DIE ZUKUNFT DER PHOTOVOLTAIK WER WIRD VOM»2. GOLD-RAUSCH«PROFITIEREN?

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1 DIE ZUKUNFT DER PHOTOVOLTAIK WER WIRD VOM»2. GOLD-RAUSCH«PROFITIEREN? Prof. Dr. Eicke R. Weber Leiter Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg Erneuerbare Energie im Energiesystem 2.0 Fürstenberg-Forum Stuttgart, 23. September

2 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Forschung für die Energiewende größtes europäisches Solarforschungsinstitut mit ca Mitarbeitern (inkl. Studenten) 16 % Grundfinanzierung 84 % Projektforschung, 29 % Industrie, 55 % öffentlich 86,7 Mio. Budget (2013, inkl. Investitionen) > 10 % Wachstumsrate (bis 2013) 2

3 Fraunhofer ISE Außenstandorte Fraunhofer Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen LSC, Nordrhein-Westfalen Fraunhofer Technologiezentrum Halbleitermaterialien THM, Freiberg, Sachsen Fraunhofer Center für Silizium Photovoltaik CSP, Halle/Saale Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems CSE, Boston/USA Fraunhofer LSC Fraunhofer THM Fraunhofer CSP 3

4 Fraunhofer ISE 12 Geschäftsfelder Fotos Energieeffiziente Gebäude Silicium-Photovoltaik III-V- und Konzentrator- Photovoltaik Farbstoff-, Organische und Neuartige Solarzellen Photovoltaische Module und Kraftwerke Solarthermie Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Systemintegration und Netze Strom, Wärme, Gas Energieeffiziente Leistungselektronik Emissionsfreie Mobilität Speichertechnologien Energiesystemanalyse 4

5 Eine radikale Transformation unseres globalen Energiesystems ist erforderlich Verknappung fossiler Brennstoffe Fossile Brennstoffe werden knapper. 5

6 Eine radikale Transformation unseres globalen Energiesystems ist erforderlich Verknappung fossiler Brennstoffe Gefahr katastrophaler Klimaveränderungen Risiko von Nuklearunfällen/ Endlagerfrage Abhängigkeit von Importen aus politisch unstabilen Regionen Die Welt wird wärmer. Dazu kommen seit Kurzem: Zunehmende wirtschaftliche Chancen! 6

7 Energiewende Die Transformation des Energiesystems erfordert: verbesserte Energieeffizienz in Gebäuden, Transport (e-mobilität) und Produktion Rascher Ausbau der regenerativen Energien, wie Photovoltaik, Solarthermie, Wind- und Wasserkraft, Geothermie und Biomasse, in Richtung auf eine Zukunft mit 100 % regenerativen Energien Entwicklung von Speichertechnologien Ausbau des Stromnetzes für dezentrale Einspeisung, weiträumigen Transport und intelligenten Verbrauch (Smart Grid) Integration des Strom-, Gas- & Wärmenetzes 7

8 Strom Herstellung aus erneuerbaren Energien Entwicklung in Deutschland Year 2012 Total* 22.9% PV 4.7% GW Bio 6.9% 40.9 Wind 7.7% GW Hydro 3.6% 21.2 * gross electricity demand 8

9 World EnergyRessources renewable finite World Energy Ressources (TWyear) SOLAR 23,000 per year per year Waves per year 3-11 per year OTEC WIND Natural Gas 215 Total 240 Total 2010 World energy use: 16 TWy per year 2 6 per year Biomass Petroleum 2050: 28 TW TIDES 0.3 per year 3 4 per year HYDRO per year Geothermal Total Uranium R. Perez et al. 900 Total reserve 9 COAL

10 renewable finite World Energy Ressources (TWyear) SOLAR 23,000 per year per year Waves per year 3-11 per year OTEC WIND Natural Gas 330 Total 310 Total 2010 World energy use 16 TWy per year 2 6 per year Biomass Petroleum 2050: 28 TW TIDES 0.3 per year 3 4 per year HYDRO per year Geothermal Total Uranium R. Perez et al. 900 Total reserve 10 COAL

11 1954: Geburt der Photovoltaik 2014: 60 Jahre c-si PV! 1mm η = 6 % Slide Courtesy G. Willeke, Fraunhofer ISE 11

12 Die Kosten der Solarenergie Preis-Lernkurve der globalen c-si PV Steigung: Mit jeder Verdoppelung der global installierten Menge sank der Modulpreis um 20%! Preis-Lernkurve von PV-Modultechnologien seit Quelle: Navigant Consulting; EUPD Modulpreise (seit 2006), Grafik: PSE AG

13 Durschnittlicher Preis für Dachanlagen in Deutschland (10 kwp bis 100 kwp) Stromgestehungskosten von 0,10-0,15 /kwh Quelle: BSW-Solar, Grafik: PSE AG

14 Ausblick Photovoltaik (PV)-Weltmarkt Beispiel: Sarasin Bank, Nov. 2010: 110 Gigawatt 2020 Marktausblick 2010: 30 GW/a für 2014, 110 GW/a für 2020 jährl. Wachstumsrate: im Bereich % Mit > 35 GW 2013, > 45 GW 2014 (e) bereits weit über Vorhersage! Quelle: Sarasin, Solar Study, Nov

15 Entwicklung der globalen PV-Installationen Installierte Leistung in fünf Jahren mehr als verzehnfacht! 15 Quelle: EPIA PV Report Mai 2014

16 16

17 PV Produktions-Technologien seid 1980 Produktion 2011 (MWp) Dünnschicht Ribbon-Si 120 Multi-Si Mono-Si Quelle: Navigant Consulting, Grafik: PSE AG

18 Technologietreiber Photovoltaik Beispiel Laser gefeuerte Kontakte einfache Methode um lokale Al-basierte Kontakte herzustellen Rest der Rückseite wird gut passiviert»fliegender«prozess mit kleinen Spiegeln: > Kontakte/s kontaktloser Prozess in der Linie LFC with local Al-BSF Laser Rotierender Spiegel fokussierende Linse Si-wafer mit Al-Schicht Quelle: A. Grohe et al., in Proc. 21st EU-PVSEC (Dresden, 2006) 18

19 Introduction Crystalline Silicon Technology Portfolio material quality diffusion length base conductivity device quality passivation of surfaces low series resistance light confinement material quality cell structures PERC: Passivated Emitter and Rear Cell MWT: Metal Wrap Through IBC-BJ: Interdigitated Back Contact Back Junction HJT: Hetero Junction Technology Industry Standard 14% PERC 15% BC- HJT IBC-BJ HJT MWT- PERC 16% module efficiency 21% 20% 19% 18% 17% device quality Adapted from Preu et al., EU-PVSEC

20 Photovoltaik - Entwicklung von Angebot und Nachfrage Produktionskapazitäten und Nachfrage nähern sich an [GW] China will den Aufbau von Produktionskapazitäten bremsen Nachfrage >50 GW könnte schon 2015 zu Engpässen führen Produktionskapazitäten Nachfrage * 2014* 2015* 2016* Quellen: EPIA, JRC, Mercom, isuppli, BNEF, IEA, Photon, SW&W, Bloomberg, Solarbuzz und eigene Schätzungen? *vorläufig/geschätzt

21 Globaler PV-Markt Prognose bis 2017 Prognose der Entwicklung von Angebot und Nachfrage im globalen PV-Markt. Quelle: Lux Research Inc., Grafik: PSE AG 21

22 PV-Produktionskapazität nach Regionen Wird China den 100 GW/a Weltmarkt 2020 dominieren? Anteile der Produktionskapazität von PV-Modulen nach Regionen von Quelle: Navigant Consulting, Grafik: PSE AG

23 Energy Resources xgwp European Gigawatt Fab VISION: European PV system industry as column of European energy transformation and competitiveness Industrial network Close partners downstream & upstream New business models Political innovation Business model innovation European cooperation Motor: Germany & France European innovation network leading research institutes directly involved Permanent high level of innovation Cheaper Solar Power Higher efficiency Lower costs Better characteristics 23 New PV Process Technologies.. Entrepreneurial innovation Product innovation Process innovation Technical innovation Less material needed Less process steps Higher automation Higher quality VISION: Disruptive PV with next technology generation Combining experiences: PV silicon technology, microeletronics, nanotech 23

24 Täglicher Stromverbrauch Juli 2013 Fab Dienstag, den in kw :00:00 00:45:00 01:30:00 02:15:00 03:00:00 03:45:00 04:30:00 05:15:00 06:00:00 06:45:00 07:30:00 08:15:00 09:00:00 09:45:00 10:30:00 11:15:00 12:00:00 12:45:00 13:30:00 14:15:00 15:00:00 15:45:00 16:30:00 17:15:00 18:00:00 18:45:00 19:30:00 20:15:00 21:00:00 21:45:00 22:30:00 23:15:00 Uhrzeit Grafik: Ralf Hofmann, CEO KACO 24

25 Täglicher Stromverbrauch August 2013 Fab 5 mit 2 MW PV System Dienstag, den In kw :00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 02:30:00 03:00:00 03:30:00 04:00:00 04:30:00 05:00:00 05:30:00 06:00:00 06:30:00 07:00:00 07:30:00 08:00:00 08:30:00 09:00:00 09:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 01:30:00 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00 18:00:00 18:30:00 19:00:00 19:30:00 20:00:00 20:30:00 21:00:00 21:30:00 22:00:00 22:30:00 23:00:00 23:30:00 Uhrzeiten Kosten: 2M, Einsparung Stromkosten: /a! Grafik: Ralf Hofmann, CEO KACO

26 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling Comprehensive analysis of the overall system Electricity generation, storage and end-use Fuels (including biomass and synthetic fuels from RE) REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Slide courtesy Hans-Martin Henning 2014 Mobility (batteryelectric, hydrogen, conv. fuel mix) Heat (buildings, incl. storage and heating networks) Processes in industry and tertiary sector 26

27 Optimization of Germany s future energy system based on hourly modeling erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 120 GW 32 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher 0 5 Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 60 GWh Brennstoffe 394 Erdgas Biomasse Treibstoff Verkehr Sabatier 0 Methan-Sp. 0.0 GWgas Gasturbine 1 GW GuD-KW 3 GW KWK-GuD GWel 20 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 40 Gebäude 59 Solarthermie GWth Wärmenetze mit GuD-KWK REMod-D Renewable Energy Model Deutschland Slide courtesy Hans-Martin Henning Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) ungenutzter Strom (Abregelung) KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 103 GWh % Wert % Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 9 GWth 8 45 Gebäude 60 Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe 4 gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 420 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 420 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude Gaskessel 32 GWth Gebäude Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe Einzelgebäude mit Gaskessel Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 27

28 Electricity generation erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien PV Wind On Wind Off Wasserkraft Atom-KW Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW 147 GW 120 GW 32 GW 5 GW 0 GW 7 GW 3 GW 0 GW Slide courtesy Hans-Martin Henning Elektrolyse 33 GWel H2-Speicher Batterien 4 9 Pump-Sp-KW 7 24 GWh 60 GWh Biomasse Sabatier 0 Methan-Sp. 0.0 GWgas 0 23 Brennstoffe 394 Erdgas Treibstoff Verkehr Photovoltaics GW el 0 6 Gasturbine 1 GW KWK-GuD GWel 20 W-Speicher 173 GWh WP zentral GWth 40 Gebäude 59 Solarthermie GWth Wärmenetze mit GuD-KWK Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV) GW ungenutzter Strom (Abregelung) 3 4 el 26 KWK-BHKW GWel Solarthermie 6 3 W-Speicher 15 W-Speicher 7 GWth 27 GWh Verkehr (ohne 173 GWh 5 Schienenverkehr/Strom) 8 WP zentral Wasserstoff-basierter Verkehr 7 GWth Gas-WP Gebäude 82 Traktion Gebäude 15 GWth 41 H2-Bedarf Batterie-basierter Verkehr Solarthermie 13 Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe Traktion GWth Wärmenetze mit Strombedarf 55 BHKW-KWK Brennstoff-basierter Verkehr Traktion 55 Brennstoffe 220 el. WP Sole W-Speicher Traktion gesamt GWth 103 GWh % Wert % Medium and large size CHP Mini-BHKW 23 4 W-Speicher 6 GWel 46 GWh Solarthermie 8 45 Gebäude Brennstoff-basierte Prozesse in 4 9 GWth 60 Industrie und Gewerbe gesamt 445 Solarthermie 3 22 Gebäude Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe 60 GW el 420 Solarthermie 25 4 GWth 26 Brennstoffe 420 Einzelgebäude mit Mini-BHKW 4 6 Wärmebedarf gesamt 388 el. WP Luft W-Speicher Solarthermie 12 6 W-Speicher Raumheizung Warmwasser ungenutzt 19 GWth 87 GWh 14 GWth 56 GWh Solarthermie 8 GWth 7 39 Gebäude Gaskessel 32 GWth Gebäude Geothermie 2 GWth 6 Gebäude 6 Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe GuD-KW 3 GW 0 3 Onshore Wind (connected to district heating) Einzelgebäude mit Gaskessel Offshore Wind 32 GW el 4 Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie 28

29 Investments vs. saved fuel cost in bill. p.a. Fuel price increase 2 % cumulatively avoided fuel cost 1072 bill. 1 % 851 bill. 0 % 679 bill. cumulative investments 515 bill. Slide courtesy Hans-Martin Henning

30 Die Transformation Kosten der Transformation of the energy system des Energiesystems Qualitative trend Darstellung of total der annual jährlichen cost Energiekosten jährliche cost per Kosten year Einsparungen (ca Mrd bis 2050!) w/o transformation business-as-usual Zusätzliche Heute today Investitionen mid century 2050 (ca. 500Mrd) Zeit (Jahre) time [years] 30

31 Die wahre Story der PV Deutschland schuf durch das EEG die Voraussetzungen für ein rasches Volumenwachstum der PV; die Kombination von weltführender Forschung und Technologieentwicklung mit dem wachsenden Markt ermöglichten uns, die Lernkurve sehr viel rascher als erwartet herunterzukommen. China als Staat und besonders die konkurrierenden Regionen stellten Investmittel zur Verfügung um PV-Fabriken bis zu 60 GW oder mehr zu bauen; über 50 % der Ausrüstung wurde bei uns geordert. Modulpreise fielen als Folge der zu rasch aufgebauten Kapazitäten in die Gegend von 0,50 /W p, zur Freude der Verbraucher bei uns und weltweit. Viele der heute bestehenden Produktionskapazitäten erlauben nicht, Module zu unter 0,50 /W p zu produzieren; wir erleben Insolvenzen oder Übernahmen und Stilllegung von Kapazitäten auf altem Equipment. Ab 2014 wird der zu Solar-Strompreisen von 5-8 ct/kwh weltweit rasch wachsende Markt neue Produktionskapazitäten verlangen. 31

32 Die wahre Story der PV Vorteile in Deutschland Deutschland schuf durch das EEG die Voraussetzungen für ein rasches Volumenwachstum der PV; die Kombination von weltführender Forschung und Technologieentwicklung mit dem wachsenden Markt ermöglichten uns, die Lernkurve sehr viel rascher als erwartet herunterzukommen. China als Staat und besonders die konkurrierenden Regionen stellten Investmittel zur Verfügung um PV-Fabriken bis zu 60 GW oder mehr zu bauen; über 50 % der Ausrüstung wurde bei uns geordert. Modulpreise fielen als Folge der zu rasch aufgebauten Kapazitäten in die Gegend von 0,50 /W p, zur Freude der Verbraucher bei uns und weltweit. Viele der heute bestehenden Produktionskapazitäten erlauben nicht, Module zu unter 0,50 /W p zu produzieren; wir erleben Insolvenzen oder Übernahmen und Stilllegung von Kapazitäten auf altem Equipment. Ab 2014 wird der zu Solar-Strompreisen von 5-8 ct/kwh weltweit rasch wachsende Markt neue Produktionskapazitäten verlangen. 32

33 Die wahre Story der PV Die EEG-Umlage Die EEG-Umlage wurde geschaffen, um die Zusatzkosten durch den Einspeisetarif für die erneuerbaren Energien auf alle Stromabnehmer zu verteilen. Von Anfang an waren die stromintensiven Unternehmen im internationalen Wettbewerb ausgenommen. Im Jahr 2009 wurde eine wesentliche Umgestaltung des Umwälzmechanismus dieser Kosten beschlossen. 33

34 Entwicklung der EEG-Umlage : Auszahlungen + 100%, EEG-Umlage + 400%! X 2 34

35 Die wahre Story der PV Die EEG-Umlage Die EEG-Umlage wurde geschaffen, um die Zusatzkosten durch den Einspeisetarif für die erneuerbaren Energien auf alle Stromabnehmer zu verteilen. Von Anfang an waren die stromintensiven Unternehmen im internationalen Wettbewerb ausgenommen. Im Jahr 2009 wurde eine wesentliche Umgestaltung des Umwälzmechanismus dieser Kosten beschlossen. Folge dieser Umgestaltung war ein rascher Anstieg der EEG-Umlage, obwohl die Auszahlungen an die Einspeiser erneuerbarer Energien nur mäßig stiegen. Der gegen die Energiewende aufgestellte Teil der Wirtschaft versucht erfolgreich, den Anstieg der EEG-Umlage zum Ausbremsen der weiteren Energiewende zu instrumentalisieren! 35

36 Die Zukunft der Photovoltaik Wer wird vom»2. Gold-Rausch«profitieren? Globale Überkapazität führte zu rapide gesunkenen Modul-Preisen, die den weltweiten Markt weiter beschleunigen; der 2. Gold-Rausch steht vor der Tür, der GW p /a Markt wird auf GW p /a wachsen. In naher Zukunft sind keine weiteren Preissenkungen zu erwarten, eher stabile oder sich leicht erholende Preise. PV-Zellen und -Module sind keine commodity, technologischer Fortschritt in dieser Spitzentechnologie erlaubt Preise und Kosten weiter zu senken. Die entscheidende Frage wird sein, ob wir diesen Schlüsselmarkt den asiatischen Herstellern überlassen oder unseren Technologiefortschritt nutzen, um selbst kommende Technologiegenerationen einzuführen Mit dem Verbundprojekt xgwp versuchen wir diese Position zu stärken. Wenn wir die forschungs- und industriepolitischen Weichen richtig stellen, haben wir eine Chance, unsere ausgezeichnete Stellung im internationalen Wettbewerb zur globalen Energiewende zu erhalten! 36

37 Das globale Supergrid der Zukunft 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Eicke R. Weber mit Hans-Martin Henning, Bruno Burger, Thomas Schlegl, Gerhard Stryi-Hipp 38

39 Zayed Future Energy Prize 39 World Future Energy Summit Abu Dhabi, January 20, 2014