Bachelorarbeit Autonome Solarstromwand zur Maximierung des Eigenverbrauchs

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1 Bachelorarbeit Autonome Solarstromwand zur Maximierung des Eigenverbrauchs Swiss Green Economy Symposium, Winterthur ZHAW, SoE, IEFE Thomas Baumann

2 Inhalt Projektteam Stand der Technik Heutige Preise Warmwasser aus Solarenergie Konzept und Funktionsweise Solarwand Simulationen Messresultate Energiegestehungskosten Solarwand Anwendungsbeispiele Zusammenfassung und Ausblick ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 2

3 Projektteam Verfasser der Bachelorarbeit: Raphael Knecht Daniel Lantschner Betreuung: Prof. Dr. Franz Baumgartner Dr. Hartmut Nussbaumer Thomas Baumann Raphael Knecht und Daniel Lantschner mit dem Diplom des Klimaschutz-Preises 2015 von myblueplanet und der Johann Jacob Rieter-Stiftung ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 3

4 Heute übliche Warmwasser Systeme Standard Wirkungsgrade vom Solarinput zur Wärmeleistung Solarthermie: 30 % bis 60 % Photovoltaik + WP: 24 % bis 64 % Kollektor η = 50 % η = 16 % PV 3.1 WP,JAZ = 50 % + JAZ = Jahresarbeitszahl ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 4 Quelle: Bundesamt für Energie (BFE); Solarwärme und Photovoltaik ein Technologievergleich; Franz Baumgartner, ; EUPVSEC

5 Hardwarekosten ~ CHF ohne Installation Photovoltaik auf dem Dach und Wärmepumpe im Keller = Warmwasser Photovoltaik Kein Warmwasser auf dem Dach Tiefere Installationskosten Hohe Zuverlässigkeit Erhöhung des PV-Eigenverbrauchs Wärmepumpe 500 W el Warmwasserspeicher 300 l ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 5 Franz Baumgartner, ; EUPVSEC

6 Kosten Warmwasser aus Solarenergie in der Schweiz Solarthermie Photovoltaik Gestehungskosten (2013) Förderbeiträge (2012 bis 2014) Kantone 2012 Quelle: Bundesamt für Energie (BFE); Solarwärme und Photovoltaik ein Technologievergleich; Franz Baumgartner, ; EUPVSEC ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 6 (< 10 kwp = EV)

7 Solarthermie Arbeitskosten 2014 Gesamtpreis Solarthermie System Zusammensetzung des Gesamtpreises Arbeitskosten für Installation Quelle: M. Müller et al.; «Preise und Kosten thermischer Solaranlagen»; Ernst Basler + Partner AG; ~ 50 Arbeitsstunden für Installation einer Solarthermie Anlage Schlussfolgerung für neue Systeme: Reduktion der Arbeitskosten ist unumgänglich ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 7 Franz Baumgartner, ; EUPVSEC

8 Vom Konzept zum Funktionsmuster Reduktion der Arbeitskosten durch Vormontage in der Fabrik 1 kwp PV 12 x 85 Wp CIS STO Art Inlay Output: ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 8 Franz Baumgartner, ; EUPVSEC

9 Technische Daten des Solarwand-Funktionsmusters Komponente PV Module PV Inverter Wärmepumpe Warmwassertank Batteriesystem Abmessungen Daten 12 x Manz CIGS 85 Wp SMA SB 1300TL Ochsner Europa Mini IWP, P el = 500 W, JAZ max = x 0.2 x 0.6 m 3 = 300 l (Eigenbau) Nicht ausgeführt (optional) 2.4 m hoch, 3.6 m breit ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 9

10 Energiefluss Simuliert mit Polysun ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 10

11 Simulation Jahres PV Produktion mit PVsyst 300 W Schwellwert: 61.5 % vom Jahresertrag 500 W Schwellwert: 28.3 % vom Jahresertrag ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 11

12 Funktionsweise 1 2 PV-Fassade 1kWp, 680 kwh/a Wechselrichter Knotenpunkt WP-Kreisprozess Abluftnutzung als Vorlauf WP Kalter Luftstrom zum Kühlen 5 7 Sekundärkreislauf Wasser 3 8 Ladepumpe Q = 0.5 m 3 /h 9 Speicher 300 l 10 Schnittstelle zur Hausinstallation ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 12

13 Messresultat: + 33 C in 4.5 h von 300 Liter Wasser 80 % Solarstrom ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 13

14 Energiegestehungskosten Komponente Anzahl Kosten PV Fassade und Inverter 1 kwp CHF Wassertank und Wärmepumpe 300 Liter CHF Installation und Material CHF Gesamtinvestitionskosten CHF Elektrischer Ertrag aus PV 681 kwh/a Verwendbarer PV-Ertrag (60 %) 409 kwh/a Überschuss PV-Ertrag (40 %) 272 kwh/a CHF Energie aus Netz 105 kwh/a CHF 32.- Total elektrische Energie für Wärme 514 kwh/a Durchschnittliche JAZ der Wärmepumpe 3.7 Systemertrag Wärme 1900 kwh/a Betriebsjahre 20 Jahre Systemertrag Betriebsjahre kwh Total PV-Ertrags Überschuss 5440 kwh CHF Total Energie aus Netz 2100 kwh CHF Inverter Tausch nach 10 Betriebsjahre CHF Total CHF Gestehungskosten Wärme CHF/kWh Wärme ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 14

15 Anwendungsbeispiele Fertighausmarkt Mehrfamilienhäuser Haussanierung kein weiteres Wärmeerzeugungssystem für Warmwasser notwendig skalierbar und modular ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Funktionsmuster läuft Weiterführende Arbeiten und Ideen Messungen über längeren Zeitraum Optimierung des Wassertanks (Temperaturschichtung) oder Verwendung Latentwärmespeicher Entwicklung kleine und modulierende Wärmepumpe Integration Batteriespeicher Suche nach Industriepartner für Weiterentwicklung, Marketing und Verkauf ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 16

17 Solar Wings, 650 kw Lonza Solarpark, Waldshut Solar Wings, 60 kw, Tenna

18 Swiss Green Economy Symposium 2015 in Winterthur ZHAW, SoE, IEFE, Thomas Baumann, SGES-Innovationsforum Innovationsperlen der ZHAW 18