Factsheet Silizium: Ein entscheidender Rohstoff für die Energiewende

Silizium: Ein entscheidender Rohstoff für die Energiewende Silizium ist ein Halbmetall und Halbleitermaterial und mit ca. 26 % das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach Sauerstoff. Es tritt überwiegend in Form silikatischer Minerale oder als reines Siliziumdioxid auf1. Je nach Reinheitsgrad ist elementares Silizium für die Anwendung in der Metallurgie sowie Mikroelektronik von großer Bedeutung und spielt in hochreiner Form als Polysilizium eine zentrale Rolle in der Solar­technologie. Etwa 90 % des weltweit produzierten Polysiliziums wird für die Herstellung von Photovoltaikmodulen verwendet.2

Vorkommen und Gewinnung Silizium bildet zusammen mit Sauerstoff die Verbindung Siliziumdioxid (SiO2), dessen kristalline Form Quarz ist. Ausgangsrohstoff für die Produktion von Silizium ist demnach immer Quarz, ein Mineral, das weltweit in allen Gesteinen zu finden ist.3 Die Gewinnung von reinem Silizium erfolgt in der Regel in mehreren Schritten: 1. Reduktion von Siliziumdioxid: Siliziumdioxid wird mit Kohlenstoff in einem Lichtbogenofen oder in einem Hochtemperaturofen erhitzt.

2. Reinigung des Siliziums: Noch existierende Verunreinigungen werden entfernt, um die Reinheit zu erhöhen.1

Silizium in Energiewendetechnologien

Wichtigste Exporteure Importstruktur weltweit Deutschlands China (21%)

Solarzellen und Leistungselektronik für Photo­voltaikanlagen

Leistungselektronik und Getriebegehäuse von Windkraftanlagen

Leistungselektronik und Karosseriekomponenten von Elektrofahrzeugen

Alternatives Anoden­ material in LithiumIonen-­Batterien

Produktionsmenge in Kilotonnen 63

6.000

a

USA (8%)

9%

Norwegen (8%)

19%

Brasilien (5%)

6%

Japan (1%)

1%

Tab. 1: Auszug der wichtigsten Siliziumexporteure weltweit und jeweiliger Anteil am deutschen Gesamtimport von Silizium6

Siliziumproduktion 2022 in Kilotonnen China

6.000

Russland

640

Brasilien

400

Norwegen

360

Roh- oder auch Ferrosilizium bezieht sich auf eine Eisenlegierung mit einem Siliziumanteil von ca. 50–75 % und einem Reinheitsgrad von 98–99 %.

USA

310

Frankreich

120

Kasachstan

120

Bei Produkten mit höheren Silizium­anteilen handelt es sich um Polysilizium. Dazu zählen sowohl Solarsilizium als auch Halbleitersilizium mit Reinheitsgraden von über 99,99 %.4

Island

110

Malaysia

92

Deutschland

63

Kategorisierung Das gewonnene Silizium kann anhand seiner Reinheitsgrade kategorisiert werden: a

9%

Abb. 1: Länderverteilung der Siliziumproduktion 20225

Wie viel Silizium wird für die Energiewende benötigt?

Gibt es genug Silizium?

Die Gesamtmenge an Silizium, die für die Energiewende benötigt wird, ist von der Entwicklung des jeweiligen Marktes abhängig, der sich nach Anwendung in Photovoltaikmodule, Halbleiter, Metallurgie, Elektronik und Silikone unterteilt7. Die wachsende Nachfrage nach Erneuerbare Energien-Technologien erhöht den globalen Bedarf für:

Wie in Abb. 1 dargestellt, wurden in 2022 weltweit rund 8,8 Millionen (Mio.) t ­Silizium produziert, wovon mit 6 Mio. t etwa 68 % (zum Vergleich: Deutschland ≈ 0,7 %) allein in China hergestellt wurden. ­Europas größte Siliziumproduzenten sind Norwegen mit 360.000 t (≈ 4,1 %) und Frankreich mit 120.000 t (≈ 1,4 %) in 2022.5 Verwendet wird Silizium hauptsächlich in der Solarindustrie zur Herstellung von Solarzellen, in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Halbleitern und Mikrochips und in der Metallindustrie als Legierungselement sowie in Silikonen (s. Abb. 3)1.

a

Rohsilizium in Legierungen mit Aluminium in Elektrofahrzeugen

a

Ferrosilizium zur Stahlerzeugung für Erneuerbare-Energien-Anlagen

a

Polysilizium zur Herstellung von Solarzellen, Halbleitern und Mikrochips sowie für Anwendungen in der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge, Erneuerbare-Energien-Anlagen und als alternatives Anoden­material in Lithium-Ionen-Batterien.7, 8

In Deutschland werden allein für das bis 2030 anvisierte Ausbauziel von 215 GW installierter ­Solarleistung etwa 600.000 Tonnen (t) Silizium benötigt9. Dies entspricht einem Zubau von 161 GW bezogen auf die ­installierte Solarleistung 2021.

Obwohl der Ausgangsrohstoff Quarz fast unbegrenzt vorhanden ist, ordnet die Deutsche Rohstoffagentur Silizium in die Gruppe der Rohstoffe mit den höchsten Preis- und Lieferrisiken ein. Im Laufe des Jahres 2020 schlossen zahlreiche ­Produktionsstätten in den USA aufgrund des starken Nachfragerückgangs nach Silizium durch den weltweiten Konjunktureinbruch infolge der Corona-Pandemie. Zudem führten Extremwetterereignisse in China zu Produktionsunterbrechungen und Werksschließungen. Der darauffolgende Digitalisierungsschub trieb die Nachfrage vor allem nach Mikrochips und damit nach Silizium schlagartig in die Höhe und führte zu Lieferengpässen. Die starke regionale Konzentration der Siliziumproduktion und die damit verbundene weltweite Abhängigkeit von nur wenigen, insbesondere chinesischen Produzenten, stellen also auch zukünftig kritische Risikofaktoren in der Bewertung der Versorgungssicherheit durch Silizium dar.4

Abschätzung für den Siliziumbedarf in Photovoltaikanlagen in NRW: Der vereinfachten Berechnungsgrundlage zufolge könnte allein der Siliziumbedarf für den anvisierten Photovoltaikausbau (Zuwachs von 11,5 – 15,5 GW) in NRW bis 2030 zwischen 34.500 und 46.500 t betragen.

Dabei ist es wichtig zu beachten, dass der Siliziumbedarf für die Energiewende nicht auf die Anwendung in Photo­voltaikanlagen beschränkt ist, sondern für viele weitere Technologien (s.o.) besteht.

EVSNRW×SiBPV EVS = Ausbauziel Solarleistung nach Energie­versorgungsstrategie NRW (Stand 2022: 7,539 Gigawatt (GW)  Ziel 2030: 18–24 GW10); SiB = Siliziumbedarf pro Watt Peak einer P ­ hotovoltaikanlage (≈ 3 g/Wp11)

40 % Aluminium 35 % Silicones 25 % Solar & Semiconductor

Abb. 2: Weltweiter Marktanteil von Siliziummetall nach Anwendung 201912

Mit welchen Risiken ist die Siliziumproduktion verbunden?

Beim Abbau und der Gewinnung von Silizium können verschiedene Risiken und Herausforderungen auftreten, sowohl in ökologischer als auch in (sozio-)ökonomischer Hinsicht: 1. CO2-Ausstoß durch hohen Energiebedarf: Je nach Reinheitsgrad werden hohe Temperaturen von über 2.000°C zur Siliziumreduktion benötigt, welche sich auf ca. 10,5 kWh/kg Rohsilizium belaufen. Für die Produktion von Reinstsilizium (Reinheit über 99,99 %), Mikrochips und ­Solarzellen steigen Energiebedarf und CO2-Emissionen erheblich, wobei die Emissionen von der eingesetzten Energiequelle abhängen. In Ländern wie China, in denen Strom häufig aus Kohlekraftwerken stammt, entstehen signifikant ­höhere Emissionswerte, als in Ländern, welche Strom aus Erneuerbaren Energien beziehen.4 2. Wasserverbrauch Die Produktion und Verarbeitung von Silizium erfordern beträchtliche Wassermengen. Bis zu 30 Liter kann der geschätzte Wasserverbrauch für einen einzigen Mikrochip betragen. Beispielsweise verbraucht der taiwanesische Halbleiter­hersteller TSMC täglich 212 Mio. Liter (≈ täglicher Wasserverbrauch von 1,5 Mio. Europäern). In wasserarmen Regionen kann dies zu Wasserknappheit führen und die lokale Bevölkerung sowie die Umwelt signifikant beeinträchtigen.13 3. Energiekosten Schwankungen der Energiekosten können sich auf die Herstellungskosten von Silizium auswirken und Einfluss auf Verfügbarkeit und Preis haben. Der einzige deutsche Hersteller von Rohsilizium, die RW silicium GmbH, musste die Produktion in 2023 aufgrund zu hoher Stromkosten drosseln.14 4. Importabhängigkeit Viele Länder inner- und außerhalb der EU sind stark auf Importe von Silizium angewiesen, um ihren Bedarf zu decken. Die Abhängigkeit von ausländischen Lieferungen, insbesondere aus China, kann zu Risiken wie Lieferunterbrechungen, schwankende Transportkosten und Wechselkursen führen.15, 16

Siliziumproduktion in Deutschland

Wie viel Silizium kann recycelt werden?

Die deutsche Bauindustrie kann in nahezu allen Regionen des Landes auf umfangreiche Sand-, Kies- oder Natursteinvorkommen zurückgreifen. Wirtschaftlich abbaubare und insbesondere hochwertige Lagerstätten von Quarzrohstoffen sind hingegen wesentlich seltener3. In Pocking, südlich von Passau, befindet sich die einzige Siliziumhütte Deutschlands, welche von der RW silicium GmbH betrieben wird. Dort wird Quarz aus dem Bayerischen Wald, der Tschechischen Republik und Österreich importiert und zu Rohsilizium verarbeitet.

Durch die gestiegenen Strompreise ist die Siliziumproduktion dort derzeit nicht mehr rentabel, weshalb drei von vier Hochtemperaturöfen außer Betrieb genommen wurden. Größter Abnehmer des Siliziums aus Pocking war bisher Wacker Chemie in Burghausen, einer der größten Hersteller von Polysilizium weltweit. Dieser betreibt zur Deckung des hohen Strombedarfs für die Reinigung des Rohsiliziums eigene Wasserkraftwerke an der Alz.15, 17

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) von 2000 sowie die Bestrebungen zur Vermeidung weiterer Klimawandelfolgen führten zu einem erheblichen Anstieg der Photovoltaikinstallationen in Deutschland (Stand März 2023: 2,6 Mio. Photovoltaikanlangen mit einer Nennleistung von insgesamt 70,6 GW20). Unter Berücksichtigung einer L ­ ebensdauer von 20–30 Jahren11 ist mit einem beträchtlichen Rücklauf älterer Photovoltaikanlagen in den nächsten Jahren zu rechnen. Bereits heute gelangen etwa 10.000 t Silizium aus Photovoltaikanlagen jährlich auf den ­deutschen Recyclingmarkt. Die Vielfalt der Modultypen und -größen erschwert allerdings die Einführung eines effizienten industriellen Recyclingverfahrens und einer profitablen Infrastruktur für das gesamtheitliche Recycling von Photovoltaikanlagen. Daher werden bei ausgedienten Modulen aktuell nur die leicht rezyklierbaren Materialien Aluminium, Glas und Kupfer neu aufbereitet, nicht jedoch das Silizium aus den Solarzellen. Zudem werden nur etwa 45 % der Module tatsächlich dem Recycling zugeführt, der Rest endet auf Deponien. Vor diesem Hintergrund entwickelte im Jahr 2022 ein Forschungsteam des FraunhoferInstituts für Solare Energiesysteme ein Verfahren, das eine ­100-%ige industrielle Wiederaufbereitung von Silizium aus Solarzellen ermöglicht. Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, die Recyclingrate von Silizium in Deutschland und NRW signifikant zu erhöhen21, 22, 23.

Insbesondere in NRW mit über 437.000 registrierten Photovoltaikanlagen und einer installierten Leistung von 7,539 GW (Stand 2022) ergeben sich zukünftig Recyclingpotenziale24. Für eine Quantifizierung der Recyclingmenge benötigt es genaue Angaben zur Lebensdauer und dem Baujahr der ausgedienten Photovoltaikanlagen, da ­ältere Module eine bedeutend größere Menge an Silizium (ca. 16 g/Wp) gegenüber aktuell produzierten Modulen (ca. ­3g­/­Wp) aufweisen11. Bundesweit könnte ab 2029 pro Jahr eine Menge von mehreren hunderttausend Tonnen Silizium aus recycelten Photovoltaikanlagen zur Verfügung stehen21.

Was passiert in NRW? Für die Produktion von Silizium wird Quarz als Ausgangsrohstoff in Form von Kies benötigt. Hochwertige Quarzkiesvorkommen sind westlich von Bonn in Alfter-Witterschlick zu finden. Es handelt sich um zu großen Teilen aus reinem Quarzkies und -sand bestehenden Flussschotterschichten zwischen 10 und 50 m Dicke. In dieser Region befinden sich zwei Werke mit Gesamtvorräten von zusammen mehreren Millionen Tonnen Quarzkies. Die ­Kieswerk ­Rheinbach GmbH & Co. KG produziert seit 2000 Betonkies und weißen Quarzkies. Die Quarzwerke Witterschlick GmbH baut in unmittelbarer Nachbarschaft zum Kieswerk R ­ heinbach dasselbe Quarzkiessandvorkommen ab. Ebenfalls in NRW gewinnt die Euroquarz GmbH bei Dorsten Quarzkiese und -sande.

Diese werden dort seit über 100 Jahren an der Jüngeren Hauptterrasse des Rheins abgebaut und finden überwiegend in der Bauwirtschaft Verwendung.3, 18. In NRW sind im Jahr 2022 in acht Betrieben rund 3,7 Mio. t Quarzkiese und -sande produziert worden19.

­

Alternative Materialien zu Silizium-Solarzellen Neben der Minimierung von Versorgungsrisiken bietet die Substitution von siliziumbasierten Solarzellen vor allem in der Solarindustrie einen alternativen Lösungsansatz.

Dorsten

Witterschlick

Nobitz

Laußnitz

Fierzheim Dodenburg

Abb. 3: Abbaustellen von als Industriemineral genutztem Quarzkies in Deutschland3

Material

Vorteile

Nachteile

Forschungsansätze

PerowskitSolarzellen25

Kostengünstige Herstellung

Geringere Stabilität, besonders bei Feuchtigkeit und Hitze

Langzeitstabilität und Haltbarkeit

Dünnschicht­ solarzellen26

Niedrige Materialkosten, Eignung bei ungünstigen Lichtverhältnissen, ­minimale Wartungsanforderungen, hohe Hitzebeständigkeit, flexible ­Installation

Erhöhter Flächenbedarf, verkürzte Lebensdauer, ­anspruchsvolle Installationsverfahren, geringere ­Effizienz, reduzierte Stabilität

Materialforschung und Effizienz­steigerung

Organische Solarzellen27

Kostengünstige, umweltfreund­liche und flexible ­Herstellung, breites ­Anwendungsspektrum

Niedrigere Wirkungsgrade, größere Flächenausdehnung, Herausforderungen bei Effizienz und Langzeitstabilität, Verwendung von seltenem Schwermetall Indium in transparenten Elektrodenfolien

Effizienzsteigerung und Langzeit­stabilität

Zusammenfassung Die weltweite Nachfrage nach Silizium steigt aufgrund der Energie- und Mobilitätswende rasant an.

Aufgrund ihrer Unterschiede in Beschaffenheit und Zusammensetzung sind, trotz der großen globalen Quarzvorkommen, nicht alle Lagerstätten für diesen Zweck geeignet. Die Siliziumproduktion ist energieintensiv, weshalb dessen Rentabilität stark von den jeweiligen Standortbedingungen abhängt.

China dominiert die Siliziumproduktion weltweit und exportiert signifikante Mengen. In Deutschland existiert mit Pocking (RW silicium GmbH) nur ein Standort für die Herstellung von Rohsilizium,

2.500

Fazit Die Sicherstellung einer nachhaltigen und umweltfreundlichen Versorgung von hochreinem Silizium ist eine zentrale Herausforderung für die Solar- und Halbleiterindustrie. Die Produktion ist stark auf wenige Länder außerhalb der EU konzentriert (s. Abb. 1): China dominiert den asiatisch-pazifischen Siliziummarkt7.

a

USA greift auf heimische Quellen von Quarzit zurück5.

a

In Europa wird Silizium im Rahmen des EU Critical Raw Materials Act als kritischer Rohstoff definiert, womit Zielvorgaben für inländische Rohstoffkapazitäten für die EU-Versorgung aus Gewinnung (>10 % des Jahresverbrauchs), Verarbeitung (>40 %) und Recycling (>15 %) bestehen28.

Es ist wichtig, Unterbrechungen in der Lieferkette und Engpässe zu vermeiden, die durch Produktionsausfälle (z. B. aufgrund einer sinkenden Wirtschaftlichkeit infolge steigender Stromkosten) oder geopolitische Spannungen auftreten können. Aufgrund der breiten industriellen Anwendung von Silizium erschweren zusätzlich Nutzungskonflikte die Sicherung von Silizium als Rohstoff der Energiewende.

2.000

Preis in Euro pro Tonne

a

welches zu großen Teilen von Wacker Chemie zu Polysilizium weiterverarbeitet wird. NRW besitzt hochwertige Quarzkiesvorkommen, die für die Siliziumgewinnung genutzt werden können, besonders im Zusammenhang mit dem steigenden Siliziumbedarf in der Solar- und Halbleiterindustrie. Weiterhin sind die Entwicklungen in der Solar- und Batterietechnologie entscheidend für den künftigen Siliziumbedarf. Eine präzise Bedarfsprognose für Deutschland wird jedoch durch die breite industrielle Verwendung von Silizium erschwert.

1.500

1.000

500

0 Jan 19

Apr 19

Jul 19

Okt 19

Jan 20

Apr 20

Jul 20

Okt 20

Jan 21

Apr 21

Jul 21

Okt 21

Jan 22

Apr 22

Jul 22

Okt 22

Jan 23

Apr 23

Jul 23

Abb. 4: Preisentwicklung am Bsp. Ferrosilizium (75%) von 01/2019 – 07/202329

Der Preis pro Tonne Silizium stieg während der Corona-Pandemie aufgrund unterbrochener Lieferketten, einer hohen Halbleiternachfrage und energiepolitisch verursachten Produktionsausfällen in China stark an30. Seit Mitte 2022 haben sich Angebot und Nachfrage auf dem Markt deutlich stabilisiert, weshalb der Siliziumpreis wieder sinkt.

Ausblick Die Verfügbarkeiten und Bedarfe von Silizium in NRW können eine bedeutende Rolle für die technologische und wirtschaftliche Entwicklung des Landes spielen. Die steigende Nachfrage nach Silizium für den Ausbau der Solarleistung in NRW bietet Potenzial, um heimische Lagerstätten als Rohstoffquelle zu integrieren. Zusätzliche Rohstoffmengen können aus dem Recycling ausgedienter Photovoltaikanlagen gewonnen werden.

Die Bedeutung von Silizium auf globaler, europäischer und nationaler Ebene wird immer klarer, insbesondere in Bezug auf die Wirtschaft und Technologiebranche. Dies zeigt sich in den Bemühungen zur Wiedereingliederung der Halbleiterproduktion in Deutschland und Europa, um die Abhängigkeit von asiatischen Herstellern zu verringern31. Ein vielversprechendes Beispiel ist das geplante Wachstum von Wacker Chemie, bei dem die Produktionskapazität für Polysilizium in Halbleiterqualität bis Anfang 2025 um mehr als 50 % gesteigert werden soll32.

Kontakt rohstoffe@energy4climate.nrw

Quellen: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

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