Markteinblicke für Solar-Photovoltaik (PV): Globale Produktionstrends, Handelsanalyse und führende Unternehmen 2025–2037

Vergleichende Analyse der Produktionskapazität von PV-Komponenten:

Eine Top-Down-Analyse der Polysiliziumproduktion

Hochreines Polysilizium wird typischerweise durch Raffinieren von Silizium in metallurgischer Qualität gewonnen, das zur Herstellung von Solarwafern, Silikonen, Halbleitern und Aluminiumlegierungen verwendet wird. Um Versorgungs- und Reinheitsniveaus sicherzustellen, integrieren MGS-Lieferanten häufig einen erheblichen Teil der Quarzminen rückwärts und besitzen diese. Darüber hinaus ist die MSG-Verarbeitung in der Regel energieintensiv, sodass die Produktion unbedingt an Standorten mit reichlich vorhandenen und erschwinglichen Stromquellen wie Malaysia, Norwegen, den USA und der Region Xinjiang in China erfolgen muss. Derzeit dominiert China diesen Markt mit über 70 % der weltweiten MGS-Produktionskapazität, und zehn chinesische Unternehmen stellen 35 % der inländischen Kapazität, während die fünf größten Unternehmen etwa 25 % halten.

Hauptproduktionsstandorte und -standorte von MGS Produktionskapazität (Tausend Tonnen)

Quelle: U.S. DOE

Nordamerikanische MGS-Produktion durch Top-Konkurrenten (2022)

Der Hauptanwendungsfall von Polysilizium ist die Photovoltaik (die 80 % des Bedarfs ausmacht), der andere sind Halbleiter und Unterhaltungselektronik. Obwohl es mehrere Polysilizium-Produktionstechniken gibt, werden zwei allgemeinen Ansätzen die größten Marktanteile zugeschrieben. Das Wirbelschichtreaktorverfahren (FBR) hat einen Marktanteil von 3–5 % und das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren von Siemens hält einen Anteil von 90 %. Beim Siemens-Prozess wird ein Silanvorläufer oder gasförmiges Trichlorsilan (TCS) über die erhitzten Siliziumfilamente geleitet. Die zurückgewonnenen Verbindungen werden zur Synthese von Polysilicium weiterverarbeitet. Nahezu die gesamte Produktionskapazität für Polysilizium liegt in zehn Ländern, wobei China 72 % der weltweiten Kapazität beansprucht. 

Das Vorhandensein wichtiger Lieferanten in China ist entscheidend für die Bestimmung der Komponentenkosten, einschließlich Polysilizium. Laut EIA verdreifachten sich die Preise für Polysilizium von 6,27 USD/kg im Juni 2020 auf 28,46 USD/kg im Juni 2021. Dies ist auf ein Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage aufgrund der Kapazitätsausweitung bei der Herstellung von Wafern und Zellen zurückzuführen. Da sich Polysilizium als kritischer Engpass herauskristallisiert, haben nachgelagerte Unternehmen wie Zellen- und Waferhersteller strategisch Polysiliziumvorräte gelagert, um die erwartete Nachfrage zu decken, was vor allem auf die zunehmende Verbreitung im Versorgungsmaßstab in China zurückzuführen ist. Basierend auf angekündigten Projekten wird erwartet, dass die Kapazität der Polysiliziumherstellung in den nächsten Jahren verdoppelt wird. Einige der neu gebauten Werke verfügen über Produktionskapazitäten von 30.000 bis 70.000 Tonnen pro Jahr, und es gibt voraussichtlich Pläne zum Bau von Anlagen mit mehr als 100.000 Tonnen Kapazität.

Chinesische Unternehmen waren bestrebt, die Preise für Polysilizium zu senken, indem sie Produktionsstätten errichteten und in Gebieten mit erschwinglichen Land-, Strom- und Arbeitskosten produzierten. Die westlichen Provinzen sind stark bebaut, darunter die Innere Mongolei, Quinghai, Sichuan und insbesondere Xinjiang. Derzeit sind hier 54 % bzw. 39 % der weltweiten Produktion Chinas beheimatet. Basierend auf aktiven Projekten bis 2022 wird unten eine Schätzung des Gesamtertrags von Solar-PV-Komponenten in China aufgeführt.

Chinas niedrige Arbeitskosten und die konzentrierte c-Si-PV-Lieferkette stellen für andere Akteure eine Eintrittsbarriere dar. In den USA machen die Arbeitskosten 22 % der Herstellungskosten gegenüber 8 % in China, 36 % der Wafer-Herstellungskosten in den USA gegenüber 23 % in China und 33 % der Zellherstellungskosten in den USA gegenüber 8 % in China aus.

c-Si- und CdTe-Produktion und globaler Handel:

Mehr als 75 % der von den USA im Jahr 2020 importierten c-Si- und CdTe-Module stammten aus nur drei südostasiatischen Ländern – Vietnam, Malaysia und Thailand, der Rest aus Südkorea. Diese südostasiatischen Länder sind stark auf eine vorgelagerte chinesische Lieferkette angewiesen. Die USA verfügten im Jahr 2020 über eine begrenzte Betriebskapazität für Silizium-Solarzellen. Die folgende vorgelagerte Fertigung in den USA gewann jedoch an Fahrt und erwies sich als entscheidend für die steigende Solarnachfrage des Landes. Laut SEIA wurden im Jahr 2019 Installationen im Wert von 8,6 GW fertiggestellt, was einem Wachstum von 21 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

Quelle: NRELupdate von (Smith et al. 2021)

Aufgrund von Lücken in der globalen PV-Lieferkette wie hohen Investitions- und Arbeitskosten werden praktisch alle c-Si-Rohstoffe und -Komponenten aus südostasiatischen Ländern in westliche Länder importiert. Diese Importkosten tragen etwa 11 % zu den gesamten Herstellungskosten bei. Ein Ausbau der heimischen PV-Lieferkette würde diese Kosten deutlich reduzieren. Es gibt Möglichkeiten, das Kostendelta durch Automatisierung in Wafer- und Ingot-Montagelinien zu reduzieren. Im Februar 2024 gab First Solar seine Pläne bekannt, 10 Milliarden US-Dollar in CdTe-Dünnschicht in den USA zu investieren. Rückblickende Zahlen aus dem Jahr 2023 erhöhten den Wert der Modulproduktionskapazität um 2,75 Milliarden US-Dollar, den wirtschaftlichen Wert um 900 Mio. US-Dollar und die Produktion um 2 Milliarden US-Dollar.

Barren und Wafer

Zehn chinesische Unternehmen stellten im Jahr 2020 98 % der gesamten Solarwafer her, von denen drei Unternehmen – LONGi, GCL und Zhonghuan – 71 % der Produktionskapazität auf sich vereinigten. Von 2016 bis 2020 steigerten die oben genannten Unternehmen ihre Gesamtkapazität von 29 GWdc (29 % der globalen Kapazität) auf 173 GWdc (58 % der weltweiten Kapazität). Diesem Trend folgte ein schnelles Wachstum des Marktanteils monokristalliner PV-Module.

Darüber hinaus wurde sieben chinesischen Provinzen eine Waferproduktionskapazität von 10 GWdc zugeschrieben. Auf Jiangsu, nördlich von Shanghai gelegen, entfielen 28 % der gesamten Waferkapazität Chinas, während Ostasien außerhalb Chinas 10 GWdc der weltweiten Waferkapazität beisteuert. Das in China ansässige Unternehmen Jinko Solar kündigte seine Pläne zum Bau einer Wafer- und Ingot-Anlage mit 7 GWdc in Vietnam an. Ziel ist es, die Zellproduktion in Malaysia und die Modulmontage in den USA zu rationalisieren. Das Unternehmen gab an, dass das Projekt im Jahr 2020 initiiert wurde, um US-Handelsbeschränkungen für Importmaterialien zu umgehen. Diese strategische Erweiterung unterstreicht die Bemühungen des Unternehmens, eine robuste Lieferkette aufzubauen und gleichzeitig die sich ändernde Handelsdynamik zu bewältigen.

Module und Zellen

Seit der Einführung neuer Steuergutschriften für die Fertigung gab es einen erheblichen Zufluss von Investitionen in den Aufbau und die Erweiterung der gesamten Solarmodul-Lieferkette, einschließlich Ingots, Module, Wafer und Zellen. Vor der Einführung der bundesstaatlichen Produktionsanreize gab es eine Polysiliziumkapazität von etwa 16,6 GW oder 41.500 Tonnen/Jahr und eine Modulkapazität von 7 GW/Jahr. Die Zellfertigung wurde zum ersten Mal seit 2019 an Land verlagert, und es wird erwartet, dass bis Ende 2025 zusätzliche Zellkapazitäten in Betrieb genommen werden. Bisher ist ein starkes Wachstum der Modulproduktion zu verzeichnen, die von 7 GW vor den Bundessteuergutschriften für die Fertigung auf 44,4 GW im Dezember 2024 gestiegen ist, was einem Anstieg von über 500 % entspricht.

Die gesamte Modullieferkette in den USA einschließlich der in Betrieb befindlichen, im Bau befindlichen und angekündigten Projekte erreichte einen geschätzten Wert von 81,6 GW. Der Aufbau der Lieferkette für PV-Module ist aufgrund von Konformitätsfristen, Genehmigungen, Bau und Inbetriebnahme ein schleppender Prozess. Je weiter oben auf der Lieferkettenleiter, desto länger dauert die Bauzeit. Es wird erwartet, dass in den nächsten Jahren weitere Fabrikerweiterungen stattfinden.

Indien war im Jahr 2022 das einzige Land, das einen starken Rückgang der Importe aus China verzeichnete, was einen Rückgang von 76 % oder -7,5 GW gegenüber dem Vorjahr untermauerte. Im ersten Halbjahr 2022 war ein Gesamteinbruch von 9,8 GW von 2,3 GW zu beobachten. Darüber hinaus führten strenge staatliche Regulierungen einschließlich der Einführung von Zöllen zu einer Verlagerung von Importen hin zur Auslastung inländischer Produktionskapazitäten. Indiens lokale Produktionskapazität für Solarmodule ist seitdem gestiegen und Indien hat einen Maßstab für den weltweiten Export von Solarmodulen und -modulen in Türkei gesetzt.

Trotz der anhaltenden Bemühungen, sich von der Abhängigkeit von China bei Komponentenlieferungen zu lösen, stieg der Export von Solarmodulen aus China im ersten Halbjahr 2023 um 34 %. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Deckung des hohen Energiebedarfs in Europa und Südafrika. Der zunehmende Fokus auf den Übergang zu sauberer Energie hat die Abhängigkeit von Chinas Solarexporten weiter erhöht. Von den 90,4 % des Exportvolumens war Europa der größte Importeur (58 %), gefolgt von Brasilien, das im ersten Halbjahr 2023 9,5 GW an in China hergestellten Solarmodulen erhielt. Afrika wird voraussichtlich die schnellste Importwachstumsrate von 187 % verzeichnen, da die Regierung nach Möglichkeiten sucht, die zunehmende Energiekrise abzumildern, während China die bestehende Lücke zwischen Nachfrage und Angebot stark ausnutzt.

Chinas Solarexporte im ersten Halbjahr 2023, Anteil (%) in US-Dollar-Wert ausgedrückt

Quelle: Ember Energy

Das exponentielle Wachstum des Solar-PV-Marktes wirkt sich positiv auf den globalen Halbleitermarkt aus. Im Jahr 2022 waren Geräte mit einem Gesamthandelsvolumen von 87,7 Milliarden US-Dollar das 33. meistgehandelte Produkt der Welt. Zwischen 2021 und 2022 wuchs der Markt für Photovoltaik/lichtempfindliche/LED-Halbleiter um 21,9 %, von 72 Milliarden USD auf 87,7 Milliarden USD, was 0,37 % des gesamten Welthandels entspricht.

Jährliches Wachstum von Photovoltaik & Weltweiter Handel mit LED-Halbleitergeräten

Quelle: OEC

Globaler Handel mit Photovoltaik-/LED-Halbleitergeräten

Quelle: OEC

Photovoltaik End of Life (EOL)

Der zunehmende Fokus auf die Dekarbonisierung von Stromnetzen hat weltweit die Kapazitäten für die Erzeugung und Speicherung von Solarenergie proportional erhöht. Zum Vergleich: Um die Dekarbonisierungsziele zu erreichen, müssen die USA von 2025 bis 2030 jedes Jahr 30 GWac installieren. Im Jahr 2021 wurden 19 GW Solarkapazität installiert und die Gesamtkapazität hat in den USA 100 GW erreicht. Dies bedeutet, dass die Installation neuer Systeme in den kommenden Jahren wahrscheinlich stark ansteigen wird.

Während die Lebensdauer einer PV-Anlage etwa 25–35 Jahre beträgt, gelangen einige Systemkomponenten, einschließlich Module, bereits in den Abfallstrom. Darüber hinaus erreichen Module aufgrund von Witterungsschäden, Herstellungsserienmängeln oder Installationsfehlern das Ende ihrer Lebensdauer. Das jährliche EOL-Volumen von PV-Modulen wird bis Ende 2050 bis zu 12 % des jährlichen kommunalen Elektronikabfalls in den Vereinigten Staaten erreichen. 99 % der PV-Modulmaterialien sind ungefährlich und 95 % sind mit verfügbaren Technologien vollständig recycelbar. Dies schafft eine solide Grundlage für schonende und sichere EOL-Materialhandhabungsmethoden. Derzeit sind EOL-Handhabungsprozesse für das Recycling ungünstig. Die Kosten für das Recycling von PV-Modulen für Abfallerzeuger betragen 15 bis 45 US-Dollar pro Modul, was deutlich höher ist als die Deponiegebühr von 1 bis 5 US-Dollar für jedes Modul. Dies wiederum wird sich wahrscheinlich auf die Bundes- und Landespolitik hinsichtlich der Abfallverarbeitung auswirken.

Quelle: IRENA

Abdeckung durch Aktionspläne

Im Juni 2021 veröffentlichte das Solar Energy Technologies Office (SETO) eine RFI, um Rückmeldungen von PV-Abfallbewirtschaftern zu den wichtigsten Herausforderungen bei der EOL-Verarbeitung einzuholen. Die Antworten, Experteninterviews und Literaturrecherchen wurden genutzt, um potenzielle Forschungsbereiche zur Rationalisierung und Optimierung von PV-EOL-Praktiken zu identifizieren. In den Antworten wurde die Rolle der Richtlinien bei der Handhabung von EOL und der Entwicklung von Trenntechnologien zur Verbesserung der Materialrückgewinnung hervorgehoben.

Mit den Beiträgen von Stakeholdern zu vorherrschenden Herausforderungen im Hardware-Design, der Datenerfassung und -analyse und der Identifizierung der Rolle des DOE beim EOL-Management führte SETO im Jahr 2021 einen Fünfjahres-Aktionsplan ein.

Der mehrjährige Programmplan 2021 wurde auf der Grundlage des PV EOL-Workshops 2021 und des RFI-Feedbacks erstellt. Der Schwerpunkt liegt auf den folgenden Voraussetzungen für eine Kreislaufwirtschaft:

• Datenerfassung & Analyse: Basierend auf dem modellierten Abfallvolumen und der Abfallbehandlung ist die Notwendigkeit einer realistischen Sammlung, Sortierung, Transport und Materialrückgewinnung offensichtlich. Ziel von SETO ist es, bis Ende 2025 eine eigenständige Datenbank mit 10 MW PV-EOL-Daten aufzubauen und umfassende Datenstandards zu implementieren. Darüber hinaus werden nicht vertrauliche Daten der Abfallwirtschaft, der Solarbranche und der Politik öffentlich zugänglich gemacht.
• Hardwareentwicklung & Prozessforschung: SETO legt Wert auf die Verbesserung der Rohstoff- und Energienutzungseffizienz, um wiederum die für die Verarbeitung von EOL-Materialien erforderlichen Ressourcen zu minimieren und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern. Es wird empfohlen, Stahl, Cu und Al zum EOL-Zeitpunkt an Schrottmärkte zu verkaufen. Allerdings sind die Rückgewinnung von Silber aus der Metallisierung und die Trennung von Polymeren und Verbundwerkstoffen einschließlich der Rückseitenfolien Bereiche, in denen die Materialrückgewinnung eine Herausforderung darstellen kann. Es wird erwartet, dass die Forschung zur Verbesserung der Rückgewinnungsrate bei gleichzeitiger Minimierung der Rückgewinnungskosten dazu beitragen wird, die Wirtschaftlichkeit des Solar-PV-Recyclings zu verändern.