Photovoltaik und Klimaschutz - fh-muenster.de

K. Mertens Folie 1Vortrag Solarenergie und Klimaschutz

Prof. Konrad Mertens

Labor für Optoelektronik und Sensorik, Photovoltaik-Prüflabor

Fachbereich Elektrotechnik und Informatik

Fachhochschule Münster

Photovoltaik und Klimaschutz


Gliederung:

1. Aktuelle Situation beim Klimaschutz

2. Die beliebtesten Vorurteile zur Photovoltaik

3. Die eigene Photovoltaikanlage

4. Speicherung von Solarstrom

5. Photovoltaik und Elektroautos?

6. Fazit


Zur Person

• Seit 1992 im Solarenergie-Förderverein Aachen (SFV):

Vorführung: Schweißen mit Solarenergie…


Zur Person

Küchen-maschine

Radio Solar-module

Toaster

Bohrmaschine

Wo ist die versteckte Batterie?

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Vorführung: Betrieb von Geräten mit Solarenergie (Halle, 1990)


Zur Person

Einsatz für kostendeckende Vergütung…


Dies war die Blaupause für die Einführung des EEG im Jahr 2000!

• 1995: Errichtung der ersten Anlage mit

kostendeckender Vergütung (2 DM/kWh)

• Innerhalb von 4 Jahren übernehmen

40 weitere Städte das Aachener Modell!

Zur Person


Zur Person

• 1996: Bau einer eigenen Photovoltaikanlage (2 kW)


Zur Person

• Studium und Promotion (Elektrotechnik) an der RWTH Aachen

• Industrietätigkeit im Bereich Erneuerbare Energien und Intelligente Netze

• Seit 2000 Professor an der Fachhochschule Münster:

• Photovoltaik• Sensorik• Lichtwellenleitertechnik

Lehre:

• Photovoltaik-Prüflabor• Qualitätsüberprüfung von Photovoltaikanlagen

Forschung:

Vermessung von Modulen im Labor: Erkennung von Modulfehlern mit Thermografie:


1. Aktuelle Situation beim Klimaschutz


Verlauf der CO2-Konzentration im Lauf der letzten 20.000 Jahre:w

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Temperaturanstieg

Häufiger Stürme und Überflutungen

Verschiebung von Klimazonen


Der Klimawandel hat schon begonnen:

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agrarheute, 28.08.2019



Trockenheit lässt Buchen sterben, WAZ, 28.08.2019


Was ist das?

1881 2018

Jahrestemperaturen seit 1881:


Gliederung:


Verursacher der deutschen CO2-Emissionen:

Start mit Kohlekraftwerken ist sinnvoll

Parallel müssen die anderen Sektoren umgebaut werden!

Quelle: Volker Quaschning


Zukunft der Kohlendioxidemissionen in Deutschland:

Wo soll die Energie denn herkommen?

Aus Solarstrom? Ja, unter anderem…

Que

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2. Die beliebtesten Vorurteile zur Photovoltaik


Vorurteil 1:

„Zur Produktion einer Solarstromanlage braucht man mehr Energie,

als die Anlage jemals produzieren wird!“


Energierücklaufzeit von Photovoltaikanlagen

z.B. Energierücklaufzeit = 2 Jahre: 5,12a2

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klaufzeitEnergierüc

rLebensdauerErntefakto

Die Anlage bringt innerhalb Ihrer Lebensdaer rund das 12,5-fache an Energie ein!

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0,5

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2

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Ene

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in J

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Multi-Si (2004) = 13,2 %

Multi-Si (aktuell) = 17 %

Wechselrichter etc.

Modulrahmen

Laminatherstellung

Zellprozessierung

Waferherstellung

Siliziumherstellung

1,3 a

2,9

2,5 a

1,1 a

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Vorurteil 2:

„Photovoltaik hat einen zu geringen Wirkungsgrad“

Welche Fläche braucht man denn?


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Flächenbedarf:

Welche Fläche bräuchte man, um den gesamten (!) Weltenergiebedarf (Strom, Verkehr, Heizung, …) mit Photovoltaik zu decken (Annahme: Wirkungsgrad 10 %)?

Der heutige Wirkungsgrad reicht eigentlich auch schon!


Flächenbedarf:

Besser: Verteilung der Solaranlagen über die ganze Welt…

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Vorurteil 3:

„In der Sahara, na gut, aber in Deutschland scheint ja ohnehin kaum die Sonne“

Wie viel mal mehr Energie erbringt eine Solaranlage

in der Sahara im Vergleich zu Deutschland?

„Der Ausbau der Solarenergie in Deutschland ist so sinnvoll wie Ananas züchten in Alaska“

Dr. Jürgen Großmann, ehem. Vorstandsvorsitzender der RWE AG, am 17.01.2012


Der Thyristor kann anstelle eines Relais (Schützes) zum Schalten von Gleichspannung eingesetzt werden. Allerdings sind besondere Maßnahmen zur Löschung notwendig.

S1: Zünden

S2: Löschen

Weltkarte der Globalstrahlung

Jahresglobalstrahlung in der Sahara: ca. 2- bis 2½-fach gegenüber Deutschland

Mehrertrag einer Photovoltaikanlage: nur Faktor 2

www.lehrbuch-photovoltaik.de


Bisherige Stromerzeugung durch erneuerbare Energien in Deutschland

Aktueller Status (2018):

• Anteil der erneuerbaren Energien am Strombedarf: 40 %

• Anteil der Photovoltaik: 8 %

Reicht der Platz z.B. auch für 30 % durch Photovoltaik?


Flächenbedarf für 30 % der Photovoltaik an der Stromerzeugung

Die Dächer und Fassaden reichen aus!!

Nutzen wir die Dächer!!

Und wenn die Photovoltaik noch mehr liefern sollte?

(30 % des Strombedarfs)

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Und wenn die Photovoltaik noch mehr liefern sollte?

Fallbeispiel: Wir haben einen Hektar Fläche zur Stromerzeugung zur Verfügung:

• Fall A: Wir bauen Energiemais an: Sonne Mais Biogas Strom

• Fall B: Wir nutzen Photovoltaik: Sonne Strom

Ertrag:

Ertrag: Faktor 50 !!!

Übrigens:

Aktuell werden 21 % der Ackerflächen Deutschlands für Energiepflanzen genutzt.

Würde man „das letzte 1 %“ für Photovoltaik verwenden, ergäbe das 20 % des gesamten Strombedarfs

Fazit: das Potential der Photovoltaik ist selbst in Deutschland gigantisch!

Zur Ehrenrettung der Biomasse: + Biomasse ist speicherbar

+ Restpflanzennutzung macht auf jeden Fall Sinn

100 m

100

m

100 m

100

m

1 Mio. kWh !

ca. 20.000 kWh


Vorurteil 4:

„Solarstrom ist viel zu teuer“


Preisentwicklung:

• Modulpreise seit 1980 (inflationsbereinigt):

• Reduzierung von 27 Euro/Wp auf unter 27 Cent/Wp!


Ausbau der Photovoltaik in Deutschland

• Jährlicher Zubau zwischenzeitlich bei ca. 7 GWp/Jahr

• Aktuell (2018): 3 GWp/Jahr

• Eigentlich brauchen wir 10 GWp/Jahr

• Installierte Leistung in GWp:

• Der 52 GW-Deckel muss weg!

Der 52 GW-Deckel!


Weltweites Wachstum der Photovoltaik

• Wachstumsraten über 40 %

• 2018: rund 100 GWp zusätzlich installiert!

• Haupttreiber sind inzwischen China und Schwellenländer

• Bislang weltweit installierte Leistung in GWp:


Preisentwicklung:

• Entwicklung der Einspeisevergütung seit 2004:

Photovoltaikstrom ist inzwischen günstiger als Biomasse und Offshore-Windkraft!

Aktuelle Ausschreibungen von Freiflächenanlagen: 4,8 Ct/kWh!

4,8 Ct/kWh!


Preisentwicklung:

• Übrigens: Aktuelle Photovoltaikausschreibung in Dubai:

Niedrigstes Gebot:

1,6 cent/kWh!!!

Foto: DEWA25-jähriger Stromabnahmevertrag


Preisentwicklung:

• Einspeisevergütung und Strompreis

Eigenverbrauch lohnt sich!


3. Die eigene Photovoltaikanlage


Prinzipieller Aufbau einer „klassischen“ Photovoltaikanlage:

SolarmodulSolarzelle


Wirkungsgrad von Solarmodulen:

z.B. Wirkungsgrad Modul = 17,5 %

• Was heißt das? Bei voller Sonneneinstrahlung (1000 W/m2) bringt ein Solarmodul (Fläche 1,6 m2, Wirkungsgrad 17,5 %) eine maximale Leistung (Peakleistung) von:

2Modul P2

Watt1000 1,6 m 17,5 % 280 Watt

mP

Anlage P P P18 280 Watt 5,04 kW 5 kWP

Zelle

OptischeLeistung

„Peak“

• Modul:

• Ganze Anlage:

Optisch

ElektrischModul LeistungOptische

LeistungeElektrisch

P

P

Merke: z.B. knapp 30 Quadratmeter reichen für eine 5 kWp – Anlage!

z.B. 18 Module:

ElektrischeLeistung


0100200300400500600700800900

10001100

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

Beispiel des Energieertrags realer Anlagen:

Jahr

Spezifischer jährlicher Ertrag in kWh/kWpa) Anlage Aachen

• Baujahr: 1996• Leistung: 2 kWP

• Ausrichtung: Süd• Dachneigung: 45°• „alte Technik“

Durchschnittlicher Ertrag: 830 kWh/kWp

b) Anlage Steinfurt

• Baujahr: 2008• Leistung: 25 kWP

• Ausrichtung: Süd• Neigung: 25°• „moderne Technik“

Durchschnittlicher Ertrag: 1012 kWh/kWp

Ertrag in kWh/kWp

Jahr

900 kWh/kWp sind in unseren Breiten ohne Weiteres machbar!


Ertragsabhängigkeit von der Dachausrichtung

z.B. Westdach mit 30 Grad Neigung:

• 17 % Minderung• (entspricht Ertrag von rund 755 kWh/kWp


Beispiel A: 5 kWp-Anlage ohne Eigenverbrauch

Solar-module


Beispiel A: 5 kWp-Anlage ohne Eigenverbrauch

Investitionskosten: z.B. 6.500 Euro (entspricht 1.300 Euro/kWp)

Stromertrag pro kWp: 900 kWh/Jahr

Einnahmen: 10 ct/kWh x 900 kWh/Jahr x 5 = 450 Euro/Jahr

Laufende jährliche Kosten: 1,5 % der Investitionskosten: 97,50 Euro/Jahr

Ausgaben: 97,50 Euro/Jahr

Überschuss: (450 – 97,50) Euro/Jahr = 352,50 Euro/Jahr

Amortisationszeit: 6.500 Euro / 352,50 Euro/Jahr = 18,4 Jahre

Rendite: = 0,8 %

nicht herausragend!

Was kann man tun, um die Rendite zu verbessern?

(Nettopreise)


Beispiel B: 5 kWp-Anlage mit Eigenverbrauch

Solar-module


Beispiel B: 5 kWp-Anlage mit Eigenverbrauch

Einnahmen durch Einspeisung: 10 ct/kWh x 2/3 x 4500 kWh/Jahr = 300 Euro/Jahr

Vorteil durch Eigenverbrauch: 28 ct/kWh x 1/3 x 4500 kWh/Jahr = 420 Euro/Jahr

Gesamteinnahmen: 720 Euro/Jahr

Laufende jährliche Kosten: 1,5 % der Investitionskosten: 97,50 Euro/Jahr

Rendite ist deutlich verbessert!

• z.B. 1/3 des erzeugten Stroms wird selbst verbraucht, Tarifstrom kostet z.B. 28 ct/kWh

• Neue Rechnung:

Ausgaben: 97,50 Euro/Jahr

Überschuss: (720 – 97,50) Euro/Jahr = 622,50 Euro/Jahr

Amortisationszeit: 6.500 Euro / 622,50 Euro/Jahr = 10,4 Jahre

Rendite: = 7,2 %


Konkrete Empfehlungen bei Planung und Kauf einer PV-Anlage:

• Dacheignung prüfen (steht ggf. Sanierung an?)

• Installierbare PV-Leistung abschätzen

• Mehrere Angebote einholen!

• Verschiedene Varianten durchrechnen lassen

Geeignete Solaranlage installieren

www.pv-magazine.de/2019/09/27/photovoltaik-ohne-finanzamt/

• Infos zu Steuerfragen:


Welche Art von Modulen?

multikristallin: monokristallin:

Wirkungsgrad: bis 18 % Wirkungsgrad: bis 22 %

Bilder: Solarwatt


Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Heizstab


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Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Wärmepumpe


4. Speicherung von Solarstrom


=

PV-GeneratorWechselrichter

öffentliches Netz

Hausverbraucher

Akkumulator(Blei oder Lithium-Ionen)

Prinzip

• Ein Teil des Stroms wird zwischengespeichert, um den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen


Aktuelle Situation:

• Zusatzfeatures: z.B. Notstromfunktion, Anbindung an Elektroauto, etc.

Quelle: DGS

• Lithium-Ionen-Speicher haben sich praktisch durchgesetzt ggü. Bleispeichern


Aktuelle Situation:

aktuell: ca 150.000 Speicher


ca. 30 % Eigenanteil

ca. 60 % Eigenanteil

Intelligentes System zur Erhöhung des Eigenverbrauchs (EFH):

a) Ohne Speicher und Lastmanagement: eingespeiste PV-Energiedirekt verbrauchte PV-Energie

aus Netz be-zogene Energie

b) Mit Speicher und Lastmanagement:

Quelle: SMA

gespeicherte PV-Energie

aus Speicher bezogene Energie


Aktuelle Situation:

Speicher rechnen sich bislang nur in Ausnahmefällen!

• Bislang wurden in Deutschland ca. 150.000 Heimspeicher installiert

• Kosten von Speichern sinken (insb. Lithium-Ionen-Speicher)

• Kosten zur Speicherung einer Kilowattstunde liegen aber immer noch über 15 bis 20 Cent

Speicherung in Wärme (z.B. in Kombination mit Wärmepumpen) ist eher wirtschaftlich!


www.pv-now-easy.de

Speicherauslegung mit pv-now-easy:

Fall A: ohne Speicher: Fall B: mit Speicher:


Was ist hier falsch?

Foto: K. Mertens


Nutzt die Dächer!

Quelle: Pixabay

www.pv-magazine.dewww.solaranlagen-portal.com

Pixabay

Pixabay


Was ist hier falsch?


Nutzt die hohe Flächeneffizienz der PV!

Solarpark Herten

Next2Sun

Belectric

Wikipedia

Sungrow

Christina Grätz, nagolare


Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…

Beispiel Saerbeck:

http://details.solare-stadt.de/kreis_steinfurt/


Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…

Quelle: google maps

Beispiel Saerbeck:


4. Photovoltaik und Elektroautos?


Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…


Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…

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z.B. 5 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr!

besser: 10 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr + 4500 kWh für Haushalt…


Wie man es nicht machen sollte:

Foto: Frank Neuhaus


Gewöhnungsbedürftig…

Foto: © Bildarchiv Bayerisches Landesamt für Denkmalpflege, München; Fotograf: Joachim Gattenlöhner, Kitzingen


So bekommt man einen hohen Eigenverbrauchsanteil…



Bild: photon-pictures.com


Foto: Jörg Philipp



6. Fazit


• Der Klimawandel ist inzwischen spürbar und wird sich fortsetzen

• Durch Massenproduktion sind die Preise für Solaranlagen massiv gesunken

• Nutzung von Solarstrom ist eine preis- und flächeneffektive Maßnahme für den

Klimaschutz und eine intakte Umwelt

• Die Elektromobilität wird den weiteren Ausbau der Photovoltaik beschleunigen

• Macht die Dächer voll, woher soll der Strom denn sonst kommen?

Fazit

Photovoltaik verstehen?

www.lehrbuch-photovoltaik.de


www.lehrbuch-photovoltaik.deInfos zur Homepage: Über 200 Abbildungen zum freien Download


Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Vortragsfolien zum Download: www.fh-muenster.de/mertens

(ganz unten…)

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