Hartnäckig hält sich das Gerücht, dass Photovoltaikanlagen während ihrer Lebensdauer nicht einmal die Energie einspielen, die für ihre Herstellung benötigt wird. Dabei erzeugt eine Solaranlage ein Vielfaches der Energie, die für ihre Herstellung aufgewendet wird (Fraunhofer ISE 2020; Koppelaar 2016; Leccisi et al. 2016).
Welche Unsicherheiten bei der Bewertung der energetischen Amortisationszeit existieren und welche Werte realistisch sind, wird hier thematisiert.

Den entscheidenden Marktanteil, mit 95 %, hat die kristalline Silizium-Photovoltaik (Fraunhofer ISE 2020), wobei hier zwischen monokristallinem und multikristallinem Silizium (mono-Si und poly-Si) unterschieden wird. Monokristallines Silizium hat einen Marktanteil von etwa 80 %; multikristallines Silizium etwa 15 % (Fraunhofer ISE 2021). Obwohl monokristalline Photovoltaikmodule durch einen allgemein besseren Wirkungsgrad mehr Strom generieren, sinkt die positive Umweltbilanz durch die energieintensivere Produktion etwas unter die von multikristallinen Modulen (Guofu et al. 2016).

Der kumulierte Energieaufwand gibt an, wie viel Primärenergie für die Herstellung, Nutzung und Beseitigung einer Anlage anfällt. Generell hängt der Wert von dem verwendeten Zellenmaterial, der Effizienz der Module und der Installationsart ab. Einzelne Untersuchungen unterscheiden sich vor allem durch ihr Analyseverfahren und die Systemgrenzen. Außerdem ist das Alter der Erhebung von Bedeutung. Es entstehen mitunter große Varianzen in den Ergebnissen (Palmer und Floyd 2017).

Einige Quellen werden im Folgenden gelistet.

Quelle	mono-Si	poly-Si
Hagedorn 1989	12.200 - 20.500	9.000 - 20.000
Adler 1993	11.400 - 17.900	6.300 - 13.600
Adam, Schieferdecker 1997	11.000	7.500
Alsema, Frankl, Kato 1998	13.055 - 30.277	9.722 - 26.666
Knapp, Jester 2000	5.600 *)
Ito et al. 2010	10.420 - 13.280	7.580 - 8.500
Fukurozaki, Zilles et al. 2012	3.211
Wild-Scholten 2013	7.200 und 8.800	4.390 und 5.250
Yao, Chang et al. 2014 (standard)		18.400
Yao, Chang et al. 2014 (fortschrittlich)		9.700
Leccisi, Raugei et al. 2016	7.500	5.600
Guofu, Honghang et al. 2016	1.900 *)	2.060 *)
Wu, Ma et al. 2017		5.430
Rahman, Alam et al. 2019		5.430

Eine häufig zitierte Quelle, auf die sich auch das Fraunhofer ISE 2020 bezieht, erfasst jeweils zwei Fälle und umfasst sowohl kristalline, als auch Dünnschicht-Photovoltaik (Wild-Scholten 2013).

mono-Si	poly-Si	a-Si/µ-Si	CIS/CIGS
7.200 und 8.800	4.390 und 5.250	4.920 und 4.940	3.130 und 3.190

Eine Studie, die sich der Vergleichbarkeit der Lebenszyklusanalysen von PV widmet (Tannous, Bessous et al. 2019) zeigt, dass durch Anpassung älterer Untersuchungen unter Berücksichtigung aktueller Verfahrensweisen, der kumulierte Energieaufwand bereits signifikant sinkt (damit verbessert sich die Umweltbilanz). Durch gesteigerte Energieeffizienz beim Siliziumschmelzen, verbesserte Effizienz der Zellen und einen immer geringeren Rohstoffeinsatz sinkt der Energieeinsatz pro Kilowattpeak (kWp) PV-Anlage stetig. So hat sich der Materialbedarf an Silizium beispielsweise von über 16 g/Wp im Jahr 2004 auf unter 3 g/Wp im Jahr 2020 reduziert (Fraunhofer ISE 2021).

Die energetische Amortisationszeit (engl. Energy-Payback-Time, EPBT) gibt an, in welcher Zeit die Anlage die Energie eingebracht hat, die für die Herstellung benötigt wurde.

Zwei Punkte sind besonders zu beachten:

• Der Ertrag (jährlich generierter Strom pro kWp) richtet sich nach der Jahressumme der Einstrahlung und ist im Wesentlichen standortspezifisch
• Um den Stromertrag einer PV-Anlage sinnvoll mit dem Energieaufwand der PV-Anlage (meist angegeben als Primärenergie) zu vergleichen, wird der Strom in ein Primärenergieäquivalent umgerechnet. Hierbei bedarf es eines Netzwirkungsgradfaktors (Wie viel Primärenergie muss für den Strom aufgewendet werden?).

Der Erntefaktor gibt an, wie oft eine regenerative Stromerzeugungs-Anlage in ihrer Lebenszeit den kumulierten Energieaufwand wieder abgibt, beziehungsweise an anderer Stelle wieder einspart. Für PV-Anlagen kann die Lebensdauer sicher mit 25 Jahren angegeben werden; hochqualitative Module erhalten aktuell auch Leistungsgarantien vom Hersteller über 30 Jahre.

Die folgende Tabelle enthält verschiedene Werte für die Amortisationszeit und die sich ergebenen Erntefaktoren (berechneter Wert für 25 Jahre Lebensdauer). Die einzelnen Studien setzen unterschiedliche Werte für den kumulierten Energieaufwand, unterschiedliche Standorte (unterschiedliche Globalstrahlung) und unterschiedliche Wirkungsgradfaktoren an. Des Weiteren ist zwischen monokristalliner (mono-Si) und multikristalliner (poly-Si) Silizium-PV zu unterscheiden.

Quelle	Beschreibung	EPBT / Jahre	EF
Fraunhofer ISE 2021	EU-Durchschnitt; Modul aus China, 19,9 % Effizienz	1,28	19,5
	Sizilien	1,07	23,4
	Brüssel	1,28	19,5
UBA 2021	mono-Si; Deutschland; (1200 kWh/m²/yr)	2,1	11,9
	poly-Si; Deutschland; (1200 kWh/m²/yr)	1,6	15,6
Wu, Ma et al. 2017	poly-Si; (2017 kWh/m²/yr)	2,3	10,9
Guofu, Honghang et al. 2016	mono-Si; China (1600 kWh/m²/yr)	1,6-2,3	10,8-15,6
Fukurozaki, Zilles et al. 2012	mono-Si; Brasilien 1506-1935 kWh/m²/yr	2,47-3,13	8-10

 

Die Berechnungen des Fraunhofer Instituts (Fraunhofer ISE 2021) ergaben außerdem eine Reduktion der Amortisationszeit um fast 10 % bei einer Verlagerung des Produktionsstandorts aus China nach Europa, was wiederum auf die hohe Netzeffizienz in Europa zurückzuführen ist.

Oftmals wird eine energetische Amortisationszeit auch für fossile und nukleare Kraftwerke angegeben. Hierbei wird jedoch der eingesetzte Brennstoff nicht berücksichtigt. Da fossile und nukleare Kraftwerke auch beim Betrieb erschöpfliche Energievorräte nutzen, ist die Angabe einer energetischen Amortisation bei diesen Kraftwerken nicht sinnvoll.

Weiterführende Überlegungen zur eigenen Anwendung:

Um den über die Lebenszeit erzeugten PV-Strom in ein Primärenergieäquivalent umzurechnen, bedarf es eines Netzwirkungsgradfaktors. Dieser Wirkungsgradfaktor entspricht dem Anteil der erneuerbaren Energien im Zielland. Die energetische Amortisation beschreibt also, wie viel Strom im Zielland mit der für die Herstellung der PV-Module genutzten Primärenergie hergestellt werden könnte. Mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien im Strommix steigt der Netzwirkungsgrad. Damit steigt mit voranschreitender Energiewende im Zielland die Amortisationszeit der PV-Anlagen.

Der durchschnittliche Primärenergieaufwand pro 1 kWh Strom im deutschen Kraftwerksmix des Jahres 2018 betrug 1,85 kWh. (FragDenStaat.de, 2020). Das entspricht einem Netzwirkungsgrad von 54 %.

Das Umweltbundesamt veröffentlichte zu den PV-Stromeinspeisungen in Deutschland im Jahr 2018 Substitutionsfaktoren, die anzeigen, welche fossile Kraftwerke durch die PV-Einspeisung gedrosselt wurden (UBA 2019, Emissionsbilanz erneuerbarer Energien, Kapitel 4). Über die anteiligen gemittelten Bruttowirkungsgrade (selbe Quelle, Kapitel 4) ergibt sich die genaue Primärenergieersparnis für PV-Strom: 2,03 kWh_PE/kWh_PVStrom (eigene Berechnung).

Zur Berechnung der Amortisationszeit kristalliner Silizium-PV aus dem kumulierten Energieaufwand für den allgemeinen Fall in Deutschland können folgende Zahlenwerte angewendet werden:

• 927 Volllaststunden als gemittelter Wert der Volllaststunden der Jahre 2010-2017 für PV-Anlage in Deutschland (bdew 2018)
• 1 kWh PV-Strom ersetzt 2,03 kWh Primärenergie, wie im Jahr 2018
• Lebensdauer der PV-Anlage von 25 Jahren