How Many km2 of Solar Panels in Spain and how much battery backup would it take to power Germany

12 Pages Posted: 30 Jan 2021 Last revised: 23 Apr 2021

Date Written: November 13, 2020

Abstract

- this PDF contains the Article in both English and German, der volle Artikel befindet sich im PDF auch in Deutsch -

Germany is responsible for about 2% of global annual CO2 emissions from energy. To match Germany’s electricity demand (or over 15% of EU’s electricity demand) solely from solar photovoltaic panels located in Spain, about 7% of Spain would have to be covered with solar panels (~35.000 km2). Spain is the best-situated country in Europe for solar power, better in fact than India or (South) East Asia. The required Spanish solar park (PV-Spain) will have a total installed capacity of 2.000 GWp or almost 3x the 2020 installed solar capacity worldwide of 715 GW. In addition, backup storage capacity totaling about 45 TWh would be required.

To produce sufficient storage capacity from batteries using today’s leading technology would require the full output of 900 Tesla Gigafactories working at full capacity for one year, not counting the replacement of batteries every 20 years. For the entire European Union’s electricity demand, 6 times as much – about 40 % of Spain (~200.000 km2) – would be required, coupled with a battery capacity 6x higher.

To keep the Solar Park functioning just for Germany, PV panels would need to be replaced every 15 years, translating to an annual silicon requirement for the panels reaching close to 10% of current global production capacity (~135% for one-time setup). The silver requirement for modern PV panels powering Germany would translate to 30% of the annual global silver production (~450% for one-time setup). For the EU, essentially the entire annual global silicon production and 3x the annual global silver production would be required for replacement only.

There are currently not enough raw materials available for a battery backup. A 14-day battery storage solution for Germany would exceed the 2020 global battery production by a factor of 4 to 5x. To produce the required batteries for Germany alone (or over 15% of EU’s electricity demand) would require mining, transportation and processing of 0,4-0,8 billion tons of raw materials every year (7 to 13 billion tons for one-time setup), and 6x more for Europe. The raw materials required include lithium, copper, cobalt, nickel, graphite, rare earths & bauxite, coal, and iron ore for aluminum and steel. The 2020 global production of lithium, graphite anodes, cobalt or nickel would not nearly suffice by a multiple factor to produce the batteries for Germany alone.

-- DEUTSCH

Deutschland ist für etwa 2% der weltweiten energiebedingten CO2-Emissionen verantwortlich. Um Deutschlands Strombedarf (oder etwas mehr als 15% des EU-Strombedarfs) allein durch in Spanien installierte PV-Anlagen decken zu können, müssten etwa 7% der Fläche Spaniens mit Solarmodulen bebaut werden (~35.000 km2). Spanien ist das in Europa am günstigsten gelegene Land für Solarenergie. Tatsächlich ist Spanien viel besser für Solarenergie geeignet als Indien oder (Südost)Asien. Der spanische Solarpark („PV-Spanien“) müsste eine installierte Gesamtkapazität von 2.000 GWp oder knapp das Dreifache der 2020 weltweit installierten Kapazität von 715 GW vorhalten. Darüber hinaus würde eine Batterie-Speicherkapazität von insgesamt etwa 45 TWh benötigt.

Die Herstellung einer solchen Speicherkapazität bei Verwendung der heute führenden Technologie würde den jährlichen Gesamtoutput von 900 Tesla Gigafactories bei voller Kapazität erfordern. Dabei wurde nicht berücksichtigt, dass die Batterien spätestens alle 20 Jahre ersetzt werden müssen. Für den gesamten europäischen Strombedarf würden sechsmal so viel, als etwa 40% der Fläche Spaniens (~200.000 km2) sowie eine sechsmal höhere Batteriekapazität benötigt.

Allein für die Stromversorgung Deutschlands müssten die Solar-Module des Solarparks etwa alle 15 Jahre ausgetauscht werden. Hierfür wären einmalig ~10 Millionen Tonnen Silizium oder die 1,35-fache Menge der weltweiten Silizium-Jahresproduktion erforderlich und anschließend dauerhaft ~660.000 Tonnen Silizium jährlich oder 9% der jetzigen weltweiten Siliziumproduktion. Zusätzlich entspräche der benötigte Silberbedarf einmalig ~120.000 Tonnen Silber oder die 4,5-fache Menge der weltweiten Silber-Jahresproduktion und anschließend dauerhaft ~8.000 Tonnen Silber jährlich oder ~30% der jetzigen weltweiten Silberproduktion.

Zudem stünden auch für die benötigte Batterie-Speicherkapazität nicht genügend Rohstoffe zur Verfügung. Die Herstellung eines 14-Tages-Batterie-Backups für Deutschland würde die weltweite Batterieproduktion des Jahres 2020 um den Faktor 4 bis 5 übersteigen. Um die benötigten Batterien allein für Deutschland (oder für etwas mehr als 15% des EU-Strombedarfs) herstellen zu können, wären jährlich etwa 0,4-0,8 Milliarden Tonnen an Rohstoffen (7 bis 13 Milliarden Tonnen für die Einrichtung des Backups) nötig, die abgebaut, transportiert und verarbeitet werden müssten. Für Europa wäre es die sechsfache Menge an Rohstoffen. Diese umfassen Lithium, Kupfer, Kobalt, Nickel, Grafit, Seltene Erden & Bauxit, Kohle und Eisenerz für Aluminium und Stahl. Um die Batterien nur für Deutschland produzieren zu können, würde die weltweite Gesamtproduktion 2020 von Lithium, Graphit, Kobalt und Nickel um ein Vielfaches nicht ausreichen.

Keywords: renewables, renewable energy, raw materials, energy, germany, spain, wind, solar, hydrogen, sahara, capacity factor, solar power, climate change, energy economics, eROeI, Energy Return On Energy Invested, silicon, silica, silver

Suggested Citation

Schernikau, Lars and Smith, William, How Many km2 of Solar Panels in Spain and how much battery backup would it take to power Germany (November 13, 2020). Available at SSRN: https://ssrn.com/abstract=3730155 or http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3730155

William Smith

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