Photovoltaikanlagen und die Energiewende: Wie nachhaltig ist diese erneuerbare Energie wirklich?
In dem vorherigen Beitrag sind wir bereits auf die Frage “Sind Photovoltaikanlage wirtschaftlich” eingegangen. In diesem Blogbeitrag widmen wir uns dem Thema der Nachhaltigkeit von Photovoltaikanlagen.
Während Solaranlagen vollumfänglich als umweltfreundlich und nachhaltig gelten, ist die Realität jedoch komplexer. Häufig wird kritisiert, dass die Herstellung, der Import und die Entsorgung der Solarzellen nicht vollständig frei von Schadstoffen und Klimagasemissionen sind. In unserem Blogbeitrag gehen wir der Frage auf den Grund, ob Photovoltaikanlagen wirklich nachhaltig sind und welche Auswirkungen sie auf unser Klima haben. Dazu betrachten wir alle Schritte von der Herstellung, dem Import bis zur Entsorgung einer Photovoltaikanlage.
Sollten Sie es vor Spannung nicht mehr aushalten können, scrollen Sie für die harten Fakten direkt nach unten.
Die Herstellung: Umweltfreundlich vs. Umweltbelastung
Photovoltaikanlagen zählen zu den erneuerbaren Energien und verursachen im Betrieb keine Emissionen durch Treibhausgase. Doch wie umweltfreundlich ist die Herstellung?
Eine Photovoltaikanlage ist im Betrieb zweifellos eine umweltfreundliche Energiequelle, da sie während ihrer Lebensdauer keine direkten Emissionen von Treibhausgasen verursacht. Jedoch gibt es auch Schattenseiten einer PV-Anlage, da der Herstellungsprozess Treibhausgase freisetzt. Bei der Herstellung werden in etwa 50 bis 70 Prozent der Gesamtemissionen einer Photovoltaikanlage ausgegangen. Der Grund dafür ist, dass der Einsatz von Rohstoffen wie Silizium, Silber, Metallen wie Aluminium und Kupfer, Kunststoffen, Glas sowie Schwermetallen wie Cadmium und Blei erforderlich sind, die aufwändig abgebaut und verarbeitet werden müssen.
Die enthaltenen Materialien und Rohstoffe können potenziell umweltschädlich sein, stellen generell aber keine unmittelbare gesundheitliche Gefahr dar, solange die Anlage ordnungsgemäß installiert, betrieben und gewartet wird. Darüber hinaus gibt es auch Hersteller, die auf eine ressourcenschonende Produktion setzen und so die Umweltauswirkungen der Herstellung minimieren.
Abbildung 1 DBI AG: Rohstoffe Umweltfreundlich vs. Umweltbelastung
Trotz der umweltbezogenen Aspekte während der Herstellung überwiegt der positive Beitrag von Photovoltaikanlagen zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen über die gesamte Lebensdauer hinweg deutlich. Zudem weist weist der durch die PV bereitgestellte Strom im Vergleich zum deutschen Strommix eine sehr geringe CO2-Bilanz auf (siehe Abbildung 2). Es gibt jedoch noch Potenzial zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Verwendung von umweltverträglichen Rohstoffen und Materialien. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von umweltfreundlichen Herstellungstechnologien und Materialalternativen trägt dazu bei, die Umweltauswirkungen zu minimieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern.
Abbildung 2 DBI AG: Emissionsfaktor für die Herstellung einer Photovoltaikanlage gegenüber dem Strom-Mix in Deutschland
Wissenswertes zu den Rohstoffen
Silizium ist das Hauptmaterial für Solarzellen und wird aus Quarzsand gewonnen. Der Abbau von Silizium kann jedoch mit einem hohen Energieaufwand und der Freisetzung von Treibhausgasen verbunden sein. Es gibt jedoch auch Siliziumproduzenten, die erneuerbare Energiequellen für die Siliziumproduktion einsetzen, was den CO2-Fußabdruck verringert.
Aluminium wird aus Bauxit gewonnen, einem Erz, welches aus der Erde kommt. Aluminium wird für die Rahmen und die Verkabelung von Solarzellen verwendet. Die Produktion von Aluminium erfordert viel Energie und kann CO2-Emissionen verursachen.
Kupfer wird für die elektrische Verkabelungen in Solarzellen verwendet und hauptsächlich aus Kupfererzen gewonnen. Der Abbau von Kupfer kann mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden sein und zur Freisetzung von Schwefel- und Stickoxidemissionen beitragen. Es gibt jedoch auch Kupferproduzenten, die nachhaltige Praktiken und Technologien einsetzen, um die Umweltauswirkungen zu reduzieren.
Glas erfüllt bei der Herstellung mehrere Zwecke und wird bspw. als Schutz für die Solarzellen, zur Lichtdurchlässigkeit, Widerstandsfähigkeit, zur Reinigung, in den Frontverglasungen von Solarkollektoren oder Solarkonzentratoren verwendet. Insgesamt spielt Glas eine wichtige Rolle in der Photovoltaikindustrie, da es als Schutzsicht für Solarzellen dient und gleichzeitig die effiziente Nutzung von Sonnenlicht ermöglicht.
Silber wird für die elektrischen Kontakte der Photovoltaikanlage verwendet. Silber wird hauptsächlich aus Silbererzen gewonnen. Die Produktion von Silber kann zur Freisetzung von Stickoxiden und Schwefeloxiden führen.
Cadmium kommt in bestimmten Dünnschicht-Solarmodulen vor, insbesondere in Cadmiumtellurid (CdTe)-Modulen. Cadmium ist ein giftiges Schwermetall, und die korrekte Handhabung, Entsorgung und das Recycling von CdTe-Modulen sind wichtig, um eine Freisetzung von Cadmium in die Umwelt zu verhindern. Eine sachgemäße Handhabung, Entsorgung und Recycling von CdTe-Modulen ist erforderlich, um potenzielle Umweltauswirkungen zu minimieren.
Die Lötmittelverbindung in Photovoltaikanlagen enthält eine geringe Menge an Blei, die zur Verbindung der elektrischen Anschlüsse in den Solarzellen und Modulen verwendet wird. Blei ist ein giftiges Schwermetall, und eine ordnungsgemäße Handhabung, Entsorgung und das Recycling von bleihaltigen Komponenten sind wichtig, um eine Freisetzung von Blei in die Umwelt zu minimieren. Es ist wichtig, Materialien mit Blei ordnungsgemäß zu recyceln oder zu entsorgen, um Umweltauswirkungen zu minimieren und eine sichere Handhabung von Blei zu gewährleisten.
Arsen kann in einigen Solarzellen-Technologien, wie Galliumarsenid (GaAs), verwendet werden. Arsen ist ein giftiges Element, und die korrekte Handhabung, Entsorgung und das Recycling von Arsen-haltigen Komponenten sind wichtig, um potenzielle Umweltauswirkungen zu minimieren.
Bei der Herstellung von Solarzellen und Modulen werden verschiedene Chemikalien verwendet, wie z.B. Ätz- und Reinigungslösungen. Der Umgang mit diesen Chemikalien erfordert eine angemessene Sicherheitsvorkehrung und eine umweltgerechte Entsorgung, um mögliche negative Auswirkungen auf die Umwelt zu vermeiden.
Import und Installation einer Photovoltaikanlage
Die meisten Photovoltaikanlagen werden aus China bezogen. Laut dem Statistischen Bundesamt (Destatis, 2023) wurden rund 87 % von China nach Deutschland importiert. Danach folgen mit großen Abständen die Niederlande (4 %), Taiwan (3 %), Malaysia (2 %), Vietnam (2 %).
Abbildung 3: Quelle: https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2023/03/PD23_N012_43.html
Beim Transport und der Installation einer Photovoltaikanlage liegt das CO2-Äquivalent für eine typische 4 kWp-Anlage durchschnittlich bei 10 bis 30 kg. Dies entspricht prozentual etwa 2 bis 4 Prozent der Gesamtemissionen. Im Gegensatz zur Herstellung, die etwa 50 bis 70 Prozent ausmacht stellt der Import somit einen sehr geringen Teil dar und kann damit nahezu vernachlässigt werden. Der Fokus muss damit auf eine nachhaltige Herstellung und Entsorgung von Photovoltaikanlagen gelegt werden.
Bei der Herstellung von Photovoltaikanlagen wird vor allem für die Produktion von Silizium viel Energie benötigt. In China ist der Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms sehr gering. Der Großteil des Stroms in China wird aus Kohle gewonnen, was wiederum zu einem hohen CO2-Ausstoß führt. Dies beeinflusst die Umweltbilanz der Photovoltaikanlagenproduktion negativ. Die chinesische Regierung und die Hersteller von Photovoltaikanlagen arbeiten daran, den Anteil erneuerbarer Energien im Strommix zu erhöhen und somit den CO2-Ausstoß bei der Herstellung von PV-Anlagen zu minimieren. Des Weiteren gibt es mittlerweile Zertifizierungen und Standards, die eine nachhaltigere Produktion von Photovoltaikanlagen fördern und den Einsatz erneuerbarer Energien bei der Herstellung erhöhen sollen.
Import und Installation einer Photovoltaikanlage
Die meisten Photovoltaikanlagen werden aus China bezogen. Laut dem Statistischen Bundesamt (Destatis, 2023) wurden rund 87 % von China nach Deutschland importiert. Danach folgen mit großen Abständen die Niederlande (4 %), Taiwan (3 %), Malaysia (2 %), Vietnam (2 %).
Beim Transport und der Installation einer Photovoltaikanlage liegt das CO2-Äquivalent für eine typische 4 kWp-Anlage durchschnittlich bei 10 bis 30 kg. Dies entspricht prozentual etwa 2 bis 4 Prozent der Gesamtemissionen. Im Gegensatz zur Herstellung, die etwa 50 bis 70 Prozent ausmacht stellt der Import somit einen sehr geringen Teil dar und kann damit nahezu vernachlässigt werden. Der Fokus muss damit auf eine nachhaltige Herstellung und Entsorgung von Photovoltaikanlagen gelegt werden.
Bei der Herstellung von Photovoltaikanlagen wird vor allem für die Produktion von Silizium viel Energie benötigt. In China ist der Anteil des aus erneuerbaren Energien erzeugten Stroms sehr gering. Der Großteil des Stroms in China wird aus Kohle gewonnen, was wiederum zu einem hohen CO2-Ausstoß führt. Dies beeinflusst die Umweltbilanz der Photovoltaikanlagenproduktion negativ. Die chinesische Regierung und die Hersteller von Photovoltaikanlagen arbeiten daran, den Anteil erneuerbarer Energien im Strommix zu erhöhen und somit den CO2-Ausstoß bei der Herstellung von PV-Anlagen zu minimieren. Des Weiteren gibt es mittlerweile Zertifizierungen und Standards, die eine nachhaltigere Produktion von Photovoltaikanlagen fördern und den Einsatz erneuerbarer Energien bei der Herstellung erhöhen sollen.
Entsorgung und Recyclingmöglichkeiten von Photovoltaikanlagen
Die CO2-Emissionen für die Entsorgung hängen von der Art der Entsorgung ab. Jedoch werden die Entsorgungskosten durchschnittlich auf 5 bis 15 kg CO2-Äquivalente pro Quadratmeter Modulfläche geschätzt. Dies entspricht etwa 15 bis 20 Prozent der Gesamtemissionen einer Photovoltaikanlage.
Die Entsorgung einer PV-Anlage, die potenziell gefährliche Substanzen wie Cadmium und Blei enthält, muss gemäß den geltenden Umweltvorschriften und unter Berücksichtigung von Sonderabfallregelungen ordnungsgemäß erfolgen. Dies kann die Behandlung oder Deponierung der Sonderabfälle umfassen. Es ist wichtig, die gefährlichen Substanzen ordnungsgemäß zu entsorgen, um Umweltauswirkungen zu minimieren und eine sichere Handhabung von Blei und Cadmium zu gewährleisten.
Eine Chance bietet das Recycling von PV-Anlagen, da bis zu 90 % der verbauten Materialien für neue Solaranlagen wiederverwendet werden können. Dies gilt insbesondere für wertvolle Materialien wie Silizium, Glas und Metalle, die in den Photovoltaikmodulen enthalten sind.
Das Recycling von Glas stellt noch einige Herausforderungen dar, da es in einigen Regionen noch nicht vollständig effizient oder sauber umgesetzt wird. Die Komplexität des Glasrecyclings liegt in der Zusammensetzung der Module, die neben Glas auch andere Materialien wie Kunststoffe, Metallrahmen und elektronische Komponenten enthalten können. Die Herausforderung besteht darin, die Komponenten richtig zu trennen und alle enthaltenen Materialien entsprechend zu entsorgen. Ein weiterer Faktor sind Verunreinigungen von PV-Modulen, die die Qualität des recycelten Glases beeinträchtigen und den Recyclingprozess erschweren können.
Haben Sie das gewusst?
Hersteller sind verpflichtet, PV-Anlagen kostenlos zurückzunehmen und zu recyceln. Anlagenbesitzer können ihre ausgemusterten Anlagen zum Wertstoffhof bringen, während größere Anlagen direkt beim Hersteller abgegeben werden müssen. Das Elektronikgerätegesetz (ElektroG) schreibt vor, dass mindestens 80 % der in den Modulen eingesetzten Materialien wiederverwendet werden müssen. Heutzutage werden durch innovative Verfahren sogar 95 % der Materialien von mono- und polykristallinen Modulen recycelt.
Aufgrund der strengen Regeln zur Entsorgung von Photovoltaikanlagen in Europa lässt sich diese als umweltfreundlich und nachhaltig einstufen. Allerdings müssen auch Länder außerhalb Europas ihre Recyclingkapazitäten ausbauen, um sicherzustellen, dass Solarzellen weltweit umweltgerecht entsorgt werden können. Zudem sollte beachtet werden, dass Solarzellen vergleichbar mit anderen Elektrogeräten sind und nicht in die Umwelt gelangen sollten, da sie auch einige Stoffe enthalten können, die schädlich sein können.
CO2-Emissionen für die Herstellung, den Import und der Entsorgung einer Photovoltaikanlage
Abbildung 4: DBI AG
Die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage
Nun beleuchten wir die energetische Amortisation, auch Energy-Payback-Time genannt. Die energetische Amortisation sagt aus, wie lange es dauert, bis eine Photovoltaikanlage genug erneuerbare Energie erzeugt hat, um die Energie auszugleichen, die für die Herstellung, Installation und Entsorgung aufgewendet wird. Diese Energie wird auch als “graue Energie” bezeichnet.
Es wird immer wieder gemutmaßt, dass Photovoltaik sich niemals energetisch amortisiert. Das ist jedoch falsch. Laut einer Studie des Fraunhofer Instituts amortisiert sich eine Photovoltaikanlage in Europa energetisch bereits nach 1 bis 1,3 Jahren. In Deutschland liegt der Wert zwischen 1,5 bis 4 Jahren, je nach Standort und Technologie. Das bedeutet, nach lediglich 4 Jahren regenerativer Energieerzeugung hat die Photovoltaikanlage bereits so viel saubere Energie erzeugt, um die Energiebilanz ihrer Herstellung auszugleichen.
Zudem hat eine Photovoltaikanlage eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren, und in der Praxis geht man bereits von einem längeren Zeitraum aus. In dieser Zeit wird kontinuierlich saubere regenerative Energie erzeugt. Daher wäre es falsch zu behaupten, dass sich eine PV-Anlage niemals energetisch amortisiert. Sie gelten zurecht als eine der nachhaltigsten Energiequellen, die derzeit verfügbar sind.
Abbildung 6: In der Abbildung stellen wir die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage mit einer Lebensdauer von 25 Jahren dar. Innerhalb der ersten vier Jahre ist die energetische Amortisation abgeschlossen und der Überschuss kann für die restliche verbleibende Zeit vollumfänglich genutzt werden.
Abbildung 6: In der Abbildung stellen wir die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage mit einer Lebensdauer von 25 Jahren dar. Innerhalb der ersten vier Jahre ist die energetische Amortisation abgeschlossen und der Überschuss kann für die restliche verbleibende Zeit vollumfänglich genutzt werden.
Fazit
Photovoltaik ist ein wichtiger Bestandteil für eine erfolgreiche Energiewende. Unter Berücksichtigung aller Aspekte lässt sich sagen, dass Photovoltaik eine nachhaltige Lösung darstellt, wenn sie unter Beachtung ökologischer Kriterien produziert, importiert und entsorgt wird. Wenn wir die Umweltauswirkungen während der gesamten Lebensdauer einer PV-Anlage betrachten, überwiegen die Vorteile deutlich. Das wird besonders offensichtlich in der Gegenüberstellung der CO2-Emissionen zu beispielsweise Braunkohle, Steinkohle, Heizöl und Erdgas (Abbildung 7). Selbstverständlich spielen dabei viele Faktoren eine wichtige Rolle, und sowohl Hersteller als auch Verbraucher sollten darauf achten, dass Photovoltaikanlagen umweltfreundlich produziert, importiert und entsorgt werden. Nur so können wir sicherstellen, dass Photovoltaik auch in Zukunft eine nachhaltige Energiequelle bleibt.
Photovoltaik allein löst leider nicht alle unsere Energieprobleme, da sie nur Strom erzeugt, wenn die Sonne scheint. Es gibt sogar kritische Stimmen, die behaupten, dass Deutschland als geographischer Standort für PV-Anlagen nur begrenzt geeignet ist. Es herrscht jedoch Einigkeit darüber, dass die erforderlichen Energiemengen mit der derzeitigen Speichertechnologie nur für begrenzte Zeiträume bereitgestellt werden können, in denen die Sonne nicht scheint. Dadurch befinden wir uns mitten in der Diskussion über Energievolatilität. In einem zukünftigen Blogartikel werden wir das Thema weiter betrachten.
Wir freuen uns, wenn Ihnen unser Beitrag gefallen hat und wir das Interesse an weiteren Themen zu Energie, BIM und Projektmanagement geweckt haben. Folgen Sie uns gerne auf LinkedIn, XING oder Facebook, um stets über neue Blog-Beiträge informiert zu werden.
Fazit
Photovoltaik ist ein wichtiger Bestandteil für eine erfolgreiche Energiewende. Unter Berücksichtigung aller Aspekte lässt sich sagen, dass Photovoltaik eine nachhaltige Lösung darstellt, wenn sie unter Beachtung ökologischer Kriterien produziert, importiert und entsorgt wird. Wenn wir die Umweltauswirkungen während der gesamten Lebensdauer einer PV-Anlage betrachten, überwiegen die Vorteile deutlich. Das wird besonders offensichtlich in der Gegenüberstellung der CO2-Emissionen zu beispielsweise Braunkohle, Steinkohle, Heizöl und Erdgas (Abbildung 7). Selbstverständlich spielen dabei viele Faktoren eine wichtige Rolle, und sowohl Hersteller als auch Verbraucher sollten darauf achten, dass Photovoltaikanlagen umweltfreundlich produziert, importiert und entsorgt werden. Nur so können wir sicherstellen, dass Photovoltaik auch in Zukunft eine nachhaltige Energiequelle bleibt.
Photovoltaik allein löst leider nicht alle unsere Energieprobleme, da sie nur Strom erzeugt, wenn die Sonne scheint. Es gibt sogar kritische Stimmen, die behaupten, dass Deutschland als geographischer Standort für PV-Anlagen nur begrenzt geeignet ist. Es herrscht jedoch Einigkeit darüber, dass die erforderlichen Energiemengen mit der derzeitigen Speichertechnologie nur für begrenzte Zeiträume bereitgestellt werden können, in denen die Sonne nicht scheint. Dadurch befinden wir uns mitten in der Diskussion über Energievolatilität. In einem zukünftigen Blogartikel werden wir das Thema weiter betrachten.
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Quellenverzeichnis: Header Image by tawatchai07 on Freepik; Image “Man between solar panels” from Freepik, Image “light bulb” rawpixel from Freepik