Photovoltaik: Der beste Strom fürs Passivhaus Ausgangslage, Potentiale, internationale Trends TRI Alpe Adria 2008 Internationales Symposium für energieeffiziente Architektur Freitag 30. bis Samstag 31. Mai 2008 Weissensee-Kärnten Österreich Thomas Nordmann CEO TNC Consulting AG CH-8703 Erlenbach Switzerland nordmann@tnc.ch www.tnc.ch Photovoltaik: Der beste Strom fürs Passivhaus CO2 Prolog: Wie reagiert die Erde? Wie funktioniert Photovoltaik in 5 Minuten? Was sind die Unterschiede zwischen Solarthermie, Solarstrom im Inselbetrieb oder Netzverbund? Frisst Solarstrom Land? Warum ist der Himmel für Solarstrom tolerant? Wie verlaufen Wachstum und Kostenentwicklung bei PV? Warum steigt der Stromanteil in der Energiebilanz Passivhaus? PV Gebäudeintegration: 20 Solarstrom Projekte in 10 Minuten! Wann wird Solarstrom wirtschaftlich? Solarstrom als Teil der 2 000 W Gesellschaft? 1 2 0.1-0.5% 16 50 km 12 750 km 3 4
Wie reagiert die Erde? Nordmann Bülach 5-2006 Th. Nordmann Tri 2006 5 6 Alaska Russland Russland Nordpol Grönland Kanada Nordpol Alaska Kanada Grönland Fotos: ESA 2007 Th. Nordmann Tri 2006 USA Th. Nordmann Tri 2006 7 8
Leistung: 0-1 000 Wp/m 2 Energie/Jahr: 600-1 200 kwh/m 2 Leistung: 0-1 000 Wp/m 2 Energie/Jahr: 600-1 200 kwh/m 2 125 mm x 125 mm d 0.2 mm! = 12 18 % " 10 Gramm Silizium " 2.5 Wp Gleichstrom 125 mm x 125 mm d 0.2 mm! = 12 18 % " 10 Gramm Silizium " 2.5 Wp Gleichstrom 9 10 Die verschiedenen Solarzellen Technologien Aufbau von Standardmodulen Produktion 2006 [%] 43% 49% 5% 3% 11 12
Aufbau von Standardmodulen Solarthermie oder Was Solarstrom? sind die Unterschiede zwischen Solarthermie, Solarstrom im Inselbetrieb oder Netzverbund? Foto wo? 13 14 Von der Photozelle zur Solarstrom Netzverbund Anlage 3kW Netzverbundanlage Tagesverlauf 15 16
nidrig PV eingebuden ins Nationale Stromnetz Maximaler Deckungsgrad oder Wärmeertrag? Solarer Deckungsgrad Netto-Wärmeertrag pro m 2 Kollektorfläche niedrig! hoch gross! klein 17 18 Solarstrom-Inselanlagen 19 20
21 22 Frisst Sonnenenergie Land? 23 24
Landverbrauch pro Kopf Weltweit Der Flächenbedarf für Solarstrom Netherlands 2680 m 2 /per capita Germany 4450 m 2 /per capita Switzerland 6000 m 2 /per capita European Union 6850 m 2 /per capita U.S.A. 37040 m 2 /per capita 25 26 Sonnenbahnen und Horizont 27 28
Warum ist der Himmel für Photovoltaik tolerant? Neigung Zenith 100% = 1170 kwh/m2 % 0 100 90 10 80 30 70 60 50 50 Warum ist der Himmel tolerant zu gebäudeintegrierter Photovoltaik? W W 270 N 0 S 180 E 90 70 40 30 E 90 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 Norden Osten Süden Westen Source: Meteonorm 95 W 270 N 0 E 90 S S 180 29 30 Produktion/Jahr [MWp] PV Modul Produktion weltweit TriSolar/96 26 28 35 46 69 82 124 209 260 345 1993 19941995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Quelle: Report IEA-PVPS T1 15:2006 Weltweiter Gesamtumsatz PV Module 2006 ca. 10.5 Mia.! 495 1'194 2002 2003 2004 31 1'532 1'800 2'221 2005 2006 est 2007 est 2'500 2'250 2'000 1'750 1'500 1'250 1'000 750 500 250 0 31 Solarstrom Marktsegmente 2004 76% 10% 3% 11% Total: 1 194 MWp Netzferne Industrielle Anw. Konsumer Anwendungen Insel Anw. dritte Welt Netzverbund 32
Solarstrom Weltmarktentwicklung 1992-2005 [Wp/Kopf Jahr] Wann wird der Solarstrom preiswerter? neue PV Anlagen [W/Kopf Jahr] 8.0 7.2 6.4 5.6 4.8 4.0 3.2 2.4 1.6 0.8 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Quelle: Report IEA-PVPS T1 15:2006 2002 2003 2004 2005 33 34 TNC PV Anlagen Lernkurve: 1989-2007 107kW Module [CHF/Wp] Inverter [CHF/Wp] BoS"[CHF/Wp] November 2007 AMAG Buchs ZH 200kWp Th. Nordmann TRI 2008 Total CHF/Wp 103kW 17.2 11.9 2.7 2.3 9.7 10.3 Mark I Mark II 1998 1992 104kW 8.0 1.3 8.4 Mark III 1995 70kW 126kW 3.3 1.3 2.2 0.9 8.1 6.4 Freilager Sonnenhof 1998 2000 36-77% 21kW 200kW 1.4 0.9 0.8 0.5 4.7 5.4 SwissMill III AMAG 2005 2007 30 25 20 15 10 5 0 Th. Nordmann TRI 2008 35 36
Liter Heizöl pro Quadratmeter und Jahr Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwasser Minergie(-P): Was ist empfohlen - was erforderlich? 20 15 3 5 Warmwasser Lüften Gebäudehülle 13 10 B 3 5 0 A 3 5 1970 1998 MINERGIE D C A 2 1 1 37 38 Sorgloser Stromverbrauch Heute! 3 Personen EFH Haushalt Stromverbrauch [kwh/a] Strom [%] Normalgebrauch Elektrizität Allg. Stromverbrauch Elektro- Brauchwasser 4 000 44 1 500 16 3 600 40 Total Strom 9 100 100 Quelle SAFE : SEV/VSE 19/2007 39 40
Der Stromverbrauch im Griff? Morgen 3 Personen EFH Haushalt 0.8 Mio Fr Strom alt kwh/a Strom neu kwh/a Anteil [%] extra Kosten [%] pro EFH Normalgebrauch Elektrizität 9 100 100 mit Solar/Elektro- Brauchwasser 3 600 1 080-70% +1-2% Gebrauch von A-Geräten 5 500 3 250-40% +1% 3 kw PV 850kWh/kWp 0-2 550 +3% Normalgebrauch Elektrizität 1 780-80% +5.5% 41 42 1/5 Solarstrom von der Fassade Warum integrieren? 15 m 2 2 kwp 1 200 kwh/a 43 44
Warum integrieren? Glasmanufaktur: Kunsthandwerk für die Reichen 45 46 Glasmanufaktur: Kunsthandwerk für die Reichen Schrägdach 47 48
49 50 Flachdach «Umwelt Ministerium» Berlin 51 52
«Stade de Suisse» Bern 855 kw PV PV-Integration in die Fassade 53 54 55 56
Vordach 57 58 Kantonsschule Stadelhofen Zürich Th. Nordmann TRI 2008 59 60
Sheddach 61 62 63 64
Das Atrium 65 66 Isolierverglasung ohne mit PV Witterungsschutz# +++ # +++ thermische Isolation# +++ # +++ Schallschutz # ++ # +++ Tageslichtnutzung# +++ # + Sonnenschutz# + # +++ Lichtfilterung# - # ++ Gestaltung# + # +++ Solarstromerzeugung# -# +++ EMC-Filter# - # ++ Intrusionsschutz# + # ++ UV-Schutz# -# +++ 67 68
Mit gebäudeintegrierter PV im Passivhaus zur bilanziellen Energie-Autarkie Reto P. Miloni, Dipl.-Ing. Architekt ETH SIA Südfassade mit PV-bestücktem Brüstungsglas 1 kwp Dach mit 6 kwp-pv-aufständerung 69 70 Passivhaus Schmoelzer mit Solarschiebladen 71 72
Potential für Gebäudeintegrierte PV Solarstrom Anwendungen in den IEA Länder Solarstrom Produktions Potential bezogen auf den Landesbedarf ø = 30%! 58 60 48 46 45 50 [%] 35 35 32 32 31 31 30 40 30 20 USA Spain Australia Italy Austria Switzerl. Netherl. Denmark GB Canada Daten: IEA PVPS Task 7 Germany 20 19 Sweden Finland 15 Japan 10 0 73 74 CHF/kWh Solarstrom Kosten Korridor Prognose: Schweiz im Vergleich zu Spanien 2007-2020 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 ESP CH 2007 2008 Realisierte Ref. Anlage 200 kwp CH 2007? Das nächste Ziel: Der Steckdosenpreis oder Solarstrom Netzparität 2010 LBBW optimistisch TNC konservativ Steckdosen-Preis 2020 Schnell ansteigenden Elektrizitätskosten beim Kunden 11,2 4,8 29,9 27,6 29,2 57,4 153,9 60,9 1,6 44,3 2,9 5,5 54,0 428,7 3,3 32,6 0,9 7,6 83,8 0,1 3,2 6,1 1,1 2,3 20,1 32,6 26,2 24,0 46,0 158,7 6,4 34,1 42,4 8,4 250,7 359,1 22,5 3,3 24,5 3,1 6,1 5,3 0,1 50,0 4,7 5,3 0,2 12,7 5,9 7,5 2,80,3 145,7 1,9 2,6 4,4 18,7 12,5 16,6 28,8 1,6 5,4 4,9 6,4 1,3 42,7 0,1 18,0 5,2 Of which - other renewable: 107,0 TW - not clearly identifiable: 9,7 TW UCTP Daten TWh (2007) 8,3 19,0 34,2 4,5 20,5 305,8 801,9 116,7 1360,2 Total: 2584,6 TWh 75 76
Solarstrom im Wettbewerb Zentrale Produktion Strom Wert/Kosten beim Kunden Produktion beim Kunden Das Solarstrom Dilemma: Am Anfang für 25 Jahre alles selber bezahlen? Wasserkraft Kohle Gas Atomkraft Öl >1 MW Wasserkraft < 1 MW Solar thermisch Geothermie Biomasse Wind PV Solar- PV 2. Klasse Zürich - Bern <> SFr. 83. 1. Klasse Zürich - Bern <> SFr. 119. 1. Klasse 4 700.- x 25 Jahre =SFr. 117 500. 2. Klasse 2 990.- x 25 Jahre =SFr. 74 750. 3# 5# 10# 15# 20# 30# 40# 50!c/kWh Faktor 4 Faktor 3-4 der Faktor 16 gilt nur für EW`s! Nordmann Erlenbach 2007 Der Kluge reist im Zuge! mit dem 25 Jahre Fix-Kosten - GA? Nordmann Erlenbach 2007 77 78 Kostendeckende PV Vergütung in Burgdorf ab 1992 in Deutschland ab 2000 und in der Schweiz 2007! Der Anteil der Erneuerbaren Energien am Deutschen Strompreis ist gering 0.12 % 60 % 40 % 0.03-0.12 0.01-0.35 Fr. 1.- Alle Bezahlen wenig # Wenige bezahlen alles! EWB -.16 /kwh + 0.1 Rp Th. Nordmann Erlenbach 2007 79 80
Von der 1 000 W zur 5 000 Watt Gesellschaft Primär-Energie-Verbrauch in Watt pro Person 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0 1910 1920 1930 1940 Schweiz 1950 1960 1970 1980 1990 2000 ø Energiefluss Watt/Kopf global Industrieländer Entwicklungsländer USA Kanada Frankreich Deutschland Grossbritannien Schweiz China Indonesien Indien % Anteil nichtkommerzieller Energie Äthiopien Bangladesch 81 82 Endenergie [W/Kopf] 1'500 1'500 1'200 900 600 300 0 Europa als 2 000 Watt-Gesellschaft? 450 Wohnen & Arbeiten 1'140 500 Güter & Nahrung 900 Infrastruktur Heute: 4 960 Watt pro Person in der 2000 Watt-Gesllschaft 1 920 Watt pro Person 304 570 Strom 210 480 Auto www.up.umnw.wthz.ch 140 230 180 Flugzeug 140 100 ÖV 83 Sieben Thesen I: Montag Solarstrom ist heute noch die teuerste neue erneuerbare Energie aber mit dem grössten Anwendungs- und Kostenreduktionspotential. Dienstag Im Netzverbund laden Solarstromanlagen in einen unendlich grossen Speicher. Es gibt keine Speicherkosten und keine Speicherverluste. Wasserkraft und PV: eine optimale Kombination! Mittwoch Die technischen und ästhetischen Integrationsmöglichkeiten von PV am Gebäude sind vielfältig und können auch gestalterisch genutzt werden. 84
Sieben Thesen II: Sieben Thesen III: Donnerstag Anwendungspotential der PV Gebäudeintegration = ø 30% des Gesamt-Stromverbrauchs. Das enorme Flächenpotential (ø 25 m2/kopf) wird heute nur im Promille-Bereich genutzt. Freitag Bei Passivhäusern ist der verbleibende Stromverbrauch der dominierende Teil in der Energiebilanz. Bei konsequentem Einsatz von A-Geräten ist die Reduktion auf 1/4-1/2 möglich! Samstag Die Entwicklung der Architektur hin zum Passivhaus ist parallel und zu wenig zusammen mit den Möglichkeiten der Photovoltaik verlaufen. Gefragt ist der Schulterschluss zwischen Wärme- und Stromnutzung. 30-50% PV-Stromanteil sind heute leicht machbar! Sonntag «Im Hause muss beginnen, was leuchten will im Vaterland» Jeremias Gotthelf 1797-1854 Schweizer Dichter und Denker Das Rezept heisst: Passivhaus, mit Solares Brauchwasser A-Geräte und Solarstrom! 85 86