Photovoltaik - Strom aus Sonne

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1 Photovoltaik - Strom aus Sonne Prof. Dr.-Ing. Mario Adam - Lehrgebiet Regenerative Energien

2 Deckung des Primärenergiebedarfs Welt, 1995 BRD, 1999: Öl, Kohle, Erdgas, Müll, Holz, etc. 1,5 % Kernenergie 97,8 % Wasserkraft 0,5 % Windkraft 0,15 % Sonstige 0,05 % Quelle: HEA, Energiebilanzen BMWi

3 Aufbau einer Solarzelle Licht Licht strahlungsinduzierter Strom Materialien: Silizium (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid,... Form: kristalline Scheiben (ca. 400 µm), dünne Schichten (ca. 2 µm),... Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997

4 Netzgekoppelte Photovoltaikanlage - Standard BRD Solar-Generator (mit Blitzschutz) Modulanschlussleitung Generatoranschlusskasten (mit Sicherung, Strangdioden, Erdung) Solarzelle /-element z.b. 10x10cm kristalline Scheibe Solarmodul gerahmt/ rahmenlos, optimale Neigung ca. 30 EVU-Freischalteinrichtung (nur bei 400 V Wechselrichter) EVU-Netz Stromkreisverteiler Verbrauch Gleichstromhauptleitung Hausanschlußkasten Stromzähler DC AC Erzeugung = Einspeisung Gleichstromseitige Freischalteinrichtung Wechselrichter (mit MPP-Tracking, Netztrennautomatik bei Fehlfunktionen) Wechselstromseitige Freischalteinrichtung

5 Solarzellen - Wirkungsgrade, Stand der Technik Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997

6 Beispielhafte Kostenbetrachtung, NRW 2000 Peakleistung Investitionskosten (je nach Anlagentyp/-größe, etc.; heute: DM/kWp 1991: ca DM/kWp) Jährlicher Stromertrag (je nach Standort, Anlagenqualität/ -ausführung; kwh/kwp) 3 kwp DM 2340 kwh/a Inbetriebnahmejahr 2001 Einspeisevergütung über 20 a 99 Pf/kWh REN-Förderung 2000 (NRW) 7500 DM Dächer-Progr. (BRD) DM (4,5% Zinsverbilligung -> 1,91% effektiv; 10 Jahre Laufzeit; 2 tilgungsfreie Anlaufjahre; < 5 kwp 100%) Finanzierungslücke 0 DM ggf. Ökozulage bei Eigenheimförderung Neubau/Kauf (BRD): 2 % der Investkosten abzgl. Zuschussförderung, max. 500 DM/a, über 8 Jahre, d.h. max DM Finanzplan Dächer-P. Strom-Erlös Vers./Wartung Summe Jahr Summe Gesamt 1. Jahr DM DM DM DM DM 2. Jahr DM DM DM DM DM 3. Jahr DM DM DM DM DM Jahr DM DM DM DM DM 11. Jahr 0 DM DM DM DM DM Jahr 0 DM DM DM DM DM 19. Jahr 0 DM DM DM DM DM Amortisation 20. Jahr 0 DM DM DM DM DM Quelle: Energieagentur NRW, 2000

7 Photovoltaik-Leistung BRD 120 Leistung / MW bzw. MW/a Jährlicher Zubau Gesamtleistung Jährliche Stromerzeugung: Gesamtleistung x ca. 800 h/a drittgrößte Leistung nach Japan, USA Dächer-P., Zusagen von Januar bis Mai Quellen: Jahrbuch Erneuerbare Energien, 2000; solarserver.de/solarmagazin Dächer-Programm kostendeckende Vergütungen Landes-Förderprogramme, etc. Erneuerbare-Energien-Gesetz Dächer- Programm

8 Solarzellen-Fertigung Weltmarkt 350 Leistung / MWp : ca 50 kwp BRD MWp, Shell Solar, Gelsenkirchen 10 MWp, TESSAG (ehemals ASE), Alzenau 5 MWp, Solarfabrik Freiburg Pilotfertigungen für CIS- und CdTe-Dünnschichtzellen von Würth Solar/Marbach und Antec/Rudisleben im Bau: BP Solar / Hameln, SolarWorld AG / Freiberg Quellen: Jahrbuch Erneuerbare Energien, 2000; solarserver.de/solarmagazin

9 Solare Stromerzeugung - Potenziale für die Zukunft Theoretisches Potenzial: solare Einstrahlung auf BRD = 670 EJ/a Stromerzeugung (η=28 %) = TWh Technisches Angebotspotenzial (Top-Down-Betrachtung) verfügbare geeignete Fläche A = 4300 Mio m 2 = 1,2 % der BRD-Fläche (rund 20 % auf Dächern, 80 % landwirtschaftliche Überschussfläche ) Stromertrag pro m 2 Modulfläche = kwh/m 2 a Potenzial = TWh/a Technisches Nachfragepotenzial (Bottom-Up-Betrachtung) bei Nutzung obiger Flächen, momentaner zeitlichen/örtlichen Nachfragecharakteristik, Stromerzeugung/-nutzung im gleichen Bundesland ( η Verteilung = 95 %) Restriktion 1: Speicherung aktueller Überschüsse nur in heutigen Pumpspeicherkraftwerken Restriktion 2: konventionelle Grundlastdeckung (= 50 % von P Last,minimal im Jahresverlauf, Frequenz- und Spannungsstabilität bei heutiger Netz-/Versorgungsstruktur) Potenzial = 19 TWh/a ohne Restriktion 2 Potenzial = 37 TWh/a ohne Restriktion 1, mit Wasserstoffspeichern (η=40 %) Potenzial = TWh/a Weitere Restriktion: Flächennutzung zur photovolt. Stromerzeugung konkurriert mit solaren Wärmeerzeugung Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997

10 Energieversorgung BRD - Szenario 2050, Westdeutschland Minus 80 % CO 2 bis 2050!! Quelle: Wuppertal Institut