Wie umweltfreundlich ist Photovoltaik wirklich?

Auf den ersten Blick erscheint die Antwort auf die Frage, ob PV CO₂ einspart, einfach: Sonnenstrahlen + Module = Strom. Dabei wird in der direkten Nutzung überhaupt kein CO₂ ausgestoßen. Das stimmt zwar grundsätzlich. Aber eben nur auf den ersten Blick.

Schließlich müssen die PV-Module, der Wechselrichter und ggf. der Energiespeicher aufs Dach und in den Technikraum kommen und in Betrieb genommen werden. Bevor das möglich ist, muss die Lieferung durch ein geeignetes Transportmittel erfolgen. Und bevor das wiederum zur Debatte steht, muss jemand die für die Herstellung benötigten Materialien fördern, aufbereiten und zu jenen Produkten weiterverarbeiten, die ein PV-System bilden. Ein Punkt, der viel zu häufig außer Acht gelassen wird, betrifft das Recycling: Was passiert mit PV-Komponenten am Ende ihrer Lebenszeit? Ob sie auf einer Deponie bzw. in einer Müllverbrennungsanlage landen oder zumindest teilweise recycelt werden, belastet die Umwelt unterschiedlich stark.

Sie sehen: Die Wertschöpfungskette der Photovoltaiktechnologie umfasst mehrere Industrie- und Dienstleistungsbereiche:

• Rohstoffgewinnung
• Fertigung einzelner Komponenten
• Transport
• Montage- sowie Wartungsarbeiten
• Abfallmanagement und Recycling

Um herauszufinden, ob Treibhausgaseinsparungen mit Solaranlagen möglich sind, müssen wir uns den Lebenszyklus einer PV-Anlage genauer ansehen – von der Wiege bis zur Bahre. Als Grundlage dafür dienen uns die Studien der Internationalen Energieagentur (IEA) sowie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Letzteres zertifizierte die von Fronius in Kooperation mit to4to – together for tomorrow durchgeführte Lebenszyklusanalyse des Fronius Symo GEN24 10.0 Plus. Eingangs bleibt daher zu erwähnen, dass sich die Daten auf Solarmodule im Allgemeinen und auf Fronius Wechselrichter im Speziellen konzentrieren. Die Lebenszyklen und die CO₂-Emissionen anderer Wechselrichterhersteller berücksichtigen wir nicht.

Übrigens: Eigentlich müssten wir durchgehend von CO₂-Äquivalenten sprechen, weil für das Treibhausgaspotenzial mehrere verschiedene Treibhausgase relevant sind. Der Einfachheit halber sprechen wir in diesem Blog meist von CO₂-Emissionen.

1. Rohstoffgewinnung und Bauteile

Die Herstellung von PV-Modulen und -Wechselrichtern hängt von der Gewinnung und Aufbereitung einiger seltener Rohstoffe ab. Quarzsand stellt einen der bedeutendsten Rohstoffe dar, denn aus ihm wird das für Module und Halbleiter-Bauteile unerlässliche Silizium gewonnen. Der Prozess erfordert hohe Temperaturen von 1500 bis 2000 °C, was ihn zur energieintensivsten Phase in der PV-Herstellung macht. Der benutzte Strommix spielt eine wesentliche Rolle.

Schon gewusst? Neun der zehn größten Hersteller von Polysilizium stammen aus China. Gemeinsam verbuchen sie einen Marktanteil von 93,5 % für sich. Chinas Strommix basiert durchschnittlich zu 61 % auf Kohleenergie. Diese hat einen großen CO2-Fußabdruck. Die Herstellung von PV-Modulen emittiert in China durchschnittlich 810 kg Treibhausgas je Kilowatt Peak Modulleistung. Bis zu 50 % der Emissionen entfallen auf die Siliziumproduktion. Zum Vergleich: Vergleichbare Module aus deutscher Produktion emittieren ca. 580 kg CO2 pro Kilowatt Peak Modulleistung.* *Quelle: https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2021/europaeische-glas-glas-pv-module-sind-besonders-klimafreundlich.html

Leicht zu unterschätzen ist die Bedeutung von Glas in der Modulerzeugung. Der Löwenanteil des Gewichts, nämlich 70 %, entfällt auf den aus Sand gewonnenen Werkstoff. Zwar ist seine Herstellung weniger energieintensiv als die Siliziumaufbereitung, aufgrund seiner Masse ist Glas jedoch relevant für die Gesamtenergiebilanz. Bei Modulen mit Folie kommt der Aluminiumrahmen hinzu, der zwischen 10 und 15 % des gesamten CO₂-Fußabdrucks eines PV-Moduls verursacht. Denn auch die Aluminiumherstellung erfordert große Mengen an Strom.

Weitere für die PV-Branche unerlässliche Materialien sind Kupfer, Zinn sowie Silber, Gold und Palladium. Besonders die letztgenannten Edelmetalle gelten als kritische Rohstoffe. Sie bringen uns im Übrigen zur nächsten essenziellen PV-Komponente: dem Wechselrichter.

Als Wechselrichterhersteller verfügen wir über den Luxus von Informationen aus erster Hand: Mehr als 40 % des gesamten CO₂-Fußabdrucks des Fronius Symo GEN24 10.0 Plus entfallen auf die Bauteile, wenn der Wechselrichter in einem österreichischen PV-System zum Einsatz kommt. Auffallend ist: Obwohl Halbleiterbauteile nur einen marginalen Gewichtsanteil beim Wechselrichter – nämlich 0,1 % – ausmachen, sind sie für 23,9 % seines CO₂-Fußabdrucks auf Bauteilebene verantwortlich. Kondensatoren und Platinen gehören ebenso zu den energieintensiven Komponenten eines Fronius Wechselrichters. Während sie nur 3,2 % und 2,5 % seines Gewichtsanteils ausmachen, stecken sie hinter 18,5 % der insgesamt 315,6 durch die Bauteile ausgestoßenen Kilogramm CO₂. Umgekehrt gestaltet sich die Lage beim benötigten Kunststoff und beim Aluminium. Da Fronius recyceltes Aluminium verwendet, wiegt dieses trotz seines hohen Gewichtsanteils von 29,1% weniger schwer in der Umweltbelastung. Rund 15,2 % des Bauteil-CO₂-Fußabdrucks gehen auf das Konto des Leichtmetalls.

2. Fertigung

Für die Solarzellenproduktion muss das gereinigte Silizium in dünne Scheiben, sogenannte „Wafer“, geschnitten und gereinigt werden. Dieser Prozess erfordert viel Energie und ist für 15 bis 20% der Gesamtemissionen verantwortlich. Die anschließende Zellproduktion, bei der die Wafer angeraut, dotiert und laminiert werden, erzeugt weitere 10 bis 15 % des CO₂-Ausstoßes. Beim Dotieren werden gezielt Fremdatome ins Silizium eingebracht, um eine positiv und eine negativ geladene Seite zu erzeugen und so den Stromfluss erst zu ermöglichen.

Im Gegensatz dazu macht die Fertigung eines Fronius Wechselrichters nur einen überschaubaren Anteil seiner CO₂-Emissionen aus. Neben dem recycelten Aluminium senkt der Energiemix aus Solarenergie vom eigenen Fertigungshallendach sowie Ökostrom aus dem Netz die durch die Produktion emittierten Treibhausgasemissionen signifikant. Lediglich 1,3 % des Gesamtausstoßes entfallen auf die im Fertigungsprozess aufgewandte Energie.

3. Transport

Der Transport der Rohstoffe zum Bauteilhersteller, die Lieferung der Komponenten zum Anlagenstandort und anschließend zur Recyclingeinrichtung haben nur einen kleinen Einfluss auf den ökologischen Fußabdruck einer PV-Anlage. Dennoch wollen wir ihn nicht außer Acht lassen. Je weiter der Transportweg, desto größer ist naturgemäß die dafür benötigte Energie. Komponenten, die von Asien nach Europa importiert werden, weisen einen größeren CO₂-Fußabdruck auf.

Nicht nur die Distanz ist ausschlaggebend, auch das Transportmittel spielt eine entscheidende Rolle. Zwar können Frachtflugzeuge die PV-Komponenten zügig an ihren Bestimmungsort bringen, gleichzeitig verursachen sie jedoch die größten Treibhausgasemissionen pro transportierter Komponente. Effizienter, aber langwieriger ist der Seeweg. Für die Reise von Shanghai nach Westeuropa per Containerschiff muss beispielsweise ein knapper Monat eingeplant werden. Einen mittelgroßen ökologischen Fußabdruck weisen Lkw- und Zugtransporte auf.

Wie schlägt sich nun der Transport auf den CO₂-Fußabdruck bei PV-Modulen nieder? Rund 3 % ihres gesamten CO₂-Fußabdrucks entfallen bei Solarmodulen aus China auf den Import nach Europa. Das klingt wenig dramatisch. Dennoch sind Solarmodule aus europäischer Fertigung im Schnitt deutlich umweltfreundlicher. Sie sparen – verglichen mit ihren asiatischen Pendants – durch den emissionsärmeren Strommix in der Produktion und die kürzeren Transportwege ca. 40 % der CO₂-Emissionen ein, wie das Fraunhofer-Institut in einer Presseaussendung aus dem Jahr 2021 errechnete.

Wechselrichterseitig tragen die Lieferwege einen noch kleineren Anteil zu den Emissionen bei – vor allem, wenn wir erneut das Beispiel Fronius heranziehen. „Weil wir Luftfrachten vermeiden und stattdessen auf Züge, Lkw und Containerschiffe setzen, sparen wir CO₂-Emissionen ein. Die Anlieferung der Rohstoffe und die Lieferung an die Kunden in Österreich machen beim Fronius Wechselrichter gerade einmal 1,1 % der Gesamtemissionen aus“, weiß Anthony Moises, Solarexperte bei Fronius International. Beim Export des Wechselrichters steigt der Anteil naturgemäß leicht an.

4. Installation, Wartung und Betrieb

Die Montage der PV-Komponenten sowie ihre Wartung erzeugen ebenfalls nur einen kleinen einstelligen Prozentanteil des gesamten CO₂-Fußabdrucks einer PV-Anlage. Der Einsatz von Maschinen und Werkzeugen, die teilweise elektrisch und teilweise mit fossilen Energieträgern betrieben werden, verursacht lediglich vernachlässigbare Treibhausgasemissionen.

Viel interessanter ist jedoch der Betrieb: Jeder weiß, dass die Sonne nachts nicht scheint. PV-Anlagen – insbesondere jene ohne Batterieanbindung – sind somit 50 % der Zeit „untätig“ und generieren keinen Strom. „Der Wechselrichter schläft aber nie“, erklärt Anthony Moises. „Zum einen prüft er in regelmäßigen Abständen, ob das öffentliche Netz stabil ist. Zum anderen bleibt er stets betriebsbereit, um den folgenden Sonnenaufgang zu erkennen und Energieströme zu lenken. Die Kommunikation mit Smart-Metern, Batteriespeichern und Monitoring-Apps bedingt ebenfalls einen kleinen Stromverbrauch.“ Zusammen beläuft sich dieser sogenannte Nachtverbrauch auf 2 bis 10 Watt (ohne Batterie) bzw. 20 bis 200 W (mit Batterieanbindung). Nicht viel, eigentlich. Doch weil Wechselrichter über Jahre hinweg in Betrieb sind, summiert sich der CO₂-Fußabdruck des nächtlichen Strombedarfs. Insbesondere dann, wenn er nicht aus dem eigenen Batteriespeicher, sondern aus dem öffentlichen Stromnetz gedeckt wird.

Im Falle des Fronius GEN24 10.0 Plus ist der Nachtverbrauch für 37,6 % (AT) bzw. 47,2 % (DE) seines gesamten CO₂-Fußabdrucks verantwortlich. Der exakte Anteil hängt stark vom landestypischen Strommix ab und kann in anderen Staaten noch höher ausfallen. So ist der Nachtverbrauch in Australien für mehr als 63% des gesamten CO₂-Fußabdrucks des Wechselrichters verantwortlich.

Auch wenn der Fronius Wechselrichter einen Effizienzgrad von mehr als 98 % aufweist, entstehen während des Betriebs Verluste in Form von Wärme. Diese sind für 22,5 % (AT) bzw. 19,6 % (DE) des CO₂-Fußabdrucks verantwortlich.

5. Recycling

Eine PV-Anlage überdauert mehrere Jahrzehnte. Doch irgendwann ist selbst bei den besten Komponenten Schluss. Glücklicherweise lassen sich PV-Komponenten mehrheitlich recyceln. Für das End-of-Life-Management (EoL-Management) gibt es unterschiedliche Strategien. Während die Lagerung auf einer Mülldeponie und die ganzheitliche Verbrennung die Umwelt zusätzlich belasten, kann Recycling die CO₂-Bilanz eines Produkts deutlich verbessern.

Der größte Umweltnutzen lässt sich durch Recycling mit vorangegangener Zerlegung in die einzelnen Bestandteile erreichen. Das Ziel ist, Wertstoffe möglichst sortenrein zurückzugewinnen und Schadstoffe zu entfernen. Nach dem Zerlegen können einzelne Bestandteile, z. B. Glas und Aluminium, direkt abgetrennt und weiterverwendet werden, während Silizium einer thermischen Aufbereitung bedarf. Bei mehr als 500 °C löst es sich vom Laminat. Die anschließende chemische Reinigung entfernt Rückstände von Silber, Kupfer, Lötzinn und Kunststoffen, sodass das rückgewonnene Silizium als Basis für neue Siliziumkristalle dienen und in PV-Modulen Anwendung finden kann. Aus einem durchschnittlichen Solarmodul lassen sich etwa drei Kilogramm Silizium sowie mehrere Gramm Silber und Kupfer zurückgewinnen. Bei PV-Modulen beträgt die Recyclingquote bis zu 95 % des Modulgewichts.

Wechselrichter, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, lassen sich ebenfalls hervorragend recyceln. Die Wiederverwertung ist in einigen Ländern gesetzlich vorgeschrieben. Österreich schreibt in der „Elektroaltgeräteverordnung“ eine Materialrückgewinnung von mindestens 85 % für Wechselrichter, PV-Module und Batteriespeicher vor. Das für Kühlkörper und Gehäuse verwendete Aluminium, das in Spulen und Leitungen enthaltene Kupfer und die kleinen Mengen an Edelmetallen, die für Leiterplatten unabdingbar sind, eignen sich zum Recyceln. Kunststoffe hingegen sind nur eingeschränkt wiederverwertbar. Sie werden nach ihrer Entsorgung meist zur Energiegewinnung verbrannt.

Insgesamt verursacht die Entsorgung von PV-Komponenten zwischen 2 und 5 % ihrer gesamten Treibhausgasemissionen. Gleichzeitig spart die Wiederverwertung der Materialien einen erheblichen Teil gegenüber ihrer Neugewinnung ein und ermöglicht auf diese Weise die energieeffiziente Herstellung neuer Anlagenkomponenten. Produkte können bei einem effizienten End-of-Life-Management sogar eine CO₂-Gutschrift erhalten.

Beim Fronius Symo GEN24 10.0 Plus entsteht durch Metallrecycling mit anschließender Müllverbrennung eine CO₂-Gutschrift von 20 kg. Die Entsorgung auf der Mülldeponie und die reine Müllverbrennung würden hingegen 6,8 bzw. 2,6 kg CO₂-Äquivalent erzeugen (siehe Grafik).

Wie viel CO₂ spart eine PV-Anlage nun wirklich? Ein Rechenbeispiel

All das ist schön und gut. Es beantwortet allerdings nicht die Frage, wie viel CO₂ PV-Anlagen im Vergleich zum Netzstrom einsparen. Für unser Beispiel betrachten wir zwei fiktive PV-Anlagen über deren gesamten Lebenszyklus von 30 Jahren. Die erste befindet sich in Wien, die zweite in Frankfurt. Beide Anlagen verfügen über die gleiche Anzahl an Modulen mit insgesamt 10 kWp Leistung und über einen Fronius GEN24 10.0 Plus Wechselrichter. In unserem Beispiel gehen wir von einem Wechselrichtertausch nach 20 Jahren aus. Das bedeutet, wir berücksichtigen die Umweltbelastung von 1,5 Wechselrichtern in unserer Rechnung. Die beiden Solaranlagen müssen sich jeweils dem Vergleich mit dem ländertypischen Strommix stellen.

Das Aufwand-Nutzen-Verhältnis spricht eine klare Sprache: Der CO₂-Fußabdruck der PV-Anlage in Wien beträgt rund 10,8 Tonnen, jener der Anlage in Frankfurt geringfügig mehr, bedingt durch längere Transportwege und den länderspezifischen, emissionsreicheren Strommix.

Diese Umweltbelastung können die PV-Anlagen rasch wiedergutmachen, weil jede produzierte Kilowattstunde Strom auf eine Dauer von 30 Jahren gesehen lediglich 28,7 bzw. 30,7 g CO₂-Äquivalent „kostet“. Das ist deutlich sparsamer als die 344 g CO₂-Äquivalent, die eine Kilowattstunde Strom im deutschen Strommix durchschnittlich verursacht. Konkret spart die PV-Anlage in Deutschland innerhalb von 1,7 Jahren so viel CO₂ ein, wie ihre Herstellung ausgestoßen hat. Diesen Wert – die 1,7 Jahre – bezeichnen wir als „CO₂-Payback-Time“, wie Sie der Tabelle entnehmen können. Der Ausdruck beschreibt jene Zeit, die eine PV-Anlage braucht, um ihre CO₂-Schulden zu begleichen. In Österreich dauert es zwar fast ein Jahr länger, dennoch rentiert sich Solarstrom aus Umweltsicht auch hier recht schnell.

Über die Betriebsdauer von drei Jahrzehnten kann die Anlage in Österreich einen Nettonutzen von mehr als 115 Tonnen CO₂-Äquivalent erwirtschaften, jene in Deutschland sogar deutlich mehr mit ganzen 177,9 Tonnen. Das ist 11,8- bzw. 17,2-mal so viel, wie die Herstellung und Installation der Anlage verursacht haben.

Warum entsteht dieser deutliche Unterschied? Was auf den ersten Blick verwirrend erscheint, ist leicht erklärt. Der deutsche Strommix unterscheidet sich wesentlich vom österreichischen. Während Österreich bei seiner Energieversorgung allen voran auf Wasser- und Windkraft setzt, bezieht Deutschland viel mehr Braun- und Steinkohle sowie Erdgas in seinen Energiemix ein – Energiequellen, die einen größeren CO₂-Fußabdruck aufweisen. Um das zu verdeutlichen: 75 bis 80 % des Stroms, der aus österreichischen Steckdosen fließt, entstammen erneuerbaren Quellen, in Deutschland sind es derzeit ca. 57 %.

		AT	DE
GWP-Aufwand kg CO2-eq global (30 Jahre, komplett PV, 1,5 WR)	kg CO2e	10 755,95	10 989,65
Gesamte CO2-Nutzen (kg CO2-eq, 30 Jahre)	kg CO2e	126 399,09	– 188 940,91
Nettonutzen	kg CO2e	115 643,14	– 177 951,26
Verhältnis Nutzen/Aufwand		11,8	17,2
CO2-Payback-Time	Jahr	2,6	1,7

Fazit

Rohstoffgewinnung, Fertigung einzelner Komponenten, Transport, Montage- sowie Wartungsarbeiten, Abfallmanagement und Recycling: All diese Faktoren nehmen maßgeblich Einfluss auf die CO₂-Bilanz einer PV-Anlage.

Zwar ist die Solartechnologie abhängig von einigen seltenen Edelmetallen, von Aluminium, Glas sowie Silizium, das unter großem Energieaufwand gewonnen wird. Dabei stammen viele Produkte aus Ländern, die ihren Energiebedarf großteils mit Kohlekraftwerken decken, was sich negativ auf ihre Umweltbilanz auswirkt. Die Lieferwege der Rohstoffe und Produkte an ihren Bestimmungsort dürfen bei der Lebenszyklusanalyse von PV-Anlagen ebenso wenig außer Acht gelassen werden wie das Abfallmanagement, nachdem die Komponenten ihr Lebensende erreicht haben.

Nichtsdestotrotz können unsere beiden Beispielanlagen in Österreich und Deutschland einen enormen CO₂-Nutzen erwirtschaften. Abhängig vom Strommix des jeweiligen Landes sparen sie 11,8- bzw. 17,2-mal so viel CO₂-Äquivalent ein, wie Treibhausgas durch ihre Herstellung entsteht. Natürlich ist jede PV-Anlage aufgrund ihres Standorts und ihrer Komponenten einzigartig und wird im Laufe ihres Betriebs unterschiedlich viel Solarenergie erzeugen.

Kurzum: Ja, aus Umweltsicht macht sich PV bezahlt.

Hinweis: In diesem Beitrag haben wir uns auf die Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) sowie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) bezogen. In den Berechnungen wurde der Mittelwert verschiedener Modultypen hinsichtlich ihrer Effizienz und ihres ökologischen Fußabdrucks herangezogen. Schließlich existieren verschiedene Modultypen von unterschiedlicher Qualität, die zwar vorwiegend, aber nicht nur in Asien hergestellt werden. Was den Wechselrichter betrifft, haben wir auf Informationen aus eigenem Hause zurückgegriffen und unseren Fronius Symo GEN24 10.0 Plus ins Rennen geschickt. Da wir bei Fronius auf Luftfrachten verzichten und unsere Produkte mit Strom vom eigenen Dach sowie Ökostrom fertigen, können wir den CO₂-Fußabdruck unserer Wechselrichter senken. Das bedeutet, dass die Zahlen Ihrer bestehenden oder geplanten PV-Anlage von den im Blogeintrag angeführten abweichen können, sofern ein Produkt eines anderen Wechselrichterherstellers verbaut ist.

Sie möchten noch mehr über den Umweltnutzen des Fronius Symo GEN24 10.0 Plus erfahren? In unserer Lebenszyklusanalyse finden Sie viele weitere spannende Fakten und Zahlen.