- Studiengangsleiter FH Technikum Wien Erneuerbare urbane Energiesysteme Leitung Institut Erneuerbare Energie (

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1 Photovoltaik Hubert Fechner, Dipl.Ing., MSc., MAS - Studiengangsleiter FH Technikum Wien Erneuerbare urbane Energiesysteme Leitung Institut Erneuerbare Energie ( - Photovoltaik Power Systems Program der Internationalen Energieagentur (IEA) Board member and deputy chairman ( Umweltmanagement Austria St.Pölten, 7. Oktober welche Potenziale die Nutzung von Photovoltaik in Österreich hat - die wirtschaftliche Situation der Photovoltaik-Nutzung, die Kosteneffizienz und auch die Kosten- bzw. Erlösentwicklung in den letzten Jahren - die Vor- und Nachteile der Photovoltaik-Nutzung im Vergleich zur Nutzung anderer erneuerbarer Energieträger - welche Bedeutung der Photovoltaik auf dem Weg zu einer Energiewende zukommt. - Entwicklungen, damit die Photovoltaik einen guten Beitrag in einem künftigen Energiesystem leiten kann. 1

2 Programm Geschichte, Technologieentwicklung Potentiale Markt Kostenentwicklung Industriepolitische Bedeutung Die Rolle der Photovoltaik im Energiesystem Gebäudeintegrierte Photovoltaik, Anlagenbeispiele Ausblick Funktionsprinzip Quelle: Energieagentur NRW 2

3 Geschichte, Technologie Alexandre-Edmond Becquerel ( ) Entdeckte und beschrieb den photovoltaischen Effekt im Jahre

4 The Solar Battery (Photovoltaics) Bell Lab Engineer, New Jersey Photovoltaik in der Weltraumtechnik 4

5 PV in Österreich 46 MW PV Anlage in Portugal Strom für Haushalte 5

6 Quelle: Vermindert Fotovoltaik die Umweltintensität des Schweizer Stroms? Erkenntnisse aktueller Ökobilanzen zu Strom aus Solarzellen, Matthias Stücki, Rolf Frischknecht 6

7 Potentiale, Marktsituation 7

8 Planned in 1997: Smaller contributions are foreseen from Photovoltaics (3 GW) Realität: Photovoltaik in EU-27 Ende 2010: 29.3 GW Photovoltaik neu in 2010: 13.0 GW Photovoltaik Weltmarkt China APEC Rest of World North America Japan EU Quelle: EPIA 8

9 Neue Stromerzeugungskapazitäten in Europa 2010 Quelle: European Wind Energy Association Photovoltaik realisierbare Potentiale und maximale Erwartungen Ein sehr unterschiedliches Bild Global: IEA Roadmap: 12% bis 2050 EU: EPIA Perspectives: 12% in der EU 27 bis 2020 Österreich: PV Verband, Roadmap: 8% bis 2020 Ökostromgesetz 2011: 1,2 TWh (ca. 2% bis MW) 9

10 Zuwachspotential Erneuerbarer Strom in Österreich bis in TWh Min Max. Flächenpotentiale in A: ca. 200 km² Wien: PV Potential auf Dächern: 21 km2 :sehr gut (>1100kWh/m2) 8 km2 : gut ( kwh/m2) Gesamt ca. 3 TWh (von ca. 15 TWh) Quelle: [Dürauer, 2011] Stromgipfel: 100% Strom aus Erneuerbaren bis 2020 am Vertreter aller Verbände + Verbund (Großwasserkraft) Kosten 10

11 Technologietrend Grid Parity Erzeugungskosten vs. Endkundenpreise Quelle: W. Hoffmann EPIA Industry Workshop (Sept. 2008) Grid Parity: Wenn Strom aus der PV Anlage (der Preis einer kwh aus Photovoltaik, der sich aus Anlagenkosten und Ertrag bei angenommenem 20 jährigem Betrieb der Anlage ergibt) gleich mit dem Strompreis des örtlichen Stromversorgers ist Solarstromanlagen seit 2006 um ca. 50% billiger 11

12 Netzparität Industriepolitische Bedeutung 12

13 Beschäftigte in Österreichs produzierender PV Wirtschaft bis 2020 (Ohne Planung, Installation, Handel, ) Quelle: Photovoltaik Made in Austria, Österr. Technologieplattform Photovoltaik, Österreich und Photovoltaik: Gute Industrie Geringer Heimmarkt 13

14 2009: Österreichische Technologie-Roadmap Photovoltaik Zeigt die Potentiale der österr. Wirtschaft auf, sich in dieser Sparte zu positionieren und gibt einen Weg für den österreichischen PV Markt vor. 2008: Österr. Technologieplattform Photovoltaik Partner: Forschungsorientierte, Innovative Industrie Ziel: Gemeinsame Aktivitäten, um sich am boomenden Weltmarkt nachhaltig positionieren und für hochwertige Arbeitskräfte in Österreich sorgen zu können Die Rolle von PV im Energiesystem (bei hoher Verbreitung) 14

15 Wenn Ökostrom in hoher Dichte anfällt Deutschland - Strom: Maximale Last: Minimale Last: PV installiert: Wind installiert: 80 GW 40 GW 17 GW 27 GW Was lässt sich auf 1m² gewinnen? Solarthermie: kwh/jahr Photovoltaik: 100 kwh/jahr und was ist der Bedarf? (Einfamilienhaus) Wärme: 40 kwh/m²jahr 6000 kwh/jahr Photovoltaik: 4000 kwh/jahr 20m² Solarthermie und 40 m² Photovoltaik 15

16 Ganz so einfach ist s nicht! Last + Erzeugungskurve privates Stromnetz (H0 Standardlastprofil) HH Stromprofil Werktag Höchstwertige Energieform (Exergie) - Erzeugung i.a. zu Zeiten der Spitzenabnahme 16

17 PV im Stromnetz in hoher Verbreitung z.b. Bayern: 7% des Jahresstromes aus PV > 30% im Juli, > 100% an sonnigen Sonntagnachmittagen im Juli 1.Halbjahr 2011: 3,5% der Bruttostromerzeugung in ganz Deutschland! Was passiert? Spannung im lokalen Netz (Verteilnetz) steigt an Darf gewisse Werte nicht überschreiten (EN 50160) Bei Erzeugungsanstieg im gesamten Stromsystem steigt auch die Frequenz Was tun? Abschalten? Netzzusammenbruch Maßnahmen bei zu viel PV im Stromnetz Demand Side Management Welche Lasten kann man beeinflussen Haushalt, Gewerbe, Kühlhäuser, Gebäudeklimaanlagen, Anreize angebotsabhängig zu konsumieren flexible Tarife Speicher Zentral (Wasserspeicher, Druckluftspeicher) Dezentral: Wechselrichter mit kleiner Speicherkapazität PV-Power Reduktion in Spitzenzeiten Regulierbare Ortsnetztransformatoren Elektrolyse Umwandlung in Wasserstoff - Brennstoffzelle Strom, Wärme Elektromobilität??? 17

18 Neue Pumpspeicher? Pumpspeicherkraftwerk Niederwartha, Dresden, Fallhöhe 145 m Leistung 120 MW Lösung: Die solar betriebene Energiezelle? 18

19 Bevorzugung gegenüber anderen Energieträgern lt. Ökostromgesetz bzw. Dt. EEG Als Merit Order (englisch für Reihenfolge der Leistung / des Verdienstes) bezeichnet man an der Strombörse die Einsatzreihenfolge der Kraftwerke. Diese setzt sich aus am Vortag abgegebenen stündlichen Preis Mengen Geboten der Stromanbieter zusammen. Die Kraftwerke erhalten, beginnend mit dem niedrigsten Preis, von der Börse einen Zuschlag, bis die prognostizierte Nachfrage gedeckt ist. Das letzte Gebot, das noch einen Zuschlag erhält, bestimmt den Strompreis, der dann für alle zustande gekommenen Lieferverträge bezahlt wird. Der Preis für Strom wird also durch das jeweils teuerste Kraftwerk bestimmt, das noch benötigt wird, um die Stromnachfrage zu decken. Die Erneuerbaren hatten 2009 einen entlastenden Effekt auf den deutschen Strompreis von 3,1 Milliarden, Quelle: Fraunhofer Institut, in Photovoltaik 5/2011 Auswirkungen des Solaalrstroms an der Strombörse PV 19

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21 Preise von Spitzenlast gehen zurück Spitzenstrom an 10 Tagen schon billiger als Grundlaststrom Peakload im Mittel derzeit 0,5 Cent teurer als Base Load, 2007: noch um 1,5 Cent Stromgroßverbraucher profitieren am meisten, zahlen jedoch keine EE Abgabe (da sie befreit sind) 16.Juli Uhr MW Strombedarf (in Deutschland): MW Photovoltaik MW Wind MW konventionelle KW s Steinkohle und Gaskraftwerke wurden abgeschaltet, nur mehr Grundlastkraftwerke in Betrieb, Strompreis daher von diesen bestimmt (merit order). 21

22 Gebäudeintegration, Anlagenbeispiele Die Zukunft: Jede geeignete Gebäudeoberfläche als aktives Solarelement 22

23 PV wird Teil des Stadtbildes PV ist erst am Anfang ^- 23

24 Quelle: Schott Solar 24

25 Gebäudeintegration Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle: - Technologie wird eine größere Akzeptanz finden, wenn sie optisch ansprechend eingebaut wird. Ziel: - Erfüllung von Doppelfunktion (Wetterschutz und Stromerzeuger) - Gestalterische Möglichkeiten - bzw. Photovoltaik so einbauen, dass man es nicht als solche erkennt. (unteres Beispiel) 25

26 Warum gebäudeintegrierte Photovoltaik? Bestehende Flächen zur Stromproduktion nutzen Ästhetische Anlagen errichten, für hohe Akzeptanz der Photovoltaik Andere Gebäudeteile ersetzen Zusätzliche Gebäudefunktionalitäten erreichen Neue Chancen für die Glasindustrie und die Bauwirtschaft - in Verbindung mit moderner Architektur 26

27 Gemeindezentrum Ludesch, Vorarlberg 17,5 kwp Power Tower Energie AG Linz, 66 kw WKO - Wien 55 kw ertex-solar 27

28 Co operative Insurance Tower Manchester/UK 391 kwp kwh/a Sharp Module (poly) Errichtung Tower: 1962 Baujahr 2004 (PV-Anlage) Vorher: 14 Millionen Mosaikplatten (20x20mm), die sich sukzessive lösten Solar Dachziegel Prefa 28

29 Dachelemente Farbige Gestaltung durch färbige Antireflexfolie Kriegerhorn ATB Becker 29

30 Lichteffekte ertex-solar rechts: Meckenheim AluKönigStahl/Schüco unten: Möbelmarkt St.Johann Tirol - ATB Becker 30

31 Klimahaus Bremerhaven Gebäude von heute PV darf niemals isoliert betrachtet werden - stets in der Gesamtheit der Gebäudeenergieversorgung Energybase Vienna: Passivhaus, 15 kwh/m² a Solar Cooling Photovoltaik 46 kw Wärmerückgewinnung, etc Kühlkosten im Juli für 6000 m²: % des üblichen Energiebedarfes inklusive verwendete Baumaterialien (LCA, ), Nutzerverhalten Signalwirkung der Photovoltaik 31

32 Energybase Wien 21 Herz-Jesu-Kirche in Plauen/D Denkmalschutz plus High-Tech: 220 Solarmodule auf 192 Quadratmetern produzieren jährlich rund Kilowattstunden Solarstrom. Foto: Solarwatt 32

33 Ales, Frankreich Farbstoffzelle Grätzelzelle 33

34 Cybertecture Egg Mumbai, India Cybertecture design offers provocative intelligence systems in India with the Cybertecture Egg office In the 21st Century, buildings will be different from 20th Century, say James Law Cybertecture International, They are no longer about concrete, steel and glass, but also the new intangible materials of technology, multimedia, intelligence and interactivity. Only recognizing this will bring a new form of architecture to light, namely a Cybertecture. James Law have been commissioned by Vijay Associate (Wadhwa Developers) to create an office unlike any other in Mumbai, India. The 32,000 sq m egg-shaped build will accommodate 13 floors of offices bringing together iconic architecture, environmental design, intelligent systems, and new engineering to create an awe-inspiring landmark in the city. The concept was inspired, according to the designers, by considering the world as an ecosystem allowing life to evolve. Elements of the design and intelligence systems will work together to give the building s inhabitants the best space to work in. And this includes monitoring their health. Within the building, there will be a series of innovative systems such as cybertecture health in the washroom which is designed to keep track of the inhabitant s health including blood pressure and weight. The data collected may be retrieved and sent to a doctor if deemed necessary. Technology and the working environment are united in the use of cybertecture reality which allows you to customize your favorite view and have real time scenery all around the world instead of the view the user currently has. The egg itself is orientated and skewed at an angle to create both a strong visual language and to alleviate the solar gain of the building, also there is a sky garden on the top of building which performs thermolysis (the dissipation of heat from the surface). PV panels will be installed on top of the building and a wind turbine on the sky gardens will generate electricity. A water filtration system will also be incorporated into the building to recycle grey water for flushing and irrigation purpose. By using this Egg shape, compared to a conventional building, the structure has approximately 10-20% less surface area. Within the building, an innovative structure derived from the skin of the egg creates up to 30m spans of columnless floors. The architecture is sleek and computer designed, with engineering that creates a building of high quality and geometric sophistication. It is hoped this building will act like a jewel for the new Central Business District of Mumbai, and will be a worthy neighbour to other esteemed buildings in the district. The building is due for completion by the end of Zusammenfassende Technologiebewertung Rohstoffeinsatz: Silizium nahezu endlos, andere Elemente problematischer (Cd, Indium, Selen, Tellur, Silber,..) Energieeinsatz: stark sinkend, ERZ bis unter 1 Jahr Kosten: dramatisch sinkend (2010 nur mehr 30% von 2006) Integrationsfähigkeit: fluktuierender Energieträger, nur mit begleitenden Maßnahmen (Speicher, DSM, Flexibilitäten ) Platzbedarf: optimal keiner, Ersatz anderer Flächen, Zusatznutzen Gesellsch. Akzeptanz: Sehr hoch 34

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36 Relevante PV Websites (Internationale Energieagentur - PVPS) (Europäische PV Vereinigung) (Österr. PV Bundesverband) (Österr. Technologieplattform Photovoltaik) (EU-Technologieplattform) 36