Nutzung der Sonnenenergie

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!