Studie: Viel Innovation für ressourceneffizienten Photovoltaik-Ausbau im Terawattmaßstab notwendig

Im Kampf gegen den Klimawandel braucht es mehr Photovoltaik weltweit. Diese Forderung ist immer wieder zu hören, zumal die Kosten der Photovoltaik in den vergangenen Jahren drastisch gesunken sind und damit eine günstige Energiewende ermöglichen. Experten gehen davon aus, dass bis 2050 zwischen 20 und 80 Terawatt Photovoltaik-Leistung installiert werden müssen und bis zum Ende des Jahrhunderts sollten es 80 bis 170 Terawatt sein. Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE und des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) haben sich in einer aktuellen Studie nun angeschaut, ob die Ressourcen für ein solches solares Wachstum ausreichen und wenn ja, unter welchen Bedingungen.

Das Ergebnis: Das derzeit hohe Innovationstempo müsse beibehalten werden, um Ressourcenengpässe zu vermeiden. Die Forscher 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, wie aus der im September im Fachmagazin „Energy & Environmental Science veröffentlichten Studie „Technological learning for resource efficient terawatt scale photovoltaics“ hervorgeht.

Ohne einen kontinuierlichen Fortschritt bei der Technologie würden andernfalls die Ressourcenbeschränkungen den Ausbau der Photovoltaik „höchstwahrscheinlich“ behindern. „Glücklicherweise entwickelt sich die Photovoltaiktechnologie ständig weiter, und neue Systeme sind effizienter und verbrauchen bei der Produktion weniger Ressourcen“, erklärt Jan Christoph Goldschmidt, Gruppenleiter Neue Solarzellen-Konzepte am Fraunhofer ISE und Erstautor des Papers. Er verweist auf aktuelle technische Entwicklungen wie Tandemsolarzellen auf Perowskit-Basis, die bei hohen Wirkungsgraden und niedrigen Kosten einen geringen Ressourcenverbrauch versprechen. „Wir müssen diese Entwicklung auch langfristig in der Zukunft beibehalten.“

Die Forscher des PIK verweisen zudem darauf, dass die Photovoltaik auch bereits in den kommenden Jahren stark ausgebaut werden muss, um die globale Erwärmung zu begrenzen. So sei eine Steigerung der installierten Photovoltaik-Leistung auf das 7- bis 14-fache bis 2030 notwendig und ein kontinuierlicher weiterer Ausbau in den Jahren danach, erklärte Robert Pietzcker vom PIK. Der  Aufbau der globalen Photovoltaik-Infrastruktur werde dabei einige Prozent des Emissionsbudgets aufbrauchen, das mit dem 1,5°-Ziel kompatibel wäre, schätzen die Studienautoren unter der Annahme einer fortgesetzten technologischen Entwicklung ab. Danach könnte die Photovoltaik aber mehr als die Hälfte des globalen Elektrizitätsbedarfs decken.

„Weil das verbleibende Budget so knapp ist, ist es wichtig, dass auch die Photovoltaik so schnell wie möglich hoch effizient wird“, ergänzte Lukas Wagner vom Fraunhofer ISE. Langfristig würden nur vier bis elf Prozent des jährlich aus der Photovoltaik erzeugten Stroms für die Produktion von Photovoltaik-Systemen benötigt, heißt es in der Studie. Dieser „Eigenverbrauch“ sei vergleichbar mit dem der derzeitigen fossilen Energietechnologien.  Die prognostizierten jährlichen Investitionen liegen der Studie zufolge ebenfalls in der gleichen Größenordnung wie die Umsätze der derzeit größten Öl- und Gasunternehmen.

Die mit der Steigerung des Zubaus verbundene massive Ausweitung der Photovoltaik-Produktion werde auch die Glasnachfrage erhöhen. Allerdings könne gleichzeitig die weitere Steigerung der Modulwirkungsgrade die pro Wattpeak benötigte Modulfläche reduzieren. Die Forscher schätzen, dass 2100 die jährlich produzierte Modulfläche zwischen 12.000 und 22.000 Quadratkilometern liegen wird. Dies entspreche der derzeitigen weltweiten Produktion von Flachglas. Allerdings sei diese Ressource angesichts der reichlichen Sandvorkommen weltweit wohl nicht kritisch. Zudem sei das Glas auch recyclbar. Allerdings werde Flachglas auch in anderen Branchen benötigt, so dass die Produktionskapazitäten für Solarglas dringend erweitert werden müssten.

Beim Silber stellten die Forscher fest, dass es aufgrund der hohen Preise seit langem den Trend in der Solarindustrie gebe, die eingesetzten Mengen zu reduzieren. Wenn diese Entwicklung fortgesetzt werde, könnte der Gesamtsilberverbrauch bei unter 18.000 Tonnen gehalten werden und damit in etwa auf dem heutigen Niveau. Neben Silber nennen die Forscher noch Indium. Es wird für transparente leitfähige Oxide in Mehrfachzellen verwendet und seine Verfügbarkeit könnte durchaus kritisch werden.

Zusammenfassend könnte man also sagen, es ist nicht alles Gold, was glänzt. „Die Ergebnisse unserer Studie bedeuten, dass einige dringende Aufgaben angegangen werden müssen“, so Erstautor Goldschmidt vom Fraunhofer ISE. „Die Entwicklung emissionsarmer Photovoltaik-Technologien sollte Priorität haben, ein rascher Ausbau der Flachglas-Produktionskapazitäten innerhalb der nächsten zehn Jahre ist notwendig und wir brauchen Recyclinganlagen, die die enormen Materialströme bewältigen können.“ Überdies gelte es neue Technologien wie die Tandemsolarzellen in die Industrie zu übertragen, um die erforderlichen hohen Photovoltaik-Wirkungsgrade zu erreichen. Gleichzeitig sollten die derzeitigen Investitionen nicht nur auf Kapazitätsausweitungen abzielen, sondern auch auf die Beibehaltung des Investitionstempos unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit, erklärten die Autoren.