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Franz Baumgartner, 2017-09-13; www.zhaw.ch/~bauf

Zukunft derEnergietechnologien

Franz BaumgartnerZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; www.zhaw.ch/~baufVortrag am 13.09.2017 in Schaffhausen, EKS Erneuerbare für Morgen u. Übermorgen, Schweiz

11. März 2011 Prog. Photovolt: Res. Appl. (2015)Bulletin .ch 2/2017bulletin.ch 10/2017 bulletin.ch 8/2016


Rückschau vor 150 Jahren

Slide 2.

Schaffhausen, Moserdamm mit Transmission Mühlentor von Osten 1869

http://www.schaffhausen-foto-archiv.ch/


Der natürliche Wandel der Energietechnik

Slide 3.

1850 1900 1950 2000 2050

Mobilität

Wärme

KraftStrom

Holz-Kohle-Guss-Öfen

IWC 19. Jhd.1866 Moserdamm

KANGOO Z.E.

Tesla Truck

Hegauwind

1967 Wasser KWSchaffhausen

Öl-Gas- Kessel PV Boiler oder Wärmepumpe

PV Fam. SeelhoferEKS

Li-Batterie

Solarthermie Öl-Öfen


Sorge um die Umwelt / Treibhauseffektsollte zu weniger fossiler Energie führen!

Slide 4

Melani Trump stöckelt ins Texas Flut Desaster, «Strum Harvey» FAZ 2017-08-31

Fakten: 1500 Tote in Asien durch MonsunJuni bis Sept 2017; FAZ, Tagesschau

U.S. GLOBAL CHANGE RESEARCH PROGRAM CLIMATE SCIENCE SPECIAL REPORT (CSSR) Final Clearance; 28 June 2017https://searchworks.stanford.edu/view/12120197

+15%


1. Produkt

der Energiezukunft

SOLARZELLESlide 5

.


Relevante Photovoltaik Module aus industrieller Fertigung seit 25 Jahren

1989 2014Standard kristallinesSilizium

12.8% / 55W/ 25 Jahremonokrist. Silizium, 4``Siemens Solar, DNo.: SM551.30m x0.33m0.43m2

15.9% / 260W / 25 Jahremultikrist. Silizium 6``Trina Solar, ChinaNo: TSM-260, PC05A1.65m x 0.99m1.64m2

(4 x grösser, 5x Leistung)(2017 Standard 300W / 60 cr-Si cells 6)

StandardDünnschicht

5.7% / 30WAmorphes SiliziumArco Solar, USNo.: G40001.28m x 0.41m

13.8% / 170W /25 JahreCIS CuInS2Solar Frontier, JapanNo.:TSM-260, PC05A1.26m x 0.98m

Diese Module sind am ZHAW SoE Dach des IEFE in Winterthur im Einsatz und werden zu Unterrichtszwecken eingesetzt. (TSM-260 ersetzt durch LDK-260)https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/iefe/news/news/news-single/neues-photovoltaik-outdoor-labor/

F. Baumgartner, 2015 Nov, electrosuisse, 151105 Energien der Zukunft: erneuerbare Energien - Electrosuisse


Die Weltrekorde von Labor-Solarzellen

Slide 7

https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png

Effiziente industriell gefertigte Standard Solarmodule am Markt1990 201712% Steigerung +1% in 5 Jahren 17%


Brauchen wir die nächsteSolarzellen Technologie?

Slide 8.

https://www.ekson.ch/detail-neue-erneuerbare-energie/organische-solarzellen.html


Der Erfolg der Photovoltaik liegt in der Kostensenkung durch die Massenproduktion

Status Modul ab Fabrik 2016 Multi. MW 0.37US$/Wpbzw. ca. 400 SFr pro kWp

Slide 9.

http://www.itrpv.net


Gesamthaft installiertePV Module weltweit

Slide 10.

Europe

Asia/Pacific

America

Report IEA PVPS T1-31:2017


Industrialisierung vor 100 Jahren in USA

Henry Ford: Production & Labor Innovations

Ford was dedicated to the production of an efficient and reliable automobile

that would be affordable for everyone; the result was the Model T, starting in

October 1908.

Practice techniques of mass production revolutionize industry

• use of large production plants

• standardized

• interchangeable parts

• and the moving assembly line

Slide 11 .

y = 26439 x -0.207

Learning Rate

LR=1-2-0.207 = 0.13900

3600

10 100 1000 10000$

(in 1

958$

)

thousand units cumulative shipments

Fords T-Model cost reduction1909

1923

1918


Kostenaufteilung Photovoltaik Kraftwerk

Slide 12.

2017Schweiz

Kosten-anteil

Gesamt10kWin SFr

Solarzelle* (10%) 2 500

Solarmodul** 24% 6 000

Solarinverter 8% 2000

Rest 68% 15 500

Gesamt 100% 25 000

Beispiel 10kW

0.15m x 0.15m

1m x 1.6m

Grobe Richtwerte

Anmerkung: 2008 Modulkosten ca. 5 mal höher

ca. 21 Rp/kWh PV Kosten ohne Förderung

* Fabrik / Asien: http://pvinsights.com/index.php

** Zwischenhandel https://www.photovoltaik-shop.com/


Solarstromkosten in Grosskraftwerken2017 ca. 3US$/kWh im Arabischen Raumca. 6 € cents/kWh in Deutschland - Bieterverfahren

Slide 13.

http://www.itrpv.net


2. Produkt

der Energiezukunft

Lithium BatterieSlide 14

.


VISON

ZENTRAL DEZENTRAL

Slide 15

.


2012-Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012

F. Baumgartner, P. Korba et.al. EUPVSEC 2012

Commercial PV Battery + Power ElectronicsNominal Capacity C nom [kWh] 13.8Price rel. per kWh nom 833€ Used Capacity C used [kWh] 6.9lifetime full cycles @ DOD 50% 1350lifetime stored capacity [kWh] 18630cost of stored kWh 0.62€ financing costs factor (5% interst rate, 5a) 1.2total storage costs per kWh 0.74€ http://www.mare- solar.com/shop/eigenverbrauch- speichersysteme- solarworld- sun- pac- c- 66_532_607.html

An example of a marketing document:

To increase self consumption from 38% to 50% of consumption +22%

investment of typ. 11 500€

per 6.5kW PV STC is needed(doubling investment costs)

total 2700 full cycles / 270 cycles @10aSlide 16


Beispiel Aug 2014 - sonniger Tag 30kWh Li-Speicher, 15kWp PV

17.


Nur 6% des Wochenstroms kommt vom Netz

Slide 18.


Marketing der Tesla Powerwall

Slide 19.


2020 TESAL’s full capacity to be reached5 billion $ FAB

Slide 20.

Web visited Juni 2016 - https://www.teslamotors.com/gigafactory

Tesla broke ground on the Gigafactory in June 2014 outside Sparks, Nevada, and we expect to begin cell production in 2017. By 2020, the Gigafactory will reach full capacity and produce more lithium ion batteries annually than were produced worldwide in 2013. 35 more than 35 GWh of battery cells and 50 GWh of battery packs, but CTO JB Straubel, 2015

PAN

ASO

NIC

Feb 2016http://electrek.co/2016/02/24/

2017 Aug; https://www.teslarati.com


Kostenreduktion Li-Ion Battery Packsvgl. Ref. F. Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich

Slide 21.

100

200

400

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

$/kW

h

GWh cum.

2007

2017

2015300$/kWh1.2Mio EV

[1] B. Nykvist, M. Nilsson; «Rapidly Falling costs of battery packs for electric vehicles»,Stockholm Environment Institute & KTH Royal Institute of Technology, Stockholm; Nature Climate Change; 9th Feb 2015[2] N. Pearsall, F. Baumgartner, PV Performance, Wiley, Nov 2016, ISBN 978-1-78242-336-2

LR=0.06 [1]EVs batterymarket leaders

LR = 0.10

LR = 0.15EPRI US, 2015W. Hofmann, 2015

2020 cum5Mio EV

2025 cum30 Mio EVs

70 000 German PV home batteries 5kWh

0.35GWh

China 2025; 3 Mio Evs; each 50kWh = 150GWh/a

2018Tesla Gigaf

500 Fr/kWh Invest.250 Jahreszyklen

20 Rp/kWh

3 Mio Evs sales 202173$/kWh in 2040

Bloomberg, July 207


Electrical Vehicle Outlook Bloomberg 2017

“The EV revolution is going to hit the car market even harder and faster than BNEF predicted a year ago. EVs are on track to accelerate to 54% of new car sales by 2040. Tumbling battery prices mean that EVs will have lower lifetime costs, and will be cheaper to buy, than internal combustion engine (ICE) cars in most countries by 2025-29.”

2017 July, https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/


Grösse und Kosten der Li- Solarbatterie

Slide 23 .

F. Baumgartner, bulletin.ch 10 / 2017; Sonnenstrom speichern; http://www.bulletin.ch/de/

2020

Ergänzung: Herstellung 1kWh Li-Batteriekapazität verursacht 100 kgCO2-eq. Emissionen (od. 40gCO2/kWh bei 2500 Zyklen)Ref. Han Hao et. al. ; Sustainability 2017, 9, 504; www.mdpi.com/journal/sustainability


Blick in die Glaskugel - Kostenprognose

10.4 8.2

35

157

20.8

0

5

10

8.38

20

12

7.2

0

10

20

30

40

50

60

2015 CH H4Stromkosten

2014 CH H4Kanton ZH

2015 PV +Batterie

2025 PV +Batterie

2035 PV +Batterie off-grid

Rp/

kWh

H4

Hau

shal

tsku

nde Energie

AbgabenNetz

Slide 24.

PV Erzeugung-5%/a CAGR

Abgaben Netzoder

Winternotstrom

Batterie-8%/a CAGR

F. Baumgartner, ZHAW, 2016-11-01, eigene Analyse

BRD 2015CH 2017 H420.4Rp/kWh910Fr / a


Weiterbildung in Winterthur ab 6. Okt 2017

• Photovoltaik und Batteriespeicher

• Netze – Smart Grid

• Bewirtschaftungskonzepte

Slide 25.

https://weiterbildung.zhaw.ch/


Wo liegt die Zukunft der Energietechnologien?

1. In der industriellen Massenproduktion der erneuerb. Komponenten - beschleunigt durch temporäre Marktanreizprogramme

2. In der Steigerung der lokalen Erzeugung und der Maximierung des Verbrauchs vor Ort- ermöglicht durch Sektorkopplung (Strom in Wärme)- Tagespeicherung des Stroms in Batterien im Gebäude- Nutzung der Elektro-Autobatterie als Notstromquelle o. Puffer- Saisonaler Speicher mittels Methanol od. erneuerbarem CH4 über Verstromung mittels Brennstoffzelle od. Generator

3. In professionalere Planung, Installation und Betrieb/Service

4. Schlüsselkomponenten und Hardware Technologien sind+++ Solarzellen, Wind KW, Lithium Batterien, Brennstoffzelle+ digital Vernetzung könnte überschätzt werden / Smart Grid

Slide 26.

Franz Baumgartner, 2017-09-13; www.zhaw.ch/~bauf27

60kWp, AXA Winterthur 650kW, Lonza AG, Waldshut 50kW – LE / dhp

90kW, Solar Wings60kW, Solar Wings, Tenna10kW, EKZ60kW, Werkhof, WintiSolarspar, Klimafond

Danke für ihre AufmerksamkeitPV Team IEFE ZHAW Dozenten Dr. Hartmut Nussbaumer und Prof. Dr. Franz Baumgartner

PV plants built in collaboration w. IEFE www.zhaw.ch/~bauf

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