ENTWICKLUNGSLINIEN DER PV-TECHNOLOGIEN UND MATERIAL- SUBSTITUTIONSMÖGLICHKEITEN

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1 ENTWICKLUNGSLINIEN DER PV-TECHNOLOGIEN UND MATERIAL- SUBSTITUTIONSMÖGLICHKEITEN Dr. Thomas Schlegl Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Strategische Metalle für die Energiewende Evangelische Akademie Tutzing 25. Februar

2 AGENDA PV-Technologien Marktbedeutung und -entwicklung Bedarf an strategischen Materialen Reduktion und Substitution kritischer Materialen Fazit 2

3 PV Technologien Kristallines Silicium (c-si) Monokristallin Polykristallin Dünnschicht a-si (amorphes Silicium) CdTe (Cadmiumtellurid) CIGS (KupferIndiumGalliumSelenid) Konzentrierende Photovoltaik (CPV) 3

4 AGENDA PV-Technologien Marktbedeutung und -entwicklung Bedarf an strategischen Materialen Reduktion und Substitution kritischer Materialen Fazit 4

5 Global Marktanteile der PV-Technologien Polysilizium-Engpass Anteil pro produzierte MWp CdTe, CIGS, a-si Dünnschicht Ribbon-Si Poly-Si Mono-Si c-si Marktanteil der PV Dünnschicht in 2011: 14 % Jahr 5 Daten: Navigant Consulting Graph: PSE AG 2012

6 Jährliche PV-Installation nach Technologien Weltweit 22.8 GWp end of Thin film Mono-Si Multi-Si Ribbon-Si 2000 Data: Navigant Consulting Graph: PSE AG

7 Entwicklung der kumulierten PV-Leistung bis

8 PV-Anteil am weltweiten Stromverbrauch 1600 GW p (1500 kwh/kw p ) TWh 10% solare PV-Stromerzeugung weltweit bis 2025 sind möglich Daten: world electricity demand: reference scenario, Tab. 1.8, p. 95; PV cumulative installation 2025: EU EPIA 2011; conversion: 1500 kwh/kwp 8

9 AGENDA PV-Technologien Marktbedeutung und -entwicklung Bedarf an strategischen Materialen Reduktion und Substitution kritischer Materialen Fazit 9

10 Wertschöpfungskette c- Si Photovoltaik Si-Rohstoff -> Kristall Si-Scheibe Solarzelle PCU 20 kv control prognosis 400 V PV +load load fuel cell business CHP battery Quelle: Dr. G. Ebert, Fraunhofer ISE, Stromnetz Wechselrichter Module & System

11 Spezifischer Materialbedarf in PV-Modulen Stand Technologie 2012 Technologie Material Spezifischer Materialbedarf in t / GWp c-si a-si CdTe CIGS CPV Si (Silizium) Ag (Silber) ,01 Cu (Kupfer) 630 k. A k. A. Cd (Cadmium) Te (Tellur) In (Indium) ,01 Ga (Gallium) ,03 Se (Selen) Ge (Germanium) ,6 11 Bedarf des Dotiermaterials für Si vernachlässigbar: <100 g Phosphor/GWp; <1 kg Bor/GWp Transparent Conductive Oxide (TCO) Layer bei a-si und CIGS aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), bei CdTe aus Zinnoxid Quellen: ISE intern, IEA 2011, JRC 2011, IZT 2010, Green 2012, PSE 2012

12 Materialbedarf von Balance-of-System-Komponenten I Verkabelung t/gwp Anlagenmix der installierten Leistung: 10% Freiflächenanlagen 90% Dachanlagen Wirkungsgrad c-si 15 %, Dünnschicht 11 % Kupfer Technologie c-si Dünnschicht Freiflächenanlagen Leistungselektronik (WR + Trafo) Dachanlagen Summe BOS Kupferverkabelung kann durch Aluminiumverkabelung ersetzt werden 12

13 Materialbedarf von Balance-of-System-Komponenten II t/gwp Aluminium Ersatzweise Stahl Technologie c-si Dünnschicht c-si Dünnschicht Montagesystem Freiflächenanlagen Dachanlagen Summe Anlagenmix der installierten Leistung: 10% Freiflächenanlagen 90% Dachanlagen Wirkungsgrad c-si 15 %, Dünnschicht 11 % Im Freiflächenbereich kann Aluminium durch Stahl ersetzt werden 13

14 Anteil der PV-Industrie an der weltweiten Förderung PV-System: Module und BOS Förderung 2012 Bedarf 2012 % der 2012 Förderung PV-Anteil am weltweiten Stromverbrauch % 20% 10% 20% Mittlere Installation pro Jahr 30 GW/a 116 GW/a 231 GW/a 116 GW/a 231 GW/a Cu 17 Mio. t t 0,8% 3,0% 6% 1,7% 3,4% Ag t t 7% 26% 51% Substitution durch Cu Te 500 t 320 t 65% 250% 500% 130% 260% In 670 t 70 t 11% 42% 83% 26% 52% Ga 470 t 6 t 1,2% 4,5% 9% 4,5% 9% Annahmen: Ohne Materialeffizienz Globaler Stromverbrauch 2025: TWh Stromoutput PV 2025: kwh/kwh Marktmix 2011: 86% c-si, 3% a-si, 8% CdTe, 3% CIGS Inklusive BOS CPV nicht hinterlegt; kein wesentlicher Einfluss auf In, Ga Mit Materialeffizienz- Maßnahmen Cu: 5 auf 3 g/wp Te: 0,135 auf 0,07 g/wp In: 0,075 auf 0,047 g/wp 15 Quellen: USGS 2013, IEA 2007, ISE intern, Green 2012, IZT 2010

15 Einschätzung zur Materialverfügbarkeit Kupfer: Zukünftige Menge aufgrund PV vergleichsweise unbedeutend Reserven 680 Mio. t, Ressourcen 3 Mrd. t (2012) Förderung in Mio. t Indium hauptsächlich Nebenprodukt der Zinngewinnung, Abschätzung von Reserven und Ressourcen schwierig USGS in 2007: t Reserven und t Ressourcen Förderung in 2012: 670 t Konkurrierender Verbrauch von Indium (ITO) bei Displayherstellung (LCD) Tellur hauptsächlich Nebenprodukt der Kupfergewinnung; theoretisch mögliche Tellurproduktion: t Te/Jahr 16

16 AGENDA PV-Technologien Marktbedeutung und -entwicklung Bedarf an strategischen Materialen Reduktion und Substitution kritischer Materialen Fazit 17

17 Maßnahmen zur Reduzierung des Materialbedarfs Wirkungsgradverbesserung Zellkonzept Produktdesign Optimierung der Produktionsabläufe Verwertung der Produktionsabfälle (Zero Waste) Reduktion Ausschuss Substitution kritischer Materialen End-of-Life Recycling 18

18 c- Si Technologie Entwicklungslinie p Ag Nächste Generation: c-si Technologien Al, Cu n Zelldicke [μm] Kerf Loss [μm] Kantenlänge [cm] Zelle(Modul) [%] 10 (8) 15 (13) 20 (20) Si [g/w p ] MW p /Linie

19 Substitution von Ag durch Cu Kontakte in c-si Zellen Ag und Al Kontaktpasten sind Kostentreiber in der c-si Technologie Die SEMI PV Group International Technology Roadmap für PV (ITRPV) prognostiziert die Substitution von Ag durch Cu bis t/gw p Silberbedarf pro Zelle [g/zelle] c-si Solarzelle 156x156 mm² : 4 W p (Stand 2011) Source: roadmap_itrpv_march_2012_full_web.pdf; downloaded from on Jahr

20 Kostensenkende Konzepte für Solarzellen-Metallisierung Silber wird durch Kupfer ersetzt Galvanische Abscheidung von Ni, Cu und Sn Hohe Zellwirkungsgrade (20.9%) Hervorragende Langzeitstabilität Ni Cu 21

21 Ansätze zum Recycling von kristallinen PV-Modulen Modul Recyclingrate Glas 94% Thermischer Prozess Rahmen 100% Silicium Kupfer 100% Chemischer Prozess Zellen Zellbruch 72% 22

22 Fazit Durch Marktwachstum wird PV stoffstromrelevant Potenziale bei Materialeffizienz noch nicht ausgeschöpft Versorgungsengpässe sind technologieabhängig möglich c-si-pv und CPV erscheinen unkritisch Dünnschicht erscheinen vor allem bzgl. Tellur und Indium kritisch Aufbau von geeigneten Strukturen bei EOL-Recycling notwendig 23

23 Vielen Dank für Unterstützung M. Taumann W. Warmuth V. Jülch Prof. G. Willeke 24

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dr. Thomas Schlegl 25