Nutzung der Sonnenenergie – Technologien und Trends
Dr. Thomas Schlegl Fraunhofer-Institut fĂźr Solare Energiesysteme ISE Freiburg Fraunhofer-Verbund Energie
Joseph von Fraunhofer (1787 − 1826)
Fraunhofer-Gesellschaft
Entdeckung der »Fraunhofer-Linien« im Sonnenspektrum
Forscher
Forschung und Entwicklung im Auftrag von Industrie + Staat
Neue Bearbeitungsverfahren für Linsen
Erfinder
MP3, weiße LED, hochauflösende Thermokamera
Leiter und Teilhaber einer Glashütte
Unternehmer
Forschungsvolumen: ~ 1,2 Milliarde € pro Jahr 21. Mai 2007
Die Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. 56 Institute an 40 Standorten 1 250 Mio Euro Umsatz 12 400 Mitarbeiter
Joseph von Fraunhofer (1787–1826)
21. Mai 2007
Fraunhofer-Verbund Energie Portal zum Forschungs- und Dienstleistungsangebot f체r Energietechnologie und Energiewirtschaft. Schwerpunkte: Erneuerbare Energien Effizienztechnologien Geb채ude und Komponenten Intelligente Energienetze Speicher- und Mikroenergietechnik
www.energie.fraunhofer.de 21. Mai 2007
Fraunhofer-Institut f체r Solare Energiesysteme ISE Geb채ude und Technische Geb채udeausr체stung Optische Komponenten und Systeme Solarzellen Netzferne Stromversorgungen Regenerative Stromerzeugung im Netzverbund Wasserstofftechnologie
21. Mai 2007
Nachhaltiges Potential erneuerbarer Energiequellen, Beispiele: moderne Biomasse
100 EJ/a
Wind *
140 EJ/a
Wasser
15 EJ/a
Sonne
quasi unbegrenzt
Heutiger globaler Verbrauch
500 EJ/a
* HÜheres Potenzial bei Einsatz von Off-Shore Anlagen in Gebieten tieferen Wassers Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003, www.wbgu.de 21. Mai 2007
Einige Zahlen zur Solarenergie Die eingestrahlte Sonnenenergie einer Stunde entspricht dem jﾃ､hrlichen globalen Weltverbrauch Die Energiemenge aller erreichbaren ﾃ僕reserven wird innerhalb von 1,5 Tage von der Sonne eingestrahlt Die Sonneneinstrahlung auf der Erde entspricht 120.000 TW, im Jahre 2020 wird die Menschheit insgesamt ca. 20 TW verbrauchen!
Quelle: G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, Mﾃ､rz 2007 21. Mai 2007
Exemplarischer Pfad, globaler Primﾃ､renergieverbrauch EJ/a Geothermie Andere Erneuerbare Solarthermie (nur Wﾃ､rme) Solarstrom (PV und solarthermische Kraftwerke) Wind Biomasse (modern) Biomasse (traditionell) Wasserkraft Kernenergie Gas Kohle ﾃ僕
TW 50
1400 40 1000
30 20
600
10 200 2000
2020
Jahr
2040
2100
0
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltverﾃ､nderungen, 2003, www.wbgu.de 21. Mai 2007
Flächenbedarf für solare Elektrizität Flächenbedarf um künftigen Weltbedarf von 20 TW zu decken: 6 Gebiete je 3,3 TW 15% Effizienz: je 340 x 340 km2
21. Mai 2007
Energiekonversion auf der Basis von Sonnenenergie, Beispiele Stromerzeugung Photovoltaik (Solarzellen) Solarthermische Kraftwerke Wärme- und Kälteerzeugung Thermische Solarkollektoren Solare Kühlung Solares und energieeffizientes Bauen Treibstoffe und Äquivalentes Bio-Treibstoffe Wasserstoff Elektrische Energie für mobile Speicher Bild: www.mpi-hd.mpg.de 21. Mai 2007
Solarelektrische Energiekonversion, Hauptkonversionspfade solare Strahlung
solare Strahlung
optische Konzentration
(optische Konzentration)
hohe Temperatur W채rmeenergie Thermodynamische Maschine
Solarzelle
Elektrizit채t
Elektrizit채t 21. Mai 2007
Photovoltaische Energiekonversion, Beispiel: Si Wafertechnologie
Quelle: Fraunhofer ISE; Bundesverband Solarindustrie, www.bsi-solar.de 21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
21. Mai 2007
Photovoltaik
21. Mai 2007
Energie der Photonen im sichtbaren Spektralbereich
4 eV
1.5 eV
2 eV
9.7 ·1014 Hz 310 nm
3.6 ·1014 Hz 830 nm
4.8 ·1014 Hz 620 nm
E=h·ν
ν=c/λ 21. Mai 2007
Innerer Photoeffekt in Halbleitern E
-
Leitungsband
h ·νrot
h ·νgrün +
Valenzband
+
21. Mai 2007
Funktionsprinzip einer Siliciumsolarzelle
negativer Kontakt
− hoch n-leitendes Silicium − − +
− + +
+
−
−
+
Silicium
−
−
+
+ hoch p-leitendes Silicium + positiver Kontakt 21. Mai 2007
Evolution photovoltaischer Technologien, Beispiele f端r Materialsysteme Si-ribbon mono-Si
multi-Si
a-Si
CdTe
CIS
CVD-Si
III/V
Farbstoff-, organische SZ
CuS/CdS
mono-Si 1954
21. Mai 2007
Transparente D端nnschichtmodule auf a-Si Basis
Quelle: Schott Solar 21. Mai 2007
Organische Solarzellen
21. Mai 2007
Entwicklung des globalen PV-Marktes 1.5 GWp Mono-Si
Multi-Si
- 2005
Thin Film Ribbon-Si - 2000
1990: 1/3 thin-film, c-Si, mc-Si 2006: >90% c-Si, mc-Si
- 1995
- 1990
- 1985
Graph: G. Willeke, 2006
- 1980 21. Mai 2007
Status photovoltaischer Energiekonversion, global 2006, grobe Zahlen Weltweit installiert
7 300 MWp
Installiert 2006
1 900 MWp
Umsatz 2006
9 Mrd. €
Arbeitsplätze 2006
60 000
Jährliches Wachstum
30%
Marktkapitalisierung PV
30 Mrd. € (Feb. 2007)
21. Mai 2007
Jährliche Installation von PV Modulen aus kristallinem Silicium Actual Shipments
Projection (2003)
MWp/a 4,800 4,400 4,000
2006: ca. 1.9 GWp weit besser als optimistischste Wachstumsprognose!
3,600 3,200 2,800 2,400 2,000 1,600 1,200
2003: 600 MWp
25% Growth
15% Growth
800 400 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Source: 2000-2003 Strategies Unlimited, EPIA “solar generation” 2006 21. Mai 2007
Globaler PV Markt, Arbeitsplatzentwicklung
3.000.000 Arbeitsplätze
2.000.000
1.000.000
2006 2008
2010
2012 2014
2016
2018 2020
2022 2024
Quelle: EPIA “solar generation” 2006 21. Mai 2007
Silicium-Solarzellen-Flachmodule, Preis-Erfahrungskurve 10 Euro/Wp
5
2010
2
1 Euro = 1,2 USD 1 1 Source: PSE GmbH, 2007
10
100 1.000 10.000 Kumulierte Leistung MWp
100.000 21. Mai 2007
Kostenreduktion in der Photovoltaik Hรถhere Wirkungsgrade Weniger Materialverbrauch Preiswertere Materialien Optimierte Produktionstechnologien Neue Konzepte der photovoltaischen Energiekonversion Massenproduktion
21. Mai 2007
Photovoltaische Energiekonversion
PCU
control
20 kV
prognosis 400 V
PV + load
load
fuel cell
business
CHP
battery 21. Mai 2007
Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus multikristallinem Silicium Waferdicke = 99 µm Wirkungsgrad = 20,3% 1 cm2
Plasma-texturierte Oberfläche
Laser-fired contacts (LFC) Thermisches Oxid
21. Mai 2007
Höchsteffiziente dünne Laborzelle aus monokristallinem Silicium
Waferdicke = ´42 µm Wirkungsgrad = 20,2% 1 cm2 21. Mai 2007
Photovoltaic Technologie Evaluation Center (PV-TEC), Fraunhofer ISE
21. Mai 2007
Architektonische Integration von Photovoltaik
21. Mai 2007
Die wichtigsten Faktoren Standort der Anlage (Einstrahlung und Temperatur)
Ausrichtung und Neigungswinkel Solargenerato keine Verschattung des Solargenerators Module bringen versprochene Leistung Wechselrichter Jahreswirkungsgrad mind. 93 % K端hler Standort f端r Wechselrichter Wechselrichterauslegung nicht zu knapp Betriebs端berwachung
21. Mai 2007
Ursachen für geringe Erträge Planung und Ausführung
Ertragseinbuße
Ausrichtung und Neigung
10 - 40%
Verschattung ganzjährig
3 - 10%
Verschattung Winter
1-3%
Dimensionierung WR
1-3%
Standort WR
1-3%
Qualität Komponenten 8 - 60%
Modulleistung
4 - 8%
Wirkungsgrad WR Laufender Betrieb
5 - 70%
Ausfall WR
1 - 3%
Verschmutzung Module 0%
20%
40%
60%
80%
100%
21. Mai 2007
Verschattung und zu geringe Modulleistung Strom [A] 8 6 4 2 0 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Spannung [V]
Teilgenerator 1
Teilgenerator 2
Sollkennlinie
21. Mai 2007
Der Weg zu hohen Ertr채gen
www.energieagentur-freiburg.de Rubrik: Service 21. Mai 2007
Innerer Photoeffekt in Halbleitern E
-
Leitungsband
h ·νrot
h ·νgrün +
Valenzband
+
21. Mai 2007
Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellen mit einem pn-Übergang
J. Zhao, A. Wang, M.A. Green (1999) Bester Laborwert 24,7%
2
Leistungsdichte [W/m µm]
W. Shockley, H.-J. Queisser (1961) Theoretische Grenze 33%
1600 1400 1200
Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen
1000
Genutzte Energie
800 Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren
600 400 200 0
500
1000 1500 2000 Wellenlänge [nm]
2500
21. Mai 2007
Gestapelte Solarzellen
2
Leistungsdichte [W/m µm]
1600 1400 AM15 GaInP GaInAs Ge
1200 1000 800 600 400 200 0 500
1000
1500
2000
2500
Wellenlänge [nm] 21. Mai 2007
Gestapelte PV Zellen f端r optische Konzentration, Beispiel front contact ARC n -AlInP - window layer n-GaInP - emitter GaInP - undoped layer
cap layer
+
Ga0.65In0.35P
p-GaInP - base
1.8 eV
p -GaInP - barrier layer +
tunnel diode Ga0.83In0.17As
p +-AlGaInP - barrier layer p ++-AlGaAs n ++-GaAs or GaInP n +-AlGaInP/AlInAs - barrier layer n-GaInAs - emitter GaInAs - undoped layer p-GaInAs - base 1.3
eV
p -GaInAs - barrier layer p+-AlGaInAs - barrier layer p++-AlGaAs n ++-GaInAs +
tunnel diode
n-graded Ga1-xInxAs buffer layer
Ge
n- doped window- and nucleation layer n-Ge diffused emitter p-Ge substrate (100)
0.7 eV rear contact
21. Mai 2007
Vom Wafer zum PV Kraftwerk mit hoher optischer Konzentration
4-Zoll Wafer mit PVZellen höchsten Wirkungsgrades
Zelle und Kühlkörper
Tracker
PV Kraftwerk
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
21. Mai 2007
Solarelektrische Energiekonversion, Hauptkonversionspfade solare Strahlung
solare Strahlung
optische Konzentration
(optische Konzentration)
hohe Temperatur W채rmeenergie Thermodynamische Maschine
Solarzelle
Elektrizit채t
Elektrizit채t 21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke, Prinzipskizze, direkte Solarstrahlung
Solarfeld
thermischer Speicher
Turbine
~
Generator
Kondensator Zirkulationspumpe
Abw채rme 21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
Absorber-Rohr f端r Solarthermische Kraftwerke
Sputteranlage
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke in Spanien
21. Mai 2007
Solares Heizen und K端hlen
21. Mai 2007
Solares und energieeffizientes Bauen, Technologien gute thermische D채mmung solar optimierte Fenster solar thermische Kollektoren W채rmespeicher (auch bauteilintegriert) Solare K체hlung angepasste Haustechnik Photovoltaik (Solarzellen)
21. Mai 2007
Heizen, Lüften und Kühlen - Wohngebäude Solarkollektoren Lüftung Wärmerückgewinnung Wärmepumpen
21. Mai 2007
Solarthermische Systeme Installation von ~ 1 GWth pro Jahr in Deutschland
Biomimetische Optimierung der Energieeffizienz der Absorber f端r Sonnenkolektoren
21. Mai 2007
Marktentwicklung Solarthermie Marktwachstum 2005: 26 % Erwartetes j채hrliches Wachstum 2007-2010: rd. 25-30 % bis 2020: rd. 20-25 % Dynamische M채rkte in Europa: D, A, F, ES, I
Quelle: Nachhaltigkeitsstudie der Sarasin-Bank, Dezember 2006 21. Mai 2007
Solarthermisches K端hlen, Prinzipskizze
chilled water
heat
Thermal driven cooling process conditioned air
21. Mai 2007
Ventilation and Air-Conditioning Technology IHK S端dlicher Oberrhein, Freiburg First autonomous solar air-conditioning system in Germany
21. Mai 2007
Wirtschaftsfaktor Erneuerbare Energien
Die Erneuerbaren Energien in den Bereichen Wind, Wasser, Biomasse, Geothermie, Solarw채rme, Solarstrom bieten bereits 체ber 170.000 Arbeitspl채tze in Deutschland. Damit arbeiten hier inzwischen mehr Menschen als in Kernenergie, Stein- und Braunkohle zusammen.
21. Mai 2007
Vielen Dank f端r Ihr Interesse!
21. Mai 2007