Erneuerbare Energien

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1 Erneuerbare Energien Part III Solar EE Technische Universität Dresden Energiewirtschaft 1 Vorlesung 3.5 Erneuerbare Energien - 1 -

2 Agenda 1. Klimaschutz und ökonomische Theorien 2. Grundlagen 3. Institutioneller Rahmen 4. Erneuerbare Energiesysteme 4.1 Wind 4.2 Biomasse 4.3 Solar 4.4 Sonstige (Erdwärme, Wasser) 4.5 Vergleich Literatur - 2 -

3 Solar 1. Eingliederung 2.Physikalische Grundlagen 3.Systemtechnische Beschreibung 4.Potenziale und Nutzung 5.Rechtlicher und institutioneller Rahmen 6.Ökonomische Analyse - 3 -

4 Solar Eingliederung - 4 -

5 Ausschnitt der Nutzungsmöglichkeiten solarer Strahlung Energie aus Solarstrahlung Solarthermische Wärmenutzung Solarthermische Stromerzeugung Photovoltaische Stromerzeugung Solarunterstützte Brauchwarmwasserbereitung in Haushalten Freibadbeheizung In Anlehnung an: Kaltschmitt et al. (2003) Konzentration von Sonnenlicht, z.b. Turmkraftwerk, Parabolrinnen- Kraftwerk Aufwindkraftwerke Netzunabhängige Systeme: Informationstafeln, Solar Home Systems, Parkautomaten Netzgekoppelte Systeme: Einspeisung überschüssiger elektrischer Energie

6 Physikalische Grundlagen photovoltaische Stromerzeugung - 6 -

7 Solar physikalische Grundlagen photovoltaische Stromerzeugung Alle Feststoffe lassen sich nach der Menge und der freien Beweglichkeit der Ladungsträger in drei Gruppen einteilen: - Isolatoren: Elektronen sind fest an die zugehörigen Atome gebunden keine Leitfähigkeit. - Metalle: Elektronen sind frei im Kristallverband beweglich Leitfähigkeit sehr hoch. - Halbleiter: Elektronen sind im Kristallverband an die Atome schwach gebunden, Energiezufuhr kann sie jedoch freisetzen Leitfähigkeit unter Energiezufuhr Ideales Siliziumgitter: 14 Elektronen, davon vier in der Valenzschale. Letzere stellen die Bindungen zu den Nachbaratomen her (paarweise mit den Elektronen der Nachbaratome) Quelle: Kaltschmitt et al. (2003) Durch Energiezufuhr können Bindungen aufgebrochen werden, an der Stelle eines freigesetzten Elektrons (negativer Ladungsträger) entsteht ein sogenanntes Loch (oder Defektelektron, positiver Ladungsträger) - 7 -

8 Solar physikalische Grundlagen photovoltaische Stromerzeugung Photoeffekt - Übertragung von Energie von Photonen (Quanten elektromagnetischer Strahlung) auf Elektronen in Materie - Photoenergie wird dabei in potenzielle und kinetische Energie umgewandelt - Elektron übernimmt gesamte Energie des Photons - Äußerer Photoeffekt: trifft elektromagnetische Strahlung im UV-Bereich auf einen Festkörper, können Elektronen bei ausreichender Photoenergie so viel Energie aufnehmen, dass sie aus dem Festkörper austreten. - Innerer Photoeffekt: Beim inneren Photoeffekt werden durch Absorption elektromagnetischer Strahlung Elektronen nicht vom Festkörper abgelöst, sondern lediglich vom Valenzband ins Leitungsband angehoben Bildung eines Elektronen-Loch-Paares, das die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpes erhöht. Basis für den photovoltaischen Effekt innerhalb der Solarzelle Werden in das Siliziumgitter Fremdatome mit 5 Valenzelektronen eingebaut (eindiffundiert) entsteht ein freier Ladungsträger, da ein Elektron für die Bindung im Gitter nicht benötigt wird (n Leiter) Fügt man in das Siliziumgitter Atome mit 3 Valenzelektronen entstehen freie positive Ladungsträger (Defektelektronen) (p Leiter) - 8 -

9 Ein für die Halbleitertechnik und grundlegendes Element für die Funktionsweise von Solarzellen: p n Übergang: - ein p- und ein n- Halbleiter grenzen aneinander - die freien positiven Ladungsträger des p- Leiters diffundieren in die n Schicht, die freien negativen Ladungsträger des n Leiters diffundieren in die p Schicht - dieser Diffusionsprozess wird rasch gestoppt. Die Atome der n Schicht sind durch Abgabe der Elektronen in die p Schicht positiv geladen, die Atome der p Schicht sind durch Abgabe der Defektelektronen negativ geladen Eine sogenannte Verarmungszone (an freien Ladungsträgern) entsteht am p n Übergang durch die aufgebaute Sperrspannung. Wird der p Übergang mit einem äußeren Stromkreis verbunden fließt kein Strom. Wenn durch den inneren Photoeffekt zusätzlich freie Ladungsträgerpaare entstehen, steigt die Spannung und Strom fließt, da das System bestrebt ist, wieder seinen Gleichgewichtszustand herzustellen - 9 -

10 Systemtechnische Beschreibung

11 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Photovoltaikzelle - Ersatzschaltbild Zelle bestehend aus - p-leitendem Basismaterial - n-leitende Schicht auf der Oberfläche - Zellenrückseite mit ganzflächigem metallischem Kontakt - beschienene Seite fingerartiges Kontaktsystem zur Minimierung von Abschattung (Variante: vollflächig transparent) - Oberfläche mit Antireflexschicht zur Minimierung von Reflexionsverlusten (charakteristisches Blau) Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

12 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Zellentypen - Herstellung Zellentypen - Silicium nicht ideal, da Absorptionskoeffizient relativ klein - Halbleiterschicht muss daher dick sein (50µm) materialintensiv, teuer - Silicium aber meistgenutztes und am besten beherrschtes Halbleitermaterial - Siliciumzellen beherrschen den Markt Solarzellen aus kristallinem Silicium - Verfahren, die in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen - Fertigung in drei Stufen: Herstellung hochreinen Siliciums als Ausgangsmaterial Fertigung von Scheiben bzw. Dünnschichten Solarzellenproduktion - Ausgangsmaterial Quarzsand (SiO 2 ) - je nach Fertigungsverfahren mono- bzw. polykristalline Zellen

13 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Zellentypen - Herstellung Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silicium - Wasserstoffpassiviertes amorphes Silicium (a-si:h), hergestellt aus Silan (SiH 4 ) - Dicke der aktiven Schicht <1µm - äußerst geringer Materialeinsatz, niedriger Energieeinsatz Kostenreduktion - p-i-n-struktur auf Glas- und Stahlsubstrat - in der Praxis Monopolstellung im Bereich Consumer Electronics (Taschenrechner, Uhren, etc.) - im größeren Leistungsbereich Problem der mangelnden physikalischen Stabilität, so sinken die Wirkungsgrade (WG) beim Einsatz im Freien in den ersten Betriebsmonaten z.t. erheblich. Wirkungsgradrückgänge deutlich über 25% WG sinkt unter 10% - mittelfristig stabilere Eigenschaften umsetzbar mit WG nach Degradation bei 13% Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Chalkogeniden und pyriden (CdTe + CIS) - a-si:h-zellen bezahlen die Vorteile durch niedrige Wirkungsgrade - CdTe + CIS Zellen erreichen im Labormaßstab % Wirkungsgrade - CIS-Zellen erreichen mit über 18% WG die höchsten WG unter den Dünnschichtzellen - CdTe + CIS Zellen sind in der Pilotierungsphase. Erste Module sind mit WG bis zu 10% sind bereits kommerziell erhältlich

14 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Zellentypen - Herstellung Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silicium - Versuch, die ökonomischen und verfahrenstechnischen Vorteile der Dünnschichttechnologie mit kristallinem Silicium zu nutzen - Wegen der indirekten Bandlücke von kristallinem Silicium sind Schichtdicken von 20µm erforderlich um das einfallende Sonnenlicht in ausreichendem Maße zu absorbieren - mit der light-trapping -Methode ist es jedoch möglich, die Lichtstreuung derart zu streuen und lenken, dass die Schichtdicken auf bis zu 2µm herabgesetzt werden können. - für nur 2µm dicke Silicium-Schichten mit optimiertem light-trapping wurde ein Wirkungsgradpotentiel von ca. 15% errechnet

15 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Wirkungsgrade Zellart Wirkungsgrad Produktion Stand der Technik Laborzellen (max) Silicium monokristallin % Großproduktion 25% Silicium Polykristallin % Großproduktion 22% amorph 11% Großproduktion 15% Gallium-Indium-Phosphid/-Arsenid 30% Kleinproduktion 21% Silicium auf Glassubstrat -- Labormaßstab 17% Kupferindiumdiselenid (CIS) 13% Pilotproduktion 17% Cadmiumtellurid (CdTe) 12% Pilotproduktion 18% theoretische Wirkungsgrade für verschiedene einfache Solarzellen. Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

16 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Energiewandlungskette - Verluste Sonneneinstrahlung (direkt oder diffus) Umwandlung der Photonenenergie in potenzielle Energie der Elektronen im Halbleitermedium Elektrisch er Wandler (Inverter) Elektrischer Wandler (Trafo) Verbraucher, Netz Strahlungsenergie der Sonne Elektrische Energie im Halbleitermaterial Elektrische Energie im Solargenerator bzw. Netz Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S. 240 ff

17 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Leistungskennlinien Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

18 Systemaufbau Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Systemelemente - Systemaufbau - Die Spannung einer Zelle beträgt ca. 0,5 V. Um höhere Spannungen zu erzielen werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet und zu einem Modul zusammengefasst - Das Modul stellt die eigentliche Grundeinheit des Solargenerators dar - Solargeneratoren geben prinzipiell Gleichspannung ab (DC) - Für die Netzkopplung werden zusätzlich Wechselrichter installiert, WG > 90% Weitere Systemelemente Quelle: Kaltschmitt et al (2003), S Aufständerung: zur Ausrichtung an Sonneneinstrahlung. Starre oder nachgeführte Ausführungen mgl. - Batterien: im Inselbetrieb notewendig - sonst. Komponenten mit unwesentlichen Kostenfaktoren (Kabel, Stecker, etc.) 244 Keine Fixkostendegression!!

19 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Anwendungsgebiete (auszugsweise) Anwendungsbereich Kleinstanwendungen, consumer electric Raumfahrt Netzgekoppelte dezentrale Anlagen PV-Kraftwerke Anwendungsbeispiele Uhren, Taschenrechner Satellitenversorgung Ein- und Mehrfamilienhäuser, gewerbliche Bauten Einzel- und Hybridkraftwerke, Wasserstofferzeugung Gängige Leistungen in W 0,001 bis bis bis bis > Quelle: in Anlehnung an Kaltschmitt et al. (2003), S

20 Photovoltaik systemtechnische Beschreibung Anwendungsgebiete - Darstellung Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

21 Potentiale und Nutzung

22 Theoretisches Potential Photovoltaik Potentiale und Nutzung theoretisches und technisches Potential - Über dem Gebiet der BRD ist ein theoretisches solares Strahlungspotential von rund EJ/a gegeben. (Entspricht ca. dem Fünffachen des derzeitigen PEV) - Daraus ergibt sich ein theoretisches Stromergzeugungspotential i.h.v. 100 PWh/a. (Entspricht ca. der zweifachen jährlichen Bruttostromerzeugung in D) Technisches Angebotspotential (Stromerzeugungspotential) - das Stromerzeugungspotential resultiert aus den für eine Installation von Solarmodulen verfügbaren Flächen. Hier: Dach- und Fassadenflächen (teilweise) sowie ein Teil der landwirtschaftlichen Nutzflächen, der für die Nahrungsmittelproduktion nicht genutzt wird. Darüber hinausgehende potentielle Flächen werden nicht betrachtet. dem regional unterschiedlichen Strahlungsangebot der jeweiligen Anlagentechnik - Dachflächenpotential: ca. 838 Mio. m² (Sonnenabgewandte Flächen nicht beinhaltet) stehen aber in Konkurrenz zur solarthermischen Nutzung! - Fassadenflächenpotential: ca. 200 Mio. m² - Kraftwerke auf lanwirtschaftlichen Flächen Mio. m² - daraus folgt eine installierbare Anlagenleistung zwischen 326 und 715 GW je nach Technologie - daraus folgt eine Stromerzeugungspotential zwischen 315 und 690 TWh/a - das entspricht ca % bezogen auf die Bruttostromerzeugung

23 Photovoltaik Potentiale und Nutzung technische potentiale Technisches Endenergiepotential (Nachfragepotential): - unter Berücksichtigung netz- und nachfrageseitiger Restriktionen wie z.b. fluktuierendes Energieangebot, Netzverluste, Reservekapazitäten, etc. - Anteil an der Bruttostromerzeugung nur noch 6-7 % - Bei Nutzung von Wasserstoffzwischenspeichern und einem Systemwirkungsgrad von 40% wären % an der Bruttostromerzeugung realisierbar Regionale Verteilung der technischen Potentiale einer photovoltaischen Stromerzeugung auf Gebäudedächern. Bei größerer Einwohnerdichte sind die Flächenpotentiale hoch, was mit der Nachfrage korrelieren würde. Gegensätzlich verhält es sich bei der Installation von PV- Kraftwerken auf landwirtschaftlichen Nutzflächen. Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

24 Photovoltaik Potentiale und Nutzung Solares Strahlungsangebot (Globalstrahlung) Solares Strahlungsangebot in Deutschland in kwh Quelle:

25 Photovoltaik Potentiale und Nutzung Nutzung Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

26 Rechtlicher und institutioneller Rahmen

27 Biomasse rechtlicher und institutioneller Rahmen EEG 2004 Mindestvergütung für Energie aus solarer Strahlungsenergie beträgt 45,7 Cent/kWh Wenn die Anlage auf oder an einem Gebäude angebracht ist beträgt die Vergütung - bis 30 kw 57,4 Cent/kWh - >30 aber <100 kw 54,6 Cent/kWh - ab 100 kw 54 Cent/kWh Die Vergütung für Anlagen an Gebäuden erhöht um weitere 5 Cent/kWh, wenn - die Anlage nicht auf dem installiert ist (Fassade) und wenn - die Anlage einen wesentlichen Teil des Gebäudes ausmacht Degression der Vergütungssätze für Anlagen, dessen Inbetriebnahme nach dem errichtet werden 5 % errichtet werden und dann jährlich 6,5 % Höchstvergütung betrug somit 62,4 Cent/kWh im Jahr 2004!!

28 Ökonomische Analyse

29 Photovoltaik ökonomische Analyse Referenzanlagen Anlage 1: netzgekoppelte Schrägdachmontage 5kW (überwiegend in D) Anlage 2: netgekoppelte Freiflächenanlage auf Stahlgestellen 100 kw für beide Anlagen werden die Untersuchungen für jeweils drei verschiedene Zellentypen durchgeführt: - Silicium monokristallin mit WG 16% - Silicium multikristallin mit WG 15% - Silicium amorph mit WG 8% mittlere Globalstrahlungssumme kwh/m²a, Qualitätsfaktoren 73% (Hausdach) sowie 78% (Freiflächenanlage) Hieraus resultieren 800 vlh für die Dachanlage und 860 vlh für die Freiflächenanlage die technische Verfügbarkeit wird mit 99% unterstellt

30 Investitionskosten fallen an für Module Wechselrichter Gestelle und Ständerung Planung und Installation Photovoltaik ökonomische Analyse Kosten sonstige Aufwendungen (z.b. Baugenehmigung) Investkosten 1 kw-anlage: /kw Investkosten 100 kw-anlage: /kw Flächenbedarf ca. Betriebskosten fallen an für Wartung und Instandhaltung sonstige Aufwendungen (Reinigung, Zählermiete, Versicherungen) ca /kw a

31 Photovoltaik ökonomische Analyse Betriebskosten Angaben Stand 2003! aktuell ca. 15 bis 20 % niedrigere Werte! Quelle: Kaltschmitt et al. (2003)

32 Agenda 1. Klimaschutz und ökonomische Theorien 2. Grundlagen 3. Institutioneller Rahmen 4. Erneuerbare Energiesysteme 4.1 Wind 4.2 Biomasse 4.3 Solar 4.4 Sonstige (Erdwärme, Wasser) 4.5 Vergleich Literatur

33 Nutzungsmöglichkeiten von Erdwärme Erdwärme Nutzung oberflächennaher Erdwärme Nutzung tiefer Erdwärme Nutzwärme auf geringem Temperaturniveau; Wärmepumpe In Anlehnung an Kaltschmitt et al. (2003) Hydrothermale Geothermie Nutzwärme aus niedrigthermalen ( C) und hochthermaler (über 100 C) Tiefenwässer Geothermische Stromerzeugung Direkte (offenes System) oder indirekte (geschlossenes System) Nutzung von Heißwasser oder Heißdampfvorkommen (über 15 C)

34 Geothermische Stromerzeugung Heißwasser / Heißdampf Geschlossenes System: Abgabe der Wärme ein Wärmetauscher: Wärmeüberträgermedium (Wärmetauscher) Wärmeenergie des Dampfes / Wasser aus der Erde Wandeln der thermischen Energie in mechanische Energie (Turbine) Wärmeenergie im Wärmeüberträgermedium Mechanische Energie in der Kraft-Wärme- Maschine Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie (Generator) Netz Elektrische Energie im Generator / Netz In Anlehnung an Kaltschmitt et al. (2003)

35 Geothermie - Kraftwerksysteme Schematische Darstellung eines offenen Prozesses : Der geförderte Heißdampf wird in der Turbine entspannt Schematische Darstellung eines geschlossenen Prozesses mit Wärmeübertragungsmedium, welches in der Turbine entspannt wird Quelle: Kaltschmitt et al. (2003); S. 498 und

36 Nutzung von Erdwärme in ausgewählten Ländern: Strom Stromerzeugung aus Erdwärme in der OECD [GWh] Iceland Italy Japan Mexico New Zealand Portugal Turkey United States Estimated Quelle: IEA, Renewables Database

37 Nutzung von Erdwärme in ausgewählten Ländern: Wärme Nutzwärme aus Erdwärme in der OECD [TJ] Estimated Austria Denmark Iceland Poland Slovak Republic Quelle: IEA, Renewables Database

38 Wasserkraft Wasserkraftanlagen Niederdruck - Anlagen Mitteldruck- Anlagen Hochdruck- Anlagen Fluss- Kraftwerke Ausleitungs- Kraftwerke Laufwasser-Kraftwerke Speicherwasser-Kraftwerke In Anlehnung an Kaltschmitt et al. (2003)

39 Wasserkraft Am Wehr anstehendes Wasser Wandlung der potenziellen - Energie in kinetische und Druck- Energie (Leitung) Wandlung der kinet. und Druck- Energie in mechan. Energie (Turbine) Mech.- mech. Wandler (Getriebe) Mech.- elektr. Wandler (Generator) Elektr.- elektr. Wandler (Trafo) Netz Bewegungs- / Lageenergie des Wassers Bewegungs- /Druckenergie des Wassers Mechanische Energie an der Welle Elektrische Energie im Netz / Generator In Anlehnung an Kaltschmitt et al. (2003)

40 Wasserkraft Stromerzeugung aus Wasserkraft in der OECD [GWh] Austria Canada France Germany Italy Japan Norway Sweden Switzerland Turkey United States Estimated Quelle: IEA, Renewables Database

41 Rechtlicher und institutioneller Rahmen: Geothermie und Wasserkraft EEG 2004 Einspeisevergütung für Strom aus Wasserkraft - bis 500 kw 9,67 Cent/kWh - bis 5 MW 6,65 Cent/kWh - ab 5 MW dto. aber nur für erneuerte mit +15% WG und neu errichtete Wasserkraftanlagen mit speziellen Vergütungssätzen je nach zusätzlich gewonnener Leistung - ab 2005 jährlich 1% Degression Geothermie - bis 5 MW 15 Cent/kWh - bis 10 MW 14 Cent/kWh - bis 20 MW 8,95 Cent/kWh - darüberhinaus 7,16 Cent/kWh - ab 2010 jährlich 1% Degression

42 Agenda 1. Klimaschutz und ökonomische Theorien 2. Grundlagen 3. Institutioneller Rahmen 4. Erneuerbare Energiesysteme 4.1 Wind 4.2 Biomasse 4.3 Solar 4.4 Sonstige (Erdwärme, Wasser) 4.5 Vergleich Literatur

43 Zusammenfassender Vergleich räumliche und zeitliche Angebotsvariationen alle erneuerbaren Energien zeichnen sich durch zeitliche und räumlich unterschiedliche Angebotscharakteristiken aus teilweise hohe fluktuative Stromerzeugung Quelle: Kaltschmitt et al. (2003) S

44 Zusammenfassender Vergleich Anlagenleistungen Größte Leistungen mit Wasserkraft erreichbar Nutzungsgrad am höchsten bei Wasserkraft Verfügbarkeit sehr hoch bei allen Technologien höchste Auslastung im Jahresverlauf mit Geothermie erzielbar Quelle: Kaltschmitt et al. (2003) S

45 Zusammenfassender Vergleich Stromerzeugungscharakteristiken Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

46 Zusammenfassender Vergleich Stromgestehungskosten Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

47 Zusammenfassender Vergleich Verbrauch erschöpflicher Energiequellen CO2-Emissionen Quelle: Kaltschmitt et al. (2003), S

48 Agenda 1. Klimaschutz und ökonomische Theorien 2. Grundlagen 3. Institutioneller Rahmen 4. Erneuerbare Energiesysteme Literatur

49 Literatur (Beispiele) BMU (2003) Erneuerbare Energien und Nachhaltige Entwicklung, Natürliche Ressourcen - umweltgerechte Energieversorgung download unter ( ) Edenhofer, Bauer, Kriegler (2002) Szenarien zum Umbau des Energiesystems, Bericht für den Wissenschaftlichen Beirat Globale Umweltveränderungen Europäische Kommission (2003) Richtlinie 2001/77/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom , Amtsblatt der Europäischen Union Hake, Eich, Pfaffenberger (2002) Erneuerbare Energien: Ein Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung?, Schriften des Forschungszentrums Jülich, Band 22 Hillebrand et al. (2002) Nachhaltige Entwicklung in Deutschland Ausgewählte Problemfelder und Lösungsansätze, Untersuchungen des RWI, Heft 36 Kaltschmitt, Wiese, Streicher (Hrsg.) (2003) Erneuerbare Energien, Springer, Berlin