Im grünen Bereich: Ökobilanz bei Photovoltaik

Während des Betriebs stoßen Photovoltaikanlagen weder CO₂ noch andere schädliche Treibhausgase aus. Deshalb gelten sie als besonders klimafreundlich. Aber um wirklich beurteilen zu können, welchen Beitrag die Solarenergie zum Klima- und Umweltschutz leistet, muss man den gesamten Lebenszyklus der Anlagen betrachten. Erst daraus ergibt sich eine aussagekräftige Ökobilanz der Photovoltaik (PV).

Jedes Produkt wirkt sich bei seiner Herstellung, ggf. beim Gebrauch und bei der Entsorgung auf die Umwelt aus und kann dadurch auch die Klimaentwicklung beeinflussen. Mit der Erstellung einer Ökobilanz können diese Umweltwirkungen sichtbar gemacht und unterschiedliche Produkte miteinander verglichen werden. Dafür wird der gesamte Lebenszyklus eines Produkts („from cradle to grave“) herangezogen, sodass auch indirekte Umweltwirkungen – etwa eingesetzte Energie und Nutzung von Rohstoffen bei der Herstellung – Berücksichtigung finden. 

Lebenszyklus von Photovoltaikanlagen

Der Lebenszyklus einer Photovoltaikanlage lässt sich in folgende Etappen gliedert:

1. Rohstoffgewinnung und -aufbereitung
2. Produktion der einzelnen PV-Anlagen-Komponenten
3. Herstellung von Zubehörteilen und Ausrüstung
4. Transport von Rohstoffen und Komponenten
5. Installation der Anlage
6. Betrieb der Anlage
7. Wartung und Instandhaltung
8. Abbau und Recycling

Die Analyse der Ökobilanz geht immer auch mit der Betrachtung der energetischen Bilanz einher. Wichtige Kriterien sind dabei die energetische Amortisationszeit (engl. „Energy Payback Time“, „EPBT“) und der Erntefaktor, also das Verhältnis aus eingesetzter zu erhaltener Energie (engl. „Energy Returned on Energy Invested“, „ERoEI“ bzw. „Energy Return on Investment“, „EROI“). 

Energetische Amortisation bei der Photovoltaik

Eine Photovoltaikanlagen amortisiert sich in energetischer Hinsicht nach ein bis zwei Jahren. Das heißt, während dieser Zeit hat sie so viel Energie produziert, wie für ihre Herstellung, den Betrieb und ihre Entsorgung aufgewendet wurde bzw. werden wird. Im Gegensatz dazu amortisieren sich Kraftwerke auf der Basis fossiler Energieträger wie Kohle oder Erdgas energetisch nie. Das liegt daran, dass für den Betrieb mehr Energie in Form von Brennstoffen eingesetzt werden muss, als man an Nutzenergie herausbekommt.

Der kumulierte Energieaufwand einer Photovoltaikanlage hängt u. a. ab von:

• dem Material der Solarzellen
• der Art der Solarmodule
• Installations- und Wartungsaufwand
• Verbrauch an Energie für den Transport

Auch die Produktionsbedingungen wirken sich auf die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage aus. So verlängert sich die Zeitspanne, wenn im Rahmen der Herstellung hauptsächlich fossile Energieträger zum Einsatz kommen, wie es beispielsweise in China der Fall ist. Deutsche Hersteller setzen zum Teil selbst auf Solarstrom bei der Produktion. Zudem sind die Transportwege deutlich kürzer, was ebenfalls zu einer besseren Ökobilanz beiträgt.

Der Erntefaktor von Solarstromanlagen

Der Erntefaktor bezieht sich auf die gesamte Lebensdauer einer Anlage und steht für das Verhältnis der erzeugten Energie zur investierten Energie. Je höher der Wert, desto besser sieht die Ökobilanz der Anlage aus. Während einer Lebensdauer von 20 Jahren erzeugen moderne Photovoltaikanlagen etwa das 10- bis 15-fache der Energie, die zur Herstellung ihrer Komponenten benötigt wurde. Tatsächlich erreichen viele Photovoltaikanlagen sogar Laufzeiten von 30 und mehr Jahren, wodurch sich ihr Erntefaktor weiter erhöht. 

Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entstehen während des gesamten Lebenszyklus‘ einer Photovoltaikanlage etwa 50 bis 67 g CO₂-Äquivalente pro kWh. Gaskraftwerke liegen dagegen bei 499 g CO₂-Äquivalenten pro kWh. Am umweltschädlichsten sind Braunkohlekraftwerke mit 1.075 g CO₂-Äquivalenten pro kWh. 

Zur Erklärung: CO2-Äquivalente (CO₂e) sind eine Maßeinheit, welche die Vergleichbarkeit der Klimawirkung der unterschiedlichen Treibhausgase ermöglicht. Zu Letzteren gehören neben CO₂ beispielsweise auch Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O). Die verschiedenen Gase tragen unterschiedlich stark zum Treibhauseffekt bei. 

Dank neuer Technologien konnten die CO₂-Emissionen bei der Herstellung von Solarzellen in den vergangenen Jahren immer weiter gesenkt werden. Zugleich steckt in der Photovoltaik ein beachtliches Einsparpotenzial: Berechnungen zur Emissionsbilanz erneuerbarer Energieträger zeigen, dass eine PV-Anlage im Vergleich zu einem Kohle- oder Gaskraftwerk 694 g CO₂-Äquivalente pro kWh vermeidet. 

PV-Anlagen sind während ihres Betriebs emissionsfrei, d. h., sie stoßen keine Treibhausgase oder Schadstoffe aus. Doch was steckt eigentlich in den Solarmodulen? Geht von den Materialien in einer Photovoltaikanlage eine Umweltbelastung aus?

Kristalline Solarzellen werden meist aus Silizium hergestellt, einem Element, das reichlich verfügbar ist. In der Natur kommt Silizium als Siliziumoxid (Quarz) oder Silicat vor. Die meisten Sandstrände und ein Großteil der Wüsten bestehen aus Quarzsand. In der Regel wird der Quarzsand, aus dem das Silizium für Solarzellen gewonnen wird, in Gruben abgebaut. Auch in Deutschland gibt es Fördergebiete, etwa im Harz oder im Bayerischen Wald.

Das unbedenkliche Silizium ist aber nicht der einzige Bestandteil von Solarzellen. Auch Schwermetalle wie Blei oder Cadmium werden benötigt. Während des Betriebs stellen diese Stoffe keine Gefahr dar, allerdings muss die spätere Entsorgung der PV-Anlage fachgerecht erfolgen. Im März 2021 wurde eine neue Verordnung für Elektro- und Elektronik-Altgeräte erlassen. Erstmals wird darin auch das Recycling von Photovoltaikmodulen in Deutschland geregelt. 

Die neue Verordnung besagt, dass siliziumbasierte und nichtsiliziumbasierte Solarmodule voneinander getrennt behandelt werden müssen. Zudem legt sie bestimmte Grenzwerte für den Gehalt von Blei, Selen und Cadmium fest. Ziel ist es, mehr Schadstoffe zu extrahieren und das Recycling zu verbessern. Module dürfen nicht über den normalen Abfall entsorgt werden, sondern sind auf einen Wertstoffhof zu bringen – bei „haushaltsüblichen Mengen“ ist das übrigens kostenlos möglich. Daneben ist der Hersteller oder Verkäufer verpflichtet, die Module zurückzunehmen und fachgerecht zu entsorgen.