Die Ökobilanz von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen sind ele­men­ta­rer Bestandteil einer nach­hal­ti­gen Energieversorgung. Strom aus Sonnenenergie ver­mei­det den Verbrauch fos­si­ler Energien und sorgt für gerin­ge­re Treibhausgasemissionen. Für die Herstellung benö­ti­gen jedoch auch Photovoltaikanlagen Rohstoffe, bei ihrer Produktion wird Energie benö­tigt und die Anlagen müs­sen nach der Nutzungsphase wie­der ent­sorgt wer­den. Daher haben wir uns die Ökobilanz der Photovoltaikanlagen genau­er ange­schaut. Als wesent­li­chen Bestandteil haben wir die Photovoltaikmodule unter die Lupe genom­men und fest­ge­stellt, das Ergebnis sieht gut aus für eine nach­hal­ti­ge Energieerzeugung – sie tra­gen deut­lich zur Reduzierung der Treibhausgase bei.

1. Lebenszyklus von PV-Dachanlagen
2. Bestandteile der Photovoltaikmodule
3. Emisionsbilanz der Solarmodule und des Solarstroms
4. Energetische Amortisation von Photovoltaikmodulen
5. Ende der Lebenszeit oder Neuanfang?
6. Gute Klimabilanz von Photovoltaikanlagen

1. Lebenszyklus von PV-Dachanlagen

Im ers­ten Schritt der Untersuchung ist es sinn­voll, die ein­zel­nen Abschnitte im Lebenszyklus zu ken­nen und zu unter­su­chen. Sie rei­chen vom Abbau und der Aufbereitung der not­wen­di­gen Rohstoffe bis hin zum Umgang mit den Produkten nach der Nutzungsphase. Die wich­tigs­ten Etappen sind:

• Abbau und Förderung von Materialien und Rohstoffen
• Produktion der Komponenten
• Herstellung von Zubehör und Ausrüstung
• Transport
• Montage der Anlage
• Betrieb der Anlage
• Wartung und Instandhaltung
• Verschrottung und Recycling

2. Bestandteile der Photovoltaikmodule

Eine Photovoltaikanlage besteht aus ver­schie­de­nen Komponenten: den Photovoltaikmodulen zur Stromgewinnung, der Unterkonstruktion aus Aluminium zur Montage und dem Wechselrichter, damit der Strom nutz­bar wird. Hinzu kom­men jede Menge Kabel für die Verbindung der Module unter­ein­an­der und mit dem Wechselrichter. Die Module machen den größ­ten Teil der Anlage aus. Bei grö­ße­ren Projekten kön­nen es meh­re­re 100 Solarmodule sein, die mon­tiert wer­den. Daher ste­hen die Module beson­ders im Blickpunkt des Interesses einer Betrachtung der Ökobilanz.

Es gibt unter­schied­li­che Arten von Solarmodulen, die zum Einsatz kom­men kön­nen. Diese haben ver­schie­de­ne Eigenschaften und ent­hal­ten unter­schied­li­che Materialien. SOLARIMO setzt aktu­ell v.a. mono­kris­tal­li­ne Silizium-Module ein. Diese ent­hal­ten im wesent­li­chen fol­gen­de Materialien:

• Glasscheibe zur Abdeckung
• Monokristalline Solarzellen (Hauptbestandteil Silizium, sowie Aluminium und Silber), ver­bun­den durch Lötbändchen
• Kunststofffolie auf der Rückseite der Zellen
• Rückseitenkaschierung aus Kunststoff
• Profilrahmen aus Aluminium
• Anschlussdose mit Freilaufdiode, bzw. Bypassdiode

Damit bestehen die ver­wen­de­ten Solarmodule vor allem aus den Bestandteilen Silizium, für die Zellen und als Grundstoff für das Glas, sowie aus Kunststoff und Aluminium. Perspektivisch lässt sich das Silber durch Kupfer ersetzen.

Silizium ist das zweit­häu­figs­te che­mi­sche Element auf der Erde – nach Sauerstoff. Die Verfügbarkeit ist daher kein Problem. Allerdings ist ein ener­gie­in­ten­si­ver Prozess zur Aufbereitung des Ausgangsproduktes, Quarzsand und Quarzkies (SiO2), für ein fast rei­nes Silizium notwendig.

3. Emisionsbilanz der Solarmodule und des Solarstroms

Neben der Aufbereitung des Siliziums ist die Herstellung der Wafer – dem Ausgangsprodukt für die Solarzellen – beson­ders auf­wän­dig. Und auch der Transport for­dert eini­ges an Energie: Die über­wie­gen­de Anzahl der Solarmodule kommt mitt­ler­wei­le aus China.

Das Umweltbundesamt hat, unter der Betrachtung des Gewinnungsprozesses von rei­nem Silizium und der Herstellung der Solarzellen, eine Emissionsbilanz für die Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen errech­net. Darin kommt die Photovoltaik auf CO2-Emissionen von 62,5 g/kWh, bzw. 67 Gramm CO2-Äquivalente Treibhausgase pro kWh. Emissionsfrei sind also auch Photovoltaikanlagen nicht, jedoch sind sie deut­lich kli­ma­freund­li­cher als fos­si­le Brennstoffe wie Kohle und Gas. In der Netto-Emissionsbilanz erneu­er­ba­rer Energieträger kommt das Umweltbundesamt in die­ser Studie auf einen Netto-Vermeidungsfaktor von 627 Gramm an CO2-Äquivalente / kWh. Das bedeu­tet, jede in Deutschland pro­du­zier­te Kilowattstunde Solarstrom ver­mei­det im Schnitt von 627 g CO2-Äq.

4. Energetische Amortisation von Photovoltaikmodulen

Im nächs­ten Schritt wid­men wir uns der ener­ge­ti­schen Amortisationszeit, dem Zeitraum, in wel­chem eine Photovoltaikanlage die Energie gelie­fert hat, die für die Herstellung not­wen­dig war. Diese liegt bei Photovoltaikanlagen zwi­schen einem und drei Jahren, je nach Aufstellort, Technologie und Produktionsstandort. Bei kon­ven­tio­nel­len Kraftwerken ist hin­ge­gen keine ener­ge­ti­sche Amortisation mög­lich, es müs­sen kon­ti­nu­ier­lich Energieträger von außen zuge­führt werden.

Mit der Amortisationszeit lässt sich auch der Erntefaktor ange­ben. Dieser gibt an, wie häu­fig die Photovoltaikanlage wäh­rend ihrer Lebensdauer die Energie erzeugt, die zur Herstellung not­wen­dig war. Dieser Faktor liegt, aus­ge­hend von einer Lebensdauer von 20 Jahren, bei einem Wert von 10 bis 20. Demnach erzeu­gen PV-Anlagen das 10 bis 20-fache der Energie, die für ihre Produktion not­wen­dig ist (Quellen: Energieagentur NRW, Fraunhofer ISE). Nach der Produktion und Installation muss keine wei­te­re Energie in den Betrieb inves­tiert werden.

5. Ende der Lebenszeit oder Neuanfang?

Photovoltaikmodule haben mitt­ler­wei­le eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren. Theoretisch könn­ten sie auch län­ger betrie­ben wer­den. Erfahrungen gibt es dazu noch nicht, denn nur sehr weni­ge Photovoltaikanlagen sind bereits über einen sol­chen Zeitraum in Betrieb.

Aber was pas­siert nach dem Ende der Nutzungszeit mit den Solarmodulen? Wenn ein Modul defekt ist oder gegen ein leis­tungs­fä­hi­ge­res aus­ge­tauscht wer­den soll, stellt sich die Frage nach der Entsorgung der alten Module. Während pri­va­te Anlagenbetreiber*innen ihre Module beim ört­li­chen Wertstoffhof abge­ben kön­nen, müs­sen Betreiber*innen von gro­ßen, gewerb­lich genutz­ten PV-Anlagen mit Dienstleistern zusammenarbeiten.

Zu einem sol­chen über­grei­fen­den Dienstleister haben sich zahl­rei­che euro­päi­sche Hersteller von Modulen zusam­men­ge­schlos­sen: PV Cycle. Dieser ist mit ver­schie­de­nen euro­päi­schen Recyclinganlagen ver­netzt und kann daher eine regel­kon­for­me Behandlung gewähr­leis­ten. Hersteller sind nach der euro­päi­schen WEEE-Richtlinie (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive) dazu ver­pflich­tet min­des­tens 85 Prozent der ver­kauf­ten Module zurück­zu­neh­men und zu recyceln.

Das Recycling von kris­tal­li­nen Solarmodulen ist mit einer Quote von 95 Prozent mög­lich. Der glä­ser­ne Bestandteil wird schon seit Jahren recy­celt, der Aluminiumrahmen lässt sich eben­falls gut wie­der ver­wen­den. Das Silizium und wei­te­re Bestandteile müs­sen jedoch auf­wän­dig getrennt werden.

Noch steht das Recycling der PV-Module am Beginn sei­ner Entwicklung und ist nicht wirt­schaft­lich. Die gro­ßen Mengen an zu recy­celn­den Solarmodulen kom­men erst in den nächs­ten Jahren, wenn die Einspeisevergütung aus­läuft und Module ersetzt wer­den sol­len. So ist davon aus­zu­ge­hen, dass sich die Wirtschaftlichkeit maß­geb­lich posi­tiv ver­än­dern wird.

Der Idealzustand des Recyclings ist es, wenn das Produkt in die ein­zel­nen Bestandteile zer­legt wer­den kann und diese anschlie­ßend wie­der in den Stoffkreislauf gelan­gen kön­nen. Bei die­sem Prinzip, genannt Cradle to Cradle, gewin­nen die ein­zel­nen Rohstoffe an Wert und das Endprodukt wird prak­tisch zum Lager für die Rohstoffe. Es gibt bereits Hersteller, deren Module nach die­sem Prinzip zer­ti­fi­ziert sind.

6. Gute Klimabilanz von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen spie­len als erneu­er­ba­re Energiequellen eine wich­ti­ge Rolle im Klimaschutz. Um das ener­ge­ti­sche Potential der Millionen Dächer in Deutschland zu nut­zen sind sie unver­zicht­bar. Aus die­sem Grund ist es wich­tig, sich auch mit der Klimabilanz der PV-Anlagen zu beschäf­ti­gen. Das Ergebnis kann sich durch­aus sehen las­sen und ver­bes­sert sich ste­tig mit der Weiterentwicklung der Technologie. Photovoltaikanlagen erzeu­gen in ihrem Leben min­des­tens die zehn bis 20-fache Energie, die zu ihrer Herstellung benö­tigt wird. Rohstoffe für kris­tal­li­ne Module sind in gro­ßen Mengen ver­füg­bar und durch Recycling ist eine Wiederverwendung der Bestandteile möglich.