beispiel-präsentation zürcher hochschule für angewandte

Franz Baumgartner, 2016-11-04; www.zhaw.ch/~bauf

Photovoltaik Industrialisierung hin zu weniger

Ressourceneinsatz – CO2 Fussabdruck - mehr Recycling Prof. Dr. Franz Baumgartner

ZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; www.zhaw.ch/~bauf

VERA, www.forumvera.ch , Schloss Böttstein, Schweiz 4. Nov 2016


Fossile Energien gibt zu denken!

Slide 2 .

GELD UMWELT ZUKUNFT

Bergbauriese Milliarden abschreiben

SPIEGEL ONLINE -15.01.2016 Zwanzig

Milliarden Dollar hat der weltgrößte

Bergbau-konzern BHP Billiton ins

US-Geschäft mit Schiefer-gas und -

öl gesteckt. Nun schreibt er rund ein

Drittel davon ab: Der Ölpreis-verfall

macht die Förderung durch das

umstrittene Fracking unrentabel.


Tundra in Alaska März 2014

• by JUSTIN GILLISJAN. 16, 2015

Slide 3

.

http://topics.nytimes.com/top/reference/timestopics/people/g/justin_gillis/index.html


2014 das wärmste Jahr seit 1880

Slide 4 .

• by JUSTIN GILLISJAN. 16, 2015

http://topics.nytimes.com/top/reference/timestopics/people/g/justin_gillis/index.html


Oberflächen Temperatur +1 °C / 66a Nordhalbkugel im Sommer

5 James Hansen and Makiko Sato; Environ. Res. Lett. 11 (2016) 034009

Figure 1. Frequency of occurrence of local temperature anomalies (relative to 1951–1980 mean) divided by local standard deviation (horizontal axis) for land areas

shown on map. Area under each curve is unity. Numbers above the maps are percent of the globe covered by the selected region. ‘Shift’ and ‘width’ refer to the

dashed curve fit to 2005–2015 data and are relative to the 1951–1980 base period.

°C


Halten die global vereinbarten Klimaziele?

6

Over the last two decades, the

Greenland and Antarctic ice sheets

have been losing mass,

glaciers have continued to shrink

almost worldwide, and Arctic sea ice

and Northern Hemisphere

spring snow cover have continued to

decrease in extent (high confidence)

www.iccp.ch

Sept. 2013

2° Ziel

0.8m Ziel

http://www.iccp.ch/


2011 Deutschland hat gehandelt nach Fukushima! -7GW KKW

Fr. 04.02.2011 So 20.03.2011

18 GW Nuklear

12 GW Nuklear

Abschaltung von 7 KKW Reaktoren am 16. März 2011

Nach dem Unfall in Japan am 11. März und vor den Landtagswahlen

in Baden Württemberg: Neckarwestheim-1, Philippsburg-1 (Baden-Württ.),

Biblis A und B (Hessen), Isar-1 (München) und Unterweser (Niedersachs).

www.transparency.exx.com


Das Volk hat zu entscheiden und zu zahlen

2011-03-12

8

4. Sept 2013

Schweizerischen

Bundesrates

13.074 Botschaft

Energiestrategie 2050

Ausstieg Kernkraft

Tagesanzeiger, 6.9.2012


2013 Szenario Schweiz 2050 – Bundesrat

.

9

10

Green Electricity Production in Switzerland 2050

GWh

Stand RE Zubau, Frank Rutschmann, Sektionschef Erneuerbare Energie BFE, 2012-08-17

PV 5%

CH Anteil

PV 2%

schon

erreicht


Erfolgreicher Zubau von Photovoltaik in der Schweiz – aktuell ca. 2% Erzeugungsanteil

Slide 10 .

Winterthur, Eulachhalle 384kW

Flumroc: PV Dach: 71kW, PV Fassade: 57 kW, ges. 138kW

Winterthur, Werkhof 78kW Neuendorf, Migros 5200 kW

Tenna, Solarskilift 62kW


Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion:

Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% PN

Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.9 (ab 13.8kVA)

Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.95

Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% PN

Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% PN

.

2014:Grenzen der PV Dichte? Aktueller Stand

Die verschwundene Hälfte; Photon, 2014, 4

Dettighofen Bayern

821 kWp 10482 MWp

1.55 kWp/Einw. 0.83 kWp/Einw.

Deutschland Schweiz

35700 MWp 756 MWp (2013)

0.44 kWp/Einw. 0.09 kWp/Einw.

46%

Vergleich Dettighofen, Baden-Württemberg, DE, CH

5.7%

12%

1.2%

F. Carigiet, M. Niedrist, F. Baumgartner et. al.

Stromnetze mit hohem PV Anteil, Vortrag, Tagung ETG, Electrosuisse, Zürich Nov 2014

https://home.zhaw.ch/~bauf/pv/talks/141106-Niederist-Carigiet-EKS-Dettighofen_ETG__Zurich_ppt.pdf






Was wurde bisher mit KEV erreicht auf dem Weg zu Produktion von 24TWh

KEV-Cockpit 4. Quartal 2015,Stand 4. Januar 2016

• 3.1TWh/a in Betrieb

davon

260Mio Fr für Biomasse

180Mio Fr für Wasserk.

150Mio Fr für PV KEV

103Mio Fr für PV Einmalv.

• 3.9TWh/a Finanzzusage

davon

330Mio Fr für Windk.

150Mio Fr für Wasserk.

80Mio Fr für PV

• 13TWh/a inkl. Warteliste

Slide 12 .

http://www.stiftung-kev.ch/berichte/kev-cockpit.html


Status Photovoltaik in des Schweiz 2015

• Photovoltaik

2% Erzeugung

• 1Mrd Fr Umsatz

• In der Schweiz

6400 Jobs

im Jahr 2015

http://www.swissolar.ch/fileadmin/user_upload/Solarenergie/Fakten-und-Zahlen/Branchen-Faktenblatt_PV_CH_d.pdf


Die Anfänge in den USA 1954

14

1958 @ 9% efff

D.M. Chapin, C.S. Fuller, and G.L. Pearson, “A New pn

Junction Photocell for Converting Solar Radiation

into Electrical Power,” J. Appl. Phys. 25, 676 (1954)

L.L.Kazmerski, 2014 Nov, Kyoto World PV Conf.


Wirkungsgrad Rekordzellen steigen

15


Beispiele marktdominanter PV Module aus industrieller Fertigung ∆ 25 Jahre

1989 2014

Standard

kristallines

Silizium

12.8% / 55W/ 25 Jahre

monokrist. Silizium, 4``

Siemens Solar, D

No.: SM55

1.30m x0.33m

15.9% / 260W / 25 Jahre

multikrist. Silizium 6``

Trina Solar, China

No: TSM-260, PC05A

1.65m x 0.99m

Standard

Dünnschicht

5.7% / 30W

Amorphes Silizium

Arco Solar, US

No.: G4000

1.28m x 0.41m

13.8% / 170W /25 Jahre

CIS CuInS2

Solar Frontier, Japan

No.:TSM-260, PC05A

1.26m x 0.98m

16

Diese Module sind am ZHAW SoE Dach des IEFE in Winterthur im Einsatz und

werden zu Unterrichtszwecken eingesetzt. (TSM-260 ersetzt durch LDK-260)

https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/iefe/news/news/news-single/neues-photovoltaik-outdoor-labor/













Weltweiter PV Preisenkung durch Industrie

Cumulated installed world market of solar cells

Gøran Bye, Bruno Ceccaroli

“Solar grade silicon;”

Journal of Solar Energy Materials

& Solar Cells , 2014

1$ /W

150mm

17

in 40 Jahren

von 50$/Wp

auf 0.5$/Wp

SEMI, ITRPV

[$/W] year

0.58 2014

0.33 2024


Start of the Industrialisation 100 years ago

Henry Ford: Production & Labor Innovations

Ford was dedicated to the production of an efficient and reliable automobile that

would be affordable for everyone; the result was the Model T, starting in

October 1908.

Practice techniques of mass production revolutionize industry

• use of large production plants

• standardized

• interchangeable parts

• and the moving assembly line

Mass production cut down on the time required to produce an automobile, which

allowed costs to stay low. (in 1918 US market share about 50%).

Slide 18 .

y = 26439 x -0.207

Learning Rate

LR=1-2-0.207 = 0.13

900

3600

10 100 1000 10000

$ (i

n 1

95

8$

)

thousand units cumulative shipments

Fords T-Model cost reduction

1909

1923

1918


Kostenentwicklung PV versus Nuklear

Photovoltaic Nuclear reactor

Breyer, EUPVSEC, Hamburg Sept 2011

2016 Hinkley Point C

Nuclear Plant

22 Mrd. $ für 3.2GW = 7$/W


1. Prozesschritt: Silizium höchster Reinheit Poly-silicon of purity 99.999% for solar application

Schmoll, Degussa, 2006, www.scribd.com

Siemens reactor at 1350 °C ; Tdestil=32°C

Typ. rods 2m and 0.3m diameter

30kWh/kg Si


2. Schritt: Kristallisation von Silizium 3. Schritt: Si in Scheiben (Wafer) sägen Schweizer Meyer Burger Weltmarktfüherer

Pauli, CEO, 2011

block cutting

waferning - wire saw


Silicon solar cell production processes steps

saw-damage removal pn-junction diffusion

P. Wyers; ECN; PV-Conf.; Granda Nov 03

anti-reflection coating

solar cell metallisation sintering screen printed metallisation


Die Si-Solarzellen (typ. 60 Stk) werden im PV-Modul elektrisch in Serie geschalten

www.solarworld.de

180um thick

crystalline solar cell


Die Solarzellen werden dünner

• 1990 typ. Waferdicke einer kristallinen Silizium Solarzelle 450um

Energierücklaufzeiten >10 Jahre !

Slide 24 .

www.itrpv.net status 2016


Slide 25 .

http://iea-pvps.org/index.php?id=95&eID=dam_frontend_push&docID=3254


Die Solarkraftwerke werden leichter to/MWel

Slide 26 .



Recycling der PV Module verbessern durch geringeren Anteil an Metallen

Slide 27 .

2016 June, Munich, IEA PVPS Task 12 http://iea-pvps.org/index.php?id=95&eID=dam_frontend_push&docID=3254


Reduktion der Menge an Silber, Al, Cu

Slide 28 .

2016 June, Munich http://iea-pvps.org/index.php?id=95&eID=dam_frontend_push&docID=3254


Recycling der PV Module

Slide 29 .

2016 June, Munich http://iea-pvps.org/index.php?id=95&eID=dam_frontend_push&docID=3254


Geldflüsse Schweiz beim Recycling E-Schrott

Slide 30 .


Recycling bei der Wafer Herstellung

Slide 31 .



CO2 Emission für Realisierung PV Kraftwerk

Slide 32 .

LCA of future photovoltaics electricity production IEA-PVPS T12-05:2015



Energierücklaufzeiten von PV Kraftwerken

Slide 33 .

LCA of future photovoltaics electricity production IEA-PVPS T12-05:2015



Asien ist heute der Werkplatz für PV Module

Slide 34 .


2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Sharp

0.4GW

Q-Cells

0.4GW

Q-Cells

0.6GW

First Sol

1.1GW

Suntech

1.6GW

Suntech

2GW

Yingli

2.3GW

Yingli

3.2GW

Trina

3.6 GW

Trina

5.5GW

Q-Cells

0.2GW

Sharp First Sol

0.5GW

Suntech

0.7GW

JA Solar First

Solar

First So

1.87GW

Trina

2.6GW

Yingli

3.3GW

Canadian

4.5GW

Kyocera Suntech Suntech Sharp First Sol

1.3GW

Yingli

1.6GW

Suntech

1.7GW?

Canadian

1.9GW

Jinko S

3.0GW

Jinko S

4.5GW

Suntech Kyocera Sharp Q-Cells Yingli

1.1GW

Trina

1.3GW

Trina

1.6GW

Sharp

1.9GW

Canadian

2.7GW

JA Solar

3.5GW

Sanyo First

Solar

JA Solar Yingli Trina

1GW

Sharp Canadian

1.54GW

Jinko S

1.9GW

JA Solar

2.4GW

Hanwah

Q-Cells

3.0GW

Weltmarktführer sind nicht stets stabil !!! Wachstumsrate +100% pro Jahr – problematisch


PV Plant 200kW – Cost Share Switzerland Q2 / 2013 about 1700 SFr/kW

Area related costs

F. Baumgartner, www.zhaw.ch/~bauf, 2013

http://www.zhaw.ch/~bauf


Preissenkung Solarstrom Schweiz

Slide 37 .

26

.4 R

p/k

Wh

@ 3

0k

W

PV large BRD €


Wirtschaftlichkeit nur mit Betriebsdauer 25 oder 30 Jahre bis 80% Pn !

38

https://www.electrosuisse.ch/de/verband/bulletin-sevvse.html

T. Baumann, F. Baumgartner, F. Cairgiet, M. Pezzoti, J. Haller, Bulletin SEV/VSE, Nov. 2015


PV Cost Development & Roadmap

Slide 39 .

0

50

100

150

200

250

300

350

2008SMA

2014ITRPV

2025ITRPV

Others

Ground

Mounting

Cabeling

Inverter

Module


Modulpreisentwicklung Systempreisentwicklung


Auktionen für PV- Grosskraftwerke weltweit

Slide 40 .

Report IEA-PVPS 2016 - ISBN 978-3-906042-45-9


Kostenanteile der Komponenten MW Park Si, Wafer, Zelle, Modul, System

28.01.2014 41

Process Step € cent/W

€ cent/W

2013 € cent/W

$c/W Spot M.

2016 Oct

Poly Silizium 9 14$/kg Si 9N

Wafer 11 wafer 20 14

other mat. cell 11

op + financ cell 2 cell 13 33 22

glass 8

other mat. Module 11

op + financ module 3 module 22 PV module 55 40

mounting mechanical 156" multi /4.5W

http://pvinsights.com

installation 15

inverter + electr 12

plant planing 10 BOS 52

Balance of

Systems 52

Grid connected PV 107 Plant System 107 Total 107

F. Baumgartner; Jan 2013 (Basis, EUPVSEC 2012 data and other)


Global Photovoltaic Market Growth

Report IEA-PVPS 2016 - ISBN 978-3-906042-45-9


PV Market trends +58GW in 2016 com to 242GW global

2016 May https://www.greentechmedia.com/research/report/global-pv-monitorin-2016-2020


ZENTRAL DEZENTRAL

Slide 44

.


2012-Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012

.

Commercial PV Battery + Power Electronics

Nominal Capacity C nom [kWh] 13.8

Price rel. per kWh nom 833€

Used Capacity C used [kWh] 6.9

lifetime full cycles @ DOD 50% 1350

lifetime stored capacity [kWh] 18630

cost of stored kWh 0.62€

financing costs factor (5% interst rate, 5a) 1.2

total storage costs per kWh 0.74€ http:/ /www.mare-solar.com/shop/eigenverbrauch-speichersysteme-solarworld-sun-pac-c-66_532_607.html

An example of a marketing document:

To increase self consumption

from 38% to 50% of consumption +22%

investment of typ. 11 500€

per 6.5kW PV STC is needed

(doubling investment costs)

total 2700 full cycles / 270 cycles @10a

Slide 45


Beispiel Aug 2014 - sonniger Tag 30kWh Li-Speicher, 15kWp PV

46

.


Tesla – Powerwall 10kWh / 3500$ only battery

Los Angeles, 2015-04-30

Slide 47 .

http://www.golem.de/news/powerwall-tesla-haengt-den-autoakku-an-die-hauswand-1505-113849.html

Auslieferung Sommer 2015

http://www.teslamotors.com/powerwall

Batteriepreis

350$/kWh @ 10kWh Powerwall / 2kW

130 x 86 x 18 cm; -20 bis 43 °C; 100kg

250$/kWh @ 100kWh Powerpack

Gigafactory Nevada Inv. ca. 5 Mrd $

(green US @ 900 Mio Powerbacks)

Elon Musk, 2015 March, Teslawall

VIDEO https://www.youtube.com/watch?v=yKORsrlN-2k&feature=player_detailpage

Vergleiche auch: UBS Investor Information Aug. 2014: Big Power Out PV + Battery in!!





















http://www.teslamotors.com/powerwall

https://www.youtube.com/watch?v=yKORsrlN-2k&feature=player_detailpage






Learning Curve Li-Ion Battery Packs Ref. F. Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich

Slide 48 .

100

200

400

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

$/k

Wh

GWh cum.

2007

2017

2015

300$/kWh

1.2Mio EV

[1] B. Nykvist, M. Nilsson; «Rapidly Falling costs of battery packs for electric vehicles»,

Stockholm Environment Institute & KTH Royal Institute of Technology, Stockholm; Nature Climate Change; 9th Feb 2015

EVs battery

market leaders

LR=0.06 [1] y = 357.31x-0.087

LR=1-2-0.087 = 0.06

LR = 0.10

LR = 0.15 EPRI US, 2015

W. Hofmann, 2015

2025; 1/4 cars EV

each 50kWh

30 Mio x 50kWh=

1500GWh/a

2020

5Mio EV

2025

50 000 German PV

home batteries 5kWh

0.25GWh

2030 100 Mio cum EV´s

Paris EV

declaration COP21


Inve

rte

r

ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur für PV Batterie Systeme Herbstsemester 2014 – Studiengang Energie u. Umwelt

• Strom- Spannungsgeneratoren

simulieren alle Wettersituationen

am Eingang des Wechselrichter

• Speicher (Batterie, Flow-Redox)

• Elektronische Lasten simulieren

.

Li

Flow

Redox

Studenten

Arbeitsplätze

Messung Wirkungsgrad Inverter

Pn versu Vdc, Soladin Mastervolt,

Laborübung PEPW FS 2015

Lantschner, Baumann

07.11.2016


Beispiel: Solares Einfamilienhaus mit Solarem-Haushaltsstrom, -Heizung und -Elektroauto

Eckdaten vom Eigentümer:

1985 Baujahr, Einfamilienhaus, Heizung

monovalente Erdwärmesonden,

s. -Studie auf der BFE-homepage

2008 Wärmepumpe mit Scroll-Kompressor

2012 Warmwasser über Wärmepumpe und

Erdwärmesonden

2014 PV-Solaranlage 16,4 kWp, s. att.

2015 vollelektr. E-Car (mit eigener "Tankstelle")

Verbrauch Heizung, WW, Haushalt 7000kWh Strom

Erzeugung PV Plan 17.000kWh jährlich

(seit 19.05. aktuell 11.500 kWh)

= 243%-PEB-EFH

Untersiggenthal/AG

www.staerk-erdwaerme.ch

Slide 50 .

Solar Wärme WW/H MuKEn 150m2

http://www.staerk-erdwaerme.ch/




Möglicher Schweizer EE Stromproduktion

51

0

2

4

6

8

10

12

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

20

23

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

2031

2032

2033

2034

2035

TW

h J

ah

resp

rod

ukti

on

Kleinwasser

Biomasse

PV [GW]

jährlicher PV –Zubau 500 MW

ca. 60 W_PV/a pro Kopf

Investment < 1Mrd CHF/a

1GW PV erzeugt ca. 1TWh

20% PV Ziel 2050

Energiestrategie

10% Stromverbrauch

PV für priv.

Warmwasser

mit WP

Batterien

E-Mobile ?

E-mobil PV

Tankstellen

50% derEV

7% PV / 2014 8% PV / 2014

2%


Blick in die Glaskugel - Kostenprognose

8.8 8.2

35

15

7

3.2 0.8

0

5

10

9

8

20

12

7.2

0

10

20

30

40

50

60

2013 CH H4Stromkosten

2014 CH H4Kanton ZH

2015 PV +Batterie

2025 PV +Batterie

2035 PV +Batterie off-grid

Rp

/kW

h H

4 H

au

sh

alt

sku

nd

e

Energie

Abgaben

Netz

Slide 52 .

PV Erzeugung

-5%/a CAGR

Abgaben Netz

oder

Winternotstrom

Batterie

-8%/a CAGR

F. Baumgartner, ZHAW, 2015-05-05, eigene Analyse

BRD 2015


Zusammenfassung: Wie Verantwortung übernehmen?

1) Verantwortlich HEIZEN

2) Verantwortlich DUSCHEN

3) Verantwortlich FAHREN

Wer kann sich das nicht leisten?

Es kostet nicht mehr wie heute SMART zu telefonieren!

kWh/d

elektr.

SFr/d

4

1.2

2

0.6

7

1.4

13

3.0

30kWh/m2*150m2/3/365=4

20kWh/100km*35km

2 Personen je 20 Liter WW

53


Danke für Ihre Aufmerksamkeit

• Seit 1988 in der Forschung u Entwicklung Photovoltaik

an Hochschulen in Deutschland und der Schweiz

Mandate / Beratungsgremien

• Bundesamt für Energie Direktorium, Bern

• Energiekommission Liechtenstein, Frauenfeld, Feldk.

• Forschungs- Förderung Fond, Wien

• Wiss. Beirat, Smart Grid Solar Bayern

• AEE Agentur für Erneuerbare Energie, Bern

• Erneuerbare Energie der ETG der Electro Suisse

• Scientific Committee European Photovoltaic Conf.

54

Meine Energie-Aktivitäten

Dokumentation siehe zum Downlaod https://home.zhaw.ch/~bauf/


Danke für die Aufmerksamkeit

Publikationen www.zhaw.ch/~bauf

F. Baumgartner

,

Solar Wings, 650kW Lonza Solarpark, Waldshut Solar Wings, 60kW, Tenna




beispiel-präsentation zürcher hochschule für angewandte

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