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Präsentation des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme
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Dr. Thomas Schlegl
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEFreiburg
Fraunhofer-Verbund Energie
Nutzung der Sonnenenergie – Technologien und Trends
21. Mai 2007
Leiter und Teilhaber einer Glashütte
Entdeckung der »Fraunhofer-Linien«im Sonnenspektrum
Neue Bearbeitungs-verfahren für Linsen
Joseph von Fraunhofer Fraunhofer-Gesellschaft(1787 − 1826)
Forschung und Entwicklung im Auftrag von Industrie + Staat
Forschungsvolumen: ~ 1,2 Milliarde € pro Jahr
MP3, weiße LED, hochauflösende Thermokamera
Forscher
Erfinder
Unternehmer
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 für Energietechnologie und Energiewirtschaft.
Schwerpunkte:
Erneuerbare Energien
Effizienztechnologien
Gebäude und Komponenten
Intelligente Energienetze
Speicher- und Mikroenergietechnik
www.energie.fraunhofer.de
21. Mai 2007
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Gebäude und Technische Gebäudeausrüstung
Optische Komponenten und Systeme
Solarzellen
Netzferne Stromversorgungen
Regenerative Stromerzeugung im Netzverbund
Wasserstofftechnologie
21. Mai 2007
* Höheres Potenzial bei Einsatz von Off-Shore Anlagen in Gebieten tieferen Wassers
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
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003, www.wbgu.de
21. Mai 2007
Die eingestrahlte Sonnenenergie einer Stunde entspricht dem jährlichen globalen Weltverbrauch
Die Energiemenge aller erreichbaren Ölreserven 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!
Einige Zahlen zur Solarenergie
Quelle: G.W. Crabtree and N.S. Lewis, Physics Today, März 2007
21. Mai 2007
ÖlKohleGasKernenergie
WasserkraftBiomasse (traditionell)Biomasse (modern)
Solarstrom (PV und solarthermischeKraftwerke)
Solarthermie (nur Wärme)Andere ErneuerbareGeothermie
Wind
Exemplarischer Pfad, globaler Primärenergieverbrauch
Jahr2000 2020 2040
200
600
1000
1400
2100
EJ/a
0
10
30
40
50
20
TW
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen, 2003, www.wbgu.de
21. Mai 2007
Flächenbedarf um künftigen Weltbedarfvon 20 TW zu decken:
6 Gebiete je 3,3 TW15% Effizienz:je 340 x 340 km2
Flächenbedarf für solare Elektrizität
21. Mai 2007
Energiekonversion auf der Basis von Sonnenenergie, Beispiele
StromerzeugungPhotovoltaik (Solarzellen)Solarthermische Kraftwerke
Wärme- und KälteerzeugungThermische SolarkollektorenSolare KühlungSolares und energieeffizientes Bauen
Treibstoffe und ÄquivalentesBio-TreibstoffeWasserstoff Elektrische Energie für mobile Speicher
Bild: www.mpi-hd.mpg.de
21. Mai 2007
Elektrizität
(optische Konzentration)
Solarelektrische Energiekonversion,Hauptkonversionspfade
solare Strahlung
optische Konzentration
hohe Temperatur Wärmeenergie
Thermodynamische Maschine
Elektrizität
solare Strahlung
Solarzelle
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 2 eV 1.5 eV
9.7 ·1014 Hz310 nm
4.8 ·1014 Hz620 nm
3.6 ·1014 Hz830 nm
E = h · ν ν = c / λ
21. Mai 2007
E
Innerer Photoeffekt in Halbleitern
h ·νrot
+
Leitungsband
Valenzband
-
-
+
h ·νgrün
21. Mai 2007
Funktionsprinzip einer Siliciumsolarzelle
Silicium
hoch n-leitendes Silicium
hoch p-leitendes Silicium
+ − +−
+−
+
positiver Kontakt
− −
+ ++ +
− −
−
negativer Kontakt
21. Mai 2007
Evolution photovoltaischer Technologien,Beispiele für Materialsysteme
III/VSi-ribbon mono-Si multi-Si
CuS/CdS
CdTe CIS CVD-Si
mono-Si 1954
a-Si Farbstoff-,organische SZ
21. Mai 2007
Quelle: Schott Solar
Transparente Dünnschichtmodule auf a-Si Basis
21. Mai 2007
Organische Solarzellen
21. Mai 2007
1990: 1/3 thin-film, c-Si, mc-Si
2006: >90% c-Si, mc-Si
Entwicklung des globalen PV-Marktes
Graph: G. Willeke, 2006 - 1980
- 1985
- 1990
- 1995
- 2000
- 2005Thin Film
Mono-Si Multi-Si
Ribbon-Si
1.5 GWp
21. Mai 2007
Status photovoltaischer Energiekonversion, global2006, 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
Source: 2000-2003 Strategies Unlimited, EPIA “solar generation” 2006
2003: 600 MWp
2006: ca. 1.9 GWp
weit besser als optimistischste Wachstumsprognose!
Projection (2003)Actual ShipmentsMWp/a
2000 20122005 2010
15% Growth
25% Growth
2001 2002 2003 2004 2006 2007 2008 2009 2011
1,6002,000
4,000
1,200800400
3,6003,2002,8002,400
4,4004,800
21. Mai 2007
Globaler PV Markt, Arbeitsplatzentwicklung
Quelle: EPIA “solar generation” 2006
2006 2008 2010 2012 2014 2016
1.000.000
20202018 2022 2024
2.000.000
3.000.000 Arbeitsplätze
21. Mai 2007
Source: PSE GmbH, 2007
1
10
1 10 100 1.000 10.000 100.000Kumulierte Leistung MWp
Euro/Wp
2
5
2010
1 Euro = 1,2 USD
Silicium-Solarzellen-Flachmodule, Preis-Erfahrungskurve
21. Mai 2007
Kostenreduktion in der Photovoltaik
Höhere Wirkungsgrade
Weniger Materialverbrauch
Preiswertere Materialien
Optimierte Produktionstechnologien
Neue Konzepte der photovoltaischenEnergiekonversion
Massenproduktion
21. Mai 2007
Photovoltaische Energiekonversion
control
PV + load battery
PCU
fuel cell CHPload business
prognosis
20 kV
400 V
21. Mai 2007
Höchsteffiziente dünne Laborzelleaus multikristallinem Silicium
Thermisches Oxid
Laser-fired contacts (LFC)
Waferdicke = 99 µmWirkungsgrad = 20,3%1 cm2
Plasma-texturierteOberfläche
21. Mai 2007
Höchsteffiziente dünne Laborzelleaus monokristallinem Silicium
Waferdicke = ´42 µmWirkungsgrad = 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 Solargeneratokeine Verschattung des SolargeneratorsModule bringen versprochene LeistungWechselrichter Jahreswirkungsgrad mind. 93 %
Kühler Standort für Wechselrichter
Wechselrichterauslegung nicht zu knapp
Betriebsüberwachung
21. Mai 2007
Planung und Ausführung
Ausrichtung und Neigung
Verschattung ganzjährig
Verschattung Winter
Dimensionierung WR
Standort WR
Qualität Komponenten
Modulleistung
Wirkungsgrad WR
Laufender Betrieb
Ausfall WR
Verschmutzung Module
Ertragseinbuße
10 - 40%
3 - 10%
1 - 3 %
1 - 3 %
1 - 3 %
8 - 60%
4 - 8%
5 - 70%
1 - 3%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Ursachen für geringe Erträge
21. Mai 2007
Strom [A]
0
2
4
6
8
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Spannung [V]
Teilgenerator 1 Teilgenerator 2 Sollkennlinie
Verschattung und zu geringe Modulleistung
21. Mai 2007
Der Weg zu hohen Erträgen
www.energieagentur-freiburg.deRubrik: Service
21. Mai 2007
E
Innerer Photoeffekt in Halbleitern
h ·νrot
+
Leitungsband
Valenzband
-
-
+
h ·νgrün
21. Mai 2007
Maximaler Wirkungsgrad von Halbleiter-Solarzellenmit einem pn-Übergang
500 1000 1500 2000 25000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Längerwellige Photonen können keine Ladungsträger generieren
Genutzte Energie
Nicht genutzte Energie der kurzwelligeren Photonen
Leis
tun
gsd
ich
te [
W/m
µm
]2
Wellenlänge [nm]
W. Shockley,H.-J. Queisser (1961)Theoretische Grenze 33%
J. Zhao, A. Wang,M.A. Green (1999)Bester Laborwert 24,7%
21. Mai 2007
Gestapelte Solarzellen
500 1000 1500 2000 25000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Lei
stun
gsdi
chte
[W/m
2 µm]
AM15 GaInP GaInAs Ge
Wellenlänge [nm]
21. Mai 2007
Gestapelte PV Zellen für optische Konzentration, Beispiel
ARC
n-graded Ga1-xInxAs buffer layer
p-Ge substrate (100)
p+-AlGaInAs - barrier layer
p-GaInAs - base
n-GaInAs - emittern+-AlGaInP/AlInAs - barrier layer
p++-AlGaAsp+-AlGaInP - barrier layer
p-GaInP - base
GaInP - undoped layer
n-GaInP - emitter
n+-AlInP - window layer
cap layer
n++-GaAs or GaInP
p+-GaInP - barrier layer
GaInAs - undoped layer
p+-GaInAs - barrier layer
1.8 eV
1.3 eV
front contact
rear contact
p++-AlGaAsn++-GaInAs
n- doped window- and nucleation layern-Ge diffused emitter
0.7 eV
Ga0.65In0.35P
tunnel diode
Ga0.83In0.17As
tunnel diode
Ge
21. Mai 2007
Vom Wafer zum PV Kraftwerk mit hoheroptischer Konzentration
4-Zoll Wafer mit PV-Zellen höchstenWirkungsgrades
Zelle und Kühlkörper
Tracker PV Kraftwerk
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
21. Mai 2007
Elektrizität
(optische Konzentration)
Solarelektrische Energiekonversion,Hauptkonversionspfade
solare Strahlung
optische Konzentration
hohe Temperatur Wärmeenergie
Thermodynamische Maschine
Elektrizität
solare Strahlung
Solarzelle
21. Mai 2007
~
Solarfeld
Turbine
Generator
Kondensator
Zirkulationspumpe Abwärme
thermischerSpeicher
Solarthermische Kraftwerke,Prinzipskizze,
direkteSolarstrahlung
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke
Absorber-Rohr für Solarthermische Kraftwerke
Sputteranlage
21. Mai 2007
Solarthermische Kraftwerke in Spanien
21. Mai 2007
Solares Heizen und Kühlen
21. Mai 2007
Solares und energieeffizientes Bauen, Technologien
gute thermische Dämmung
solar optimierte Fenster
solar thermische Kollektoren
Wärmespeicher (auch bauteilintegriert)
Solare Kühlung
angepasste Haustechnik
Photovoltaik (Solarzellen)
21. Mai 2007
Heizen, Lüften und Kühlen - Wohngebäude -
� Solarkollektoren
� Lüftung
� Wärmerückgewinnung
� Wärmepumpen
21. Mai 2007
Solarthermische Systeme
Biomimetische Optimierung derEnergieeffizienz der Absorber fürSonnenkolektoren
Installation von ~ 1 GWth
pro Jahr in Deutschland
21. Mai 2007
Marktentwicklung Solarthermie
Marktwachstum 2005: 26 %
Erwartetes jährliches Wachstum2007-2010: rd. 25-30 %bis 2020: rd. 20-25 %
Dynamische Märkte in Europa: D, A, F, ES, I
Quelle: Nachhaltigkeitsstudie der Sarasin-Bank, Dezember 2006
21. Mai 2007
Solarthermisches Kühlen,Prinzipskizze
Thermal driven cooling process
heat
chilled water
conditioned air
21. Mai 2007
Ventilation and Air-Conditioning Technology
IHK Südlicher Oberrhein, FreiburgFirst autonomous solar air-conditioning system in Germany
21. Mai 2007
Wirtschaftsfaktor Erneuerbare Energien
Die Erneuerbaren Energien in den BereichenWind, Wasser, Biomasse, Geothermie, Solarwärme, Solarstrombieten bereits über 170.000 Arbeitsplätze in Deutschland.
Damit arbeiten hier inzwischen mehr Menschen als in Kernenergie, Stein- und Braunkohle zusammen.
21. Mai 2007
Vielen Dank für Ihr Interesse!
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