutet Recycling deshalb mehr als die möglichst saubere Entsorgung eines Produkts. Materialien sollen nach Möglichkeit wieder zu Rohstoffen werden und in den Kreislauf zurückkehren.
«Wir wollen wissen, welche Bestandteile wir wieder als Materialien zurückgewinnen können und ob sich diese ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll wieder in den Kreislauf bringen lassen.»

Ein besonders anschauliches Beispiel liefert der Novartis Pavillon in Basel. Seine semitransparente Fassade kombiniert organische Photovoltaik mit LED-Elementen, auf denen wechselnde Licht- und Bildinhalte dargestellt werden. Die integrierten Solarzellen liefern dabei die dafür benötigten Energie. Für die Forschenden der HLS wird die Fassade damit auch ein reales Untersuchungsobjekt für die Frage, wie sich solche neuartigen Materialien später recyceln lassen.
Es soll unter anderem untersucht werden, ob sich wertvolle Bestandteile wie Silber oder Indium unter vertretbarem Aufwand zurückgewinnen lassen, anstatt sie in ausgedienten Paneelen im Elektroschrott zu verlieren. Zu Beginn steht eine auf den ersten Blick einfache Frage: Was genau ist eigentlich in den Modulen enthalten? Aktuell wird deshalb ermittelt, welche Materialien und Mengen in der Photovoltaik-Hülle verbaut sind. Diese Stückliste bildet eine wichtige Grundlage für die nächsten Schritte.

Dass sich ein Material technisch zurückgewinnen lässt, reicht allerdings nicht. Ein Recyclingverfahren muss gleichzeitig möglichst viele Wertstoffe zurückgewinnen, wirtschaftlich tragbar sein und eine positive Umweltbilanz aufweisen.
Deshalb betrachten die Forschenden den gesamten Lebenszyklus. Wie viel Energie benötigt das Recycling? Welche Emissionen entstehen bei Sammlung, Transport, Sortierung und Aufbereitung? Und wie steht dieser Aufwand im Verhältnis zu den Umweltbelastungen, die entstehen würden, wenn dieselben Rohstoffe neu gewonnen und aufbereitet werden müssten?
Gerade bei Metallen wie Silber und Indium kann dieser Vergleich entscheidend sein. Ihr Abbau und ihre Primärproduktion verursachen erhebliche Umweltbelastungen. Ein Recyclingprozess kann deshalb auch dann ökologisch sinnvoll sein, wenn er selbst Energie und Chemikalien benötigt – vorausgesetzt, die vermiedenen Belastungen sind insgesamt grösser.

Eine Technologie, die dabei zum Einsatz kommen kann, ist ein Membranverfahren: die Nanofiltration. Forschenden der HLS bringen beim Recycling von Dünnschicht-Solarzellen zunächst die wertvollen Stoffe gezielt in Lösung. Danach wird die Flüssigkeit unter Druck durch eine selektive Membran geleitet. «Die Membran wirkt dabei vereinfacht gesagt wie ein sehr feiner Filter: Sie hält bestimmte gelöste Stoffe stärker zurück als andere, abhängig unter anderem von ihrer Grösse und elektrischen Ladung. So lassen sich einzelne Stoffe gezielt anreichern und anschliessend zurückgewinnen», erklärt Sebastian Hedwig, Wissenschaftlicher Mitarbeiter Angewandte Kreislaufwirtschaft am Institut für Ecopreneurship der HLS.
Damit verbindet EMPOWER#IoT zwei Herausforderungen, die für eine nachhaltige Technologieentwicklung zusammengehören: neue, nachhaltige Anwendungen zu ermöglichen und gleichzeitig schon heute mitzudenken, wie die dafür eingesetzten Materialien morgen wieder genutzt werden können.

Noch steht die Forschung an wichtigen Punkten am Anfang. Die Materialzusammensetzung der autonomen Sensoren muss genauer bestimmt, geeignete Trenn- und Recyclingverfahren entwickelt und ihre ökologische sowie wirtschaftliche Bilanz mit bestehenden Verfahren verglichen werden.
Bis zum Projektende 2028 wird klarer werden, welche Rohstoffe sich tatsächlich zurückgewinnen lassen, mit welchen Verfahren dies am effizientesten gelingt und unter welchen Bedingungen aus einer innovativen Solartechnologie eine kreislauffähige Lösung wird.
Die nächsten Ergebnisse werden zeigen, welche Wege sich dafür öffnen und an welchen Stellen noch neue Lösungen gefragt sind.