Photovoltaik und Solarthermie - Energienutzung aus Sonnenlicht

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1 Photovoltaik und Solarthermie - Energienutzung aus Sonnenlicht

2 Eine einzige Stunde Sonneneinstrahlung liefert der Erde bereits die Menge Energie, die die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Wäre die Sonne mit einem 12 Meter dicken Eispanzer umgeben, hätte sie ihn in weniger als einer Sekunde weggeschmolzen! Folie 2

3 Folie 3

4 Folie 4

5 Akzeptabler Spielraum : Süd-West bis Süd-Ost, Folie 5

6 Nutzung der Sonnenenergie Sonneneinstrahlung Aktive Nutzung Passive Nutzung Solarthermie Wärme Photovoltaik Strom Solararchitektur z.b. Südausrichtung der Fensterflächen Folie 6

7 Folie 7

8 Kollektortypen - Absorber Folie 8

9 Kollektortypen - Flachkollektor Folie 9

10 Kollektortypen - Vakuumröhrenkollektor Folie 10

11 Funktionsprinzip einer thermischen Solaranlage zur Brauchwassererwärmung Folie 11

12 Rahmendaten einer Solaranlage zur Brauchwassererwärmung Kollektorfläche 1 bis 1,3 m 2 pro Person (Flachkollektor) bzw. 0,8 bis 1,0 m 2 (Vakuumröhrenkollektor) Speichergröße 2 - fache des Warmwasser - Tagesbedarfs (ca. 45 Liter pro Person und Tag) Kosten Ab ca inkl. Installation (4m 2 Flachkollektor Liter Speicher) Einsparung ca. 60% des Energiebedarfs für Brauchwarmwasser pro Jahr (entspricht ca. 5-10% des Heizenergiebedarfs pro Jahr) Folie 12

13 Funktionsprinzip einer thermischen Solaranlage mit Heizungsunterstützung Folie 13

14 Rahmendaten einer Solaranlage mit Heizungsunterstützung Kollektorfläche 0,9 bis 1,0 m 2 pro 10 m 2 Wohnfläche (Flachkollektor) bzw. 0,5 bis 0,8 m 2 pro 10 m 2 Wohnfläche (Vakuumröhrenkollektor) Speichergröße 50 Liter pro m facher Warmwasserverbrauch in Liter pro Tag (ca. 45 Liter pro Person und Tag) Kosten Ab ca inkl. Installation (10m 2 Flachkollektor Liter Speicher) Einsparung ca. 15 bis 25% des Heizenergiebedarfs pro Jahr Folie 14

15 Förderprogramme für KMU Nutzung Erneuerbarer Energien im Rahmen des Marktanreizprogramms des BMU (BAFA) Förderung von solarthermischen Anlagen 60 /m 2 Kollektorfläche, mindestens 410 für Anlagen zur Warmwasserbereitung 105 /m 2 Kollektorfläche für Anlagen zur Heizungsunterstützung, zur Bereitstellung von Prozesswärme und zur solaren Kühlung 45 /m 2 Kollektorfläche für Erweiterung von Solaranlagen Bonusförderung in Höhe von 750 bei gleichzeitigem Einbau eines Brennwertkessels, Holzfeuerungsanlage oder Wärmepumpe Der Antrag auf Basisförderung ist innerhalb von 6 Monaten nach Betriebsbereitschaft der Anlage zu stellen Folie 15

16 Förderprogramme für KMU Progres.nrw Programmbereich Markteinführung Fördersätze Solarthermie 200 /m 2 Kollektorfläche, Kollektoren in Passivhäusern, in 3-Liter-Häusern, in Solarsiedlungen, in Gebäuden mit mehr als zwei Wohneinheiten, Multiplikatoranlagen und in Gewerbebetrieben 300 /m 2 Kollektorfläche Für die Erzeugung solarer Prozesswärme in Verbindung mit Vakuumröhrenkollektoren Folie 16

17 Komponenten einer Photovoltaikanlage Folie 17

18 Funktionsprinzip einer Solarzelle Elektrisches Feld Folie 18

19 Funktionsprinzip einer Solarzelle Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial dotiert. Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuß (p-leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n-leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann. Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein so genannter p-n-übergang. An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom. Folie 19

20 Solarzellenarten Solarzellen werden bis heute fast ausschließlich aus Silizium hergestellt. Andere Materialien, wie z.b. Cadmium-Tellurid-Sulfid oder Kupfer-Indium-Diselenid werden ähnlich wie amorphes Silizium in Dünnschichttechnik verarbeitet. Bei Silizium- Solarzellen unterscheidet man je nach Art ihrer Herstellung zwischen monokristallinen, polykristallinen und amorphen Solarzellen. Neben den unten angegebenen typischen Färbungen sind inzwischen auch andere Farben erhältlich (gelb, gold, grün, braun, violett), die jedoch das Sonnenlicht stärker reflektieren und deshalb im Wirkungsgrad bis zu einem Drittel unter der Standardfärbung liegen. Folie 20

21 Solarzellenarten Monokristalline Solarzellen haben eine einheitliche, dunkelblaue bis schwarze Färbung. Sie bestehen aus einer Scheibe eines hochreinen, gezogenen Silizium-Einkristalls. Mit ihnen sind die höchsten Wirkungsgrade erreichbar (ca %), allerdings sind sie in der Herstellung am teuersten. Polykristalline Solarzellen sind ebenfalls blau gefärbt, jedoch nicht ganz so dunkel wie die monokristallinen. Mehr oder weniger deutlich zu erkennen ist bei diesem Zellentyp eine Kristallstruktur, die sich aus dem Herstellungsvorgang ergibt. Polykristalline Solarzellen bestehen aus einer Scheibe eines gegossenen Siliziumblockes. Beim Abkühlen des flüssigen Siliziums entstehen verschieden ausgerichtete, voneinander abgegrenzte Kristallkörner. Polykristalline Solarzellen sind etwas preisgünstiger in der Herstellung als monokristalline, dafür nicht ganz so effizient. Ihr Wirkungsgrad beträgt ungefähr 14 %. Folie 21

22 Solarzellenarten Amorphe Solarzellen erkennt man an ihrer einheitlich dunkelbraunen bis violetten Färbung. Sie bestehen aus einer dünnen Siliziumschicht, die auf ein Trägermaterial (z.b. eine Glasscheibe) aufgedampft wird. Sie sind in der Herstellung am kostengünstigsten, haben aber mit nur % den geringsten Wirkungsgrad. CIS-Dünnschicht-Solarzellen Das aktive Halbleitermaterial bei CIS-Solarzellen ist Kupfer- Indium-Diselenid, ihre Farbe ist schwarz. Der Wirkungsgrad beträgt 7,5% bis 9,5%. CdTe-Dünnschicht-Solarzellen Das photoaktive Material bei diesen Solarzellen besteht aus Cadmium-Tellurid. CdTe ist als Verbindung ungiftig und sehr stabil. Die Farbe der Zellen dunkelgrün spiegelnd bis schwarz. Der Wirkungsgrad der CdTe-Module beträgt 6% bis 9%. Folie 22

23 Rahmendaten einer Photovoltaikanlage Flächenbedarf: Pro 1 kw p elektrischer Leistung wird eine Modulfläche von ca. 10 m 2 benötigt Energieertrag pro Jahr: Südausrichtung > 850 kwh/kw p Lebensdauer der Module: > 30 Jahre Kosten: Ab ca pro kw p bei einer 1 kw p Anlage inkl. Inst. Ab ca pro kw p bei einer 10 kw p Anlage inkl. Inst. Einspeisevergütung 2009 (EEG): 43,01 Cent/kWh bis 30 kw p 40,91 Cent über 30 kwp bis 100 kw p 39,58 Cent/kWh über 100 kw p Folie 23

24 Montagevarianten einer Photovoltaikanlage Schrägdachmontage Folie 24

25 Montagevarianten einer Photovoltaikanlage Dachintegration Folie 25

26 Montagevarianten einer Photovoltaikanlage Flachdachaufständerung Folie 26

27 Photovoltaik und Solarthermie - Best-Practice-Beispiele aus KMU

28 Photovoltaikanlage Investor: HolzFormArt, Krefeld Initialberatung durch die EA.NRW Elektrische Gesamtnennleistung: 57,75 kw p Ausrichtung: Süden / Neigungswinkel: 35 Montageart: Flachdachaufständerung Flächenbedarf: ca m 2 Investitionssumme (netto): Euro Finanzierung: KfW-Unternehmerkredit % Finanzierung Stromertrag: ca kwh/a Stromerlöse: ca /a (EEG) Amortisationszeit: ca. 12 Jahre CO 2 -Einsparung: ca. 32 t/a Folie 28

29 Photovoltaikanlage Investor: Riedel Recycling GmbH, Moers Elektrische Gesamtnennleistung: 837 kw p Ausrichtung: Süden Neigungswinkel: 35,55 und 75 Montageart: Aufdachmontage Montagedauer: 3 Monate Flächenbedarf: ca m 2 Modultyp: Dünnschichtmodule (CdTe) Anzahl der Module: (Modulfläche 0,72 m 2 ) Spezifische Investitionskosten (netto): ca Euro/kW p Stromertrag: ca kwh/a (Stromverbrauch von ca. 170 Haushalten) CO 2 -Einsparung: ca. 800 t/a Folie 29

30 Prozesswärmeanlage für die Galvanik Investor: Steinbach & Vollmann, Heiligenhaus Nennwärmeleistung: 180 kw Ausrichtung: Süden Neigungswinkel: 40 Bauart: Vakuumröhrenkollektoren Kollektorfläche: 400 m 2 Montageart: Aufdachmontage Montagedauer: 6 Wochen Reduzierung des Erdgasverbrauchs um ca. 35 bis 40 % CO 2 -Einsparung: ca. 20 t/a Amortisationszeit: etwa 7 Jahre (Landesförderung berücksichtigt) Folie 30

31 Wärmepumpe plus Solarthermie im Kfz-Betrieb Investor: BS Autoservice GmbH, Geldern Initialberatung durch die EA.NRW Neubau eines Firmengebäudes beheizte Fläche ca. 450 m 2 Einsatz einer Wärmepumpe in Kombination mit einer solarthermischen Anlage Sole-Wasser-WP mit einer Wärmeleistung von 32 kw th Erdkollektoren: Rohrschlangen mit einer Länge von Metern (Tiefe 1,5 m) Wärmeverteilung in der Werkstatt und im Büro über Fußbodenheizung Flachkollektor 18 m 2 plus Pufferspeicher mit einem Volumen von Litern zur Warmwasserbereitung plus Heizungsunterstützung Investitionssumme (netto): ca Einsparung an Heizenergie auf fossiler Basis: ca kwh/a CO 2 -Einsparung: ca. 10 t/a Folie 31

32 EnergieAgentur.NRW Kasinostraße Wuppertal Dipl.-Ing. Gerald Orlik Tel / EnergieAgentur.NRW c/o MWME NRW Haroldstr Düsseldorf Dipl.-Ing. Tel / Folie 32

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