Lebenszyklus eines PV-Moduls

Aufbau Solarmodule Über 90% der weltweit verwendeten PV-Module basieren auf Solarzellen aus kristallinem Silizium. Ein heute durchschnittliches PV-Modul dieser Art misst etwa 1,10 m * 1,80 m und hat eine Leistung von 450 Wp. Der Wirkungsgrad beträgt zwischen 19% und 23%. Die Energie wird von den Solarzellen – den Kacheln - erzeugt, die in einem Raster von 6*10 bis 12*12 Zellen angeordnet sind.

Typische Elemente eines Moduls

Rahmen: Aluminiumrahmen, sorgt für Stabilität (10% des Gewichts).
Sicherheitsglas: Schützt die Solarzellen und erhöht die Lichtausbeute durch eine Antireflexionsschicht (70% des Gewichts).
Solarzellen: Wandeln Sonnenlicht in Strom um (5% des Gewichts).
Verbundfolie: Wetterfester Schutz für Solarzellen (5% des Gewichts).
Verkabelung: Kupferkabel leiten Gleichstrom ab, Anschlusskästen auf der Rückseite (1% des Gewichts).
Kunststoffe: Für Montagezwecke (5% des Gewichts).

Energie und CO₂ bei der Herstellung

Die Herstellung eines PV-Moduls benötigt etwa 2000 kWh (887 kWh/m² ⁱ ). Das entspricht etwa 500 kg bis 1 Tonne CO₂-Äquivalenten pro kWp installierter Leistung.

Dieser Energieaufwand und die Emissionen amortisieren sich durch den emissionsfreien Betrieb der Anlage nach 3 bis 4 Jahren. Umgerechnet auf eine Laufzeit von 20 Jahren werden etwa 55 g CO₂/kWh (500kg CO₂ / 9.000 kWh) verursacht, wobei das Fraunhofer ISE aktuell nur von nur 20 g CO₂/kWh ⁱⁱ ausgeht.

CO2 Produktion Einsparung

Lebensdauer und erwartete Leistung

Die Lebensdauer der Module wird in der Regel mit 20 Jahren garantiert.

Als Faustformel kann man in Deutschland mit einem Jahresertrag von ca. 1.000kWh/kWp ausgehen. Ein 450 Wp-Modul liefert somit 450 kWh/Jahr und insgesamt ca. 9.000 kWh in 20 Jahren.

Eine Berechnungⁱⁱⁱ für ein 450Wp-Modul in Südausrichtung und einem Neigungswinkel von 30° zeigt nachfolgende Ertragstabelle:

Monat	Jan.	Feb.	März	April	Mai	Juni	Juli	Aug.	Sep.	Okt.	Nov.	Dez.	Summe
kWh	14,0	25,0	42,0	57,0	59,0	58,0	57,0	56,0	44,0	27,0	16,0	10,0	465,0

Über 20 Jahre ergibt dies folgende Werte:

Laufzeit	Erzeugte Energie	Eingespartes CO₂	Gesparte Stromkosten
20 Jahre	9.000 kWh	4.000 kg (0,44 kg/kWh^iv )	2.000 Euro (0,30 €/kWh)

Im Vergleich^v dazu:
Aktivität	CO₂-Emissionen
1 Std Flugzeit	ca. 150 kg
1.000 km PKW-Fahrt	ca. 210 kg

WirkungsgradDegradation Über die Betriebszeit sinkt der Wirkungsgrad der Module (Degradation) um ca. 0,5% pro Jahr, sodass ihr Wirkungsgrad nach 20 Jahren bei ca. 90% liegt. Module können jedoch bis zu 40 Jahre aktiv bleiben. Bei zu geringem Wirkungsgrad oder Defekten werden sie entsorgt und durch effizientere ersetzt (Repowering).

Recycling der Module

Bevor die Module recycelt werden, überprüft man optisch und elektrisch ihren aktuellen Zustand. Wenn die Parameter es zulassen, werden sie zur weiteren Nutzung wieder in den Handel gegeben und erhalten so ein zweites Leben (2nd Life, Gebrauchtmodule).

Verbrauchte oder beschädigte PV-Module, die sich nicht wirtschaftlich instandsetzen lassen, sind recyclingpflichtiger Elektroschrott und müssen zu 80% bezogen auf die Masse recycelt werden. Mit der Wiedergewinnung des Glases (ca. 80%) und des Aluminiumrahmens (ca. 10%) werden die gesetzlichen Vorgaben erfüllt. Ein PV-Modul enthält weitere Wertstoffe, die zurückgewonnen werden sollten. Beispielsweise macht der Silbergehalt von ca. 7 g/Modul etwa die Hälfte des Wertes der Recyclingprodukte aus. Pro Modul rechnet man mit einem Wertstoffwert von insgesamt ca. 10 Euro ^vi.

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geht davon aus, dass das Recycling der genannten Rohstoffe ca. 80 % der elektrischen Energie im Vergleich zu ihrer Primärproduktion spart^vii.

Moderne PV-Module bestehen zu 90% bis 95% aus recycelbaren Materialien. Sie werden getrennt und wiederverwertet, um den Bedarf an neuen Rohstoffen zu reduzieren und die Umweltbelastung zu minimieren.

Folgende Schritte werden typischerweise durchgeführt:

Rahmen mechanisch entfernen: Aluminium wird eingeschmolzen (spart ca. 95% Energie gegenüber neuem Aluminium).
Verkabelung mechanisch entfernen: Kupfer wird wiedergewonnen.
Glas mechanisch trennen: Glas wird gereinigt und recycelt.
Verklebte Schicht zerkleinern: aus Siliziumzellen, elektrischen Leitern und Kunststoffen ;
Wertstoffe mittels Flotationsverfahren (chemisch, thermisch) zurückgewinnen.
Zunehmend mechanische Trennung: thermische und chemische Schritte verringern.
Nicht wiederverwendbare Materialien behandeln: Entsprechend den Umweltvorschriften deponieren oder verarbeiten.
Recycelte Materialien wiederverwenden: wieder in Elektro-, Metall-, Beton- und Glasindustrie einsetzen.

Auch wenn die Recyclingverfahren für PV-Module inzwischen fortgeschritten sind, wird an ihnen intensiv geforscht, um einerseits die Wertstoffe in reinerer Form wieder zu gewinnen und andererseits die Kosten zu reduzieren. Die angewendeten Verfahren variieren je nach Art der PV-Module und sind von den örtlichen Umweltvorschriften und Recyclinganlagen abhängig. In jedem Fall wird der Bedarf an neuen Rohstoffen und die Umweltbelastung reduziert.

Zukunftsprognosen

Der DBU geht davon aus, dass in Deutschland bis 2030 über 1 Mio. Tonnen PV-Module recycelt werden müssen. Laut der International Renewable Energy Agency (IRNA) ^viii werden weltweit 4 Mio. Tonnen bis 2030 und 200 Mio. Tonnen bis 2050 an PV-Module anfallen. Ihren Berechnungen zufolge könnte man in 2030 bereits 60 Mio. neue Module aus PV-Abfall produzieren.

Materialwert eines Moduls

Die wirtschaftliche Bedeutung des Recyclings zeigt sich in den Materialwerten, insbesondere von Silber und Aluminium. Ein durchschnittliches Modul enthält:

Materialanteile in kristallinen Si-Modulen pro Tonne Modulschrott:


pro Tonne Modulschrott	Gewichtsanteil ^ix	Gewichts-%	Materialwert-% ^x
Silber	0,5 - 1 kg	< 0,1%	47 %
Kupfer	5 - 10 kg	< 1%	8 %
Zinn	0,5 - 1 kg	< 0,1%
Silizium	25 - 50 kg	2,5% - 5,0%	11 %
Alumunium (Rahmen)	100 - 150 kg	10% - 15%	26%
Glas	700 - 750 kg	70% - 75%	8 %
Kunststoff	Rest

Zusammenfassung

Für die Herstellung eines handelsüblichen PV-Moduls werden ca. 2 kWh Energie benötigt die - aktuell im dt. Stromnetz – 700 kg CO₂ frei setzen.
Während der Mindestlaufzeit von 20 Jahren werden ca. 9.000 kWh (9 MWh) CO₂-freier Strom erzeugt und damit 4.000 kg_CO2 eingespart.
Die zur Produktion erzeugte Energie wird schon innerhalb eines Betriebsjahres, die freigesetzte CO₂-Menge nach zwei Jahren zurückgewonnen.
Über die gesamte Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren vermeiden PV-Anlagen ein Vielfaches der Emissionen, die bei ihrer Herstellung entstanden sind.
PV-Module können heute zu über 90% recycelt und ihre Bestandteile wiederverwendet werden.
Durch Weiterentwicklungen in der Produktion, den Einsatz erneuerbarer Energien und Recycling kann der ökologische Fußabdruck von PV-Modulen weiter verbessert werden.