Übersicht über die Vorlesung Solarenergie

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1 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 11. Solarkollektoren 12. Energiespeicher 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien 14.1 Die Grundprobleme Steigender Verbrauch Begrenzte Vorräte Treibhauseffekt und Konsequenzen 14.2 Lösungsansätze 14.3 Nachhaltigkeitsszenarien Effizienzsteigerung Szenarien für die Stromversorgung D Perspektiven Energieversorgung Welt

2 Energieszenarien? 15.2 Hier: Energieszenarien für eine nachhaltige Energieversorgung Nachhaltigkeitsdefizite: 1. Der übermäßige Verbrauch begrenzter Energieressourcen 2. Die sich bereits abzeichnende globale Klimaveränderung 3. Die Risiken der Kernenergienutzung 4. Das extrem starke Gefälle des Energieverbrauchs zwischen Industrieund Entwicklungsländern

3 Grundproblem 1: Steigender Verbrauch 15.3 Grundproblem 1: Energieverbrauch 1 Exajoule = J gesamte Welt: > 400 EJ Deutschland: 14,2 EJ in 2005

4 15.4

5 Status Energieverbrauch Deutschland 15.5

7 Grundproblem 2: Beschränkte nicht erneuerbare Energiereserven das reicht für EJ 420 EJ / a < 90a weniger als 90 Jahre! BGR: Bundesanstalt fü Geowissenschaften und Rohstoffe Kritische Betrachtung der Einschätzung der Vorräte Keine scharfe Grenze (hängt ab von den erlaubten Förderkosten)

8 - kein Wachstum eingerechnet 15.8

9 15.9

10 15.10

12 Grundproblem 3: Entsorgungsproblematik fossiler Brennstoffe: Der Treibhauseffekt Quelle Blumberg & Spinnler, derzeitiger Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre: 400 Gt -derzeitiger Jahresemission 6 Gt bleiben zu 1/3 in der Atm. (0.5 % Zuwachs/a)

13 15.13 Grundproblem 3: Entsorgungsproblematik fossiler Brennstoffe: Der Treibhauseffekt

14 Grundproblem 3: Entsorgungsproblematik fossiler Brennstoffe: Der Treibhauseffekt - ein ernsthaftes wirtschaftliches Problem Quelle: Münchner Rück

15 Grundproblem 3: Entsorgungsproblematik fossiler Brennstoffe: Der Treibhauseffekt Quelle: Münchner Rück

16 15.16

17 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie Einleitung 2. Die Sonne als Energiequelle 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 4. Kristalline pn-solarzellen 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 8. Third Generation Photovoltaics 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 11. Solarkollektoren 12. Energiespeicher 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien 14.1 Die Grundprobleme Steigender Verbrauch Begrenzte Vorräte Treibhauseffekt und Konsequenzen 14.2 Nichtsolare Lösungsansätze 14.3 Nachhaltigkeitsszenarien Effizienzsteigerung Szenarien für die Stromversorgung D Perspektiven Energieversorgung Welt

18 Lösungsansatz: Kernenergie Beschränkte Uranvorräte (-) - Ungeklärte Entsorgung (--) - GAU-Gefahr (--) - Akzeptanz (-) In der Forschung:? - inhärent sichere Reaktoren - Transmutation (Umwandlung in kurzlebige Nuklide) - Kernfusion??

19 Lösungsansatz: Geothermie Betrachtet man den ständigen Erdwärmestrom vom Erdinneren zur Erdoberfläche, so liefert er allein auf der Landfläche ein Potential von weltweit 10 Milliarden Tonnen SKE (=Steinkohleneinheiten) pro Jahr. Ein erheblich höheres Energiepotential bietet allerdings der Wärmeinhalt der Erde. Würde in einer Zone zwischen vier und sechs Kilometer Tiefe soviel Wärme entzogen, dass sich das Gestein auf 130 C abkühlt, könnte weltweit insgesamt eine Energie von Milliarden Tonnen SKE (6,1*10 14 Tonnen SKE) freigesetzt werden. Auf 30 Jahre verteilt würde dies eine jährliche Energiemenge von Milliarden Tonnen SKE bedeuten. Quelle:

20 Sichere und unsichere Energiereserven Methanhydrate:..sind allein in den marinen Gashydratvorkommen Methanmengen in einer Größenordnung von Billionen Kubikmetern vorrätig. Noch einmal Billionen Kubikmeter kämen demnach aus den verschiedenen Permafrostlagerstätten hinzu. Quelle: BGR ggf. eine Gasquelle für Jahrhunderte Förderung??, Treibhauseffekt??

21 Löungsansatz: CO 2 -Sequestrierung? Abtrennung des CO 2 und endgültige Einlagerung

22 15.22

23 Löungsansatz: CO 2 -Sequestrierung ,7% 34,0% ohne CO 2 -Abtrennung mit CO 2 -Abtrennung Cost penalty in the Range of : 1 5 [cts/kwh]

25 15.25

26 15.26

27 Forderungen an die Energiepolitik eine wesentliche Steigerung der Energieproduktivität (möglichst Verdopplung bis 2020) auf allen Stufen und in allen Bereichen der Energiewandlung und nutzung; insbesondere eine deutliche Ausweitung der gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärme (mindestens Verdopplung, längerfristig Ausschöpfung der strukturellen Potenziale mittels fortschrittlicher, dezentraler Technologien); eine deutliche und lang anhaltende Steigerung des Beitrags erneuerbarer Energien mit dem Verdopplungsziel 2010 (bezogen auf 2000) und einem anzustrebende Anteil um 2050 von rund 50% am Primärenergieverbrauch.

28 Portfolio der umweltfreundlichen Technologien Wasserkraft: ausgereifte Technologie, zusätzliche Potentiale durch Erneuerung und Modernisierung bestehender Anlagen Windkraft: Potentiale durch Austausch kleinerer Anlagen, Große Potentiale durch Offshore-Anlagen, langfristig Stromgestehungskosten < 5cts/kWh und über 100 TWh/a Biomasse: vielfältige Technologien, mehr als 50 % Anteil an regenerativer Endenergie Geothermie: langfristig 66 TWh/a, langfristige Stromgestehungskosten 6-8 cts/kwh Solarthermische Kollektoren: saisonale Speicherung bisher nur in Pilotanlagen Solarthermische Kraftwerke: langfristig Kosten für Importstrom aus Nordafrika bei 5,5 cts/kwh

29 Portfolio der umweltfreundlichen Technologien 15.29

30 Lernkurven allgemeiner Zusammenhang zwischen kumulierter Produktion und Kostenreduktion - Lernfaktor f=0.8 (Photovoltaik) heisst 20 % Reduktion bei Verdoppelung der kumulierten Produktion - Windenergie: f=0.94

31 CO 2 -Vermeidung 15.31

32 Lösungsansatz: Rationeller Umgang mit Energie Rationeller Umgang mit Energie: - in den allermeisten Fällen die preiswerteste und eleganteste Methode

33 Effizienzsteigerungen 15.33

34 Effizienzsteigerungen 15.34

35 Löungsansatz: Rationeller Umgang mit Energie Forderung im Nachhaltigkeitsszenario (J. Nitsch): - 45 %ige Reduktion des Wärmebedarfs (insbesondere Altbausanierung) - breite (2/3) Wärmeversorgung über Nah- und Fernwärme - Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

36 Rationeller Umgang mit Energie (Wärme) %ige Reduktion des Wärmebedarfs Quelle: Nitsch/Fischedick/Staiß, FVS Themen 2002

37 Rationeller Umgang mit Energie (Verkehr) ,5 l/100 km (2030) - 2l/100 km (2050) -Erdgas ab 2020 als Wegbereiter für Wasserstoff -keine wichtige Rolle für Biodiesel, da Konkurrenz mit ökologischem Landbau und Biomasse für KWK Quelle: Nitsch/Fischedick/Staiß, FVS Themen 2002

38 Potentiale zur Stromerzeugung 15.38

39 Potentiale zur Nutzwärmeerzeugung 15.39

41 Perspektiven einer nachhaltigen Stromversorgung 15.41

42 Import erneuerbarer Energien Der Import von unter wettbewerbsfähigen Gestehungskosten erzeugtem Strom ist eher ein politisches als ein technisch/wirtschaftliches Problem. -solarthermische Grosskraftwerke -off-shore Windkraftanlagen Bsp.:

43 EUMENA: Europe, Middle East, North Africa

44 15.44

45 15.45

46 TRANS-CSP Electricity Cost of Power Technologies (Example Spain) 40 Electricity Cost [c/kwh] Year Photovoltaics Wind Geothermal Hydropower Biomass Wave / Tidal CSP Plants Oil Gas Coal Nuclear Import Solar CO 2 Capture and Sequestration (CCS) included in fossil fueled generation costs after 2020 CSP in solar only operation

47 15.47

48 15.48

49 Kostenverläufe 15.49

50 Perspektiven einer nachhaltigen Energieversorgung: Langfrist-Maximal-Szenario

52 15.52 Gegenläufige Entwicklung: Erhöhter Energieverbrauch durch Wirtschaftswachstum - Szenarien für die voll entwickelten Industrieländer sind im Widerspruch zu einem erheblichen Wirtschaftswachstum in den weniger entwickelten Ländern

53 15.53

54 Fazit wir haben keine Alternative zu einer Energieversorgung mit erneuerbaren Energien - die Substitution konventioneller fossiler Brennstoffe ist eine Überlebensfrage der Menschheit - erneuerbare Energien machen sowohl ökologisch als auch ökonomisch Sinn - eine Reduktion der weltweiten CO 2 -Emission in den nächsten Jahrzehnten ist fraglich - großer Forschungsbedarf und spannende Wissenschaft