CO₂-Fußabdruck von Solaranlagen: Warum er viel höher ist, als angenommen

Die Stromproduktion mit Photovoltaik-(PV-)Anlagen gilt als klimafreundliche Energiequelle und als wichtiger Bestandteil der politisch angestrebten Energiewende. Durch diese Form der Stromgewinnung wird das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umgewandelt. Ein Verbrennungsprozess wie bei fossilen Energiequellen findet nicht statt. Somit emittieren Solaranlagen auch kein Kohlenstoffdioxid (CO₂) – zumindest während ihres Betriebes nicht. Ihre Herstellung verursacht sehr wohl CO₂, und zwar bei ehrlicher und realistischer Analyse nicht gerade wenig.

Viele Regierungen und Organisationen bezeichnen das CO₂-Molekül als Klimagift, das mit zunehmender Konzentration in der Erdatmosphäre katastrophale Auswirkungen nach sich ziehen soll. Tausende Wissenschaftler widersprechen dieser Ansicht inzwischen. Im folgenden Beitrag soll es dennoch um die viel diskutierte CO₂-Bilanz gehen.

Made in China-Module bis zu fünfmal höherer CO₂-Wert

Während Windkraft- und Solaranlagen im Betrieb kein CO₂ emittieren, müssen sie natürlich hergestellt und entsorgt werden, und das geht aktuell nicht ohne Emissionen. Um all dies zu berücksichtigen, gibt es die sogenannten Lebenszyklus-Treibhausgasemissionen.

Für Kraftwerke aller Art werden dabei die emittierte Menge an Kohlenstoffdioxid-Äquivalenten und die während der mittleren Betriebszeit erzeugte Energie ins Verhältnis gesetzt. Das beinhaltet auch die Produktion der Materialien, die für die Anlage nötig sind.

Für Photovoltaik gilt eine mittlere Lebens- oder Betriebszeit von 25 Jahren. Die frühere EnergieAgentur.NRW bezifferte 2018 die CO₂-Bilanz für PV-Module, die mit Abstand der Hauptbestandteil einer Solaranlage sind, mit rund 50 Gramm Kohlenstoffdioxid pro erzeugter Kilowattstunde Strom (g CO₂/kWh).

Die gemeinnützige Organisation „Environmental Progress“ fand diesen Sommer durch eine Analyse heraus, dass der Wert von 50 g CO₂/kWh zu niedrig angesetzt sei. Gängige Berechnungen würden auf einer in Europa ansässigen kohlenstoffarmen Lieferkette basieren. Die meisten Solarmodule kommen jedoch aus China, wo die Kohlekraft in der Stromerzeugung dominiert. Somit wären auf Kohle basierende Produktionsprozesse realistischer. Demnach sei die CO₂-Bilanz drei- bis fünfmal höher und würde bei 170 bis 250 g CO₂/kWh liegen.

Welche Materialien benötigen Solaranlagen?

Entscheidend für die CO₂-Bilanz von Solaranlagen sind die verwendeten Materialien. Die Module bestehen in der Regel aus einem Aluminiumrahmen, Glas, Kunststoff, den Siliziumzellen sowie Silber und Kupfer für Leiterbahnen und elektrische Anschlüsse.

Doch in welchem Verhältnis kommen diese Bestandteile in einem gängigen Photovoltaik-Modul mit einem Gewicht von rund 18 Kilogramm vor? Dr. Jan-Philipp Mai, Ingenieur, Gründer und Geschäftsführer der JPM Silicon GmbH, schrieb dazu in einem Beitrag auf LinkedIn:

Den größten Anteil macht mit 12,9 kg das Glas aus. Der Alu-Rahmen bringt es auf 2,3 kg, während die verschiedenen Kunststoffschichten (EVA) 1,8 kg wiegen. Die Siliziumzellen, die das Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln, bringen lediglich 0,7 kg auf die Waage. Kupfer und Silber, die für die Leiterbahnen zum Einsatz kommen, wiegen zusammen etwa 0,2 kg.

Aufbau eines Solarmoduls, einschließlich Mengenangaben der verwendeten Rohstoffe. Foto: ts/Epoch Times.

CO₂-Bilanz der Materialien

Glas hat nach Branchenangaben in Europa eine CO₂-Bilanz von etwa 0,5 kg CO₂ pro kg. Da das Glas in PV-Anlagen möglichst wenig Energieverluste erzeugen soll, muss es besondere Ansprüche hinsichtlich der Lichtdurchlässigkeit erfüllen. Recycling-Glas eigne sich laut Mai daher nicht, weshalb der Ingenieur mit einem Wert von 0,9 kg CO₂ pro kg Glas rechnet.

Bei Aluminium gibt es einen großen Unterschied, ob es neu produziert oder recycelt wurde. So entstehen bei der Neuproduktion in der EU laut einer skandinavischen Studie 11,8 kg CO₂ pro kg Aluminium. Beim Recycling fallen indes nur 0,7 kg CO₂ an. In vielen Fällen komme dennoch neu produziertes Aluminium zum Einsatz. Mai geht daher wiederum von einem Durchschnittswert aus und gibt die Emissionen mit 8,4 kg CO₂ pro kg Aluminium an.

Ein wichtiger Bestandteil sind auch die diversen Kunststoffschichten, wie die Rückseite aus Ethylen-Vinylacetat (EVA). Bei ihrer Produktion fallen laut dem Ingenieur rund 3,5 kg CO₂ pro kg EVA an.

Die eigentliche Solarzelle besteht aus Silizium, dessen Herstellung sehr aufwendig ist. Energieintensive Verfahren erzielen zwar eine nahezu hundertprozentige Reinheit des Materials, aber auch hohe Emissionen. Der typische Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent wird laut Mai mit etwa 58,5 kg CO₂ pro erzeugtem Kilogramm Solarsilizium erkauft.

Einen noch höheren Wert erreicht nur das Silber, das allerdings nur in geringer Menge verwendet wird und als Stromsammler dient. Fachleute gehen hier von rund 132 kg CO₂ pro kg Silber aus. Das für die übrigen Leitungen und Kontakt benötigte Kupfer hat laut Mai einen Wert von 4,6 kg CO₂ pro kg Kupfer.

Umgerechnet auf die Mengenverhältnisse der Rohstoffe setzt ein Solarmodul mit 18 kg somit rund 82 kg an CO₂ frei. Oder: für ein kg – wohlgemerkt in Europa produziertes – Solarmodul fallen 4,6 kg CO₂ an.

CO₂-Emissionen eines europäischen Solarmoduls. Foto: ts/Epoch Times

Solaranlagen genauso dreckig wie moderne Kohlekraftwerke

Bei einer angenommenen Modulleistung von 300 Watt ermittelte Mai einen Emissionswert von rund 12,3 g CO₂/kWh. Somit entfallen in der Photovoltaik rund 25 Prozent der gesamten CO₂-Emission des europäischen Werts von 50 g CO₂/kWh auf die eingesetzten Rohstoffe der eigentlichen Solarmodule. Hinzu kommen die Emissionen der übrigen Bestandteile einer PV-Anlage wie etwa Wechselrichter, Speichersystem, Stromleitungen und Montagesystem, wie Träger und Ständer.

CO₂-Emissionen entstehen ebenfalls durch die Transporte der Materialien. Oftmals werden die Materialien mit großen Containerschiffen über die Weltmeere transportiert, was große Mengen an Schweröl verbraucht.

Mit diesem Wert hat die Photovoltaik die zweithöchsten CO₂-Emissionen unter den „erneuerbaren“ Energien. Lediglich Biomasse liegt mit etwa 70 g CO₂/kWh darüber. Gleichzeitig erzeugt Solarstrom etwa doppelt so hohe Emissionen wie Wasserkraft- und etwa zehnmal mehr Emissionen als Kernkraftwerke – sofern die Module aus Europa stammen.

In Anbetracht dessen, dass „chinesische Billigmodule“ den europäischen Markt überfluten, ist die Annahme von „Environmental Progress“ durchaus berechtigt. Bei einem Wert von 170 bis 250 g CO₂/kWh liegt Solarstrom jedoch auch im unteren Bereich der Bilanz von Kohleverstromung mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (150 bis 470 g CO₂/kWh) oder der von Gaskraftwerken mit CO₂-Abscheidung (90 bis 220 g CO₂/kWh).

Glas-Glas-Module sparen CO₂

Wer Wert auf eine niedrigere CO₂-Bilanz legt, sollte daher zunächst auf „Made in Europe“ achten. Darüber hinaus können rahmenlose Glas-Glas-Module, sogenannte Dünnschichtmodule, die Emissionen weiter reduzieren. Grund dafür ist nicht der Wegfall der Kunststoffrückseite, sondern die Tatsache, dass sie keinen Aluminiumrahmen benötigen.

Laut dem Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE) verursachen derartige Module bei der Herstellung 7,5 bis 12,5 Prozent weniger CO₂ als die herkömmliche Variante. Das gelte unabhängig von ihrem Herstellungsort.

Glas-Glas Module haben außerdem eine längere Lebensdauer und eine geringere jährliche Leistungsminderung als solche mit Folie, was ihren CO₂-Fußabdruck zusätzlich verbessert. „Bezogen auf die erzeugte Kilowattstunde verursacht das rahmenlose Glas-Glas-Modul 22 bis 27 Prozent weniger CO₂-Emissionen als das Glas-Folien-Modul“, so das ISE.

Hätte etwa ein chinesisches Rahmenmodul 200 g CO₂/kWh, so würde ein vergleichbares Glas-Glas-Modul demnach auf 146 bis 156 g CO₂/kWh kommen – und ist damit immer noch mit Kohlekraftwerken vergleichbar.

Kapazitätsfaktor verschlechtert die CO₂-Bilanz weiter

Das große Problem bei PV-Anlagen ist, dass sie wetter- und tageszeitabhängig sind. Das bestätigte auch der Diplom-Chemiker und Sprecher der windkraftkritischen Bundesinitiative „Vernunftkraft“ Dr. Christoph Canne auf Anfrage der Epoch Times. „Die Solarenergie funktioniert ohne Backup gar nicht.“

Es sind zusätzliche Kraftwerke nötig, die bei Abschattung der Sonne und bei Dunkelheit zuverlässig produzieren. Das ist mindestens jede Nacht der Fall. Bei bewölktem Himmel oder anderer Verschattung der Anlage leistet die Anlage noch 10 bis 50 Prozent ihrer maximalen Leistung, je nach Stärke der Verdunkelung.

Hierzu stellte Canne eine Vergleichsrechnung auf: „Angenommen, Sie installieren in einem Land ein Kernkraftwerk mit einem Gigawatt Leistung. Dieses besitzt einen Kapazitätsfaktor von 95 Prozent, kann also 95 Prozent der Zeit Strom liefern. Ebenso installieren Sie 2,5 Millionen Solarmodule mit je 400 Watt Leistung für ein Gigawatt – diese haben einen Kapazitätsfaktor von [bestenfalls] 10 Prozent.“

„Das Kernkraftwerk liefert 1.000 Megawatt × 365 Tage × 24 Stunden × 95 Prozent = 8,3 Terawattstunden (TWh) pro Jahr“, so der Diplom-Chemiker. Gleichzeitig wirke sich der niedrige CO₂-Fußabdruck der Kernenergie aus, der 5,1 bis 6,4 g CO₂/kWh beträgt. Die Zahl beruht auf aktuellen Daten der Wirtschaftskommission für Europa (UNECE).

Auf der anderen Seite die 2,5 Millionen PV-Module: „Bei gleicher Rechnung und 10 Prozent Kapazitätsfaktor ergibt das 0,875 TWh pro Jahr mit schlechterem CO₂-Fußabdruck.“ Hier würden aber 7,425 Terawattstunden pro Jahr fehlen, die aus einem Backup geliefert werden müssten. „Wenn dieses Backup aus Gaskraftwerken besteht, sind für diese 600 g CO₂/kWh anzusetzen“, erklärte Canne.

„Unsere Solarkraftlösung verursacht also – um die 8,3 TWh zu liefern – gemittelt rund 540 g CO₂/kWh.“ Aufgrund des hohen Anteils von Strom aus Gas sind es mit chinesischen Modulen nur knapp 560 Gramm CO₂-Äquivalente pro Kilowattstunde. Damit ist die Solarenergie jedoch in jedem Fall dreckiger als die modernsten Kohlekraftwerke mit CO₂-Abscheidung.