1.1: Empfohlene Literatur

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1 1. Einleitung Allgemeine Informationen: Prof. Dr.Uli Lemmer Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Tel: URL: Folien sind als.pdf-file von der LTI-Homepage herunterzuladen Prüfung: voraussichtl. schriftlich Vorkenntnisse: Quantenmechanik/Halbleiterbauelemente/ Thermodynamik hilfreich

2 1.1: Empfohlene Literatur 1.2 Empfohlene Bücher: Photovoltaic Solar Energy Generation (Springer Series in Optical Sciences) (Gebundene Ausgabe) von Adolf Goetzberger (Autor), Volker U. Hoffmann (Autor) ( 72,90) Photovoltaik: Solarstrahlung und Halbleitereigenschaften, Solarzellenkonzepte und Aufgaben (Broschiert) von Hans-Günther Wagemann (Autor), Heinz Eschrich (Autor) ( 22,90) Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme, m. CD-ROM ( 39,90)... Links auf der LTI-Homepage

3 1.2 Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2008/2009 Stand: Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Einleitung/Wirtschaftliche Aspekte Lemmer 2 Fr Energiequelle Sonne Lemmer 3 Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 4 Di Kristalline Silizium-Solarzellen Lemmer 5 Di Elektrische Eigenschaften I Lemmer 6 Di Elektrische Eigenschaften II Lemmer 7 Fr Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 8 Di Anorganische Dünnschichtzellen I Lemmer 9 Di Anorganische Dünnschichtzellen II Lemmer 10 Di Organische Solarzellen Lemmer 11 Di Third Generation Photovoltaics Lemmer 12 Di Third Generation Photovoltaics/R2R Lemmer - Weihnachtsferien 13 Di Systemtechnik I Lemmer 14 Fr Systemtechnik II Lemmer 15 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 16 Di Solarthermische Wärmenutzung I Lemmer 17 Di Solarthermische Wärmenutzung II Lemmer 18 Di Energieszenarien Lemmer 19? Exkursion Lemmer

4 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

5 1.3: Impressionen der Vorlesung: Solarzellen 1.5 Photovoltaik- Was ist eine Solarzelle? Licht wird von einem Halbleiter absorbiert Erzeugung von mobilen Ladungsträgern Front- Kontakt n-emitter (<1µm) p-basis (~300µm) BSF Rück- Kontakt Trennung von Ladungsträgern Elektrische Spannung an Kontakten Stromfluß im externen Stromkreis Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

6 1.6 Solarthermische Kraftwerke: Parabolrinnen Die Stromerzeugung in solarthermischen Kraftwerken ist im Prinzip billiger und auch schon im großen Maßstab realisiert.

7 1.7 Solarkollektoren: CPC-Vakuumröhrenkollektor Solarkollektoren zur Warmwassergewinnung sind relativ gut etablierte Systeme und zudem ausgefeilte optische und thermodynamische Systeme.

8 Passive Solarenergienutzung 1.8 Passive Solarenergienutzung ist die direkteste Form einer nachhaltigen Energieversorgung und hat noch riesige Potentiale.

9 Warum mit Solarenergie beschäftigen? Beschränkte Ressourcen an fossilen Brennstoffen - Ausstieg aus der Kernenergie?? - Klimawandel... Quelle: Heinloth

10 Warum mit Solarstrom beschäftigen? 1.10 Alle Szenarien für eine zukünftige Stromversorgung sehen einen wichtigen Beitrag der Solarenergie vor: Solarthermie Photovoltaik Nachhaltigkeitsszenario Stromerversorgung D (J. Nitsch et al.) D: 20 TWh Welt: 400 TWh aus 200 GW installierter PV-Leistung ( 2000 km 2 Solarzellenfläche)

11 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

12 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 1.12 Quelle: Kaltschmitt et al. Erneuerbare Energien

13 Primärenergieverbrauch nach Energiedaten 1 Exajoule Ländern und Regionen Tabelle 31 = J letzte Änderung: in Exajoule WELT 366,7 370,2 370,2 373,9 377,0 386,5 397,0 400,8 402,9 411,2 420,2 421,7 431,0 445,7 466,6 479,7 491,5 AFRIKA 16,4 17,1 17,2 17,8 18,1 18,8 19,2 19,7 20,1 20,8 21,2 21,7 22,3 23,4 24,5 25,2 25,7 NORDAMERIKA 94,6 95,4 97,3 99,3 101,5 102,6 105,1 106,4 107,4 110,3 113,2 111,3 112,7 113,2 115,6 116,9 115,9 118,2 - USA 80,6 81,3 82,9 84,6 86,3 87,4 89,5 90,5 91,3 93,8 96,4 94,5 95,7 95,5 97,5 98,0 97,2 99,1 SÜDAMERIKA 14,5 14,7 15,2 15,2 16,3 16,7 17,6 18,2 18,8 19,0 19,3 19,2 19,4 19,6 20,7 21,2 22,2 ASIEN (Nicht-OECD-Länder) 1) 76,5 78,4 81,8 86,1 90,3 95,8 99,4 101,6 102,6 105,5 108,0 110,0 116,3 125,4 138,7 147,5 157,0 - China 36,6 36,3 37,6 39,8 41,6 44,5 46,1 46,3 46,4 46,6 47,0 46,9 50,8 57,7 67,1 72,8 79,4 - Indien 13,4 13,9 14,5 14,8 15,4 16,2 16,8 17,4 17,8 18,9 19,2 19,5 20,0 20,6 21,7 22,5 23,7 EUROPA (OECD - Länder) 68,0 69,0 68,2 68,6 68,5 70,4 72,9 72,8 73,6 73,5 74,4 75,6 75,5 77,3 78,4 78,8 78,9 78,3 EUROPA (EU - 27) 69,3 69,5 68,1 68,0 67,8 69,8 72,1 71,6 72,1 71,6 72,2 73,8 73,6 75,3 76,1 76,2 76,3 - Deutschland 14,9 14,6 14,3 14,2 14,2 14,3 14,8 14,7 14,6 14,3 14,4 14,8 14,4 14,5 14,6 14,5 14,6 14,0 - Frankreich 9,5 10,1 9,9 10,1 9,7 10,1 10,7 10,4 10,7 10,7 10,8 11,1 11,2 11,4 11,5 11,6 11,4 11,2 - Großbritannien 8,9 9,2 9,2 9,3 9,3 9,4 9,8 9,5 9,6 9,7 9,8 9,8 9,6 9,7 9,8 9,8 9,7 9,5 - Italien 6,2 6,4 6,3 6,3 6,2 6,7 6,7 6,8 7,0 7,1 7,3 7,3 7,3 7,6 7,7 7,8 7,7 7,8 - Spanien 3,8 4,0 4,0 3,9 4,1 4,3 4,2 4,5 4,7 5,0 5,2 5,4 5,5 5,7 6,0 6,1 6,1 6,2 - Niederlande 2,8 3,0 2,9 3,0 3,0 3,1 3,2 3,1 3,1 3,1 3,2 3,3 3,3 3,4 3,5 3,4 3,4 3,5 EUROPA (Nicht-OECD-Länder) 5,9 4,9 4,5 4,4 4,1 4,4 4,6 4,5 4,3 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,4 4,5 Frühere SU 59,4 58,6 52,4 48,4 42,5 40,7 39,7 38,0 37,3 37,9 38,5 38,9 39,1 40,7 40,9 41,6 42,6 PAZIFIK (OECD-Länder) 2) 26,7 27,2 28,2 29,1 30,6 31,8 33,1 34,0 33,2 34,3 35,4 35,0 35,6 35,6 36,6 36,8 37,0 37,5 - Japan 18,6 18,8 19,2 19,3 20,4 21,0 21,4 21,7 21,3 21,6 22,0 21,7 21,7 21,5 22,2 22,1 22,1 21,9 - Australien 3,7 3,6 3,7 3,9 3,9 4,0 4,2 4,3 4,5 4,5 4,6 4,5 4,7 4,7 4,7 5,1 5,1 5,4 Energieeintrag der Sonne pro Jahr: J

14 Primärenergieverbrauch: Welt 1.14 Quelle: IEA

15 Indikatoren des Energieverbrauchs Energieverbrauch Energieverbrauch pro Kopf pro Kopf (in GJ) 1.15 Energiedaten Tabelle 32 letzte Änderung: WELT 9,5 9,5 AFRIKA 25,9 26,2 NORDAMERIKA 263,3 260,6 - USA 322,4 320,7 SÜDAMERIKA 40,7 40,5 ASIEN (Nicht-OECD-Länder) ohne China 18,9 19,3 - Indien 15,8 16,1 CHINA 32,1 31,4 MITTLERER OSTEN 72,8 78,0 EUROPA (OECD - Länder) 136,7 137,8 EUROPA (EU - 27) 146,6 146,5 - Deutschland 187,6 182,4 - Frankreich 163,8 172,2 - Großbritannien 155,3 159,6 - Italien 109,3 112,0 - Spanien 97,9 101,5 - Niederlande 188,0 197,2 EUROPA (Nicht-OECD-Länder) 99,4 82,8 Frühere SU 205,3 201,9 PAZIFIK (OECD-Länder) 1) 115,4 113,1 - Japan 150,5 151,7 OECD-Länder gesamt 182,7 176,8 D in 2007: 170 GJ In D also im Schnitt ein andauernder Verbrauch von ,8 8,7 8,5 8,5 8,4 8,3 8,2 8,0 26,2 26,0 26,0 26,0 26,8 27,3 27,5 27,4 271,5 275,3 267,5 267,9 266,4 269,6 269,9 265,1 268,0 335,7 341,3 331,0 331,9 327,8 331,4 330,2 324,1 327,6 46,0 46,0 45,3 45,0 44,8 46,6 47,3 48,8 22,9 23,2 23,5 23,8 24,2 25,2 25,7 26,3 18,9 19,0 18,9 19,1 19,3 20,1 20,6 21,4 37,0 37,0 36,7 39,5 44,6 51,5 55,5 60,2 95,6 98,1 99,7 103,7 104,7 109,4 112,9 115,6 142,2 142,6 144,2 143,1 145,6 146,7 146,8 146,2 144,6 148,5 149,5 152,4 151,5 154,4 155,4 155,0 174,0 174,8 179,5 175,0 176,3 177,3 175,3 177,2 170,2 177,2 178,0 182,1 181,3 183,2 184,7 184,1 180,6 178,3 165,3 166,3 166,1 161,3 163,7 163,2 163,1 159,9 156,3 125,0 127,4 127,6 127,4 131,7 131,9 132,7 131,0 133,1 124,5 129,6 131,4 133,3 135,6 139,4 139,8 137,3 138,9 196,7 200,9 204,9 205,1 210,1 212,6 211,4 205,3 211,7 66,7 72,0 75,2 76,8 79,9 80,5 81,7 84,7 131,7 133,9 135,4 136,5 142,5 143,3 146,2 149,8 128,6 133,8 143,1 144,7 149,0 152,8 159,8 165,0 171,1 170,6 173,8 170,6 170,4 168,6 174,0 173,1 172,9 171,3 181,2 183,1 181,4 181,7 182,1 183,6 185,5 187,9 192, J s 5391W

16 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern Primärenergieverbrauch: Deutschland 1.16 Energiedaten Tabelle 4 Deutschland letzte Änderung: in Petajoule (PJ) Energieträger Mineralöl Steinkohle Braunkohle Erdgas, Erdölgas Kernenergie Wasser- und Windkraft 1) 3) Außenhandelssaldo Strom Sonstige 2) Gesamtverbrauch Anteile in % Energieträger Mineralöl 35,0 37,8 39,2 40,1 40,0 39,9 39,4 39,4 39,8 39,1 38,2 38,0 37,3 36,6 35,6 35,7 34,7 33,6 Steinkohle 15,5 15,9 15,3 14,9 15,1 14,4 14,2 14,1 14,2 13,7 14,0 13,3 13,4 13,9 13,0 12,5 13,3 14,2 Braunkohle 21,5 17,2 15,2 13,9 13,1 12,2 11,4 10,9 10,4 10,3 10,8 11,1 11,5 11,3 11,2 11,0 10,7 11,5 Erdgas, Erdölgas 15,4 16,5 16,6 17,6 18,1 19,6 21,2 20,5 20,8 21,0 20,7 21,4 21,8 22,1 22,2 22,3 22,1 22,3 Kernenergie 11,2 11,0 12,1 11,7 11,6 11,8 12,0 12,7 12,2 13,0 12,9 12,7 12,5 12,5 12,4 12,3 12,4 11,0 Wasser- und Windkraft 1) 3) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,6 0,5 0,5 0,6 0,6 0,9 0,8 1,0 0,9 1,1 1,2 1,3 1,5 Energieeinheiten: Außenhandelssaldo Strom 0,0 0,0-0,1 0,0 0,1 0,1-0,1-0,1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0-0,2-0,2-0,2-0,5-0,5 Sonstige 2) 1,1 1,2 1,2 1,4 1,5 1,4 1,4 1,9 2,1 2,3 2,5 2,5 2,5 3,0 4,6 5,2 6,0 6,4 1 PJ = 1 Petajoule = J = EJ 1 TWh = 1 Terawattstunde = 10 9 kwh = 3.6 PJ 1 Mio Tonnen Steinkohleeinheiten = 1 Mio t SKE 29.3 PJ (Primärenergie = Endenergie + Verluste + Nichtenergetischer Verbrauch)

17 1.17

18 Abb. 1-2: Struktur der Primärenergiebereitstellung aus Erneuerbaren Energien im Jahr 2005 nach der Wirkungsgrad- (links) und der Substitutionsmethode (rechts) Wirkungsgradmethode gesamt: 658,6 PJ Substitutionsmethode gesamt: 954,2 PJ Windenergie Wasserkraft 14,5% Wasserkraft Windenergie 22,2% 26,4% Biom. fest, 11,8% Biom. fest, Wärme Biom. fest, Strom* 39,6% Strom* 9,4% Biom. fest, 9,4% Wärme Biodiesel Biodiesel 39,6% 7,0% Biom. fl., Wärme 10,2% Biom. fl., Wärme Biom. gasf., 0,2% Strom** Biom. gasf.,strom** 0,2% Biom. fl., Strom 4,9% 7,0% Biom. gasf., 0,5% Biom. fl., Strom Wärme** Biom. gasf., 0,4% Photovoltaik 1,2% Wärme** Photovoltaik 0,5% 1,7% 0,9% Solarthermie Geothermie, Wärme Solarthermie 1,1% 0,9% Geothermie, Wärme 1,6% Pflanzenöl 0,6% Bioethanol 0,8% Pflanzenöl Bioethanol 0,9% 1,1% 0,6% * davon aus biogenem Anteil an der thermischen Müllverwertung: Strom: GWh; Wärme: GWh; Primärenergie: 29,9 PJ ** gasförmige Biomasse besteht aus Bio-, Deponie- und Klärgas Quelle: Jahrbuch Erneuerbare Energien

19 1.19 Endenergieverbrauch nach Energieträgern Energiedaten Tabelle 6 Deutschland letzte Änderung: in Petajoule Energieträger Steinkohle Braunkohle Kraftstoff 1) Heizöl schwer Heizöl leicht Gas 2) Strom Fernwärme Sonstige 3) Insgesamt Anteile in % Energieträger Steinkohle 6,0 5,7 5,3 4,6 4,9 4,9 4,6 4,8 4,1 4,2 4,7 4,3 4,3 4,3 4,3 4,2 Braunkohle 10,3 5,9 3,9 3,2 2,4 1,9 1,7 1,4 1,1 1,0 0,9 0,8 0,8 0,9 1,0 1,0 Kraftstoff 1) 26,7 27,2 28,7 29,2 29,2 29,1 27,9 28,6 29,4 30,8 30,5 29,1 29,5 28,4 28,7 28,4 Heizöl schwer 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,7 1,6 1,6 1,5 1,3 1,0 1,1 1,1 1,0 1,1 0,9 Heizöl leicht 13,3 16,0 16,3 16,6 16,0 15,4 16,4 15,7 15,1 13,1 12,4 14,0 12,7 12,3 11,1 10,7 Gas 2) 19,8 21,4 22,0 22,8 23,3 24,2 25,8 25,2 25,5 25,8 26,1 26,6 26,7 27,5 27,4 27,3 Strom 17,3 17,2 17,6 17,2 17,6 17,7 17,3 17,7 18,1 18,5 19,3 18,8 19,5 19,4 20,2 20,4 Fernwärme 4,0 4,0 3,9 3,8 3,8 3,9 3,6 3,2 3,3 3,1 2,9 2,8 2,9 3,6 3,5 3,4 Sonstige 3) 0,6 0,5 0,5 0,6 0,7 1,2 1,1 1,8 2,0 2,1 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 3,8

20 1.4.2 Stromerzeugung: Deutschland 1.20 Quelle: ISK, 2004 Insgesamt: 607 TWh 2185 PJ (in 2004) Durchschnittlicher andauernder Stromverbrauch in 2005 pro Person in Deutschland: 7403kWh = h 845W

21 Beitrag erneuerbarer Energien zum Primärenergieverbrauch - in PJ 2005: Photovoltaik:0.21 %; 2006: Photovoltaik: 0.36 %;2007: 0.56 % vom Gesamtstr Wasserkraft Windkraft Photovoltaik 0,03 0,04 0,06 0,12 0,11 0,3 0,4 0,7 0, Holz, Stroh u. a. feste Stoffe Biodiesel u.a.flüssige Brennstoffe Klärschlamm, Müll, Deponiegas Klärgas einschl. Biogas Sonstige Erneuerbare 1) Insgesamt prozentualer Anteil am Primärenergieverbrauch 1,9 1,8 2,4 2,6 2,8 2,9 2,9 3,2 3,4 3,5 4,6 5,7 6,7 1) Solarthermie, Geothermie, Wärmepumpen Entwicklung der Erzeugung (GWh) und installierten Leistung (MW) der Stromerzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energien Wasserkraft GWh MW Anteil am gesamten Stromverbrauch 4,02 3,40 3,44 3,41 3,83 4,33 3,99 4,06 3,35 3,41 3,53 3,52 3,35 Windkraft GWh MW Anteil am gesamten Stromverbrauch 0,34 0,40 0,54 0,81 0,99 1,31 1,79 2,69 3,11 4,14 4,34 4,97 6,40 Biomasse GWh MW Biogener Anteil des Abfalls*) GWh Photovoltaik GWh MWp Geothermie GWh 0,2 0,2 0,4 0,4 MW 0,2 0,2 0,2 2,4 Stromerzeugung gesamt in GWh Anteil am Stromverbrauch 4,70 4,24 4,46 4,83 5,48 6,33 6,68 7,79 8,12 9,45 10,39 11,75 14,17

22 Entwicklung der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien (Quelle: Jahrbuch Erneuerbare Energien) S trom eins peis ung [T W h] A nteil am B ruttos trom v erbrauc h [% ] Photovoltaik Biomasse Windenergie ,025 13,44 Wasserkraft 21,52 Anteil 26,

23 1.23

24

25 1.25

26 1.26

27 1.27 PV-Industrie Q-Cells in Thalheim, Sachsen-Anhalt war in 2007 der größte Solarzellenhersteller Welt!

28 Das Problem: Stromgestehungskosten 1.28 konv. Kraftwerke

29 Solarzellen: Kosten 1.29 Vergangenheit: Modulkosten Zukunft: Stromgestehungskosten