Mehr dezentraler erneuerbarer Strom entlastet die Stromnetz

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1 Mehr dezentraler erneuerbarer Strom entlastet die Stromnetz Prof. Dr. F. Baumgartner ZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; Weinfelden , Solarstrompool 11. März 2011

2 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?

3 Marktanteil in % Der historische Wandel im Energiemarkt 70 Baumgartner KOHLE 50 Öl - Welt Gas - Welt 40 ÖL Kohle - Welt D-Wind D-Bio 30 PV 20% Ziel Bundesrat D-RE-oWasser D-Solar D-Ziele RE CH-Solarziel Bundesrat 20 GAS CH-Solarziel Swissolar CH-RE-oWasser

4 Deutscher Erfolg + 25% Erneuerbar / Dekade Slide ;

5 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 22.8 bzw. 19.3%) Slide 5.

6 Vom Bundesrat geplanter EE Zubau - Planungsstand PV Anteil 2% nur ca. 1/5 der KEV- Auszahlung für PV Warteliste KEV : 1.8 GW EIV : 0.2 GW Ziel Bundesrat: 2020 PV Anteil 2% 2035 PV Anteil 10% 2050 PV Anteil 20% Slide 6.

7 Zukunft Strom CH Slide 7 R. Kehlhofer, Bulletin 8/2014

8 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 8

9 Swiss electricity production 2008 F. Baumgartner, EU Photovoltaic Conference, Valencia % hydro PV?? Hydro pumped hydro cap. 1.4 GW (2% elec.) pumped hydro cap. will be increased to 5GW in future Nuclear VSE Schweiz,

10 Slide 10 Prof. Gunzinger, ETHZ, 2013.

11 Slide 11 Prof. Gunzinger, ETHZ, 2013.

12 Deutsches Stromnetze im Sommer Million EV 1EV: 7kWh/d 7GW x 1h Slide 12.

13 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 13.

14 Steps of integration PV into the future grid CH F. Baumgartner, EU Photovoltaic Conference, Valencia % PV 17% PV F. Baumgartner et. al., Prog. of Photovoltaics Sept 2010

15 PV Stromanteil von 25% minimale Netzverluste Christoph Bucher, electro suisse Bulletin 2014,

16 Solar und Wind ergänzen sich in der BRD Bundesumweltministerium EE Bericht 2009, Berlin

17 Schweiz 100% Erneuerbarer Stromfluss Slide 17 Anton Gunzinger; ETHZ, Bulletin 3 / 2014.

18 Aktuell installierte PV Leistungen 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 1.55 kwp/einw kwp/einw. 5.7% Deutschland Schweiz 1.2% MWp 756 MWp (2013) 0.44 kwp/einw kwp/einw. Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion: Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% P N Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.9 (ab 13.8kVA) Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.95 Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% P N Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% P N Die verschwundene Hälfte; Photon, 2014, 4

19 Wirkleistung [kw] und Blindleistung [kvar] rel. Spannung Einstrahlung [W/m 2 ] Analyse Messung Trafostation Dettighofen Dorf: 400kW in 30 MInuten Tagesverlauf Wirkleistung Blindleistung Spannung Einstrahlung 12:50 +43kW : kW :30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17: November 2014 STROMNETZ MIT SEHR HOHEN PV-ANTEILEN 19

20 29Rp/kWh = 24 ct /kwh IEFE 400 SFr pro Jahr für s Netz

21 BRD Haushaltstrompreise Wieland Hintz, Bulletin 3 / 2014

22 Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012 Commercial PV Battery + Power Electronics Nominal Capacity C nom [kwh] 13.8 Price rel. per kwh nom 833 Used Capacity C used [kwh] 6.9 lifetime full DOD 50% 1350 lifetime stored capacity [kwh] cost of stored kwh 0.62 financing costs factor (5% interst rate, 5a) 1.2 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 6.5kW PV STC is needed (doubling investment costs) Franz Baumgartner, 2012, EUPVSEC

23 PV-Batteriekosten Haushalt 0.35 bis 0.70 /kwh Datasheet of several PV Battery Systems /8kWh netto =1000 /kwh netto 1000 /3200 cycles= 0.31 /kwh /6.6kWh netto =4300 /kwh netto 4300 /7000 cycles= 0.62 /kwh Ref.: C. Lorenz, ; Wirtschaftlichkeit Batteriespeicher, 29. Januar 2014;

24 Beispiel Aug sonniger Tag 30kWh Li-Speicher, 15kWp PV 24

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

26 Cost trends of PV + battery / household! Solar+ Batt PARITY +5% CAGR 200$/kWh in 2020; UBS ; only daily storage cap. Typ. Cn= 2h* P STC -7% CAGR -1% CAGR -5% CAGR F. Baumgartner, Mai ; Frankfurt, EUPVSEC Plenary Talk, 5DP.3.2 P. Korba, F. Baumgartner, B. Voellmin, A.P. Manunatha, ZHAW, EKZ, ABB Li 2010; DOD 40%, 25a 400 /kwh & 4000 Cn

27 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 z.b. Einfamilienhäuser, Wohungen, mit WP und E-mobile Ing- Ausbildung und Arbeiten für F&E Projekten IEFE Dozenten: Andreas Heinzelmann, Petr Korba, Franz Baumgartner,

28 Investionen ins öffentliche Netz versus billige private Batteriespeicher Slide 28.

29 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 Wärme- pumpe el. Strom 5 kwh Entwicklungsbedarf 2014: Drehzahlvariable Wärmepumpen mit höherer Leistung und vergrössertem Wasser-/Wärmespeicher; Fluktuation! Slide 29 T. Tjaden; IKZ-HAUSTECHNIK 13/2014;

30 Anfangsinvestition schlüsselfertig 100% oder CHF Einmalvergütung 38% Invest 3 Finanzierung einer PV Anlage einer 5kW PV Anlage, Inbetriebnahme 1. Mai 2015 Finanzierungsbeitrag durch Eigennutzung von 1/3 des 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. am Dach erzeugten Solarstroms durch vermiedenen Strombezug O&M Kosten 1.5%/a Inv 37% Invest total in 25 Jahren zu 25 Rp/kWh in 25 Jahren 25. Betriebsjahr Jahr der Inbetriebnahme (83% Anfangsinvestition) Ertrags zinsen 1.4% Einspeisung 6Rp/kWh von 2/3 PV Strom in 25 Jahren 100% 0% total 40% vom Anfangsinvestment E Slide 30

31 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 vollelektr. E-Car (mit eigener "Tankstelle") Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom Erzeugung PV Plan kWh jährlich (seit aktuell kwh) = 243%-PEB-EFH Untersiggenthal/AG Slide 31.

32 Persönliches Statements Energiewende Schweiz 1. 10% PV Stromanteil (6000GW PV) im Schweizer Stromnetz sind bei konstanter Banderzeugung und mit bestehenden Speicherseen gut nutzbar; keine relevanten Kosten im Verteilnetz wenn gut verteilt (geschätzte Zielerreichung von 10% vor dem Jahr 2025) 20% PV mit Pumpspeicher und Wegfall nuklearer Grunderzeugung OK 2. Ziele Energiestrategie Bund: 20% PV-Strom im Jahr 2050 ; 10% im 2035; weiterer Speicherbedarf für die Schweiz erst in einem Viertel-Jahrhundert relevant, für saisonalen Ausgleich und zur Energiezwischenspeicherung 3. Eigennutzung von PV wird steigen durch Solar/Wärmepumpen, PV - Warmwasser, PV Carport für die Elektromobilität; private Haushalte werden nur noch etwa 1/3 vom heutigen Strom beziehen, Netzkosten konstant! 4. Batteriespeicher im Haushalt könnten in einem Jahrzehnt für den Endkunden günstiger sein, wie der Bezug von Strom; Stromnetz - Notstrom Slide 32.

33 ; Frankfurt, EUPVSEC Plenary Talk, 5DP.3.2 P. Korba, F. Baumgartner, B. Voellmin, A.P. Manunatha, ZHAW, EKZ, ABB;

34 PV Market Wachstum linear 2012 bis 2020 Chin. Chin. D D EUPVSE Amsterdam, 2014 Oct, An Update on Grid-Parity, Christian Breyer christian.breyer@lut.fi

35 The future is solar daily PV prod. [kwh/d] Solarstrom PV 4 Haushaltsgeräte Wärmepumpe 3 3 E-Mobilität Überschuss typ. E-Autobatterie Kapazität 10kW PV, 50 m 2 ; 30kWh/m2/a We need the support from the grid several coming decades 12kWh/100km, 25km Tagesfahrt; 1.2kWp 3600kWh/a Heat pump COP : 5% EV s Franz Baumgartner, Zurich University of Applied Science;

36 CH Stromzukunft bis 2034 saisonal R. Kehlhofer, Bulletin 8/ Slide 36.

37 Qualität des BRD Stromnetzes bleibt gut 15. min in 2012 Slide 37

38 Germany: reduction of PV cost / increase of PV electricity Renewable electricity share in 2013 Swiss Germany Photovoltaic 1% 6% Wind 0.1% 10% Biomass/gas 0.5% 9% Hydro power 57% 4% Franz Baumgartner, Zurich University of Applied Science;

39 Web Simulations Tool Slide 39