Energetische Amortisation: So schnell rechnet sich PV

Was ist die energetische Amortisation?

Die energetische Amortisation ist die Betriebszeit, nach der ein Kraftwerk die Energie zurückgeliefert hat, die in seinem ganzen Lebensweg steckt. Fachleute nennen sie auch Energierücklaufzeit oder auf Englisch Energy Payback Time, kurz EPBT. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) beschreibt sie als die Zeitspanne, die ein Kraftwerk betrieben werden muss, um die investierte Primärenergie zu ersetzen.

Man kann sich das wie eine Schuld vorstellen. Bevor eine Photovoltaikanlage die erste Kilowattstunde liefert, wurde schon Energie verbraucht: für das Schmelzen des Siliziums, für Glas und Aluminium, für Transport und Montage. Diese Energieschuld zahlt die Anlage mit ihrem Strom zurück. Ist sie getilgt, ist jede weitere Kilowattstunde ein Gewinn.

Gerechnet wird in Primärenergie. Das ist die Energie, die in Kohle, Gas oder anderen Energieträgern steckt, bevor ein Kraftwerk daraus Strom macht. Solarstrom ersetzt Strom aus dem Netz, und für jede Kilowattstunde Netzstrom wird ein Mehrfaches an Primärenergie eingesetzt. Deshalb zählt eine Kilowattstunde Solarstrom in dieser Rechnung mehr als eine Kilowattstunde Wärme aus der Fabrik.

Wie lange dauert die energetische Amortisation bei Photovoltaik?

Die energetische Amortisation einer Photovoltaikanlage dauert in Deutschland zwischen 0,9 und 2,1 Jahren. Zu diesem Ergebnis kommt eine Ökobilanz im Auftrag des Umweltbundesamts für einen Standort mit 1.200 Kilowattstunden Sonneneinstrahlung je Quadratmeter und Jahr. Am längsten brauchen monokristalline Module mit rund 2,1 Jahren, am kürzesten Dünnschichtmodule aus Cadmiumtellurid mit rund 0,9 Jahren.

Die Werte des Umweltbundesamts sind vorsichtig gerechnet, sie gelten ausdrücklich auch für Module aus chinesischer Fertigung. Das Fraunhofer ISE kommt mit neueren Produktionsdaten auf kürzere Zeiten: Anlagen mit marktüblichen monokristallinen Modulen brauchen in Deutschland unter 1,3 Jahre. Für Anlagen, deren Bauteile in Europa gefertigt wurden, nennt das Institut in seinem Photovoltaics Report rund 1,1 Jahre in Nordeuropa und 0,9 Jahre in Südeuropa.

Gemessen an der Lebensdauer ist das wenig. Das Fraunhofer ISE rechnet mit 25 bis 30 Jahren Betrieb. Eine Anlage, die nach gut einem Jahr energetisch im Plus ist, liefert also mehr als zwei Jahrzehnte lang Nettoenergie.

Wie wird die Energierücklaufzeit berechnet?

Die Energierücklaufzeit ergibt sich, wenn man den gesamten Energieaufwand einer Anlage durch die Energie teilt, die sie in einem Jahr ersetzt. Der Aufwand heißt in der Fachsprache kumulierter Energieaufwand, im Alltag spricht man von grauer Energie. Er umfasst Rohstoffe, Fertigung, Transport, Montage, Betrieb und das Lebensende der Anlage.

Beide Seiten der Rechnung werden in Primärenergie ausgedrückt. Der Stromertrag der Anlage wird dafür mit dem Strommix verglichen, den er ersetzt. Die Studie des Umweltbundesamts rechnet nach dem Methodenleitfaden der Internationalen Energieagentur für Photovoltaik und bezieht neben den Modulen auch Unterkonstruktion, Leitungen und Wechselrichter ein.

Aus der Formel folgt eine einfache Regel: Mehr Sonne am Standort verkürzt die Zeit, mehr Energieaufwand in der Fabrik verlängert sie. Bei 1.700 statt 1.200 Kilowattstunden Einstrahlung sinkt der Wert für monokristalline Module rechnerisch von 2,1 auf rund 1,5 Jahre (eigene Rechnung, Ertrag im Verhältnis zur Einstrahlung). Das Umweltbundesamt nennt für einen solchen südeuropäischen Standort bei allen untersuchten Techniken Werte deutlich unter zwei Jahren.

Was sagt der Erntefaktor aus?

Der Erntefaktor gibt an, wie oft eine Anlage über ihre ganze Lebensdauer die Energie zurückliefert, die in ihr steckt. Er ist das Gegenstück zur Energierücklaufzeit: Die Rücklaufzeit nennt den Zeitpunkt, an dem die Schuld getilgt ist, der Erntefaktor den Gewinn am Ende. Auf Englisch heißt er Energy Returned on Energy Invested, kurz EROI.

Für Photovoltaik in Deutschland nennt das Fraunhofer ISE Erntefaktoren von 11 bis 18. Grundlage sind die Rücklaufzeiten des Umweltbundesamts, 25 bis 30 Jahre Lebensdauer und ein jährlicher Ertragsverlust von 0,35 Prozent durch Degradation, also die langsame Alterung der Module. Eine Anlage liefert demnach das 11- bis 18-Fache der Energie, die für sie aufgewendet wurde.

Als Faustregel lässt sich der Erntefaktor aus Lebensdauer geteilt durch Rücklaufzeit schätzen. Mit 25 Jahren und 1,3 Jahren ergibt das rund 19 (eigene Rechnung, ohne Alterung der Module und ohne Aufwand im Betrieb). Der Wert liegt knapp über der Spanne des Fraunhofer ISE, weil das Institut dort mit den längeren Rücklaufzeiten des Umweltbundesamts rechnet.

Was verkürzt oder verlängert die energetische Amortisation?

Die energetische Amortisation hängt vor allem von vier Dingen ab: vom Standort, vom Modultyp, vom Ort der Fertigung und vom Strommix, mit dem verglichen wird. Die ersten drei bestimmen, wie viel Energie in der Anlage steckt und wie viel sie liefert. Der vierte ist eine Rechengröße, die oft übersehen wird.

Der Standort wirkt am stärksten. Je mehr Sonne auf die Module fällt, desto schneller ist die Energieschuld getilgt. Entscheidend ist die Globalstrahlung, also die Sonnenenergie, die im Jahr auf einen Quadratmeter trifft. Auch Ausrichtung und Neigung des Dachs spielen hinein, weil sie den Ertrag bestimmen.

Beim Modultyp zählt der Energiebedarf in der Herstellung. Für kristalline Module muss Silizium bei hohen Temperaturen gereinigt und zu Kristallen gezogen werden. Dünnschichtmodule kommen mit viel weniger Material aus und haben deshalb laut Umweltbundesamt die kürzesten Rücklaufzeiten, obwohl ihr Wirkungsgrad niedriger ist.

Der Fertigungsort entscheidet über den Strom, der in der Fabrik verbraucht wird. Nach Angaben des Fraunhofer ISE ist die Rücklaufzeit bei Anlagen aus europäischer Fertigung kürzer als bei Anlagen aus China. Als Grund nennt das Institut den höheren Anteil von Grünstrom in Europa.

Über die Jahre ist die Rücklaufzeit stark gesunken. Das Fraunhofer ISE hat Studien aus 24 Jahren ausgewertet: Mit jeder Verdopplung der weltweit produzierten Menge an Modulen ging die Energierücklaufzeit um 15,7 Prozent zurück. Gründe sind höhere Wirkungsgrade und sparsamere Fertigung.

Wie schneiden Windräder und fossile Kraftwerke ab?

Windenergieanlagen amortisieren sich energetisch noch schneller als Photovoltaik. Laut der Ökobilanz des Umweltbundesamts ist die eingesetzte Primärenergie je nach Standort nach 2,5 bis 4,5 Monaten zurückgewonnen, wenn man den Windstrom mit dem deutschen Strommix vergleicht. Untersucht wurden Anlagen auf See sowie an Land an starken und schwachen Windstandorten.

Wie sehr das Ergebnis vom Vergleich abhängt, zeigt dieselbe Studie. Gegen den dänischen Strommix gerechnet sind es 6 bis 11 Monate, weil dort weniger fossile Energie im Netz steckt und jede Kilowattstunde Windstrom weniger Primärenergie ersetzt. Die Wissenschaftlichen Dienste des Bundestags fassen den Stand so zusammen: Die energetische Amortisationszeit von Windenergieanlagen beträgt in der Regel wenige Monate.

Ein Kohle- oder Gaskraftwerk kann sich in diesem Sinn nie amortisieren. Es braucht für jede Kilowattstunde neuen Brennstoff und verbraucht damit im Betrieb laufend mehr Primärenergie, als es an Strom abgibt. Das zeigt sich auch in der Klimabilanz: Das Umweltbundesamt nennt für Photovoltaik in Deutschland weniger als 100 Gramm CO2-Äquivalente je Kilowattstunde, für Erdgas rund 490 Gramm und für Braunkohle rund 1.140 Gramm. Mehr dazu im Beitrag zur CO2-Bilanz von Photovoltaikanlagen.

Was heißt das für Ihre eigene Anlage?

Für Ihre eigene Anlage heißt das: Sie hat ihre Energieschuld nach ein bis zwei Jahren getilgt, ganz gleich, ob 5 oder 15 Kilowatt auf dem Dach liegen. Die Größe spielt kaum eine Rolle, weil Aufwand und Ertrag gemeinsam wachsen. Der Einwand, Solaranlagen würden mehr Energie verbrauchen als erzeugen, ist damit widerlegt. Das Fraunhofer ISE beantwortet diese Frage mit einem klaren Nein.

Auf dem Datenblatt eines Moduls steht die Energierücklaufzeit nicht. Sie können sie aber über den Ertrag beeinflussen, denn jede zusätzliche Kilowattstunde verkürzt die Zeit und erhöht den Erntefaktor.

Ein häufiger Denkfehler betrifft den Speicher. Ein Batteriespeicher erhöht den Eigenverbrauch, erzeugt aber selbst keine Energie und bringt eigenen Herstellungsaufwand mit. Die hier genannten Werte gelten für Anlagen ohne Speicher. Belastbare Zahlen für Anlagen mit Speicher enthalten die ausgewerteten Studien nicht.

Energetische und finanzielle Amortisation: der Unterschied

Die energetische Amortisation rechnet in Kilowattstunden, die finanzielle in Euro. Die erste beantwortet die Frage, ab wann eine Anlage der Umwelt mehr Energie liefert, als sie gekostet hat. Die zweite beantwortet die Frage, ab wann sich der Kaufpreis durch gesparte Stromkosten und Vergütung bezahlt gemacht hat.

Die finanzielle Amortisation dauert bei einer Dachanlage ein Vielfaches der energetischen, weil sie von Preisen abhängt und nicht von Physik. Wie Sie diese Zeit für Ihr Haus berechnen, zeigen die Beiträge Lohnt sich Photovoltaik? und Rendite einer PV-Anlage. Eine erste Größenordnung liefert der Solarrechner.

Warum unterscheiden sich die Zahlen der Studien?

Die Zahlen zur energetischen Amortisation unterscheiden sich, weil jede Studie andere Annahmen trifft. Das ist kein Zeichen für Unsicherheit im Grundsatz, denn alle hier ausgewerteten Quellen kommen auf Werte weit unter der Lebensdauer. Wer zwei Zahlen vergleicht, sollte aber auf drei Punkte achten.

Erstens die Systemgrenze. Manche Rechnungen betrachten nur das Modul, andere die ganze Anlage mit Gestell, Kabeln und Wechselrichter bis zur Entsorgung. Zweitens das Alter der Daten. Weil die Fertigung laufend sparsamer wird, liefern ältere Produktionsdaten längere Zeiten. Genau das erklärt den Abstand zwischen den 2,1 Jahren des Umweltbundesamts und den unter 1,3 Jahren des Fraunhofer ISE für monokristalline Module.

Drittens der Vergleichsstrommix. Je mehr erneuerbarer Strom im Netz ist, desto weniger Primärenergie ersetzt eine Kilowattstunde Solarstrom, und desto länger wird die rechnerische Rücklaufzeit. Das Umweltbundesamt weist deshalb darauf hin, dass die Energy Payback Time nur einen kleinen Ausschnitt des Lebenswegs beschreibt und keine klassische Bewertungsgröße der Ökobilanz ist.

Häufige Fragen zur energetischen Amortisation

Fazit

Eine Photovoltaikanlage in Deutschland hat die Energie für ihre Herstellung nach rund ein bis zwei Jahren zurückgeliefert. Bei 25 bis 30 Jahren Lebensdauer bleibt ein Erntefaktor von 11 bis 18. Die Sorge, eine Solaranlage sei energetisch ein Verlustgeschäft, ist durch die Daten von Umweltbundesamt und Fraunhofer ISE nicht gedeckt.

Für die Entscheidung im eigenen Haus ist die energetische Amortisation damit geklärt. Offen ist nur die finanzielle Seite, und die hängt von Ihrem Dach, Ihrem Verbrauch und dem Angebot ab. Rechnen Sie diese mit konkreten Zahlen durch, bevor Sie unterschreiben.

Quellen und Methodik

Die Amortisationszeiten stammen aus der Ökobilanz im Auftrag des Umweltbundesamts und aus zwei Veröffentlichungen des Fraunhofer ISE, die Werte zur Windenergie zusätzlich aus einem Sachstand der Wissenschaftlichen Dienste des Bundestags. Die Umrechnung auf 1.700 Kilowattstunden Einstrahlung, der geschätzte Erntefaktor von 19 und die zweite Grafik sind eigene Rechnungen und im Text so gekennzeichnet. Solar.red hat keine Anlagen gemessen.

1. Umweltbundesamt: Aktualisierung und Bewertung der Ökobilanzen von Windenergie- und Photovoltaikanlagen - Amortisationszeiten nach Modultyp und für Windenergie, Annahmen zur Einstrahlung, Treibhausgaswerte
2. Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland - Definition, unter 1,3 Jahre für marktübliche Module, Erntefaktor 11 bis 18, Lebensdauer
3. Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report - Werte für Nord- und Südeuropa, Vergleich Europa und China, Rückgang um 15,7 Prozent je Verdopplung
4. Deutscher Bundestag, Wissenschaftliche Dienste: Lebenszyklusanalyse der Stromerzeugung mit Windenergieanlagen - Einordnung der Amortisationszeit von Windenergieanlagen