Technologische Herausforderungen im Zeitalter der erneuerbaren Energien - Climate Service Center
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Technologische
Herausforderungen im Zeitalter
der erneuerbaren Energien
Vladimir Dyakonov
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern)
Forschungsverbund Erneuerbare Energien (FVEE)
Thementagung 20. und 21. Januar 2011 Leipzig
Living under a milder sky ....
ZAE BAYERN
„Der Anstieg des CO2 wird
zukünftigen Menschen
erlauben, unter einem
wärmeren Himmel zu leben.“
Svante August Arrhenius (1859-1927)
war 1886 in Würzburg
2
Anteil von Kohlendioxid in der Atmosphäre
ZAE BAYERN
390 ppm
ca. 30 Mrd. t CO2 in 2010
3
Brundtland-Kommission in 1987:
ZAE BAYERN
„Sustainable development is a
development that meets the
needs of the present without
compromising the ability of
future generations to meet
their own needs.“
Vorsitzende Gro Harlem Brundtland
norwegische Ministerpräsidentin
4
ZAE BAYERN
5
ZAE BAYERN
6
ZAE BAYERN
„But even if you doubt the evidence, providing
incentives for energy efficiency and clean energy are
the right thing to do for our future - because the nation
that leads the clean energy economy will be the nation
that leads the global economy.
And America must be that nation!“
B. Obama on Energy,
The Washington Post, January 27, 2010
7
Energiekonzept der Bundesregierung
ZAE BAYERN
Energie
Energiekonzept
für eine umwelt schonende, zuverlässige und
bezahlbare Energieversorgung
28. September 2010
www.bmwi.de
www.bmu.de
28.09.2010
8
eine vollständige Versorgung mit erneuerbaren
Energiekonzept der Bundesregierung
Die Bundesregierung hat am 28. September 2010 Energien möglich ist [FVEE 2010-1], [FVEE 2010-2].
erstmals einen Entwurf für ein umfassendes Für dieses nachhaltige Energiesystem wurde ein
ZAE BAYERN
Energiepolitische
Energiekonzept Zielsetzungen
beschlossen, das prinzipiell sehr quantitatives Konzept entwickelt. Dabei leisten
zu begrüßen ist, da es weitreichende Zielsetzun- alle erneuerbaren Energien einen wichtigen
Zielsetzungen für das Jahr: 2020 2030 2040 2050
ische
Reduktion Treibhausgasemissionen
en der (gegenüber 1990) -40% -55% -70% -80 – 95%
erung bis
Reduktion Primärenergieverbrauch Steigerung Energie-
050 (gegenüber 2008) -20% produktivität um 2,1%/a -50%
eg 2010] Reduktion Stromverbrauch
(gegenüber 2008) -10% -25%
Reduktion Endenergieverbrauch
im Verkehrsbereich (gegenüber 2005) -10% -40%
Anteil erneuerbarer Energien
am Bruttoendenergieverbrauch 18% 30% 45% 60%
Anteil erneuerbarer Energien
am Bruttostromverbrauch 35% 50% 65% 80%
9
eine vollständige Versorgung mit erneuerbaren
Energiekonzept der Bundesregierung
Die Bundesregierung hat am 28. September 2010 Energien möglich ist [FVEE 2010-1], [FVEE 2010-2].
erstmals einen Entwurf für ein umfassendes Für dieses nachhaltige Energiesystem wurde ein
ZAE BAYERN
Energiepolitische
Energiekonzept Zielsetzungen
beschlossen, das prinzipiell sehr quantitatives Konzept entwickelt. Dabei leisten
zu begrüßen ist, da es weitreichende Zielsetzun- alle erneuerbaren Energien einen wichtigen
Zielsetzungen für das Jahr: 2020 2030 2040 2050
ische
Reduktion Treibhausgasemissionen
en der (gegenüber 1990) -40% -55% -70% -80 – 95%
erung bis
Reduktion Primärenergieverbrauch Steigerung Energie-
050 (gegenüber 2008) -20% produktivität um 2,1%/a -50%
eg 2010] Reduktion Stromverbrauch
(gegenüber 2008) -10% -25%
Reduktion Endenergieverbrauch
im Verkehrsbereich (gegenüber 2005) -10% -40%
Anteil erneuerbarer Energien
am Bruttoendenergieverbrauch 18% 30% 45% 60%
Anteil erneuerbarer Energien
am Bruttostromverbrauch 35% 50% 65% 80%
10FVEE Vision für 100% EE
ZAE BAYERN BMU: Treffen mit dem Bundesminister Dr. Norbert Röttgen
am 22.06.2010
11Das technische Potential EE weltweit
ZAE BAYERN
12Energiekonzept der Bundesregierung
ZAE BAYERN 9 Handlungsfelder
• Erneuerbare Energien
• Energieeffizienz
• Kernenergie und fossile KW
• Netzinfrastruktur
• Energetische Gebäudesanierung
• Mobilität
• Energieforschung
• Energieversorgung im internationalen Kontext
• Transparenz und Akzeptanz
13Energiekonzept der Bundesregierung
ZAE BAYERN Schwerpunkte der Energieforschung
• Erneuerbare Energien
• Energieeffizienz
• Energiespeichertechnologien und Netztechnik
• Integration der erneuerbaren Energien in die
Energieversorgung
• Zusammenwirken von Energietechnologien
Im 2011 wird das 6. Energieforschungsprogramm der BReg
verabschiedet
14FVEE-Beitrag zum 6. EFP der BReg
ZAE BAYERN
Definition des Forschungsbedarfs
sowie die Empfehlungen für
Forschungsförderung in
den Bereichen
EE, Energieeffizienz,
Speicherung, Systemanalyse
Übergabe erfolgte am 11.10.10 an
die Vertreter der Ministerien
BMBF, BMWi und BMU
15Eckpunkte des FVEE-Beitrags
ZAE BAYERN
• Energiebereitstellung
• Energietransport, -verteilung, -speicherung
• Energieumwandlung
• Energienutzung
• Systemanalyse und Transformationsforschung
16Eckpunkte des FVEE-Beitrags
ZAE BAYERN Energiebereitstellung
• Photovoltaik
• Solarthermie (Wärme, Strom)
• Bioenergie (Polygeneration)
• Geothermie
• Windenergie (On-, Off-shore)
• Meeresenergie
• Wasserkraft
17Entwicklung der Photovoltaik
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ZAE BAYERN
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ZAE BAYERN
100
1980
[€/Wp] (CAGR 25%/a)
1990 (0.2 GWp)
2020
10 2000
2010
(30 GWp)
1
Netzparität in D: 20-25cent/kWh
10-4 10-2 1 102
Installierte Peak Power (kumuliert) [GWp]
Wie vergrößert man die Neigung der Lernkurve?
19Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Strom aus Photovoltaik
Forschungsbedarf:
• neue Materialien
• Materialeinsparung (Dünnschicht)
• Erhöhung des Wirkungsgrades
• neue Zellkonzepte
• neue Verschaltungsmethoden für Module
• Technologien für verschiedene
ästhetische & mechanische
Anforderungen (farbig, flexibel...) Flexible CIS-Solarmodule (ZSW)
• kostengünstigere
Herstellungstechnologien
• Erhöhung der Lebensdauer & Recycling
20Neue Konzepte: „50% Photovoltaik“
ZAE BAYERN
• Stapelzellen
• Konzentratorzellen
• up-/down-Konversion
• nicht-thermalisierte Ladungsträger
• Ladunsgsträgermultiplikation (Auger-Zelle)
• Quantentopfstrukturen
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Multibänderzellen
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21Neue Konzepte: „50% Photovoltaik“
ZAE BAYERN
• Stapelzellen
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• nicht-thermalisierte Ladungsträger
• Ladunsgsträgermultiplikation (Auger-Zelle)
• Quantentopfstrukturen
• Multibänderzellen
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22Neue Konzepte: „50% Photovoltaik“
ZAE BAYERN
• Stapelzellen
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23
/+7&8*9&+: ?&-(0+7=9/+.#7&8*9&+:Neue Konzepte: „low cost PV“
ZAE BAYERN Molekulare (organische) Halbleiter
24Organische bzw. Hybrid-Photovoltaik
ZAE BAYERN Warum organische Halbleiter?
• hochabsorbierend
• mechanisch flexibel, leicht
• variable Form und Farbe, Transluzenz
• niedrige Herstellungskosten
• sehr gutes Schwachlichtverhalten
25Organische bzw. Hybrid-Photovoltaik
ZAE BAYERN Solarzellen wie Papier drucken
Industrieprozessrelevante Technologie:
Rolle-zu-Rolle-Beschichtung und
Verkapselung
26Skyshades – 3-form/Lundberg
Greg Norman Headquarters San Francisco B
Organische bzw. Hybrid-Photovoltaik
ZAE BAYERN Anwendungen gedruckter Photovoltaik
• Zur Zeit: Verbraucherelektronik (Ladegeräte, ...)
• Zukunft: Gebäude integrierte PV (BIPV)
Recharge-Our-World,
Nomad® Outdoor Charger
ging Konarka Technologies, Inc.
Arch Aluminum & Glass
Curtain Wall
Neuber‘s
Shading Structures & BIPV
Skyshades – 3-form/Lundberg Design
Greg Norman Headquarters San Francisco Bus Shelter
Portable charging
Bubble Bags
Neuber‘s
K
Konarka Technologies, Inc.
Arch Aluminum & Glass
Curtain Wall
ctures & BIPV 27
3-form/Lundberg Design
San Francisco Bus ShelterOrganische bzw. Hybrid-Photovoltaik
ZAE BAYERN Wirkungsgrad-Wachstum
Wirkungsgrad-Wachstumsrate ca. 0,8%/a seit 2005
28Eckpunkte des FVEE-Beitrags
ZAE BAYERN Energiebereitstellung
• Photovoltaik
• Solarthermie (Wärme, Strom)
• Bioenergie (Polygeneration)
• Geothermie
• Windenergie (On-, Offshore)
• Meeresenergie
• Wasserkraft
29!"#$%&'()"*+,-.+/%",-"-.*%-
Entwicklung der Windenergie
ZAE BAYERN
?Größe als Problemlösung?
ZAE BAYERN Größe als Problemlösung?
Historisch extrapolierte Sichtweise
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2020
• 20 MW Anlage würde ca. 2400 t wiegen
© Fraunhofer IWES
• Beanspruchungsgrenze Material
31Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Windenergie
Forschungsbedarf:
• Untersuchung und Einsatz neuer
Materialien. Reduzierung des Gewichts
• Weiterentwicklung der Anlagetechnik
(Generatoren, Rotorblättern)
• Verbesserung der Eigenschaften bzgl. der
Aerodynamik und Aeroakustik von WEA
• Verbesserte Erkundung, Erfassung und
Bewertung standortspezifischer
Windbedingungen. Standortanalyse
• Innovative Logistik für Transport
• Entwicklung der Recycling-Konzepte
32Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Energietransport, -verteilung, -speicherung
• Elektrische Systemtechnik
• Netze für Gas-, Wärme- und Kälteverteilung
• Chemische Speicher
• Elektrochemische Speicher
• Thermische Speicher
33Energiespeichertechnologien: Vergleich
Vergleich:
ZAE BAYERN Energiespeicher-Technologien
!"#$%&#'!(#%&)*+*,$# !"#;.Energiespeicherung durch Methanerzeugung
!"#$%$"&'"$()*$+,'#)-).'(($"(+/00)1 2/334%#5)6/#)7+"/81
Nutzung vorhandener Erdgasnetze
ZAE BAYERN
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35Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Energienutzung
• Energieeffizientes und solares Bauen
• Energiesystem Stadt –Smart Cities
• Elektromobilität
Governor
Schwarzenegger
in his
„what All can do“ list:
„Insulate your home, switch out your windows
for double pane…“
36Primärenergieverbrauch in BRD
ZAE BAYERN nach Bedarfsarten
Beleuchtung
Prozesswärme 4%
Mechanische
23% Energie
37%
Raumheizung
26% Sonstiges
10%
100% = 14565 PJ
23 Mio. Gebäude in Deutschland brauchen Wärmeisolation
37Technologie
Cooling Demand within thezurEUDeckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Energieeffizientes und solares Bauen
Increase by factor of 5 expected within 25 years
Forschungsbedarf:
150000
Cooling demand in GWh for the EU-15
• Hoher Wärmeschutz der Gebäudehülle
100000
• Multifunktionale Fassaden
(Energieerzeugung,
50000
Energiespeicherung, Sonnenschutz,
Schallschutz,
0 Lüftung...)
1990 1995 2000 2005 2010 2015
• Solar-optimierte Fenster (Lichtlenkung,
© EECCAC, Country reports, 2003
Sonnenschutz, Dämmung)
• Energieeffiziente Beleuchtung
Remedy:
(Tageslichtsyteme,
Energy-efficient systems LED)
use passive cooling
with phase change materials (PCMs)
• Passive Kühlung
(Phasenwechselmaterialien) © ZAE Bayern
38Gebäude als Energiesystem
ZAE BAYERN
Experimentiergebäude ZAE Bayern in WÜ:
Südansicht mit transparenten Wärmedämmungen, schaltbaren und
evakuierten Wärmedämmungen sowie Sonnenschutzeinrichtungen
Source: ZAE Bayern
39Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Energie sparende Komponenten
Vakuum-Isolierglas
(VIG)
Latente
Wärmespeicher(PCM)
Tageslicht
Vakuum-Isolationspaneele
(VIP)
niedrig emittierende
Schichten
40Gebäude als Energiesystem
ZAE BAYERN
• Fassade:
U ≤ 0,2 W/(m2K)
• Fensterbereich kritisch
6
Quelle: ZAE Bayern e.V.
1
Source: ZAE Bayern
41Technologie als Problemlösung
Evakuierte thermische Isolationen
Vakuum-Isolationspaneel (VIP)
ZAE BAYERN
Vakuum Isolationen
zylindrische Gefäße: flache Elemente:
Thermoskannen, Vakuum-Isolations-Paneele (VIP)
Kryogefäße
Druck tragendes Füllmaterial
Atmosphärendruck
entspr. Gewichtslast:
10 t / m!
! = 0,0001 bis 0,005 W/(mK) ! = 0,001 bis 0,008 W/(mK)
© ZAE Bayern © ZAE Bayern
42Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN Vakuum-Isolationspaneel (VIP)
Hochbarrierefolie
Schutzvlies
Evakuierter Kern
(nanoporöses SiO2)
43Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN VIP-sanierte Reihenhausfassade
44Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN VIP-sanierte Reihenhausfassade
Temperatur
45Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN Schlanke, energieeffiziente Fassade
Wandstärke: 60 bis 70 mm
U-Wert ≈ 1.3 W/(m2K)
Durchschnittstemperatur -3.2°C
46Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN Vakuum-Isolierglas (VIG)
• gute Wärmedämmung
U ≈ 0,5 W/(m2K)
• geringes Gewicht
(nur 2 Scheiben)
• schlanker Aufbau
≈ 10mm
47Technologie
View through als insulation
a vacuum Problemlösung
glazing
ZAE BAYERN Vakuum-Isolierglas (VIG)
J.Fricke, ITCC-ITES 2009, Pittsburgh/PA © ZAE Bayern
48Technologie als Problemlösung
ZAE BAYERN „low-e“ Oberflächen in der Architektur
Source: Herzog + Partner, Lang, Munic
49Technologie zur Deckung des Energiebedarfs
ZAE BAYERN Systemanalyse und Transformationsforschung
• Systemanalyse und Technikfolgenabschätzung
• Transformationsforschung
FVEE Jahrestagung 2011
"Transformation zu einem nachhaltigen Energiesystem"
Berlin am 12. und 13.10.2011
50Zusammenfassung
ZAE BAYERN
Eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien ist
• technisch möglich
• ökologisch / klimatechnisch notwendig
Herausforderungen
• Umbau der Energieversorgungsstrukturen
• Hoher Investitionsaufwand zu Beginn
• “Transformation”des Bewusstseins
Entscheidend
• politischer Wille und Bewusstseinswandel
51Sie können auch lesen
