Alternative Energieerzeugung PV-Anlagen reduzieren das CO2-Aufkommen beträchtlich

Redakteur: Gerd Kucera

Eine 16-kW-Solarstromanlage auf dem Dach vermeidet pro Jahr zehn Tonnen CO2 – das ist so viel wie 800 Buchen in derselben Zeit binden. Solarstromanlagen sind ein effizientes Mittel gegen den Klimawandel.

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Klimahelfer: Eine größere Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus mit 16 kW installierter Leistung spart rund 10 t Kohlendioxid im Jahr ein.
Klimahelfer: Eine größere Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus mit 16 kW installierter Leistung spart rund 10 t Kohlendioxid im Jahr ein.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Jede erzeugte kWh Photovoltaikstrom vermeidet in Deutschland derzeit 627 gr Kohlendioxid. Das belegen aktuelle Zahlen des Umweltbundesamtes. Eine größere Photovoltaikanlage auf einem Einfamilienhaus mit 16 kW installierter Leistung spart demzufolge rund 10 t CO2 im Jahr ein. Bei einem Solarpark mit einer installierten Leistung von 10 MW sind es rund 6300 t Treibhausgase jährlich. Darauf weist das Solar Cluster Baden-Württemberg hin. Allein in Baden-Württemberg hat die Photovoltaik im Jahr 2018 den Ausstoß von rund 3,6 Mio. t CO2 vermieden. Deutschlandweit sind es insgesamt fast 29 Mio. t. Um anschaulich zu machen, um welche Mengen es sich dabei handelt, hat der Branchenverband ermittelt, wie viele Buchen erforderlich wären, um dieselbe Menge des Treibhausgases zu binden. Im Fall der Einfamilienhausanlage sind rund 800 Buchen nötig. Beim genannten Solarpark-Beispiel sogar eine halbe Million – ein Wald so groß wie rund 6500 Fußballfelder.

Beides ist nötig: Aufforstung und Photovoltaik

„Damit das klar ist: Für den Klimaschutz braucht es beides, mehr Photovoltaikanlagen zur CO2-Vermeidung und mehr Bäume zur CO2-Speicherung“, sagt Franz Pöter, Geschäftsführer des Solar Clusters, „den Löwenanteil der Kohlendioxid-Vermeidung bei der Stromerzeugung wird neben der Windenergie vor allem die Photovoltaik tragen. Für den Solarausbau sollten Politik und Wirtschaft nun massiv in Forschung und Produktion investieren. Jeder Euro, der etwa in die Forschung gesteckt werde, sei gut investiert, da Solarzellen durch Weiterentwicklung günstiger würden und mehr zum Klimaschutz beitragen könnten. Bis zu 500 GW installierte Photovoltaikleistung, zehnmal so viel wie aktuell errichtet, sind hierzulande nötig, um einen hohen Anteil erneuerbarer Energien im Energiesystem und somit die Klimaziele zu erreichen, hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme kürzlich berechnet.“

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Aktuelles Ziel der Bundesregierung sind 55% weniger Treibhausgasemissionen bis 2030 im Vergleich zum Jahr 1990 – bislang sind erst rund 35% erreicht. Der Beitrag von Photovoltaikanlagen zum Klimaschutz ist nicht zu unterschätzen. Die 16-kW-Anlage vermeidet genau so viel CO2, wie ein Bundesbürger durchschnittlich pro Jahr verursacht. Bei einer vierköpfigen Familie reduzieren sich die Emissionen bilanziell folglich um 25%.

Auch Unternehmen oder die öffentliche Hand können mit Photovoltaik ihre Klimabilanz erheblich verbessern: Eine mittelgroße Solaranlage auf Gewerbeimmobilien oder kommunalen Gebäuden mit 350 kW installierter Leistung vermeidet rund 220 t Kohlendioxid pro Jahr. Größere Anlagen auf Industriedächern oder Verwaltungsgebäuden schaffen bei einer Größe von 750 kW installierter Leistung 470 t. Um dieselbe Menge CO2 zu binden, die eine 350-kW-Anlage vermeidet, wäre ein Wald mit rund 18.000 Buchen erforderlich. Bei der 750-kW-Anlage sind es sogar 38.000 Buchen. Bei einer kleinen Balkonsolaranlage mit zwei Photovoltaikmodulen, sie hat rund 600 W installierte Leistung, liegt die nötige Anzahl an Buchen immer noch bei 30. Die Daten zur Bindung des Kohlendioxids durch Buchen stammen vom Wald-Zentrum der Universität Münster: „Der Laubbaum bindet pro Jahr im Schnitt 12,5 Kilogramm CO2 – als Setzling weniger, als ausgewachsener Baum mehr. Er muss rund 80 Jahre wachsen, damit er eine Tonne des Klimagases in Holz umwandeln kann.“ Für die Einlagerung 1 t CO2 pro Jahr braucht es folglich 80 Buchen. Dafür ist mehr als ein Hektar Buchenwald nötig, der aus etwa 80 ausgewachsenen Buchen sowie einigen kleineren und mittelgroßen Bäumen besteht, die ebenfalls CO2 speichern.

PV-Zahlen des Umweltbundesamtes zur Emissionsbilanz

Die neuesten Zahlen des Umweltbundesamtes zur Emissionsbilanz erneuerbarer Energien stammen vom November 2019. Die Bilanz von Photovoltaikanlagen setzt sich aus der vermiedenen Menge an CO2- Emissionen und den neu entstandenen CO2-Emissionen aus der Herstellung der Anlage zusammen. Mit einberechnet ist der gesamte Produktionsprozess, vom Rohstoffabbau über die Zell- und Modulproduktion bis hin zur fertigen Anlage inklusive Rahmen und Aufständerung. Der zur Herstellung erforderliche energetische Aufwand bei Solaranlagen ist heute nicht zuletzt aufgrund großer Fortschritte durch Forschung und Entwicklung mittlerweile deutlich kleiner als die während der Lebensdauer der Anlage erzeugte Ökostrommenge. Je nach Solarzellentechnik sind es in Deutschland ein bis drei Jahre, dann habe sich der Energieaufwand zur Herstellung amortisiert, rechnen die Baden-Württemberger Solar-Experten vor und beziffern die Nutzungsdauer der Solarmodule inzwischen auf 30 Jahre. Der in Deutschland verdrängte fossile Strom aus Braunkohle- und Steinkohlekraftwerken stammt laut der Studie des Umweltbundesamtes zu 61% aus Kohlekraft- und 39% aus Gaskraftwerken.

Das Solar Cluster Baden-Württemberg e.V. vernetzt rund 50 Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus allen Teilen der solaren Wertschöpfungskette. Ziele der südwestdeutschen Branchenvereinigung sind der beschleunigte Ausbau der Solarenergie in Baden-Württemberg und die Unterstützung der regionalen Solarbranche.

Extremtest für Solarmodule: ZSW optimiert Prüfverfahren

Die Lebensdauer einer Photovolaikanlage beziffert die Branche mit etwa 20 bis 25 Jahren. Für erreichbare und zertifizierte maximale Wirkungsgrade werden je nach Modultechnologie Werte zwischen 20% und 33% genannt, auch seien noch höhere Werte erreicht worden. Großen Einfluss auf den Anlagenwirkungsgrad hat auch der eingesetzte Wechselrichter. Aber da gibt es noch eine ganz andere Variable in der Gleichung: Das Nachlassen der elektrischen Leistung von Photovoltaik-Zellen aus kristallinem Silizium. Dieser Leistungsverlust ist nicht sofort erkennbar. Er entwickelt sich langsam im Laufe der Monate bis weniger Jahre. Die Rede ist von der Potential-induzierten Degradation, kurz PID. Ein verbessertes Prüfverfahren des ZSW (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg) hilft, diesen Ertragsverlust durch eine schleichende Leistungseinbuße für die Modul-Lebensdauer zu bestimmen.

Über die veranschlagte Lebensdauer von z.B. 25 Jahren kalkulieren Experten einen Wirkungsgradverlust von 10% bis 13% ein. Einer der Gründe für diesen Verlust ist eben die spannungsinduzierte Degradation. Diese spannungsbedingte Leistungsminderung tritt bei kristallinen Photovoltaik-Modulen durch Leckströme auf, das sind Stromverläufe über einen Pfad, der nicht zur Leitung von Strom vorgesehen ist. Ein bis zu 30%-iger Leistungsverluste ist hierbei möglich.

Bei Photovoltaik-Modulen kann sich im Fall einer Spannungsdifferenz zwischen den Zellen und dem geerdeten Rahmen der Wirkungsgrad verschlechtern. Herkömmliche Module werden inzwischen gegen dieses Phänomen unempfindlich gemacht. Mit der aktuellen Anhebung der Systemspannung von 1000 auf 1500 V stellt sich jedoch erneut die Frage nach der PID-Beständigkeit.

Das ZSW hat in einem Projekt einen Extremtest entwickelt, der über die Standardprüfung hinausgeht und präzisere Aussagen über die Widerstandsfähigkeit der Solarmodule geben kann. Das Ergebnis der Belastungsprüfungen, die eine jahrzehntelange Betriebsdauer simulieren, ist: Solarmodule mit bestimmten Einbettmaterialien als PID-Schutz verlören selbst nach rechnerisch 60 Jahren Betrieb praktisch keine Leistung durch PID. Für Investoren, Banken, Hersteller und Projektentwickler sind solche Langzeitprognosen wichtig, so das ZSW, um die Wirtschaftlichkeit von Solarprojekten einzuschätzen.

Dass die spannungsinduzierte Degradation prinzipiell bei allen Siliziumsolarzellen auftreten kann, ist bekannt. Vor allem Einbettmaterialien verhindern den teilweise reversiblen PID-Effekt inzwischen verlässlich, heißt es. Testergebnisse von Modulen aus heutiger Produktion bestätigten dies. Die Prüfungen erfolgen gemäß der Norm IEC TS 62804-1 typischerweise bei angelegter Systemspannung von 1000 V und Temperaturen von 85 °C über eine Dauer von 96 Stunden.

Die Spannung für Solarmodule steigt auf 1500 V

Seit wenigen Jahren werden jedoch immer mehr Solarmodule und Wechselrichter auf die Systemspannung 1500 V ausgelegt. Die Vorteile sind ein geringerer Materialaufwand, niedrigere Kosten und mehr Leistung. Besonders Eigentümer von Solarparks und gewerblichen Dachanlagen setzen auf diese Technologie. Die Prüfung der PID-Beständigkeit steht daher erneut auf der Tagesordnung.

Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms SolarEraNet haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des ZSW zusammen mit den Unternehmen Specialized Technology Resources España und CS Wismar dieser Frage gestellt. Getestet haben die Partner Module mit zwei Typen von Zellen, eine PID-beständige und eine etwas PID-anfälligere Variante. Beide Zellen wurden einmal mit dem Einbettmaterial Standard-EVA (EVA-1), einmal mit einem verbesserten, hoch resistiven EVA (EVA-2) und schließlich mit einem Polyolefin-Elastomer (POE) kombiniert.

Alle untersuchten Modulvarianten hatten zuvor den bekannten Standard-PID-Test nach der IEC-Norm mit 1500 V bestanden. Nach der Prüfung verblieben mehr als 95% der Anfangsleistung – die Bandbreite des Wirkungsgradverlustes lag bei 1,0% bis 2,4%. Selbst eine Verlängerung der Testzeiten auf 600 Stunden brachte keine wesentliche Verschlechterung. Differenzierte Aussagen über die PID-Beständigkeit sind laut ZSW mit dem Test jedoch nicht möglich.

Der Extremtest liefert Daten zur PID-Empfindlichkeit

Erkenntnisse über die IEC-Norm hinaus erhielten die Forscher, als sie einen deutlich extremeren PID-Test durchführten. Er wirkte auf die Solarmodule ein wie eine jahrzehntelange Betriebsdauer und lieferte dadurch realistische Lebensdauerdaten bezüglich der PID-Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck kombinierten die Partner die stressreichen Komponenten des bekannten Tests und erhöhten die Prüfspannung um 67% auf 2500 V. Mit bis zu 1000 Stunden legten sie außerdem eine mehr als zehnmal längere Prüfzeit gegenüber der Norm an. Zusätzlich wurden die Module im Test mit einer leitfähigen Metallfolie auf der Vorderseite kontaktiert.

Die Ergebnisse: Module mit dem Einbettmaterial EVA-1 erleiden nach rechnerisch zwei Betriebsjahren im 1500-V-System einen Leistungsabfall von bis zu 5% durch PID. Die Wissenschaftler sind von dem Worst Case ausgegangen und haben Erholungseffekte nicht berücksichtigt. Module mit EVA-2 verhalten sich besser; erst nach 22 Jahren betrage der Leistungsabfall bis zu 5%. Module mit POE würden selbst nach 60 Betriebsjahren praktisch keinerlei Anzeichen von PID zeigen, so die ZSW-Berechnungen.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse.

„Mit unserem neuen Test können wir künftig präziser als bisher die PID-Beständigkeit ermitteln“, konstatiert Peter Lechner, der Leiter des ZSW-Photovoltaik-Testlabors SOLAB, und fügt hinzu, „das Einbettmaterial der Solarmodule hat einen großen Einfluss auf die PID-Beständigkeit. Module mit POE sind hier absolut stabil.“

An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 280 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 100 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Zusammenschluss von 13 außeruniversitären, wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.

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