Ressourcenknappheit: Globaler PV-Zubau braucht Innovationen

06.10.2021 – Die weltweite Energiewende bedeutet auch einen enorm steigenden Photovoltaikzubau. Bis zum Ende dieses Jahrhunderts werden wahrscheinlich 120 bis 170 Terawatt Photovoltaikleistung installiert sein, das wären hundertmal mehr als die Ende 2020 installierten 707 Gigawatt.

In einer Studie hat ein Forscherteam des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE den Ressourcenbedarf für eine Photovoltaikindustrie im Terawattmaßstab abgeschätzt. Sie konzentrierten sich dabei auf die wichtigsten Ressourcen, die unabhängig von der Art der verwendeten Technologie benötigt werden, nämlich Energie, Flachglas, Kapitalinvestitionen und als exemplarisches Metall Silber.

Die Analyse zeigt, dass für den Einsatz der Photovoltaik im Terawatt-Maßstab kontinuierliche technische Fortschritte notwendig sind – andernfalls würden Ressourcenbeschränkungen zum Problem.

Keine Verschnaufpause für Industrie und Forschung

Die Photovoltaikindustrie hat in den letzten Jahrzehnten bereits sehr große Effizienzfortschritte vorzuweisen. Material- und Energieeinsatz wurden erheblich reduziert, die Wirkungsgrade der jeweiligen Technologien erhöht. Diese Entwicklung müsse auch langfristig in der Zukunft beibehalten werden, so ein Fazit der Studie. Jan Christoph Goldschmidt, Erstautor und Gruppenleiter Neue Solarzellen-Konzepte am Fraunhofer ISE, verweist beispielsweise auf Tandemsolarzellen auf Perowskit-Basis, die im Labor hohe Wirkungsgrade bei geringem Ressourcenverbrauch erzielen. Deren industrielle Fertigung wird in den nächsten Jahren erwartet.

Energieverbrauch und Emissionen im Blick behalten

Der Aufbau der globalen PV-Infrastruktur wird einige Prozent des Emissions-Budgets aufbrauchen, das mit dem 1,5-Grad-Ziel kompatibel wäre. Dann werde die Photovoltaik aber nach Meinung der Autoren mehr als die Hälfte des globalen Elektrizitätsbedarfs abdecken. Weil das verbleibende Budget so knapp ist, sei es wichtig, dass auch die Photovoltaik so schnell wie möglich hoch effizient wird. Langfristig würden nur vier bis elf Prozent des jährlich aus der Photovoltaik erzeugten Stroms für die Produktion von PV-Systemen benötig, sowohl für den Ersatz auch auf für neue Kapazitäten.

Dieser Eigenverbrauch sei vergleichbar mit dem der derzeitigen fossilen Energietechnologien. Die prognostizierten jährlichen Investitionen liegen ebenfalls in der gleichen Größenordnung wie die Umsätze der derzeit größten Öl- und Gasunternehmen.

Neue Produktionskapazitäten von Flachglas notwendig

Mit der massiven Produktionsausweitung wird auch die Glasnachfrage steigen, die benötige Fläche pro Watt Leistung aber auf Grund höherer Modulwirkungsgrade geringer werden. Das Team schätzt die jährlich produzierte Modulfläche für das Jahr 2100 auf 12.000 bis 22.000 Quadratkilometer, was in etwa der gesamten derzeitigen weltweiten Flachglas-Produktion entspricht.

Aus Ressourcensicht sei dies wahrscheinlich nicht kritisch, da für Glas anders als für Beton Sande verschiedener Herkunft verwendet werden können. Zudem ist Glas gut recycelbar.  Die aktuelle Produktion wird allerdings bereits von anderen Märkten benötigt, so dass für die Solarenergie die Produktionskapazitäten dringend erweitert werden müssten.

Teures Silber

Der Rohstoff Silber war schon immer wertvoll und teuer. Die PV-Industrie hat deshalb immer bessere Verfahren entwickelt, um die Leiterbahnen auf den Solarzellen dünner und damit weniger materialintensiv zu gestalten. Werden diese Anstrengungen erfolgreich fortgesetzt, könnte der Gesamtsilberverbrauch unter 18.000 Tonnen jährlich bleiben, im besten Fall in etwa auf dem heutigen Niveau.

Aber auch ganz andere Wege sind denkbar: Vor wenigen Wochen hat ein australisches Start up eine Solarzelle vorgestellt, die ganz ohne Silber auskommt und dennoch einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad hat. Bei dieser Zelle wurde das teure Silber durch Kupfer ersetzt. Indium, das für transparente leitfähige Oxide in Mehrfachzellen verwendet wird, ist ein weiteres Element, das kritisch werden könnte.

Erwähnt sei in diesem Zusammenhang auch ein Sonderbericht der Internationalen Energieagentur vom Mai dieses Jahres. Darin wurde analysiert, welche Herausforderungen die globale Energiewende in Bezug auf kritische Metalle und seltene Erden bereithält.

Studienautor Goldschmidt vom Fraunhofer ISE sieht dringende Aufgaben für die Industrie: die Entwicklung emissionsarmer PV-Technologien, den raschen Ausbau der Flachglas-Produktionskapazitäten innerhalb der nächsten zehn Jahre und den Aufbau von Recyclinganlagen, die große Materialströme bewältigen können. Außerdem müssten die Technologien für die Tandemsolarzelle in die Industrie übertragen werden, um die erforderlichen hohen Wirkungsgrade zu erreichen. Der Ersatz von Indium in transparenten leitenden Schichten bleibe nach wie vor eine Herausforderung. pf