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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
K. Mertens Folie 2Vortrag Solarenergie 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
K. Mertens Folie 3Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Zur Person
• Seit 1992 im Solarenergie-Förderverein Aachen (SFV):
Vorführung: Schweißen mit Solarenergie…
K. Mertens Folie 4Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Zur Person
Küchen-maschine
Radio Solar-module
Toaster
Bohrmaschine
Wo ist die versteckte Batterie?
ww
w.s
fv.d
e
Vorführung: Betrieb von Geräten mit Solarenergie (Halle, 1990)
K. Mertens Folie 5Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Zur Person
Einsatz für kostendeckende Vergütung…
K. Mertens Folie 6Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 7Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Zur Person
• 1996: Bau einer eigenen Photovoltaikanlage (2 kW)
K. Mertens Folie 8Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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:
K. Mertens Folie 9Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
1. Aktuelle Situation beim Klimaschutz
K. Mertens Folie 10Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Verlauf der CO2-Konzentration im Lauf der letzten 20.000 Jahre:w
ww
.lehr
buc
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ho
tovo
ltaik
.de
Temperaturanstieg
Häufiger Stürme und Überflutungen
Verschiebung von Klimazonen
K. Mertens Folie 11Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Que
lle:
Vol
ker
Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 12Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Que
lle:
Vol
ker
Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 13Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Que
lle:
Vol
ker
Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 14Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Der Klimawandel hat schon begonnen:
agrarheute, 28.08.2019
K. Mertens Folie 15Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Trockenheit lässt Buchen sterben, WAZ, 28.08.2019
K. Mertens Folie 16Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Was ist das?
1881 2018
Jahrestemperaturen seit 1881:
K. Mertens Folie 17Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Gliederung:
K. Mertens Folie 18Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Verursacher der deutschen CO2-Emissionen:
Start mit Kohlekraftwerken ist sinnvoll
Parallel müssen die anderen Sektoren umgebaut werden!
Quelle: Volker Quaschning
K. Mertens Folie 19Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Zukunft der Kohlendioxidemissionen in Deutschland:
Wo soll die Energie denn herkommen?
Aus Solarstrom? Ja, unter anderem…
Que
lle:
Vol
ker
Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 20Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
2. Die beliebtesten Vorurteile zur Photovoltaik
K. Mertens Folie 21Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Vorurteil 1:
„Zur Produktion einer Solarstromanlage braucht man mehr Energie,
als die Anlage jemals produzieren wird!“
K. Mertens Folie 22Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Energierücklaufzeit von Photovoltaikanlagen
z.B. Energierücklaufzeit = 2 Jahre: 5,12a2
a25
klaufzeitEnergierüc
rLebensdauerErntefakto
Die Anlage bringt innerhalb Ihrer Lebensdaer rund das 12,5-fache an Energie ein!
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Ene
rgie
rück
lauf
zeit
in J
ahre
n
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
ww
w.le
hrb
uch-
ph
oto
volta
ik.d
e
K. Mertens Folie 23Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Vorurteil 2:
„Photovoltaik hat einen zu geringen Wirkungsgrad“
Welche Fläche braucht man denn?
K. Mertens Folie 24Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
ww
w.le
hrb
uch-
ph
oto
volta
ik.d
e
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!
K. Mertens Folie 25Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Flächenbedarf:
Besser: Verteilung der Solaranlagen über die ganze Welt…
ww
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uch-
ph
oto
volta
ik.d
e
K. Mertens Folie 26Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 27Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 28Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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?
K. Mertens Folie 29Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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)
ww
w.le
hrb
uch-
ph
oto
volta
ik.d
e
K. Mertens Folie 30Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 31Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Vorurteil 4:
„Solarstrom ist viel zu teuer“
K. Mertens Folie 32Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Preisentwicklung:
• Modulpreise seit 1980 (inflationsbereinigt):
• Reduzierung von 27 Euro/Wp auf unter 27 Cent/Wp!
K. Mertens Folie 33Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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!
K. Mertens Folie 34Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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:
K. Mertens Folie 35Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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!
K. Mertens Folie 36Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Preisentwicklung:
• Übrigens: Aktuelle Photovoltaikausschreibung in Dubai:
Niedrigstes Gebot:
1,6 cent/kWh!!!
Foto: DEWA25-jähriger Stromabnahmevertrag
K. Mertens Folie 37Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Preisentwicklung:
• Einspeisevergütung und Strompreis
Eigenverbrauch lohnt sich!
K. Mertens Folie 38Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
3. Die eigene Photovoltaikanlage
K. Mertens Folie 39Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Prinzipieller Aufbau einer „klassischen“ Photovoltaikanlage:
SolarmodulSolarzelle
K. Mertens Folie 40Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 41Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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!
K. Mertens Folie 42Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Ertragsabhängigkeit von der Dachausrichtung
z.B. Westdach mit 30 Grad Neigung:
• 17 % Minderung• (entspricht Ertrag von rund 755 kWh/kWp
K. Mertens Folie 43Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Beispiel A: 5 kWp-Anlage ohne Eigenverbrauch
Solar-module
K. Mertens Folie 44Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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)
K. Mertens Folie 45Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Beispiel B: 5 kWp-Anlage mit Eigenverbrauch
Solar-module
K. Mertens Folie 46Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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 %
K. Mertens Folie 47Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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:
K. Mertens Folie 48Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Welche Art von Modulen?
multikristallin: monokristallin:
Wirkungsgrad: bis 18 % Wirkungsgrad: bis 22 %
Bilder: Solarwatt
K. Mertens Folie 49Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Heizstab
K. Mertens Folie 50Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Que
lle:
ww
w.v
olke
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g.d
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Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Wärmepumpe
K. Mertens Folie 51Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
4. Speicherung von Solarstrom
K. Mertens Folie 52Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
=
PV-GeneratorWechselrichter
öffentliches Netz
Hausverbraucher
Akkumulator(Blei oder Lithium-Ionen)
Prinzip
• Ein Teil des Stroms wird zwischengespeichert, um den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen
K. Mertens Folie 53Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Aktuelle Situation:
• Zusatzfeatures: z.B. Notstromfunktion, Anbindung an Elektroauto, etc.
Quelle: DGS
• Lithium-Ionen-Speicher haben sich praktisch durchgesetzt ggü. Bleispeichern
K. Mertens Folie 54Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Aktuelle Situation:
aktuell: ca 150.000 Speicher
K. Mertens Folie 55Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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
K. Mertens Folie 56Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
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!
K. Mertens Folie 57Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
www.pv-now-easy.de
Speicherauslegung mit pv-now-easy:
Fall A: ohne Speicher: Fall B: mit Speicher:
K. Mertens Folie 58Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Was ist hier falsch?
Foto: K. Mertens
K. Mertens Folie 59Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Nutzt die Dächer!
Quelle: Pixabay
www.pv-magazine.dewww.solaranlagen-portal.com
Pixabay
Pixabay
K. Mertens Folie 60Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Was ist hier falsch?
K. Mertens Folie 61Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Nutzt die hohe Flächeneffizienz der PV!
Solarpark Herten
Next2Sun
Belectric
Wikipedia
Sungrow
Christina Grätz, nagolare
K. Mertens Folie 62Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…
Beispiel Saerbeck:
http://details.solare-stadt.de/kreis_steinfurt/
K. Mertens Folie 63Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…
Quelle: google maps
Beispiel Saerbeck:
K. Mertens Folie 64Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
4. Photovoltaik und Elektroautos?
K. Mertens Folie 65Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…
K. Mertens Folie 66Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…
ww
w.p
ram
l.de
z.B. 5 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr!
besser: 10 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr + 4500 kWh für Haushalt…
K. Mertens Folie 67Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Wie man es nicht machen sollte:
Foto: Frank Neuhaus
K. Mertens Folie 68Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Gewöhnungsbedürftig…
Foto: © Bildarchiv Bayerisches Landesamt für Denkmalpflege, München; Fotograf: Joachim Gattenlöhner, Kitzingen
K. Mertens Folie 69Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
So bekommt man einen hohen Eigenverbrauchsanteil…
K. Mertens Folie 70Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Wie man es nicht machen sollte:
Bild: photon-pictures.com
K. Mertens Folie 71Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Foto: Jörg Philipp
Wie man es nicht machen sollte:
K. Mertens Folie 72Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
6. Fazit
K. Mertens Folie 73Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
• 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
K. Mertens Folie 74Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
www.lehrbuch-photovoltaik.deInfos zur Homepage: Über 200 Abbildungen zum freien Download
K. Mertens Folie 75Vortrag Solarenergie und Klimaschutz
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Vortragsfolien zum Download: www.fh-muenster.de/mertens
(ganz unten…)
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