Ökobilanz Photovoltaik: Wie viel CO2 spart eine Solaranlage?

Was ist eigentlich CO₂?

CO2 bzw. CO₂ ist die chemische Bezeichnung für das Gas Kohlenstoffdioxid, umgangssprachlich oft auch Kohlendioxid genannt. „C“ steht für Carbon (Kohle) und „O“ steht für Oxid (Sauerstoff). Ein Kohlenstoffdioxid-Molekül besteht also aus einem Kohlenstoff-Atom und zwei Sauerstoff-Atomen: CO₂.

Kohlenstoffdioxid ist transparent, farb- und geruchlos. Das Gas kommt ganz natürlich in der Umwelt vor: Als Kohlensäure ist es in unseren Ozeanen gelöst und in einer unglaublichen Menge von 60.000.000 Gigatonnen in der Erdkruste eingelagert. Außerdem ist Kohlenstoffdioxid ein natürlicher Bestandteil der Luft, die wir atmen, auch wenn sein Anteil mit 0,04 % im Vergleich zu Stickstoff (78 %) und Sauerstoff (21 %) sehr gering ist. Übrigens: Säugetiere, darunter auch der Mensch, setzen bei der Atmung einen Teil des Sauerstoffes in Kohlenstoffdioxid um. Deshalb enthält die Luft beim Ausatmen zwar weiterhin 78 % Stickstoff, aber nur noch 17 % Sauerstoff und dafür 4 % Kohlenstoffdioxid.

Für Pflanzen bildet Kohlenstoffdioxid eine der Grundlagen für die Photosynthese, bei der CO2 in Sauerstoff umgewandelt und ein Teil des CO2 in den Pflanzen eingelagert wird. Werden Pflanzen oder ihre Abfallstoffe (z.B. Holz, Kohle, fossiles Öl und dessen Derivate wie Benzin und Diesel) verbrannt, wird das Kohlenstoffdioxid wieder freigesetzt.

CO₂ besitzt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Alltag: Von der beliebten Kohlensäure in Wasser, Limonaden oder Sekt wird Kohlenstoffdioxid in der Industrie auch als Kühlmittel (Trockeneis) oder als Lösemittel eingesetzt.

Kohlenstoffdioxid ist in natürlichen bzw. handelsüblichen Mengen nicht giftig. Aber da es schwerer ist als Luft, kann es in einer höheren Konzentration die Atemluft aus tiefer gelegenen Orten wie Kellern, Senken u.ä. verdrängen.

Warum ist Kohlenstoffdioxid so problematisch?

Kohlenstoffdioxid ist ein Treibhausgas, das nachweislich an einer Reihe gravierender Klimawandel-Ereignisse beteiligt war. Eigentlich besteht im sogenannten Kohlenstoffzyklus ein Gleichgewicht. Bei diesem werden ständig enorme Mengen an Kohlenstoffdioxid zwischen der Atmosphäre und anderen Depots (Meere, Böden, Lebewesen) ausgetauscht – erzeugtes bzw. gelöstes CO2 und gebundenes CO2 halten sich die Waage. Doch spätestens seit Voranschreiten der Industrialisierung trägt der Mensch dazu bei, dass mehr und mehr Kohlenstoffdioxid in die Erdatmosphäre gelangt. Etwa 36 Gigatonnen Kohlenstoffdioxid werden durch den Menschen jährlich freigesetzt, vor allem durch die Verbrennung zur Energieproduktion, durch Industrie und Verkehr/Transport. Ein Ungleichgewicht entsteht, das nicht durch natürliche Kohlenstoffsenken (z.B. neue Wälder) ausgeglichen werden kann. Das Gas verbleibt zur Hälfte in der Atmosphäre, die andere Hälfte wird von den Meeren aufgenommen. Das ist in doppelter Hinsicht problematisch:

• Da es sich bei CO2 um ein saures Gas handelt, übersäuern die Meere durch die Aufnahme von zu viel CO2 partiell.
• Das Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist transparent und lässt sichtbares Licht passieren – Infrarotstrahlung (den „Wärmeanteil“ des Sonnenlichts) wird allerdings absorbiert. Dadurch hält das Gas einen Teil der Wärme, die vom Boden zurückgestrahlt ins All entweichen würde, zurück. Ein Treibhauseffekt tritt ein.

Der Treibhauseffekt ist eigentlich einer der Gründe, warum das Leben in seiner heutigen Form existieren kann. Denn: Ohne Treibhausgase (Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon) läge die durchschnittliche Temperatur der Erde bei –18°C. Dank Treibhausgasen beträgt die Durchschnittstemperatur auf der Erde +15°C und ist so ideal für die meisten Lebewesen. Befindet sich zu viel CO2 in der Atmosphäre, erhöht sich die Temperatur weiter, was dramatische Folgen für das Klima hat: Schmelzendes Polareis, zurückgehende Gletscher (und dadurch ein Anstieg und eine Abkühlung der Weltmeere), Unterbrechung des Golfstroms und eine Zunahme extremer Wetterereignisse wie Stürme, Fluten und Dürren sind nur einige Beispiele.

Dieser Prozess ist unumkehrbar. Für die gesamte Welt drohen innerhalb der nächsten Jahrzehnte drastische Folgen. Deshalb ist es so wichtig, den Ausstoß von schädlichem CO₂ so weit wie möglich zu verringern. Seit Beginn der Industrialisierung wurde der Anteil des Kohlendioxids in der Atmosphäre durch menschliche Aktivität von 280 ppm (0,028 %) auf über 400 ppm (0,0408 %) erhöht. Dies ist wahrscheinlich der höchste Wert seit 20 Millionen Jahren. Ein Umdenken in der Energieversorgung als größten CO2-Produzenten ist absolut notwendig. Doch glücklicherweise sind Technologien mit einer positiven Ökobilanz (Photovoltaik, Windkraft, Wasserkraft und mehr) auf dem Vormarsch – in der Industrie und auch privat. Höchste Zeit, sich die Alternativen zu fossilen Energieträgern genauer anzusehen.

Wie ist die CO2-Bilanz von Photovoltaik-Anlagen?

Wer Strom mithilfe einer Solaranlage erzeugt, möchte damit nicht nur sich selbst, sondern auch der Umwelt etwas Gutes tun. Zur Berechnung der CO2-Bilanz einer Photovoltaik-Anlage müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Förderung der Materialien (vorrangig Silizium)
• Produktion der Komponenten
• Zubehör und Ausrüstung
• Installation der Anlage
• Betrieb der Anlage (Produktion von Elektrizität)
• Wartung und Instandhaltung
• Am Ende der Lebensdauer: Verschrottung bzw. Recycling
• Transport der Materialien zur Produktion, Transport von Komponenten und Zubehör zum Betriebsstandort, nach dem Lebenszyklus Transport zur Verschrottung bzw. zum Recycling

All diese Faktoren verursachen Emissionen, wobei ungefähr je 45 Prozent davon auf die Silizium-Gewinnung und die Produktion der Wafer (Module) entfallen. Die übrigen ca. 10 Prozent verteilen sich auf die Backup-Leistung (7%) sowie Betrieb und Rückbau (3%).

Die tatsächlichen Gesamtemissionen und somit die Klimabilanz der Solaranlage hängen weiterhin ab von:

• der globalen Strahlung
• dem Produktions- und dem Betriebsstandort
• der Wafer-Dicke
• dem Modul- und Systemwirkungsgrad (s. monokristalline oder polykristalline Solarzellen)
• sowie der Nutzungsdauer (i.d.R. mindestens 20 Jahre)

Ausgehend von einer Dachanlage mit poly- oder monokristallinen Solarzellen und einer Nutzungsdauer von 20 bis 30 Jahren bei einer jährlichen Globalstrahlung von 1100 – 1700 kWh/m² liegt der CO₂-Wert für Photovoltaik bei 50 g CO₂ pro kWh. Zum Vergleich: Bei der Energieerzeugung durch Erdgas liegt der Wert bei 499 g CO₂ pro kWh, bei Steinkohle bei 830 g/kWh und bei Braunkohle sogar bei unglaublichen 1075 g/kWh. Das liegt unter anderem an dem nur geringen Kraftwerkwirkungsgrad von 38 Prozent bei Kohlekraftwerken. Photovoltaikanlagen produzieren also nicht einmal 5 Prozent des CO2, das in Kohlekraftwerken anfällt! Verglichen mit 1 kWh Braunkohle-Energie spart 1 kWh Solarenergie ganze 1025 Gramm Kohlendioxid!

Und was ist mit China?

Etwa 80 Prozent aller Solarmodule, die in Deutschland verbaut werden, stammen aus China. Qualitativ sind diese Module sehr gut und stehen europäischen Modellen in nichts nach. Außerdem bieten sie auf dem Markt mit Abstand das beste Preis-Leistungsverhältnis. Doch aufgrund der Herstellungsbedingungen besitzen diese Module nicht immer ein positives Image, da in China der Strommix bei der Herstellung – anders als in Europa – sehr stark vom Kohlestrom dominiert wird. Auch die Entsorgung der zur Produktion der kristallinen Zellen benötigten Chemikalien besitzt immer noch ein negatives Image. Dabei verbessert sich in China sehr viel. Die Energiegewinnung entwickelt sich auch im asiatischen Raum weg von der Kohlekraft hin zu sauberen, erneuerbaren Energien – in den nächsten Jahren ist eine deutliche Reduktion des Kohlestroms zu erwarten. Strengere Auflagen zum Umweltschutz tragen dazu bei, dass Abfallprodukte nicht einfach ins Abwasser und somit in die Umwelt gelangen können. Und der Trend setzt sich fort. Auch in den Bereichen Moduleffizienz, Materialverbrauch und Lebensdauer sind laut einer Schweizer Studie deutliche Verbesserungen zu erwarten. Die Ökobilanz der Photovoltaik ist also heute und auch in Zukunft sehr positiv – unabhängig vom Fertigungsort der Module.

Erntefaktor und energetische Amortisation

Zur Ökobilanz einer Photovoltaik-Anlage gehören nicht nur das eingesparte Kohlendioxid. Wenn Sie sich für ein Solar Investment interessieren, sind natürlich auch der Erntefaktor, die energetische Amortisationszeit und die finanzielle Amortisationszeit ausschlaggebend.

Der Erntefaktor bezeichnet den Wert, wie oft eine Energieerzeugungsanlage den Energieaufwand für ihre Herstellung innerhalb ihrer Lebenszeit abgibt oder an anderer Stelle einspart. Für Solaranlagen mit polykristallinen Solarzellen gilt: Innerhalb von 20 Jahren produzieren sie ungefähr das 10-fache der Energie, die für ihre Herstellung benötigt wurde. Bei monokristallinen Solarzellen ist dieser Wert durch den höheren Wirkungsgrad sogar noch höher, doch diese Module sind auch deutlich teurer in der Anschaffung.

Der zweite Faktor ist die energetische Amortisation. Dies bezeichnet den Zeitraum, den die PV-Anlage braucht, um die Energiemenge zu produzieren, die für ihre Herstellung erforderlich war. In der Regel benötigen die kristallinen Solarmodule nur 1 bis 3 Jahre, bis sie sich energetisch amortisiert haben.

Durch die fortwährende Optimierung der Rationalisierung und der Effizienz bei der Herstellung von Solarmodulen werden sich diese Werte zukünftig sogar noch verbessern und die Bilanz wird noch positiver ausfallen.

Übrigens: Durch den Investitionsabzugsbetrag (IAB) für Solaranlagen sowie eine Finanzierung per KfW-Kredit bezahlt sich Ihre Photovoltaikanlage innerhalb von ca. 15 Jahren quasi selbst. Die finanzielle Amortisation ist also dank spezieller Förderungen und Steuervorteile bei einer Solaranlage schnell und ohne großen Aufwand erreicht. So tragen Sie nicht nur zu einem deutlich geringeren Ausstoß von Kohlendioxid bei, sondern sichern sich auch hohe jährliche Renditen.

Wie viel Kohlendioxid können Sie selbst jährlich einsparen?

Der private Stromverbrauch beträgt in Deutschland 130 Milliarden kWh pro Jahr. Bei einem jährlichen Verbrauch zwischen 1.500 kWh pro Person (5- bis 6-Personen-Haushalt) und 2.800 kWh (Single-Haushalt) können Sie beim Umstieg auf Photovoltaik – selbst beim höheren genannten Wert – zwischen 826 Kilogramm und 1,542 Tonnen CO₂ pro Person und Jahr einsparen. Dank der langen Lebensdauer von Solarmodulen fällt die *Ökobilanz für die Photovoltaik*-Technologie noch positiver aus. Eine Photovoltaikanlage trägt damit durch ihren geringeren CO₂-Ausstoß zur „Verkleinerung“ Ihres CO₂-Fußabdrucks bei.

CO2 Ersparnis Solar im Vergleich zu Kohlekraftwerken

Prof. Volker Quaschning von der HTW Berlin erklärt im folgenden Video anschaulich weitere Fakten zur Ökobilanz von Photovoltaik. Besonders die Frage, wie hoch die CO₂-Ersparnis von Solaranlagen im Vergleich zu Kohlekraftwerken ist und wie Sie aktiv dazu beitragen können, die klimaschädlichen CO₂-Emissionen deutlich zu reduzieren, steht im Vordergrund: