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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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Die Solarzelle - Photovoltaik
Elektronen im Halbleiter (Silicium etc.)
Leitungsband (LB) und Valenzband (VB)
∆E = Bandlücke = E(LB)- E(VB)
E(Licht) ≥ Bandlücke -> Absorption
-> Energiegewinnung
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Sonneneinstrahlung und Photovoltaik
Sonneneinstrahlung auf der ErdeShokley-Queiser Effizienz-Limite
1200 600 300
Bandgap (nm)
Bandgap (eV)
150
cSi GaAs
cSi
GaAs4
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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]
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Der Mix der Solarzelltechnologien
Globaler Anteil an der jeweiligen Solarzelltechnologie
https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_of_photovoltaics11
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
PV – in der Schweiz in Europa
14
Installed Wp/capita
https://en.wikipedia.org/wiki/Growth_of_photovoltaics
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
PV-Anlagen – Kosten in der Schweiz
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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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Neue Technologien II – Waferherstellung und Bifacial
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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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Neuer Weltrekord – CSEM/NREL 35.9%
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Doppelstapelzelle auf einer Si-Zell
Silizium Zelle
Tandemzelle
Absorptionsspektrum
CSEM, Neuchâtel, CH; NREL, Denver, USA.
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Neue Technologien - Lichtaufspaltung
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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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Spezielle Anwendungen – bifaciale Module als Schallschutz
23TNC, Thomas Nordmann Consulting
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Agrophotovoltaik
27
Fraunhofer ISE, Freiburg Heggelbach, Bodensee-Oberschwaben
http://www.agrophotovoltaik.de/
Link: Fraunhofer ISE, Freiburg
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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/
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Potentiale der regenerativen Energietechnologien I
https://www.psi.ch/lea/HomeEN/Final-Report-BFE-Project.pdf 31
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Potentiale der regenerativen Energietechnologien III
Leveliced Cost of Electricity (LCOE) 2050
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)
Nuklearenergie*
33
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Potentiale der regenerativen Energietechnologien IV
Leveliced Cost of Electricity (LCOE) 2050
GWh/a (neu Zubau)
https://www.psi.ch/lea/HomeEN/Final-Report-BFE-Project.pdf
0
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)
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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)
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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/
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Power-Blox AG
40
• Eigene Stromerzeugung
• Einfach Einstecken
• Strom ohne Netz
• Skalierbar
• Mit Schwarmintelligenz
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
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
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Ende – und Anfang
42
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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ENERGIETECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIEINNOVATIONSBERATUNG
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Hightech Zentrum Aargau AG
Badenerstrasse 13
5200 Brugg
056 560 50 50
Dr. Peter Morf