Infowelt Energie
So beeinflusst Photovoltaik Ihre Ökobilanz
Photovoltaikanlagen erzeugen nachhaltigen Strom, aber wie groß ist der CO2-Fußabdruck durch Produktion, Transport und Entsorgung der Anlagen? Und wann rechnet sich die Solaranlage auf dem eigenen Dach energetisch?
Zuletzt aktualisiert am 23.3.2023
Lesedauer: 6 Minuten
CO2-Bilanz von Photovoltaikmodulen variiert
Wer sich mit der Umweltbilanz von Photovoltaikanlagen beschäftigt, stößt rasch auf unterschiedliche Angaben. Aber wie viel CO2 wird wirklich durch Photovoltaikanlagen freigesetzt? Das Umweltbundesamt legt bei seinen Berechnungen zwischen 22 und 82 Gramm CO2-Äquivalent/kWh zugrunde. Die Maßeinheit CO2-Äquivalent macht unterschiedliche Treibhausgase vergleichbar. Sie entspricht der Wirkung von einer Tonne Kohlenstoffdioxid (CO2).
Wie hoch der CO2-Fußabdruck einer Solaranlage ist, hängt von unterschiedlichen Einflussfaktoren ab. Dazu gehören: der Ort der Herstellung, die verwendeten Materialien, die eingesetzte Energie, die Nutzungsdauer und das Recycling.
China führend in der Produktion
Die meisten Solarmodule stammen aus China. Ein Großteil der benötigten Energie wird dort noch über Kohle erzeugt. Das führt natürlich zu einer höheren Belastung durch CO2 in der Ökobilanz der Solaranlage. Aber der Solarstrom legt auch in China immer weiter zu: Bereits 2017 setzte sich China an die Spitze des Rankings der Länder mit der größten Produktion von Solarstrom. Und bis 2060 will China alle benötigte Energie CO2-neutral erzeugen. Der Transport von Photovoltaikmodulen aus China nach Europa macht übrigens nur drei Prozent der Gesamtemissionen aus. Insgesamt sparen in der EU gefertigte Module laut Fraunhofer-Institut jedoch etwa 40 Prozent CO2 gegenüber solchen aus China.
Klimabilanz der Solarmodule hängt von den Materialien ab
Die Hauptbestandteile von Solarmodulen nach Gewicht sind Glas, Aluminium, Kunststoffverbindungen und Silizium. Glas entsteht unter hohen Temperaturen aus Quarzsand, Soda und Kalk. Durch die lange Nutzungsdauer ist der Energieeinsatz bei der Herstellung vertretbar. Die Rohstoffe für die Glasproduktion sind – ebenso wie das im Rahmen verwendete Aluminium – in großen Mengen vorhanden. Diese Materialien lassen sich gut recyceln, wenn die Module ausgedient haben. Problematischer ist die Kunststoffschicht, in die viele Solarmodule eingelassen sind. Kunststoffe werden häufig synthetisch aus Erdöl hergestellt, was die Klimabilanz der Solarmodule belastet. Außerdem lassen sie sich nur schwer recyceln.
Darüber hinaus verbraucht die Photovoltaikindustrie auch circa 1500 Tonnen Silber pro Jahr, was etwa sechs Prozent der Fördermenge im Jahr 2020 entspricht. Einige Hersteller ersetzen das Silber bereits durch Kupfer.
Ein weiterer bedenklicher Bestandteil vieler Solarmodule ist Blei. Das giftige Schwermetall kann sich im Laufe der Zeit lösen. Blei lässt sich jedoch ohne Mehrkosten ersetzen und einige Modulhersteller haben hier bereits umweltverträglichere Lösungen gefunden.
Die EU plant im Laufe des Jahres 2023, eine Ökodesign-Richtlinie für Photovoltaik-Module zu erlassen. Diese wird genaue Vorgaben zur Haltbarkeit und den zugelassenen Inhaltsstoffen machen.
Gut zu wissen: Inzwischen gibt es auch rahmenlose Glas-Glas-Module, die ohne Aluminium auskommen. Ihre CO2-Bilanz ist etwa ein Viertel besser als bei herkömmlichen Modellen. Allerdings sind sie erst bei wenigen Herstellern im Angebot.
Silizium ist ein Hauptbestandteil von Solarzellen
95 Prozent aller Solarzellen bestehen aus Silizium. Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Allerdings sind für die Aufbereitung hohe Temperaturen von über 2000 Grad Celsius notwendig. Das benötigt viel Energie.
Wird Silizium in China hergestellt, stammt der Strom mit hoher Wahrscheinlichkeit aus fossilen Quellen. In Norwegen konnten die CO2-Emissionen bei der Siliziumproduktion durch den Einsatz von erneuerbaren Energien hingegen um bis zu 50 Prozent reduziert werden.
Eine weitere positive Entwicklung für die Energiebilanz: Der Materialbedarf an Silizium sank laut Fraunhofer Institut von 16g/Watt Peak im Jahr 2004 auf weniger als 3g/Watt Peak im Jahr 2020. Das ifo-Institut beziffert die CO2-Emissionen für die Herstellung und Nutzung von polykristallinen Modulen aktuell auf bis zu 24 g CO2/kWh.
Zukunftsalternative Siliziumkarbid
Innovative Materialien könnten in Zukunft die Umweltbelastung bei der Produktion von Solaranlagen verringern. Siliziumkarbid ist zum Beispiel in der Lage, die Stromausbeute der Module auf über 99 Prozent zu erhöhen. Noch ist dieses Material wesentlich teurer, doch mit wachsender Nachfrage und voranschreitendem technischem Fortschritt könnte sich das bald ändern.
Problematische Umweltbilanz von Dünnschichtmodulen
Dünnschichtmodule sind einfacher herzustellen als mono- oder polykristalline Module. Sie verbrauchen weniger Rohstoffe, enthalten aber teilweise Cadmium oder Selen. Diese Materialien werden als gesundheitsschädlich bis giftig eingeordnet. Bei alternativen Technologien werden Tellur oder Indium verwendet. Sie zählen zu den Seltenen Erden, sind also nur in äußerst geringem Maße in der Erdkruste vorhanden.
Der Verbrauch von Seltenen Erden hat in den letzten Jahren massiv zugenommen. Die Förderung ist aufwendig und lag bisher fest in chinesischer Hand. Zwar wurde erst kürzlich ein Rekordfund an Seltenen Erden in Schweden bekanntgegeben, doch bis diese abgebaut und genutzt werden können, wird es noch mindestens 10 bis 15 Jahre dauern.
Das ifo-Institut beziffert die CO2-Emissionen für die Herstellung und Nutzung von Dünnschichtmodulen auf circa 12 g CO2/kWh. Polykristalline Solarmodule kommen im Vergleich hierzu auf bis zu 24 g CO2/kWh. Allerdings ist der Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen auch meist niedriger als bei mono- oder polykristallinen Modulen. Für die gleiche Photovoltaikleistung werden also deutlich mehr Module benötigt.
Die Energiebilanz ist nach zwei Jahren positiv
Wie lange muss eine PV-Anlage arbeiten, um die Menge an Energie zu produzieren, die für ihre Herstellung verbraucht wurde? Dieser Zeitraum wird als energetische Amortisation bezeichnet. Laut Umweltbundesamt liegt er aktuell bei maximal 2,1 Jahren, je nach verwendeten Materialien kann er auch unter einem Jahr betragen. Wer es genau wissen will, kann die Daten seiner PV-Anlage in den Ökobilanzrechner des Umweltbundesamtes eingeben.
Die Zeitspanne der energetischen Amortisation wird sich in den kommenden Jahren voraussichtlich drastisch verringern. Der Grund liegt im steigenden Wirkungsgrad der Module. Bisher lag dieser bei höchstens 20 Prozent. Das Fraunhofer Institut hat jedoch im Labor bereits Solarzellen entwickelt, die einen Wirkungsgrad von knapp unter 50 Prozent haben und somit deutlich mehr Strom liefern. Der Einsatz von Siliziumkarbid könnte das Ergebnis noch weiter verbessern.
Batteriespeicher können PV-Klimabilanz verbessern
Wer eine Photovoltaikanlage mit Batteriespeicher betreibt, braucht weniger Strom aus dem öffentlichen Netz, der mit höheren CO2-Emissionen belastet ist als Sonnenstrom. Laut EUPD Research kann ein Batteriespeicher die CO2-Einsparung privater PV-Anlagen sogar verdoppeln.
Ob ein Batteriespeicher die Klimabilanz der Photovoltaikanlage positiv beeinflusst, hängt allerdings von seiner Effizienz ab. Hocheffiziente Systeme verbessern laut der Hochschule für Technik und Wissenschaft Berlin die CO2-Bilanz des PV-Systems. Allerdings wurden die CO2-Emissionen aus der Speicherherstellung in der Untersuchung nicht berücksichtigt, da hierzu nur wenig verwertbare Daten vorliegen.
Längere Nutzung verbessert Ökobilanz
Neben dem Ort der Produktion und den verwendeten Materialien spielt vor allem die Nutzungsdauer eine wichtige Rolle bei der CO2-Bilanz von Photovoltaik. Eine Anlage besteht aus mehreren Komponenten mit unterschiedlicher Lebensdauer. Der kurzlebigste Bestandteil ist der Wechselrichter, er muss etwa alle 10 Jahre ausgetauscht werden. Batteriespeicher haben eine Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren. Auf die Solarmodule geben viele Hersteller eine Garantie zwischen 20 und 30 Jahren. Aber auch danach sind sie oft noch einsatzfähig. Die Montageteile – wie zum Beispiel der Aluminiumrahmen – sind sehr langlebig.
Photovoltaikanlagen haben also insgesamt eine lange Nutzungsdauer und sind wartungsarm: Um die Lebensdauer zu verlängern, braucht man nur einzelne Komponenten zu ersetzen. Und je länger man eine Photovoltaikanlage nutzt, umso mehr Solarstrom produziert sie und umso besser ist ihre Ökobilanz.
PV-Anlagen müssen recycelt werden
Ist eine PV-Anlage nicht mehr einsatzfähig, gilt es, diese fachgerecht zu entsorgen. In Deutschland ist das Recycling von PV-Anlagen im Elektro- und Elektronikgerätegesetz geregelt: Der Hersteller Ihrer PV-Anlage ist dazu verpflichtet, sie unentgeltlich wieder zurückzunehmen und fachgerecht zu entsorgen.
Sie können aber auch bis zu 40 PV-Module kostenfrei selbst bei Werkstoffhöfen abgeben und sie so in den Recycling-Kreislauf bringen. Grundsätzlich ist die fachgerechte Entsorgung in jedem Fall kostenlos und zwei Mal im Jahr ist auch eine kostenlose Abholung möglich. Allerdings fallen bei der Demontage der gesamten Anlage Kosten an, die nicht übernommen werden (z. B. Dachdecker- und Elektriker-Honorar, Material- und Gerüstkosten). Abhängig von den individuellen Voraussetzungen können diese bis zu 2.000 € betragen.
Und was passiert beim Recycling? Aluminiumrahmen, Anschlussdose, Laminat und Glas werden getrennt. Während Aluminium und Glas relativ einfach wiederverwertet werden können, sind Recycling-Verfahren für das Laminat noch in der Erprobung. Der Aufwand lohnt sich aber schon allein für die wertvollen Bestandteile wie Silizium, Silber und Kupfer. Inzwischen gibt es auch rahmenlose Glas-Glas-Module, die ohne Aluminium auskommen. Ihre CO2-Bilanz ist noch einmal um etwa ein Viertel besser gegenüber den herkömmlichen Modellen. Allerdings sind sie erst bei wenigen Herstellern im Angebot.
Ökobilanz im Vergleich zu anderen Arten der Stromerzeugung
Selbst wenn man bei den Emissionen einen konservativen Wert wie 56,55 g CO2-Äquivalent /kWh annimmt, liegen die Emissionen von Photovoltaik ein Vielfaches unter konventionellen Arten der Stromerzeugung. Lediglich andere Arten von erneuerbaren Energien produzieren weniger CO2, so zum Beispiel Windkraft. Allerdings ist die Stromerzeugung über private Windkraftanlagen nicht überall in Deutschland möglich und deutlich teurer als die Produktion von Solarenergie.
Vattenfall Fazit
Die Klimabilanz von Photovoltaik ist insgesamt sehr positiv. Die energetische Amortisationszeit liegt derzeit bei zwei Jahren und wird mit voranschreitender Technik sinken. Innovative Materialien wie Siliziumkarbid wirken sich nicht nur positiv auf die Ökobilanz aus, sondern steigern auch den Wirkungsgrad der Solarmodule. Doch schon jetzt lohnt sich die Investition in eine Solaranlage, um ein Teil der Energiewende zu werden und den Klimaschutz voranzutreiben.
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