Sind Sonnenkollektoren wirklich so „grün“? Die Umweltauswirkungen von Solarmodulen werden viel diskutiert und kommentiert, aber welche Argumente sind gültig und was ist Social Media Noise?

Die Hauptargumente gegen Sonnenkollektoren sind, dass sie mehr Energie und Ausrüstung zur Verbrennung fossiler Brennstoffe benötigen, um sie abzubauen, zu produzieren und zu transportieren, als sie einsparen. Ein weiteres Argument ist, dass im Produktionsprozess giftige Chemikalien verwendet werden, die mehr schaden als nützen.

Andererseits wird behauptet, dass Solarmodule mehr saubere Energie produzieren, als sie erzeugen müssen, und dass weltweit führende Unternehmen in Bezug auf die Verwendung von Chemikalien wirklich mit gutem Beispiel vorangehen.

Hier untersuchen wir die positiven und negativen Auswirkungen von Solarmodulen auf die Umwelt und was die Zukunft für die Solarindustrie bereithält.

Negative Umweltauswirkungen Sonnenkollektoren

Beginnen wir mit dem Offensichtlichen: Solarenergie ist nicht perfekt. Wie alles im Leben gibt es Vor- und Nachteile.

Das gilt vor allem für kleine Themen wie nachhaltige und wirtschaftliche Energiegewinnung für 7 Milliarden Menschen.

Solarenergie ist nicht ohne Nachteile. Schauen wir sie uns hier an:

1. Energiebedarf – Für die Erzeugung von Solarenergie ist im Voraus eine beträchtliche Menge an Energie erforderlich. Bergbau, Herstellung und Transport benötigen alle erhebliche Mengen an Energie. Quarz muss verarbeitet und gereinigt und dann mit anderen Komponenten, die aus verschiedenen Anlagen stammen können (Aluminium, Kupfer usw.), zu einem einzigen Solarmodul verarbeitet werden. Das Erhitzen des Quarzes während der Verarbeitungsphase erfordert sehr viel Wärme. Die Herstellung erfordert die Kombination mehrerer Materialien mit unglaublicher Präzision, um hocheffiziente Paneele herzustellen. All dies erfordert im Vorfeld viel Energie. Bei traditionellen Brennstoffen wie Gas oder Target werden diese in sehr großem Umfang, meist an einem Ort, gefördert, gereinigt/aufbereitet und verbrannt.

2. Chemikalien – Zur Herstellung von Silizium in Solarqualität werden in der Halbleiterverarbeitung typischerweise gefährliche Chemikalien verwendet. Je nach Solarmodulhersteller und Herkunftsland können diese Chemikalien ordnungsgemäß entsorgt werden oder nicht. Wie in jeder Branche gibt es Unternehmen, die mit gutem Beispiel vorangehen, und andere, die Abstriche machen, um Geld zu sparen. Nicht jedes Unternehmen wird Chemikalien entsorgen oder ihre Nebenprodukte ordnungsgemäß recyceln, aber es gibt faule Äpfel.

3. Recycling – Was passiert, wenn Solarmodule kaputt gehen oder außer Betrieb genommen werden? Obwohl das Recycling von Solarmodulen noch kein großes Problem geworden ist, wird es in den kommenden Jahrzehnten ein Problem sein, da Solarmodule ersetzt werden müssen. Derzeit können Solarmodule mit anderem Standard-Elektroschrott entsorgt werden. Länder ohne solide Entsorgungseinrichtungen für Elektroschrott sind einem größeren Risiko von Problemen im Zusammenhang mit dem Recycling ausgesetzt.

Dies sind die wichtigsten Umweltprobleme rund um die PV-Industrie. Die Befürchtung ist sicherlich Anlass für weitere Untersuchungen, könnte aber den Zahlen zufolge unbegründet sein.

Chemikalien, Recycling und Entsorgung von Solarmodulen

Recycling und Entsorgung von Solarmodulen ist ein wichtiger Punkt. Es gibt ein offensichtliches Problem mit Lösungen am Horizont.

Dies ist jedoch nicht so weit verbreitet oder giftig, wie es scheint. Die Siliziumwafer von Standard-Solarmodulen sind verkapselt, normalerweise mit Ethylvinylacetat (EVA). Diese Schicht schützt den Siliziumwafer. Wenn Module nicht ordnungsgemäß entsorgt und bestimmten Testbedingungen ausgesetzt werden, kann es zu Auswaschungen kommen. Diese Materialien werden unter normalen Betriebsbedingungen nicht freigesetzt.

Solarenergie ist sehr effektiv bei der Reduzierung von CO2-Emissionen. Wie bei allen Technologien müssen unbeabsichtigte Abfälle oder Nebenprodukte angegangen werden.

Eine offensichtliche Antwort ist, Sonnenkollektoren zu recyceln und ihre Grundelemente zu verkaufen. Theoretisch großartig, aber dieser Weg ist noch nicht wirtschaftlich, skalierbar.

Wie geht es weiter?

Es gibt groß angelegte Recyclinganlagen für Solarmodule, aber sie sind nicht so verbreitet, wie sie sein sollten.

Diese Verlangsamung wird mit neuen Industrien und Technologien erwartet. Autorecycler tauchten am Tag, nachdem das Model T vom Band lief, nicht auf. Flaschendepots warteten nicht auf die Ankunft von Flaschen. Elektroschrott-Recycler sind in letzter Zeit alltäglich geworden, Jahrzehnte nach der Explosion der Unterhaltungselektronik.

Es braucht Zeit, bis sich Sekundärindustrien um Primärindustrien herum entwickeln.

Alternativ oder zusätzlichDie einzige Lösung, um der Kreislaufwirtschaft zu helfen, besteht darin, den Herstellern von Solarmodulen eine Gebühr zu erheben, um den Recyclingprozess zu erleichtern, oder die Hersteller zu verpflichten, ein Recyclingprogramm zu implementieren.

Beide Optionen brauchen Zeit, um sie zu implementieren und zu perfektionieren.

Die Wirtschaftlichkeit des Recyclings von Solarmodulen wird sich verbessern, wenn mehr Solarmodule demontiert werden. Höhere Volumina in jeder Branche ermöglichen Skaleneffekte, um ihre Arbeit zu erledigen.

Eine einfache Lösung für die in Solarmodulen verwendeten Chemikalien wäre die Suche nach alternativen Methoden zur Herstellung von Modulen. Diese Lösung ist bereits im Gange, obwohl der Zeitplan für die Kommerzialisierung schwer vorherzusagen ist.

Obwohl bei der Herstellung von Sonnenkollektoren Chemikalien verwendet werden, kann ein Vergleich mit herkömmlichen Brennstoffen einen nützlichen Kontext liefern. Die Erzeugung jeglicher Energieform in großem Maßstab erfordert einen gewissen Einsatz von Chemikalien in der Lieferkette.

Kohle muss nach dem Abbau chemisch gereinigt und behandelt werden. Fracking-Erdgas muss mit chemischen Mischungen gewonnen werden. Sowohl Kohle als auch Gas werden zur Stromerzeugung verbrannt. Kernenergie selbst erfordert den Umgang mit extrem radioaktiven Stoffen.

Keine Brennstoffquelle ist perfekt, jede hat ihre eigenen ökologischen Vor- und Nachteile.

Aber einige sind besser als andere.

Umweltauswirkungen der Solarmodulproduktion

Wie werden Sonnenkollektoren hergestellt und welche Umweltauswirkungen hat dieser Prozess?

Solarmodule bestehen aus wenigen Komponenten: einem Rahmen, Zellen, Rückseitenfolie, Schutzfolie, Führungen und einer Deckplatte aus gehärtetem Glas. Der Rahmen besteht aus Aluminium, die Zellen aus Silizium, die Leiter aus Kupfer und die Rückplatte und der Film bestehen typischerweise aus einem Material auf Polymer- oder Kunststoffbasis.

Um Solarmodule herzustellen, muss das Rohmaterial gewonnen werden, das ist hauptsächlich Quarz, das zu Silizium verarbeitet wird. Aluminium und Kupfer oder Silber sind ebenfalls wichtige Materialien, die abgebaut oder aus recycelten Quellen gewonnen werden müssen, aber meistens werden sie aufgrund der zunehmenden Expansion der PV-Industrie in den letzten 10 Jahren abgebaut.

Nach der Rohstoffgewinnung wird der Quarz zu Silizium in Elektronikqualität verarbeitet. Bei diesem Verfahren wird der Quarz in einem Hochtemperaturofen erhitzt und mit verschiedenen Chemikalien umgesetzt.

Andere Fertigungsprozesse sind erforderlich, um den extrudierten Aluminiumrahmen zu formen und das gehärtete Glas zu walzen. Die Herstellung von etwas erfordert im Allgemeinen enorme Mengen an Energie.

Die Herstellung von Sonnenkollektoren kostet viel Energie, aber die Gesamtemissionen sind stark vorbelastet. Nach der Installation der Solarmodule produzieren sie über 25 Jahre lang emissionsfreie Energie.

Der Herstellungsprozess ist irrelevant ohne den Kontext der Energie, die während der Lebensdauer erzeugt wird, und wie sich andere Brennstoffquellen stapeln.

Die Antworten auf zwei wichtige Fragen liefern diesen Kontext:

1. Gleicht die von Solarmodulen erzeugte saubere Energie die negativen Auswirkungen während des Abbau- und Produktionsprozesses aus?

2. Wie ist die Emissionsintensität von Solarenergie im Vergleich zu herkömmlichen Strombrennstoffquellen wie Kohle?

CO2-Emissionsintensität von Sonnenkollektoren und anderen Brennstoffen

Emissionsintensität ist die pro Energieeinheit bewertete Kohlenstoffemission (gesamt) über die gesamte Lebensdauer. Dies wird in Gramm Kohlendioxidäquivalent pro Kilowattstunde (gCO2e/kWh) oder einem äquivalenten Wert in Tonnen Kohlendioxidäquivalent pro Megawattstunde (tCO2e/MWh) dargestellt.

Je geringer die Emissionsintensität, desto besser die Umweltbelastung, da weniger CO2 ausgestoßen wird, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen.

Lebenslange CO2-Emissionen aus Solarenergie

Um ein klares Bild des CO2-Fußabdrucks der Solarenergie zu zeichnen, wurden in den letzten Jahrzehnten Hunderte von Lebenszyklusanalysen zum Emissionsprofil der Solarenergie durchgeführt.

Diese Bewertungen umfassen vorgelagerte, betriebliche und nachgelagerte Stufen der Stromerzeugung aus verschiedenen Brennstoffquellen wie PV, Solarthermie, Wind, Kernkraft, Erdgas und Kohle.
Im Jahr 2014 überprüfte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums 400 dieser Studien auf Diskrepanzen, Ausreißer und andere variable Faktoren, die zu den Daten beitragen. Die Daten wurden dann unter Verwendung eines diskreten Satzes von Annahmen zu Vergleichszwecken harmonisiert.

Die Ergebnisse zeigten, dass Solarmodule etwa 60 % bis 70 % ihrer Energie im Voraus benötigen, etwa 25 % während des BetriebsFloat und etwa 5 % bis 20 % nach ihrer produktiven Lebensdauer.

Kohle hingegen erzeugt ~98 % seiner Emissionen während des Abbauprozesses (Bergbau, Transport, Verbrennung usw.) und nur 1 % während vor- und nachgelagerter Prozesse.

Wie zu erwarten ist, produzieren auf fossilen Brennstoffen basierende Energieerzeugungsmethoden mehr CO2 pro kWh als erneuerbare Quellen.

Was Sie vielleicht nicht erwartet haben, ist, wie groß die Lücke zwischen den Kraftstoffarten ist.

Die Lebenszyklus-Emissionsintensität von Solar-PV beträgt etwa 40 gCO2/kWh.

Die Lebenszyklus-Emissionsintensität von Kohle beträgt ca. 1.000 gCO2/kWh.

Kohle produziert 25-mal mehr Kohlendioxid als Solarenergie, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen.

Differenz der Emissionsintensität

Ein Vorbehalt zugunsten erneuerbarer Energien ist, dass die Silizium-Solarmodule in der NREL-Harmonisierung einen Wirkungsgrad von 13,2 % bis 14,0 % hatten.

In den Jahren vor 2014 war das richtig, heute erreichen polykristalline Solarmodule regelmäßig einen Wirkungsgrad von >19,5%.

Solarmodule sind heute fast 50 % effizienter als zum Zeitpunkt dieser Studie. Erzeugung von mehr kWh sauberer Energie aus der gleichen Produktionslücke, wodurch die Emissionsintensität von Solar-PV weiter reduziert wird.

Selbst die schlechtesten Schätzungen für Solar-PV sind immer noch 3x besser als die besten Schätzungen für Kohle (beide Situationen sind wahrscheinlich nicht wahr).

Die Median- und harmonisierten Werte geben ein genaueres Bild der Emissionsintensität der Kraftstoffarten (unter Berücksichtigung statistischer Ausreißer).

Der harmonisierte Wert berücksichtigte auch einen Sonneneinstrahlungswert von 1700 kWh/m2, was ungefähr den Werten in Alberta und Saskatchewan entspricht.

Die Emissionsintensität ist eine unglaublich wichtige Kennzahl, die bei der Bewertung der Umweltauswirkungen von Solarenergie zu berücksichtigen ist.

Andere Studien und Metaanalysen wurden durchgeführt, die die Umweltauswirkungen von Sonnenkollektoren im Vergleich zu anderen von NREL gefundenen Brennstoffquellen bestätigen.

Energierücklaufzeit von Sonnenkollektoren

Wenn Solarmodule zur Erzeugung mehr Energie benötigen, als sie während ihrer Lebensdauer produzieren, oder ähnlich, wenn die vorgelagerten Auswirkungen der Solarmodulproduktion die betrieblichen Vorteile überwiegen, ist die Technologie grundlegend fehlerhaft.

Menschen achten oft auf den Return on Investment (ROI) oder die Amortisationszeit, um den Wert einer Finanzinvestition zu messen. Wie lange dauert es, bis ich mein Geld zurückbekomme?

Eine 25-jährige Amortisation begeistert die meisten Menschen nicht, aber eine 3-jährige Amortisation würde die Aufmerksamkeit der meisten Investoren auf sich ziehen.

Die gleiche Frage kann für die Stromerzeugung und die Bewertung der Umweltauswirkungen von Sonnenkollektoren gestellt werden - wie lange wird es dauern, bis das Solarstromsystem genug Energie erzeugt, um die für die Produktion benötigte Energie auszugleichen?

Die Amortisation von Solarenergie hängt von Ihrem Standort ab, da unterschiedliche Wettermuster die Solarenergieerzeugung beeinflussen. Ein in der Sahara installiertes Solarpanel wird mehr Energie produzieren und sich viel schneller amortisieren als das gleiche Panel, das über dem Polarkreis installiert ist.

Auch hier liefert NREL einige bemerkenswerte Daten. Diese Daten umfassen die Modulherstellung, den Rahmen und die Balance der Systemkomponenten.

Multikristalline Solarmodule haben eine Energierücklaufzeit von nur 2 Jahren.

Ein weiterer zu beachtender Vorbehalt ist, dass der Wert auf einem angenommenen Wirkungsgrad von 14 % des Solarmoduls basiert. Heutzutage sind Solarmodule 40 % bis 50 % effizienter.

Vor diesem Hintergrund ist davon auszugehen, dass Solarmodule eine Amortisationszeit von etwa 1 bis 2 Jahren haben.

Wenn Ihnen eine Investition mit einer Amortisationszeit von 2 Jahren angeboten würde, würden Sie sie annehmen?

Umweltauswirkungen von Strombrennstoffressourcen

Die Umweltvorteile der Solarenergie variieren auch je nach Energieform, die bewegt wird.

Wie die vorherige Abbildung andeutet, wird die Erzeugung von Solarenergie anstelle der Verwendung von Kohlestrom viel vorteilhafter sein als die Installation von Sonnenkollektoren, um hauptsächlich Wasser- oder Windenergie aus dem Netz zu kompensieren.

Es gibt eine Reihe weiterer Gründe für die Installation von Sonnenkollektoren, auch wenn Ihr Stromnetz mit erneuerbaren Ressourcen betrieben wird (zdh sind hier nicht detailliert.

Schlussfolgerung

Solarenergie ist nicht perfekt, aber insgesamt hat es eine positive Nettoauswirkung auf die Umwelt und finanziell.

Ja, es werden riesige Mengen an Energie benötigt, um Solarmodule abzubauen/herzustellen, und ja, Chemikalien werden während des Produktionsprozesses verwendet. Diese beiden unwiderlegbaren Tatsachen sind jedoch nicht dasselbe, als hätten Solarmodule eine negative Nettoauswirkung, wie die Daten vermuten lassen.

Die zur Herstellung eines Solarpanels benötigte Energie amortisiert sich in weniger als 2 Jahren. Selbst unter Berücksichtigung der Produktions- und Verarbeitungsphase von Solarenergie sind die erzeugten Emissionen 3x bis 25x geringer als bei der Erzeugung der gleichen Energiemenge aus fossilen Brennstoffen.

Die geringeren Emissionen aus der Nutzung von Solarenergie im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen (insbesondere Kohle) machen die Technologie äußerst vorteilhaft.