Photovoltaikanlagen - Schwermetalle in Solarmodulen

Das Interesse an Photovoltaikanlagen zur eigenen Energieerzeugung ist groß, um den massiv steigenden Gas- oder Ölpreisen zu entgegnen. Auch eine Unabhängigkeit bzgl. der Gas- und Öllieferungen aus Russland ist aufgrund des aktuellen Krieges in der Ukraine ein Motiv für viele Menschen.

Photovoltaikanlagen erzeugen erneuerbare Energie. Wenigen ist jedoch bekannt, dass Solarmodule der Anlagen Schwermetalle enthalten, die stark die Umwelt belasten können. Mit der politisch geforderten „Energiewende“ sollen fossile und klimaschädliche Hauptenergieträger wie Gas, Öl und Kohle durch erneuerbare Energien zunehmend ersetzt werden. Zu den erneuerbaren Energien zählen vor allem Photovoltaik, Windenergie als auch Biogas und Wasserkraft. Durch Photovoltaik, die zur Energieerzeugung die Sonnenstrahlung nutzt, kann ebenfalls die starke Abhängigkeit von fossilen Energien beendet werden. In Bezug auf die erneuerbaren Energien ist die Photovoltaik eine wichtige Technologie, an der Deutschland entscheidend mitgewirkt hat.

Ausbau von Anlagen zur Energiedeckung

Um den deutschen Energiebedarf weitestgehend aus Erneuerbaren Energien (EE) zu decken muss die Photovoltaik-Leistung in Deutschland weiter ausgebaut werden. Um das Zwischenziel für das Jahr 2030 des EEG 2021 (Erneuerbare-Energien-Gesetz) zu decken, soll der Anteil an erneuerbaren Energien bereits 65% des Brutto-Stromverbrauchs decken.

Neue Solaranlagen mit Photovoltaik zählen zu den günstigsten Erneuerbare-Energien-Technologien. 2020 deckte die Photovoltaik etwa 9,2% des Brutto-Stromverbrauchs in Deutschland. Alle erneuerbaren Energien erzielten 45% des Brutto-Stromverbrauchs. Ende 2020 gab es zwei Millionen Photovoltaikanlagen. Nach der Windenergie trägt die Photovoltaik den zweitgrößten Anteil an der gesamten erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland.

Solarstromanlage

Die Photovoltaikanlage (PV-Anlage oder Solargenerator) ist eine Solarstromanlage. In der Photovoltaikanlage wird durch die Solarzellen die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energieumwandlung wird als Photovoltaik bezeichnet.

Für diese Umwandlung wird der photoelektrische Effekt der Solarzellen, die mit den Solarmodulen verbunden sind, genutzt. Die dabei gewonnene Energie kann direkt verwendet werden. Die Elektrizität wird dann in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist. Die erzeugte Gleichspannung wird vor der Einspeisung in Wechselspannungs-Stromnetze umgewandelt. Für Hausdachanlagen liegt die Nennleistung im einstelligen Kilowatt-Bereich, bei Dachanlagen von gewerblichen Anlagen bis in den Megawatt-Bereich. Zudem kann am Tage erzeugter Solarstrom bei einer optimalen Speicherung auch nachts genutzt werden. Die Erzeugung des Solarstroms unterliegt Tages- und Jahresschwankungen sowie Wettereinflüssen.

Photovoltaik wird auch für mobile Anwendungen und ohne Verbindung zu einem Stromnetz als Inselanlagen eingesetzt. Diese wird beispielweise für den Betrieb von Satelliten, Solarfahrzeugen oder Solarflugzeugen verwendet. Weitere Beispiele sind Solaranlagen für Camping, Solarleuchten, elektrische Weidezäune und Parkscheinautomaten.

Anlageformen

Aufdachanlage

Die häufigste Anlageform bei Photovoltaikanlagen ist die Aufdachanlage. Die Installation eines Aufdach-Systems ist in der Regel einfacher und preisgünstiger als die eines Indach-Systems. Bei dieser trägt das Gebäude die Unterkonstruktion die Photovoltaikanlage. Die auf der Unterkonstruktion befestigten Solarmodule sollen so ausgerichtet sein, dass der höchstmögliche oder ein möglichst gleichbleibender Energieertrag das Jahr über gewährleistet wird. Für einen maximalen Stromertrag sollte das Dach nach Süden ausgerichtet sein und einen Neigungswinkel zwischen 30 und 45 Grad besitzen. Bei geneigten Dächern kann auf eine Unterkonstruktion zur Ausrichtung der Solarflächen verzichtet werden, jedoch ist diese Dachneigung häufig nicht ideal für den Energieertrag.

Inndachanlage

Bei dieser Anlagenart ersetzt die Photovoltaikanlage Bereiche der Gebäudehülle. Sie ersetzt somit einen Teil der Fassadenverkleidung oder Dacheindeckung. Diese in Gebäude integrierten Anlagen sind allgemein weniger hinterlüftet, so dass der Wirkungsgrad der Anlage vermindert wird.

Umweltbelastende Stoffe

In den Solarmodulen der meisten Photovoltaikanlagen besteht vielfach eine mögliche Schadstoffbelastung durch wasserlösliche Stoffe, die mit dem Regen ausgewaschen werden. Es finden sich unterschiedliche Schadstoffe in den Photovoltaikanlagen wie Schwermetalle in den Blei- und Cadmiumverbindungen. Diese werden als Halbleiter verwendet.

Diese Schwermetalle können über sog. „leaching“ über längere Zeit aus den Modulen ausgewaschen werden. Besonders dann, wenn das Deckglas gebrochen ist, Randversiegelungen beschädigt oder Module auseinander genommmen wurden. Daher sollten diese schadhaften Photovoltaik-Module nicht einfach über den Restmüll oder Deponien sondern über einen zertifizierten Entsorgungsbetrieb entsorgt werden. Beschädigte Module sollen auch nicht über längere Zeit der Witterung ausgesetzt werden.

Die Europäische Union hat die Verwendung giftiger Schwermetalle 2006 in der RoHS-Richtlinie für die Elektroindustrie untersagt. Diese gilt insbesondere für bleihaltigen Lötzinn der weit in den Photovoltaikanlagen weitverbreitet ist. Bislang die sind jedoch Photovoltaikmodule von dieser Regelung befreit.

Die Photovoltaikanlagen bestehen zu einem Großteil weltweit auf Siliziumtechnik. Darüber gibt es Anlagen aus Dünnschichttechnologien mit Halbleitern aus Cadmiumtellurid oder Galliumarsenid. Auch Solarmodule auf Perowskit-Basis sind mit Schadstoffen belastet. Sie enthalten das umweltbelastende Schwermetall Blei und besitzen eine geringere Haltbarkeit. Die meisten Solar-Modultechnologien haben Lötbänder, die im Lötzinn Blei enthalten. Nur Module aus amorphem Silizium sind von Schadstoffen frei, solange keine bleihalten Lötbänder verbaut wurden. Nach Einschätzung von Forschern könnte man bleihaltiges Lötzinn durch bleifreie Verbindungen ersetzen.

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Photovoltaikanlagen: Antworten auf häufig gestellte Fragen

1. Wie effektiv sind die aktuellen Recyclingmethoden für Solarmodule?

Einige Verfahren können einen Großteil der Schwermetalle zurückgewinnen, während andere weniger effektiv sind.

2. Gibt es gesetzliche Vorschriften für den Umgang mit Schwermetallen?

Es gibt Regelungen für den Umgang schädlichen Stoffen in Solarmodulen. In vielen Ländern müssen die Hersteller von Solarmodulen sicherstellen, dass ihre Produkte sicher entsorgt oder recycelt werden können.

3. Was kann der Einzelne tun, um das Problem der Schadstoffe zu mindern?

Um dies zu mindern, können sich die Verbraucher für Solarmodule entscheiden, die weniger schädliche Schwermetalle enthalten. Auch indem sie sicherstellen, dass ihre alten Module ordnungsgemäß recycelt werden.

4. Welche Rolle spielt die Forschung und Entwicklung bei der Lösung des Problems der schädlichen Stoffe in Anlagen?

Die Forschung und Entwicklung spielen eine entscheidende Rolle bei diesen Herausforderungen. Wissenschaftler arbeiten an neuen Materialien und Technologien, um die Verwendung von Schwermetallen zu reduzieren oder zu eliminieren.

5. Gibt es Alternativen, die keine bedenklichen Metalle enthalten?

Es gibt verschiedene Alternativen hierzu. Einige Hersteller arbeiten an der Entwicklung von Solarmodulen, die ohne den Einsatz von schädlichen Stoffen wie Blei und Cadmium auskommen.

Quellen:

www.bmwk.de/Redaktion/DE/Dossier/erneuerbare-energien.html

www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/studien/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.html

www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/aktuelle-fakten-zur-photovoltaik-in-deutschland.pdf

www.iswa.uni-stuttgart.de/ch/dokumente/Forschung_CH/2017_Projekt_Schadstoffe_Uni_Stuttgart_Abschlussbericht.pdf

www.pv-magazine.de/2020/01/16/schaedliches-blei-in-der-photovoltaik-gibt-es-nachhaltige-alternativen/

www.solaranlage.eu/photovoltaik/photovoltaikanlage

www.welt.de/wirtschaft/article176294243/Studie-Umweltrisiken-durch-Schadstoffe-in-Solarmodulen.html