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© Eicke R. Weber Eicke R. Weber Direktor, CEO Berkeley Education Alliance for Research in Singapore BEARS (bis 31.12.2016: Direktor, Fraunhofer ISE, Freiburg) Eröffnungsseminar Erneuerbare Energien HS Karlsruhe, 15. März 2017 Grafik: Primolo PHOTOVOLTAIK ALS ZENTRALE SÄULE UNSERES KÜNFTIGEN, ERNEUERBAREN ENERGIESYSTEMS

PHOTOVOLTAIK ALS ZENTRALE SÄULE UNSERES KÜNFTIGEN ... · 13 Electricity supply from renewable energy sources Development in Germany 1990-2013 Year 2013 Total* 25.4% 152.6 TWh PV

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  • © Eicke R. Weber

    Eicke R. Weber Direktor, CEO Berkeley Education Alliance for Research in Singapore BEARS (bis 31.12.2016: Direktor, Fraunhofer ISE, Freiburg) Eröffnungsseminar Erneuerbare Energien HS Karlsruhe, 15. März 2017

    Grafik: Primolo

    PHOTOVOLTAIK ALS ZENTRALE SÄULE UNSERES KÜNFTIGEN, ERNEUERBAREN ENERGIESYSTEMS

  • 2

    n  Die Menschheit kann nur dann langfristig auf unserem Planeten leben wenn wir nur verbrauchen was nachwächst (Pflanzen) bzw. unerschöpflich vorhanden ist (wie Sonnenlicht), oder was wir ersetzen (Recycling)

    n  Dies bezeichnen wir mit Nachhaltigkeit

    n  Wir wollen dies am Beispiel der Aufgabe der Transformation des Energiesystems näher betrachten, in dem auch die Gefahr für das Weltklima eine zentrale Rolle spielt

    n  Nachhaltigkeit ist erforderlich für Nutzung von Ressourcen (Lebensmittel, Wasser, Land) sowie Energie

    n  Bis vor ca. 150 Jahren lebten wir weitgehend nachhaltig auf dem Planeten, z.B. durch Nutzung von Holz, geringem Ressourcenbedarf, aber bereits mit einigen Ausnahmen, wie z.B. Entwaldung, Osterinseln

    n  Seid ca. 1850 führte uns die Industrialisierung in eine zunehmend ressourcenverschwendende, nicht mehr nachhaltige Lebensweise

    Nachhaltigkeit als zentrale Aufgabe der Menschheit

  • 3

    Eine radikale Transformation unseres globalen Energiesystems ist erforderlich

    n  Verknappung fossiler Brennstoffe

    Fossile Brennstoffe werden knapper.

  • 4

    Eine radikale Transformation unseres globalen Energiesystems ist erforderlich

    n  Verknappung fossiler Brennstoffe

    n  Gefahr katastrophaler Klimaveränderungen

    n  Risiko von Nuklearunfällen/ Endlagerfrage

    n  Abhängigkeit von Importen aus politisch unstabilen Regionen

    Dazu kommen seit Kurzem:

    Zunehmende wirtschaftliche Chancen dieses disruptiven Prozesses!

    Die Welt wird wärmer.

  • 5

    Copyright © 2016 Tony Seba

    5th AVE NYC

    1900Where is

    the!car?!

    US National Archives : Fifth Ave NYC on Easter Morning 1900

    Slide courtesy Tony Seba 2016

    Tony Seba: Clean Disruption of Energy and Transportation

  • 6

    Copyright © 2016 Tony Seba

    5th AVE NYC

    1913

    George Grantham Bain Collection

    Where is the!

    horse?!Photo: Easter 1913, New York. Fifth Avenue looking north.

    Slide courtesy Tony Seba 2016

  • 7

    Copyright © 2016 Tony Seba

    ‘Expert’ Disruption ForecastsIn the mid-1980s AT&T hired McKinsey & Co to forecast cell phone adoption by the year 2000

    THEIR (15-YEAR) PREDICTION

    900,000SUBSCRIBERS

    THE ACTUAL NUMBER WAS

    109 million120x

    They were off by a factor of:

    Motorola DynaTAC 8000X from 1984. Source: Wikimedia, Source: Economist

    Slide courtesy Tony Seba 2016

  • 8

    Copyright © 2016 Tony Seba

    Energy StorageElectric VehiclesSelf-DrivingSolar

    1

    2

    3

    4

    CLEAN DISRUPTION OF ENERGY & TRANSPORTATION!

    Slide courtesy Tony Seba 2016

  • 9

    Copyright © 2016 Tony Seba

    On the Cusp of Disruption of Energy (& Transportation)

    We are here!2017

    Slide courtesy Tony Seba 2016

  • 10

    Copyright © 2016 Tony Seba

    This is NOT an Energy Transition This is a Technology Disruption

    Photo: Tony SebaCopyright 2016 Tony Seba

    Slide courtesy Tony Seba 2016

  • 11

    Die Transformation des Energiesystems erfordert:

    n Verbesserte Energieeffizienz in Gebäuden, Transport (e-Mobilität) and Produktion

    n Rasche Entwicklung der regenerativen Energien, wie PV, ST, Wind, Hydro, Geothermie und Biomasse in Richtung auf eine Zukunft mit 100% regenerativen Energien

    n Entwicklung von Energie Speicher- technologien

    n Ausbau des Stromnetzes für dezentrale Einspeisung, weiträumigen Transport und intelligenten Verbrauch (‘smart grid’)

    n  Integration des Strom-, Gas- & Wärmenetzes

  • 12

  • 13

    Electricity supply from renewable energy sources Development in Germany 1990-2013 Year 2013

    Total* 25.4%

    152.6 TWh PV 5.0%

    30.0 TWh 36.3 GW

    Bio 8.0% 47.9 TWh

    8.1 GW

    Wind-onsh 8.7%

    52.4 TWh 33.8 GW

    Wind-offsh 0.1%

    0.9 TWh 0.9 GW

    Hydro 3.5% 21.2 TWh

    5.6 GW

    * gross electricity demand

    StromEinspG:

    Januar 1991 – März 2000

    Novelle BauGB

    November 1997 EEG

    April 2000

    EEG

    August 2004

    EEG

    Januar 2009

    EEG

    Januar 2012

    EEG

    August 2014

  • 14

    World EnergyRessources

    2 – 6 per year 2010 World energy use: 16 TWy per year

    COAL

    Uranium

    900 Total reserve

    90-300 Total

    Petroleum

    240 Total

    Natural Gas

    215 Total

    WIND

    Waves 0.2-2 per year

    60-120 per year

    OTEC

    Biomass

    3 -11 per year

    HYDRO 3 – 4 per year

    TIDES

    SOLAR

    23,000 per year

    Geothermal 0.3 – 2 per year

    © R. Perez et al.

    0.3 per year 2050: 28 TW

    finite renewable

    World Energy Ressources (TWyear)

  • 15

    2 – 6 per year 2010 World energy use 16 TWy per year

    COAL

    Uranium

    900 Total reserve

    90-300 Total

    Petroleum

    310 Total

    Natural Gas

    330 Total

    WIND 60-120 per year

    OTEC

    Biomass

    3 -11 per year

    HYDRO 3 – 4 per year

    TIDES

    SOLAR

    23,000 per year

    Geothermal 0.3 – 2 per year

    © R. Perez et al.

    0.3 per year 2050: 28 TW

    finite renewable

    Waves 0.2-2 per year

    World Energy Ressources (TWyear)

  • 16

    Long-term utility-scale PV system price scenarios

    Source: Fraunhofer ISE (2015): Current and Future Cost of Photovoltaics. Study on behalf of Agora Energiewende

  • 17

    Source: Fraunhofer ISE (2015): Current and Future Cost of Photovoltaics. Study on behalf of Agora Energiewende

    Levelized cost of electricity Solar power will rapidly become the lowest-cost form of electricity in many regions of the world!

    Dubai 2016: 2,42ct/kWh!!

  • 18

    PV Produktions-Technologien

    Produktion 2013 (GWp) Thin film 3.2

    Mono-Si 12.6

    Multi-Si 19.2

    Ribbon-Si 0

    Data: Navigant Consulting and IHS; since 2012: estimation from different sources. Graph: PSE AG 2014

  • 19

    Crystalline Silicon Technology Portfolio

    Adapted from Preu et al., EU-PVSEC 2009

    material quality n  diffusion length n  base conductivity device quality n  passivation of surfaces n  low series resistance n  light confinement

    cell structures n  PERC: Passivated Emitter

    and Rear Cell n  MWT: Metal Wrap Through n  IBC-BJ: Interdigitated Back

    Contact – Back Junction n  HJT: Hetero Junction Technology

    material quality

    module efficiency

    Industry

    Standard

    IBC-BJ

    HJT

    PERC

    MWT- PERC

    20%

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    18%

    17% 16%

    15% 14%

    21%

    device quality

    BC- HJT

    c-Si PV modules: no commodity, high-tech products!

  • 20

    Advanced Cell Technologies

    Passivated Emitter and Rear PERC1

    Metal Wrap-Through MWT-PERC2

    2Dross et al., Proc. 4th WCPEC, 2006, pp. 1291-4

    1Blakers et al., Appl. Phys. Lett. 55, pp. 1363-5, 1989

    Heterojunction on Intrinsic layer HIT3

    Interdigitated Back Contact/Junction IBC-BJ4

    Passivating Layer Local Contacts

    Metal Wrap Through Contact Passivating Layer Local Contacts

    Lightly Doped Front

    Diffusion Texture+passivation Layer

    3 Sanyo/Panasonic 4 Sunpower

  • 21

    Advanced Cell Technologies Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon)

    n  TOPCon enables: n  Excellent carrier-selectivity n  High tolerance to high-temperature processes

    n  Very high Voc and FF achieved due to n  Excellent surface passivation n  1D carrier flow pattern in base

      Voc Jsc FF η   [mV] [mA/cm2] [%] [%]

    Champion 719 41.5 83.4 24.9[*]

    TOPCon: J0,rear � 7 fA/cm²

    n-base

    [*]FZ-Si, n-type, 2x2 cm², aperture area, confirmed by Fraunhofer ISE Callab

  • 22

    Advanced Cell Technologies Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon)

    n  TOPCon enables: n  Excellent carrier-selectivity n  High tolerance to high-temperature processes

    n  Very high Voc and FF achieved due to n  Excellent surface passivation n  1D carrier flow pattern in base

      Voc Jsc FF η   [mV] [mA/cm2] [%] [%]

    Champion 719 41.5 83.4 24.9[*]

    TOPCon: J0,rear � 7 fA/cm²

    n-base

    [*]FZ-Si, n-type, 2x2 cm², aperture area, confirmed by Fraunhofer ISE Callab

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    0 121 194

    167 169 172

    255 101 1

    255 204 3

    208 209 211

    182 217 29

    Finished Solar Silicon

    Silicor vs. Siemens Process

    6

    Silicor Process Siemens Process

    Step 1 – Dissolve MG-Si with Al and harvest silicon flakes

    Step 2 – Acid wash to dissolve aluminum from solar flakes

    Dissolve Silicon in Aluminum

    Harvest solar silicon flakes

    Aluminum Acid Wash

    Step 3 – Melt flakes in a furnace to solidify into ingot

    Step 4 – Cut and package to finished solar Si

    Directional Solidification

    Finished Solar Silicon

    The Siemens process is energy and capital intensive as it makes three states of matter changes (solid>liquid>gas>solid)

    1) Metallurgical grade silicon – MG-Si is combined with hydrochloric acid at 300 C in a fluidized bed reactor to form SiHCL3

    2) Resulting tri-chlorine saline SiHCL3 goes through a dust filtration process and condenses back to a liquid

    3) The SiHCL3 is then run through a distillation process to remove impurities 4) The pure SiHCL3 is reacted with hydrogen at 1,100 C for ~200-300 hours to produce a very pure

    form of silicon 5) The reaction takes place in large vacuum chambers and the silicon is deposited onto thin

    polysilicon rods to producer larger rods (Siemens process) 6) The rods are broken up and packaged as finished solar silicon

    1

    2

    3

    4 5

    6

    Silicor plant capital costs of $36/kg compared to comparable Siemens plant costs of ~$100/kg+

    Poly-Si Supply: The Silicor vs. Siemens Process

  • 24

    NexWafe: Kerfless Wafer Production for High-Efficiency PV

    n  Product: n-type wafer for high-efficiency solar cells

    n  ISE high-throughput ProConCVD to grow the epitaxial layer

    n  Wafer thickness 150 µm à “drop-in” replacement for Cz-wafer

    n  Proof-of-concept verified on small scale, upscaling under way!

    n  Wafers available 2017!

    Removed epitaxial wafer

    Seed wafer re-usable

  • 25

    6

    re-usable Si wafer

    Epitaxially grown Si wafer

    Monocrystalline “EpiWafer”

    Detachment

    Kerfless Si wafer

    Epitaxy

    re-usable Si waferRelease layer

    re-usable Si wafer

    Kerfless wafer process for mass production

    Key differentiators

    In-line process and equipment for creating weak layer for mass production in contrast to slow single wafer processing

    High-throughput patent-protected silicon deposition tool and process

    Free-standing silicon wafer – no need for temporary substrates in subsequent cell processing steps

    Low cost, high efficiency “EpiWafer”

    True drop-in replacement for Cz silicon wafers

    PV Wafer Technologies: Kerfless wafers for mass production

  • 26

  • 27

    High-Efficiency III/V Based Triple-Junction Solar Cells

    Slide: courtesy of F. Dimroth

  • 28

    GaInP 1.9 eV

    GaAs1.4 eV

    GaInAsP 1.0 eV

    GaInAs 0.7 eV

    Bonding

    InP engineered substrate

    InP based 4-Junction Solar Cell Results on Engineered Substrate

    One sun

    QuadFlash: η = 46 % C = 312

    3.2

    3.6

    4.0

    4.4

    80

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    V oc [

    V]FF

    [%]

    lot29-02-x23y08

    Single Flash QuadFlash

    η [%

    ]

    Concentration [suns]

  • 29

    46 %

  • 30

    Täglicher Stromverbrauch – Juli 2013 Fab 5

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    Uhrzeit

    Dienstag, den 16.07.2013

    Grafik: Ralf Hofmann, CEO KACO

  • 31

    Täglicher Stromverbrauch – August 2013 Fab 5 mit 2 MW PV System

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    Uhrzeiten

    Dienstag, den 20.08.2013

    Kosten: € 2M, Einsparung Stromkosten: € 350.000/a! Grafik: Ralf Hofmann, CEO KACO

  • 32

    Täglicher Stromverbrauch – August 2013 Fab 5 mit 2 MW PV System

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    :30:

    00

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    19

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    20

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    21

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    23

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    00

    In k

    W

    Uhrzeiten

    Dienstag, den 20.08.2013

    Kosten: € 2M, Einsparung Stromkosten: € 350.000/a! Grafik: Ralf Hofmann, CEO KACO

  • 33

    Globaler PV-Markt

    Prognose der Entwicklung von Angebot und Nachfrage im globalen PV-Markt.

    Quelle: Lux Research Inc., Grafik: PSE AG

    2008 - 2015: Die erste Welle der Photovoltaik!

  • 34

    Globaler PV-Markt Prognose bis 2017: Wir stehen am Beginn der zweiten Welle der PV!

    Prognose der Entwicklung von Angebot und Nachfrage im globalen PV-Markt.

    Quelle: Lux Research Inc., Grafik: PSE AG

  • 35

    Projections to TW-scale PV from TW workshop March 2016

    Using simple assumptions, we can project that just maintaining the 2015 deployment rate would reach 1-TW deployment before 2030. A 25% annual growth rate would reach 5-10 TW by 2030!

  • 36

    PV Markt Wachstum (IEA 2014)

    Source: IEA 2014

    n  Die rasche Implementierung der globalen PV wird angetrieben durch die Verfügbarkeit von preiswerter, sauberer und verteilt bereit gestellter Energie

    n  Mehr als 4.000 GWp an solarer PV werden bis 2050 installiert werden

    Wir sind noch ganz am Anfang der globalen Wachstumskurve!!

  • 37

    PV Markt Wachstum (IEA 2014)

    Source: IEA 2014

    n  Die rasche Implementierung der globalen PV wird angetrieben durch die Verfügbarkeit von preiswerter, sauberer und verteilt bereit gestellter Energie

    n  Mehr als 4.000 GWp an solarer PV werden bis 2050 installiert werden

    Wir sind noch ganz am Anfang der globalen Wachstumskurve!!

  • 38

    Regenerative Energien Modell REMoD-D: Ansatz Strukturoptimierung

    Exogene Vorgaben CO2-Emissionen è verfügbare Menge fossiler Energieträger Weitere externe Randbedingungen (z.B. verfügbare Biomasse, …)

    Optimierer Optimierung

    Gesamtsystem (Minimierung

    jährliche Gesamtkosten)

    Ergebnisse Installierte Leistung aller Komponenten Größe Speicher Umfang energetische Sanierung Gebäude Wärmeversorgungs-techniken Gebäude-sektor (Wärme-netze, dezentral)

  • 39 © Fraunhofer ISE

    Optimization of Germany’s future energy system based on hourly modeling

    REMod-D

    Renewable Energy Model – Deutschland

    Electricity generation, storage and end-use

    Fuels (including biomass and synthetic

    fuels from RE)

    Mobility (battery-electric,

    hydrogen, conv. fuel mix)

    Processes in industry and

    tertiary sector

    Heat (buildings,

    incl. storage and heating networks)

    Comprehensive analysis of the overall system

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2014

  • 40 © Fraunhofer ISE

    TWh

    TraktionH2-Bedarf

    45

    11TWh

    TWh39

    TWh

    14TWh

    Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe

    Solarthermie

    11

    Solarthermie 8 Gebäude9

    TWhel. WP Luft 43

    TWh

    TWh44

    4

    Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe

    13TWh

    14 4

    W-Speicher

    GWth TWh 60 TWh

    82TWh

    220TWh

    420

    22 GWth TWh 103 GWh51 W-Speicher14el. WP Sole

    Biomasse

    TWh

    0

    TWh15

    KWK-BHKW

    Solarthermie 13

    TWh

    Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV)

    375

    TWhTWh

    3

    GWgas 0

    220

    0TWh

    0Sabatier Methan-Sp.

    H2-Speicher

    7 GWth TWh

    TWh 41

    3

    GWthGas-WP

    W-Speicher25

    20

    40TWh

    388 TWh

    20 GWth TWh Wärmenetze mit GuD-KWK

    7 GWth TWh

    W-Speicher

    TWh Wärmenetze mit BHKW-KWK

    Wärmebedarf gesamt

    TWh

    26

    TWh

    TWh

    217TWh

    82

    16TWh

    GWelTWh 23

    4TWh

    9 Pump-Sp-KW 7TWh

    TWh

    6TWh

    GasturbineW-Speicher

    Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW3 GW 0 GW5 GW 0 GW 7 GW

    Atom-KWPV Wind On Wind Off Wasserkraft

    112TWh

    103TWh

    147

    Batterien24 GWh

    GW 120 GW 32 GW143

    TWh

    5TWh 60 GWh TWh

    TWh

    Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe

    GWthGebäude

    8

    TWh

    7TWh 50

    14

    4 TWh

    TWh

    19 GWth TWh GWh

    Einzelgebäude mit Gaskessel

    TWhGaskessel 71 Gebäude

    32 GWth

    0

    4

    Gebäude59

    0.0

    TWh3734

    Solarthermie 6 W-Speicher

    Gebäude15

    27 GWh

    23TWh

    TWh

    TWh 173 GWh

    3

    TWhungenutzter Strom (Abregelung)

    TWh0

    TWh26

    TWh12

    TWh

    TWh

    5TWh

    TWh

    241 TWh

    Gebäude4

    87

    TWh 6 TWh

    Gebäude59

    7 GWth TWh

    3

    TWh

    WP zentral 20

    KWK-GuD 2735 GWel TWh

    20

    60TWh

    7

    GW

    Einzelgebäude mit Mini-BHKW

    6 46

    WP zentral 23

    4

    8TWh

    TWh

    Verkehr (ohne Schienenverkehr/Strom)

    Brennstoff-basierter Verkehr

    Batterie-basierter Verkehr

    Wasserstoff-basierter Verkehr

    137

    TWhTWh

    TWhTWh

    TWhTWhTWhTraktion gesamt

    BrennstoffeTraktion

    erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien

    14 GWth TWh 56 GWh

    86 TWhGeothermie 6 Gebäude

    2 GWth

    10

    TWh

    TWh108 TWh

    57 TWh

    0TWh

    3TWh

    TWh 173

    Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

    TWh

    Brennstoffe

    TWhErdgas 394

    TWh

    4

    TWh22

    TWh

    Elektrolyse

    8233 GWel

    4

    21TWh

    0TWh

    TWh 26

    1 GW

    GuD-KW

    ungenutztWarmwasserRaumheizung290 TWh 98 TWh 2

    Solarthermie

    GWhMini-BHKW 23

    GWh

    TWhSolarthermie 13

    20 GWth

    GWel TWh

    TWh0.6

    GWth TWh

    TWh

    W-Speicher

    TWh

    TWh76

    6

    4182

    StrombedarfTraktion

    Solarthermie 12 6

    TWh

    73TWh

    25 TWhBrennstoffe

    55220

    100% Wert 2010

    335

    TWh

    TWh

    Treibstoff Verkehr

    55TWh

    420 TWh

    Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe

    gesamt 445 TWhSolarthermie

    %

    4155

    © F

    raun

    hofe

    r ISE

    Optimization of Germany’s future energy system based on hourly modeling

    REMod-D

    Renewable Energy Model – Deutschland

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2014

  • 41 © Fraunhofer ISE

    TWh

    TraktionH2-Bedarf

    45

    11TWh

    TWh39

    TWh

    14TWh

    Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe

    Solarthermie

    11

    Solarthermie 8 Gebäude9

    TWhel. WP Luft 43

    TWh

    TWh44

    4

    Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe

    13TWh

    14 4

    W-Speicher

    GWth TWh 60 TWh

    82TWh

    220TWh

    420

    22 GWth TWh 103 GWh51 W-Speicher14el. WP Sole

    Biomasse

    TWh

    0

    TWh15

    KWK-BHKW

    Solarthermie 13

    TWh

    Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV)

    375

    TWhTWh

    3

    GWgas 0

    220

    0TWh

    0Sabatier Methan-Sp.

    H2-Speicher

    7 GWth TWh

    TWh 41

    3

    GWthGas-WP

    W-Speicher25

    20

    40TWh

    388 TWh

    20 GWth TWh Wärmenetze mit GuD-KWK

    7 GWth TWh

    W-Speicher

    TWh Wärmenetze mit BHKW-KWK

    Wärmebedarf gesamt

    TWh

    26

    TWh

    TWh

    217TWh

    82

    16TWh

    GWelTWh 23

    4TWh

    9 Pump-Sp-KW 7TWh

    TWh

    6TWh

    GasturbineW-Speicher

    Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW3 GW 0 GW5 GW 0 GW 7 GW

    Atom-KWPV Wind On Wind Off Wasserkraft

    112TWh

    103TWh

    147

    Batterien24 GWh

    GW 120 GW 32 GW143

    TWh

    5TWh 60 GWh TWh

    TWh

    Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe

    GWthGebäude

    8

    TWh

    7TWh 50

    14

    4 TWh

    TWh

    19 GWth TWh GWh

    Einzelgebäude mit Gaskessel

    TWhGaskessel 71 Gebäude

    32 GWth

    0

    4

    Gebäude59

    0.0

    TWh3734

    Solarthermie 6 W-Speicher

    Gebäude15

    27 GWh

    23TWh

    TWh

    TWh 173 GWh

    3

    TWhungenutzter Strom (Abregelung)

    TWh0

    TWh26

    TWh12

    TWh

    TWh

    5TWh

    TWh

    241 TWh

    Gebäude4

    87

    TWh 6 TWh

    Gebäude59

    7 GWth TWh

    3

    TWh

    WP zentral 20

    KWK-GuD 2735 GWel TWh

    20

    60TWh

    7

    GW

    Einzelgebäude mit Mini-BHKW

    6 46

    WP zentral 23

    4

    8TWh

    TWh

    Verkehr (ohne Schienenverkehr/Strom)

    Brennstoff-basierter Verkehr

    Batterie-basierter Verkehr

    Wasserstoff-basierter Verkehr

    137

    TWhTWh

    TWhTWh

    TWhTWhTWhTraktion gesamt

    BrennstoffeTraktion

    erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien

    14 GWth TWh 56 GWh

    86 TWhGeothermie 6 Gebäude

    2 GWth

    10

    TWh

    TWh108 TWh

    57 TWh

    0TWh

    3TWh

    TWh 173

    Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

    TWh

    Brennstoffe

    TWhErdgas 394

    TWh

    4

    TWh22

    TWh

    Elektrolyse

    8233 GWel

    4

    21TWh

    0TWh

    TWh 26

    1 GW

    GuD-KW

    ungenutztWarmwasserRaumheizung290 TWh 98 TWh 2

    Solarthermie

    GWhMini-BHKW 23

    GWh

    TWhSolarthermie 13

    20 GWth

    GWel TWh

    TWh0.6

    GWth TWh

    TWh

    W-Speicher

    TWh

    TWh76

    6

    4182

    StrombedarfTraktion

    Solarthermie 12 6

    TWh

    73TWh

    25 TWhBrennstoffe

    55220

    100% Wert 2010

    335

    TWh

    TWh

    Treibstoff Verkehr

    55TWh

    420 TWh

    Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe

    gesamt 445 TWhSolarthermie

    %

    4155

    © F

    raun

    hofe

    r ISE

    Electricity generation

    Photovoltaics 147 GWel

    Medium and large size CHP (connected to district heating)

    60 GWel

    Onshore Wind

    120 GWel

    Offshore Wind 32 GWel

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2014

  • 42 © Fraunhofer ISE

    TWh

    TraktionH2-Bedarf

    45

    11TWh

    TWh39

    TWh

    14TWh

    Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe

    Solarthermie

    11

    Solarthermie 8 Gebäude9

    TWhel. WP Luft 43

    TWh

    TWh44

    4

    Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe

    13TWh

    14 4

    W-Speicher

    GWth TWh 60 TWh

    82TWh

    220TWh

    420

    22 GWth TWh 103 GWh51 W-Speicher14el. WP Sole

    Biomasse

    TWh

    0

    TWh15

    KWK-BHKW

    Solarthermie 13

    TWh

    Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV)

    375

    TWhTWh

    3

    GWgas 0

    220

    0TWh

    0Sabatier Methan-Sp.

    H2-Speicher

    7 GWth TWh

    TWh 41

    3

    GWthGas-WP

    W-Speicher25

    20

    40TWh

    388 TWh

    20 GWth TWh Wärmenetze mit GuD-KWK

    7 GWth TWh

    W-Speicher

    TWh Wärmenetze mit BHKW-KWK

    Wärmebedarf gesamt

    TWh

    26

    TWh

    TWh

    217TWh

    82

    16TWh

    GWelTWh 23

    4TWh

    9 Pump-Sp-KW 7TWh

    TWh

    6TWh

    GasturbineW-Speicher

    Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW3 GW 0 GW5 GW 0 GW 7 GW

    Atom-KWPV Wind On Wind Off Wasserkraft

    112TWh

    103TWh

    147

    Batterien24 GWh

    GW 120 GW 32 GW143

    TWh

    5TWh 60 GWh TWh

    TWh

    Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe

    GWthGebäude

    8

    TWh

    7TWh 50

    14

    4 TWh

    TWh

    19 GWth TWh GWh

    Einzelgebäude mit Gaskessel

    TWhGaskessel 71 Gebäude

    32 GWth

    0

    4

    Gebäude59

    0.0

    TWh3734

    Solarthermie 6 W-Speicher

    Gebäude15

    27 GWh

    23TWh

    TWh

    TWh 173 GWh

    3

    TWhungenutzter Strom (Abregelung)

    TWh0

    TWh26

    TWh12

    TWh

    TWh

    5TWh

    TWh

    241 TWh

    Gebäude4

    87

    TWh 6 TWh

    Gebäude59

    7 GWth TWh

    3

    TWh

    WP zentral 20

    KWK-GuD 2735 GWel TWh

    20

    60TWh

    7

    GW

    Einzelgebäude mit Mini-BHKW

    6 46

    WP zentral 23

    4

    8TWh

    TWh

    Verkehr (ohne Schienenverkehr/Strom)

    Brennstoff-basierter Verkehr

    Batterie-basierter Verkehr

    Wasserstoff-basierter Verkehr

    137

    TWhTWh

    TWhTWh

    TWhTWhTWhTraktion gesamt

    BrennstoffeTraktion

    erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien

    14 GWth TWh 56 GWh

    86 TWhGeothermie 6 Gebäude

    2 GWth

    10

    TWh

    TWh108 TWh

    57 TWh

    0TWh

    3TWh

    TWh 173

    Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

    TWh

    Brennstoffe

    TWhErdgas 394

    TWh

    4

    TWh22

    TWh

    Elektrolyse

    8233 GWel

    4

    21TWh

    0TWh

    TWh 26

    1 GW

    GuD-KW

    ungenutztWarmwasserRaumheizung290 TWh 98 TWh 2

    Solarthermie

    GWhMini-BHKW 23

    GWh

    TWhSolarthermie 13

    20 GWth

    GWel TWh

    TWh0.6

    GWth TWh

    TWh

    W-Speicher

    TWh

    TWh76

    6

    4182

    StrombedarfTraktion

    Solarthermie 12 6

    TWh

    73TWh

    25 TWhBrennstoffe

    55220

    100% Wert 2010

    335

    TWh

    TWh

    Treibstoff Verkehr

    55TWh

    420 TWh

    Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe

    gesamt 445 TWhSolarthermie

    %

    4155

    © F

    raun

    hofe

    r ISE

    Storage

    Heat buffers in buildings Total 320 GWh (e.g. 7 Mio units with 800 Litres each)

    Large scale heat storage in district heating systems Total 350 GWh (e.g. 150 units with 50.000 m³ each)

    Pumped storage power plants 42 units with a total of 60 GWh

    Stationary batteries Total 24 GWh (e.g. 8 Mio units with 3 kWh each)

    Electrolysers with total capacity of 33 GWel (needed for mobility)

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2014

  • 43 © Fraunhofer ISE

    TWh

    TraktionH2-Bedarf

    45

    11TWh

    TWh39

    TWh

    14TWh

    Einzelgebäude mit Sole-Wärmepumpe

    Solarthermie

    11

    Solarthermie 8 Gebäude9

    TWhel. WP Luft 43

    TWh

    TWh44

    4

    Einzelgebäude mit Gas-Wärmepumpe

    13TWh

    14 4

    W-Speicher

    GWth TWh 60 TWh

    82TWh

    220TWh

    420

    22 GWth TWh 103 GWh51 W-Speicher14el. WP Sole

    Biomasse

    TWh

    0

    TWh15

    KWK-BHKW

    Solarthermie 13

    TWh

    Strombedarf gesamt (ohne Strom für Wärme und MIV)

    375

    TWhTWh

    3

    GWgas 0

    220

    0TWh

    0Sabatier Methan-Sp.

    H2-Speicher

    7 GWth TWh

    TWh 41

    3

    GWthGas-WP

    W-Speicher25

    20

    40TWh

    388 TWh

    20 GWth TWh Wärmenetze mit GuD-KWK

    7 GWth TWh

    W-Speicher

    TWh Wärmenetze mit BHKW-KWK

    Wärmebedarf gesamt

    TWh

    26

    TWh

    TWh

    217TWh

    82

    16TWh

    GWelTWh 23

    4TWh

    9 Pump-Sp-KW 7TWh

    TWh

    6TWh

    GasturbineW-Speicher

    Steink.-KW Braunk.-KW Öl-KW3 GW 0 GW5 GW 0 GW 7 GW

    Atom-KWPV Wind On Wind Off Wasserkraft

    112TWh

    103TWh

    147

    Batterien24 GWh

    GW 120 GW 32 GW143

    TWh

    5TWh 60 GWh TWh

    TWh

    Einzelgebäude mit Luft-Wärmepumpe

    GWthGebäude

    8

    TWh

    7TWh 50

    14

    4 TWh

    TWh

    19 GWth TWh GWh

    Einzelgebäude mit Gaskessel

    TWhGaskessel 71 Gebäude

    32 GWth

    0

    4

    Gebäude59

    0.0

    TWh3734

    Solarthermie 6 W-Speicher

    Gebäude15

    27 GWh

    23TWh

    TWh

    TWh 173 GWh

    3

    TWhungenutzter Strom (Abregelung)

    TWh0

    TWh26

    TWh12

    TWh

    TWh

    5TWh

    TWh

    241 TWh

    Gebäude4

    87

    TWh 6 TWh

    Gebäude59

    7 GWth TWh

    3

    TWh

    WP zentral 20

    KWK-GuD 2735 GWel TWh

    20

    60TWh

    7

    GW

    Einzelgebäude mit Mini-BHKW

    6 46

    WP zentral 23

    4

    8TWh

    TWh

    Verkehr (ohne Schienenverkehr/Strom)

    Brennstoff-basierter Verkehr

    Batterie-basierter Verkehr

    Wasserstoff-basierter Verkehr

    137

    TWhTWh

    TWhTWh

    TWhTWhTWhTraktion gesamt

    BrennstoffeTraktion

    erneuerbare Energien primäre Stromerzeugung fossil-nukleare Energien

    14 GWth TWh 56 GWh

    86 TWhGeothermie 6 Gebäude

    2 GWth

    10

    TWh

    TWh108 TWh

    57 TWh

    0TWh

    3TWh

    TWh 173

    Wärmenetze mit Tiefen-Geothermie

    TWh

    Brennstoffe

    TWhErdgas 394

    TWh

    4

    TWh22

    TWh

    Elektrolyse

    8233 GWel

    4

    21TWh

    0TWh

    TWh 26

    1 GW

    GuD-KW

    ungenutztWarmwasserRaumheizung290 TWh 98 TWh 2

    Solarthermie

    GWhMini-BHKW 23

    GWh

    TWhSolarthermie 13

    20 GWth

    GWel TWh

    TWh0.6

    GWth TWh

    TWh

    W-Speicher

    TWh

    TWh76

    6

    4182

    StrombedarfTraktion

    Solarthermie 12 6

    TWh

    73TWh

    25 TWhBrennstoffe

    55220

    100% Wert 2010

    335

    TWh

    TWh

    Treibstoff Verkehr

    55TWh

    420 TWh

    Brennstoff-basierte Prozesse in Industrie und Gewerbe

    gesamt 445 TWhSolarthermie

    %

    4155

    © F

    raun

    hofe

    r ISE

    Heat

    Solar thermal 42 GWth

    Heat pumps 22 GWth (el., ground) 19 GWth (el., air) 15 GWth (gas)

    Solar thermal 40 GWth

    CHP in heat networks 60 GWel installed

    capacity 15 GWth centralized

    heat pumps

    decentralized centralized

  • 44

    Results of Scenarios Comparing cumulative total costs

    #1 -80 % CO2, Coal exit not accelerated

    #2 -80 % CO2, Coal exit accelerated

    #3 -85 % CO2, Coal exit accelerated

    #4 -90 % CO2, Coal exit accelerated

    Ref.: Today‘s system ‘frozen‘

    n No cost for CO2 - emissions n Constant prices for fossil energy

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2015

    C

    um

    ula

    tive c

    ost

    2014-2

    050 i

    n B

    n €

  • 45

    Results of Scenarios Comparing cumulative total costs

    #2 -80 % CO2, Coal exit accelerated

    #3 -85 % CO2, Coal exit accelerated

    n No cost for CO2 - emissions n Constant prices for fossil energy

    Slide courtesy Hans-Martin Henning 2015

    C

    um

    ula

    tive c

    ost

    2014-2

    050 i

    n B

    n €

    Cumulative additional cost for scenarios 2 & 3: about € 1100 Bn for 2014 – 2050, ca. 0.8 % of German GDP!

  • 46

    Monatliche Produktion Solar und Wind

    n Die maximale Stromproduktion erzeugten Solar- und Windenergie-anlagen im Januar 2012 mit 7,6 TWh

    n Die minimale Produktion betrug 4,7 TWh im November 2012 Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE; Daten: Leipziger Strombörse EEX

    Monatliche Produktion Solar und Wind

    Jahr 2012

    Januar Februar März April Mai Juni Juli August Sept. Oktober Nov. Dez.

    5,0

    6,0

    7,0

    4,0

    3,0

    2,0

    1,0

    TWh

    Legende: Wind Solar

  • 47

    Zur Frage der Netzstabilität: Mit Ökostromausbau wurde unser Netz stabiler!

    Zum Vergleich (2013): Frankreich (81% Atomstrom): 68 min., UK: 55 mins!

    SAIDI: System Average Interuption Duration Index Zahl der Unterbrechungen: 228 Tsd 2006 – 174 Tsd 2014!

  • 48

    Photovoltaik als zentrale Säule unseres künftigen, erneuerbaren Energiesystems n  Die Photovoltaik ist - zusammen mit der Windenergie - zentraler Pfeiler

    unseres künftigen Energiesystems, das auf effizienter Nutzung von schliesslich 100% erneuerbarer Energien beruhen wird.

    n  Der Welt-Solarmarkt wächst rasch, angetrieben durch die günstigen Kosten von Solarstrom, auf 2017 über 70GW/a, 2020 >100GW/a

    n  2017 entspricht der Welt-Solarmarkt nahezu der globalen Produktionskapazität; in den nächsten 5 Jahren wird er sich verdoppeln!

    n  DiePhotovoltaik wird weitere, innovative Verbesserungen erleben, die zu höheren Effizienzen bei niedrigeren Preisen führen werden!

    n  Mit wenig mehr als 1 GW/a PV Zubau hat sich Deutschland aus dem globalen PV Markt verabschiedet, angetrieben durch politische Weichenstellungen gegen die PV (Abgabe auf selbstverbrauchten Solarstrom für Handwerker und KMUs!)

    n  Deutschland ist ohne Entwicklung eines eigenen Marktes in großer Gefahr, die Elektromobilität zu verpassen!

    n  Die disruptive, globale Energiewende ist unterwegs, wir sollten die Früchte der Anschubfinanzierung - besonders der Photovoltaik - auch ernten!

  • 49

    Süddeutsche Zeitung vom 13. Juni 2016, Seite 2

  • 50

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