Photovoltaik & Umwelt: die Energiebilanz von Solarzellen

11. Juli 2022
Photovoltaik nutzen, um Solarstrom zu erzeugen: Das ist nicht nur nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten effektiv. Auch die Umwelt profitiert von dieser Technologie. Die Ökobilanz der Photovoltaik ist aus mehreren Gründen positiv, denn die Anlagen sparen nicht nur fossile Brennstoffe ein und reduzieren so die Kohlendioxidemissionen – über ihre Lebensdauer erzeugen Photovoltaik-Anlagen insgesamt sogar mehr Energie, als zu ihrer Herstellung benötigt worden ist. Erfahren Sie, warum die Energiebilanz von Solarzellen gut ist und wie auch bei der Herstellung von Photovoltaik Nachteile für die Umwelt reduziert werden können.
Gina  Doormann
Dieser Artikel wurde von
Gina Doormann für www.Solaranlagen-Portal.com verfasst.
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SolaranlagenLohnt sich eine Solaranlage?Ökobilanz Photovoltaik

Ökobilanz von Photovoltaik: Ist die Herstellung von Solarzellen umweltschädlich?

Ökobilanz von Photovoltaik: PV-Fraiflächenanlage vor Wald und blauem HimmelWelche Umweltauswirkungen hat Photovoltaik? | Bildquelle: AdobeStock_naka

Oft wird gesagt, dass die Herstellung von Solaranlagen so umweltschädlich sei, dass die Energiebilanz von Solarzellen gar nicht positiv sein könne. Dagegen spricht aber, dass die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage, zumindest in Deutschland, bereits nach einem Jahr erfolgt. Finden Sie im Folgenden eine umfassende Antwort auf die Frage "Ist Photovoltaik nachhaltig?"

Inhalt:

Ökobilanz von Photovoltaik: Ist die Herstellung von Solarzellen umweltschädlich?
Photovoltaik & Umwelt: Solarstrom ersetzt fossile Brennstoffe

Welche regenerativen Energiequellen gibt es?

Warum wird gerade der Solarstrom so gefördert?
Solar-Umweltbilanz: gute Werte
Wirkungsgrad der Solarzelle: Maßgeblich für die Ökobilanz von Photovoltaik
Energiebilanz von Photovoltaik

Klimaschutz mit Solarenergie

Was ist die energetische Amortisation?

Wie teuer ist eine Photovoltaikanlage?

FAQ

Photovoltaik & Umwelt: Solarstrom ersetzt fossile Brennstoffe

1990 wurden laut Umweltbundesamt rund 85 Prozent des deutschen Stroms von Stein- und Braunkohlekraftwerken hergestellt – Erneuerbare Energien spielten keine nennenswerte Rolle. Seither hat sich nicht nur auf der Landkarte einiges getan: In der ehemaligen DDR und auch im Westen wurden immer mehr alte Kraftwerke stillgelegt. Die Folge war zunächst eine Abnahme der insgesamt produzierten Strommenge in Deutschland, der sogenannten Bruttostromerzeugung.

Seitdem stieg die Stromerzeugung, mit einer Ausnahme im Jahr 2009 aufgrund der Wirtschaftskrise, wieder stetig an. Bedeutete das zunächst einen Anstieg der Erzeugung von karbonisiertem Strom und solchem aus Atomenergie, so wurde 2010 mit der Verkündung der Energiewende ein Richtungswechsel eingeläutet: Seitdem werden in Deutschland regenerative Energiequellen wie Wind- und Wasserkraft und Solarstrom intensiv gefördert.

Das Ergebnis: Stand 2021 ist der Anteil fossiler Energieträger und Kernenergie an der deutschen Stromerzeugung laut dem Statistischen Bundesamt auf rund 58 Prozent geschrumpft. Zum Vergleich: 1990 hatte er noch rund 85 Prozent ausgemacht. Der Umstieg auf umweltfreundliche Energiequellen wie Photovoltaik ist also kein kurzlebiger Trend, sondern seit Jahrzehnten erklärtes Ziel von Politik und großen Teilen der Wirtschaft. Der Anteil Erneuerbarer Energien ist seit 1990 bereits auf das 12-Fache gestiegen.

Im Bereich der Stromerzeugung liegt der Anteil der Erneuerbaren laut Umweltbundesamt und Statistischem Bundesamt 2021 bei rund 42 Prozent. Im Jahr 2020 seien es hingegen noch 47,1 Prozent gewesen. Das Umweltbundesamt nennt außerdem Photovoltaik mit einem Anteil von rund 11 Prozent an der deutschen Gesamtenergiebereitstellung aus Erneuerbaren. Eine der wichtigsten Instrumente des Erfolgs ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Zuletzt haben 2022 der Krieg Russlands gegen die Ukraine und einhergehende außenpolitische Spannungen sowie lieferbedingte Knappheit an fossilen Energien die dringende Notwendigkeit des schnellen Ausbaus Erneuerbarer Energien verdeutlicht.

Grafik vom Umweltbundesamt zeigt, dass die Erneuerbaren immer mehr Energie erzeugen. Die Bruttostromerzeugung in Deutschland verlagert sich immer stärker hin zu den Erneuerbaren. | Bildquelle: Umweltbundesamt auf Basis Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

Was unterscheidet regenerative Energiequellen und fossile Energieträger?

Der offensichtlichste Unterschied zuerst: Fossile Energieträger wie Steinkohle, Erdöl oder Erdgas sind endlich. Ihr Vorkommen auf unserem Planeten ist begrenzt und ihre Nutzung damit ebenfalls. Steinkohle oder Braunkohle liegen zudem nicht einfach auf der Straße, sondern müssen aufwendig gefördert werden. Für diese Förderung sind Milliardeninvestitionen in Maschinen, Anlagen und die Infrastruktur nötig. Wälder müssen gefällt, Tiere vertrieben und ganze Ortschaften evakuiert werden.

Ein weiterer Maluspunkt der Fossilen ist ihre fraglos sehr schädliche Auswirkung auf das Klima. Im Klimabericht Climate Change 2022 warnt die Expertengruppe davor, dass sich das Zeitfenster zum Stoppen des Klimawandels schließe. Der Verbrauch fossiler Energieträger schädige dabei das Weltklima in besonderem Maße.

Die Veredelung, der Transport und die Nutzung der fossilen Energiequellen sind eine Katastrophe für die Umwelt – wie Hochwasser oder Waldbrände zunehmend zeigen, auch in Deutschland. Auch Atomkraftwerke sind keine Alternative. Denn in den Kernkraftwerken entsteht radioaktiver Abfall, der über Jahrtausende gefährliche Strahlen freisetzt. Unfälle wie in 2011 in Fukushima zeigen zudem, dass selbst in hochentwickelten Ländern wie Japan Reaktorunfälle und somit Atomkatastrophen möglich sind.

Regenerative Energiequellen aus Luft, Wasser, Erde oder Sonne hingegen sind nach menschlichem Maßstab endlos. Die Emissionen beziehen sich lediglich auf die Herstellungsphase der Technologien – während des Betriebs sind sie fast als marginal zu bezeichnen. Dabei ist Solaranergie eines der besten Beispiele für Nachhaltigkeit.

Darum macht die Energiewende ökologisch und wirtschaftlich Sinn

Über die Ursachen, die Wirkung und die Folgen des Klimawandels wird laufend diskutiert. Fakt ist: Der Klimawandel ist da und er wird unsere Gesellschaft und Wirtschaft in Zukunft verändern. Zunehmende Naturkatastrophen wie Überschwemmungen, Dürren oder Waldbrände verdeutlichen schon jetzt die Dringlichkeit. Um den Klimawandel zumindest zu begrenzen, wurde die Energiewende ausgerufen. Sie soll den Umstieg auf regenerative Energien fördern und dabei notwendigerweise die deutsche Industrie modernisieren. In diesem Rahmen entstehen neue Arbeitsplätze und Branchen, die dank der erneuerbaren Energien eine echte Perspektive für Beschäftigte der Energiebranche bieten.

Das Wachstum der Beschäftigten in der Solarenergie zeigt es beispielhaft: Laut Statista war das bisherige Boom-Jahr 2011 – mit rund 156.700 Solarexperten. Seitdem gab es zwar in 2017 einen Tiefpunkt mit 39.900 Personen. Doch danach ging es wieder aufwärts: Im Jahr 2021 gab die Solarbranche 58.500 Menschen Arbeit. Solar ist also nicht nur umweltfreundlich, sondern bietet überdies wirtschaftliche Perspektiven.

Auch die Windenergie bietet Arbeitsplätze: Laut Bundesverband Windenergie (BWE) waren 2020 rund 100.000 Menschen in der Off- und Onshore-Windenergie beschäftigt.

So wirksam ist Solarenergie

Wussten Sie, dass die Sonne uns in nur einer Stunde so viel Energie liefert, dass man die ganze Erde für ein komplettes Jahr mit Strom beliefern könnte? Und: Nur zwei Prozent der deutschen Gesamtfläche würde ausreichen, um alle 83 Millionen Menschen in Deutschland mit Energie zu versorgen. Zahlen, die eindrucksvoll die Effizienz der Solarenergie beweisen! Übrigens: Angeblich wussten schon die alten Griechen die Kraft der Sonne zu nutzen. So sollen die Häuser einer ganzen Stadt an den Südhängen errichten worden sein. Die Steingebäude speicherten die Wärme der Sonne und kleinere Steine wurden als Wärmequelle im Haus genutzt – lange, bevor die erste Wärmflasche erfunden wurde.

Welche regenerativen Energiequellen gibt es?

Der Photovoltaik-Markt in Deutschland ist über die letzten Jahre rasant gewachsen. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch, und speziell der Photovoltaik, hat stark zugenommen. Vor allem seit Herbst 2021, als die Strompreise stark zu steigen begannen, ist die Nachfrage nach Solartechnik massiv gestiegen. Dies kommt auch der Umweltbilanz Deutschlands zugute: Laut Umweltbundesamt überbot die Ökobilanz von Photovoltaik und anderen regenerativen Energieerzeugern in 2021 zum wiederholten Male die Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern.

Photovoltaik ist eine der wichtigen Erneuerbaren Energien.Photovoltaik zählt wie Wind- oder Wasserkraft zu den Erneuerbaren Energien. | Bildquelle: AdobeStock_Alberto Masnovo

Das bedeutet: Photovoltaik und die anderen erneuerbaren Energien, wie beispielsweise die Wind- und Wasserkraft, ersetzen nach und nach den Strom, der mithilfe von fossilen Energieträgern erzeugt wird und verbessern so die Umweltbilanz. Regenerative Energien sind aber nicht nur erneuerbar, sicher und sauber, sondern vor allem auch vielfältig.

Hier ein Überblick:

  • Geothermie: Im Inneren unseres Planeten sind ständig Zerfallsprozesse im Gang. Gemeinsam mit der Restwärme aus der Entstehungszeit unserer Erde bilden sie die Geothermie – also die Erdwärme. Je nach geografischem Standort können mit ihrer Hilfe zum Beispiel Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. In Deutschland stammen aber nur 0,1 Prozent der Stromerzeugung aus der Geothermie.
  • Photovoltaik: Wesentlich verbreiteter ist die Solarenergie. Mehr als 21 Prozent (50 TWh) des deutschen Stroms werden über Photovoltaikanlagen hergestellt (Stand 2022) – Tendenz steigend. Solarenergie und Solarthermie sind besonders effizient und sind aufgrund ökologischer und finanzieller Vorteile gerade auch bei privaten Betreibern sehr beliebt.
  • Wasserkraft: Ähnlich wie die Geothermie, ist auch die optimale Nutzung der Wasserkraft eine Frage des richtigen Standorts. Stauseen, Wasserkraftwerke an Flüssen oder an der Küste, sind mögliche Quellen. In Deutschland werden, Stand 2022, rund 19 Prozent des gesamten Strombedarfs über Wasserkraft gedeckt. Zum Vergleich: Norwegen erzeugt, Stand 2022, sogar rund 99 Prozent seines Stroms über Wasserkraft.
  • Windkraft: Für einige Menschen sind sie ein Zeichen des Fortschritts. Andere sehen in Windrädern eher eine optische Verschandelung der Landschaft. Immerhin: Mit 89,5 Prozent leistet die Windkraft im Jahr 2022 unter den regenerativen Energiequellen den größten Anteil an der deutschen Stromerzeugung.

Wie funktionieren Solarzellen?

Solarenergieanlagen nutzen die Kraft der Sonne für die Stromerzeugung und sind daher eine besonders saubere und nachhaltige Energiequelle. Die einzelnen Solarzellen bestehen dabei aus verschiedenen Materialien wie Silizium oder Cadmium-Tellurid. Es gibt monokristalline oder polykristalline Solarzellen. In diesen Solarzellen werden Elektronen durch die Sonnenenergie in Bewegung versetzt und so in Strom umgewandelt (Photoeffekt).

Dabei handelt es sich um Gleichstrom, der anschließend in Wechselstrom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist wird. Solarzellen bilden so das Fundament der Photovoltaikanlagen. Da die Leistung einer einzelnen Solarzelle recht schwach ist, werden mehrere Solarzellen miteinander verknüpft und in Reihe geschaltet. So entsteht dann das Solarmodul.

Warum wird gerade der Solarstrom so gefördert?

Bis zum Jahr 2030 soll 65 Prozent des Stromverbrauchs über erneuerbare Energien gedeckt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird vor allem die Solarenergie gefördert. Doch warum wird gerade diese erneuerbare Energiequelle so in den Blick genommen?

Wie die folgende Grafik zeigt, hat Solarstrom großes Wachstumspotenzial. Ist eine PV-Anlage erst einmal in Betrieb, so wird durch sie – anders als während der Herstellung – kein schädliches CO2 mehr emittiert. Das macht Photovoltaik so umweltfreundlich und erklärt den Fokus auf die Förderung der Photovoltaik.

Grafik von Strom-Report zeigt Zunahme der Stromerzeugung 2022 aus Photovoltaik gegenüber 2021.In Deutschland wird immer mehr PV-Strom erzeugt. | Bildquelle: Strom-Report.de

Solarenergie in Deutschland 2021: Zahlen, Daten und Fakten

Anteil an der Stromerzeugung

10 Prozent

Installierte Solaranlagen

2,2 Millionen

Lebensdauer der PV-Anlagen

30 bis 40 Jahre

Beschäftigte in der Photovoltaikbranche

58.500 Personen

Branchenumsatz

5 Milliarden Euro

Produzierter Solarstrom 2021

48 Mrd. kWh

  • Gut zu wissen: Im Jahr 2021 sprach das Umweltbundesamt eine Warnung bezüglich Solar-Anlagen aus. In der Kritik stand, dass PV-Anlagen drohten, unwirtschaftlich zu werden, was den Zubau hätte gefährden können. Moniert hat das Umweltbundesamt im Detail die sinkende EEG-Einspeisevergütung und eine fehlende PV-Pflicht für Neubauten.

Solar-Umweltbilanz: gute Werte

Klimawandel und Umweltschutz gehören zu den wichtigsten Themen unserer Zeit. Wir erklären Ihnen, welchen Beitrag zum Umweltschutz Sie durch Solar-Energie leisten können und wie viel Emission jährlich eingespart werden kann. Erfahren Sie mehr über die Entwicklung der Solartechnologie und was die "energetische Amortisation" bedeutet.

Solarenergie ist besonders umweltfreundlich

Durch den Photoeffekt wird Solarstrahlung aus der Umwelt in Strom umgewandelt, welcher im Haushalt genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Im Gegensatz zu anderen Möglichkeiten der Stromerzeugung, wie zum Beispiel aus Kohle und Gas, entstehen bei der Photovoltaik im Betrieb keine schädlichen CO2-Emissionen, welche die Umwelt belasten. Die Umweltbilanz wird so verbessert.

Der Ausstoß von Treibhausgasen und von anderen Luftschadstoffen in die Umwelt wird durch zunehmende Nutzung von Photovoltaik nachhaltig gemindert. Schädigungen der Umwelt, wie zum Beispiel der Treibhauseffekt, die Versauerung und der Angriff der Ozonschicht, werden durch den Einsatz erneuerbarer Energien wie Solarenergie reduziert. Im Jahr 2020, so das Umweltbundesamt, konnten durch Photovoltaik mehr als 31.675 t des versauernden Luftschadstoffe s Schwefeldioxid (SO2) vermieden werden. Lediglich im Bereich der Ozonvorläufersubstanzen habe es im Jahr 2020 eine Negativbilanz für Photovoltaik gegeben – bedingt durch den Abbau der Rohstoffe und durch die Produktionsprozesse zur Herstellung von Photovoltaikmodulen.

Werden Solarmodule produziert, geliefert und montiert, entstehen also schädliche Emissionen. Warum also sollte die Solarenergie umweltfreundlich sein? Wir zeigen Ihnen im Folgenden auf, was es zum Thema Photovoltaikanlage und Umweltfreundlichkeit zu sagen gibt.

Ist die Herstellung von Solarzellen umweltschädlich?

Einen hohen Einfluss auf die Umweltfreundlichkeit von Solarmodulen haben die Produktionsbedingungen. Erfolgt die Herstellung in einem Land mit einem fossiler geprägten Strommix, beispielsweise China, so entstehen dabei mehr CO2-Emissionen als in Europa. Besonders klimafreundlich sind PV-Module aus Deutschland, da diese selbst mit Solarstrom gefertigt werden. Hinzu kommen kurze Transportwege.

Silizium-Gewinnung und der Herstellungsprozess von PV-Modulen machen rund 90 Prozent der CO2-Emissionen einer PV-Anlage aus. Nach 20 Jahren Betrieb hat eine PV-Anlage etwa das 10-fache der Energie erzeugt, die ihre Produktion benötigt hat. Letztlich lassen sich Umweltrisiken hierzulande stark reduzieren, wenn die PV-Module am Ende ihres Lebenszyklus ins fachgerechte Recycling gegeben werden.

Photovoltaikanlagen und die CO2-Bilanz

Laut dem Fraunhofer ISE setzen PV-Anlagen im Betrieb kein CO2 frei. Dennoch muss auch die Herstellung und Entsorgung der Anlage in die ganzheitliche Betrachtung mit einbezogen werden. Geschieht dies, so entstehen beim Betrieb in Deutschland hergestellter PV-Module etwa 56 g CO2-Äquivalent pro Kilowattstunde. Durch Photovoltaik konnten laut Umweltbundesamt 2021 34,9 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent vermieden werden. Das waren 15,4 Prozent der gesamten Treibhausgas-Einsparung in diesem Jahr. Die beste Energiebilanz haben laut Fraunhofer ISE dabei rahmenlose Glas-Glas-Module.

Bis eine Solaranlage die zu ihrer Herstellung benötigte Energie erzeugt hat, vergeht laut Umweltbundesamt in Deutschland etwa ein Jahr – in Süddeutschland sind es sogar nur acht Monate. Auch unter ungünstigen Bedingungen sind es maximal zwei Jahre, bis die eingebrachte Energie durch die PV amortisiert wurde. Ist dieser Zeitpunkt der energetischen Amortisation überschritten, trägt die PV-Anlage erheblich zur Vermeidung von Treibhausgasen bei. Wer es genau wissen will: Dünnschichtmodule und polykristalline Module amortisieren sich am schnellsten, während monokristalline Module die längste energetische Amortisationszeit aufweisen.

Was ist der Erntefaktor?

Der Erntefaktor (auch Energy Returned on Energy Invested, ERoEI oder EROI genannt) einer Photovoltaik-Anlage gibt das Verhältnis zwischen der im Lebenszyklus der PV-Anlage gewonnener Energie und der für die Produktion eingesetzten an. Genau genommen wird die Häufigkeit beschrieben, in der eine regenerative Stromerzeugungs-Anlage den eingesetzten Energieaufwand wieder abgibt oder auch an anderer Stelle einspart.

Der Erntefaktor wird numerisch ausgewiesen und beschreibt die positive x-fache Energiemenge, die eine Photovoltaikanlage im Laufe ihres Lebens produziert, gemessen an ihrer Produktionsenergie. Über die Höhe des Erntefaktors von Photovoltaik gibt es unterschiedliche Aussagen. Im aktuellen Bericht des Fraunhofer ISE wird bei einer Photovoltaik-Anlage in Deutschland von deren Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren und Erntefaktoren zwischen 11 und 18 ausgegangen.

Was für eine ganzheitliche Betrachtung der CO2-Bilanz von Photovoltaik ebenfalls eine große Rolle spielt, sind sogenannte Substitutionsfaktoren. Diese werden mithilfe einer Simulation des europäischen Strommarktes ermittelt. Laut Umweltbundesamt ersetzt Photovoltaik vor allem:

  • Steinkohle (49 Prozent)
  • Gas (33 Prozent)
  • Braunkohle (18 Prozent)
  • Kernenergie (0,5 Prozent)

Wie spart eine Solaranlage CO2 ein?

Nicht nur mit Photovoltaikanlagen, sondern auch im Bereich der Heizung schont Solarenergie die Umwelt. Beim Betrieb einer Solarthermieanlage entstehen laut WWF keinerlei Emissionen. Einen Vergleich zu anderen Heizungssystemen bieten ebenfalls Zahlen des WWF:

Heiztechnik

CO2-Emissionen (g/kWh)

Gesundheitsschädliche Emissionen (g/kWh)

Heizkosten (EFH/Jahr)

Erdwärmepumpe

148

0,265

1.222 EUR

Luftwärmepumpe

202

0,322

1.496 EUR

Brennstoffzellenheizung

189

-

-

Gasbrennwertheizung

247

0,123

1.276 EUR

Pelletheizung

310

0,4

957 EUR

Scheitholzkessel

307

0,42

704 EUR

Elektrische Heizung

576

0,902

k. A.

Ölheizung

318

0,4

1.065

(Quelle: WWF, 2022)

Eine Stromheizung produziert pro Kilowattstunde 576 Gramm schädliches Kohlendioxid. Dieses Gas wird unter anderem für die Erderwärmung und das Abschmelzen der Polkappen verantwortlich gemacht. Bei Erdgas sind es 247 Gramm und eine Erdöl-Heizung produziert CO2-Emissionen von 318 Gramm pro Kilowattstunde Energie.

Da bei der Nutzung von Solar-Energie keine Brennstoffe verfeuert werden, spart diese Technik viele Emissionen ein und schont die Umwelt. Die Höhe der Einsparung ist dabei abhängig von der Art und Effizienz des Solarthermie-Kollektors und der solaren Anlage. Laut CO2Online.de spart eine thermische Solaranlage zur Aufbereitung von Warmwasser mit 6 qm Flachkollektoren und einem 300-Liter-Speicher pro Jahr etwa 500 kg CO2 ein.

Umweltschutz durch Solar-Energie

Solar gehört zu den regenerativen, sauberen Energien. Es werden immer mehr Solarthermie-Anlagen und Photovoltaik-Anlagen installiert. Ende 2021 waren in Deutschland laut BSW Solar rund 2,2 Millionen PV-Anlagen installiert. Weiterhin wurden rund 81.000 neue Solarthermie-Anlagen installiert – sodass der Bestand installierter Solarwärme-Anlagen Ende 2021 bei 2,5 Millionen lag.

Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Gas oder Kohle ist die Solarenergie unbegrenzt verfügbar, die Ressource Sonneneinstrahlung unerschöpflich – und gut für die Umwelt! Die Photovoltaik hat beispielsweise im Jahr 2021 bereits 21 Prozent zur Bruttostromerzeugung beigetragen. Das ist eine Terrawattstunde mehr als 2020.

Wie die folgende Grafik zeigt, werden durch den Einsatz von Photovoltaik zur Stromerzeugung erhebliche Mengen an Treibhausgas-Emissionen vermieden:

Grafik: Durch Photovoltaik lassen sich viele Treibhausgas-Emissionen vermeiden.Photovoltaik leistet einen erheblichen Beitrag zum Umweltschutz. | Bildquelle: Umweltbundesamt unter Verwendung der Daten der AGEE Stat

Wirkungsgrad der Solarzelle: Maßgeblich für die Ökobilanz von Photovoltaik

Was ist der Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad drückt aus, wie viel Prozent der Sonnenenergie über den Photoeffekt in elektrischen Strom umgewandelt wird. Der Modulwirkungsrad bezeichnet einen Nennwirkungsgrad. Er wird unter genormten Bedingungen (STC = standard test conditions) festgestellt. Diese Standardbedingungen sehen eine Modultemperatur von 25 Grad und eine senkrechte Lichteinstrahlung von 1.000 W/m2 vor.

Welchen Wirkungsgrad eine komplette PV-Anlage erreicht, ist wiederum vom Wirkungsgrad der einzelnen Solarzellen abhängig. Der Wirkungsgrad ist letztlich auch entscheidend für die Energiebilanz der Photovoltaik-Anlage.

Hier ein Überblick über die wichtigsten Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen:

  1. Die Art der PV-Anlage: PV-Anlage ist nicht gleich PV-Anlage. So entscheiden die Herstellungstechniken und natürlich auch die verwendeten Materialien, welcher Wirkungsgrad in der Praxis erreicht wird. Monokristalline Module etwa erreichen einen Wirkungsgrad von rund 22 Prozent oder mehr. Ihr Marktanteil liegt, Stand 2020, bei etwa 80 %. Die Herstellung ist recht aufwendig und damit sind diese Module auch eine eher kostspielige Variante. Zudem ist die Photovoltaik-Umweltbilanz monokristalliner Module schlechter, da die Herstellung zeit- und energieaufwendiger ist als die polykristalliner Module.

Für polykristalline Module hingegen wird Silizium eingeschmolzen und anschließend in schmale Streifen geschnitten. Dabei lassen sich Verunreinigungen nicht vermeiden, sodass der Wirkungsgrad mit rund 18 Prozent im Vergleich zur monokristallinen Ausführung etwas geringer ist. Allerdings sind die polykristallinen Module günstiger und ermöglichen so ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis. Weiterhin ist die Energiebilanz dieser Photovoltaik-Module besser. Der Marktanteil liegt, Stand 2020, bei etwa 15 %.

Eine weitere Möglichkeit, um eine Photovoltaik-Anlage zu bestücken, sind Dünnschichtmodule. Ihre Leistung liegt zwar nur bei einem Wirkungsgrad von etwa 10 bis 13 Prozent – aber sie kosten daher deutlich weniger in der Anschaffung. Des Weiteren ermöglicht das geringere Gewicht von Dünnschichtmodulen auch dann einen Einsatz, wenn die Tragfähigkeit des Daches weniger hoch ist. Außerdem arbeiten Dünnschichtmodule auch dann effizient, wenn der Lichteintrag nicht optimal ist.

  1. Temperatur und Sonneneinstrahlung: Überraschung – hohe Temperaturen durch intensive Sonneneinstrahlung bedeuten nicht automatisch einen hohen Wirkungsgrad. Im Gegenteil: Bei extremer Sommerhitze sinkt der Wirkungsgrad sogar um 0,4 Prozent pro Grad Celsius. Der Temperaturkoeffizient bei den Modulen hat allerdings deutlich geringere Auswirkungen, als wenn sich der Wechselrichter wegen großer Hitze abregelt. Unser Tipp: Lassen Sie Ihren Wechselrichter an einem kühlen Ort installieren. Der Keller ist dafür ein gutes Beispiel. Was ebenfalls überrascht: Selbst im Winter ist der Ertrag einer PV-Anlage höher als gedacht.
  1. Das Alter der Solarmodule: Ihre PV-Anlage hat eine begrenzte Lebensdauer. Mit den Jahren sinkt so der Wirkungsgrad der Solarzellen – und zwar um rund 10 Prozent in rund 30 Jahren. Dieser Vorgang wird als Degradation bezeichnet. Wie stark das Alter der Solarmodule den Wirkungsgrad tatsächlich beeinflusst, ist aber wiederum von dem Modelltyp und der Wartung der Module abhängig. Auch ältere PV-Anlagen bringen noch eine Leistung von rund 80 bis 90 Prozent.

Welchen Wirkungsgrad werden Solarzellen in Zukunft erreichen?

Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten. Fest steht aber: Wissenschaft und Forschung machen auch hier erhebliche Fortschritte. Während vor kurzer Zeit ein Wirkungsgrad von 20 Prozent als Maximum angesehen wurde, existieren nun effiziente Vierfachsolarzellen mit Antireflexbeschichtung, die im Labor einen Wirkungsgrad von bis zu 47,6 Prozent erzielen. Das Fraunhofer ISE stellte die Errungenschaft Ende Mai 2022 vor. Eine so hochwirksame Photovoltaik bietet nach Marktreife viele Vorteile für die Umwelt – zum Beispiel durch eine schnellere energetische Amortisation.

Nahaufnahme einer 47,6 Prozent SolarzelleMithilfe einer neuen Antireflexbeschichtung ist es dem Fraunhofer ISE gelungen, die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent zu erhöhen. | Bildquelle: © Fraunhofer ISE

Der Wirkungsgrad steigt seit vielen Jahren kontinuierlich an

Laut dem ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE) steigt der Wirkungsgrad von Solarzellen, die bereits in der Massenfertigung hergestellt werden, seit Jahren um etwa 0,6 Prozent pro Jahr. Eine noch höhere Effizienz wird künftig durch Silizium-Tandem-Solarzellen auf Basis einer Perowskit-Kristallstruktur erwartet. Laut dem FVEE ist die Entwicklung ressourcenschonender Prozess-Sequenzen hochrelevant, um den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien maßgeblich zu fördern. So ließen sich auch langfristige ökologische Folgen positiv beeinflussen.

Laut dem Fraunhofer ISE ist der Energieeinsatz für das Herstellen von Photovoltaikzellen bereits über die Zeit stark gesunken. Dadurch hat sich die Photovoltaik-Umweltbelastung nochmals reduziert. Laut dem Forschungsinstitut hat sich der Materialbedarf an Silizium von mehr als 16 g/Wp im Jahr 2004 auf weniger als 3 g/Wp im Jahr 2020 reduziert.

Energiebilanz von Photovoltaik

2,2 Millionen installierte Anlagen und eine Stromerzeugung von 50 Terawattstunden (TWh): Die Photovoltaik bildet längst einen der wichtigsten Bestandteile der deutschen Energiewende. Im ersten Halbjahr 2022 hat Photovoltaik einen Anteil von 12 Prozent an der Stromerzeugung in Deutschland geleistet. Das Potenzial der Photovoltaikanlagen ist damit aber noch lange nicht ausgeschöpft. Aber wie effizient sind Photovoltaikanlagen wirklich? Wie gut ist ihre Energiebilanz und welchen Wirkungsgrad haben moderne Solarmodule? Fragen, die sich private Bauherren und Unternehmen jeder Größe und Branche gleichermaßen stellen. Wir haben die Antworten.

Lange Zeit galt als eines der wichtigsten Gegenargumente gegen Photovoltaik, dass die Herstellung der entsprechenden Solaranlagen energetisch zu aufwendig sei, um im Verlauf der Betriebszeit einen positiven Energiebetrag zu erwirtschaften. Doch längst lassen sich diese Bedenken gegen Photovoltaik nicht mehr halten. Inzwischen können zahlreiche Studien belegen, dass die Energiebilanz solcher Anlagen ausnahmslos günstig ist. Dabei weist der Trend für die Zukunft schon heute zu einer immer rentableren Nutzung von Photovoltaik.

Eine Energiebilanz veranschaulicht das Verhältnis zwischen der aufzubringenden Energie bei der Herstellung, der Montage, dem Betrieb sowie der fachgerechten Entsorgung aller zur Nutzung von Photovoltaik benötigten Komponenten – und der Energie, die insgesamt mit einem Solarmodul erzeugt werden kann. Der Zeitraum, bis der Betrieb die für die Herstellung einer Solaranlage aufgebrachten Leistungen ausgleicht, wird Amortisationszeit genannt. Nach dieser Phase sind die energetischen Kosten beglichen und es wird zusätzliche Energie produziert. Diese kann selbst verbraucht oder ins Stromnetz eingespeist werden. Wichtig ist, dass die Herstellung der Solarzellen die Energiebilanz nicht aus dem Gleichgewicht bringt.

  • Tipp: Die fachgerechte Montage trägt zur Umweltbilanz einer Solaranlage bei. So sollte zum Beispiel zwischen den Modulen und der darunterliegenden Oberfläche ein Zirkulationsraum freigelassen werden, um eine natürliche Luftkühlung zu erzielen und die Energiebilanz der Photovoltaik-Anlage zu optimieren.

Stetige Verbesserung der Zellwirkungsgrade

Grafik vom BSW Solar zeigt eine stetige Verbesserung des Zellwirkungsgrades.Im Vergleich kostet dieselbe Solarstromleistung immer weniger. | Bildquelle: BSW Solar

Die Effektivität, mit der ein Solarmodul die eintreffende Strahlungsenergie nutzen kann, wird als Wirkungsgrad bezeichnet. Dabei wird der Prozentsatz der in Strom umgewandelten Sonnenenergie betrachtet. Die Steigerung des Wirkungsgrads ist ein wichtiger Faktor, um die Energiebilanz von Photovoltaik weiter zu optimieren.

Schon heute können Werte von 20 bis 30 Prozent erreicht werden, wobei der jeweilige Wert von der Art der verwendeten Solarzellen abhängt. Das Fraunhofer ISE hat 2022 sogar eine Solarzelle mit fast 50 Prozent Wirkungsgrad hergestellt – dieses Modellprojekt zeigt, wo die Reise der Photovoltaik noch hingehen könnte.

So haben sich Zellen aus poly- oder monokristallinem Silizium bisher für die effektive Nutzung von Photovoltaik in Deutschland am besten bewährt. Erfolgreich wird weiterhin daran geforscht, die Energiebilanz von Photovoltaik weiter zu verbessern. Durch beispielsweise die Verminderung von Reflexionen des Sonnenlichts auf der Moduloberfläche konnte schon jetzt der Anteil an absorbiertem Licht und damit der Wirkungsgrad und infolgedessen die Energiebilanz zusätzlich gesteigert werden.

Energiebilanz von Photovoltaik im Fokus: Zahlen bitte!

Der Zeitpunkt, ab dem mehr Energie erzeugt wird, als für die Produktion einst verbraucht wurde, wird übrigens energetische Amortisation von Photovoltaik genannt. Wann dieser Zeitpunkt genau erreicht ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie:

Natürlich sind auch die Installation und die Fachkompetenz des jeweils beauftragten Betriebes Faktoren, die berücksichtigt werden sollten. Sie sehen: Die Frage, wie die Energiebilanz von Solarzellen sich darstellt, kann nur sehr individuell beantwortet werden.

Positive Energiebilanz der Photovoltaik ist wissenschaftlich belegt

Moderne Photovoltaikanlagen haben sich in der Regel in Deutschland innerhalb von rund ein bis zwei Jahren energetisch amortisiert. Da die Herstellung der Photovoltaikanlagen stetig effizienter wird, verbessert sich dieser Wert immer weiter. Auch die Lebensdauer der Photovoltaikanlagen steigt. Bis zu 30 Jahre und länger erbringen die Module ihre Leistung. Als Eigenheimbesitzer können Sie sich so über eine dauerhaft unabhängigere bis autarke Energieversorgung freuen. Selbst nach 20 oder sogar 30 Jahren ist der Leistungsverlust minimal. Die Degradation, also der Wirkungsverlust, liegt in den ersten zehn Jahren bei etwa 1-3 % und stabilisiert sich danach. Meist erbringen alte Photovoltaikanlagen daher noch mindestens 80 bis 90 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung.

  • Gut zu wissen: Solaranlagen sind recycelbar

Ein Aspekt, der oft nur wenig Beachtung findet: Solarmodule – vor allem die poly- und monokristallinen Systeme – lassen sich sehr einfach recyceln. Bis zu 90 Prozent eines Photovoltaikmoduls lässt sich so wiederverwerten. Das verbessert die Ökobilanz von Photovoltaik maßgeblich.

Solarenergie ist eine saubere Sache

Photovoltaik ist die Zukunft. Die Sonne versorgt uns selbst im verregneten Deutschland zuverlässig mit genügend Energie und wird dies auch für mindestens fünf weitere Milliarden Jahre tun. Mittlerweile gibt es verschiedene Optionen, um Solarenergie für sich nutzen zu können.

So gibt es Alternativen zum Kauf, wie etwa Photovoltaik-Leasing oder das Mieten von Photovoltaik-Anlagen. Für Mieter sind Balkonanlagen in verschiedenen Größen auf dem Markt und auch Mieterstrommodelle werden staatlich subventioniert. So hat es jeder von uns in der Hand, ob er mit einer Solaranlage seinen ganz eigenen Beitrag zum Schutz der Umwelt und des Klimas leistet.

Ein Solarkataster hilft bei der Ermittlung, ob sich das eigene Dach für eine Photovoltaik-Anlage eignet. Eine Solaranlage ist aber nicht nur vorteilhaft für die Umwelt: Die Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik sorgt neben einer positiven Umweltbilanz für eine sichere und rentable Investition.

Rechnet sich eine Photovoltaikanlage wirtschaftlich für Sie? Jetzt berechnen!

Klimaschutz mit Solarenergie

Im Laufe der Jahre produziert jedes Solarmodul übrigens rund das 10 bis 15-fache der Energie, die für die Produktion aufgewendet wurde. Mit dieser Effizienz können andere Energiequellen nicht mithalten. Laut Statista wurden 2021 durch den Einsatz von PV-Anlagen rund 33,6 Millionen Tonnen CO2 eingespart! Zum Vergleich: Im Jahr 2001 waren es gerade einmal 52.000 Tonnen.

Heruntergebrochen auf ein Einfamilienhaus mit Photovoltaik-Anlage bedeutet der Wert aus 2021 eine CO2-Einsparung von etwa 45 Prozent – mit Batteriespeicher sogar bis zu 85 Prozent. So lässt sich die persönliche CO2-Bilanz mit Photovoltaik sehr einfach senken.

Was ist die energetische Amortisation?

Die energetische Amortisation bezeichnet den Zeitraum, in dem die Photovoltaik-Anlage ebenso viel Energie produziert hat, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde. Durch fortgesetzte Forschungen und immer effektivere Produktionsmethoden konnten bislang sehr gute Werte erreicht und die Umweltbilanz verbessert werden. Die energetische Amortisationszeit von Photovoltaik liegt demnach aktuell zwischen 1 bis 2 Jahren, abhängig von den verwendeten Solarmodulen. Energetische Amortisation ist für den Ertrag von Photovoltaik ebenso relevant wie für den Ertrag einer thermischen Solaranlage.

Um die energetische Amortisation von Solaranlagen zu berechnen, wird der kumulierte Energieaufwand (KEA) zur Herstellung aller Komponenten der Anlage berechnet – von der Gewinnung der Rohstoffe über die Produktion bis zum Transport. Diese Werte in Gesamtheit nennt man "Graue Energie". Dazu kommen der Wartungs- und Betriebsaufwand und der Aufwand für die Entsorgung der Solaranlage.

Wie teuer ist eine Photovoltaikanlage?

Die positive Energiebilanz der PV-Anlagen hat Sie überzeugt? Sie möchten nun ebenfalls Ihr Zuhause oder das Unternehmen mit Solarenergie versorgen? Dann interessiert Sie sicher auch der Preis einer PV-Anlage.

  • Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Anlage, desto höher die Kosten pro Kilowattpeak. Eine kleinere Photovoltaikanlage (3 bis 4 kWp) kostet etwa 4.800 bis 6.800 Euro. Eine größere (8 bis 10 kWp) hingegen etwa 10.400 bis 13.000 Euro. Hinzu kommen Kosten für Installation.

Mit der Investition in eine Solaranlage können Sie langfristig Stromkosten einsparen und vor allem das Klima schonen – denn Sie nutzen umweltfreundlichen Solarstrom. Eine Solaranlage lohnt sich in vielfacher Hinsicht.

In unserem Ratgeberartikel Kosten einer Photovoltaikanlage erfahren Sie alle wichtigen Hintergründe zum Kauf einer Solaranlage. Erfahren Sie im Ratgeberartikel zu Ertrag und Rendite von Photovoltaik, mit welchen Einnahmen Sie durch Ihre PV-Anlage rechnen können.

Sie kennen nun die wichtigsten Fakten zur Energiebilanz und dem Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen. Falls Sie nun ebenfalls auf die Kraft der Sonnenenergie setzen möchten, sollten Sie auf einen erfahrenen und qualifizierten Fachbetrieb vertrauen. Sie möchten vorab die Rentabilität Ihrer PV-Anlage recherchieren? Mit dem intuitiven Photovoltaik-Rechner ist das ganz einfach.

FAQ

Ist Photovoltaik ökologisch sinnvoll?

Ja. Denn jede Kilowattstunde Strom, die durch die Kraft der Sonne und nicht durch fossile Energieträger erzeugt wird, schont das Klima.

Ist Photovoltaik umweltschädlich?

Nur während der Herstellung ist Photovoltaik schlecht für die Umwelt. Während der Nutzungsphase hingegen treten keine Emissionen auf, sodass Photovoltaik eine insgesamt gute Umweltbilanz aufweist.

Wie umweltfreundlich ist Solarenergie?

Die Produktion von Solarmodulen ist vor allem dann umweltfreundlich, wenn die zur Herstellung benötigte Energie selbst aus nachhaltigen Quellen stammt. Zudem ist Photovoltaik im Betrieb als umweltfreundlich zu bezeichnen, weil sie sich in Deutschland bereits nach etwa einem Jahr energetisch amortisiert hat und fortan nur noch emissionsfrei Strom produziert.

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