Modul Solarthermie & Photovoltaik Wege zur Netzparität Umweltbelastung Recycling Integration ins Stromnetz Speicherlösungen

24.9.2012 Richard Frei Senior Analyst ZKB

Zürcher Fachhochschule

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•  Auf dem Weg zur Netzparität •  LCOE •  Einsparungspotenzial über die Wertschöpfungskette

•  Ökologische Aspekte •  Ökobilanz Übersicht •  CO2-Reduktionspotenzial •  Strom-Rückgewinnungszeit

•  Recycling •  PV-Cycle •  weitere Initiativen

•  Netzintegration •  Einspeiseschwankungen •  Smart Grid •  Speicher

•  Übersicht möglicher Spiecherlösungen

•  Zusammenfassung & Fazit Zürcher Fachhochschule

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Lernziele •  Sie verstehen die verschiedenen Aspekte der Netzparität. •  Sie können mit dem Ansatz der LCOE argumentieren. •  Sie sind in der Lage ökologische Betrachtungsweisen (Ökobilanz, Footprint, EPBT) in Bezug auf den PV-Lebenszyklus im Überblick zu diskutieren. •  Sie kennen den PV-Recycling-Prozess und können das Ausmass der (zukünftigen) Recycling-Aktivitäten abschätzen. •  Sie wissen Bescheid über die verschiedenen zu lösenden Fragen bei der Netzintegration von PV. •  Sie verstehen die grundlegenden benötigten Änderungen in der Stromnetzarchitektur. •  Sie können die verschiedenen Speichermöglichkeiten nach unterschiedlichen Kriterien einordnen und beurteilen.

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Auf dem Weg zur Netzparität

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Netzparität - Levelized Cost of Energy/Electricity

Mittels der LCOE-Betrachtung können Energiekosten verschiedener Energiequellen vergleichbar gemacht werden. Zürcher Fachhochschule

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Netzparität - Levelized Cost of Energy/Electricity

Aufgeschlüsselt für PV-Systeme

Die Betrachtung ist ganzheitlich, so werden beispielsweise nicht nur die Investitionskosten, sondern auch die Finanzierung oder die Abschreibungen miteinbezogen. 6

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Netzparität - LCOE: Investitionskosten

Die Investitionskosten setzten sich aus den direkten Projektkosten plus den Finanzierungskosten zusammen. Die wichtigsten Treiber der Kapitalkosten sind: •  umgebungsbezogene Kosten, welche mit der zunehmenden Grösse des Systems wachsen. •  Kosten zur Anbindung ans Stromnetz, die mit zunehmendem Peak Power wachsen (Wechselrichter, Transformatoren, Switchgear usw.). •  projektabhängige Kosten, welche Overhead-, Sales- und Marketingkosten, aber auch die Kosten für das Design der Anlage umfassen.

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Netzparität - LCOE: Abschreibungen, laufende Kosten, Restwert

Die gesetzlich vorgeschriebene Abschreibungsdauer beeinflusst die LCOE massgeblich. Denn je schneller eine Anlage abgeschrieben werden kann, desto schneller tritt der Amortisationseffekt auf.

Die jährlichen Betriebskosten umfassen Aufwendungen wie Wartung der Wechselrichter, Reinigung der Module, Versicherungen, Pachtaufwendungen, Reparaturarbeiten, Verwaltungsund Unterhaltskosten (Personal) etc.

Abhängig von der geplanten Finanzierungsdauer der Anlage kann der Restwert beträchtlich sein. 8 Zürcher Fachhochschule

Netzparität - LCOE: Energieproduktion

Die Berechnung des jährlichen Outputs einer Anlage ist abhängig von: •  der Sonneneinstrahlung •  der Anlageausrichtung (flat, fixed tilt, tracking etc.) •  dem Abstand der Module (ground coverage ratio) •  dem Wirkungsgrad •  Systemverlusten (Kabel, Wechselrichter etc.) •  Systemverfügbarkeit (Defekte Module, Wechselrichter etc.) Dazu wird die Abnahme des Outputs durch die Degradierung miteinbezogen. Auch nicht vergessen werden darf die Finanzierung der Anlage, welche den Restwert stark beeinflussen kann. 9

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Netzparität - LCOE: Sensitivitäten

Quelle: Sunpower

Die Wahl der Inputparameter wie Systemlebenszeit kann die LCOE massgeblich beeinflussen. Zürcher Fachhochschule

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Netzparität - LCOE: Sensitivitäten Beispiel

Quelle: ISE

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guten Windstandorten erreicht. Die Stromgestehungskos-

entwicklung eine wichtige Rolle.

ten von Onshore-WEA liegen heute zwischen 0,06 und

Netzparität - LCOE: Sensitivitäten 0,08 Euro/kWh und damit im Bereich der konventionellen Kraftwerke (Steinkohle, Braunkohle, Kernkraft). Anlagebeschaffenheit, Umweltbedingungen

Quelle: ISE

Je nach Umweltbedingungen und Anlagenbeschaffenheit fallen Der Wert unter der Technologie bezieht sich auf die solare Einstrahlung deutlich in kWh/m²/Jahr (optimaler Neigungswindie Stromerzeugungspreise tiefer aus. Abbildung 1: Stromgestehungskosten für PV, CSP und Wind an Standorten in Deutschland und Spanien.

kel für PV berücksichtigt, DNI für CSP), bei Windkraft auf die Volllaststundenanzahl pro Jahr.

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Netzparität - LCOE: Sensitivitäten PV, Einstrahlung

Quelle: EPIA

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Unter idealen Umweltbedingungen ist PV zumindest zu Peakzeiten in einigen Märkten schon (fast) kompetitiv.

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Netzparität - LCOE: sinkende Systempreise

Quellen: IEA, EuPD, ASIF, EPIA

Die PV-Systempreise in Europa könnten bis 2020 zwischen 36% und 51% sinken. Nebst einer effizienteren Produktion stehen v.a. die BoS-Kosten im Zentrum der Kostenreduktion. Zürcher Fachhochschule

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88%

hingegen wird mit den beschriebenen Lernkurven weiterhin

endete

die niedrigsten Stromgestehungskosten mit 0,069 Euro/kWh

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Netzparität - LCOE: Vergleich der im Jahr 2030 möglich sein. Stromgestehungspreise

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Quelle: ISE Abbildung 16: Prognose für die Entwicklung der Stromgestehungs-

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Ökologische Aspekte PV: vereinfachte Wertschöpfungskette zur Erstellung einer Umweltbilanz

Quelle: ISE 17

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Ökologische Aspekte PV: Umweltbilanz Übersicht

Quelle: ESU-Services

Je nach Kriterium schneiden die verschiedenen Wertschöpfungsprozesse unterschiedlich ab. Zürcher Fachhochschule

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Ökologische Aspekte PV: Treibhausgasemmisionen

Quelle: V. Fthenakis u.a., First Solar

Die kristallinen Technologien schneiden v.a. wegen dem höheren Energieaufwand schlechter ab. Zürcher Fachhochschule

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Ökologische Aspekte PV: Treibhausgasemmisionen 2

Quelle: EPIA

Die Hälfte bis Dreiviertel der Treibhausgasemissionen eines kristallinen PV-Systems stammen aus dem Modul .

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Ökologische Aspekte PV: Treibhausgasemmisionen 3

Quelle: ESU-Services

In der Gesamtbetrachtung über die Lebensdauer lässt sich mit PV-Energie Treibhausgas einsparen!

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Ökologische Aspekte PV: Treibhausgasemmisionen 4

Quelle: EPIA

Im Vergleich zu herkömmlichen, fossilen Energiequellen emittiert PV eine Bruchteil von CO2. Zürcher Fachhochschule

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Ökologische Aspekte PV: Energierücklaufzeit

Quelle: ESU-Services

Die neusten kristallinen Solarmodule weisen an idealen Standorten Energierücklaufzeiten von einem Jahr oder weniger auf.

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Ökologische Aspekte PV: Energierücklaufzeit

Quelle: Karlsruher Institut für Technologie

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Siliziumproduktion und Wafering machen mindestens die Hälfte der Energierückgewinnungszeit aus.

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Umweltverträglichkeit von PV

Phasen des Produktlebenszyklussees: •  Produktdesign •  Materialbeschaffung •  Produktion •  Produktgebrauch •  Lebensende des Produkts (end of life)

Um PV umweltverträglicher zu machen ist nicht nur das Recycling von ausgedienten Modulen von Wichtigkeit. 26

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Umweltverträglichkeit in der Produktion

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Stoffanteile in verschiedenen PV-Modulen

Quelle: BINE

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Umweltverträglichkeit von PV - exponentiell steigende Abfallmenge ausrangierter Module

Quelle: PV-Cycle EPIA 2007

Entsprechend des starken Wachstums steigen die Abfallmengen ab 2020 stark an.

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PV-Cycle Kreislauf

•  196 Vollmitglieder •  26 Associates •  23 Kandidaten •  > 85% des EU-PVMarktes abgedeckt •  166 Sammelstandorte in der EU Quelle: PV-Cycle

Von der PV-Industrie 2007 gegründete Nonprofit-Organisation mit dem Ziel Zürcher Fachhochschule

das Recycling von Altmodulen zu fördern.

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PV-Cycle Netzwerk

Quelle: PV-Cycle

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PV-Cycle - erste Ergebnisse

t

Wiedergewinnung

Quelle: PV-Cycle

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Weitere Initiativen

Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical Equipment

Erste Hersteller wie Sharp erfüllen die RoHS-Anforderungen freiwillig. 33

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Stromversorgung in Deutschland nach der AKW-Teilanschaltung

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Quelle: Bundesnetzagentur 2011

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Integration von PV ins Stromnetz - Einführung MW

Kapazitätszubau in Europa

Quelle: EWEA

Erneuerbare Energien wachsen kontinuierlich. Abgesehen von Gas (v.a. 2010) stammt der Zuwachs von Kapazität v.a. von erneuerbaren Energiequellen. 2009 Anteil erneuerbare von 63% an der neuen Kapazität, im 2010 von 41%. Zürcher Fachhochschule

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Integration von PV ins Stromnetz - Load

Probleme: •  unregelmässiger Load •  nicht exakt planbarer Load •  Nachfrage nicht deckungsgleich wie Angebot •  sehr abhängig von meteorologischen und geografischen Gegebenheiten

Quelle: SMA

Erneuerbare Energien sind in Bezug auf die heute bestehende Strominfrastruktur schlecht skalierbar. Zürcher Fachhochschule

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Stromproduktion: Woche 36, 03. bis 09. September 2012

Integration von PV ins Stromnetz – Load II

Tatsächliche Produktion

Anzeigewoche: KW 36; 2012

MW 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000

-5.000 -10.000

Legende:

Mo 03.09.

Export

Di 04.09.

Import

Mi 05.09.

Konventionell > 100 MW

Do 06.09.

Fr 07.09.

Wind

Sa 08.09.

So 09.09.

Solar

Quellen: EEX, ISE

Aber: Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE; Daten: Leipziger Strombörse EEX © Fraunhofer ISE

•  Zu Peak-Zeiten können erneuerbare Energien einen grossen Beitrag leisten. •  Zu Peak-Zeiten sind erneuerbare Energien flexibler einsetzbar als andere konventionelle Energiequellen. 38

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Quelle: Sunrise

Stromproduktion: Freitag, 25.05.2012 25.5.2012 – Rekordtag derden Solarleistung Tag mit der höchsten Solarleistung Tatsächliche Produktion

Geplante Produktion Anzeigetag: 25.05.2012

MW 60.000

60.000

50.000

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40.000

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Legende:

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Konventionell

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Solar

Anzeigetag: 25.05.2012

MW

h

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Quellen: EEX, ISE

Solar: max. 22,4 GW um 12:45 (+2:00); 189 GWh Wind: max. 7,0 GW; 108 GWh

•  Solar 22.4 GW vs. konventionelle Elektrizitätsquellen 44.1 GW

Konventionell: max. 44,1 GW; 892 GWh

Grafik Daten:konventionelle Leipziger Strombörse EEX, http://www.transparency.eex.com/de/ •  Solar 189und GWh, Elektrizitätsquellen 892 GWh © Fraunhofer ISE

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Folge der schlechten Skalierbarkeit von erneuerbaren Energien

Quelle: EEX

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Integration von PV ins Stromnetz – Peakshaving

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Notwendigkeit der zuverlässigen Stromversorgung

Quelle: Galvin Electricity Initative 2008

Aus ökonomischer Sicht ist eine zuverlässige Stromversorgung unverzichtbar.

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Lösungen zum Ausgleich der schwankenden PVStromproduktion - Kombikraftwerk

Quelle: ISET

Das Kombikraftwerk besteht aus verschiedenen Kraftwerksteilen (Wasser, PV, Wind, ...), welche ergänzend eingesetzt werden können. Nötig ist dazu eine intelligente Steuerung (Software), unterstützt durch Prognosemodelle (Wind, Sonne, Nachfrage) sowie Intelligenz im Stromnetz. Zürcher Fachhochschule

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Beispiel eines softwarebasierten Steuerungsinterfaces eines Kombikraftwerks

Quelle: Agentur für erneuerbare Energien Zürcher Fachhochschule

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Herausforderungen im Stromnetz

Quelle: ABB Zürcher Fachhochschule

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Technologie ist verfügbar - hohe Investitionskosten

•  Mittels Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen (HVDC) können dezentrale Produzenten (Bsp. Offshore Wind) ohne grosse Übertragungsverluste ins Netz eingebunden werden. •  In Europa werden gemäss Schätzungen bis 2030 rund 40‘000 neue Leitungskilometer benötigt. Diese umfassen ein Investitionsvolumen von etwa EUR 750 Mrd. •  Dazu fehlt es an Regelleistung. Momentan stehen beispielsweise in Deutschland rund 7 GW zur Verfügung. Mit einer installierten Kapazität 2030 von alleine 25 GW Windenergie, besteht diesbezüglich grosser Handlungsbedarf, was wiederum Investitionen erfordert.

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Umbau der Stromnetzarchitektur wird notwendig

Quelle: ABB

Erneuerbare Energien treiben die Dezentralisierung der Architektur von Stromnetzen voran.

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Komponenten eines Smartgrids Energiemanagementsysteme Bestandteile: •  PoMS: Power Flow & Quality Management Systeme •  PCU: PoMS Central Unit •  PIB: PoMS Interface Box Fragen: •  Verbreitung •  Ownership •  Datenschutz

Quelle: Frauenhofer Institut/ISE

•  .... Zürcher Fachhochschule

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Smart Meetering als ein Schlüsselelement im Smart Grid

•  Anreiz zur Lastverschiebung schaffen, z.B. über variable Stromtarife und offene Elektrizitätsbörsen •  Verbrauchersensibilisierung •  Erfordernis: Feedbacksystem --> intelligente Zähler Quelle: Frauenhofer Institut/ISE, EWE Zürcher Fachhochschule

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Zukunft „Super Smart Grid“?

Quelle:Sterner Uni Kassel Zürcher Fachhochschule

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•  Auf dem Weg zur Netzparität •  LCOE •  Einsparungspotenzial über die Wertschöpfungskette

•  Ökologische Aspekte •  Ökobilanz Übersicht •  CO2-Reduktionspotenzial •  Strom-Rückgewinnungszeit

•  Recycling •  PV-Cycle •  weitere Initiativen

•  Netzintegration •  Einspeiseschwankungen •  Smart Grid •  Speicher •  Übersicht möglicher Spiecherlösungen

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Integration von PV ins Stromnetz – Back up & Speicher Muss die gesamte Kapazität von erneuerbaren Energien mit einem Back Up versehen werden, um Versorgungssicherheit zu gewähren? Mögliche Lösungsansätze: •  Speicher –  Batterien (Ni-Cd, Ni-MH, Li-Ion, ...) –  Wasserspeicher (CH) –  Wasserstoff –  Schwungräder – 

Gaskavernen

– 

Hydrokarbonisierung

– 

......

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Quelle: Rolls, Saft, Hydrogenics 52

Kapazität Elektrizitätsspeicher

Quelle: Rolls, EPRI, Fraunhofer Institut

Pumpspeicherkraftwerke sind weltweit das dominante Speichermedium. Zürcher Fachhochschule

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Beispiel Deutschland: Benötigte Speicherkapazität in Zukunft

Quelle: Fraunhofer Institut IWES

Die zukünftige Stromnetzausgestaltung ist in Zukunft entscheidend in Bezug auf die benötigten Speicherkapazitäten.

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Übersicht Speicherlösungen

Quelle: EPRI

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LCOE der verschiedenen Speicherlösungen für erneuerbare Energien

Quelle: EPRI

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Kosten der Speicherlösungen

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Quelle: EPRI 57

Kosten der Speicherlösungen 2

Quelle: EPRI

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Kosten der Speicherlösungen 3

Quelle: EPRI Zürcher Fachhochschule

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Batterie als Lösung bei Kleinanlagen

Quelle: SMA

Batterien sind gut geeignet um den Eigenkonsum zu erhöhen und für das Peakshaving. Aber .. Zürcher Fachhochschule

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Batterie als Lösung bei Kleinanlagen

Quelle: SMA

... die Preise für hochwertige Lösungen (Li-basiert) sind noch viel zu hoch.

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Zukünftige Lösung Methanisierung (SabatierProzess)? „Strom zu Gas (Power to Gas)“

CO + 3H2 --> CH4 + H2O •  exotherme Reaktion •  300°C bis 700 °C Reaktionstemperatur benötigt •  Beschleunigung der Reaktion durch Nickelkatalysatoren (Promotoren und Stabilisatoren wie Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid)

Ideal bei dieser Lösung ist das Vorhandensein der Speicher- und Verteilungsinfrastruktur. Zürcher Fachhochschule

Wirkungsgrad Methanisierung

Quelle: Fraunhofer Institut IWES

Unter Nutzung der Prozessabwärme erzielt die Methanisierung erzielt Strom zu Gas annähernd Wirkungsgrade von Pumpspeicherkraftwerken. Zürcher Fachhochschule

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