Photovoltaikanlagen und Klimaschutz: Wie grün sind sie wirklich?

Photovoltaikanlagen können klimaneutral Energie liefern. Doch sie selbst sind nicht emissionsfrei zu haben. Angesichts des zu erwartenden Zubaus weltweit hat der CO2-Fußabdruck von Solaranlagen eine nicht zu unterschätzende Bedeutung für den Klimaschutz.

Von Ralph Diermann

Die Herstellung einer Solaranlage verbraucht so viel Energie, dass sie nur wenig zum Klimaschutz beitragen kann.“ So lautet ein Vorurteil, das viele, die sich mit der Photovoltaik (PV) beschäftigen, schon gehört haben.

Auch wenn hinter solchen Positionen meist Unwissenheit, wirtschaftliche Interessen oder eine politische Agenda stecken, sind folgende Fragen dennoch berechtigt: Wie viel Energie fließt in die Fertigung von Photovoltaikanlagen, wie viel CO₂ wird dabei freigesetzt – und wie viel Treibhausgase sparen sie ein, wenn sie fossile Energien ersetzen?

Photovoltaikanlagen: Vielfältige Produktlandschaft

Geht man nun ins Detail, wird allerdings schnell klar: Pauschale Aussagen zu Energieaufwand und CO₂-Emissionen der Photovoltaik sind nicht möglich, da die Produktlandschaft zu heterogen ist, um die Anlagen über einen Kamm scheren zu können. So schneiden Solarsysteme mit Dünnschicht-Modulen deutlich besser ab als solche mit kristallinen Panels, weil deren Herstellung viel weniger Energie erfordert.

Für die CO₂-Bilanz spielt auch der Fertigungs­standort eine große Rolle, erklärt Andreas Neuhaus, Abteilungsleiter Modultechnologie beim Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Wegen des hohen Kohleanteils im Strommix verursacht eine Produktion in China mehr Emissionen als eine in Europa“, so Neuhaus. Doch auch innerhalb der einzelnen Produktgruppen gibt es Unterschiede. Begründet sind sie in der Fertigung.

Bei der kristallinen Photovoltaik betrifft das vor allem die Wafer, auf die ein sehr großer Teil des gesamten Energieeinsatzes entfällt. „Ganz wichtige Punkte sind hier, wie die Wafer gesägt werden und wie dick sie sind“, erläutert Neuhaus. So verwenden mehr und mehr Unternehmen Diamantdrahtsägen, mit denen weniger Silizium beim Sägen verloren geht. Das reduziert den Material- und damit den Energiebedarf erheblich, ebenso die Verwendung dünnerer Wafer.

Und auch das Design der Module hat Einfluss auf den Energieaufwand. „Ein Aluminiumrahmen zum Beispiel verschlingt viel Energie, Laminate sind da besser“, sagt der Fraunhofer-Forscher.

Glas-Glas-Module hätten wiederum eine längere Lebensdauer und zeigte eine geringeren Materialermüdung, was aber mit einem höheren Energiebedarf bei der Produktion erkauft werde. Und dann sind da noch der Wirkungsgrad und der Installationsort, wichtige Faktoren bei der Berechnung des Klimanutzens. „Es ist kompliziert“, fasst Neuhaus zusammen.

Energie- und CO₂-Daten: Fortschritte reduzieren den Energiebedarf

Das hat eine internationale Expertengruppe nicht davon abgehalten, im Auftrag des Photovoltaic Power Systems Programme der Internationalen Energieagentur (IEA PVPS) Energie- und CO₂-Daten für einzelne Produktkategorien zu erheben.

In ihrer 2015 veröffentlichten Studie kommen die Autoren unter anderem zu dem Ergebnis, dass die Energy Payback Time – also die Zeit, die Photovoltaik-Anlagen benötigen, um so viel Energie zu erzeugen wie sie über ihren gesamten Lebenszyklus verbrauchen – bei monokristallinen Hausdach-Systemen mit einem Ertrag von knapp 1.000 Kilowattstunden pro Kilowattpeak (kWh/kWp) Leistung im Durchschnitt 2,4 Jahre beträgt. Dabei haben sie den gesamten Zyklus einschließlich vorgelagerter Prozesse wie der Siliziumproduktion bis hin zur Entsorgung der Anlagen betrachtet.

Neben den Modulen sind auch Wechselrichter, Montagegestelle und Kabel berücksichtigt. Den IEA-PVPS-Experten zufolge ist die Erzeugung einer Kilowattstunde Strom in einer solchen Anlage rechnerisch mit einem Ausstoß von durchschnittlich etwa 80  g CO₂-Äquivalenten verbunden. Der mit Abstand größte Teil geht dabei auf das Konto der Module. 

Allerdings geben diese Zahlen nicht mehr als einen Anhaltspunkt, weil sie bereits rund fünf Jahre alt sind. „Die großen Herausforderungen liegen darin, mit den Bilanzen aktuell zu sein und die Produktionssituation in Fernost angemessen abzubilden“, erklärt Rolf Frischknecht, einer der Autoren der IEA-PVPS-Studie und Chef der Schweizer Firma Treeze, die Lebenszyklusanalysen erstellt.

Auch die jüngsten Effizienzverbesserungen in den Fertigungsprozessen sind hier nicht berücksichtigt. Nicht nur beim Sägen der Wafer hat die Branche große Fortschritte erzielt, sondern auch bei der Produktion von polykristallinem Solarsilizium nach dem Siemens-Verfahren – ein sehr energieintensiver Prozess. 

Wacker Solarsilizium: Noch nicht alle Möglichkeiten ausgereizt

Wacker, einer der weltweit wichtigsten Hersteller von Solarsilizium, ist überzeugt, dass die Möglichkeiten hier aber noch nicht ausgereizt sind. Für die kommenden Jahre hat sich das Unternehmen das Ziel gesetzt, den Energiebedarf um weitere 10 bis 15 % zu reduzieren. Dafür sieht Karl Hesse, Vice President Process Development bei Wacker Polysilicon, mehrere Ansatzpunkte.

„Ein Beispiel: Der Siemens-Prozess umfasst mehrere Hochtemperaturschritte – etwa die Abscheidung von gasförmigem Trichlorsilan bei circa 1.000 Grad, bei der sich hochreines polykristallines Silizium bildet. Die dabei auftretenden Wärmeverluste, die für einen großen Teil des Energiebedarfs verantwortlich sind, konnten wir durch zahlreiche Maßnahmen bereits erheblich reduzieren.“ Hier will Wacker noch weitere Potenziale heben. „Das trägt wesentlich zu einer verbesserten Gesamtenergiebilanz in der Photovoltaik bei“, erklärt Hesse.

Photovoltaikanlagen und Klimaschutz

Auch wenn es also eine gewisse Bandbreite bei Energieaufwand und CO₂-Emissionen gibt, so lässt sich aber eine pauschale Aussage ohne jede Abstriche treffen: Die Photovoltaik leistet einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz – denn schließlich ersetzt der Solarstrom solchen aus Kohle- und Gaskraftwerken, die pro Kilowattstunde Strom ein Vielfaches an Kohlendioxid ausstoßen.

Das unterfüttern mehrere Studien, unter anderem vom Umweltbundesamt (UBA), mit Zahlen. So ermittelte das UBA zum Beispiel, dass eine erzeugte Kilowattstunde Solarstrom insgesamt 614 g CO₂-Äquivalente einspart. Zum Vergleich: Onshore-Windräder vermeiden 667 g, Biogasanlagen 355 g. Die Experten gehen hier davon aus, dass die Photovoltaik ausschließlich Steinkohle- und Gaskraftwerke aus dem Markt drängt.

Die UBA-Experten haben ihrer Rechnung für die Photovoltaik CO₂-Emissionen von 67 g/kWh zugrunde gelegt, etwas weniger als ihre Kollegen vom IEA PVPS für monokristalline Hausdach-Systeme. Dabei haben sie allerdings auch nur die Module und die Montagesysteme, nicht jedoch Wechselrichter und Verkabelung berücksichtigt.

CO₂-Emissionen: EU prüft mögliche Maßnahmen 

Auch wenn die CO₂-Emissionen, die auf das Konto der Photovoltaik gehen, vergleichsweise gering sind, fallen sie doch durchaus ins Gewicht, wenn man die globalen Zubauraten betrachtet. Wie also lässt sich die Solarindustrie dazu bewegen, ihren Ausstoß an Treib­hausgasen zu reduzieren?

Einen interessanten Weg beschreitet Frankreich: Die Regierung hat bereits 2017 bei Ausschreibungen für Solarsysteme ab 500 kWp ­einen CO₂-Faktor eingeführt, der je nach Anlagengröße und -art 21 oder 30  % der Gesamtbewertung ausmacht. Die Franzosen nehmen das Problem einer anlagenspezifischen CO₂-Bilanzierung in den Griff, indem sie für jede einzelne Komponente eines Moduls, aufgefächert nach deren Fertigungsländern, spezifische CO₂-Emissionswerte definieren, die sich für ein Panel zu einem individuellen Gesamtwert aufaddieren lassen.

Ein in Frankreich ­gefertigtes Dünnschichtmodul schneidet dabei zum Beispiel erheblich besser ab ein polykristallines Panel, das vollständig in China produziert wird. „Bei einem Beitrag von bis zu dreißig Prozent zur Gesamtbewertung kann die CO₂-Bilanz eines Projektes bei der Ausschreibung durchaus einen Unterschied machen“, erklärt Simon Bénard, Referent Solarenergie beim Deutsch-Französischen Büro für die Energiewende (DFBEW).

Für Fraunhofer-Forscher Neuhaus wäre ein solcher CO₂-Faktor für Ausschreibungen auch für Deutschland sinnvoll – nicht nur aus Gründen des Klimaschutzes: „Das ist ein guter Hebel, um den Produktionsstandort Europa zu stärken“, erklärt er. Ein Effekt, den sicher auch die französische Regierung bei der Verabschiedung des CO₂-Faktors im Visier hatte.

Photovoltaikanlagen: Ausweitung der EU-Richtlinie?

Auf EU-Ebene wiederum könnte eine Aufnahme der Photovoltaik in die Ökodesign-Richtlinie Druck auf die Solarindustrie ausüben. Sollte die EU die Richtlinie tatsächlich auf die Photovoltaik ausweiten, müssten Modul- und Wechselrichterhersteller für ihre in Europa verkauften Produkte künftig noch festzulegende Umweltstandards erfüllen. Als Alternative prüft die EU derzeit zudem freiwillige Maßnahmen wie die Einführung eines Ökolabels oder die Definition von Umweltkriterien, nach denen sich Einkäufer bei der Beschaffung richten können.

Momentan erstellt die federführende EU-Organisa­tion, das Joint Research Center (JRC), für die EU-Kommission eine Bewertung der einzelnen Optionen. Ihr Bericht soll in diesem Sommer vorliegen. Der weitere Prozess wird dann aber noch einige Zeit in Anspruch nehmen, so dass freiwillige Maßnahmen wohl frühestens im nächsten Jahr eingeführt werden könnten. Sollte es zu verpflichtenden Standards kommen, würden diese sicher nicht vor 2022 in Kraft treten.

Mit welchen Indikatoren die Umweltwirkung eines Moduls bemessen werden könnte, hat das JRC zusammen mit der Industrie, Umweltverbänden und anderen Parteien im Vorfeld ihrer Bewertung der möglichen Maßnahmen untersucht. Ein sinnvolles, praktikables Kriterium wäre den Experten zufolge etwa der Verbrauch von Rohstoffen. Wie ließe sich der konkret mit einer Vorgabe adressieren?

„Man könnte zum Beispiel im Rahmen der Ökodesign-Richtlinie festlegen, dass Technolo­gien, die in der EU künftig auf den Markt kommen, einen bestimmten Anteil an recyceltem Halbleiter-Material aufweisen müssen“, erläutert Andreas Wade, Global Sustainability Director bei First Solar und Vorstand des Umweltkomitees von SolarPower Europe. Eine solche Pflicht ließe sich sehr gut mit bestehenden umweltpolitischen Vorgaben wie etwa der Elektroschrott-Richtlinie WEEE koppeln, so Wade.

Silizium-Solarzellen landen bislang in der Müllverbrennung

Die WEEE verlangt bereits heute, dass 85 % der verkauften Module nach Ende ihrer Lebenszeit eingesammelt und zu 80 % recycelt werden. Diese Vorgabe bezieht sich auf die Masse der Module – und lässt sich daher relativ leicht einhalten, da rund 90 % des Gewichts eines Moduls auf das Glas sowie auf den Rahmen und die Anschlussdose aus Aluminium entfallen. Das Leichtmetall wird zu neuem Aluminium und das Glas zu Glaswolle, mit der Gebäude und Anlagen gedämmt werden.

Die Silizium-Solarzellen dagegen landen samt ihren Blei-, Zink-, Zinn- und Silberanteilen bislang noch in der Müllverbrennung. Grund dafür ist, dass die Zellen fest mit der EVA- und der Rückseitenfolie verbacken sind. Das macht es sehr schwer, die Materialien zu recyceln. „Man muss die Wertstoffe erst einmal sauber trennen, bevor sie wiederverwertet werden können. Aber das ist äußerst aufwendig“, sagt Ullrich Didszun, deutscher Repräsentant der von der europäischen Solar­industrie gegründeten Recycling-Organisation PV Cycle.

Die Recyclingindustrie arbeitet daher derzeit daran, die Wiederverwerten der Halbleitermaterialien zu vereinfachen. So hat eine Forschergruppe um den Entsorger Suez und das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ein Verfahren entwickelt, das die Metalle und das Silizium per Pyrolyse sauber von den Kunststoffen lösen soll, sodass die Wertstoffe recycelt werden können.

In einer Pilotanlage im schwäbischen Knittlingen wird der Prozess derzeit erprobt. Suez geht davon aus, demnächst mit dem Bau einer industriellen Anlage starten zu können. Sie soll eine Kapazität von 200.000 Modulen pro Jahr haben. Wenn in einigen Jahren deutlich größere Mengen anfallen, könnte sie entsprechend erweitert werden.

Halbleitermaterialien: Schrottaufkommen wird wachsen

Wie positiv sich eine Wiederverwertung der Halbleitermaterialien auf die PV-Bilanz auswirken wird, lässt sich heute allerdings noch nicht sagen. „Hier müssten die Recyclingaufwendungen für Sili­zium, Silber und Blei der Gewinnung von Neumaterial gegenübergestellt werden“, meint Bilanzierungsexperte Frischknecht. „Diese Frage kann erst zuverlässig beantwortet werden, wenn große Mengen an Modulen anfallen – was noch nicht der Fall ist – und die Aufwendungen besser bekannt sind.“

Frischknecht zufolge zeigen erste Abschätzungen jedoch, dass die zurückgewonnenen Materialen bereits heute einen kleineren Fußabdruck haben als aus Minen gewonnenes, neues Material. Gerade einmal 367 t wurden 2017 laut Stiftung Elektro-Altgeräte Register (EAR) an den öffentlichen Rücknahmestellen abgeliefert. Doch das Aufkommen wird in den nächsten Jahren stark wachsen.

Die Internationale Organisation für erneuerbare Energien Irena geht davon aus, dass bis 2025 in Deutschland kumuliert knapp 100.000 t Solarschrott anfallen werden. Bis 2030 soll die Menge gar auf rund 400.000 t wachsen.