Kein Folientitel

Solartechnik :
Technische Entwicklungen für die elektrische
Energieerzeugung und Wärmenutzung
Volker Wittwer
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Freiburg
Inhalt
ƒ Warum brauchen wir eine nachhaltige
Energieversorgung
ƒ Einsparpotenziale im Gebäudebereich
und Stand Thermie
ƒ Neue Materialien und Systeme
ƒ Stand Photovoltaik
ƒ Ausblick
Gründe für die Notwendigkeit einer
Transformation der globalen Energiesysteme
Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen
der Menschheit
Beseitigung der Energiearmut in
Entwicklungsländern
Reduktion von geopolitischen Konfliktpotenzialen
Exemplarischer Pfad, globaler Primärenergieverbrauch
EJ/a
Geothermie
Andere Erneuerbare
Solarthermie (nur Wärme)
Solarstrom (PV und
solarthermische
Kraftwerke)
Wind
Biomasse (modern)
Biomasse (traditionell)
Wasserkraft
Kernenergie
Gas
Kohle
Öl
TW
50
1400
40
1000
30
20
600
10
200
0
2000
2020
Jahr
2040
2100
Nachhaltiges Potential erneuerbarer Energiequellen
Beispiele:
moderne Biomasse
100 EJ/a
Wind *
140 EJ/a
Wasser
15 EJ/a
Sonne
quasi unbegrenzt
* Höheres Potenzial bei Einsatz von Off-Shore Anlagen in
Gebieten tieferen Wassers
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003, www.wbgu.de
Erneuerbare Energien im Vergleich (Dez. 2006)
Solare
Brauchwassererwärmung:
Weltweit rund
45 Mio.
Haushalte
Quelle:
Nachhaltigkeitsstudie der
Sarasin-Bank, Dezember
2006
Endenergieverbrauch in EU 25 Ländern
Ziel
Verkehr
31%
Strom
20%
2007
Wärme
49%
Verkehr
25%
Wärme
25%
t ro m
Strom
50%
2050
Heizwärmebedarf nach Baustandard (Deutschland)
Energiebedarf von Wohngebäuden
Endenergiebedarf in kWh/m²a
0
50
100
150
200
Bestand
WschV
o
1995
EnEV
2002
Raumwärme
3-Liter
Haus
Warmwasser
Passivhaus
mit
Solaranlagen
Haustechnikstrom
PV
Haushaltsstrom
Nullemission
250
300
Glasabdeckung
Solarluftkollektor
direkte Lufterwärmung
Isolierung
Kollektorrahmen
Absorber mit
Luftkanälen
Temperatur
Flachkollektor
Konzentrierender
Kollektor
(z.B. stationärer CPC)
VakuumRöhrenkollektor
Glasabdeckung
Erwärmung
einer Flüssigkeit
(Wasser-Glycol);
mit/ohne selektive
Beschichtung
Erwärmung
einer Flüssigkeit
(Wasser-Glycol)
Strahlungskonz.
ohne Nachführung
evakuierte Glasröhre;
direktdurchströmt
oder Heat-pipe;
evtl. Konzentrator
Isolierung
Kollektorrahmen
Absorber mit
Fluidkanälen
Glasabdeckung
Reflektor
Folie
Isolierung
Absorber mit
Fluidkanal
Kollektorrahmen
Schema
Solare Kombi-Anlage (Brenner integriert in Speicher)
Kleinstwärmepumpen für kompakte Heizsysteme
LüftungsKompaktgerät
Speicher
Solarkollektor
Zuluft
Fortluft
Außenluft Abluft
Warmwasser
Plattenwärme
~
übertrager
Wärmepumpe
~
Graphik: Fraunhofer-Institut für
Solare Energiesysteme
Kaltwasser
Weltmarkt (2005 neu installiert)
China
76.5%
Gesamt: 13.65 GWth
2
(19.5 Mio m )
Europa
10.3%
Türkei
2.4%
Rest der Welt
0.5%
Asien Rest
2.2%
Nordamerika
0.6%
Quelle:
Nachhaltigkeitsstudie der
Sarasin-Bank, Dezember
2006
Afrika
0.9%
AUS/NZ Japan
1.5%
1%
Israel
1.8%
Lateinamerika
2.1%
Solare Klimatisierung
Logische Ergänzung
zur Brauchwassererwärmung und
Heizungsunterstützung
Ganzjährige Nutzung
Bevorzugt für südliche
Regionen
(Mittelmeerraum)
Phasenwechselmaterialien als Kältespeicher
Entwicklungsprojekt mit den
Industriepartnern
BASF, caparol, maxit und Sto
Förderung durch BMWA
Wandoberflächentemperaturen, PCM Wände
Wärmetransportfluide mit Phasenwechseleigenschaften
F&E Projekt mit den Partnern
Rubitherm, IOLITEC,
Fraunhofer UMSICHT;
Förderung durch BMWA
Prinzip des Adsorptionswärmespeichers
Thermodynamische Grenzen der Speicherdichte
Q
Wasser hat die höchste Verdampfungsenthalpie aller
bekannten Fluide (0,68 kWh/kg)
Q
Adsorptionsenthalpie kann ca. 30% höher als
Verdampfungsenthalpie sein (Bindungskräfte in
Mikroporen)
Q
Nicht mit Wasser füllbarer Volumenanteil im Speicher:
- Materialskelett
- Wärmetauscher
- Raum für Dampftransport
=> 60 % Porenvolumen sehr optimistisch!
Q
Max. Energiedichte 680 x 1,3 x 0,6 = 530 kWh/m3
Q
ESTTP-Vision 2030: “Faktor 8” => 60 x 8 = 480 kWh/m3
Beispiel-Ergebnisse
Randbedingungen
400
Druck Verdampfer
12.3 mbar (10°C)
"weiche" Bedingung
350
"harte" Bedingung
200
150
100
50
B
Pb
-Y
N
i-Y
N
aY
Li
L
-Y
iLi Si Y
-Y /A
Si l=7
/A
l=
La 11
N
aca
Y
lz LiL
.
K
oh A-Z SX
K le 1 eo
oh
li
le h H th
24 N
h O3
H
N
A Al O3
lP P
O O-1
1
8- 8
na
C
u2 SA no
(B PO
T
C
u2 C) 34
(B 3 TC P
1
)
C 3U
P
C BTC 2
uB
TC -alc
-n
an
o
0
12
7
Minimale Adsorptionstemperatur:
30°C … 35°C
35°C … 40°C
250
G
ra
ce
Maximale Desorptionstemperatur:
140°C
95°C
SG
Druck Kondensator
56.5 mbar (35°C)
Umsatz, g/kg
300
Aufkristallisation von Zeolithen auf Al-Trägern
Hydrothermale
Synthese
Al Schwamm (IFAM Bremen)
Zeolithbeschichteter Schwamm
Entwicklung des globalen Photovoltaik-Marktes
(>30% Wachstum /Jahr) bis 2006
Mono- und Multikristallines
Silicium beherrschen den
Markt
Das Wachstum des Marktes
Ist z.Zt. beschränkt durch die
Verfügbarkeit von reinem
Polysilicium
Graph: G. Willeke, 2006
EEG, D
Residential roof program, JPN
Globaler PV Markt
2000 MWp / a
geschätzt
1500
1000
500
0
1990
PSE GmbH, Juni 2006
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004 2006
10MW Ground Mounted System in Pocking / Bavaria
•
•
•
•
•
•
System: fixed position
Contractor: Shell Solar
Modul type: multi-c-Si
Modul suppl.: Sharp
Inverter suppl.: Siemens
Start of operation: 2006
PV-Forschung am Fraunhofer ISE,
Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischen
Energiekonversion
Preis-Lernkurve von PV-Modulen aus kristallinem Si
[€/Wp]
100
ηcell [%] = 10
15
18
20
22%
1980
1990
2000
10
2004
(30%)
1
d [µm] = 400
10-4
Graph: G. Willeke, ISE
(25%)
2010
2020
10-3
300 200
100
10
1
10-1
10-2
Installierte Peak Power (kumuliert) [GWp]
50
102
103
Wet t bew erbsf ähigkeit
net zgekoppelt er Solarst romanlagen
€/kWh
PV-St romgest ehungskost en im Vergleich
zu Preisen von EVU
f ür Spit zen- und
Grundlast st rom
1,0
900 h/a* :
0,60 €/kWh
0,8
1800 h/a* :
0,30 €/kWh
0,6
0,4
Phot ovolt aik
0,2
Spit zenlast
Grundlast
Quelle W. Hof f mann, RWE Schot t Solar
0,0
1990
2000
2010
* Sonneneinst rahlung pro Jahr
2020
2030
2040
Globaler PV Markt,
Arbeitsplatzentwicklung
3.000.000 Arbeitsplätze
2.000.000
1.000.000
2006
Quelle: EPIA “solar generation” 2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020 2022 2024
Stromverbundnetz mit Integration dezentraler Erzeugung
Import/Export
110 / 220 / 380 kV
Leitwarte,
Verteilnetzbetrieb
Intelligente
Netzbetriebsführung
Prognose:
Erzeugung und
Verbrauch
Leitwarte
400 V
10 / 20 kV
Energieflüsse im
Gebäude der
Zukunft,
ein Beispiel
externes Stromnetz
Elektronik,
Kommunikation,
mech. Energie,
Kunstlicht
Solarzellen
Mikro-KraftWärmekopplung,
Wärmepumpe
Externe
Energieträger
Warmwasser
solarthermische
Kollektoren
Heizung
solare Fassaden
(solar optimierte
Fenster)
Kühlung
Wärmespeicher
(auch Bauteil-integriert)
Ausgleich von zeitlichen Fluktuationen in der
Stromerzeugung durch großflächige bidirektionale Netze
100 Photovoltaikanlagen verteilt über
Deutschland.
1
Leistung/installierte Leistung; Juni 1995
100 Systeme
einzelnes System
0.8
0.6
Hinweis: Teilweise
Komplementarität
im Zeitmuster von
Sonnen- und
Windenergie
0.4
0.2
0
0
12
24
36
Stunden
48
60
72
PV-Erzeugung [kW]
Datum
Last [MW]
21. Jun. 04
21. Jun. 04
21. Jun. 04
21. Jun. 04
21. Jun. 04
20. Jun. 04
20. Jun. 04
20. Jun. 04
20. Jun. 04
20. Jun. 04
19. Jun. 04
19. Jun. 04
19. Jun. 04
19. Jun. 04
18. Jun. 04
18. Jun. 04
18. Jun. 04
18. Jun. 04
18. Jun. 04
17. Jun. 04
17. Jun. 04
17. Jun. 04
17. Jun. 04
17. Jun. 04
16. Jun. 04
16. Jun. 04
16. Jun. 04
16. Jun. 04
16. Jun. 04
15. Jun. 04
15. Jun. 04
15. Jun. 04
15. Jun. 04
15. Jun. 04
PV-Erzeugung [kW]
3500
3000
2500
2000
120
1500
100
80
1000
60
500
40
20
0
0
Last [MW]
Vergleich PV-Erzeugung und Summenlast
PV-Erzeugung und Last vom 15.06. - 21.06.2004
200
180
160
140
Fazit I
Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wird
langfristig die Basis einer nachhaltigen globalen
Energieversorgung bilden.
Dazu benötigte Komponenten und Verfahren
sind entwickelt und haben sich in der Anwendung
bewährt. Beträchtliche, schnell wachsende Märkte
sind entstanden.
Weitere Technologieentwicklungen und drastische
Kostenreduktionen sind entscheidend für die
wirklich großmaßstäbliche weltweite Anwendung
nachhaltiger Energietechnologien.
Fazit II
Technologiepfade zur Weiterentwicklung
der Nutzung erneuerbarer Energiequellen können
vorteilhaft auf der Basis von Systemanalysen
entwickelt werden.
Technologieentwicklungen werden zu abgestimmten
Systemlösungen, neuen Produkten und weiterem
starken Marktwachstum führen.
Das Zusammenspiel von industriellen Anstrengungen
und Forschung und Entwicklung wird zu den
notwendigen Kostenreduktionen und der essentiellen
Massenproduktion führen.