Flexible Dünnschicht Photovoltaik für die Gebäudeintegration

Transkript

1 Flexible Dünnschicht Photovoltaik für die Gebäudeintegration Markus C. Scharber Linzer Institut für Organische Solarzellen, Johannes Kepler Universität Zero Emission Cities, 6. Nov. 2013, Wien 1

2 Zur Person Seit 04/2012 Linzer Institut für Organische Solarzellen (N. S. Sariciftci) Von Konarka Technologies Inc. (jetzt Belectric OPV) in verschiedenen Positionen (Direktor F&E, Innovationsmanagement) Der Vortrag basiert auf Erfahrungen aus beiden Tätigkeiten (akademisch und industriell). 2

3 Einleitung Besondere Rolle der Solarenergie als erneuerbare Energiequelle Photovoltaik allgemein Was heißt Gebäudeintegration? Vorteile / Nachteile Neue Technologien für Gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV) 3

4 Einleitung Die Photovoltaik (Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität) bietet sehr viele Vorteile: Betrieb ist frei von Emissionen (keine Abgase oder Lärm) Kann einen wichtigen Beitrag zur Energieversorgung leisten Hat eine sehr kurze Amortisationszeit (energetisch, in vielen Fällen auch monetär) Für den großtechnischen Einsatz der Photovoltaik bedarf es: Einer allgemeinen Akzeptanz der Technologie Energiespeicher für den Ausgleich von Angebot und Bedarf (Tag Nacht; Sommer Winter) Forschung und Entwicklung für bessere Solarzellen und Module 4

5 Potentiale verschiedener erneuerbarer Energiequellen Sonne TW (gesamte Erdoberfläche) TW (technisch nutzbar) Wind 14 TW Biomasse 5 7 TW Gezeiten 0,7 TW Geothermie 1,9 TW Wasserkraft 1,2 TW technisch nutzbar Bedarf weltweit ~ 16 TW Source: Department of Energy 2005, A. Nozik 5

6 Globale Verfügbarkeit von Solarenergie kwh/m 2 /a

7 Solarenergie in Österreich Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik 7

8 Lokale Verschattung Lokale Gegebenheiten können zu einer deutliche Reduktion der verfügbaren Solarstrahlung führen Auch die Ausrichtung spielt eine entscheidende Rolle 8

9 Potential der Photovoltaik in Österreich Regenerative Energien in Österreich, M. Kaltschmitt, W. Streicher, Vieweg&Teuber 2009 Vergleich: Netto Stromerzeugung in Österreich (2011) ~62 TWh Statistik Austria, Bilanz der Elektrischen Energien 9

10 Optimale Ausrichtung Quaschning 2007 Neigungswinkel Ausrichtung Himmelsrichtung Neigungswinkel 10

11 Optimale Ausrichtung maintauber.de 11

12 Definition Gebäudeintegrierte Photovoltaik Die Fachgruppe Photovoltaik in Gebäuden unter dem Dach des Bundesverbandes für Bausysteme e. V. definiert GIPV als eine architektonische, bauphysikalische und konstruktive Einbindung von PV Elementen in die Gebäudehülle unter Berücksichtigung der multifunktionalen Eigenschaften des PV Moduls. Multifunktionalität können dabei Witterungsschutz, Wärmedämmung, Abschattung, Ästhetik und Design sowie Sichtschutz, Schalldämmung, elektromagnetische Schirmdämpfung, Einbruchsschutz, Lichtlenkung und leitung sein. D.h. unter GIPV versteht man die Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle, wobei nicht nur die klassische Energieumwandlung sondern auch weitere Funktionen sehr wichtig sind. 12

13 GIPV Klassische Aufdachanlage GIPV Energie AG Fassade Goûter Hütte Mont Blanc 13

14 Städtischer Wohnbau Schräge Dachflächen mit südlicher Ausrichtung sind für die Nutzung der Photovoltaik ideal. Allerdings werden bei Neubauten häufig Flachdächer bevorzugt (Kosten, zusätzliche nutzbare Flächen). Bei mehrstöckigen Gebäuden gibt es oft ein schlechtes Flächenverhältnis (Dach zu Fassade) Fassadenflächen deutlich größer. Immobilien Wien Energie AG 14

15 Vorteile GIPV Einfache Technologie Emissionsfrei Kostenvorteil (PV ersetzt Gebäudeelemente) Neue Gestaltungsmöglichkeiten Tragner, 8. Österreichische PV Tagung D. Moor, Ertex Solar 15

16 Kostenvorteil Plus Energie Stadtteil Sun power City Projekt im Auftrag des Klima und Energiefonds, FFG Programm ENERGIE DER ZUKUNFT Durchführung ( ) AIT Austrian Institute of Technology (Arsenal), HEI Eco Technology GmbH, pos Architekten, Wirtschaftsagentur Wien WAW, TATWORT Analyse des PV Potentials für Gebäude der Seestadt Aspern (Details: Verschiedene Fälle betrachtet: Förderung Energiepreisanstieg Direktnutzung Substitutionseffekt InvestorInnenmodell 16

17 Tragner, 8. Österreichische PV Tagung (2010) 17

18 Tragner, 8. Österreichische PV Tagung (2010) 18

19 Jährlich in Österreich installierte PV Leistung Jahr Innovative Energietechnologien in Österreich, Marktentwicklung BMVIT (2012) 19

20 Starker Preisverfall bei PV Anlagen 4366 /kw 2216 /kw Innovative Energietechnologien in Österreich, Marktentwicklung BMVIT (2012) 5100 /kw 1698 /kw Bundesverband Solarwirtschaft e.v. (BSW Solar), Juni

21 Montageart installierter PV Anlagen, Österreich 2012 Innovative Energietechnologien in Österreich, Marktentwicklung BMVIT (2012) Quelle: Erhebung Technikum Wien 21

22 Nachteile GIPV Geringerer Ertrag (Fassade, Flachdach) Geringe Standardisierung Installation Verschaltung Fehlende Gestaltungsmöglichkeiten Form Farbe Mechanische Eigenschaften Gewicht D. Moor, Ertex Solar 22

23 Für GIPV ideal Kreative Materialien = Freie Gestaltung von Form, Farbe, optische Eigenschaften (semitransparent) Vorteilhafte Mechanische Eigenschaften (Gewicht) Hoher Standardisierungsgrad Verbesserter Wirkungsgrad Kostenreduktion Kürzere Amortisationszeiten Kleinerer CO 2 Fußabdruck (Produktion) Bushaltestelle San Francisco, CA 23

24 GIPV Aktivitäten in Österreich Ertex Solar, Amstetten, Niederösterreich solar.at Firmen mit neuen Ansätzen Zellen/Module flexibel (mechanische Eigenschaften), Absorber Schicht mit verschiedenen Farben, günstige Herstellung Sunplugged, Wildermieming, Tirol Crystalsol, Wien Isovoltaic, Lebring, Steiermark 24

25 Organische Photovoltaik Neue Technologie Arbeitsprinzip ähnlich der Photosynthese Reaktionszentrum Photosynthese Organische Solarzelle Besonderheiten sind: Die besonders günstigen Produktionsverfahren Kurze Amortisationszeit (energetisch) < 0,5 Jahre Optische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften 25

26 Wirkungsgrad Höchste Wirkungsgrade werden in letzter Zeit fast ausschließlich von Firmen berichtet, die an der Kommerzialisierung der Technologie arbeiten (Toshiba, Mitsubishi Chemicals, Heliatek, Belectric OPV). Erste Produkte wurden für tragbare Anwendungen und für GIPV angekündigt. 12 Wirkungsgrad [%] Jahr Efficiency Table, Progress in Photovotaics Heliatek, Pressemeldung 26

27 Produktlebenszeit Prototyp Derzeit gibt es sehr wenige belastbare Produktlebenszeiten (schnelle Weiterentwicklung, Entwicklung erst im Anfangsstadium, lange Untersuchungszeiträume). Prototyp Solarladegerät mit Akku 27

28 Prototyp Leistungsabfall 1.8 Elektrische Leistung [W] Datum Messungen wurden bei mw/cm 2 (AM1,5) durchgeführt und auf 100 mw/cm 2 normiert 28

29 Einfache Herstellung Einfache Druckverfahren Konarka Technologies Inc. 29

30 Mechanische Eigenschaften Sehr dünne Solarzellen (ca. 1/50 Haardurchmesser), dadurch flexibel und verformbar Kaltenbrunner et al. Nature Com. 2012, 3, 770,

31 Optische Eigenschaften Semitransparent und vielfärbig Konarka Technologies Inc. 31

32 Zusammenfassend Gebäudeintegrierte Photovoltaik (besonders in der Fassade) kann schon heute kostengünstigen und emissionsfreien Strom liefern und somit einen wichtigen Beitrag zu Zero Emission Cities leisten. Verbesserungen zu den heute verwendeten Technologies sind durchaus möglich. Besonders die ästhetische Gestaltung von Objekten und Fassaden erscheint wünschenswert. Organische Solarzellen könnten ideale für die Gebäudeintegration geeignet sein. Prototype sind vorhanden und erste Produkte werden derzeit entwickelt. Allerdings bedarf es weiterer F&E, um ihr volles Potential auszuschöpfen. 32

33 Vielen Dank für Ihr Interesse 33