Solarstrom und Wasserkraft? Solarstrom und Wasserkraft Schwimmende Multi-MW Hybrid Kraftwerke. vor 23 Jahre. Entwickeln, Realisieren und Analysieren

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1 Solarstrom und Wasserkraft Schwimmende Multi-MW Hybrid Kraftwerke Solarstrom und Wasserkraft? Was ist die Bedeutung von PV für unsere zukünftige Stromversorgung der Schweiz? Wo steht die PV Anwendung in der Schweiz heute? Was sind Herausforderungen bei der Solarstrom-Entwicklung? Wie gross ist das verfügbare Land für PV? Thomas Nordmann Richard Staubli Verwaltungsrat HydroSun AG CH 8706 Feldmeilen/Switzerland Warum Multi-MW Solar-Wasser-Hybridkraftwerke? Wie können wir die Energieerträge der Wasserkraftwerke mit PV Solarstrom steigern? Was sind die technischen und wirtschaftlichen Chancen und Herausforderungen? Warum will die HydroSun AG für 5 Jahre eine Versuchsanlage auf dem Marmoreresee bauen? 1 2 vor 23 Jahre N13 bei Domat Ems Oktober 1989 Nordmann TNC 2010 TNC Consulting AG Solarstrom und Gebäudeeffizienz Das sind seit 26 Jahren unsere Themen 38 Mitarbeiter Entwickeln, Realisieren und Analysieren 1989 erste Photovoltaikanlage auf einer Autobahn-Schallschutzwand A13 Graubünden BFE P&D 1996 Konzeption der weltweit ersten Solarstrombörse Für ewz, Elektrizitätswerk der Stadt Zürich Einsatz der Bifacial-Technologie (zweiseitige PV Module) als Schallschutzwand entlang Strasse Zürich Aubrücke und Schiene (SBB Bhf Münsigen) Prozessentwicklung und Umsetzung Nationales Gebäudeprogramm Energie Klimarappen Gebäudeprogramm Leitung und Umsetzung 2006 bis 2010 Gesuchsbearbeitung für 15 Kantone ab 2010 für das Das Gebäudeprogramm Europäischer Solarpreis 1997 Thomas Nordmann TNC

2 Staubli, Kurath & Partner AG Die Ingenieure im Wasser Spezialisiert auf Wasserbau seit über 20 Jahre 23 Mitarbeiter; 5 Taucher Tätigkeitsfelder: konstruktiver Wasserbau, Wassernutzung, Sicherheit von BW im Wasser, Gewässervermessung und Zustandsaufnahmen, Hochwasserschutz, Spezialprobleme im Wasser Grosse Erfahrung mit Schwimmkonstruktionen, Entwicklung von Konstruktionen, Wellenbelastungen, bewegliche Bauteile unter Wasser Prof. J. Kurath, Statik, Leitkonstruktionen, Forschung Auftraggeber: öffentliche Hand Projektträger zur Umsetzung Solar-Wasser Hybridkraftwerke Staubli, Kurath & Partner AG Ingenieurunternehmung SIA USIC Schwimmende*Hybrid*Kra1werke;*Präsenta8on* Gemeindeorientierung Marmorera, !! Joint Venture Gesellschaft Gründung: HydroSun AG Ein innovatives Kraftwerkskonzept für die schnelle Weiterentwicklung erneuerbarer Energien SCHWIMMENDE PHOTOVOLTAIK-LÖSUNGEN 5 6 Ausgangslage bei der Solarstrom-Entwicklung? Viele Anwendungen für Gebäude, Dächer & Fassaden Bedeutende ökonomische und technische Verbesserungen Die Projektentwicklung ist zeitaufwendig und nicht immer erfolgreich! Wichtige Hemmnisse: Hohe Erst-Investitionskosten Lange Zeiten bei der Projektentwicklung d. h. Jahre/Monate. Die eigentliche Realisierung erfolgt in Wochen! Markt: Deutschland hat einem PV-Anteil von 4.2% erreicht Italien hat einem PV-Anteil von 5.4% erreicht Bayern erreichte einen PV-Anteil von 8% des Strommix Solarstromanteil im Schweizer Strommix ist immer noch unbedeutend < 0.2%! Schweiz? und Deutschland wollen aus der Atomenergie aussteigen! Wichtige Herausforderungen bei der Solarstrom-Entwicklung Wir brauchen schnellere Umsetzung von genügend vielen PV Anlagen und Flächen Heute schon viele Kleinanlagen, noch (zu) wenig Grossanlagen (nicht auf der grünen Wiese!), an denen auch die Stromproduzenten wirklich interessiert sind. Eine hohe PV Mittagsspitze bei süd-orientierten Anlagen Sommerproduktion im Vergleich mit Winterproduktion zu gross Speicherproblem Sommer - Winter Anpassung Bei Schweizer PV Marktanteil > 10% ungünstige Konsumanpassung Trotz bedeutenden ökonomischen Verbesserungen noch relativ hohe Stromkosten Wirkungsgrad der PV Elemente kann noch gesteigert werden > 20% 7 8

3 TNC PV Anlagen Lernkurve: Δ 22 Jahre Total CHF/Wp Module [CHF/Wp] Inverter [CHF/Wp] BoS [CHF/Wp] 107kW 103kW 104kW kW kW kW kW kW kW Mark I Mark II 6.4 Mark III Freilager 5.4 Sonnenhof SwissMill III 4.0 AMAG 2.5 ZSSAG % TNC Mio. CHF 103 kwp 1 Modul =45 W kwh/a ,35 Mio. CHF 206 kwp 1 Modul = 238 W kwh/a Th. Nordmann TNC ) BR-Szenario Neue Energiepolitik 2050 Tab. Z10 Variante 2 & 3 Stromproduktion Alternativ (TWh) Swissolar nach Fukushima! 20% ETH Studie Energiezukunft Schweiz vom Solarstrom vom Schweizer Strombedarf! +4.0 Ausbau Wasserkraft Photovoltaik Geothermie Wind Biomasse (inkl. Abfall) +14 BR +10 BR bis TWh EE Blick nach Europa: Die Solarstrommarkt-Entwicklung Share of PV in the electricity generation PV Marktanteile bei der nationalen Stromproduktion 2011 Bruxelles, 21 March th EPIA Market Workshop 2 % 4 % Average Peak power

4 Verfügbares Land in der Schweiz Landwirtschaft Wald Rest Seen Wald 1'424 Landwirtschaft 1'902 Rest 1'205 Total 4 712m 2 /Kopf Seen 181 TNC 2011 Verfügbares Land in der Schweiz: m 2 /Kopf Landwirtschaft Wald Rest Seen Rest m 2 /Kopf Totale 380 m 2 /Kopf Zivilisations- Fläche m 2 /Kopf +10% CH Strom Seen 181 Strassen Gebäude Bahnstrecken Industrie Wasserkraft Übrige Daten BA Raumplanung 2000 TNC 2011 Daten BA Raumplanung Warum PV auf Wasser? ø Globalstrahlung in kwh/m 2 /Jahr Marmorerasee und Zürich Die Schweiz hat zusätzlich km 2 künstliche Stauseen errichtet, um Wasserkraftwerke zu betreiben, das entspricht 0.3% der Schweizer Landfläche. Viele Stauseen liegen im alpinen Bereich mit höherer Sonneneinstrahlung Schwimmende PV Strukturen können ost-west nachgeführt werden Es können schnell grosse PV Flächen generiert und genutzt werden Der Stromspeicher (einige Monate!) ist in den Speicherkraftwerken vorhanden. Die Einspeisung bei grösseren Anlagen kann im Mittelspannungsnetz erfolgen. Das Stromverteilnetz ist schon vorhanden. 2'500 2'000 1'500 1' Fix 45º Süd 1 Achse o/w & 3x fix 2 Achsen Aussen Temp. Aussen Temp. Jahres ø 9.2º Jahres ø 4.0º '634 1'226 Berechnungen Meteotest Bern Damit weniger Verluste auf dem Weg zu den Kunden. 0 Zürich 45º Süd fix Marmorera 1 & 2 Achsen 15 16

5 horizontal 45 süd horizontal 45 süd ø Globalstrahlung in kwh/m 2 /Jahr auf Marmorerasee ø Globalstrahlung in kwh/m 2 /Jahr auf Marmorerasee Berechnungen Meteotest Bern Berechnungen Meteotest Bern einachsig horizontal 45 süd zweiachsig einachsig zweiachsig Abbildung 14: Globalstrahlung in kwh/m 2 /Jahr für den Marmorerasee (Stauziel) Abbildung 14: Globalstrahlung in kwh/m /Jahr für den Marmorerasee (Stauziel). 17 bericht_hydrosun_v2 18 bericht_hydrosun_v2 Einwirkungen auf Waterlily Wind und Wellen einachsig zweiachsig Abbildung 14: Globalstrahlung in kwh/m 2 /Jahr für den Marmorerasee (Stauziel). bericht_hydrosun_v

6 Schnee und Eis Bestehende Lösungen Bestehende Lösungen Waterlily - Einwirkungen 23 24

7 Steckbrief Waterlily Solarfeld Waterlily Nachführbar am Sonnenstand (+15% Stromertrag) Kippbar («Schneeabwurf») F = m2 Leistung 50 kwp Höhenverstellbar Europäische Patente Anforderungen aus Sicht Umwelt Hybridkraftwerke (Kombination Wasser-, Sonnenkraft) Solarinseln mit Unterwasserschwimmer 27 28

8 Erkenntnisse aus Vorabklärung Bewilligungsfähigkeit Pilotanlagen Visualisierung 31 32

9 Umweltgutachten Marmorerasee Haben wir nicht genügend Platz auf den Dächern? Wieso Photovoltaikanlagen Waterlilies auf Stauseen? 33 Waterlily ist keine Konkurrenzanwendung für den Einsatz von Photovoltaik auf Dächern und Fassaden! Waterlily ist zusätzlich zu den Anwendung an Gebäuden, Fassaden, Autobahnen- Schallschutzwände, Lawinenverbauung, Parkplätze usw. HydroSun Waterlilies sind notwendig, wenn die Schweiz in relativ kurzer Zeit 20% des Strombedarfs mit neuen erneuerbaren Energien decken möchte. Eigentlich sollte jedes Gebäude/Dach, dass energietechnisch erneuert wird, gleichzeitig mit PV ausgerüstet werden. Die energetische Erneuerungsquote der Gebäude erreicht bis heute <1% jährlich! Wir haben nicht 100 Jahre Zeit, unsere Energieprobleme zu lösen. HydroSun ermöglicht den Zwischenspurt zusätzliche Solarstromanlagen zu bauen. Die Anlagen können wenn nötig nach Ablauf der Betriebszeit von 25 oder 50 Jahren, ohne Spuren in der Natur zu hinterlassen, vollständig zurück gebaut werden. 34 Europäische Anstrengungen für neue Erneuerbare Energien im Vergleich Europäische Anstrengungen für neue Erneuerbare Energien im Vergleich 35 36

10 Chancen Waterlilies sind ein innovativer Weg, um die Leistung und Produktion von Wasserkraftwerken erhöhen zu können. Waterlilies haben einen hohen Multiplikationsfaktor und Modularität von 100 kwp bis Multi-MWp. Der Tag-Nacht-Speicher der Stromproduktion ist mit der vorhandenen Wasserkraftanlage optimal realisiert. Alpine Standorte haben einen besseren Sommer/Winter Stromproduktions-Mix. Wir etablieren einen zusätzlichen zweiten Weg für die schnelle Photovoltaik-Anwendung. Wir erreichen einen erstaunlich hohen Flächenertrag, auch im Vergleich zur heutigen Wasserkraftnutzung. Waterlilies sind 100% rückbaubar. und Herausforderungen: Wie bestehen wir das Wind-, Eis- und Schneeproblem? Was ist die optimale technische Lösung für den variablen Wasserspiegel und die ost/west Nachführung? Wie optimieren wir den Unterhalt? Wie ist die Akzeptanz der doppelten Flächennutzung für die Stromproduktion bei Gesellschaft und Politik? Wie messen und vergleichen wir den Energieertrag auf verschiedenen Höhenlagen? Wie erreichen wir in der Serie das Kostenniveau der heutigen Photovoltaik-Dachanlagen? Was ist die Einwirkung von Wasser auf die PV Anlage? Darum brauchen wir die Versuchsanlage auf dem Marmorerasee! 37 38

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