Die Zukunft der Photovoltaik liegt in der Systemintegration

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1 Die Zukunft der Photovoltaik liegt in der Systemintegration Prof. Dr. Franz Baumgartner ZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; Cosmic ISC Workshop, Konstanz, Deutschland 29. Nov März 2011

2 Das Volk hat zu zahlen und zu entscheiden 27. Nov 2016 Volksentscheid: Geordneter Atomausstieg Start 2017 mit Abschaltung von 3 KKW NEIN 1`098`464 Stimmen 54.2% JA 1`301`520 Stimmen 45.8% Tagesanzeiger, Sept 2013 Schweizerischen Bundesrates Botschaft Energiestrategie 2050 Ausstieg Kernkraft 2

3 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 3 Neuendorf, Migros 5200 kw.

4 Weltweiter PV Preisenkung durch Industrie Nov 2016; 0.39$/W in 40 Jahren von 50$/Wp auf 0.5$/Wp SEMI, ITRPV 150mm [$/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 4

5 Schweizer Solarpreis 2016: PV 556kW + WP (Warmwasser+Heizung) Mehrfamilienhaus Zürich, Letzenholzstr. 5

6 Solarstrom verheizen? Wirtschaftlichkeit? ERDÖL PHOTOVOLTAIK HEIZÖLPREIS SCHWEIZ Nov Rp pro Liter z.b. Migrol GREEN LIFE 10kWh th Energie pro Liter MODULPREIS SCHWEIZ Rp pro Watt 1000Wh el pro Jahr 30kWh Betriebsdauer 30a 9 Rp / kwh Energieinhalt 2 Rp / kwh Energieinhalt Barrelpreis 50$/156l 3 $ cents / kwh th Weltmarktpreis 40$c / Wp Arabien 30a 0.8$cents / kwh el

7 Einspeisevergütung war Treiber BRD PV-Markt Slide 7 H. Wirth, ISE Freiburg, Status Okt 2016,

8 Nur 6% des Wochenstroms kommt vom Netz 6.3kWp / 6.3kWh in Konstanz Slide 8.

9 Energieflüsse und Kennzahlen Invest /kwh N. Pearsall, F. Baumgartner, PV Performance, Wiley, Nov 2016, ISBN Slide 9.

10 Die Antriebsbatterie Slide 10.

11 Share of costs Kostenaufteilung der Komponenten PV Modul versus Li-Batterie 100% 90% junction box battery mgt. 80% 70% glass Al frame lamination battery package mounting 60% 50% Electronics/Div Mech Packaging 40% 30% 20% 10% poly Si wafering Cell processing Cell material cathode anode electrolyte seperator housing 0% PV Module Li Battery 6 inch poly cr. Si Module, 0.51$/Wp prize (20% margin?) 2016 june, Lithium-ion Batteries for Hybrid and All-Electric Vehicles: the U.S. Value Chain Marcy Lowe, Saori Tokuoka, Tali Trigg and Gary Gereffi, October 5, 2010, Center on Globalization, Governance & Competitiveness, Duke University Slide 11 see also Althaus, IWS, for LiNiMnCoO Batteries.

12 Grösste EV Batterie Produzenten 2015 TOP TEN 11.4 GWh /a FAZ Slide 12.

13 $/kwh Learning Curve Li-Ion Battery Packs Ref. F. Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich China 2025; 3 Mio Evs; each 50kWh = 150GWh/a EVs battery market leaders LR=0.06 [1] y = x LR= = German PV home batteries 5kWh 0.25GWh Slide $/kWh 1.2Mio EV LR = 0.15 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 = ,01 0, 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.

14 PV home battery cost estimation per kwh Single Family house solution: PV Li-battery + Power Electronics inverter + installation F. Baumgartner, June 2016 in Germany Typ. 850 /kwh Li-Battery 6kWh+ Inverter (price hardware for installer) remaining Battery price about 700 /kwh (about twice of Tesla Powerwall 350$/kWh pricing) annual full cycles 250, 10 years of operation; component -10%/a per kwh, per kw costs 2016 costs 2020 costs 2025 Li-battery + 6kWh housing power electronics Total hardware Overhead, software, sales (20%) components price at factory gate site installation total costs incl. Installation (-5%/a) economic rating cap. v. PVn / per kwh /kwh Plug in AC battery supermarket, internet PV Inverter 150 /kw <20kW, LR 0.19% from 1990 to 2013; FhG ISE, 059/01-S-2015/EN; Publication: February 2015 Li-Battery, cost reduction 8%/a, P. Nyquist, Nature, Feb 2016 Slide 14.

15 Inverter ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur für PV Batterie Systeme Studiengang Energie u. Umwelt / Weiterbildungskurs Strom- Spannungsgeneratoren für alle Wettersituationen Speicher (Batterie, Flow-Redox) Elektronische Lasten / Generatoren Studenten Arbeitsplätze Li Flow Redox

16 Elektrischer PV Strom betreibt die Wärmepumpe Solar power 5 kwh 12kW, CH Heat grid 15kWh Ambient heat 10 kwh Heat pump JAZ 3 electricity 5 kwh 130m2 30kWh/m kWh_el 8m 2 PV eff 17% Siehe Tagung 3. Nov 2016 Electrosuisse ETG, Dietikon

17 Grober Kostenvergleich PV WP versus Erdgas Wärme aus PV+WP Wärme aus ERDGAS 8.4 Rp/kWh PV: 18 Rp/kWh e Leistungszahl 3 18/3= 6 Rp/kWh t Typ II: Einfamilienhaus, durchschnittlicher Jahresverbrauch von 20'000 kwh, Heizung mit Warmwasser, Kesselleistung 12 kw (Preis inkl. CO2 Abgabe ohne MWStr.) 17

18 Solares Warmwasser: 2 Lösungen Standard Technical Efficiency of Solar Input to Thermal Output Solar thermal: 30% to 60% Photovoltaic + HP: 24% to 64% Collector = 50% = 16% PV *3.1 HP,COP = 50% Heat Storage COP coefficient of performance 588% theo 17% theo Ref: Swiss Federal Office of Energy (SFOE); Solarwärme und Photovoltaik ein Technologievergleich, 25. Feb 2015, 18

19 Entwicklung Solarmärkte Schweiz Solarthermie Photovoltaik BFE Markterhebung Sonnenenergie 2015, erschienen Juni 2016; 19

20 Auszug aus dem Tagesprogramm: Schweizer Solarpreis PV und Wärmepumpe ein ideales Gespann Martin Kleimaier, Task Force Leiter beim VDE / ETG, Essen, Deutschland Fördermodelle auf dem Prüfstand Marcel Knöri, Stv. Abteilungsleiter Amt für Energie Kanton St. Gallen Solarthermie und Photovoltaik in Kooperation statt in Konkurrenz Beat Kämpfen, Geschäftsleiter Kämpfen für Architektur Vision wird Realität das Energieautarke Mehrfamilienhaus Roger Balmer, Geschäftsführer Pro-Energie GmbH

21 PV to Heat: Tagung 3. Nov. 2016, Zürich Slide 21.

22 PV to Heat: Tagung 3. Nov. 2016, Zürich Slide 22.

23 Leistung (kw) Wärmpumpe gespeist von Solarstrom Lastverschiebung: Wärmepumpe dann laufen lassen, wenn es PV-Strom gibt 10 Polysun Simulation zur Verfügung gestellt von A. Witzig, ZHAW; am Mai Wärmepumpe mit Lastverschiebung 8. Mai Erkenntnis 1: Nicht nur die Energien anschauen, auch die Leistungen müssen passen! Erkenntnis 2: Je genauer man simuliert, desto kleiner wird der Eigenverbrauchsanteil

24 Monatsbilanzen: PV + WP für WW Simulation Franz ausgeführt Baumgartner, ; mit Polysun; 24

25 Polysun Rechenalgorithmen in Sunny Design des Herstellers SMA Polysun Simulation zur Verfügung gestellt von A. Witzig, ZHAW; am PV-Eigenverbrauch 25

26 Simulations-Tools bieten unterschiedliche Elektrische Verbraucher Gruppen an Polysun Simulation zur Verfügung gestellt von A. Witzig, ZHAW; am

27 ZHAW Bachelorarbeit 2015 Autonome Solarstromwand Daniel Lantschner, Raphael Knecht Betreuer: Prof. Dr. Franz Baumgartner, ZHAW, SoE, IEFE Winterthur 9. Juli 2015,

28 Wärmepumpe versus Widerstandsheizer als Warmwasserquelle Anteil Eigennutzung der PV Erzeugung hoch Boiler Gesamt Stromverbrauch niedrig WP 37 % kwh hoch 44% 7'299 kwh gering Annahmen: Boiler u. WP von PV Inverter gesteuert Investitions- summe klein 5 kwp 30 Süd Dachanlage Standard Simulation Polysun; 3500 kwh Hausstromverbrauch WW 50 C pro Tag (4-Personen EFH) 28

29 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! 29

30 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 vollelektr. E-Car (mit eigener "Tankstelle") Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom Erzeugung PV Plan kWh jährlich (seit aktuell kwh) = 243%-PEB-EFH Untersiggenthal/AG Slide 30.

31 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 ,3 CH 2017 H4 20.4Rp/kWh 910Fr / a 0 35 Batterie -8%/a CAGR 12 5 Abgaben Netz oder Winternotstrom 7, ,4 8 0,8 8, CH H4 Stromkosten 2014 CH H4 Kanton ZH 2015 PV + Batterie 2025 PV + Batterie 2035 PV + Batterie off-grid Slide 31.

32 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 32

33 PV Inverter entlasten Verteilnetz BFE Projekt CEVsol Ohne PV Inverter Blindleistungsregelung Dettighofen BRD 46% PV Anteil Slide 33.

34 PV Inverter entlasten Verteilnetz BFE Projekt CEVsol Mit PV Inverter Blindleistungsregelung Slide 34.

35 Fossile Energien gibt zu denken! und eröffnen neue Solar System Marktchancen 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 35.

36 Fazit - Ausblick 1. PV Inverter sind das Herz vom zukünftigen SMART GRID 2. PV Markt wird bestimmt vom eignen wirtschaftlichen Nutzen * PV für Wärmepumpe Warmwasser/Heizung * PV Heizstab 3. PV Markt wird bestimmt vom Wunsch nach der max. Eigenversorgung * Stromautark von Mai bis Oktober z.b. 1 bis 2 stündige Batterie 5 10kWh * erster Schritt z.b. halbstündige Batterie (Investitionslimit) 4. Kostenreduktion von BOS u. Installation zwingend sonst nur Batterie aus dem Baummarkt! 5kWh = 10 cent/kwh!) 5. Totale Stromautonomie wenn Winterstrom Versorgung gelöst (Gas, Methanol..) wer zahlt dann die Entsorgung, die Netzinvest.? 36

37 Danke für die Aufmerksamkeit Publikationen F. Baumgartner Solar Wings, 650kW Lonza Solarpark, Waldshut Solar Wings, 60kW, Tenna Unabhängige Beratung für PV home batterie Systeme bei: Bruno Aeschbach, Franz Baumgartner,

38 Weiterbildung in Winterthur ab 18. Nov Photovoltaik und Batteriespeicher Netze Smart Grid Bewirtschaftungskonzepte Slide 38.

39 Web Simulations Tool Slide 39

40 Autonomy versus PV power and battery capacity Ref.: C. Lorenz, ; Wirtschaftlichkeit Batteriespeicher, 29. Januar 2014; Franz Baumgartner, Zurich University of Applied Science;