Förderung von regenerativen Energieprojekten durch den Solarenergieförderverein Bayern

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1 Förderung von regenerativen Energieprojekten durch den Solarenergieförderverein Bayern Gerd Becker Fachhochschule München - Solarlabor Solarenergieförderverein Bayern e.v. Inhalt 1. Einführung Anwendungen und Systemaufbau Solare Strahlungsleistung und Energie Markt für Photovoltaik 2. Technologie Physikalische Grundlagen Solarzellen und Entwicklungen Wechselrichter Kennlinien - Erträge 3. Förderprojekte des Solarenergieförderverein Bayern Solarenergieförderverein Bayern Wettbewerbe Strom aus der Gebäudehülle Vermessung Degradation Sonne in der Schule Sonstige 5. Simulation Modellierung von PV-Systemen, besonders PV-Generatoren Trends der Softwaresimulation 6. Zusammenfassung

2 Warum Photovoltaik PV? Es werden keine Ressourcen bei der Stromerzeugung benötigt Der Rohstoff Sand für Solarzellen ist unbegrenzt verfügbar Im Betrieb keine Rückwirkungen auf die Umwelt Produktion nur kleine Mengen giftiger Stoffe PV ist modular und skalierbar, kann überall eingesetzt werden Die Technik ist sehr zuverlässig 25 Jahre Garantie für Module Netzeinspeisung durch PV in Deutschland Jahr Absolut GWh (Mio. kwh) Netzeinspeisung prozentual 0,03 % 0,05 % 0,10 % 0,25 % 0,53 % 2,2 % Quellen : Verband der Netzbetreiber Berlin (2006 und 2007 Prognosen) 2030 Photovoltaics Guidebook for Decision Makers

3 Solarscater Anwendungen 1-MW-PV-Anlage Neue Messe München - Riem Photovoltaik statt Ziegeldach Inselsystem weitab vom Netz der Sonne nach Ein- oder zweiachsig nachgeführte Anlagen, wie z.b. Solon Mover Mehrertrag: Einachsig bis 20 %, zweiachsig bis 27 % in Deutschland, in Spanien über 30 %.

4 Netzgekoppelte Anlage Kosten bei Großanlagen: <~4000 /kw P Fernüberwachung über web 5-MW-Freilandanlage Leipziger Land (Quelle: Geosol) Inselsystem Die genutzte Solarenergie wird durch den Verbraucher bestimmt Speicher (Batterie) erforderlich, ggf. Zusatzgenerator! Aufwändige Leistungselektronik und Steuerung

5 8000 MW Entwicklung Weltproduktion Module Produktion weltweit Real 2536 MW nach 1818 MW Schätzung Quellen real Photon International und Photon Prognosewerte: Photovoltaics Guidebook for Decision Makers 100 Kostendegradation Solarmodule T /kw P Kosten 10 Derzeit /kw P (incl. Wechselrichter) bei Großanlagen 1 Quelle: Fraunhofer ISE Produktion kumuliert MW P

6 Strahlung - Leistung und Energie AM = Air Mass 63,5 MW/m² AM 1,5 Sonne Elektromagnetische Strahlung Erde AM 1 Lufthülle AM 0 = 1367 W/m² ( ) W/m² Maximale Strahlungsleistung auf waagrechte Fläche bei AM 1,5: ~1000 W/m² Strahlungsenergie auf waagrechte Fläche bei AM 1,5: ~( ) kwh/m² pro Jahr in Süddeutschland Standard-Test-Conditions STC: AM1, W/m². 25 C Globalstrahlung in Europa 1522 kwh/m² 1047 kwh/m² 1722 kwh/m² 1185 kwh/m² Auf horizontale Ebene; Werte Deutschland 2004, Spanien Mittelwerte

7 Klassische Solarzelle Monokristallines Silizium Si liegt in Form von Einkristallen vor pn-übergang Solarzelle: 0.3 mm n-schicht: sehr dünn damit Photonen bis zur Raumladungszone am pn-übergang kommen Polykristallines Silizium Si in Form von unregelmäßig zusammenhängenden Kristallen Sonst wie monokristalline Zelle negative Elektrode n-dotiertes Silizium Frontseitenkontakt schattet ab - + positive Elektrode Grenzschicht p-dotiertes S iliziu m Quelle: Volker Quaschning Reg. Energiesysteme Carl Hanser Verlag Wie funktioniert ein PV-Modul? Siehe Animation: Photonen von der Sonne setzen Elektronen-Löcher- Paare frei

8 Aufbau/Technologie Solargenerator Monokristallines Silizium (Beste Wirkungsgrade ~16 %) (Silizium liegt in Form von Einkristallen vor, zeichnet sich durch völlig regelmäßige Anordnung der Atome aus, die sich über den gesamten Materialblock erstreckt, Dicke der Zelle 0,3 mm Dickschichttechnik) Polykristallines Silizium (Beste Wirkungsgrade ~14 %) (Besteht aus kleinen zusammen hängenden Kristallen der Größe von Millimetern bis Zentimetern) Amorphe Dünnschichttechnik (Beste Wirkungsgr. ~6-7 %) (Bei amorphem Silizium (a-si: H) sind die Atome unregelmäßig angeordnet (amorph: griech. gestaltlos). Wegen des hohen Absorptionsvermögens des a-si: H genügen in der Solarzelle Schichten von 0.5 µm Dicke) Kupfer Indium Diselenid CIS (Beste Wirkungsgr. ~14 %) (Dünnschichttechnik, Halbleiter ähnlich Silizium, Kostensenkungspotential erwartet) Eigenschaften Dünnschicht-kristallin Der Ertrag eines Moduls hängt wesentlich von der Globalstrahlung und der Temperatur ab! Temperaturkoeffizienten Leistung Leerlaufspannung Dünnschicht (a-si) -0,2 %/K -0,33 %/K Kristallin -0,47 %/K -0,38 %/K Kurzschlussstrom +0,08 %/K +0,10 %/K Werden die Module warm, verlieren Dünnschichtmodule weniger Leistung besser geeignet für GIPV

9 Kennlinien Strom I = f(u) monokristalliner Solargenerator 200 A V 300 Leerlaufspannung Spannung 829 W/m² und 31 C 579 W/m² und 26 C 353 W/m² und 17 C Betrieb im MPP: Maximum-Power-Point Kennlinien von Globalstrahlung und Temperatur abhängig, Verschattung ändert Kennlinien drastische Leistungsminderung Bypass-Dioden erforderlich Wechselrichter Formt den vom Solargenerator gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom um Lebensdauer 8-12 Jahre Mit und ohne Trafo Bei großen Leistungen (MW) heute bester Wirkungsgrad 96 %, im Jahresmittel 94 % Master-Slave-Betrieb mit Verbesserung des Wirkungsgrades bei kleinen Leistungen Ein komplexes technisches Gerät: SINVERT Wechselrichter der 5-MW- Anlage Leipziger Land (Quelle: Geosol) Wechselrichter Leistung im kw Bereich

10 Erntefaktoren Die Herstellung von Solarzellen ist je nach Typ energetisch aufwändig Erntefaktor Standort Deutschland Standort Südeuropa 10 0 Mono- Poly- Amorphes CIS-Techno- Windenergie- kristallines kristallines Silizium logie konverter Silizium Silizium Ausblick Solarzellen Bestehend und weiter entwickelt Dickschichttechnik : Monokristallines und polykristallines Silizium Zukünftig stärker weiter entwickelt (Auswahl) Amorphe (gestaltlose) Dünnschichttechnik Kupfer Indium Diselenid (CIS) Cadmium Tellurid (CdTe) GaAs (Gallium Arsenide) Farbstoffzelle Konzentratorzellen

11 Konzentratorzellen Fresnel Linsen (1600 mm²) konzentrieren das Sonnenlicht auf die Zellen (3,14 mm²) Konzentrationsfaktor 512 Tandem Solarzellen Ga 0,35 ln 0.65 P/Ga 0.83 ln 0.17 As (Verbindungshalbleiter) mit η = 30% Nachführung erforderlich, viel Direktstrahlung erforderlich PV-Folien zur Dachabdichtung Aufbringung der Dachfolie mit integrierten 3-Lagen-Dünnschichtzellen

12 Elemente des solaren Bauens Glas-Glas PV-Module Schallschutzmodule bis 2,44 m* 5,10 m, Dämpfung db Dachintegriertes System Solarmodule an Stelle von Dachpfannen Geschindelt angeordnet Hinterlüftung Regensicherheit

13 Erträge netzgekoppelter Anlagen Der Ertrag also die in das Netz gespeiste Energie in kwh oder auch der spezifische Ertrag in kwh/kw P hängen ab: von der Globalstrahlung und damit Ausrichtung, Neigung, Verschattung, Verschmutzung von der Modultemperatur vom Wechselrichterwirkungsgrad von der technischen Verfügbarkeit der Anlage Beispielhafte Erträge in Deutschland PLZ Fest aufgeständerte Anlagen: Standort Nennleistung kw P Neigungswinkel Ausrichtung Lengenwang 42,31 20 S 5 O bis Nov Neuenmarkt 99,76 30 S bis Nov Hutschdorf 680,4 30 S bis Nov Oldenburg 36,48 30 S bis Nov Melle 42,84 20 S bis Nov Schw.-Hall 100,8 15 S-O S-W bis Nov Taufkirchen S bis Nov. Entnommen aus: Solar monitoring

14 Kennziffern zur Beurteilung des Betriebes Spezifischer Ertrag Gibt Auskunft über die geerntete Solarenergie, sollte in Deutschland bei Werten über 900 kwh/kw P liegen, besser über 1000 kwh/kw P. Performance Ratio Zeigt die Güte des Betriebes an, kann in Jahren mit wenig Globalstrahlung höher sein als in solchen mit hoher Einstrahlung. Sie sollte in Deutschland bei Werten über 75 % liegen, besser über 80 %. Hinweis zur Nennleistung Die Nennleistung von PV-Anlagen wird in kw P (Kilowatt Peak) angegeben. Bei neuen PV- Anlagen beachten. Möglichst keine Verschattung durch andere Module und Umgebung (Bäume) höchstens im einstrahlungsarmen Dezember. Die Module sollten sortiert sein, damit nur gleiche Module zusammen geschaltet werden. So werden die Mismatch-Verluste minimal. Die Nennleistung der Solarmodule liegt innerhalb einer gewissen Toleranz. Die tatsächliche Generatorleistung sollte nicht wesentlich von der Nennleistung abweichen. Der Solargenerator muss gut hinterlüftet sein Mindererträge durch Temperaturerhöhung der Module Jahreswirkungsgrad der Wechselrichter > 94 %

15 Umweltwirkungen - THG Stromnutzung in D Einheit: kg/kwh CO 2 - Äquivalente nur CO 2 prozentual 100%= BrK-rheinisch Stromnetz lokal Deutschland 0,6826 0, ,3% Kernenergie 0,0332 2,9% Braunkohle-rheinisch 1, ,0% Steinkohle-D-Vollwert 1, ,8% Wasser-KW-gross 0,0401 3,5% Windpark-mittel 0,0196 1,7% PV-mono 0,1764 0, ,3% PV-multi 0,1296 0, ,3% PV-amorph 0,0919 0,0800 8,0% Solarenergieförderverein Bayern e. V. (SeV) Dem SeV gehört die 1-MW-Solarstrom-Aufdachanlage Neue Messe München Inbetriebnahme jährlich ~ 1 Mio. kwh Stromerzeugung ~7 Mio. Gesamtinvestition 50 % E.ON Energie (vormals Bayernwerk), 10 % Siemens, 10 % Stadtwerke München, 10 % Bundesforschungsministerium, 20 % Bayerisches Wirtschaftsministerium Schenkung der Solardach-Anteile von E.ON Energie (71,6 %) und Siemens (14,2 %) an den Solarenergieförderverein Bayern e. V. (Stadtwerke München SWM spenden jährlich) Betrieb der Anlage durch Stadtwerke München für Solardach München-Riem GmbH (SMRG 85,8 % Solarenergieförderverein Bayern e. V., 14,2 % SWM) Einspeiseerlöse (~50 Cents/kWh) stehen abzüglich Betriebs- und sonstiger Kosten dem Solarenergieförderverein Bayern für seine Aktivitäten zur Verfügung.

16 10 Jahre Betrieb der 1-MW P -PV- Anlage München - Riem Erträge Jahr Einheit Globalstrahlung kwh/m² Netzeinspeisung MWh Spezifischer Ertrag kwh/kw P Anlage 1998 noch in der Optimierungsphase - Abnahme Wert der geografisch benachbarten Anlage Unterföhring -Werte für Mai und Juni teilweise falsch von der Messwertverarbeitung geliefert, manuell korrigiert 2006: vorläufig, Dezember 2006 geschätzt Betriebliche Störungen: Modulbruch von vier Modulen bei Sturm Wenige Fehler an Dioden und Klemmblöcken Keine Fehler an Verkabelung Probleme mit Wechselrichter Retrofit Degradationstests Unter Degradation versteht man die Verringerung der abgegebenen Leistung eines Moduls Degradation hängt von vielen Faktoren ab: Verschmutzung (haftende) Modul-Oberflächenveränderung Verstärkte Lichtbrechung bei nicht senkrechtem Lichteinfall) Eintrübung des Laminats Delaminierung Ablösungen des Laminats von den Zellen Verschlechterung der Kontaktierung (durch z. B. Feuchtigkeit oder mechanische Beanspruchung) Alterung der Zellen Mechanische Beschädigungen (Sprünge im Laminat, Rückseite mechanisch aufgerissen etc.) Ziel: Messwerte von lange im Betrieb befindlichen Anlagen

17 Resultate München-Riem Vermessung 130-W P -Module Fraunhofer ISE im Mai 2005 seit 1997 in Betrieb Dok. ID-No V OC /V I SC /A V MPP /V I MPP /V P MPP /W P MPP SDR A ,2 6,8 20,4 6,2 126,9-2,4% SDR A ,2 6,8 20,3 6,2 125,8-3,2% SDR A ,2 6,8 20,4 6,2 126,1-3,0% SDR A ,2 6,8 20,4 6,2 126,4-2,8% SDR A ,3 6,7 20,3 6,2 124,8-4,0% SDR A ,2 6,8 20,1 6,2 125,1-3,8% Mittel 125,9-3,2% "dunkle Module" Dok. ID-No V OC /V I SC /A V MPP /V I MPP /V P MPP /W P MPP SDR A ,3 6,9 20,6 6,3 130,1 0,1% SDR A ,3 6,9 20,5 6,3 129,8-0,2% SDR A ,3 7,0 20,5 6,4 131,1 0,8% SDR A ,4 7,0 20,5 6,4 130,5 0,4% SDR A ,3 7,0 20,5 6,4 130,5 0,4% SDR A ,3 6,9 20,5 6,3 129,7-0,2% Mittel 130,3 0,2% Dunkle Module : Keine Degradation In Betrieb: Messbare Degradation Gymnasium Puchheim Inbetriebnahme: September 1994 Nennleistung der Module: 53W P Vermessung drei Module: 52,1 W P (-1,7%) 52,8 W P (-0,4%) 52,0 W P (-1,9%) Erträge Gesamtanlage: ,1 kwh/kw P Mittel: 780 kwh/kw P ,7 kwh/kw P Mittel: 892 kwh/kw P ,4 kwh/kw P Mittel: 779 kwh/kw P

18 Warum GIPV? GIPV bietet: Wetterschutz, Wärme- und Schalldämmung gestalterisches Element sehr geringen Wartungsaufwand Imagegewinn für Betreiber und Architekten ästhetischen Zugewinn des Gebäudes besonderen Demonstrationseffekt Nutzung der vorhandenen Einrichtungen Bislang: Photovoltaik war allein Sache der Haustechniker Zukünftig: Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle gemeinsam mit Architekten Problematik: Ausrichtung und Neigung 83% 85% 95% 96% 100% 60% 62% 68% W 90 SW 45 70% 70% S SO 45 O 90 München 100% = 921 kwh/kwp Geneigte Flächen: 90 bzw. 45 Es sind nicht die hohen Erträge wie bei optimaler Aufstellung (Süd, Winkel ~20-50 ) zu erwarten, Abschläge bis 40 % treten auf!

19 Beispiele GIPV LH München Grundschule Markgrafenstr. 33 in München, lichtdurchlässige Dünnschichttechnologie in Überkopfverglasung, 2,5 kw p Stadtteil-Kulturzentrum Milbertshofen, fassadenintegrierte Dünnschichttechnologie, 4,7 kw p GIPV aus Wettbewerben SeV Nikolaus-Fiebiger-Zentrum für molekulare Medizin der Friedrich-Alexander- Universität Erlangen Zwei Anlagen: PV-Anlage Dach Solarmarkise 226 m² Gesamtfläche 22 kw Peak 12 Wechselrichter Anordnung: 20, 30 und 35 Neigung 727 kwh/kw P PV-Anlage Fassade-Solarjalousie 115 m² Gesamtfläche 7.7 kw P 5 Wechselrichter Anordnung: einachsige Nachführung 701 kwh/kw P

20 Wettbewerb 2005 Hochhaus Freiburg Ferienhaus Schwäbische Alb Privathaus bei Stuttgart Wettbewerb 2005 Gemeinschaftshaus Denzlingen Turnhalle Burgweinting Fraunhofer ISE Freiburg

21 Sonne in der Schule ~ 1000 PV - Anlagen in Schulen in Deutschland Süden: Solargenerator 1,1/1,06 kw P mit 1,0 kw Wechselrichter Norden: Solargenerator 1,08 kw P mit 0,85 kw Wechselrichter Schulen senden Betriebsergebnisse der PV- Anlagen via Internet oder Fax - zur Auswertung Rücklaufquote ~50% Start Über 10 Jahre Langzeiterfahrung Anlagen Sonne in der Schule Adalbert- Stifter- Gymnasium Passau Realschule Samtens Goetheschule Kassel Josef von - Fraunhofer Realschule München

22 Erträge Gesamtgebiet 2006 Durchschnitt Nord - Süd Sehr gut betreute Anlagen Mittelwert = 783 kwh/kw P - Gesamtgebiet: 437 Anlagen Schlecht betreute Anlagen, Schattenwurf, unbemerkter Geräteausfall Anzahl Anlagen < > 1100 Spezifische Jahresenergien in kwh/kw P Auffällig : Erträge < 500 kwh/kw P Meist Wechselrichter defekt!! Aber auch: PV Anlage unbemerkt abgeschaltet wegen Schulrenovierung Zähler wurde unbemerkt abmontiert Schattenwurf auf die Anlage Datenspeicher des Wechselrichters wurde durch Fehler in der Netzspannung gelöscht Schüler hatten den Wechselrichter unbemerkt abgeschaltet Kabelverbiss durch Marder Daher Unterstützung der Reparatur/Austausch defekter Wechselrichter (zusammen mit E.ON Bayern) und Untersuchung besonders auffälliger PV- Anlagen durch Fachleute.

23 Was zeigt Sonne in der Schule? Der langjährige erfolgreiche Betrieb von Photovoltaikanlagen (Start 1996) ist möglich. Eine gewisse Betreuung - bei aller Wartungsfreiheit - ist nötig. Abschattung oder versehentlich ausgeschaltete Wechselrichter mindern den Ertrag. Die Wechselrichter sind das kritische Betriebsmittel. Die meisten Erträge in Deutschland liegen zwischen kwh/kw P liegen, Spitzenwerte bis zu 1100 kwh/kw P sind möglich. Solare Prozesswärme für die Klosterbrauerei Andechs Geeigneter Prozess: Flaschenwaschmaschine Einschichtbetrieb, nicht an allen Werktagen in Betrieb Absorberfläche 520 m² Solarer Deckungsanteil von > 50 % Kurzzeitwärmespeicher ca. 70 m² Hocheffiziente Kollektoren für Prozesswärme: C, 10 bar Die Anlage soll später im Contracting betrieben werden

24 Solare Modellautos Projekttage Erneuerbare Energien des Franz-Marc- Gymnasiums Markt Schwaben eine gute Möglichkeit, Schülern Solarenergie nahe zu bringen! Simulation - Stand der Technik Ziel der Simulation ist eine möglichst genaue Vorhersage des Ertrages. Zahlreiche Simulationsprogramme sind am Markt: PVSOL, PVS, PVSYST, SOLEM. Sie arbeiten in Stundenschritten. Wetterdatengeneratoren stellen die Globalstrahlung und Temperatur am Standort bereit. Umfangreiche Datenbanken für Komponenten werden bereitgestellt. Verschiedene Modelle für Solargenerator und Wechselrichter (netzgekoppeltes System) sowie Batterien und Steuerung (zusätzlich bei Inselsystemen) sind vorgegeben. Lösung des beschreibenden Gleichungssystems für alle 8760 h des Jahres.

25 Simulation von PV-Anlagen Simulation - Software SolEm der Fachhochschule München Netzgekoppelte Anlagen Excel-Basis Programmcode offen Umfangreiche Komponentendatenbank Zahlreiche meteorologische Daten

26 Simulation von PV-Anlagen Ertragsprognose Globalstrahlung vieler Standorte Daten zahlreicher Module, Wechselrichter, Betriebsmittel Ergebnis kritisch würdigen PVSOL von Dr. Valentin Simulation von PV-Anlagen PVSYST der Uni Genf besonders für wissenschaftliche Ansprüche Auch Verschattungssimulation!

27 Auslegungssoftware- Solarmodule suchen passende Wechselrichter SITOP solar select 5.0 Siemens, Fürth Kenngrößen / Highlights Minutenmittelwerte Ausrichtung (Az / El) Automatismen zur Anwendungsunterstützung INSEL - Programmiersystem INSEL 7.0 Doppelintegral GbR Kenngrößen / Highlights Modulare Simulationsumgebung (grafische Programmiersprache) Jedes System einfach, schnell und präzise modellierbar (validiert) Umfangreiche Datenbanken

28 Software für Technologievergleich Greenius Free 3.0 DLR / FHTW Berlin Kenngrößen / Highlights -Unterschiedl. Technologien -Szenarien -Umfangreiche Wirtschaftlichkeit -Datenexport für Analyse Realität und Simulation Spezifischer Ertrag in kwh/kwp p SOLEM greenius Free PV*SOL Mittelwert RETScreen Messung Korrigiert Team 9 Team 8 Messung Team 7 Messung Korrigiert Team 6 Simulation Simulation Team 5 Team 4 Team 3 Team 2 Team 1

29 Ausblick: 3 D Solarwelt Zusammenfassung 1.Einführung Photovoltaik ist ein beachtlicher Nischenmarkt. Die Preise gehen nach unten. Systemaufbau - Solare Strahlung - Physikalische Grundlagen 2.Technologie Es gibt eine Vielzahl von Technologien für Solarzellen In näherer Zukunft wird wahrscheinlich die Dünnschichttechnologie an Bedeutung gewinnen In fernerer Zukunft werden neue Techniken wie die Farbstoffzelle hinzukommen Wechselrichter müssen zuverlässiger werden 3.Förderprojekte des Solarenergieförderverein Bayern Die Wettbewerbe Strom aus der Gebäudehülle zeigen, dass Photovoltaik ansprechend sein kann Sonne in der Schule liefert den Beweis, dass eine große Anzahl von Anlagen über viele Jahre funktioniert, aber eine gewisse Betreuung ist nötig! 5. Simulation Der Trend geht zur genaueren Simulation (bessere Modelle, Minutenmittelwerte) und zur 3-D-Darstellung Viel Arbeit ist bei der genauen Modellierung erforderlich

30 Ausblick Um die Kosten weiter zu reduzieren, sind erforderlich: Erhöhung des Zell-/Modulwirkungsgrades Reduktion des Zell-/Modulmaterialaufwandes, die Anzahl der Prozessschritte und der Prozessenergie Einführung von praktikablen Recyclingverfahren Verbesserte und vermehrte Massenfertigung in der Systemtechnik bei den Wechselrichtern Mehrfachanwendungen (GIPV) müssen häufiger genutzt werden Die Photovoltaik ist auf dem Weg dahin!