Management Systems (SEMS) Photovoltaik. Dr. Michael Stöhr, B.A.U.M. Consult GmbH

Transkript

1 4 th Summer School on Sustainable Energy Management Systems (SEMS) Photovoltaik Dr. Michael Stöhr, B.A.U.M. Consult GmbH Słubice, 28. April 2011

2 Inhalt der Vorlesung 1. Komponenten von PV Systemen 2. Einsatz von PV Systemen 3. Technologie- und Marktentwicklung

3 Teil 1 KOMPONENTEN VON PV SYSTEMEN

4 Silizium - zweithäufigstes Element der Erdkruste Bildquelle: Wikipedia, Polykristalines_Silizium.jpg, created by user Stahlkocher

5 Silizium-PV-Zelle Bildquellen: Wikipedia - Solar cell.png, created by user Tdangkhoa - Silicon Solar cell structure and mechanism.svg, created by user Cyferz - 4inch poly solar cell.jpg, created by user Rogilbert

6 Ausnutzung des Sonnenlichts durch Si Bildquelle: Wikipedia, Solarzelle_SiSpektrum.svg, created by user Hokanomono

7 Ausnutzung des Sonnenlichts durch GaSb Bildquelle: Wikipedia, Solarzelle_GaSbSpektrum.svg, created by user Hokanomono

8 Optionen der Effizienzsteigerung g Verringerung von Reflexionsverlusten durch Oberflächenstrukturierung Höhere Quanten-Ausbeute durch Materialdesign: dünnere Kontaktfinger auf Oberfläche, Kombination verschiedener Halbleiter, Nano-Strukturierung, etc. Höhere Lichtkonzentration Kühlung Last but not least: Effizienz ist nicht alles, letztlich entscheiden die Stromgestehungskosten

9 Maximale Effizienz von PV-Zellen Materiallagen Optimale Bandlücke 1 Optimale Bandlücke 2 Optimale Bandlücke 3 η max 1 1,1 ev % 2 094eV 0,94 164eV 1,64-44% 3 0,71 ev 1,16 ev 1,83 ev 48% 86% Quelle: z.b. Wikipedia (eng), Quantum dot solar cell Silizium i hat eine Bandlücke von 1,1515 ev!

10 Quantenpunktsolarzellen IR-Strahlung nutzbar Bandlücke variierbar Ähnlich einfach herzustellen wie Si- Zellen Sehr hohe Wirkungsgrade möglich η = 40% im Labor schon erreicht (Quelle nicht verifiziert) Quelle: Wikipedia (eng), Quantum dot solar cell; Sargent Group quantum dot solar cell.jpg, created by user Lukasz Brzozowski

11 Konzentrator- zellen Weniger teures Halbleitermaterial Höherer Wirkungsgrad wegen höherer Beleuchtungsstärke Meist kombiniert mit hocheffizienten Stapel- PV-Zellen Erfordert direktes Sonnenlicht! Bildquelle: Wikipedia, Konzentratorzelle.svg, created by user DonatelloXX

12 Farbstoffmodule Sehr günstig aus organischen Materialien herzustellen Noch geringe Wirkungsgrade Noch Probleme mit Langzeitstabilität Quelle: Wikipedia, Dye.sensitized.solar.cells.jpg, up-load by Ronald Sastrawan, ISE

13 Strom-Spannungskennlinie einer PV-Zelle Bildquelle: Wikipedia, Standard_iv_de.svg, created by user Uwezi

14 Wechselrichter: Das Gehirn der PV-Anlage Bild: M. Stöhr Aufgaben des Wechselrichters: Steuerung der Modulstränge in den Punkt maximaler Leistung (MPP) Umwandlung der schwankenden Gleichspannung in Wechselspan- nung mit konstant 240 V und 50 Hz Anlagenüberwachung und Drosselung oder Notabschaltung Datenmonitoring Neu: Bereitstellung von Blindleistung, Fernsteuerbarkeit

15 Netzgekoppelte PV-Anlage Bildquelle: Wikipedia, Pvanlage2.jpg, created by user Sebastian Haut

16 Teil 2 EINSATZ VON PV SYSTEMEN

17 Erster Einsatz von PV: Satellit Vanguard 1958 Bildquelle: Wikipedia, Vanguard_1.jpg, created by user Reubenbarton

18 Internationale Raumstation Bildquelle: Wikipedia, ISSpoststs130.jpg, created by NASA

19 PV-Kleinanwendungen Bildquelle: Wikipedia - Parking-meter hannover jpg, created by user Georg Slickers

20 Bildquelle: Wikipedia, Gleisdorf.Solarbaum.jpg, Anna Regelsberger Solarkunst

21 PV-Blendschutz Bildquelle: e Wikipedia, SolarPanel-07.jpg, a created ed by user Rama a

22 Solar Fensterläden Solarzentrum Mecklenburg-Vorpommern; Design: Astrid Schneider; Bild: M. Stöhr,

23 Flachdachmontage SOLNA-Solare Nachbarn Riem GbR; Bild: M. Stöhr,

24 Dachmontierte PV-Anlagen Bildquelle: e Wikipedia, Genezareth e e Church Solar-Apel.JPG, created ed by user Denis Apel (Stardado)

25 Dachintegrierte PV-Anlagen Bildquelle: e e e e /so gebaeude/ e /SG/SG_ index.html, Mehrfamilienhaus e aus Dollinger Oberdorf

26 Fassadenintegrierte PV-Anlagen Bildquelle: index.html, Einfamilienhaus Pree Luftenberg

27 Freiflächenanlagen Bildquelle: Wikipedia, Solarpark Koenigsbrueck3.jpg, created by user Brücke-Osteuropa

28 Nachgeführte PV-Anlagen Bildquelle: Wikipedia, Photovoltaik adlershof.jpg, created by user Pikarl

29 Große PV-Kraftwerke Energiepark Waldpolenz auf einem ehemaligen Militärflughafen in den Gemeinden Bennewitz und Brandis (bei Leipzig), 40 MW, 130 Mio. Investitionsvolumen Amareleia (Moura, Portugal), 46 MW, 261 Mio. Investitionsvolumen Quellen:

30 Teil 3 TECHNOLOGIE- UND MARKTENTWICKLUNG

31 PV Weltmarkt 2010: 18,2 GWp Quelle:

32 PV Weltmarkt 2010: 3 AKW eq Neu installierte Leistung: 18,2 GWp Energieerzeugung: E Jahr,PV = P peak T Volllast bei T Volllast,PV = h: E = 22,75 TWh Entspricht E Jahr,AKW von ca. 3 AKW mit T Volllast,AKW = h D.h wurden ca. 3 AKW durch neue PV-Anlagen ersetzt tt

33 Ertrag von PV-Anlagen Land Ertrag in kwh/kwp Süddeutschland Schweiz, Mittelland Alpen Italien, Sizilienili 1800 Südspanien 1800 China, Takla Makan 1840 USA, Great Basin 1930 Spanien, Kanaren 2000 USA, Hawaii 2100 Afrika, Sahara 2270 Australien, Great Sandy 2320 Naher Osten, Arabien 2360 Südamerika, Atacamawüste 2410 Quelle: Wikipedia, Artikel Photovoltaik

34 PV Installationsentwicklung: Deutschland Jahr Erzeugung [GWh] inst. Leistung [MWp] Erzeugungswachstum 81% 62% 66% 78% 130% 73% 39% 30% 55% 94% 69% Leistungswachstum 78% 45% 58% 150% 85% 44% 41% 39% 85% 73% 67% Erzeugte Energie wächst etwas schneller als installierte Leistung wegen besserer Neuanlagen Bei Fortsetzung dieses Wachstums decken im Jahr 2018 PV-Anlagen 100% des Strombedarf Deutschlands Die Solarbranche verspricht 10% Beitrag der PV 2020, das entspricht nur 16% jährliches Wachstum

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36 Modulpreise Entwicklung der Modulpreise in /Wp Modultyp Kristallin Dünnschicht Herkunft/ Deutschland CdTE CdS/ China Japan Typ a Si µ Si Jan , , , , ,21 Jul 09 2,39 1,92 2,21 1,55 1,73 Jan 10 2,03 1,55 1,91 1,61 1,38 Jul 10 1,86 1,62 1,85 1,61 1,31 Jan 11 1,71 1,47 1,63 1,25 1,08 1,26 Feb , , , , , ,23 Preisverfall ,6 % 52,22 % 49,1 % 41,9 % 44,3 % Quelle: Solarserver, PVX Spotmarkt Preisindex Solarmodule,

37 Der Motor der Entwicklung: EEG Die rasante Entwicklung der PV setzte im April 2000 mit dem deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz Energien (EEG) ein; dem ging die kostengerechte Vergütung (KgV) von Solarstrom in zahlreichen Kommunen voraus. Die Idee der KgV, die dem EEG zugrunde liegt ist: Der Netzbetreiber muss per Gesetz den erzeugten Solarstrom annehmen und zu einem Mindestpreis vergüten, so dass der Betrieb von PV-Anlagen rentabel wird. id Dadurch wird der Markt angekurbelt. Der Wettbewerb b zwischen verschiedenen Herstellern führt zur Preissenkung.

38 Grid parity Bezeichnet den Moment, in dem die Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage den durchschnittlichen Haushaltsstromtarif unterschreiten Wurde erstmals 2007 für PV öffentlich diskutiert und damals für 2015 vorhergesagt g Aktuell geht die PV-Branche davon aus, dass Grid- Parity in Deutschland 2013 eintritt Dieser Erwartung entsprechen auch die Vergütungssätze im Erneuerbare-Energien-Gesetz. Nicht berücksichtigt sind dabei Kosten für Speicher und Netzregelungsmodule

39 Ist Klimaschutz mit PV wirtschaftlich? Kos sten de er Maß ßnahm men Zeit angestrebtes Emissionsniveau aktuelles Emissionsniveau Graphik erstellt in Anlehnung an Die grundsätzliche wirtschaftstheoretische Kritik am EEG greift zu kurz, Solarzeitalter 1/2010

40 Energierückzahlzeit von PV-Zellen Mono-kristalline Siliziumzellen: 5-7 Jahre Poly-kristalline Siliziumzellen: 3-5 Jahre Dünnschicht-Zellen: 1-2 Jahre Hängt stark vom tatsächlichen Ertrag ab Tendenz deutlich fallend mit verbesserten Produktionsprozessen Die technische Lebensdauer von PV-Zellen beträgt mindestens 30 Jahre! Quelle: zitiert auf Wikipedia: Colin Bankier and Steve Gale: Energy Payback of Roof Mounted Photovoltaic Cells. 2006

41 Flächenbedarf Um den weltweiten Gesamtenergiebedarf von ca TWh/a für Strom, Wärme und Treibstoff allein mit PV zu decken, wird eine Fläche von ca km 2 benötigt, das ist 0,5% der Landfläche Die Siedlungs- und Verkehrsfläche macht in Deutschland 12,5% der Bodenfläche aus Der deutsche Beitrag zu einer weltweiten Komplettversorgung aus PV entspräche also nur 4% der Siedlungs- und Verkehrsfläche, die mit PV- Modulen belegt werden müsste

42 Ausblick PV hat unter allen Technologien zur Nutzung Erneuerbarer Energien das größte Potenzial PV ist eine der am vielfältigsten einsetzbaren EE- Technologien Keine Grenzen wegen fehlendem Grundrohstoff (Sand!) Keine Grenzen durch Flächenmangel Die Stromgestehungskosten sind noch hoch, doch wird 2013 bereits der durchschnittliche Haushaltsstromtarif in Deutschland unterschritten Mittel- bis langfristig ist ein Überangebot von PV-Strom denkbar; mit PV-Anlagen kann dann maßgeblich das Stromnetz geregelt werden, da sie die am schnellsten steuerbaren Kraftwerken überhaupt sind