Massiver Ausbau der Solarenergie möglichst ressourcenschonend

Ohne technologischen Fortschritt bei der Produktion von Modulen steuert die expandierende Solarenergie auf ein Ressourcenproblem zu. Das legt die Studie eines Team von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) nahe.

Aus ihren jetzt veröffentlichten Untersuchungen leiten die Fachleute die Mahnung ab, in allen Bereichen des Solarenergieausbaus nachhaltig zu Werke zu gehen. Dies beginne bei einer möglichst emissionsarmen Produktionsweise, reiche über den schonenden Einsatz von Rohstoffen bis zum Aufbau großer Anlagen zur Wiederverwertung eingesetzten Materials.

Tandemsolarzellen ein Schritt in die nachhaltige Zukunft

„Einige Aufgaben müssen dringend angegangen werden“, sagt Jan Christoph Goldschmidt, Gruppenleiter Neue Solarzellen-Konzepte am Fraunhofer ISE und Erstautor der Studie. Denn der global erforderliche massive Solarausbau habe Auswirkungen auf Rohstoffe und Produktionsprozesse.

Welcher Bedarf an Rohstoffen besteht, wird beim Blick auf die Ausbaupfade der Solarenergie deutlich. Um die Klimaziele zu erreichen, sei die Solarkapazität bis 2030 um das Sieben- bis 14-fache zu steigern, so Robert Pietzcker vom PIK, gefolgt von einem kontinuierlichen Ausbau. Bis 2050 sei Solarleistung von 20 bis 80 Mio. MWp zu installieren, bis 2100 dann 80 bis 170 Mio. MWp. Das sei mindestens hundertmal mehr als die bis Ende 2020 weltweit installierten 707.000 MWp.

Dieses Wachstum im Terawatt-Maßstab sei nur möglich, wenn die Solartechnologie sich wie bisher laufend weiterentwickele, so Goldschmidt. Die Forschenden heben Entwicklungen wie Tandemsolarzellen auf Perowskit-Basis hervor, die hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Kosten und geringem Ressourcenverbrauch versprechen. Neue Systeme, so Goldschmidt, „sind effizienter und verbrauchen bei der Produktion weniger Ressourcen. Wir müssen diese Entwicklung auch langfristig in der Zukunft beibehalten.“

Silber und Indium "kritische Elemente", Sand "reichlich vorhanden"

Einige Materialien hat die Studie genauer untersucht. Unzweifelhaft steigt bei immer neuen Solaranlagen der Bedarf an Glas. Zugleich sinke die benötigte Modulfläche bei steigenden Wirkungsgraden der Module. Die Forschenden gehen in ihrer Untersuchung davon aus, dass im Jahr 2100 neue Modulfläche in der Größenordnung der aktuellen weltweiten Flachglas-Produktion entstehen wird. Das sind etwa 12.000 bis 22.000 Quadratkilometer. Für Fraunhofer ISE und PIK stellt der für Glas elementare Rohstoff Sand kein Problem dar, er sei „reichlich vorhanden“. Zudem biete Glas sich fürs Recyceln an.

Bei Silber stelle sich die Lage etwas anders dar. Hohe Preise und bessere Drucktechnik reduzierten die Silbermenge historisch betrachtet. Bei diesem Trend lasse sich der Verbrauch an Silber für Solarbelange auf unter 18.000 Tonnen jährlich begrenzen. 2018 lag der Bedarf bei geschätzten 1.959 Tonnen, was rund 8 % der weltweiten Förderung entsprach. Je nach technischem Fortschritt werde 15 bis 25 % der weltweiten Silberproduktion für Solarenergie benötigt. In Indium benennen die Forschenden ein weiteres Element, dessen Verfügbarkeit kritisch zu sehen sei.

Auch die Produktion der Solaranlagen selbst stelle eine Herausforderung für das Klima dar, so die Forschenden. Der Aufbau der globalen Infrastruktur werde mit Blick auf die Erderwärmung (1,5-Grad-Ziel) „einige Prozent des Emissions-Budgets aufbrauchen“, so die Studie. Der „Eigenverbrauch“ für Ersatz und Ausbau der Kapazitäten werde langfristig 4 bis 11 Prozent des jährlich erzeugten (Solar-)Stroms umfassen – und damit auf dem Niveau fossiler Energieerzeugung liegen. „Weil das verbleibende Budget so knapp ist, ist es wichtig, dass auch die Photovoltaik so schnell wie möglich hocheffizient wird“, sagt Lukas Wagner vom Fraunhofer ISE. Mit dem Energieeinsatz decke die Solarenergie allerdings künftig mehr als die Hälfte des weltweiten Strombedarfs ab.

Damit Solarenergie ihre tragende Rolle bei der Energiewende erfüllen kann, schlagen Fraunhofer ISE und PIK verschiedene Maßnahmen vor. Priorität solle laut Jan Christoph Goldschmidt die Entwicklung „emissionsarmer PV-Technologien“ haben. Dazu sei binnen zehn Jahren der Ausbau der Flachglas-Produktionskapazitäten voranzutreiben. Den nachhaltigen Kreislauf komplettieren sollen Recyclinganlagen, „die die enormen Materialströme bewältigen können“. Dies zeige, dass es nicht nur darum gehe, Kapazitäten auszubauen und diese entsprechend zu finanzieren. Das Innovationstempo sei unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit hochzuhalten.

Die auf Englisch verfasste Studie „Technological learning for resource efficient terawatt scale photovoltaics“ ist im Internet veröffentlicht.