V_EKW3_0eUebersicht_SolarerStrom-PV.ppt Klima und Energie Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 Saarbrücken EU - Germany Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.de luther.gerhard@mx.uni-saarland.de (für größere Dateien) Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/

Klima und Energie 3. Einige Trendbrecher zur CO2-Einsparung 0. Klima <> Energie 1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln 1.1 Ein Entwicklungsproblem 1.2 Ein Energieproblem (Endlichkeit der Ressourcen; Lieferengpässe : Preise) 1.3 Ein Klimaproblem 2. Wo stehen wir und was ist zu erwarten 2.1 CO2 und Energieeinsparung in BRD 1990 – 2005 2.2 Trend und Trend-brechende Aktivitäten: 2.2a Zum Reizthema: Vorzeitiges Abschalten der AKW‘s 3. Einige Trendbrecher zur CO2-Einsparung 3.1 Sonnenenergie (Offshore Wind, Biomasse, Solarthermie, Solarer Strom – PV ) 3.2 Energieeinsparung beim Verbrauch 3.3 Fossile Kraftwerke hoher Effizienz Strategische Reserve: demnächst: 3.4 Fossile Kraftwerke mit CO2 Sequester 3.5 Solarthermische Kraftwerke im Süden vermutlich bald: 3.6 Kernkraftwerke der „Generation IV“ (inhärent sicher, nachhaltig, Proliferations-gesichert) vielleicht: 3.7 Fusionsreaktor ( Iter, Demo, Proto, >> „Standard FuKw“) Hier geht‘s weiter

3.13 Direkte Sonnenenergie 3.13.1 Solarthermie 3.13.2 Strom aus Sonnenwärme .21 Motivation und Hoffnungen auf thermische Solarktaftwerke .22 Konzentrierende Solarkollektoren: Entwicklung und Status (hier übernehme ich einen vorbildlichen Vortrag aus den FVS-Themen) .23 Anlagen und aktuelle Projekte .24 F&E-Bedarf bei Sonnenkollektoren 3.13.3 Photovoltaik ( PV) .31 Solar Cell Physics .32 Solar Cell Materials .33 PV: Stand und Potenziale .34 Kostenreduktion .35 Förderung der PV durch Stromverbraucher und Staat

Solarthermische Kraftwerke 3.13.2 Strom aus Sonnenwärme Strom aus Sonnenwärme - Solarthermische Kraftwerke

Strom aus Sonnenwärme 3.13.21 Motivation und Hoffnungen auf thermische Solarktaftwerke 3.13.22 Konzentrierende Solarkollektoren: Entwicklung und Status (hier übernehme ich einen vorbildlichen Vortrag aus den FVS-Themen) 3.13.23 Anlagen und aktuelle Projekte 3.13.14 F&E-Bedarf bei Sonnenkollektoren Hier nur kurze Übersicht: Ausführlichere Behandlung in EKW 2 im Zusammenhang mit Kraftwerksprozess, 3.5

Solare Erwärmung des Arbeitsstoffes eines Dampfkraftwerkes: 3.13.21 Solare Erwärmung des Arbeitsstoffes eines Dampfkraftwerkes: 1. Konzentrierende Solarkollektoren, da höhere Temperaturen erforderlich Spiegel oder Linsen als Auffangflächen ( das ist billiger als PV –Module) Nur das direkte Sonnenlicht wird genutzt Nachführung der Auffangfläche Das geht aber sehr viel besser in Sonnenländern als in unseren Breiten. 2. Einbindung in Kraftwerksprozess ermöglicht: kurzzeitige Zwischenspeicherung von Wärme Hybridbetrieb mit fossilem Brennstoff (H2? , Biomasse? ) möglich (Solaranlage ist sozusagen ein alternativer Kessel )

Prinzipien der Solarkonzentration Solarturm Parabolrinnen Paraboloid 3.13.22 Prinzipien der Solarkonzentration Solarturm Parabolrinnen Paraboloid BQuelle: DPG2005_Klima, Abb.10.1, p.80

Die fünf 30 MW SEGS Kraftwerke 3.13.23 Anlagen und Projekte Die fünf 30 MW SEGS Kraftwerke bei Kramer Junction, California, USA SEGS = Solar Electric Generating Systems Quelle: M. Geyer e.a.: „Parabolrinnensysteme“ ; FVS - Themen2002 Solare Kraftwerke, Abb.1, p.14

Technische Daten der SEGS – Kraftwerke 350 MW , seit 15-20 Jahren einwandfreier Betrieb Quelle: M. Geyer e.a.: „Parabolrinnensysteme“ ; FVS - Themen2002 Solare Kraftwerke, Tabelle 1, p.15

Erwartete Stromgestehungskosten solarthermischer Kraftwerke unter verschiedenen Randbedingungen BQuelle: DPG2005_Klima, Abb.10.2, p.84 Urquelle : BMU http://www.erneuerbare-energien.de/inhalt/5650/20049/

Quelle: SolarMillenium Pressefoto; SolarMillenium_EuroTroughDemoLoop_inCalifornia_vonOben_mitAuto.jpg

Am 11. Februar 2006 erfolgte in Boulder City, Nevada, USA, der erste Spatenstich für das 64 MW Solarkraftwerk „Nevada Solar One“. Herzstück sind die 19.300 SCHOTT Solar-Receiver aus Mainz, EU-Germany. „Nevada Solar One“ soll im Juni 2007 ans Netz gehen Quelle: Fa. Schott, Mainz

3.13.3 PV Photovoltaik

3.13.3 Photovoltaik ( PV) 3.13.31 Solar Cell Physics 3.13.32 Solar Cell Materials 3.13.33 PV: Stand und Potentiale 3.13.34 Kostenreduktion 3.13.35 Förderung der PV durch Stromverbraucher und Staat

Die meisten Folien und Erklärungen habe ich übernommen von :

Quelle: J. Luther: „Potenziale der Sonnenenergie –Heutige Technologien und Trends“ , Vortrag 21.11.2005, Folie 6 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html (sehr wichtige Quelle für hervorragende Vorträge zu PV, Sonnenenrgie und RE)

Aktuell kompetent verständlich Auszug: Aktuell kompetent verständlich Zum Original: http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Technology Components and Systems Applications Zum Original: http://www0.fh-trier.de/~molter/clemson/PV-en.ppt Photovoltaics Didaktisch gute Erklärung der Grundlagen Technology Components and Systems Applications Clemson Summer School 6.5. – 8.5.06 Dr. Karl Molter FH Trier www.fh-trier.de/~molter molter@fh-trier.de Dr. Karl Molter / FH Trier / molter@fh-trier.de

Quelle: Physik der Solarzelle Sehr empfehlenswert bei physikalischem Grundwissen. ISBN= 3-528-06518-4 Vieweg Verlag Braunschweig (1993)

3.13.3 Photovoltaik ( PV) 3.13.31 Solarzelle Cell Physics 3.13.32 Solar Cell Materials 3.13.33 PV: Stand und Potenziale 3.13.34 Kostenreduktion 3.13.35 Förderung der PV durch Stromverbraucher und Staat

Dr. Karl Molter / FH Trier / molter@fh-trier.de 3.13.31 1. Solar Cell Physics Solar Cell and Photoelectric Effect The p/n-Junction Solar Cell Characteristics Dr. Karl Molter / FH Trier / molter@fh-trier.de

Zu den Folien zu diesem Kapitel aus der Vorlesung von Dr. Molter: lokale Exzerptdatei V_EKW3_0e1_Molter-2006_PV-01SolarCell_Physics.ppt Zum Original: http://www0.fh-trier.de/~molter/clemson/PV-en.ppt

1. Kontaktpotentiale Ergänzung: 2. Direkte (GaAs) und indirekte (Si, Ge) Halbleiter

Kontaktspannungen im thermischen Gleichgewicht Quelle:Rudolf Müller „Grundlagen der Halbleiter-Elektronik“, Springer Verlag Berlin 1971,ISBN 3-540-05278-X; Abb. 66, p.102

Eine Messung der Diffusionsspannung an den Klemmen der verschieden dotierten Zonen ist im thermischen Gleichgewicht nicht möglich, da an den Kontakten zum Halbleiter unterschiedliche Kontaktspannungen entstehen, deren Differenz gleich der Diffusionsspannung ist. Sind alle Kontakte auf gleicher Temperatur, so ist in einem geschlossenen Kreis die algebraische Summe der Kontaktspannungen Null. Die Diffusionsspannung selbst ist die Kontaktspannung zwischen verschiedenen dotierten Halbleiterzonen. Die gegenseitige Kompensation der Kontaktspannungen folgt aus der konstanten Höhe des Fermi- Niveaus im thermischen Gleichgewicht. Quelle:Rudolf Müller „Grundlagen der Halbleiter-Elektronik“, Springer Verlag Berlin 1971,ISBN 3-540-05278-X; Abb.66, p.101

Si Ge GaAs I--------------------Indirekte Halbleiter ---------------I . Bänderstruktur von Ge, Si und GaAs I--------------------Indirekte Halbleiter ---------------I I-----direkter Halbleiter -I Si Ge GaAs Abb. 43. Bänderstruktur von Ge. Si und GaAs, [33]. Die Werte für die Bandabstände in Ge sind [60] entnommen. Quelle:Rudolf Müller „Grundlagen der Halbleiter-Elektronik“, Springer Verlag Berlin 1971,ISBN 3-540-05278-X; Abb 43. ,p.73

In dem behandelten eindimensionalen Modell zeigt der Wellenvektor k in Richtung dieser eindimensionalen Atomkette. In einem dreidimensionalen Kristallgitter hängt die Energie nicht nur vom Betrag, sondern auch von der Richtung des Ausbreitungsvektors ab; man erhält daher für verschiedene Richtungen verschiedene Abhängigkeiten E(k). Abb. 43 zeigt die Bänderstruktur für Ge, Si und GaAs für zwei bevorzugte Richtungen (mit den Miller-Indizes 111 und 100; s. z.B. Bd. 4 dieser Reihe ). Außer der Tatsache, daß für einen Energiewert mehrere k- Werte existieren (Überlappung von Bändern), fällt besonders auf, daß bei Ge und Si das Minimum des Leitungsbandes bei einem anderen k- Wert liegt als das Ma:ximum des Valenz bandes. Dies bedeutet, daß sich bei Elektron-Loch-Paarerzeugung bzw. bei Rekombination sowohl die Energie als auch der Impuls ändert (indirekte übergänge). Im Gegensatz dazu hat GaAs einen "direkten übergang", d.h. die Impulsänderung ist Null bei Generation bzw. Rekombination.

Optische Absorptionsspektren einiger relevanter Halbleiter Si GaAs  = Absorptionskonstante aus dem Absorptionsgesetz f =f0 * exp(-ad) Man sieht, dass im sichtbaren Spektralbereich kristallines Silicium trotz seiner niedrigeren Energielücke wesentlich schwächer absorbiert als GaAs. - BQuelle: W.Fuhs in D. Meissner (Hrg.): „Solarzellen, physikalische Grundlagen und Anwendungen in der Photovoltaik“, p.17, Abb.3

2. Solar-cell Technologies 3.13.32 2. Solar-cell Technologies Materials Technologies Market shares and development Dr. Karl Molter / FH Trier / molter@fh-trier.de

Zu den Folien zu diesem Kapitel aus der Vorlesung von Dr. Molter: lokale Exzerptdatei Zum Original: http://www0.fh-trier.de/~molter/clemson/PV-en.ppt

PV: Stand und Potenziale 3.13.33 PV: Stand und Potenziale

Quelle: J. Luther: „Potenziale der Sonnenenergie –Heutige Technologien und Trends“ , Vortrag 21.11.2005, Folie 8 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html (sehr wichtige Quelle für hervorragende Vorträge zu PV, Sonnenenrgie und RE)

Quelle: J. Luther: „Hocheffiziente Photovoltaik –Stand und Potenziale“ , Vortrag 22.2.2006 , Folie 6 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „Hocheffiziente Photovoltaik –Stand und Potenziale“ , Vortrag 22.2.2006, Folie 16 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „Hocheffiziente Photovoltaik –Stand und Potenziale“ , Vortrag 22.2.2006, Folie 17 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „PV Activities and Strategies at theFraunhofer ISE“ , Vortrag 5.5.2006 , Folie 6 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „PV Activities and Strategies at theFraunhofer ISE“ , Vortrag 5.5.2006 , Folie 8 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „PV Activities and Strategies at theFraunhofer ISE“ , Vortrag 5.5.2006 , Folie 13 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „PV Activities and Strategies at theFraunhofer ISE“ , Vortrag 5.5.2006 , Folie 14 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Relativ hohe Anforderungen an die witterungsbeständigen und langlebigen Module: Quelle: J. Luther: „PV Activities and Strategies at theFraunhofer ISE“ , Vortrag 5.5.2006 , Folie15 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Quelle: J. Luther: „Forschung und Entwicklung für eineNachhaltige Energieversorgung“, Vortrag 8.3.2006;Folie24 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

PV-Marktdaten in Deutschland BQuelle:Intersolar2006 – Freiburg, Messekatalog ; UrQuelle: Solarpromotion GmbH, Freiburg

Kostenreduktion Photovoltaik, 3.13.34 Hier nur: Kostenreduktion Photovoltaik,

Quelle: J. Luther: „Hocheffiziente Photovoltaik – Stand und Potenziale“, Vortrag 22.2.2006; Folie 3 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

wg. Überförderung in BRD boomt die Nachfrage, solar-grade Si wird knapp und die Preise steigen: Stand 2006_0529 Quelle: J. Luther: „Perspektiven der technischen Nutzung der Sonnenenergie, Vortrag 19.6.2006 , Folie 10 http://www.ise.fhg.de/german/vortraege_luther/index.html

Die Produktion von Solarzellen, gemessen in MW, steigt weltweit Die Produktion von Solarzellen, gemessen in MW, steigt weltweit. Das Silizium für Solarzellen kann seit 1998 nicht mehr alleine aus den Siliziumabfällen der Halbleiterindustrie gedeckt werden. Daher: Solarsilizium. Quelle: Bernreuter:“Energie: Siliziumengpass begrenzt PV: Das graue Gold ist knapp “, VDI- Nachrichten Nr.14 (2005), 8.4.2005; p.14

PolySilizium Produktion am Standort Burghausen: Neue Produktionskapazitäten für Solar Silizium sind weltweit im Aufbau. z.B. Erweitert die Firma Wacker Chemie AG ihre Produktionskapazitäten an polykristallinen reinst Silizium und möchte gerne Weltmarktführer (jetzt Nr.2) werden PolySilizium Produktion am Standort Burghausen: derzeit (2006) : 5.500 [t/a] Anfang 2008 : 10 000 [t/a] Ende 2009 : 14 500 [t/a] Quelle: Wacker Chemie Pressemitteilung 28.6.2006, http://www.wacker.com/cms/de/press_media/press-releases/

Erfahrung als Kunde des Elektronik-Einzelhandels Sehr komisch, die Preise sind höher als vor 10 Jahren !! Ich werde der Sache nachgehen müssen

Currys to sell solar panels 31.7.2006:Eine gute Nachricht aus Großbritannien: Currys to sell solar panels By Eoin Callan Published: July 30 2006 22:10 | Last updated: July 30 2006 22:10 Currys will this week become the first big UK retail chain to sell domestic solar power panels, giving homeowners the chanceto slash their energy bills. The company said it would cost the average three-bedroom household about £9,000 to buy and install the panels. This would be substantially cheaper than going to specialist suppliers, which currently charge up to £16,000, but it would still take an average household between seven and 18 years to recoup fully its costs. Homeowners could expect to reduce their energy bills by about 50 per cent, the company said. It added that public attitudes towards solar power had reached a tipping point because of soaring fuel prices and fears about climate change. “We think the moment has arrived. We are anticipating interest from those concerned about rising energy costs, early adopters and the environmentally conscious,” the company said.“Currys has identified a clear demand for renewable energy solutions from customers. Market evaluation has revealed significant levels of interest.” The move dovetails with government steps to encourage the growth of the sector by easing planning restrictions for solar panels and tax credits.Homes account for more than one-quarter of the UK’s carbon dioxide emissions. The prices may be more than most consumers expect to spend in a Currys store but reflect a sharp fall in the cost of solar systems in recent years. Panels have come down in price by more than half in the past five years amid intense competition among global manufacturers. UK industry estimates for further price falls are 5 per cent a year, but global prices could drop more quickly, in line with a wider slide in the cost of electrical goods such as flat-panel televisions. The company will begin with three pilots at stores in Fulham, Croydon and West Thurrock. …………………………. … Copyright The Financial Times Limited 2006

durch Stromverbraucher 3.13.35 Förderung der PV durch Stromverbraucher und Steuerzahler* * Die einst üppige steuerliche Förderung wurde mit Wirkung vom 1.10.2006 reduziert

1. EEG und 2. Steuerabschreibung Förderung der PV: 1. EEG und 2. Steuerabschreibung 1. EEG Übersetzt man die geschwollene juristische Prosa des EEG in eine effektive mathematische Sprache so gilt für die 20 Jahre lang gültige Einspeisevergütung P Bei normalen Dachanlagen (und Lärmschutzwände) bis 30 kWp: (1) P = P0 * 0,95 (N-N0) mit P0 = 57,4 [cent/kWh] ( bei Anlagen bis 30 kWpeak ) N = Jahr der Inbetriebnahme der Anlage N0 = 2004 AD

(2) P = (P0 + PZusatz )* 0,95 (N-N0) Bei allgemeinen Anlagen an /auf Gebäuden und Lärmschutzwänden: (2) P = (P0 + PZusatz )* 0,95 (N-N0) P0: bei Dachanlagen <= 30 kWp : P0 = 57,4 [ct /kWh] ~ ~ mit ]30 – 100 [ kWp : P0 = 54,6 ~ ~ mit >=100 kWp : P0 = 54,0 PZusatz : bei Dachanlagen (und Lärmschutwänden) : PZusatz = 0 [ct /kWh] bei Fassaden etc. : PZusatz = 5 [ct /kWh]

Bei Freiflächen und sonstigen Anlagen: (3) P = P0 * 0,95(N-N0) für N = 2004 und 2005 AD (4) P = P0 * 0,95 * 0,93(N-N0+1) für N >= 2006 Bei Freiflächen und sonstigen Anlagen: P0 = 45,7 [ct /kWh] Und unverändert: N = Jahr der Inbetriebnahme der Anlage N0 = 2004 AD

Der Antrieb für den Ausbau des RE- Stromes Das EEG : Der Antrieb für den Ausbau des RE- Stromes Direkte BQuelle: http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2004/gesamt.pdf Gespeichert unter: EEG_2004_BGB-II-2004-1918.pdf

1a. Abnahmeverpflichtung - der „geborene“ Netzzugang Der einschlägige Gesetzestext 1a. Abnahmeverpflichtung - der „geborene“ Netzzugang Die teuren Zauberworte: unverzüglich vorrangig

1b. Fester Einspeisetarif für PV auf 20 Jahre Der einschlägige Gesetzestext 1b. Fester Einspeisetarif für PV auf 20 Jahre

Hinzu kommen noch:

1. EEG und 2. Steuerabschreibung Förderung der PV: 1. EEG und 2. Steuerabschreibung 1. Vorbemekung: Ich blicke selber hier nur teilweise durch. In dem Prospekt des Beteiligungsfonds der voltwerk AG beansprucht das Kapitel „2 Steuerliche Aspekte “ immerhin 9 Druckseiten; und schließt mit der Empfehlung zum „persönliche Steuerberater“ zu gehen. Dies lohnt sich auch, denn der eigentliche Reiz für betuchte Anleger liegt in der kurzfristigen (!!) steuerlichen Absetzbarkeit eines Großteils (ca. 80%) der Investitionskosten !! Achtung: ungültig seit 2005.1001 2. Steuerliche Begünstigung Siehe Vorbemerkung. Sorry, ich habe es nicht mehr geschafft, das auf einen kurzen Nenner zu bringen. Aber es lohnte sich. Nachbemerkung: seit 2005.10 können Verluste nur noch vorgetragen werden (also jetzt keine Verrechnung mit anderen Einkünften mehr möglich).

Technology Components and Systems Applications Exzerpt aus: Photovoltaics Technology Components and Systems Applications Clemson Summer School 6.5. – 8.5.06 Dr. Karl Molter FH Trier www.fh-trier.de/~molter molter@fh-trier.de Zum Original: http://www0.fh-trier.de/~molter/clemson/PV-en.ppt