Die Vertreter der Solarbranche sowie vieler Nichtregierungsorganisationen wie z.B. WWF oder Greenpeace vertreten die Meinung, dass Kohle der Klimakiller Nr. 1 sei. Kohle deckt rund 40 % des Weltenergiebedarfs; in China beträgt der Anteil der Kohle sogar 70 %. Kohle wird noch für viele Jahrhunderte die wichtigste Energiequelle für die ganze Welt bleiben, da sie nicht nur billig, sondern auch in grossen Mengen vorhanden ist.

Aber stimmt denn diese Aussage der Solarbranche und der Nichtregierungsorganisationen? Unbestritten ist, dass bei der Verbrennung von Kohle Kohlendioxid entsteht. Aber auch Photovoltaik(PV)-Anlagen führen zur Emission von klimawirksamenTreibhausgasen – nicht beim Betrieb, sondern bei der Herstellung.

Beim Errechnen der Auswirkungen der PV-Anlagen aufs Klima pro Einheit Nutzenergie (kWh elektrisch ab Klemme) sind vor allem massgebend: die Herstellung der Solarmodule in China, speziell die Raffination von Solar-Silizium unter Einsatz erheblicher Mengen von Chemikalien und Rohstoffen, die Herstellung der Nebenanlagen, der Transport der Materialien nach Europa und demgegenüber die erfahrungsgemäss bescheidene Stromausbeute unter den klimatischen Verhältnissen in Deutschland.

Wie viel CO2 emittiert ein modernes Kohlekraftwerk ?

Moderne Dampfkraftwerke mit Kohlenstaubfeuerung und überkritischen Frischdampfparametern (sog. Clean Coal Technology) erreichen einen thermischen Wirkungsgrad von 52%. Das bedeutet, dass sie 846 Gramm CO2 pro kWh Strom emittieren, wenn sie mit Steinkohle (Heizwert: 30 MJ/kg) betrieben werden. Ferner sind moderne Kohlekraftwerke mit hocheffizienten Filtern versehen, so dass die Emission von Staubpartikeln minim ist. Hinzuzufügen ist, dass Kohlekraftwerke bedarfsgerecht Strom produzieren und deswegen weder Speicheranlagen noch Reservekapazitäten  benötigen. Die Letzteren sind aber bei Solarstrom unabdingbar und verursachen Umwandlungsverluste.

Herstellung der Solarmodule in China und Herstellung der Nebenanlagen

Heute werden rund 80 % der in Europa eingesetzten Solarmodule in China hergestellt (siehe EU anti-dumping investigation on solar panel imports from China). Die Herstellung von ultrareinem Silizium für die Modulzellen ist extrem energieintensiv. Nach Prof. Jian Shuisheng von der Pekinger Jiatong-Universität sind in der chinesischen Industrie pro Quadratmeter Modul mehr als 300 kg Kohle notwendig. Daraus entstehen mehr als 1‘100 kg CO2, das in die Atmosphäre gelangt. 

Auch die Fertigung der Nebenanlagen eine PV-Anlage wie z.B. Wechselrichter, Batterien, Kupferkabel, Schalter, Instrumente, Abstützungen und Beton braucht fossile Brennstoffe. Der Energiebedarf für Nebenanlagen wird in der Fachliteratur auf zusätzliche 13% geschätzt. Also summieren sich die Gesamtemissionen pro Quadratmeter Solarpanel auf 1‘243 kg CO2.

Gasförmige Chemikalien für die Herstellung von Solarsilizium

Als Reinigungsgase werden unter anderen Stickstofftrifluorid (NF3) und Schwefelhexafluorid (SF6) eingesetzt. Beide gelangen als Leckage in die Atmosphäre; sie sind aber auch hochwirksame Treibhausgase, das heisst: Sie haben ein sehr grosses globales Erwärmungspotenzial. NF3 hat den Faktor 16‘600, das heisst: 1 Gramm NF3 hat in der Atmosphäre dasselbe Erwärmungspotenzial wie 16‘600 Gramm CO2. Schwefelhexafluorid hat den Faktor 23‘900. Diese Auswirkungen wurden bis jetzt zu wenig beachtet, obschon beispielsweise die NF3-Konzentration in der Atmosphäre messbar angestiegen ist.

Das Gesamt-Erwärmungspotenzial dieser Gase ist in der Studie “Nitrogen trifluoride global emissions estimated from upgraded atmospheric measurements“ (Ref. 1)  anhand von Messungen in der Atmosphäre ermittelt worden: Alle Reinigungsgase, die im Jahr 2010 weltweit bei der Fertigung von Solarzellen, von Flachbildschirmen und in der übrigen Halbleiterindustrie eingesetzt wurden, wirkten sich aufs Klima gleich aus wie 77 Millionen Tonnen CO2. Von der Gesamtmenge entfallen 94% auf die Herstellung von Solarzellen. Andererseits wurden im Jahre 2010 Solarpanels mit einer Spitzenleistung von mehr als 17.5 GW installiert – umgerechnet etwa 150 Millionen Quadratmeter. Somit entsprechen die Emissionen pro Quadratmeter Solarpanel  513 kg CO2 – und das ist viel.

Feste und flüssige Chemikalien für die Herstellung von Solarsilizium

Zudem werden bei der Herstellung von Solarmodulen rund 20 verschiedene Chemikalien und Stoffe verwendet, die in der Natur nicht vorhanden sind; diese müssen in komplexen und energieintensiven chemischen Prozessen künstlich hergestellt werden. Die „Silicon Valley Toxic Coalition“ (Ref. 2) hat eine Auflistung publiziert. Im Folgenden wird das Erwärmungspotenzial ausgewählter Stoffe ermittelt, die für die Herstellung der PV-Module notwendig sind:

• Chlorwasserstoff (HCl) wird zum Verflüssigen von metallischem Silizium eingesetzt. Pro Quadratmeter  Modul sind 5,5 kg HCl notwendig; das Erwärmungspotenzial entspricht 2 kg CO2.

• Siliziumkarbid wird eingesetzt, wenn Quader aus hochreinem Silizium in ca.  0.2 mm dünne Silizium-Scheiben zerschnitten werden. Der Verbrauch an Siliziumkarbid wird mit 1,2 kg pro Quadratmeter Modul angegeben; dies entspricht einem Erwärmungspotenzial von 9 kg CO2.

• An Silber werden 10 Gramm pro Quadratmeter Modul verbraucht. Die Silber-Herstellung verlangt 1‘570 MJ/kg an grauer Energie; das Erwärmungspotenzial entspricht 1,5 kg CO2.

Das gesamte Erwärmungspotential der festen und flüssigen Chemikalien wird auf 30 kg CO2 pro Quadratmeter PV-Modul geschätzt. Dazu ist zu bemerken, dass die Solarbranche bis jetzt keine detaillierte Zusammenstellung des Erwärmungspotentials der Solarpanel-Herstellung veröffentlicht hat, obwohl das Gefährdungspotential der vielen verwendeten Chemikalien durchaus bekannt ist.

Transport der Materialien

Auch die Transporte stellen eine erhebliche Emissionsquelle dar. Dies in Zahlen: Der Transport der PV-Module aus China nach Deutschland, der Transport der Grundstoffe und Chemikalien innerhalb China sowie der Transport der toxischen Abfälle zu Deponien in China ergibt nach unseren Berechnungen 23 kg CO2 pro Quadratmeter Modul mehr als der Kohletransport zu europäischen Steinkohlekraftwerken aus Südafrika. Dabei wird für Seetransport und für Landtransport 0.0002 bzw. 0.002 MJ pro kg und km eingesetzt;  die CO2-Emissionen betragen mindestens 0.1 kg/MJ. Bei Kohle erfolgt der Transport vorwiegend durch Schiffe; daher ergeben sich kleinere CO2-Emissionen. 

Wie viel Netto-Strom produziert 1 Quadratmeter Solarpanel während seiner Lebensdauer?

Entscheidend ist letztlich die Netto-Stromproduktion über die ganze Lebensdauer einer PV-Anlage ( 25 Jahre). Dies in Zahlen: Die BMU Energiestatistik -Erneuerbare Energien in Deutschland- gibt die Gesamtproduktion an Strom aus Solaranlagen sowie die installierte Nennleistung (sog. Peak-Leistung bei uneingeschränkter Sonneneinstrahlung) an. Fürs Jahr 2008-2012 errechnen wir eine mittlere Ausbeute von 86  kWh pro m² und Jahr. Dieser Wert gilt für relativ neue Module.

Die praktische Erfahrung mit Anlagen  hat aber gezeigt, dass die Ausbeute mit der Zeit aus zwei Gründen abnimmt: Alterung und Betriebsstörungen. Die Verluste wegen Alterung kann man anhand von Statistiken mit mindestens 1% pro Jahr beziffern. Über Betriebsstörungen liegen keine zuverlässigen Statistiken vor. Für Deutschland wird in gewissen Studien  eine Ausfallrate von 0.5% pro Jahr angegeben.

Demzufolge beträgt die über die Lebensdauer gemittelte Stromausbeute  rund 80 kWh pro m² und Jahr. Daraus resultiert in 25 Jahren eine Gesamt-Stromproduktion von 2000 kWh pro m² Solarpanel.  Solarstrom wird aber nicht bedarfsgerecht produziert und deswegen sind Speicheranlagen und Reservekapazitäten notwendig. Dies führt zu Umwandlungsverlusten, die bei Kohlekraftwerken nicht anfallen; beispielsweise kann ein Pumpspeicherwerk nur etwa 75% der eingebrachten Energie reproduzieren. Um einen realistischen Vergleich mit Kohlekraftwerken zu ermöglichen, wird daher die Gesamtstromproduktion von Solarpanels um 150 kWh pro m² und Jahr reduziert. Demnach liegt der Netto-Ertrag eines Solarpanels  während seiner Lebensdauer bei 1850 kWh.

Gegenüberstellung der Emissionen

Bei der Herstellung von PV-Anlagen wird die Summe der oben genannten CO2-Aequivalente in die Atmosphäre emittiert, d.h. pro Quadratmeter Solarpanel 1‘809 kg. Dividiert durch die Netto-Stromproduktion von 1850  kWh in 25 Jahren ergibt dies 978 g CO2/kWh.

Demgegenüber emittiert ein modernes Kohlekraftwerk wie erwähnt 846 g CO2/kWh, d.h. rund 13 %  weniger. Daraus folgt, dass unter deutschen Verhältnissen die Photovoltaik der Klimakiller Nr.1 ist. Demgegenüber wäre ein Gaskraftwerk vorteilhafter, denn seine CO2-Emission beträgt etwa die Hälfte: rund 400 g CO2/kWh.

Schlussfolgerungen

• Bisher hat eine überzeugende und umfassende Quantifizierung aller Einflüsse der Photovoltaik auf die Umwelt gefehlt (siehe Ref. 3). Eine solche hat der Tatsache Rechnung zu tragen, dass heutzutage die Solarpanels grossmehrheitlich mit Strom aus Kohlekraftwerken hergestellt werden und dass dabei als Leckage erhebliche Mengen von Gasen mit grossem Erwärmungspotential in die Atmosphäre gelangen.
• Berechnungen des CO2-Ausstosses der Photovoltaik sind unvollständig, solange sie nicht die CO2-Emissionen aus der eingesetzten grauen Energie berücksichtigen.
• Bei gleicher Stromproduktion sind die Emissionen aus dem Betrieb eines  modernen Kohlekraftwerks kleiner als diejenigen einer Photovoltaikanlage bis zur Inbetriebnahme.
• Gemäss den obigen Berechnungen wären Gaskraftwerke  mit Sicherheit weniger klimaschädlich als Photovoltaikanlagen.

Referenzen

1) Arnold, T., C. M. Harth, J. Muhle, A. J. Manning, P. K.Salameh, et al. “Nitrogen trifluoride global emissions estimated from updated atmospheric measurements.”  Proceedings of the National Academy of Sciences 110, no. 6 (February 5, 2013): pp. 2029-2034

2) www.svtc.org   (Webseite der Silicon Valley Toxic Coalition)

3) Technische Gesellschaft Zürich, These 8: Ökobilanz der Photovoltaik verlangt mehr Transparenz, 27. August 2013, auf www.tgz-net.ch

Ferruccio Ferroni, Dipl. Ing. ETH, Zürich

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