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Drei gute Gründe für mehr Materialeffizienz bei der Energiewende

Die Transformation unserer Energiesysteme von fossilen zu erneuerbaren Energien ist von zentraler Bedeutung, um die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Der massive und rasche Ausbau alternativer Energietechnologien für den Strom-, Wärme- und Verkehrssektor ist unweigerlich mit Herausforderungen verbunden, auch in Bezug auf die für Herstellung und Infrastruktur benötigten Materialien.

Materialeffizienz – oder die Art und Weise, den Nutzen eines Produkts zu erhöhen und gleichzeitig Materialverbrauch und -abfall zu minimieren (“mit weniger mehr erreichen”) – kann bei der Bewältigung der folgenden Probleme helfen.

1. Der massive Einsatz erneuerbarer Energien erfordert große Mengen an Materialien

Für den Bau von Photovoltaikanlagen, Windturbinen und Elektrofahrzeugen werden in der Regel mehr Materialien benötigt als für herkömmliche Technologien. Der Ausbau dieser Technologien auf globaler Ebene wird zu einem enormen und schnellen Anstieg der Nachfrage nach Materialien führen. So müssen beispielsweise die derzeitigen Photovoltaik-Kapazitäten bis 2050 um mindestens das Zwanzigfache erhöht werden, um unsere Klimaziele zu erreichen. Diese Ambitionen müssen mit einer angemessenen Versorgung mit Hunderten bis Tausenden Kilotonnen Aluminium, Polysilicium, Kupfer, Glas, Silber und Blei und anderem einhergehen. Tatsächlich wächst die Materialproduktion beständig: Die Förderung von Rohstoffen hat sich in den letzten 50 Jahren verdreifacht, während die Weltbevölkerung wuchs. Während die Ressourcen den wirtschaftlichen Fortschritt und das menschliche Wohlergehen fördern, gilt das derzeitige Verbrauchsniveau als nicht nachhaltig und muss im Rahmen einer echten “grünen” Energiewende geändert werden.

2. Einige Materialien, die für erneuerbare Energien benötigt werden, sind mit hohen Versorgungsrisiken behaftet

Obwohl der Bedarf an seltenen Erden für CO2-arme Technologien oft diskutiert wurde, sollte betont werden, dass die dringendsten Bedenken hinsichtlich der Materialien mit ihren geopolitischen, technischen oder wirtschaftlichen Versorgungsrisiken zusammenhängen und nicht mit ihrer geologischen Knappheit.

Woher kommen die Materialien, wie viele Länder können sie liefern, wie stabil sind diese Länder und wie sieht es mit ihren Umwelt- und Sozialvorschriften aus: Dies sind einige der Fragen, die bei der Bewertung von Versorgungsrisiken gestellt werden. Erneuerbare Energien benötigen nämlich sehr spezifische Metalle, deren Beschaffung durch verschiedene Faktoren stark eingeschränkt sein kann. Dies gilt beispielsweise für Indium in hocheffizienten Solarzellen, Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien und Neodym in Windkraftanlagen mit Permanentmagneten. Die Steigerung der Materialeffizienz bedeutet, dass die Abhängigkeit von den Lieferländern verringert wird. Dies bedeutet auch, dass die Auswirkungen von Preisschwankungen auf den Produktpreis begrenzt werden.

3. Materiallieferketten sind mit erheblichen Umweltauswirkungen und intransparenten sozialen Bedingungen verbunden

Das International Resource Panel schätzt, dass die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen und nicht-metallischen Mineralien (Sand, Kies, Ton) für 20 Prozent der globalen Auswirkungen des Klimawandels, 20 Prozent der globalen Auswirkungen von Feinstaub auf die Gesundheit und 4 Prozent der globalen Wasserbelastung verantwortlich sind.

Darüber hinaus verfügt der Sektor der erneuerbaren Energien, wie jeder andere Industriesektor auch, nur über wenige Informationen über seine eigenen Lieferketten: Die Beteiligten an den ersten Produktionsschritten, ihre Standorte, Arbeitsbedingungen oder Auswirkungen auf die lokalen Gemeinschaften sind für den Hersteller am Ende der Lieferkette oft eine komplette Blackbox. Die Steigerung der Materialeffizienz ist daher eine Schlüsselstrategie, um erhebliche Umweltauswirkungen zu vermeiden und soziale Risiken zu minimieren.

Wie also lässt sich die Materialeffizienz steigern?

Die Verbesserung der Art und Weise, wie wir Materialien verbrauchen, setzt voraus, dass wir besser verstehen, wie wir sie verwenden. Die Material- und Abfallströme müssen bewertet werden. Der ökologische, soziale und wirtschaftliche Nutzen von Materialeffizienzmaßnahmen muss ebenfalls bewertet werden, um strategisch handeln zu können. Materialflussanalyse, ökologische und soziale Lebenszyklusanalyse und Kritikalitätsanalyse sind einige Beispiele für die Instrumente, die uns in der Forschung und Entwicklung zur Verfügung stehen, um die Entwicklung sauberer Energiesysteme zu steuern.

Effizienzmaßnahmen können in der Praxis verschiedene Formen annehmen. Produktionsprozesse können zur Abfallvermeidung optimiert werden, das Produktdesign kann angepasst werden, um Reparaturen zu ermöglichen und die Produktlebensdauer zu verlängern, und es können recycelte Materialien für die Herstellung verwendet werden. Maßnahmen zur Steigerung der Materialeffizienz sind ein ständiger Prozess in der Energietechnik. So wurde in den letzten Jahren sehr aktiv an der Steigerung des Wirkungsgrads von Photovoltaik-Modulen, der Verbesserung des Recyclings und der Senkung des Bedarfs an Materialien wie Silber und Silizium durch Anpassung des Designs geforscht.

Zum Weiterlesen:

International Resource Panel (2019). Global Resources Outlook 2019: Natural Resources for the Future We Want.

International Energy Agency (2021). The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions.

Gervais, E.; Herceg, S.; Nold, S.; Weiß,K.-A. Sustainability strategies for PV: framework, status and needs (2021). https://doi.org/10.1051/epjpv/2021005

Titelbild: Beispiele für Materialien mit Versorgungsrisiken in der Energietechnik. Copyright ©shutterstock.com/artjazz,iStock.com/gerenme; Collage: Fraunhofer ISE

Estelle Gervais

Estelle Gervais ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, Deutschland. Sie ist spezialisiert auf die Kritikalität von Rohstoffen, Nachhaltigkeitsstrategien und Kreislaufwirtschaft für aktuelle und zukünftige PV-Technologien.

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Estelle Gervais

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