Die Zukunft der Photovoltaik ist im System

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1 Die Zukunft der Photovoltaik ist im System Prof Dr F Baumgartner ZHAW University of Appl Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; wwwzhawch/~bauf Feldkirch , öffentlicher Vortrag im Sonnensaal 11 März 2011

2 Tundra in Alaska März 2014 by JUSTIN GILLISJAN 16, 2015 Slide 2

3 2014 das wärmste Jahr seit 1880 by JUSTIN GILLISJAN 16, 2015 Slide 3

4 Und wie steht's mit dem Klima? Over the last two decades, the Greenland and Antarctic ice sheets have been losing mass, glaciers have continued to shrink almost worldwide, and Arctic sea ice and Northern Hemisphere 2 Ziel spring snow cover have continued to decrease in extent (high confidence) 08m Ziel wwwiccpch Sept

5 Warum Wandel der Energieversorgung? Das Klima der Welt: CO 2 Ressourcen -Knappheit 2100 mit +5 C? regionaler Klimawandel Risiken: Kosten / Sicherheit Erdölreserven bis 2050?; China, Indien? Zukunftsmarkt mit Potential Lit Lit ÖL-Preis akt 105$/bl in 2008; 40$ - 150$ Ökologie der Tankerunfälle, Fukushima? 200$/bl? Gesellschaftlicher Konsens: Zukunft ist ERNEUERBAR, wenn heute investiert wird?

6 Die grossen Veränderungen sind ungeplant Slide 6

7 2011 März wieder eine Katastrophe 11 März 2011 Slide 7

8 Fukushima & Deutschland Germany March 2011 Fr So wwwtransparencyexxcom 18 GW Nuklear 12 GW Nuklear Abschaltung von 7 KKW Reaktoren am 16 März 2011 Nach dem Unfall in Japan am 11 März und vor den Landtagswahlen in Baden Württemberg: Neckarwestheim-1, Philippsburg-1 (Baden-Württ), Biblis A und B (Hessen), Isar-1 (München) und Unterweser (Niedersachs)

9 9 AEE Agentur f Erneuerbare Energie u Eff TWh/a in TWh/a Effizienz Geothermie Wasserk Bio Wind PV AEE 2030 AEE Effiz SATW SATW wwwaeech AEE Pressekonferenz in Bern am 3 März 2011

10 330MW IST Slide 10

11 11 Swiss Cleantech Energiestrategie 2011 Q3

12 2012 Juni Nachdenken in der Schweiz Slide 12

13 IEFE KKW OFF kommt GAS??? PV 11TWh BFE, Bern, Sektionschef, Frank Rutschmann; Dez 2012, Zürich

14 2013 Juni Schweizer Regierung Ausstieg KKW Slide 14

15 Slide 15

16 Vom Bundesrat geplanter EE Zubau - Planungsstand PV Anteil 2% nur ca 1/5 der KEV- Auszahlung für PV Warteliste KEV : 18 GW EIV : 02 GW Ziel Bundesrat: 2020 PV Anteil 2% 2035 PV Anteil 10% 2050 PV Anteil 20% Slide 16

17 Zukunft Strom CH Slide 17 R Kehlhofer, Bulletin 8/2014

18 Slide 18

19 Der historische Wandel im Energiemarkt 70 Baumgartner KOHLE Marktanteil in % ÖL GAS PV 20% Ziel Bundesrat Öl - Welt Gas - Welt Kohle - Welt D-Wind D-Bio D-RE-oWasser D-Solar D-Ziele RE CH-Solarziel Bundesrat CH-Solarziel Swissolar CH-RE-oWasser

20 Grosse Schweizer PV Anlagen 100kW bekannte Beispiele Flumroc: PV Dach: 71kW, PV Fassade: 57 kw, ges 138kW Winterthur, Eulachhalle 384kW Tenna, Solarskilift 62kW Winterthur, Werkhof 78kW Neuendorf, Migros 5200 kw Slide 20

21 Kleine Schweizer PV Lösungen im Denkmalschutz in Berlingen, CH in Konstanz PV + Thermie Slide 21

22 PV Marktzahlen in der Schweiz TOP 3 PV Installer more than 100MW new installed in 2013 < 30kW ca 20% Marktanteil T Hostettler, BFE PV Market 2013 Switzerland; wwwbfeadminch

23 Wo steht die PV heute in der Schweiz Slide 23

24 Kostenentwicklung Slide 24

25 Solarkraft der Grünen Feldkirch im Betrieb seit Installationskosten 47 /Wp Nenn leistung 196kW= 112 x 175Wp Sunways MHH180Plus polykristallin Wechsel richter 4xSunways 502; AC/DC=1 Ertrag 1100h (2003) Inbetrieb nahme Dezember grüne Teilhaber Installation und Planung: Hr Lins, Energiasolar, Feldkirch; wwwenergiasolarat Aktuelle Erträge

26 Die Komponenten der PV Kraftwerks Kostenbasis CH 2013, 200kWp, 1700 Fr/kW F Baumgartner, 2013, electrosuisse bulletin Slide 26

27 Preissenkung Solarstrom Schweiz kW PV large BRD Slide 27

28 Solarzelle - Module - System? 2011 ca 5Fr/4W 2015 ca 2Fr/4W solar cell 15cm x 15cm 35 Watt costs 3-5 SFr Solar module: 230W / 60 Zellen PV Fascade; wwwsunwaysde 28

29 Kostensenkung durch industrielle Produktion SOLARMODULE KERNKRAFTWERKE Preis pro Watt 1 / 100 Preis pro Watt x 3 Lernkurve der Industrialisierung Beispiel Solarmodulproduktion Bei einer Verdoppelung der Gesamtmenge an installierten Solarmodulen einer Technologiegruppe sinkt der Preis um ca 20% (siehe LR 228 bzw 193%) Slide 29

30 Global Photovoltaic Market Growth Report IEA-PVPS T1-22:2013

31 PV Top 10 and PV in EU Slide 31

32 Deutscher Erfolg + 20% Erneuerbar / Dekade Slide ; wwwpv-faktende

33 CO 2 Ziel - 40% für 2020 BRD wird nicht erreicht Seit 2000 gelang im Schnitt eine Minderung um 0,7 % /Jahr 2,3 % pro Jahr zwischen 1990 und % CO 2 -Minderung wenn alle deutschen Braunkohle Kraftwerke (Anteil 25%) bis 2020 Erneuerbar werden (McKinsey) Slide 33

34 PV Market trends Published 3Q 2013

35 PV Cost Development & Roadmap Modulpreisentwicklung 350 Systempreisentwicklung Others Ground Mounting Cabeling Inverter Module SMA 2014 ITRPV 2025 ITRPV wwwitrpvnet status 2015 Slide 35

36 3 Rechenbeispiel Rp/kWh für 5kWp PV Kraftwerk mit 5kW Nennleistung Gesamtkosten PV Anlage 25SFr*5000= SFr Jahresproduktion Pn * 1000h = 5000 kwh Produktion Lebendsdauer 30 Jahre 15E+05 kwh Investionskosten/Produktion 0083 SFr inklusive Finanzierungs 2%, Betriebskosten 2% 0162 SFr Faktor für Finanzierung +OuM 194 Vergleiche KEV Tarife und kwp Kosten; Bund EnV mit Änderung Okt 2013; Anhang 12; (Art 3a, 3b, 3d, 3g, 3h und 22 Abs 2) siehe auch Investitionskosten laut Umfrage 2013-Fotovoltaikstudie Auflage 4, Michael Ziegler: 5kW mit 2664Fr/kW und für 100kW mit 1836Fr/kW Netto 36

37 3 Neue Vergütungsätze ab April 2015 Bundesrat am 5 Nov Pn [kw] Rp/kWh <30kW < 100kW < 1000kW Summe inkl MWSt zu verstehen Status des Downloads: Jan 2015 Slide 37

38 3 Beispiel: Solares Einfamilienhaus 16kW Untersiggenthal/AG Eckdaten vom Eigentümer: 1985 Baujahr, Einfamilienhaus, Heizung monovalente Erdwärmesonden, s -Studie auf der BFE-homepage 2008 Wärmepumpe mit Scroll-Kompressor 2012 Warmwasser über Wärmepumpe und Erdwärmesonden 2014 PV-Solaranlage 16,4 kwp, s att 2015 vollelektr E-Car (mit eigener "Tankstelle") Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom Erzeugung PV Plan 17000kWh jährlich (seit 1905 aktuell kwh) = 243%-PEB-EFH Untersiggenthal/AG wwwstaerk-erdwaermech Slide 38

39 3 Finanzierung einer PV Anlage einer 5kW PV Anlage, Inbetriebnahme 1 Mai Anfangsinvestition schlüsselfertig 100% oder CHF 2015 Einmalvergütung 38% Invest Finanzierungsbeitrag durch Eigennutzung von 1/3 des am Dach erzeugten Solarstroms durch vermiedenen Strombezug Die laufenden Betriebskosten können in etwa von den Vergütungssätzen des nicht im Haus direkt gebrauchten Solarstroms gedeckt werden(keine KEV) Es besteht eine Rücknahmepflicht des eingespeisten Solarstroms vom Verteilnetzbetreiber (Artikel 7 und 2bEnV) aktuell minimale Vergütung ca 7 Rp/kWh O&M Kosten 15%/a Inv 37% Invest total in 25 Jahren zu 25 Rp/kWh in 25 Jahren 25 Betriebsjahr Jahr der Inbetriebnahme (83% Anfangsinvestition) Ertrags zinsen 14% Einspeisung 6Rp/kWh von 2/3 PV Strom in 25 Jahren total 40% vom Anfangsinvestment 1 Slide 39

40 Was das Stromnetz kostet? Slide 40

41 Deutschland 29 ct /kwh in 2014 IEFE 400 SFr pro Jahr für s Netz

42 Angstkampane zur Energiewende von Initiative Neue Soziale Marktwirtschaft Slide 42

43 Initivative Neue Solziale Marktwirtschaft Slide 43

44 Initivative Neue Solziale Marktwirtschaft Organisationsstruktur Slide

45 BRD Haushaltstrompreise Liberalisierung MSt EEG Wieland Hintz, electrosuisse Bulletin 3 / 2014

46 Mehr Selbstständigkeit: Eigenbedarf Slide 46

47 Solarstromüberschuss in Wärme ein Beispiel aus Kaltbrunn, KN Solarleistung 5,5kWp Wärmepumpe ab 08kW werden 300 Liter Warmwasser solar geheizt über den elektrischen Strom aus den Solarzellen vom Dach 1kWh PV Strom 3kWh Wärme! Slide 47

48 PV + Wärmepumpen Erfolgsstory ZHAW IEFE: PV ET & Thermische MT Kompetenzen vereint Solarstrom 5 kwh 12kW, CH Wärme Baumgartner 2005 Netzstrom 15kWh/m 2 Umgebungswärme 10 kwh Wärmepumpe el Strom 5 kwh Entwicklungsbedarf 2014: Drehzahlvariable Wärmepumpen mit höherer Leistung und vergrössertem Wasser-/Wärmespeicher; Fluktuation! Slide 48 T Tjaden; IKZ-HAUSTECHNIK 13/2014;

49 Autonomy versus PV power and battery capacity Ref: C Lorenz, ; Wirtschaftlichkeit Batteriespeicher, 29 Januar 2014; wwwie-leipzigcom T Tjaden; IKZ-HAUSTECHNIK 13/2014; Andere Weblösungen siehe unter

50 Web Simulations Tool Slide 50

51 Aktuelle Energieträger Trends - ELEKTRIZITÄt Schweiz Liechtenstein IEFE x Strom 2010 Gas 13% 24% 33% Öl Mob 22% Öl - Heizen Trend: Weniger FOSSILIEN mehr ELEKTRIZITÄT Schweizer Strom heute 56% Wasserkraft Wann ist die Schweiz 100% ERNEUERBAR?

52 PV System in der Wand für s Warmwasser Slide 52

53 BA2015 Lantschner / Knecht Integrated in this Facade element: PV Module PV grid inverter ZHAW IEFE, Winterthur Project Partner STO May 2015 Heat pump Hot water storage Opt elect battery Invited Talk; European Photovoltaic Conference, Hamburg, Sept 2015, Session 6DO81 THE SWISS PV WALL SYSTEM TO MAXIMISE SELF-CONSUMPTION IN A SINGLE BUILDING ELEMENT F Baumgartner, R Knecht, D Lantschner, T Baumann, H Nussbaumer, J Böhler*, U Brühl* Slide 53

54 Aufbau Funktionsmuster Wechselrichter: hohe Leerlaufspannung Dünnschichtmodule Wasserspeicher: Stringwechselrichter SMA Sunny Boy 1300TL möglichst dünn, wegen zusätzlicher Dämmung Wärmepumpe: Abmessungen 25 x 02 x 06 m = 300 l 5 Schweissnippel 3/4 pro Seite Luft-Wasserwärmepumpe Ochsner mit integrierter Ladepumpe BA: Autonome Solarstromwand 54

55 Funktion 1 PV-Fassade 1kWp, 680 kwh/a 2 Wechselrichter 3 Knotenpunkt 4 WP-Kreisprozess 5 Abluftnutzung als Vorlauf WP 6 Kalter Luftstrom zum Kühlen 7 Sekundärkreislauf Wasser 8 Ladepumpe Q = 05 m 3 /h 9 Speicher 300 l 10 Schnittstelle zur Hausinstallation BA: Autonome Solarstromwand Ventilator = ~ Wechselrichter Stromnetz Wärmezähler Kompressor WP TT TT TT Expansionsventil Ladepumpe Wärmespeicher Photovoltaik Fassade Wärmespeicher 300 l 9 9 Frischwasserzufuhr Warmwasserabfuhr Luft Wasser Kältemittel Wechselspannung Gleichspannung 55 TT 10 10

56 Tages-Messung Warmwassererzeugung Temperaturhub ca 33 C Prognose für Jahresmittelwert: BA: Autonome Solarstromwand 1kWh_PV-Strom erbringt 37kWh Wärme WW 10

57 Anwendung Durch industrielle Massenfertigung einfache und kostengünstige Installation Ausführung als Fertigelement des Gesamtsystems Einsatz für Neubau, Fertigbau, BA: Autonome Franz Solarstromwand Baumgartner, ; wwwzhawch/~bauf Retrofit, kann vor Wand gestellt werden 57

58 Kosten Autonome Solarstromwand BA: Autonome Solarstromwand 58

59 PV System mit Batterie Slide 59

60 Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012 Commercial PV Battery + Power Electronics Nominal Capacity C nom [kwh] 138 Price rel per kwh nom 833 Used Capacity C used [kwh] 69 lifetime full DOD 50% 1350 lifetime stored capacity [kwh] cost of stored kwh 062 financing costs factor (5% interst rate, 5a) 12 total storage costs per kwh An example of a marketing document: To increase self consumption from 38% to 50% of consumption investment of typ per 65kW PV STC is needed (doubling investment costs) Franz Baumgartner, 2012, EUPVSEC

61 Beispiel Aug sonniger Tag 30kWh Li-Speicher, 15kWp PV 61

62 Tesla Powerwall 10kWh / 3500$ only battery Los Angeles, Auslieferung Sommer Batteriepreis Elon Musk, 2015 March, Teslawall 10kWh Powerwall / 2kW 130 x 86 x 18 cm; -20 bis 43 C; 100kg VIDEO 100kWh Powerpack Gigafactory Nevada Inv ca 5 Mrd $ (green 900 Mio Powerbacks) Slide 62

63 TESLA powerwall Abschätzung Baumgartner: Zusatzkosten, Powerelectronic und Installation, ca 250$/kWh; 200 Zyklen/a; 03$/kWh Slide 63

64 Blick in die Glaskugel - Kostenprognose 60 F Baumgartner, ZHAW, , eigene Analyse Rp/kWh H4 Haushaltskund Energie Abgaben Netz BRD PV Erzeugung -5%/a CAGR Batterie -8%/a CAGR Abgaben Netz oder Winternotstrom CH H4 Stromkosten 2014 CH H4 Kanton ZH 2015 PV + Batterie 2025 PV + Batterie 2035 PV + Batterie off-grid Slide 64

65 ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur für PV Batterie Systeme Herbstsemester 2014 Studiengang Energie u Umwelt Strom- Spannungsgeneratoren simulieren alle Wettersituation am Eingang des Wechselrichter Speicher (Batterie, Flow-Redox) Studenten Arbeitsplätze Li Flow Redox Elektronische Lasten simulieren die unterschiedlichen Lasten zb Einfamilienhäuser, Wohungen, mit WP und E-mobile Ing- Ausbildung und Arbeiten für F&E Projekten IEFE Dozenten: Andreas Heinzelmann, Petr Korba, Franz Baumgartner,

66 PV System für den Verkehr Slide 66

67 CO 2 Emission Schweiz Treibstoff Emissionsziele um 22% verfehlt Grafik;: 67

68 EV und CO 2 per km Greenpeace wwwpresseportalde/pm/6343/ /greenpeace_e_v ; RWE Strom 2006; 752g CO2/kWh (Germany average 520g CO2/kWh) Smart mit RWE Strom = 90g CO 2 /km Smart mit Diesel= 88g CO 2 /km F Baumgartner H Neumann, F Baumgartner, D Schär, Prog of PV, EUPVSEC Sept 2011 H Althaus, M Gauch, EMPA Schweiz, Studie für die AXPO Herbst 2010

69 Fossiler versus SOLARER Antrieb Potential solare Fossile Antrieb 25 Jahre Reichweite km/Jahr Solarer Antrieb Tagesstrecke 30km 52 l/100km 20kWh/100km H-M Neumann, D Schär and F Baumgartner; 157 (230) gco 2 /km 15 (82) g CO 2 /km Prog Photovolt: Res Appl 2012; 20: F Baumgartner

70 PV Systems am Parkplatz CH FL cable based mounting Slide 70

71 CH Verbrauchergruppen nach ELCom 2-Zimmerwohnung mit Elektroherd: 1'600 kwh/jahr (Kategorie H1) 4-Zimmerwohnung mit Elektroherd: kwh/jahr (Kategorie H2) 4-Zimmerwohnung mit Elektroherd und -boiler: 4'500 kwh/jahr (Kategorie H3) 5-Zimmerwohnung mit Elektroherd und Wäschetrockner (ohne Elektroboiler): 4'500 kwh/jahr (Kategorie H4) 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler und Wäschetrockner: 7'500 kwh/jahr (Kategorie H5) 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler, Wäschetrockner und elektrischer Widerstandsheizung: 25'500 kwh/jahr (Kategorie H6) 5-Zimmer-Einfamilienhaus mit Elektroherd, Elektroboiler, Wäschetrockner und 5-kW- Wärmepumpe: 13'000 kwh/jahr (Kategorie H7) Slide 71

72 6 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 2015 vollelektr E-Car (mit eigener "Tankstelle") Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom Erzeugung PV Plan 17000kWh jährlich (seit 1905 aktuell kwh) = 243%-PEB-EFH Untersiggenthal/AG wwwstaerk-erdwaermech Slide 72

73 Das CH Stromnetz ist stabil? Slide 73

74 Swiss electricity production 2008 F Baumgartner, EU Photovoltaic Conference, Valencia % hydro PV?? Hydro pumped hydro cap 14 GW (2% elec) pumped hydro cap will be increased to 5GW in future Nuclear VSE Schweiz,

75 Deutsches Stromnetze im Sommer 1 Million EV 1EV: 7kWh/Tag B Giesler et al; EUPVSEC Paris 2013; 7GW x 1h Slide 75

76 Aktuell installierte PV Leistungen vgl D 46% Vergleich Dettighofen, Baden-Württemberg, DE, CH Markus Niedrist, Fabian Cariget, Franz Baumgartner, electro suisse ETG Tagung, Stromnetze, 6 Nov 2014 in Zürich Dettighofen Bayern 12% 821 kwp MWp 155 kwp/einw 083 kwp/einw 57% Deutschland Schweiz 12% MWp 756 MWp (2013) 044 kwp/einw 009 kwp/einw Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion: Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% P N Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=09 (ab 138kVA) Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=095 Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% P N Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% P N Die verschwundene Hälfte; Photon, 2014, 4

77 Analyse Messung Trafostation Dettighofen Dorf: 400kW in 30 MInuten Tagesverlauf Wirkleistung [kw] und Blindleistung [kvar] Wirkleistung Blindleistung Spannung Einstrahlung 12:50 +43kW 12: rel Spannung Einstrahlung [W/m 2 ] -358kW :30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17: November 2014 STROMNETZ MIT SEHR HOHEN PV-ANTEILEN 77

78 Persönliches Fazit: Die Schweiz wird es schaffen die Hälfte des heutigen KKW-Stroms durch Solarsgtrom zu ersetzen, noch vor 2035! Slide 78

79 Leitidee: Selbstständigkeit durch Eigenverbrauch Die Energiewende ist eine Wende zur Selbstständigkeit! Was ich nicht selber habe, kaufe ich zu? Was ich selber erzeuge, muss ich nicht kaufen! Selbst erzeugen und verbrauchen = Eigenbedarf Energieautrak - Autarkie altgriech Selbstständigkeit Vision der Energieautonomie 100% ige Unabhängigkeit: «Der Wechsel zu Erneuerbaren Energien ist ein Wettlauf mit der Zeit - aus ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Gründen «Hermann Scheer, 2005, ISBN Slide 79

80 wwwzhawch/~bauf ; Frankfurt, EUPVSEC Plenary Talk, 5DP32 P Korba, F Baumgartner, B Voellmin, AP Manunatha, ZHAW, EKZ, ABB; wwwzhawch/~bauf

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