Die CO₂-Amortisationszeit einer Photovoltaikanlage
Wann lohnt sich die Installation von Solarmodulen aus CO₂-Sicht?
Photovoltaikmodule werden auf immer mehr Einfamilien- und Mehrfamilienhäusern installiert. Sie gelten als zugängliche Lösung, um die Stromerzeugung zu dekarbonisieren.
Neben dem gesellschaftlichen und individuellen Umweltbewusstsein gibt es drei Hauptgründe für ihre zunehmende Verbreitung:
- Der regulatorische Rahmen wird strenger und setzt klare Etappenziele. Die französische Nationale Low-Carbon-Strategie (SNBC) sieht für den Gebäudesektor eine Senkung der Treibhausgasemissionen um 49 % bis 2030 gegenüber 2015 und die CO₂-Neutralität bis 2050 vor. Das betrifft insbesondere die Energie, die in unseren Gebäuden verbraucht wird.
- Die energetische Qualität von Photovoltaikmodulen: Die Anlagen erzeugen Strom, ohne in der Nutzungsphase CO₂ auszustoßen. Auch ihre energetische Amortisationszeit ist sehr gut. In Europa braucht eine Anlage im Durchschnitt 1 bis 1,5 Jahre, um so viel Strom zu erzeugen, wie für ihre Herstellung nötig war.
- Finanzielle Anreize und Förderungen, die je nach Anlagengröße und Land variieren. Sie beschleunigen die Energiewende zweifellos, führen aber auch zu Fehlentwicklungen, etwa zur Überdimensionierung von Anlagen, um höhere Förderbeträge zu erhalten.
Diese drei Aspekte waren lange die wichtigsten Entscheidungskriterien. Dabei steht der anfängliche CO₂-Fußabdruck des Moduls im Mittelpunkt jeder Projektanalyse. Diesen Blickwinkel nehmen wir in diesem Artikel ein. Wie lässt sich also bei der Vielzahl an Ansätzen, Tools und CO₂-Indikatoren entlang der gesamten Produktionskette beurteilen, ob eine Photovoltaikanlage auf einem Gebäude sinnvoll ist?
Nach einer kurzen Erinnerung an die Funktionsweise von Photovoltaikmodulen analysieren wir die CO₂-Wirkung eines Moduls über alle Phasen seines Lebenszyklus. Anschließend vergleichen wir die CO₂-Amortisationszeit mehrerer Anlagen mit unterschiedlichen Produktionsvariablen.
Grundlagen zu Photovoltaikmodulen
Ein Photovoltaikmodul wandelt Sonnenenergie in Gleichstrom um. Es ermöglicht Eigenverbrauch und kann bis zu 70 % des Strombedarfs eines Einfamilienhauses decken.
Es gibt verschiedene Arten von Solarmodulen mit unterschiedlichem Wirkungsgrad und Preis. Die beiden am weitesten verbreiteten Technologien sind monokristalline und polykristalline Module (mit mehr oder weniger Siliziumkristallen). Monokristalline Module sind teurer, aber effizienter.
Wie groß ist der CO₂-Fußabdruck eines Photovoltaikmoduls?
Die CO₂-Kosten eines Moduls entsprechen den Treibhausgasemissionen über seinen gesamten Lebenszyklus, also bei:
- seiner Herstellung, d. h. Gewinnung und Verarbeitung der Rohstoffe,
- seiner Errichtung, d. h. Transport zum Einsatzort und Montage,
- seiner Nutzung, d. h. Betrieb und Instandhaltung,
- seinem Lebensende, d. h. Rückbau.
Über diese Phasen ergibt sich folgende Verteilung:
Statische Ökobilanz (LCA) eines Standard-Umweltdatensatzes (DED) für ein monokristallines Photovoltaikmodul (INIES-ID: 27354) über 25 Jahre
Im Fokus: die Herstellungsphase, Rohstoffgewinnung und Fertigung
Die Herstellungsphase verursacht mit Abstand die meisten Treibhausgasemissionen. Das liegt vor allem an der Zusammensetzung des Moduls: Glas macht zwar den größten Anteil aus, Silizium treibt den CO₂-Fußabdruck jedoch am stärksten in die Höhe. Gründe dafür sind:
- die sehr energieintensiven Verfahren zur Gewinnung und Verarbeitung,
- die Tatsache, dass diese Schritte überwiegend in China stattfinden, wo der Strommix besonders CO₂-intensiv ist.
Hinzu kommt die Fertigung der fertigen Module, die ebenfalls häufig in China erfolgt und deren Strommix den CO₂-Fußabdruck der Module weiter erhöht.
Letztlich hängt die CO₂-Wirkung der Herstellung stark vom Standort der Produktionskette ab (über den Strommix). Laut der französischen Umweltagentur ADEME (2021) liegt der CO₂-Fußabdruck von Photovoltaik bei chinesischem Strommix im Durchschnitt bei 43,9 g CO₂-Äq./kWh, bei europäischem Strommix bei 32,3 g CO₂-Äq./kWh und bei französischem Strommix bei 25,2 g CO₂-Äq./kWh.
Das bedeutet: Wer einen Schritt der Produktionskette verlagert, etwa die Montage der Module nach Frankreich, kann ihre CO₂-Wirkung wirksam senken!
Quelle: https://www.edfenr.com/guide-solaire/bilan-carbone-panneau-photovoltaique/
Das Lebensende des Moduls
Im Durchschnitt lassen sich 94 % der Komponenten eines Photovoltaikmoduls recyceln. Bezogen auf die Zusammensetzung eines Solarmoduls bedeutet das:
- Das Glas wird direkt in der Produktion wiederverwendet und, ebenso wie das Aluminium, zu Verpackungen verarbeitet.
- Das Kupfer dient zur Herstellung elektronischer Schaltkreise.
- Das Silizium lässt sich bis zu viermal recyceln, um neue Photovoltaikzellen herzustellen.
- Kunststoff ist dagegen am schwierigsten zu recyceln.
Seit 2012 verpflichtet die EU-Richtlinie über Elektro- und Elektronik-Altgeräte (WEEE) die Hersteller, Altmodule zurückzunehmen und dem Recycling zuzuführen. Da es sich bei der oben dargestellten Ökobilanz um Standardergebnisse handelt, sind diese Aspekte dort nicht berücksichtigt. Ein Hersteller kann sie jedoch über das Modul D (Gutschriften und Lasten außerhalb der Systemgrenze) ausweisen.
Fallstudie: Vergleich der CO₂-Amortisationszeit von Photovoltaikanlagen
Für alle untersuchten Projekte betrachten wir ein Einfamilienhaus mit 100 m² und einer Photovoltaikanlage mit 20 m² Dachfläche und einer Neigung zwischen 30 und 45°.
Alle Ökobilanzen werden zudem nach der dynamischen Methode der französischen Umweltverordnung RE2020 berechnet. Diese berücksichtigt den Zeitpunkt, zu dem die Treibhausgase ausgestoßen werden.
Im Fokus: ein Photovoltaikprojekt über 25 Jahre in Marseille mit einem Standardmodul
Für diesen ersten Fall verwenden wir ein Modul mit den Eigenschaften eines Standard-Umweltdatensatzes (DED) aus der französischen Datenbank INIES. Dabei handelt es sich um generische Datensätze für Geräte oder Materialien, deren CO₂-Werte im oberen Bereich der jeweiligen Produktkategorie liegen.
In den Berechnungen verwendete Daten aus der INIES-Datenbank:
Wir gehen außerdem davon aus, dass das Modul Strom aus dem nationalen Netz ersetzt (0,069 kg CO₂-Äq./kWh laut INIES). Wir vergleichen unsere Anlage daher über die Zeit mit der CO₂-Entwicklung, die entstünde, wenn derselbe Bedarf über das Stromnetz gedeckt würde:
Vergleich der CO₂-Wirkung von Solarstrom und Netzstrom (über 25 Jahre)
Hinweis: Der kleine Sprung in der Kurve der Photovoltaikanlage entspricht dem Austausch des Wechselrichters nach 15 Jahren.
- Bei T = 0 zeigt sich die hohe anfängliche CO₂-Wirkung der Photovoltaikanlage. Sie entspricht der Herstellungsphase des Moduls, während die schwarze Kurve bei 0 liegt.
- Bei T = 11 Jahren hat die CO₂-Wirkung des Netzstroms die anfänglichen CO₂-Kosten unserer Anlage eingeholt: Das ist die CO₂-Amortisationszeit unserer Module.
- Bei T = 25 Jahren verursacht das Netz 2,2-mal mehr Treibhausgasemissionen als unsere Anlage.
Mit guter Wartung oder einem langlebigeren Modul kann die Anlage zudem bis zu 40 Jahre in Betrieb bleiben. Über diesen Zeitraum und bei gleichen Leistungsannahmen ist die CO₂-Wirkung des Netzstroms dreimal so hoch wie die der Anlage, selbst unter Berücksichtigung des Wechselrichtertauschs und des Leistungsverlusts des Moduls.
Weitere Fallstudien: effizienteres Modul und andere Sonneneinstrahlung?
n dieser Studie haben wir die Wirkung anhand der Ökobilanz eines DED ermittelt. Wird das Modul in Frankreich montiert, entfällt ein Teil der sehr CO₂-intensiven Produktion. Und wenn sich ein Hersteller mit der Umweltwirkung seiner Produkte befasst, kann er eine geringere Wirkung belegen, indem er ein PEP (Profil Environnemental Produit, das französische Pendant zur EPD für technische Ausrüstung) veröffentlicht.
Betrachten wir die CO₂-Amortisationszeit, wenn wir die Art des Moduls (DED oder PEP) und den Standort (Marseille oder Lille) variieren:
Vergleich der CO₂-Amortisationszeit zweier Anlagen (DED und PEP) je nach Standort
Hinweis: Die Stromerzeugung der Photovoltaikanlage unterscheidet sich je nach Fall. Da wir gleichwertige Systeme vergleichen, steigt der Netzbezug im gleichen Maß wie die Erzeugung der Anlage. Daher variiert die jährliche CO₂-Wirkung des Netzstroms.
Das Modul mit PEP hat unabhängig vom Standort eine kürzere CO₂-Amortisationszeit als das Modul mit DED.
In den Berechnungen verwendete Daten aus der INIES-Datenbank:
Variation der Leistung
Um noch weiter zu gehen und die Parameter einzeln zu vergleichen, variieren wir nun die Leistung für jede Modulart. Wir erhalten folgende Ergebnisse:
Vergleichende Übersicht der CO₂-Amortisationszeit der verschiedenen Photovoltaikprojekte
Fazit
Aus den untersuchten Fällen lassen sich drei zentrale Erkenntnisse ableiten:
- Der Einfluss des Standorts
Bei gleicher Leistung ist die CO₂-Amortisationszeit eines „durchschnittlichen” Moduls (DED) an einem Standort mit hoher Sonneneinstrahlung kürzer.
- Der anfängliche CO₂-Fußabdruck (Herstellung) zählt mehr als die Leistung des Moduls
Bei gleicher Sonneneinstrahlung sollte man eher ein CO₂-armes als ein besonders leistungsstarkes Modul wählen. Als Beispiel betrachten wir für Marseille die Veränderung der CO₂-Amortisationszeit in Abhängigkeit von Leistung und anfänglichem CO₂-Fußabdruck des Moduls:
Der Korrelationskoeffizient zwischen CO₂-Fußabdruck und CO₂-Amortisationszeit liegt bei 1, gegenüber 0,85 bei der Leistung: Die anfängliche CO₂-Wirkung des Moduls beeinflusst die CO₂-Amortisationszeit stärker als seine Leistung.
- Ein geringer CO₂-Fußabdruck in der Herstellung und hohe Energieeffizienz zusammen verkürzen die CO₂-Amortisationszeit deutlich
In Lille und Marseille verkürzt der Wechsel von einem DED-Modul mit 3 kWp zu einem PEP-Modul mit 3,6 kWp die CO₂-Amortisationszeit um 35 % bzw. 36 %.
Abschließend gilt es, die verschiedenen verfügbaren erneuerbaren Lösungen in einen größeren Zusammenhang zu stellen und durchdachte, an den Standort angepasste Entscheidungen zu treffen, statt standardmäßig auf eine Energiequelle zu setzen.
Glossar
Erntefaktor: Verhältnis zwischen der Energie, die ein System über seinen Lebenszyklus liefert, und der Energie, die für seine Herstellung und Installation nötig war.
Graue Energie: Die graue Energie eines Geräts ist die Energiemenge, die für seine Herstellung, Installation, Instandhaltung und sein Lebensende benötigt wird.
Ökobilanz: Methode zur Berechnung der CO₂-Wirkung, die die physischen Flüsse eines Systems über alle Lebensphasen (Herstellung, Errichtung, Nutzung, Lebensende) erfasst und ihnen Umweltwirkungen zuordnet.
Standard-Umweltdatensatz (DED): generischer Datensatz für Bauprodukte, den das französische Bauministerium bereitstellt, wenn keine produktspezifischen Daten vorliegen.
Profil Environnemental Produit (PEP): Datenblatt mit spezifischen Daten zu einem elektrischen, elektronischen oder gebäudetechnischen Gerät, das nach bestimmten Regeln (insbesondere zur Ökobilanzberechnung) von unabhängigen Stellen geprüft wird.