Historische Entwicklung und zukünftige Potenziale zur Reduktion der energetischen Rückzahlzeit und der CO 2 -Vermeidungskosten von Photovoltaik

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1 Präsentation Historische Entwicklung und zukünftige Potenziale zur Reduktion der energetischen Rückzahlzeit und der CO 2 -Vermeidungskosten von Photovoltaik Ausgewählte Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt RIOSOLAR 13. Symposium Energieinnovation von in Graz präsentiert von Peter Biermayr, biermayr@eeg.tuwien.ac.at Ein Forschungsprojekt im Rahmen des Forschungsprogramms Sparkling Science, gefördert vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung 1 Inhalt Inhalt der Präsentation: Einleitung Marktentwicklung und Lernkurven Energetische Rückzahlzeit CO 2 -Vermeidungskosten Zusammenfassung Schlussfolgerungen 2

2 Einleitung Energie langfristig/global = erneuerbare Energie Solarenergie Erdwärme Gravitation Lichtstrahlung Fotosynthese Verdunstung Umweltwärme Wind Geothermie Photovoltaik Solarthermie Gezeiten Strom Wärme solar-therm. Kraftwerke Strom & Wärme 3 Einleitung Energie langfristig/global = erneuerbare Energie Solarenergie Erdwärme Gravitation Lichtstrahlung Fotosynthese Verdunstung Umweltwärme Wind Geothermie Photovoltaik Solarthermie Gezeiten Strom Wärme solar-therm. Kraftwerke Strom & Wärme 4

3 Einleitung Technologien: Solarthermie Photovoltaik Fokus: Energetische Rückzahlzeit CO 2 -Vermeidungskosten Entwicklung bis 2030 Methoden: Literaturanalyse Modellrechnungen Fallstudien Technologieanalysen Experteninterviews Nutzen: Entscheidungsgrundlagen Energie- u. Technologiepolitik Technologieproduzenten F&E 5 Marktentwicklung und Lernkurven Technisches und wirtschaftliches Lernen Markteinführung Marktdiffusion, Kosten,... spezifische Kosten (z.b. /kw peak ) spezifische Graue Energie (z.b. kwh prim /kw peak ) CO 2 -Vermeidungskosten ( /tco 2 ) Marktdiffusion (z.b. kw peak /a) Erfindung Zeit, Marktvolumen 6

4 Marktentwicklung und Lernkurven Weltmarktentwicklung Photovoltaik jährlich neu installierte Anlagen in MW peak Rest der Welt Mittlerer Osten und Afrika China Amerika Asien Pazifik Europa Quelle: EPIA (2013); Achtung: Komma (,) ist Tausendertrennzeichen 7 Marktentwicklung und Lernkurven Weltmarktentwicklung Photovoltaik kumulierte installierte Anlagenleistung in MW peak Rest der Welt Mittlerer Osten und Afrika China Amerika Asien Pazifik Europa Quelle: EPIA (2013); Achtung: Komma (,) ist Tausendertrennzeichen 8

5 Marktentwicklung und Lernkurven Marktentwicklung Photovoltaik Vergleich Neuinstallation 2012 in MW p Österreich 176 Deutschland Welt Quellen: Biermayr et al. (2013), EPIA (2013) 9 Marktentwicklung und Lernkurven Preisentwicklung Photovoltaik global Quelle: IRENA (2012) 10

6 Marktentwicklung und Lernkurven Preisentwicklung Photovoltaik in D u. A Quellen: Bundesverband Solarwirtschaft und Erhebungen Technikum Wien GmbH, Biermayr et al. (2013) Literatur: typ. ökonom. Lernverlauf: -20% pro Marktverdopplung (kumuliert) Weltmarkt ca. Faktor 16 (=2 4 ) d.h. Erwartungswert: Preis -59% Deutschland: % 11 Marktentwicklung und Lernkurven Entwicklung der PV-Zellwirkungsgrade Quelle: NREL (2013) 12

7 Energetische Rückzahlzeit Input: Stoffe und Energie Bereitstellung Rohmaterial Material Verarbeitung Technologie Produktion Technologie Betrieb Außer Betriebnahme Entsorgung Deponierung Recycling Stoffe u. Komponenten Output: Emissionen Flussdiagramm und Bilanz Lebenszyklus Photovoltaik Energie Stoffe Emissionen Output: Energie 13 Energetische Rückzahlzeit Kumulierter Energieaufwand KEA EE NEV SEI g primärenergetisch bewerteter kumulierter Energieaufwand Endenergieeinsatz Nichtenergetischer Aufwand stoffgebundener Energieinhalt von Einsatzstoffen primärenergetischer Bereitstellungsnutzungsgrad Achtung: Systemgrenzen, aktuelle Nutzungsgrade, aktuelle Emissionskoeffizienten, Exergiegehalt input/output 14

8 Energetische Rückzahlzeit Entwicklung der en. Rückzahlzeit je Technologie Quellen: Fthenakis (2012), EEG (2014) 15 Energetische Rückzahlzeit Energetische Rückzahlzeit PV nach Komponenten Aufdachanlage, Wr. Neustadt, optimale Ausrichtung, Q G,opt =1141 kwh/m 2 a CdTe...Cadmiumtellurid; DS Si...Dünnschicht-Silizium; CIGS...Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid Quellen: Mariska de Wild-Scholten (2011), EEG (2014) 16

9 Energetische Rückzahlzeit Beispiel für die Analyse von Fallstudien Standort der Anlage: Bürogebäude in Wiener Neustadt Größe der Anlage: 10,12 kw peak, netzgekoppelt Art der Module: Polykristallin, Aufdachmontage Baujahr der Anlage: Energetische Rückzahlzeit Ergebnisse für die konkrete Fallstudie Stromertrag der Anlage pro Jahr: kwh/a Kumulierter Energieaufwand: kwh Energetische Rückzahlzeit: 2,8 Jahre Lebensdauer der Anlage: 25 Jahre Erntefaktor Energie: 9 Rückzahlzeit CO : 2äqu 4,2 Jahre Erntefaktor CO 2äqu : 6 Bemerkung: Emissionskoeffizient Substitution: 412,8 gco 2äqu /kwh el (=ENTSO-E Mix 2011) 18

10 Energetische Rückzahlzeit Emissionskoeffizient Strom aus multi-si-pv g CO 2äqu /kwh el Quellen: EU (2012), Mariska de Wild-Scholten (2011) 19 Energetische Rückzahlzeit Stoffbilanzen von PV-Modulen und Optimierungspotenzial 20

11 Energetische Rückzahlzeit Begeisterung schafft Humanressourcen 21 CO 2 -Vermeidungskosten E-Control (2009): Ökostrombericht Quelle: E-Control (2009) 22

12 CO 2 -Vermeidungskosten McKinsey & Company (2009): BDI Studie Quelle: McKinsey & Company (2009) für den Bundesverband der Deutschen Industrie 23 CO 2 -Vermeidungskosten CO 2 -Vermeidungskosten: eine Frage der Methode Die Rolle des Betrachters: Betriebswirtschaftliche Sicht Kosten-Nutzen Analyse: Marktpreise, Preisszenarien Steuern, Subventionen etc. berücksichtigt Kalkulationsverfahren: statisch/dynamisch (Umwelt)politische Sicht Volkswirtschaftlicher Ansatz (ev. inkl. Bewertung inländ. Wertschöpfung, Arbeitsplätze, Energieimporte etc.) Gesellschaftlicher Ansatz (inkl. externer Kosten, Sekundäreffekte) Budgetansatz (inkl. zusätzlicher o. verminderter Steuerleistungen) Siehe hierzu auch Matthes (1998), Öko-Institut 24

13 CO 2 -Vermeidungskosten Beispiel CO 2 -Vermeidungskosten PV-Anlage auf Basis polykristallines Si, Standort Wr. Neustadt, 0 aus Süd, 30 geneigt Anlagenleistung 5 kw p Modulwirkungsgrad Typ: poly Si 14,3 % Wechselrichter Europ. Wirkungsgrad 96 % Spezifischer Anlagenpreis Endkunde 2012 in AT exkl. Ust /kw p Absoluter Anlagenpreis Endkunde 2012 in AT exkl. Ust Anlagenlebensdauer 25 a Jährliche Stromproduktion kwh el /a CO 2 Emissionskoeffizient ENTSO-E 2012 CO 2 Emissionskoeffizient ENTSO-E 2012 fossil 0,3876 kgco 2äqu /kwh 0,8401 kgco 2äqu /kwh CO 2 Vermeidungskosten: betriebswirtschaftlich, statisch, nur Invest, kein Ertrag, ENTSO E 2012 betriebswirtschaftlich, statisch, nur Invest, kein Ertrag, ENTSO E 2012 fossil betriebswirtschaftlich, dynamisch, 50% Eigenv. 16ct/6ct, Z=4%, ENTSO E 2012 betriebswirtschaftlich, dynamisch, 50% Eigenv. 16ct/6ct, Z=4%, ENTSO E 2012 fossil volkswirtschaftlich, dynamisch, Tarif 18ct, 13 Jahre, Z=4%, ENTSO E 2012 volkswirtschaftlich, dynamisch, Tarif 18ct, 13 Jahre, Z=4%, ENTSO E 2012 fossil volkswirtschaftlich, dynamisch, Tarif 18ct, 13 Jahre, Z=4%, Ust, ENTSO E 2012 fossil 220,57 /tco 2äqu 101,77 /tco 2äqu 39,05 /tco 2äqu 18,02 /tco 2äqu 191,24 /tco 2äqu 88,23 /tco 2äqu 67,88 /tco 2äqu 25 Zusammenfassung Die energetischen Rückzahlzeiten von PV-Anlagen (kristallines Si) betragen in AT Jahre, in S- Europa <1,5...2 Jahre. Die THG-Bilanzen sind in AT nach Jahren ausgeglichen. Der Emissionskoeffizient von Strom aus PV in AT beträgt gco 2äqu /kwh el Die CO 2 Vermeidungskosten sind stark von der Systemabgrenzung und Berechnungsmethode abhängig. Zahlenwerte müssen stets mit allen Annahmen der Berechnung genannt werden. Technologisches Optimierungspotenzial ist vorhanden. 26

14 Schlussfolgerungen Einflussfaktoren auf die energetische Rückzahlzeit und CO 2 -Bilanz: Technologie u. Fertigungsverfahren Standortqualitäten (Q G, Ausrichtung) Energiemix am Produktionsstandort Substitution am Einsatzort PV erfüllt bereits heute die Voraussetzungen für den Einsatz in einem nachhaltigen Energiesystem Für eine weitere markante Verringerung der en. Rückzahlzeit u. CO 2 -Vermeidungskosten bis 2030 sind jedoch Systeminnovationen erforderlich! 27 Ende der Präsentation Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 28

15 Zitierte Literatur Biermayr et al. (2013) Innovative Energietechnologien in Österreich Marktentwicklung 2012 BMVIT - Berichte aus Energie- und Umweltforschung 17/2013 Bundesverband Solarwirtschaft (2013) Preisindex Photovoltaik, E-Control (2009) Ökostrombericht 2009 Bericht der Energie-Control GmbH. gemäß 25 Abs 1 Ökostromgesetz. EEG (2014) Projektergebnisse aus dem Projekt RIOSOLAR, Energy Economics Group, TU- Wien. EPIA (2013) Global Market Outlook for Photovoltaics European Photovoltaic Industry Association. EU (2012) Photovoltaic Solar Electricity Potential in European Countries, PVGIS IRENA (2012) Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series Photovoltaics International Renewable Energy Agency, Volume 1: Power Sector, Issue 4/5, June Matthes Felix Christian (1998) CO 2 -Vermeidungskosten Konzept, Potenziale und Grenzen, Öko-Institut, Berlin Dezember Mariska de Wild-Scholten (2011) Environmental profile of PV mass production: globalization, 26 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Hamburg, 8 September McKinsey & Company (2009) Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland Studie im Auftrag von BDI initiativ Wirtschaft für Klimaschutz. NREL (2013) Best Research Cell Efficiencies National Center for Photovoltaics, laboratory of the U.S. Department of Energy. 29