Photovoltaikanlagen auch thermisch nutzen

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1 Eidgenössisches Volkswirtschaftsdepartement EVD Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART Photovoltaikanlagen auch thermisch nutzen Ludo Van Caenegem, Alina Pasca Grangeneuve, 19. November 2008

2 Inhalt Fakten zur Photovoltaik In-Dach Auf-Dach Montage Versuchsanlage der ART Messergebnisse Lohnt es sich PV-Anlagen zu kühlen? Natürliche Lüftung Mechanische Lüftung Nutzung der Wärme für die Heubelüftung Praxisbeispiel Schlussfolgerungen 2

3 Fakten Energieknappheit >> steigende Energiepreise Der Energieverbrauch muss gesenkt werden Fossile Energieträger müssen ersetzt werden Alternative Energiequellen sollen nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen Mögliche erneuerbare E-Quellen: Wasserkraft, Biogas (Hofdünger, Abfälle), Holzenergie, Wind, Geothermie, Sonne... Energieertrag: Photovoltaik: kwh/ha Jahr Biomasse: kwh/ha Jahr Landw. Betriebe verfügen über grosse Dachflächen, die sich für PV-Anlagen eignen Photovoltaik wird gefördert: Einspeisevergütung ab 2009 Energieausnutzung PV gering (10-15% der Globalstrahlung) PV-Anlagen sind teuer 3

4 Förderung von Solarstrom Kostendeckende Vergütung ab während 25 Jahre 16 Mio Fr. (5% von 320 Mio) für Photovoltaik Entspricht etwa etwa 25 MW ( m 2 ) Investitionen Fr. pro kwhp: Fr Freistehend Angebaut Integriert Leistungsklasse Vergütung (Rp/kWh) <10 kw 65 <30 kw 54 <100 kw 51 >100 kw 49 <10 kw 75 <30 kw 65 <100 kw 62 >100 kw 60 <10 kw 90 <30 kw 74 <100 kw 67 >100 kw 62 4

5 Nutzung Sonnenenergie Reflektion + IR-Strahlung Wärmeabfuhr < Wind E 0 = 1,367 kw/m 2 Sonnenergie ( W/m 2 ) Elektrizität % Nutzbare Wärme 5

6 In-Dach < > Auf-Dach PV-Anlagen Vorteile Nachteile In-Dach Ersetzt konventionnelle Dachhaut Thermische Nutzung für Heubelüftung Kühlung möglich Hoher Einspeisetarif Geringere elektr. Leistung wenn ungenügend gekühlt Unterdach erforderlich Zugänglichkeit bei Reparaturen Dichtigkeit des Dachs Aufbau Besserer elektrischer Wirkungsgrad dank Kühlung? Ideale Neigung möglich (unabhängig vom Dach) Gute Zugänglichkeit Konventionnelle Dachhaut erforderlich Keine thermische Nutzung möglich Niedriger Einspeisetarif 6

7 Fragen Wieviel Wärme kann PV-Modulen entzogen werden? Wie stark steigt der elektrische Wirkungsgrad der PV-Module bei Belüftung (=Kühlung)? Lohnt sich mechanische Kühlung der PV-Modulen ohne Nutzung der Wärme? Wie kann man die Wärme sinnvoll nutzen (Beispiel Heubelüftung)? 7

8 Versuchsanlage 8

9 Messungen kwh/m 2 Wind Temperatur Luftstrom Elektrischer und thermischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der: Aussenbedingungen: Globalstrahlung, Wind, Sonnenstand Luftgeschwindigkeit (zwischen Unterdach + Paneelen), Modultemperatur 9

10 Ergebnisse Juli 2008 Datum Periode Globalstrahl. Elektr. En. Wärme v Kanal Wärme kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 m/s Strom :53-16: :22-16: :08-16: :13-16: :50-16: :34-16: :10-24: :00-24: :00-16: :12-16: :15-16: :10-16: :58-16: Mittelwert

11 Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Modultemperatur Juli 2008 (13:00-13:30) Elektrischer Wirkungsgrad % Modultemperatur C 11

12 Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit Juli 2008 (13h00-13h15) Elektrischer Wirkungsgrad Luftgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit Elektr. Wirkungsgrad % Geschwindigkeit m/s 2 1 Datum El. Wirkungsgrad sinkt mit +/- 0.5% pro C Temperaturanstieg PV 12

13 Thermischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit Juli 2008 (13h00-13h15) 80 Thermischer Wirkungsgrad Luftgeschwindigkeit Windgeschwindigkeit Therm. Wirkungsgrad % Geschwindigkeit m/s 1 Datum

14 Thermischer Wirkungsgrad im Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit (II) Daten August 2008 (12:00-15:00) Therm. Wirkungsgrad % Luftgeschwindigkeit m/s 14

15 Belüftung von PV-Modulen Natürliche Belüftung 15

16 Natürliche Lüftung (Schwerkraft) 12 m 20 Natürliche Lüftung und Modul-Temperatur (Modellrechnung) 80 Temperatur PV Luftwiderstand Temperatur PV C Statischer Druck Luftsäule Widerstand/Druck Pa PV-Unterdach = 15 cm Luftgeschwindigkeit unter PV m/s 16

17 Einfluss Abstand PV Unterdach bei natürlicher Lüftung Elektr. Leistungsverlust % Verlust el. Leistung % Modultemperatur C Modultemperatur C Abstand PV-Unterdach cm 60 17

18 Mechanische Lüftung Energieverbrauch < > Energiegewinn (Fallbeispiel) Einfluss der Lüftung auf die netto-elektrische Leistung der PV-Anlage (Modellrechnung) G s =900 W/m 2 V = 16,5 m 3 /s PV : 30x12 m Netto-Leistungsdifferenz PV kw Netto Leistungsdifferenz PV mit natürlicher Lüftung Netto Leistungsdifferenz PV mit mechanischer Lüftung Mehrleistung PV Leistungsbedarf Lüfter t a = 25 C v wind = 2,5 m/s Leistung kw Luftgeschwindigkeit m/s 18

19 Wärmenutzung PV-Anlage 360 m 2 für Heubelüftung Anzahl GVE Heumenge kg TS/GVE Gesamte Heumenge Heustockfläche Erforderl. Luftrate PV-Anlage Fläche PV-Anlage kwp 50 GVE 3000 kg/gve kg 250 m m3/s 360 m kwp 19

20 Wirtschaftlichkeit der thermischen Nutzung von PV-Anlagen für die Heubelüftung Ohne PV Mit PV % TS Heu vor der Trocknung % Wasserentzug mit und ohne Solarwärme ( ) Mit Solarw ärme 600 Ohne Solarw ärme 12 % Heu TS nach der Trocknung % Wasserentzug kgh2o/kgheu Gesamter Wasserentzug kg H2O Möglicher Wasserentzug/Tag kg/tag Trocknungszeit Tage Trocknungszeit h Lüfterleistung (450/525Pa; η=0.55) kw Energiebedarf Lüfter kwh Differenz Energiebedarf Lüfter kwh Wasserverdunstung kg/h Temperaturerhöhung Luft Temperatur C Senkung Modultemperatur (Mittelwert Tag) -10 C Zunahme el. Wirkungsgrad während Heubelüftung 5 % Mittlere el. Leistung PV-Anlage Mittlere el. Leistung PV-Anlage 20.7 kw Mehrproduktion Strom dank Heubelüftung 57.6 W/m2 120 kwh 0 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 0 kwh Fr/kWh Betrag Fr. Energiebedarf Lüfter Energie zusätzlich eingespiesen Ertrag

21 Planungsinstrument: SOKO Programm 21

22 Schlussfolgerungen Durch kombinierte Nutzung (elektrisch-thermisch) kann 50 bis 70 % der globalen Sonnenenergie genutzt werden. Der thermische Wirkungsgrad (40 60%) von kombiniert genutzten PV-Anlagen ist etwa fünf mal höher als der elektrische (10 12%). Dank natürlicher Lüftung produzieren in-dach PV-Anlagen nicht weniger Strom als auf-dach PV-Anlagen Eine mechanische Lüftung der PV-Anlagen ist nur bedingt sinnvoll. Wird die Abwärme der PV-Anlage für die Anwärmung der Luft genutzt, halbiert sich die Zeit für die Heutrocknung. Während der Heubelüftung erhöht sich die solare Stromproduktion um 3 bis 10%. 22

23 Danke für das Interesse 23