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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG

Aargau innovativ – Chance für ihr Unternehmen

Photovoltaik – was bisher geschah, was ist noch möglich?Energie-Apéro 27. November 2018, Buchs, Eniwa

Peter Morf, Leiter Energietechnologien und Ressourceneffizienz, Hightech Zentrum Aargau


Inhalt

Photovoltaik – PV

was bisher geschah, was ist noch möglich?

▪Einige Grundlagen zur Solartechnik

▪ Technische Potentiale, Diversifizierung und Limiten

▪Preisliche und wirtschaftliche Entwicklung

▪Welche Rolle spielt die Photovoltaik in Energiesystemen

▪Ausblick und einige Spekulationen

2


Die Solarzelle - Photovoltaik

Elektronen im Halbleiter (Silicium etc.)

Leitungsband (LB) und Valenzband (VB)

∆E = Bandlücke = E(LB)- E(VB)

E(Licht) ≥ Bandlücke -> Absorption

-> Energiegewinnung

3


Sonneneinstrahlung und Photovoltaik

Sonneneinstrahlung auf der ErdeShokley-Queiser Effizienz-Limite

1200 600 300

Bandgap (nm)

Bandgap (eV)

150

cSi GaAs

cSi

GaAs4


Globaler Primärenergiebedarf und regenerative Potentiale

Nach:Volker Quaschning, Eneuerbare Energie und Klimaschutz, Hanser 2008

Erdwärme

Wind

Sonne

Biomasse

Nutzbare

Wasserkraft

Kohle

Gezeiten

Erdöl

Erdgas

Uran

Weltweiter

Jährlicher

Primärenergiebedarf

Jährliches regeneratives

Energieangebot

Insgesamt vorhandene

konventionelle Energieträger

5


Photovoltaik - Globale Installationen; Leistung und Energie

ITRPV 2016, Solar Power Europe

2018

510 GW Leistung entsprechen einer jährlichen Energieerzeugung von 535 TWh ( 1‘050 Volllaststunden).

Dies entspricht der 67 fachen Jahresenergieerzeugung des KKW Gösgen (8.0 TWh).

Durchschnittliches jährliches Wachstum seit 1992: 40%! Verdoppelung der Installationen ~2.5 Jahre!

6

2018

Jährliches globales PV-Wachstum

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

0

10

20

30

40

50

60

70

80


Die globale Entwicklung der Photovoltaik (PV) – nach IEA

IEA World Energy Outlook

2004-2009 Reference

2010-2016 New Policies Scenarios2017

100

90

Jährlich installierte Leistung PVGW

pro Jahr

Kumulierte installierte Leistung PVGW

installed

2018

7


PV – Entwicklung der Modulkosten

2024

2014

Silizium

Knappheit

1985

1990

19972001 2006

1983

1976

1980

1977

19781979

19811982

2008

2009

Overcapacity

2011-2013

EEG

Tausenddächer-

programm

Modulv

erk

aufs

pre

ise [U

S D

2015/

Wp]

ITRPV 2016 - International Technology Roadmap for Photovoltaic 2016

10-1 100 101 102 103 104 105 106 107

100

10

1.0

0.1

0.2

0.5

Overcapacity

2016

2018!!

10

1.0

0.1

0.2

0.5

100

10-1 100 101 102 103 104 105 106 107

Kumulierte PV Modullieferung [MW]

8


PV – Entwicklung der Zelleffizienz

Silizium-Zellen

Dünnschicht

CdTe, CIGS

Farbstoffzellen

Perovskitzellen

Polymerzellen

Quantenpunkte

GaAs-Zellen

Multijunction

Solarzellen

9https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiencies-07-17-2018.pdf


PV – Entwicklung der Zell- und Moduleffizienz

PanasonicSunpower

23%

14% unteres Limit

25% Alta Devices

16% der in Deutschland 2014 installierten Module.

34% UNSW

36% Insolight

Moduleffizienzenim Markt

41% ISE 22. Nov. 2018

10https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiencies-07-17-2018.pdf


Der Mix der Solarzelltechnologien

Globaler Anteil an der jeweiligen Solarzelltechnologie

https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_of_photovoltaics11


Die Herstellung photovoltaischer Module

12

Verbesserungen auf der ganzen Wertschöpfungskette:

I. SiliziumherstellungII. Bessere DrahtsägenIII. Effizientere Wafer-Technologien

I. AR-CoatingII. Wenig Silber in den PastenIII. RückseitenpassivierIV. Bifacial

IV. Dünnere Ribbons und schnellere Lötprozesse

V. Höherer LaminierdurchsatzI. EVA HärterII. 2-Phasenprozess

VI. ProzesskontrolleI. EL-TesterII. IR-Camera

Economies of Scale, Automation und Prozessinnovationen

Herstellung Polysilizium Silizium für Zellen

Czochralski

Multikristallin

Sägen Wafer

TexturierungPassivierung

Dotierung

AntireflexMetallisierungSolarzelle

Glaswaschen «Stringen» Layup & Bussing Lamination Module


Die Erfindung der Einspeisevergütung in Burgdorf CH

Leistung, Energieertrag und Anzahl PV-Anlagen in Burgdorf

Anzahl der

Anla

gen

Insta

lliert

e L

eis

tung [kW

p]

Energ

ieert

rag [

MW

h]

13Photovoltaiklabor HTI Burgdorf aus H. Häberli, Photovoltaik, 2010


PV – in der Schweiz in Europa

14

Installed Wp/capita

https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_of_photovoltaics


Photovoltaik früh auch in der Schweiz

Monterosahütte in den 80er Jahren 400 Wp-Anlage

1993 Schweizer Solarpreis, Metron in Brugg, ADEV

H. Häberli, Photovoltaik, 2010 15


PV – 2015 Snapshot of Global Photovoltaic Markets - IEA PVPS

16

2018, > 3%

2015 Snapshot of Global Photovoltaic Markets - IEA PVPS

Neu: http://www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/statistics/IEA-PVPS_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2017.pdf


PV: Marktvolumen in der Schweiz

Stromproduktion der PV-Anlagen (GWh/a)

2.88% des CH Strommix

www.swissolar.ch

Verkäufe Photovoltaikmodule (kWp)

https://www.swissolar.ch/fileadmin/user_upload/Solarenergie/Fakten-und-Zahlen/Marktgrafik_PV_17_de.pdf17


PV-Anlagen – Kosten in der Schweiz

18

Schritt 1: Ermitteln Sie das Solarpotenzial Ihres Dachs und Ihrer FassadenSchritt 2: Holen Sie drei Offerten von Solarprofis einSchritt 3: Vergleichen Sie die Offerten mit Hilfe der EnergieSchweiz-ExpertenSchritt 4: Informieren Sie die BehördenSchritt 5: Nehmen Sie Fördergelder in AnspruchSchritt 6: Beginnen Sie mit den ArbeitenSchritt 7: Nach der Inbetriebnahme...

Anlagekosten laut Energie Schweiz: 5kWp, 13‘000 CHF

Steuerabzüge 15-20% 1950-2600 CHF

Förderbeiträge 20-30% 2600-3900 CHF

Bundesrat senkt Vergütungssätze für Photovoltaik-Anlagen und Kleinwasserkraft

KEV-Vergütungssätze:

Per 1. Oktober 2017 liegen sie für alle Anlagengrössen einheitlich bei 13,7 Rappen (angebaute und freistehende Anlagen) und bei 15,8 Rappen (integrierte Anlagen).

Die Einmalvergütung für Photovoltaik-Anlagen bis zu einer Leistung von 30 kW wird per 1. April 2017 und 1. April 2018 in zwei Schritten abgesenkt. Für angebaute

und freistehende Anlagen bleibt der Grundbeitrag unverändert, der Leistungsbeitrag wird in den zwei Schritten um insgesamt 100 Franken/kW abgesenkt. Für

integrierte Anlagen sinkt der Grundbeitrag um 200 Franken und der Leistungsbeitrag in zwei Schritten um insgesamt 150 Franken/kW.

(1690-1300) CHF/kWp

15-20 Rappen/KWh


Neue Technologien II – Waferherstellung und Bifacial

19

Bifaciale Zellen / Module; Erträge + (20-30)%

NexWafe GmbH

Imec and Crystal Solar

«Direktes Wafer giessen»

«Gasphasen Abscheidung»

«Gasphasen Abscheidung»

Neue Waferherstellung; keine Sägeabfälle EROI: 10-14


Neuer Weltrekord – CSEM/NREL 35.9%

20

Doppelstapelzelle auf einer Si-Zell

Silizium Zelle

Tandemzelle

Absorptionsspektrum

CSEM, Neuchâtel, CH; NREL, Denver, USA.


Neue Technologien - Lichtaufspaltung

21

UNSW, 34% Effizienz, Juni 2015

UNSW's Mark Keevers mit der Zelle.

Solar Spektrum

Si zelle (1.1 eV)

Band-reflect filter(1.18-1.38 eV, 900-1050nm)

Ge (0.67 eV)

GaInAs (1.41 eV)

GaInP (1.88 eV)

MonolitischerTetrajunctionZellen Aufbau


CPV – EPFL/Insolight 36.4% und Fraunhofer ISE 41.4%

22

https://insolight.ch

36.4%

41.4%

I. Verwendung neuer Materialien, Prozesse und Produktions equipment

II. Vierfachsolarzellen optimiert

III. Achromatischen Linsen

https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2018/konzentrator-photovoltaik-mit-hoechster-effizienz-41-komma-4-prozent-modulwirkungsgrad.html


Spezielle Anwendungen – bifaciale Module als Schallschutz

23TNC, Thomas Nordmann Consulting


Elektrifizierung & Effizienz: Plusenergie Gebäude

Zürich, Wollishofen.62 Wohnungen mit einem jährlichen Energieüberschuss um ca. 38 E-Fahrzeuge zu betreiben.

Effizienz:IsolationBaustoffe

Energie Bereitstellung:

Elektrische Energie:Photovoltaik & Netz(& Speicher)

Wärme:Wärmepumpen(& Speicher)

https://www.abz.ch/home/Ueber-uns/Aktuelles/Solar-Preis-für-die-ABZ.html24


Photovoltaik Fassade I

25

Zürich Leimbach

https://www.ti.bfh.ch/fileadmin/x_forschung/forschung.ti.bfh.ch/Energy_Mobility_Transportation/Photovoltaic/Medienberichte/176_haustech05_photovoltaik.pdf


Photovoltaik Fassade II

26

Basel Kohlesilo, 2015Romanshorn

https://www.solaragentur.ch/node/217https://irf.fhnw.ch/bitstream/handle/11654/23353/OP-II-1-

4_078_Steinke%20et%20al._Transformation%20Kohlesilo%20in%20Solarkraftwerk.pdf?sequence=1


Agrophotovoltaik

27

Fraunhofer ISE, Freiburg Heggelbach, Bodensee-Oberschwaben

http://www.agrophotovoltaik.de/

Link: Fraunhofer ISE, Freiburg

https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/2017/sonne-ernten-auf-zwei-etagen-agrophotovoltaik-steigert-landnutzungseffizienz-um-ueber-60-prozent.html


Elektrifizierung & Effizienz: Plusenergie Gebäude

28

Effizienz:

o Isolation

o Baustoffe

o Wärmepumpen

Energie Bereitstellung:

o Elektrische Energie:

o Photovoltaik & Netz

o (& Batteriespeicher)

o Wärmeenergie:

o Wärmepumpen

o Erdregister/Erdsonde/Eisspeicher

o (& Wärmespeicher)

Systemsteuerung/Intelligenz:

o Verbrauchssteuerung

o Einspeisen/Eigenverbrauch

o E-Mobile

https://www.solaragentur.ch/sites/default/files/g-16-09-21_peb_sanierung_anliker_affoltern_def.pdf


Energieautarkes Gebäude – PV auf Dach und Fassade

Energie (Strom) Erzeugung

Photovoltaik Dach/Fassade

Speicher

Stromspeicher: Wasserstoff

: Batterie

Thermisch: Wasserspeicher

Strombereitstellung

PV direkt

Batterie

Brennstoffzelle

Wärmebereitstellung

Warmwasserspeicher

Wärmepumpe

Wasserstoff/Brennstoffzelle

http://www.umweltarena.ch/uber-uns/energieautarkes-mfh-brutten/

https://www.solaragentur.ch/sites/default/files/g-16-09-21_energieautarkes_mfh_bruetten_def.pdf 29


Plus-Energie-Quartier «Hohlen» in Huttwil

30

ZEV

(Zusammenschluss zum

Eigenverbrauch)

Energiegesetz (EnG)

1. Januar 2018

Art. 17Zusammenschluss zum Eigenverbrauch

Link: ZEV

http://energiequartier-hohlen.ch/

https://www.admin.ch/opc/de/classified-compilation/20121295/index.html#a17




Potentiale der regenerativen Energietechnologien I

https://www.psi.ch/lea/HomeEN/Final-Report-BFE-Project.pdf 31


Potentiale der regenerativen Energietechnologien II

Leveliced Cost of Electricity (LCOE) 2015/16

https://www.psi.ch/lea/HomeEN/Final-Report-BFE-Project.pdf

0 25 50 75 100 125

Rp./kWh

Konzentrierende Solarthermie - import

Welle & Ebbe/Flut - import

Kohle CO2-Abscheidung - import

Kohle - import

Brennstoffzelle (Erdgas)

Geothermie (EGS)

Wind, offshore, EU - import

Wind, CH

Photovoltaik (PV), aufdach

Biomasse, Landwirtschaft

Biomasse, Forstwirtschaft

Biomasse, Abfallmanagement

Erdgas, CHP

Erdgas, CC mit CO2-Abscheidung

Erdgas, CC

Kleinwasserkraft (SHP)

Grosswasserkraft (LHP) – neu heute

Nuklearenergie* - hypothetisch neu

Nuklearenergie - existierend

Grosswasserkraft (LHP) – existierend

32


Potentiale der regenerativen Energietechnologien III

Leveliced Cost of Electricity (LCOE) 2050


0 25 50 75 100 125

Rp./kWh




Kohle - import


Geothermie (EGS)


Wind, CH





Erdgas, CHP


Erdgas, CC


Grosswasserkraft (LHP)

Nuklearenergie*

33


Potentiale der regenerativen Energietechnologien IV

Leveliced Cost of Electricity (LCOE) 2050

GWh/a (neu Zubau)


0




Kohle - import


Geothermie (EGS)


Wind, CH





Erdgas, CHP


Erdgas, CC


Grosswasserkraft (LHP)

Nuklearenergie*

5’000 10’000 15’000 20’000

BFE: 50 TWh (Dach)

HSLU: 50+10 TWh (Dach & Fassade)

34https://www.swissolar.ch/fileadmin/user_upload/Swissolar/Top_Themen/Solarpotenzial_Schweiz.pdf


Der Schweizer Solarmarkt/Speichermarkt – nach Swissolar

35

5.4 TWh

5.4 GW Installationen in 8J.

675 MW/J

Verdoppelung Installationen

10 TWh

10 GW Installationen in 9J.

1100 MW/J

Verdoppelung Installationen

10 TWh

10 GW Installationen in 15J.

670 MW/J

Halbierung Installationen

https://www.swissolar.ch/fileadmin/user_upload/Swissolar/Top_Themen/Roadmap_PV_Kurzversion_de.pdf


Globalstrahlung – Jahresmittelwerte - Solarstrompreise

Mexiko3.5 Rappen/kWh 20161.8 Rappen/kWh Q4 2017

Kalifornien4.0 Rappen/kWh

Chile3.0 Rappen/kWh

Saudi Arabien1.8 Rappen/kWh

Global: Photovoltaik erzeugt die tiefsten Strompreise

Deutschland7.4 Rp./kWh 20166.5 Rp./kWh Q2 20175.2 Rp./kWh Q1 20184.8-7.2 Rp./kWh Q1-Q3 2018

Strompreise für Freiflächenanlagen

Dubai2.8 Rappen/kWh

36


PV – Die Vorhersagen werden nach oben korrigiert

37

Tota

l in

stal

led

cap

acit

yin

GW

p

6‘000

5‘000

4‘000

3‘000

2‘000

1‘000

0

Szenarien von IEA1, IEA2, Greenpeace, SPE (2010) und SPE (2016)

4.7 TWp @ 2070ITRPV Szenario 1

23 TWp @ 2070ITRPV Szenario 2

Globale Elektrizitätserzeugung 2013

700 GWp(expected at 2020 from Juli 2016)

Total Global Nuclear Power 2015

300 GWp 2016395 GWp 2017* (Aug 2017)

500 GWp 2018* (Aug 2017)

770 GWp 2020* (Aug 2017)


Beispiel EROI und Mobilität

EROI PVCdT2018 = 1:12

EROI PVcSi = 1:6

EROI ErdölUSA2018 = 1:10

Transport & Speicherung

Verlust 20 %

1:10

1:5

EROI BenzinUSA2018 = 1:7

Benzinherstellung

Verlust 30%

90%1:9

1:4

Energie in

der Bewegung

20%

Energie in

der Bewegung

1:1.2 !

PV Strom

Erdöl/Benzin

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421516307066?via%3Dihubhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421513003856Aus unterschiedlichen Publikationen zusammengestellt (u.a.):

38

https://www.google.ch/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiXiJaF2OfeAhVLDewKHTkMAHQQjRx6BAgBEAU&url=https://www.bosch-mobility-solutions.de/de/produkte-und-services/pkw-und-leichte-nutzfahrzeuge/antriebssysteme/elektroantrieb/&psig=AOvVaw0NCFgYCyidNBZRhWSV84vN&ust=1542965354492994


Power-Blox AG

39

Intelligenter Energie-Speicher-Würfel für Anwendungen in Schwellen- und Entwicklungsländer.

Hightech Zentrum Aargau:

• Projektberatung

• Interdisziplinärer Kreativ-Workshop zur Gestaltung und Funktionalität.

• Forschungspartner:

+ Industriepartner

https://www.power-blox.com/


Power-Blox AG

40

• Eigene Stromerzeugung

• Einfach Einstecken

• Strom ohne Netz

• Skalierbar

• Mit Schwarmintelligenz


Fazit und Ausblick Photovoltaik

▪Grösstes Energiepotential der Photovoltaik auch in der Schweiz

▪Die Einschätzung des Potentials wird mit 11 - 60 TWh angegeben

▪Phtovoltaik und E-Mobilität passen sehr gut zusammen

▪CO2 Emissionen sind tief und vom Stromproduktionsmix Abhängig

▪Die Technologie der PV wird sich noch stark weiterentwickeln

▪Weitere Aufspaltung nach Anwendung (Dachform, Ziegel, Fassade, Lärmschutz etc.)

▪Solardächer und Fassaden werden zur Normalität

41


Ende – und Anfang

42

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Hightech Zentrum Aargau AG

Badenerstrasse 13

5200 Brugg

056 560 50 50

Dr. Peter Morf

[email protected]

mailto:[email protected]

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