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© panthermedia | Spanychev | Für ein komplett erneuerbares Stromsystem muss die weltweite Solar-Kapazität um mehr als das 80-Fache steigen.

Studie zur Photovoltaik: Auch Sonnenstrom braucht Ressourcen

Die Photovoltaik wird künftig zur wichtigsten Energiequelle. Umso mehr muss auf eine nachhaltige Produktion der Module und Systeme geachtet werden. Bei der Ressourceneffizienz und dem Recycling von Altanlagen sind Fortschritte nötig.

Solarstrom ist in den vergangenen Jahren extrem preiswert geworden. In neuen Photovoltaik-Großkraftwerken im Sonnengürtel der Erde kann die Kilowattstunde bereits in den nächsten Jahren für einen Cent oder knapp darüber produziert werden – solche Anlagen entstehen unter anderem in Indien, China und den Vereinigten Arabischen Emiraten.

Kein Wunder, dass die Photovoltaik weltweit ein rasantes Wachstum erlebt – im Schnitt um 38 Prozent pro Jahr. Anfang der 1990er Jahre waren erst rund 100.000 Kilowatt installiert, 2020 hingegen waren es bereits 700 Millionen Kilowatt. Geht es so weiter, werden schon 2035 etwa 60 Milliarden Kilowatt installiert sein.

Modellrechnungen zeigen laut dem Solarexperten Eicke Weber, dass in etwa diese 60 Milliarden Kilowatt nötig sind für ein Stromsystem, dass zu 100 Prozent auf erneuerbaren Energien basiert. Weber war Professor in Berkeley, dann Chef des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesystem (ISE) in Freiburg und leitet heute den europäischen Solarindustrieverband ESMC.

Die früher als teuer geltende Photovoltaik entwickelt sich inzwischen zur wichtigsten Technologie zum Umbau der Energiesysteme, noch vor der Windkraft. Selten diskutiert wird allerdings der damit verbundene hohe Ressourcenbedarf der Solarmodule und der weiteren Komponenten, wie etwa Wechselrichter und Aufständerung.

Eine neue Studie des Fraunhofer ISE und des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) beleuchtet dieses Manko. Sie zeigt: Der rasante Hochlauf der Technologie ist durchaus machbar. Es braucht aber weitere Fortschritte in der Ressourceneffizienz etwa bei der Herstellung der Solarmodule sowie den Aufbau von Recyclingstrukturen für die Altanlagen, um die darin verbauten Rohstoffe wieder einsetzen zu können.

Die aktuelle Studie hat die Jahresmarken 2050 und 2100 als Horizont, Ziel ist dabei eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 Grad gegenüber vorindustrieller Zeit. Dafür wären zur Mitte des Jahrhunderts je nach Ausgestaltung des Elektrizitätssystems weltweit 20 bis 60 Milliarden Kilowatt Photovoltaik und am Ende des Jahrhunderts 80 bis 170 Milliarden Kilowatt nötig, um einen kosteneffizienten Klimaschutz zu betreiben.

Bereits bis 2030 wäre danach eine deutliche Steigerung notwendig. „Die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 Grad bei niedrigsten Kosten erfordert eine sieben- bis 14-fache Steigerung der Photovoltaik-Kapazität bis 2030 und einen kontinuierlichen Ausbau danach“, erläutert Mitautor Robert Pietzcker vom PIK.

Sand und Metalle

Das Team konzentrierte sich in der Untersuchung auf die wichtigsten Rohstoffe, die für den Solarausbau benötigt werden – Flachglas und Metalle wie Silber und Indium – sowie auf die Herstellungsenergie.

Hauptbestandteil der Solarmodule ist Glas. Die massive Ausweitung der Produktion wird die Nachfrage laut der Studie deutlich erhöhen. Die Forscher schätzen, dass im Jahr 2100 weltweit jährlich 12.000 bis 22.000 Quadratkilometer Module produziert werden, was in etwa der gesamten heutigen Flachglas-Produktion entspricht.

Auf der Ressourcenseite sei das „wahrscheinlich nicht kritisch“, da Sand als Hauptbestandteil von Glas reichlich vorhanden sei und Glas recycelt werden könne. Allerdings müssten die Produktionskapazitäten dringend erweitert werden, da die Nachfrage nach Glas für andere Zwecke wie etwa Fenster voraussichtlich nicht sinken werde.

Kritisch könnte die Lage aber bei Metallen wie Silber oder Indium werden, wobei ein Ausweg in einer effizienteren Nutzung besteht. Die nötigen Silbermengen pro Modulfläche sind in der Vergangenheit aufgrund der hohen Preise bereits deutlich gesunken, das leitende Edelmetall wird sparsamer auf die Solarzellen „aufgedruckt“. Kann diese Entwicklung beibehalten werden, wird der Gesamtsilberverbrauch laut Studie im besten Fall nahe dem heutigen Niveau von rund 2.860 Tonnen pro Jahr bleiben.

Indium hingegen, das für transparente leitfähige Oxide in sogenannten Mehrfachzellen verwendet wird, die höhere Stromausbeute bringen, könnte in absehbarer Zeit knapp werden. Hier halten die Forscher es für nötig, Ersatzmaterialien zu entwickeln.

„Wir brauchen Recyclinganlagen“

Auch der Energieverbrauch beim Aufbau der globalen Photovoltaik-Infrastruktur, fällt durchaus ins Gewicht. Er werde „einige Prozent des CO2-Restbudgets aufbrauchen, das mit dem 1,5-Grad-Ziel kompatibel wäre“, schätzt das Team. „Weil das verbleibende Budget so knapp ist, ist es wichtig, dass auch die Photovoltaik so schnell wie möglich hoch effizient wird“, betont Co-Autor Lukas Wagner vom Fraunhofer ISE.

Langfristig würden vier bis elf Prozent des jährlich erzeugten Solarstroms für die Produktion von Photovoltaiksystemen benötigt. Dieser „Eigenverbrauch“ ist damit ähnlich hoch wie bei Kohle- oder Gaskraftwerken, wobei zu beachten ist, dass hier der Eigenverbrauch zur Herstellung gemeint ist. Fossile Anlagen hingegen benötigen den Strom nicht nur zu ihrem Aufbau, sondern auch im laufenden Betrieb.

Jan Christoph Goldschmidt, Studien-Hauptautor und Gruppenleiter für neue Solarzellen-Konzepte am ISE, sieht gute Chancen, den Solarausbau umwelt- und klimaverträglich zu gestalten. „Glücklicherweise entwickelt sich die Photovoltaiktechnologie ständig weiter, und neue Systeme sind effizienter und verbrauchen bei der Produktion weniger Ressourcen.“

Schon jetzt würden technologische Lösungen wie Tandem-Solarzellen auf Perowskit-Basis entwickelt, die hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Kosten und geringem Ressourcenverbrauch versprechen.

Allerdings müssten einige dringende Aufgaben in Angriff genommen werden, sagt Goldschmidt. „Die Entwicklung emissionsarmer Photovoltaiktechnologien sollte Priorität haben, ein rascher Ausbau der Flachglas-Produktionskapazitäten innerhalb der nächsten zehn Jahre ist notwendig, und wir brauchen Recyclinganlagen, die die enormen Materialströme bewältigen können.“

Aktuelle und künftige Investitionen müssten daher nicht nur auf die Kapazitätserweiterung abzielen, sondern auch auf die Aufrechterhaltung des derzeit hohen Innovationstempos – mit einem Fokus auf Nachhaltigkeit.

Quelle

Der Bericht wurde von der Redaktion „klimareporter.de“ (Joachim Wille) 2021 verfasst – der Artikel darf nicht ohne Genehmigung (post@klimareporter.de) weiterverbreitet werden! 

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