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

 

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

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

 

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.

 


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Andreas Kühl

Andreas Kühl

Erfahrener Energieblogger mit hohem Interesse die Energiewende mit innovativen Technologien und Geschäftsmodellen voranzubringen. Experte für Gebäudeenergie bei SOLARIMO mit dem Hintergrund als Dipl.-Ing. (FH) Bauphysik.

Veröffentlicht am:
Dezember 15, 2020

 

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