Photovoltaik Industrialisierung hin zu weniger Ressourceneinsatz CO2 Fussabdruck - mehr Recycling

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1 Photovoltaik Industrialisierung hin zu weniger Ressourceneinsatz CO2 Fussabdruck - mehr Recycling Prof Dr Franz Baumgartner ZHAW University of Appl Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; wwwzhawch/~bauf VERA, wwwforumverach, Schloss Böttstein, Schweiz 4 Nov 2016

2 Fossile Energien gibt zu denken! GELD UMWELT ZUKUNFT Bergbauriese Milliarden abschreiben SPIEGEL ONLINE Zwanzig Milliarden Dollar hat der weltgrößte Bergbau-konzern BHP Billiton ins US-Geschäft mit Schiefer-gas und - öl gesteckt Nun schreibt er rund ein Drittel davon ab: Der Ölpreis-verfall macht die Förderung durch das umstrittene Fracking unrentabel Slide 2

3 Tundra in Alaska März 2014 by JUSTIN GILLISJAN 16, 2015 Slide 3

4 2014 das wärmste Jahr seit 1880 by JUSTIN GILLISJAN 16, 2015 Slide 4

5 Oberflächen Temperatur +1 C / 66a Nordhalbkugel im Sommer C Figure 1 Frequency of occurrence of local temperature anomalies (relative to mean) divided by local standard deviation (horizontal axis) for land areas shown on map Area under each curve is unity Numbers above the maps are percent of the globe covered by the selected region Shift and width refer to the dashed curve fit to data and are relative to the base period James Hansen and Makiko Sato; Environ Res Lett 11 (2016)

6 Halten die global vereinbarten Klimaziele? Over the last two decades, the Greenland and Antarctic ice sheets have been losing mass, glaciers have continued to shrink almost worldwide, and Arctic sea ice and Northern Hemisphere 2 Ziel spring snow cover have continued to decrease in extent (high confidence) 08m Ziel wwwiccpch Sept

7 2011 Deutschland hat gehandelt nach Fukushima! -7GW KKW Fr So wwwtransparencyexxcom 18 GW Nuklear 12 GW Nuklear Abschaltung von 7 KKW Reaktoren am 16 März 2011 Nach dem Unfall in Japan am 11 März und vor den Landtagswahlen in Baden Württemberg: Neckarwestheim-1, Philippsburg-1 (Baden-Württ), Biblis A und B (Hessen), Isar-1 (München) und Unterweser (Niedersachs)

8 Das Volk hat zu entscheiden und zu zahlen Tagesanzeiger, Sept 2013 Schweizerischen Bundesrates Botschaft Energiestrategie 2050 Ausstieg Kernkraft 8

9 2013 Szenario Schweiz 2050 Bundesrat Green Electricity Production in Switzerland 2050 GWh PV 2% schon erreicht PV 5% CH Anteil 10 Stand RE Zubau, Frank Rutschmann, Sektionschef Erneuerbare Energie BFE,

10 Erfolgreicher Zubau von Photovoltaik in der Schweiz aktuell ca 2% Erzeugungsanteil Flumroc: PV Dach: 71kW, PV Fassade: 57 kw, ges 138kW Winterthur, Eulachhalle 384kW Tenna, Solarskilift 62kW Winterthur, Werkhof 78kW Slide 10 Neuendorf, Migros 5200 kw

11 2014:Grenzen der PV Dichte? Aktueller Stand 46% Vergleich Dettighofen, Baden-Württemberg, DE, CH Dettighofen Bayern 12% 821 kwp MWp 155 kwp/einw 083 kwp/einw 57% Deutschland Schweiz 12% MWp 756 MWp (2013) 044 kwp/einw 009 kwp/einw Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion: Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% P N Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=09 (ab 138kVA) Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=095 Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% P N Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% P N Die verschwundene Hälfte; Photon, 2014, 4 F Carigiet, M Niedrist, F Baumgartner et al Stromnetze mit hohem PV Anteil, Vortrag, Tagung ETG, Electrosuisse, Zürich Nov 2014

12 Was wurde bisher mit KEV erreicht auf dem Weg zu Produktion von 24TWh KEV-Cockpit 4 Quartal 2015,Stand 4 Januar TWh/a in Betrieb davon 260Mio Fr für Biomasse 180Mio Fr für Wasserk 150Mio Fr für PV KEV 103Mio Fr für PV Einmalv 39TWh/a Finanzzusage davon 330Mio Fr für Windk 150Mio Fr für Wasserk 80Mio Fr für PV 13TWh/a inkl Warteliste Slide 12

13 Status Photovoltaik in des Schweiz 2015 Photovoltaik 2% Erzeugung 1Mrd Fr Umsatz In der Schweiz 6400 Jobs im Jahr

14 Die Anfänge in den USA % efff DM Chapin, CS Fuller, and GL Pearson, A New pn LLKazmerski, 2014 Nov, Kyoto World PV Conf Junction Photocell for Converting Solar Radiation 14

15 Wirkungsgrad Rekordzellen steigen 15

16 Beispiele marktdominanter PV Module aus industrieller Fertigung 25 Jahre Standard kristallines Silizium 128% / 55W/ 25 Jahre monokrist Silizium, 4`` Siemens Solar, D No: SM55 130m x033m % / 260W / 25 Jahre multikrist Silizium 6`` Trina Solar, China No: TSM-260, PC05A 165m x 099m Standard Dünnschicht 57% / 30W Amorphes Silizium Arco Solar, US No: G m x 041m 138% / 170W /25 Jahre CIS CuInS2 Solar Frontier, Japan No:TSM-260, PC05A 126m x 098m Diese Module sind am ZHAW SoE Dach des IEFE in Winterthur im Einsatz und werden zu Unterrichtszwecken eingesetzt (TSM-260 ersetzt durch LDK-260) 16

17 Weltweiter PV Preisenkung durch Industrie in 40 Jahren von 50$/Wp auf 05$/Wp SEMI, ITRPV 150mm [$/W] year $ /W Gøran Bye, Bruno Ceccaroli Solar grade silicon; Journal of Solar Energy Materials & Solar Cells, 2014 Cumulated installed world market of solar cells 17

18 Start of the Industrialisation 100 years ago Henry Ford: Production & Labor Innovations Ford was dedicated to the production of an efficient and reliable automobile that would be affordable for everyone; the result was the Model T, starting in October Practice techniques of mass production revolutionize industry Fords T-Model cost reduction 1909 use of large production plants standardized interchangeable parts and the moving assembly line $ (in 1958$) 900 y = x Learning Rate LR= = thousand units cumulative shipments Mass production cut down on the time required to produce an automobile, which allowed costs to stay low (in 1918 US market share about 50%) Slide 18

19 Kostenentwicklung PV versus Nuklear Photovoltaic Nuclear reactor 2016 Hinkley Point C Nuclear Plant 22 Mrd $ für 32GW = 7$/W Breyer, EUPVSEC, Hamburg Sept 2011

20 1 Prozesschritt: Silizium höchster Reinheit Poly-silicon of purity 99999% for solar application Siemens reactor at 1350 C ; T destil =32 C Typ rods 2m and 03m diameter 30kWh/kg Si Schmoll, Degussa, 2006, wwwscribdcom

21 2 Schritt: Kristallisation von Silizium 3 Schritt: Si in Scheiben (Wafer) sägen Schweizer Meyer Burger Weltmarktfüherer block cutting waferning - wire saw Pauli, CEO, 2011

22 Silicon solar cell production processes steps saw-damage removal pn-junction diffusion anti-reflection coating screen printed metallisation metallisation sintering solar cell P Wyers; ECN; PV-Conf; Granda Nov 03

23 Die Si-Solarzellen (typ 60 Stk) werden im PV-Modul elektrisch in Serie geschalten 180um thick crystalline solar cell wwwsolarworldde

24 Die Solarzellen werden dünner 1990 typ Waferdicke einer kristallinen Silizium Solarzelle 450um Energierücklaufzeiten >10 Jahre! wwwitrpvnet status 2016 Slide 24

25 Slide 25

26 Die Solarkraftwerke werden leichter to/mwel Slide 26

27 Recycling der PV Module verbessern durch geringeren Anteil an Metallen 2016 June, Munich, IEA PVPS Task 12 Slide 27

28 Reduktion der Menge an Silber, Al, Cu 2016 June, Munich Slide 28

29 Recycling der PV Module 2016 June, Munich Slide 29

30 Geldflüsse Schweiz beim Recycling E-Schrott Slide 30

31 Recycling bei der Wafer Herstellung wwwitrpvnet status 2016 Slide 31

32 CO 2 Emission für Realisierung PV Kraftwerk Slide 32 LCA of future photovoltaics electricity production IEA-PVPS T12-05:2015

33 Energierücklaufzeiten von PV Kraftwerken Slide 33 LCA of future photovoltaics electricity production IEA-PVPS T12-05:2015

34 Asien ist heute der Werkplatz für PV Module Slide 34

35 Weltmarktführer sind nicht stets stabil!!! Wachstumsrate +100% pro Jahr problematisch Sharp 04GW Q-Cells 04GW Q-Cells 06GW First Sol 11GW Suntech 16GW Suntech 2GW Yingli 23GW Yingli 32GW Trina 36 GW Trina 55GW Q-Cells 02GW Sharp First Sol 05GW Suntech 07GW JA Solar First Solar First So 187GW Trina 26GW Yingli 33GW Canadian 45GW Kyocera Suntech Suntech Sharp First Sol 13GW Yingli 16GW Suntech 17GW? Canadian 19GW Jinko S 30GW Jinko S 45GW Suntech Kyocera Sharp Q-Cells Yingli 11GW Trina 13GW Trina 16GW Sharp 19GW Canadian 27GW JA Solar 35GW Sanyo First Solar JA Solar Yingli Trina 1GW Sharp Canadian 154GW Jinko S 19GW JA Solar 24GW Hanwah Q-Cells 30GW

36 PV Plant 200kW Cost Share Switzerland Q2 / 2013 about 1700 SFr/kW Area related costs F Baumgartner, wwwzhawch/~bauf, 2013

37 264 30kW Preissenkung Solarstrom Schweiz PV large BRD Slide 37

38 Wirtschaftlichkeit nur mit Betriebsdauer 25 oder 30 Jahre bis 80% Pn! T Baumann, F Baumgartner, F Cairgiet, M Pezzoti, J Haller, Bulletin SEV/VSE, Nov

39 PV Cost Development & Roadmap Modulpreisentwicklung 350 Systempreisentwicklung Others Ground Mounting Cabeling Inverter Module SMA 2014 ITRPV 2025 ITRPV wwwitrpvnet status 2015 Slide 39

40 Auktionen für PV- Grosskraftwerke weltweit Slide 40 Report IEA-PVPS ISBN

41 Kostenanteile der Komponenten MW Park Si, Wafer, Zelle, Modul, System Process Step cent/w cent/w 2013 cent/w $c/w Spot M 2016 Oct Poly Silizium 9 14$/kg Si 9N Wafer 11 wafer other mat cell 11 op + financ cell 2 cell glass 8 other mat Module 11 op + financ module 3 module 22 PV module mounting mechanical 15 installation 15 inverter + electr 12 plant planing 10 BOS 52 Balance of Systems 52 Grid connected PV 107 Plant System 107 Total 107 F Baumgartner; Jan 2013 (Basis, EUPVSEC 2012 data and other) 6" multi /45W

42 Global Photovoltaic Market Growth Report IEA-PVPS ISBN

43 PV Market trends +58GW in 2016 com to 242GW global 2016 May

44 ZENTRAL DEZENTRAL Slide 44

45 2012-Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012 Commercial PV Battery + Power Electronics Nominal Capacity C nom [kwh] 138 Price rel per kwh nom 833 Used Capacity C used [kwh] 69 lifetime full DOD 50% 1350 lifetime stored capacity [kwh] cost of stored kwh 062 financing costs factor (5% interst rate, 5a) 12 total storage costs per kwh total 2700 full cycles / 270 Slide 45 An example of a marketing document: To increase self consumption from 38% to 50% of consumption +22% investment of typ per 65kW PV STC is needed (doubling investment costs)

46 Beispiel Aug sonniger Tag 30kWh Li-Speicher, 15kWp PV 46

47 Tesla Powerwall 10kWh / 3500$ only battery Los Angeles, Auslieferung Sommer Batteriepreis Elon Musk, 2015 March, Teslawall 10kWh Powerwall / 2kW 130 x 86 x 18 cm; -20 bis 43 C; 100kg VIDEO 100kWh Powerpack Gigafactory Nevada Inv ca 5 Mrd $ (green 900 Mio Powerbacks) Vergleiche auch: UBS Investor Information Aug 2014: Big Power Out PV + Battery in!! Slide 47

48 $/kwh Learning Curve Li-Ion Battery Packs Ref F Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich EVs battery market leaders LR=006 [1] y = 35731x LR= = German PV home batteries 5kWh 025GWh Slide $/kWh 12Mio EV LR = 015 EPRI US, 2015 W Hofmann, ; 1/4 cars EV each 50kWh 30 Mio x 50kWh= 1500GWh/a Mio cum EV s Paris EV declaration COP21 LR = GWh cum Mio EV [1] B Nykvist, M Nilsson; «Rapidly Falling costs of battery packs for electric vehicles», Stockholm Environment Institute & KTH Royal Institute of Technology, Stockholm; Nature Climate Change; 9th Feb 2015

49 Inverter ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur für PV Batterie Systeme Herbstsemester 2014 Studiengang Energie u Umwelt Strom- Spannungsgeneratoren simulieren alle Wettersituationen am Eingang des Wechselrichter Speicher (Batterie, Flow-Redox) Elektronische Lasten simulieren Messung Wirkungsgrad Inverter Studenten Flow Pn versu Vdc, Soladin Mastervolt, Laborübung PEPW FS 2015 Arbeitsplätze Li Redox Lantschner, Baumann

50 Beispiel: Solares Einfamilienhaus mit Solarem-Haushaltsstrom, -Heizung und -Elektroauto Eckdaten vom Eigentümer: 1985 Baujahr, Einfamilienhaus, Heizung monovalente Erdwärmesonden, s -Studie auf der BFE-homepage MuKEn 150m 2 Solar Wärme WW/H 2008 Wärmepumpe mit Scroll-Kompressor 2012 Warmwasser über Wärmepumpe und Erdwärmesonden 2014 PV-Solaranlage 16,4 kwp, s att 2015 vollelektr E-Car (mit eigener "Tankstelle") Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom Erzeugung PV Plan 17000kWh jährlich (seit 1905 aktuell kwh) = 243%-PEB-EFH Untersiggenthal/AG wwwstaerk-erdwaermech Slide 50

51 TWh Jahresproduktion Möglicher Schweizer EE Stromproduktion GW PV erzeugt ca 1TWh Kleinwasser Biomasse PV [GW] 10% Stromverbrauch 8% PV / % PV / % jährlicher PV Zubau 500 MW ca 60 W_PV/a pro Kopf Investment < 1Mrd CHF/a E-Mobile? 20% PV Ziel 2050 Energiestrategie E-mobil PV Tankstellen 50% derev PV für priv Warmwasser mit WP Batterien 51

52 Rp/kWh H4 Haushaltskunde Blick in die Glaskugel - Kostenprognose 60 F Baumgartner, ZHAW, , eigene Analyse 50 Energie Abgaben 20 PV Erzeugung -5%/a CAGR Netz BRD Batterie -8%/a CAGR 12 Abgaben Netz oder Winternotstrom CH H4 Stromkosten 2014 CH H4 Kanton ZH 2015 PV + Batterie 2025 PV + Batterie 2035 PV + Batterie off-grid Slide 52

53 Zusammenfassung: Wie Verantwortung übernehmen? 1) Verantwortlich HEIZEN 2) Verantwortlich DUSCHEN 3) Verantwortlich FAHREN kwh/d elektr SFr/d kWh/m2*150m2/3/365= Personen je 20 Liter WW kWh/100km*35km Wer kann sich das nicht leisten? Es kostet nicht mehr wie heute SMART zu telefonieren! 53

54 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Meine Energie-Aktivitäten Dokumentation siehe zum Downlaod Seit 1988 in der Forschung u Entwicklung Photovoltaik an Hochschulen in Deutschland und der Schweiz Mandate / Beratungsgremien Bundesamt für Energie Direktorium, Bern Energiekommission Liechtenstein, Frauenfeld, Feldk Forschungs- Förderung Fond, Wien Wiss Beirat, Smart Grid Solar Bayern AEE Agentur für Erneuerbare Energie, Bern Erneuerbare Energie der ETG der Electro Suisse Scientific Committee European Photovoltaic Conf 54

55 Danke für die Aufmerksamkeit Publikationen wwwzhawch/~bauf F Baumgartner, Solar Wings, 650kW Lonza Solarpark, Waldshut Solar Wings, 60kW, Tenna