Umweltauswirkung von Photovoltaik-Modulen

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Welches ist die derzeit meistgenutzte Solarzellentechnologie und warum? 

Bei neu installierten Modulen sind fast ausschließlich nur noch monokristalline Solarzellen im Einsatz, im Bestand sind aber auch noch polykristalline Solarzellen zu sehen (Module mit blauer, eher „unruhiger“ Oberfläche).  

Lange Zeit waren die Module mit AI-BSF-Zellen (Aluminium Back Surface Field) ausgerüstet, die auch als „Standard-Solarzellen“ galten. Abgelöst wurden sie von PERC-Zellen, die aktuell ihrerseits von TOPCon-Zellen verdrängt werden. Neuere Technologien wie Perowskit-, Heterojunction- oder Tandemzellen sind noch nicht in größeren Mengen im Einsatz. 

Bei größeren Anlagen (Solarparks) sind häufig die preisgünstigeren Dünnschichtmodule verbaut. Als Technologien kommen hier amorphe Siliziumzellen, Cadmiumtellurit- und CIGS-Zellen sowie organische Solarzellen zum Einsatz.  

Welche Zelltechnologie genutzt wird hängt im Wesentlichen von drei Faktoren ab:  

• Wissenschaftlich-technischer Fortschritt 
  Es wird ständig an Zellen mit höheren Wirkungsgraden geforscht. Höhere Wirkungsgrade bedeuten letztendlich höhere Leistungen der Module und damit können höhere Preise erzielt werden.
• Skalierbarkeit der Technologie 
  Wie lassen sich die Zellen in großen Mengen und preisgünstig herstellen? 
  Einmal eingeführte Technologien verdrängen häufig andere, einfachere, weil sie aufgrund der Produktionsmenge günstiger sind.
• Spezifische Anforderungen 
  In Nischen setzen sich auch andere Technologien durch, wenn es z.B. darum geht, einen bestimmten Teil des Lichtspektrums zu nutzen.

Welche Phasen des Lebenszyklus von PV-Modulen tragen am meisten zur Umweltbelastung bei? 

Ganz klar: Die Extraktion der Rohstoffe, die Produktion der Komponenten bzw. des Moduls selbst sowie das Recycling / die Entsorgung. Die Umweltbelastung während des Betriebs ist quasi Null. 

Für die Produktion der Solarzellen wird Silizium benötigt, dass aus Sand gewonnen und dann bei hohen Temperaturen gereinigt wird. Auch die Produktion von Aluminium für die Rahmen benötigt reichlich Energie. Beim Recycling sind vor allem die Prozesse des Zerkleinerns und Reinigens energieaufwändig. Mittlerweile lassen sich aber große Teile der eingesetzten Materialien – Aluminium, Silizium und Glas – recyclen und es werden auch immer mehr recycelte Stoffe eingesetzt.  

Wie bewerten Sie die gesamte Umweltbilanz von PV-Modulen im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energietechnologien?  

Grundsätzlich ist Photovoltaik eine sehr umweltfreundliche Technologie. Die energetische Amortisation der Module ist nach ein bis zwei Jahren erreicht, das heißt, dann hat das Modul so viel Energie erzeugt, wie zu seiner Herstellung eingesetzt wurde.  

Das Modul erzeugt Strom aus frei verfügbarer Sonnenenergie. Es braucht keine ständige Zufuhr von Rohstoffen wie die fossilen Energien, es muss nichts transportiert und gelagert werden und es entstehen keine Rückstände, die entsorgt werden müssen. Das ist auch einer der Gründe dafür, dass die Photovoltaik, nachdem sich die Technologie etabliert hat, die geringsten Stromgestehungskosten von allen Verfahren zur Energieerzeugung aufweist.  

Positiv ist zudem zu bewerten, dass die Photovoltaik keine seltenen oder giftigen Stoffe benötigt. Anfangs enthielten Module auch Blei; das Metall wird aber so gut wie nicht mehr eingesetzt. Ein „Flaschenhals“ ist nur noch das Silber, aber hier wurde in den letzten Jahren die eingesetzte Menge in den Modulen deutlich reduziert und Kupfer dient zunehmend als Alternative.   

Wie groß ist die Umweltgefährdung durch den Abbau und die Verarbeitung von Quarzsand, Aluminium und Silber? 

Wie alle Rohstoffe müssen die genannten Materialen abgebaut werden, was immer eine Umweltbeeinträchtigung darstellt. Fakt ist, dass wir Energie benötigen und wir diese erzeugen müssen. Und da sind die Umweltbeeinträchtigungen durch die Photovoltaik im Vergleich eher gering. 

Welche Maßnahmen können getroffen werden, um die Umweltbelastung bei der Rohstoffgewinnung zu minimieren? 

Die Rohstoffe für die Photovoltaik werden ebenso in anderen Industriebereichen benötigt, bei der Glasproduktion für den Wohnungsbau, beim Fahrzeugbau oder in der Halbleiterindustrie. Die Verfahren des Abbaus sind in der Regel etabliert und werden durch dafür spezialisierte Unternehmen durchgeführt. Photovoltaikhersteller können hier darauf achten, wie diese Dienstleister arbeiten, z.B. besonders energieeffizient oder mit Verfahren, die möglichst wenig Umweltauswirkungen haben. Auch die Reduktion eingesetzter Materialien für die Produkte selbst sowie die Verringerung von Ausschussraten und Abfällen in der Produktion senken die Umweltauswirkungen hinsichtlich der Rohstoffgewinnung. Dies kann durch effizientere Produktionsprozesse und konstruktive Maßnahmen erreicht werden.  

Wie steht es um die Energieeffizienz für die Produktion eines Solarmoduls, inkl. Silizium- und Solarzellenherstellung? 

Wenn man unter Energieeffizienz die rationelle Verwendung von Energie versteht, so ist diese bei der Photovoltaik gut (s. energetische Amortisation). Sicher kann aber bei der Herstellung der Solarmodule inklusive aller Vorstufen noch effizienter mit Energie umgegangen werden. Verschiedene Hersteller setzen zudem bereits erneuerbare Energien für die Produktion ein und auch aus Kostengründen ist es sinnvoll, hier Sparsamkeit an den Tag zu legen.   

Inwieweit beeinflusst der Standort der Produktionsstätte die Umweltbilanz, z.B. in Hinblick auf den Energiemix?  

Der Standort hat vor allem über die vor Ort geltenden Gesetze einen wesentlichen Einfluss auf die Umweltbilanz. Dort wo laxer mit etwaigen Problemen umgegangen wird, um Geld zu sparen, geschieht das zu Lasten der Umwelt.  

Klar ist auch, dass dort, wo mehr saubere Energie im Netz ist, die Umweltbilanz besser ausfällt. In Deutschland lag der Anteil der Erneuerbaren im Strommix zuletzt bei fast 60 %, in China 2023 bei ca. 30 %. Das ist ein gutes Argument für eine Produktion hierzulande…  

Wie bei allen Produkten ist es auch bei Solarmodulen sinnvoll, die Produkte möglichst nahe am Herstellungsort einzusetzen, um Transporte zu vermeiden. Allerdings macht der Transportweg selbst nur wenige Prozente bei der CO2-Bilanz aus (s. hier).  

Welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von PV-Modulen am stärksten und wie können diese verbessert werden?  

Wesentlich für die Lebensdauer ist die Stabilität des Verbunds aus Zellen und Einbettungsfolien. Das sogenannte Laminat schützt die empfindlichen Zellen vor dem Eindringen von Wasserdampf und aggressiven Gasen. Hier lassen sich sicher noch Verbesserungen hinsichtlich Beständigkeit und Dichtheit des Laminats erreichen. Auch eine Versiegelung der Randbereiche kann die Lebensdauer des Moduls erhöhen.   

Glas-Glas-Module sind vor allem aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften langlebiger als Glas-Folie-Module, insofern ist ein vermehrter Einsatz der robusten Module wünschenswert.  

Welche Vor- und Nachteile besitzen Glas-Glas im Vergleich zu Glas-Folie-Solarmodulen?   

Glas-Glas-Module haben zwei wesentliche gegenüber Glas-Folie-Modulen: 

1. Sie sind mechanisch stabiler. 
   Der Zellverbund ist von zwei Glasscheiben eingefasst. Der symmetrische Aufbau macht die Module weniger empfindlich gegen Durchbiegungen (durch Wind oder Schnee), denn die Zellen liegen in der „neutralen Faser“. Das heißt, die Zellen sind keinen Stauchungen und Streckungen ausgesetzt. Bei den (unsymmetrischen) Glas-Folie-Modulen können diese Belastungen zu Zellrissen und damit zu Einbußen bei der Leistung führen.
2. Sie sind beständiger gegen Umwelteinflüsse. 
   Die Rückseite von Glas-Folie-Modulen ist nur durch eine Folie geschützt. Hier kann z.B. Wasserdampf großflächig eindringen und zu einer Degradation der Zellen führen. Bei Glas-Glas-Modulen ist das nur am (schmalen) Rand des Verbundes möglich, wodurch die Diffusionsprozesse und damit die Degradation deutlich verlangsamt werden. Auch wenn Glas-Glas- und Glas-Folie-Module am Anfang ihrer Lebensdauer die gleiche Leistung aufweisen, sind die Leistungsverluste bei Glas-Glas-Modulen über die Jahre messbar geringer.

Beide Vorteile führen dazu, dass Glas-Glas-Module langlebiger sind und auch nach Jahren und Jahrzehnten noch eine hohe Leistung bringen. Über die gesamte Lebensdauer liefern sie damit deutlich mehr Solarertrag als Glas-Folie-Module.  

Wichtigster Nachteil der Glas-Glas-Module ist der etwas höhere Preis in der Anschaffung, der sich aber langfristig amortisieren sollte. Aufgrund des Ausbaus mit zwei Glasscheiben sind die Module auch etwas schwerer, was bei der Statik eine Rolle spielen kann.  

Welche Auswirkungen haben großflächige PV-Anlagen auf die lokale Biodiversität und Landnutzung?

Wie jede bauliche Maßnahme und jede technische Anlage greifen auch großflächige PV-Anlagen in die Umwelt ein. Das kann zu einer negativen Beeinträchtigung der Biodiversität führen. Der Eingriff in die Biotope seltener Pflanzen und Tierarten ist unbedingt zu vermeiden.  

Ein wichtiger Vorteil der Photovoltaik besteht darin, dass der Boden unter den Modulen nicht versiegelt wird. Die Anlagen selbst können Tieren und Pflanzen Schutz bieten und so unter Umständen die Biodiversität sogar erhöhen.  

Grundsätzlichen sollten PV-Anlagen nur auf ertragsarmen Flächen errichtet werden, um nicht in Konkurrenz mit der Landwirtschaft zu treten. Im Rahmen der Agri-PV kann die Anlage die Fläche aber aufwerten.  

Welche Maßnahmen können getroffen werden, um die negativen Auswirkungen auf die Biodiversität zu minimieren?

Zu diesem Thema gibt es ein ausführliches Positionspapier des NABU. Das Papier betont die Notwendigkeit einer klimafreundlichen und gleichzeitig biodiversitätsfördernden Energieversorgung. Es wird hervorgehoben, dass gut geplante Solarparks auf artenarmen Flächen die Biodiversität erhöhen können. Der NABU fordert, dass die Planung, der Bau, der Betrieb und der Rückbau von Solarparks an ökologische Kriterien geknüpft werden. 

Ein wesentliches Anliegen ist die Vermeidung von Eingriffen in wertvolle Lebensräume und die Minimierung von Beeinträchtigungen für Flora und Fauna. Die Synergien zwischen Solarenergie und Naturschutz sollen gefördert werden, beispielsweise durch die Nutzung von Solarparks als Lebensräume für bestimmte Arten. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die frühzeitige und umfassende Einbindung von Kommunen und Naturschutzverbänden in die Planungsprozesse. Ziel ist es, Solarparks nicht nur klimafreundlich, sondern auch naturverträglich zu gestalten​. 

Welche Rolle spielen Floating-PV und Agri-PV in der Optimierung der Landnutzung und welche Herausforderungen bestehen dabei?  

Schwimmende PV-Anlagen werden auf Baggerseen, stark betonierten Kanälen oder Becken von Pumpspeicherwerken eingesetzt – natürliche Gewässer sind von der Nutzung ausgeschlossen. Tatsächlich hat die Floating PV dabei sogar positive Effekte: Durch die verringerte Sonneneinstrahlung wird z.B. eine Überhitzung und das Algenwachstum verringert.  

Auch die Agri-PV – die gleichzeitige Nutzung einer Fläche für die PV-Stromerzeugung und die Landwirtschaft – kann sich positiv auswirken. So reduziert die Verschattung die Notwendigkeit einer Bewässerung; sonnenempfindliche Pflanzen wachsen besser.  

Beide Arten der PV-Strom-Erzeugung werden in den nächsten Jahren sicher an Bedeutung gewinnen, da sie zum einen Vorteile bieten. Zum anderen, weil die Flächen dadurch besser genutzt werden können und andere Flächen gar nicht erst benötigt werden.  

Welche Herausforderungen bestehen derzeit bei Entsorgung und Recycling von Mono-Silizium-PV-Modulen und wie können diese überwunden werden? 

Die Entsorgung gebrauchter Solarmodule fällt unter das Gesetz zur Rücknahme alter Elektrogeräte. Das Modul-Recycling steht derzeit jedoch noch am Anfang. Bisher gibt es noch zu wenig ausgesonderte Module, um damit ein Geschäftsmodell zu etablieren.  

Die gemeinnützige, mitgliederbasierte Organisation PV CYCLE unterstützt Hersteller und Inverkehrbringer bei Recycling und Entsorgung der Module sowie hinsichtlich der Einhaltung von Rechtsvorschriften. 

Gibt es innovative Ansätze oder Technologien, die das Recycling von PV-Modulen effizienter gestalten könnten?

Ja, sowohl auf der Seite des Modulaufbaus und der Produktionstechnologie als auch auf der Seite der Recyclingverfahren.  

Es werden Einbettungsmaterialien entwickelt und getestet, deren Verbund mit den anderen Komponenten gezielt und mit überschaubarem Aufwand aufgehoben werden kann. Z.B. thermoplastische Materialien, die sich wieder aufschmelzen lassen, ohne dabei zerstört zu werden.  

Auf der Seite der Recyclingtechnologien erprobt man intensiv Verfahren, um den gewünscht sehr festen Verbund der heutigen Einbettungsmaterialien in Komponenten wie Glas und Silizium aufzutrennen, ohne die Komponenten dabei unnötig zu zerkleinern und zu vermischen.  

Welche Materialien sind am schwierigsten zu recyceln bei Silizium-Solarmodulen?

Silizium und Silber sind die werthaltigsten Komponenten des Solarmoduls – zugleich aber gewichtsmäßig die am wenigsten enthaltenen. Beide sind miteinander sehr fest verbunden und außerdem von Einbettungsmaterial eingehüllt. Extraktion und Trennung stellen daher technologische Herausforderungen im Recycling dar.

Welche Potenziale sehen Sie in der Wiederverwendung von alten PV-Modulen? 

Da das schwächste Modul die Leistung der Anlage bestimmt, besteht die wichtigste Aufgabe in der Sortierung der Module nach Leistungsklassen.  

Die aufgearbeiteten Module – der Ersatz von Anschlussdosen oder Kabeln ist nach 20 und mehr Jahren auf dem Dach sicher erforderlich – mit Profit in den Handel zu bringen, ist sicher die größte Herausforderung.