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Wie nachhaltig ein PV-Modul ist, zeigt sich bei Design, Produktion und Recycling

Die Behauptung, PV-Module würden in der Herstellung mehr Energie verschlingen, als sie über ihren gesamten Lebenszyklus erzeugen können, ist schon lange wissenschaftlich widerlegt. Mit Energierücklaufzeiten von wenigen Monaten oder Jahren (je nach Technologie, Produktions- und Installationsbedingungen) haben PV-Module bereits nach kürzester Zeit eine positive Energiebilanz. Zusätzlich zu dieser wichtigen Kenngröße widmen wir uns auch anderen Indikatoren der Nachhaltigkeitsbewertung, wie den Treibhausgasemissionen oder dem Ressourcenverbrauch der Module über ihren gesamten Lebenszyklus.

Obwohl PV-Module während ihrer Nutzenphase im Vergleich zu anderen Energieerzeugungsformen so gut wie gar keine Emissionen verursachen, findet man bei genauerer Betrachtung dieses Nutzungsabschnitts Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit, wie beispielsweise Materialveränderungen, Degradationseffekte und standortspezifische Faktoren wie Landnutzungsänderungen. Ein besonders spannendes Thema ist außerdem die Entsorgung der Module an ihrem Lebensende, da aktuell die ersten Generationen der installierten Anlagen am Ende ihrer Nutzungsdauer angekommen sind. Wie können PV-Module auch bei diesen Nachhaltigkeitskriterien noch besser werden?

Nachhaltigkeit von PV-Modulen

Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Technologien ist das zentrale Mittel zur Reduktion von Treibhausgasemissionen, und der CO2-Fussabdruck der Produktion von Photovoltaikmodulen sinkt stetig. Trotzdem sind die Technologien der Erneuerbaren Energiewirtschaft auf energieintensive oder seltene Materialien wie Silicium, Silber oder Kupfer angewiesen, deren Abbau und Verarbeitung einen ökologischen und sozialen Fußabdruck meist in Regionen außerhalb der Europäischen Union hinterlassen.

Diesem Problem nimmt sich auch die europäische Politik derzeit an, indem sie mit der geplanten Eco-Design Direktive sowie dem geplanten Energy Lable für PV-Module gewisse ökologische Nachweispflichten für Hersteller einführt. Dabei finden neben den Emissionen aus der Produktion auch weitere Themen wie Degradation oder Design-for-Repair Beachtung in den Diskussionen.

Die Nutzenphase

PV-Module sind darauf ausgelegt, möglichst lange Strom produzieren zu können. Derzeit liegt die von den meisten Herstellern angegebene Lebensdauer bei 25-30 Jahren. Über diesen Zeitraum verringert sich ihre Effizienz kontinuierlich durch verschiedene Umwelteinflüsse wie Korrosion, Feuchtigkeitseintrag oder Hitze. Diese sogenannte Degradation hat nicht nur durch die Verringerung der Energiebilanz einen Einfluss auf die Nachhaltigkeit der Systeme, sondern auch dadurch, dass Materialien wie Kunststoffe und Metalle sich, nachdem sie über Jahre der Witterung ausgesetzt sind, in ihren Materialeigenschaften verändern können. Dies wiederum kann einen Einfluss auf ihre Rezyklierbarkeit am Lebensende haben. Verschiedene Desginoptionen, wie beispielsweise der Einsatz rahmenloser Glas-Glas-Module oder der Ersatz von Metallen wie Silber und Blei können dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus haben.

Auch eine falsche Handhabung, die zum Beispiel Glasbruch oder einen Bruch des Laminats (aus PV-Zelle und deren Einkapselung) zur Folge haben kann, kann eine sortenreine Trennung am Lebensende erschweren oder verhindern. Die Langlebigkeit der Module steht außerdem manchmal im Gegensatz zu Nachhaltigkeitskonzepten wie dem Design-for-Repair oder dem Design-for-Recycling: Je langlebiger ein Produkt gestaltet ist, desto stabiler ist meist der Materialverbund, was die Rückgewinnung einzelner Materialien ebenfalls erschweren kann. Mit den Methoden des EcoDesign können diese Zielkonflikte möglichst nachhaltig gelöst werden.

PV-Recycling

Die Rücknahme und Entsorgung von PV-Modulen ist in der EU über die WEEE (Waste of Electrical and Electronic Equipment)-Richtlinie geregelt. Das heutige PV-Recycling findet in der Regel in Anlagen für Metall- und Glasrecycling statt, in denen Aluminium, Glas und Kupfer zurückgewonnen werden. Ein spezialisiertes Recycling, das vor allem eine Rückgewinnung von Metallen wie Silber und Blei und der aufwendig hergestellten Siliciumwafer ermöglicht, ist derzeit aufgrund geringer Rücklaufmengen nicht wirtschaftlich.

Trotz einer vorgeschriebenen Recyclingquote von 80 % geht so der Großteil dieser Stoffe also verloren. Es tut sich jedoch gerade einiges in Forschung und Industrie, um die wachsenden Abfallmengen bestmöglich verwerten zu können und damit den Ressourcen- und Energieverbrauch über den gesamten Lebenszyklus weiter zu reduzieren.

Nachhaltigkeitsbewertung über den gesamten Lebenszyklus

Will man also die Nachhaltigkeit eines Produktes bewerten und aus dieser Bewertung Rückschlüsse für eine Produktoptimierung ziehen, sollten alle Lebenszyklusphasen und ihre Wechselwirkungen zusammen betrachtet werden. Die Bestrebungen gehen hin zu einer Circular Economy, in der PV-Module repariert, wiederverwendet und recycelt werden.

Weiterführend:

Herceg, S.; Pinto Bautista, S.; Weiß, K.-A. Influence of Waste Management on the Environmental Footprint of Electricity Produced by Photovoltaic Systems. Energies 2020, 13, 2146. https://doi.org/10.3390/en13092146

Sina Herceg

Sina Herceg ist Umweltwissenschaftlerin und seit 2017 am Fraunhofer ISE. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin ist seit 2021 Koordinatorin für das Thema Nachhaltigkeitsbewertung am ISE.

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