Erneuerbare Energietechnologien benötigen eine ganze Reihe von mineralischen und metallischen Rohstoffen, die zum großen Teil importiert werden müssen (Quelle: Adobe Stock)
Die deutsche Energiewende ist in den letzten Jahren etwas ins Stocken geraten. Insbesondere beim Ausbau der Windenergie und beim Netzausbau ging es nur langsam voran, während sich der Ausbau der Photovoltaik zuletzt wieder etwas beschleunigte. Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) Dr. Robert Habeck machte bei der Eröffnungsbilanz Klimaschutz am 11.01.2022 deutlich, dass die deutschen Klimaziele für 2022 und 2023 verfehlt werden dürften und dass die bisherigen Maßnahmen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen in allen Sektoren unzureichend seien. Auch für den Energiesektor wurden neue Ziele bekanntgegeben: Der Strom soll bis 2030 zu 80 % aus erneuerbaren Quellen stammen und Deutschland bis 2045 klimaneutral sein [1].
Die Energiewende braucht Rohstoffe in hohem Maße
Durch die Energiewende sollen künftig immer weniger fossile Energieträger verbraucht werden, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die Produktion und Installation vieler erneuerbarer Energietechnologien benötigt allerdings eine ganze Reihe von mineralischen und metallischen Rohstoffen. Die Energiewende ist damit eng mit hohen Rohstoffbedarfen verknüpft. Deshalb können auch Probleme bei der Rohstoffversorgung den Transformationsprozess ausbremsen.
Die Versorgungssicherheit der für die deutsche Energiewende benötigten Rohstoffe sowie deren Gesamtbedarfe bis 2030 sollen in diesem Artikel adressiert werden – mit Fokus auf Windenergie und Photovoltaik. Zu beachten ist allerdings: Photovoltaikmodule werden aktuell zu einem Großteil importiert, sodass die Metallbedarfe vor allem im asiatischen Raum anfallen. Seit Mitte 2021 gibt es allerdings auch in Deutschland wieder eine Solarzellenproduktion mit ambitionierten Ausbauplänen. Größere Metallbedarfe für Windenergieanlagen fallen in Deutschland an, da einige der international bedeutendsten Akteure der Branche hier angesiedelt sind und hier produzieren.
In Windkraftanlagen verwendete Materialien
Für den Bau von Windkraftanlagen (WKA) werden Beton und Stahl mengenmäßig am meisten benötigt. Sie sind zwei wesentliche Materialien für die Fundamente der Anlagen. Bei WKA an Land besteht das Fundament aus großen Beton- und Stahlplattformen. Bei WKA auf See wird ein dicker Stahlzylinder direkt auf dem Meeresboden als Fundament verankert [2]. Für die Herstellung von Stahl wird neben Eisen eine Vielzahl von Stahlveredlern wie Nickel, Molybdän, Mangan und Chrom benötigt. Gusseisen wird in WKA zur Befestigung von verschiedenen Teilen z. B. Gondel, Getriebe und Generator verwendet. Aluminium wird aufgrund seines geringen Gewichtes für die Herstellung von leichten Komponenten wie dem Turbinenturm und der Gondel sowie aufgrund seiner guten Leitfähigkeit neben Kupfer in Stromkabeln verwendet. Kupfer wird vor allem in den Stator- und Rotorwicklungen des Generators, den Starkstromkabeln, den
Transformatoren und der Erdungsanlage eingesetzt.
Verbundwerkstoffe sind leicht und widerstandsfähig und werden vor allem bei der Konstruktion der Rotorblätter sowie der Gondel- und Nabenabdeckungen verwendet. In den Rotorblättern werden hauptsächlich glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verbaut, bei denen die Fasern in eine Kunststoff-Matrix – meist aus Epoxidharz – eingebettet sind. Polymere werden hauptsächlich in der Turbine der WKA verwendet. Außerdem kommen sie zusammen mit Aluminium, Kupfer und Stahl bei der Herstellung von Kabeln für die Anlagen zum Einsatz [2].
Die meisten WKA auf See, aber auch bestimmte WKA-Typen an Land sind mit permanentmagnetisch erregten Generatoren ausgestattet. Dabei werden NdFeB-Magnete eingesetzt, die neben Eisen und Bor auch in variierenden Verhältnissen die Seltenerdelemente Neodym, Dysprosium, Praseodym und Terbium enthalten. Steuereinheiten bei WKA bestehen aus elektronischen Signal- und Leistungskomponenten wie Widerständen, Kondensatoren und integrierten Schaltkreisen. Zu den wichtigen Rohstoffen in diesen Komponenten gehören Aluminium, Zinn, Zink, Tantal und Edelmetalle. Zink wird außerdem als Korrosionsschutzbeschichtung für WKA verwendet, die klimatischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind [2].
In Photovoltaikanlagen verwendete Materialien
Bei Photovoltaikanlagen (PVA) werden zwei Technologien – Dickschicht- und Dünnschichtzellen – unterschieden. Mit rund 95 % dominieren derzeit die Dickschichtzellen der kristallinen Siliziumwafer-Technologie (c-Si) den globalen PV-Markt [3]. Bei dieser Technologie werden Silizium-Scheiben (Wafer) zur Absorption des Sonnenlichtes verwendet. In der Regel wird auf die Wafer Silberpaste aufgebracht, die den erzeugten Strom transportiert. Bei Dünnschichtzellen bestehen die photovoltaisch aktiven Materialien z. B. aus amorphem Silizium (a-Si), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) oder Kadmium-Tellurid (CdTe).
Die in den PVA verwendeten Materialien können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: Materialien, die für die PV-Module und -Systeme verwendet werden und diejenigen, die zur Herstellung der Solarzellen benötigt werden. Beton, Stahl, Kunststoffe, Glas, Aluminium und Kupfer zählen zu der ersten Gruppe und werden u. a. in systemtragenden Strukturen, Modulrahmen, Gestellen, als Trägermaterialien und in Kabeln eingesetzt. Silizium, Silber, Germanium, Kadmium, Tellur, Kupfer, Indium, Gallium und Selen zählen zu der zweiten Gruppe und sind Spezialmetalle zur Herstellung der Solarzelle.