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K. Mertens Folie 1Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Prof. Konrad Mertens
Labor für Optoelektronik und Sensorik, Photovoltaik-Prüflabor
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
Fachhochschule Münster
Aktuelles zur Photovoltaik:
Lohnt sich Solarstrom für mein Haus heute noch?
K. Mertens Folie 2Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Gliederung:
1. Was heißt hier Klimaschutz?
2. Einführung zur Photovoltaik
3. Markt- und Preisentwicklung
4. Wirtschaftlichkeit von konkreten Anlagenbeispielen
5. Speicherung von Solarstrom
6. Photovoltaik und Elektroautos?
7. Fazit
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Zur Person
• Seit 1992 im Solarenergie-Förderverein Aachen (SFV):
Vorführung: Schweißen mit Solarenergie…
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Zur Person
Küchen-maschine
Radio Solar-module
Toaster
Bohrmaschine
Wo habt Ihr die Batterie versteckt?
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w.s
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Vorführung: Betrieb von Geräten mit Solarenergie (Halle, 1990)
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Zur Person
Einsatz für kostendeckende Vergütung…
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Dies war die Blaupause für die Einführung des EEG im Jahr 2000!
• 1995: Errichtung der ersten Anlage mit
kostendeckender Vergütung (2 DM/kWh)
• Innerhalb von 4 Jahren übernehmen
40 weitere Städte das Aachener Modell!
Zur Person
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Zur Person
• 1996: Bau einer eigenen Photovoltaikanlage (2 kW)
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Zur Person
• Studium und Promotion (Elektrotechnik) an der RWTH Aachen
• Industrietätigkeit im Bereich Erneuerbare Energien und Intelligente Netze
• Seit 2000 Professor an der Fachhochschule Münster:
• Photovoltaik• Sensorik• Lichtwellenleitertechnik
Lehre:• Photovoltaik-Prüflabor• Qualitätsüberprüfung von Photovoltaikanlagen
Forschung:
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1. Was heißt hier Klimaschutz?
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Verlauf der CO2-Konzentration im Lauf der letzten 20.000 Jahre:
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w.le
hrbu
ch-p
hoto
volta
ik.d
e
Temperaturanstieg
Häufiger Stürme und Überflutungen
Verschiebung von Klimazonen
K. Mertens Folie 11Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Que
lle: V
olke
r Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 12Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Que
lle: V
olke
r Qua
schn
ing
K. Mertens Folie 13Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
agrarheute, 28.08.2019
K. Mertens Folie 14Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
Trockenheit lässt Buchen sterben, WAZ, 28.08.2019
K. Mertens Folie 15Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
NASA Waldbrand Karte
Photo: David Gray/Getty Images
Australien, Herbst 2019
K. Mertens Folie 16Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
NASA Waldbrand Karte
Foto: Dean Miller/dpa
Australien, Frühjahr 2020
K. Mertens Folie 17Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Der Klimawandel hat schon begonnen:
NASA Waldbrand KarteKalifornien, Herbst 2020
K. Mertens Folie 18Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Was ist das?
1881 2018
Jahrestemperaturen seit 1881:
K. Mertens Folie 19Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Gliederung:
https://twitter.com/i/status/1217476536154173440
K. Mertens Folie 20Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Verursacher der deutschen CO2-Emissionen:
Start mit Kohlekraftwerken ist sinnvoll
Parallel müssen die anderen Sektoren umgebaut werden!
Quelle: Volker Quaschning
K. Mertens Folie 21Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Zukunft der Kohlendioxidemissionen in Deutschland:
Wo soll die Energie denn herkommen?
Aus Solarstrom? Ja, unter anderem!
Que
lle: V
olke
r Qua
schn
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2. Einführung zur Photovoltaik
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Prinzipieller Aufbau einer „klassischen“ Photovoltaikanlage:
SolarmodulSolarzelle
K. Mertens Folie 24Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Wirkungsgrad von Solarmodulen:
z.B. Wirkungsgrad Modul = 18 %
• Was heißt das? Bei voller Sonneneinstrahlung (1000 W/m2) bringt ein Solarmodul (Fläche 1,7 m2, Wirkungsgrad 18 %) eine maximale Leistung (Peakleistung) von:
2Modul P2
Watt1000 1,7 m 18 % 300 Wattm
P
Anlage P P P17 300 Watt 5,1 kW 5 kWP
Zelle
OptischeLeistung
„Peak“• Modul:
• Ganze Anlage:
Optisch
ElektrischModul LeistungOptische
LeistungeElektrischP
P
Merke: z.B. knapp 30 Quadratmeter reichen für eine 5 kWp – Anlage!
z.B. 17 Module:
ElektrischeLeistung
K. Mertens Folie 25Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Beispiel des Energieertrags realer Anlagen:
Jahr
Spezifischer jährlicher Ertrag in kWh/kWpa) Anlage Aachen
• Baujahr: 1996• Leistung: 2 kW• Ausrichtung: Süd• Dachneigung: 45°• „alte Technik“
Durchschnittlicher Ertrag: 830 kWh/kWp
b) Anlage Steinfurt
• Baujahr: 2008• Leistung: 25 kW• Ausrichtung: Süd• Neigung: 25°• „moderne Technik“
Durchschnittlicher Ertrag: 1017 kWh/kWp
Ertrag in kWh/kWp
Jahr
900 kWh/kWp sind in unseren Breiten ohne Weiteres machbar!
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Ertragsabhängigkeit von der Dachausrichtung
z.B. Westdach mit 30 Grad Neigung:
• 17 % Minderung• (entspricht Ertrag von rund 755 kWh/kWp
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3. Markt- und Preisentwicklung
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Ausbau der Photovoltaik in Deutschland
• Jährlicher Zubau zwischenzeitlich bei ca. 7 GWp/Jahr
• Aktuell (2020): ca. 4 GWp/Jahr
• Eigentlich brauchen wir 10 GWp/Jahr
• Installierte Leistung in GWp:Der 52 GW-Deckel!
• Der 52 GW-Deckel muss weg!• Der 52 GW-Deckel ist weg!
K. Mertens Folie 29Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
• Wachstumsraten über 40 %
• 2018 und 2019: jeweilsrund 100 GWp zusätzlich installiert!
• Europa spielt aktuell kaum noch eine Rolle
Weltweites Wachstum der Photovoltaik
• Bislang weltweit installierte Leistung in GWp:
K. Mertens Folie 30Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Stromerzeugung durch erneuerbare Energien in Deutschland
Aktueller Status (2019):
• Anteil der erneuerbaren Energien am Nettostrombedarf: 44 %
• Anteil der Photovoltaik am Nettostrombedarf: 9 %
• Stromerzeugung in Mrd. kWh
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Preisentwicklung:
• Modulpreise seit 1980 (inflationsbereinigt):
• Reduzierung von 27 Euro/Wp auf unter 27 Cent/Wp!
Jahr
K. Mertens Folie 32Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Preisentwicklung:
• Entwicklung der Einspeisevergütung seit 2004:
Photovoltaikstrom ist inzwischen günstiger als Biomasse und Offshore-Windkraft!
Aktuelle Ausschreibungen von Freiflächenanlagen: Betreiber bieten 4,5 Ct/kWh!
K. Mertens Folie 33Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Preisentwicklung:
• Einspeisevergütung und Strompreis
Eigenverbrauch lohnt sich!
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4. Wirtschaftlichkeit von konkreten Anlagenbeispielen
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Beispiel A: 5 kWp-Anlage ohne Eigenverbrauch
Solar-module
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Beispiel A: 5 kWp-Anlage ohne Eigenverbrauch
Investitionskosten: z.B. 6.000 Euro (entspricht 1.200 Euro/kWp)
Stromertrag pro kWp: 900 kWh/Jahr
Einnahmen: 9 ct/kWh x 900 kWh/Jahr x 5 = 405 Euro/Jahr
Laufende jährliche Kosten: 1,5 % der Investitionskosten: 90 Euro/Jahr
Ausgaben: 90 Euro/Jahr
Überschuss: (405 – 90) Euro/Jahr = 315 Euro/Jahr
Amortisationszeit: 6.000 Euro / 315 Euro/Jahr = 19,0 Jahre
Rendite: = 0,5 %
nicht herausragend!
Was kann man tun, um die Rendite zu verbessern?
(Nettopreise)
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Beispiel B: 5 kWp-Anlage mit Eigenverbrauch
Solar-module
K. Mertens Folie 38Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Beispiel B: 5 kWp-Anlage mit Eigenverbrauch
Einnahmen durch Einspeisung: 9 ct/kWh x 2/3 x 4500 kWh/Jahr = 270 Euro/Jahr
Vorteil durch Eigenverbrauch: 28 ct/kWh x 1/3 x 4500 kWh/Jahr = 420 Euro/Jahr
Gesamteinnahmen: 690 Euro/Jahr
Laufende jährliche Kosten: 1,5 % der Investitionskosten: 90 Euro/Jahr
Rendite ist deutlich verbessert!
• z.B. 1/3 des erzeugten Stroms wird selbst verbraucht, Tarifstrom kostet z.B. 28 ct/kWh
• Neue Rechnung:
Ausgaben: 90 Euro/Jahr
Überschuss: (690 – 90) Euro/Jahr = 600 Euro/Jahr
Amortisationszeit: 6.000 Euro / 600 Euro/Jahr = 10 Jahre
Rendite: = 7,7 %
K. Mertens Folie 39Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Konkrete Empfehlungen bei Planung und Kauf einer PV-Anlage:
• Dacheignung prüfen (steht ggf. Sanierung an?)
• Installierbare PV-Leistung abschätzen
• Verschiedene Varianten durchrechnen lassen
• Mehrere Angebote einholen!
Geeignete Solaranlage installieren
K. Mertens Folie 40Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Welche Art von Modulen?
multikristallin: monokristallin:
Wirkungsgrad: bis 18 % Wirkungsgrad: bis 22 %
Bilder: Solarwatt
K. Mertens Folie 41Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
• Gibt es Energieeinsparpotential?
• z.B. Beleuchtung:
• z.B. Haushaltsgeräte:
• Macht ggf. Wärmeerzeugung mit Strom Sinn? (Brauchwasser oder Heizung)
Ebenfalls zu überlegen:
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Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Heizstab
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Eigenverbrauchserhöhung durch Wärmeproduktion: Mit Wärmepumpe
K. Mertens Folie 44Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
5. Speicherung von Solarstrom
K. Mertens Folie 45Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
=
PV-GeneratorWechselrichter
öffentliches Netz
Hausverbraucher
Akkumulator(Blei oder Lithium-Ionen)
Prinzip
• Ein Teil des Stroms wird zwischengespeichert, um den Eigenverbrauchsanteil zu erhöhen
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Aktuelle Situation:
• Zusatzfeatures: z.B. Notstromfunktion, Anbindung an Elektroauto, etc.
Quelle: DGS
• Lithium-Ionen-Speicher haben sich praktisch durchgesetzt ggü. Bleispeichern
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Aktuelle Situation:bis Ende 2019:ca 200.000 Speicher installiert! (EuPD Research 03/2020)
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ca. 30 % Eigenanteil
ca. 60 % Eigenanteil
Intelligentes System zur Erhöhung des Eigenverbrauchs (EFH):
a) Ohne Speicher und Lastmanagement: eingespeiste PV-Energiedirekt verbrauchte PV-Energie
aus Netz be-zogene Energie
b) Mit Speicher und Lastmanagement:
Quelle: SMA
gespeicherte PV-Energie
aus Speicher bezogene Energie
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Aktuelle Situation:
Speicher rechnen sich bislang nur in Ausnahmefällen!
• Bislang wurden in Deutschland ca. 200.000 Heimspeicher installiert
• Kosten von Speichern sinken (insb. Lithium-Ionen-Speicher)
• Kosten zur Speicherung einer Kilowattstunde liegen aber immer noch über 15 bis 20 Cent
Speicherung in Wärme (z.B. in Kombination mit Wärmepumpen) ist eher wirtschaftlich!
K. Mertens Folie 50Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
www.pv-now-easy.de
Speicherauslegung mit pv-now-easy:
Fall A: ohne Speicher: Fall B: mit Speicher:
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https://pvspeicher.htw-berlin.de/speicher-inspektion-2020/
Studie zur Effizienz von aktuellen Stromspeichern:
K. Mertens Folie 52Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Was ist hier falsch?
Foto: K. Mertens
K. Mertens Folie 53Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Nutzt die Dächer!
Quelle: Pixabay
www.pv-magazine.dewww.solaranlagen-portal.com
Pixabay
Pixabay
K. Mertens Folie 54Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Macht die Dächer voll!2002: 3,2 kWp 2007: 5,5 kWp
2020: 10 kWp
2021: 15 kWp ??
K. Mertens Folie 55Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
https://www.energieatlas.nrw.de/site/karte_solarkataster
Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…
Beispiel Beckum: rund um die Richard-Wagner-Strape
K. Mertens Folie 56Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Die Dächer müssen genutzt werden: Es ist noch genug Platz…
Quelle: google maps
Beispiel Beckum: rund um die Richard-Wagner-Strape
K. Mertens Folie 57Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
6. Photovoltaik und Elektroautos?
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Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…
K. Mertens Folie 59Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Nutzt die Dächer… auch für das Elektroauto…
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w.p
ram
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z.B. 5 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr!
besser: 10 kWp - Anlage: 25.000 km pro Jahr + 4500 kWh für Haushalt…
K. Mertens Folie 60Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Wie man es nicht machen sollte:
Foto: Frank Neuhaus
K. Mertens Folie 61Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Gewöhnungsbedürftig…
Foto: © Bildarchiv Bayerisches Landesamt für Denkmalpflege, München; Fotograf: Joachim Gattenlöhner, Kitzingen
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So bekommt man einen hohen Eigenverbrauchsanteil…
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Wie man es nicht machen sollte:
Bild: photon-pictures.com
K. Mertens Folie 64Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Foto: Jörg Philipp
Wie man es nicht machen sollte:
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7. Fazit
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• Solarstrom ist inzwischen deutlich günstiger als Biomasse- und Offshore-Windkraft
• Die Einspeisevergütung allein reicht aktuell kaum noch für einen auskömmlichen Betrieb
• Durch Eigenverbrauch ist die Rendite dennoch akzeptabel bis sehr gut
• Speicher rechnen sich im Moment i.A. noch nicht, werden aber immer günstiger
• Die Elektromobilität wird den weiteren Ausbau der Photovoltaik beschleunigen
• Macht die Dächer voll, woher soll der Strom denn sonst kommen???
Fazit
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Lehrbuch: Photovoltaik – Grundlagen, Technologie und Praxis
Photovoltaik verstehen?www.lehrbuch-photovoltaik.de
K. Mertens Folie 68Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
www.lehrbuch-photovoltaik.deInfos zur Homepage: Über 200 Abbildungen zum freien Download
K. Mertens Folie 69Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
www.lehrbuch-photovoltaik.deSoftware: Renditeberechnung
K. Mertens Folie 70Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
www.lehrbuch-photovoltaik.deSoftware: Renditeberechnung
K. Mertens Folie 71Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Vortragsfolien zum Download: www.fh-muenster.de/mertens
(ganz unten…)
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Anhang
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A. Balkonanlagen
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Als Fensterladen
Guerilla-Photovoltaik: Kleinstanlage aus ein oder zwei Modulen
Im Garten An der Garage
An der Hauswand
Fotos: DGS, Markus Vietzke
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z.B. „Balkonkraftwerk“:
Komplettpaket:• 2 Solarmodule (je 300 Wp)• Miniwechselrichter• Ggf. mit Unterkonstruktion• Zubehör• Preis: 600 Euro (brutto)
• Anschlussbedingungen sind aktuell in der Normung
• Ziel: Modulstecker direkt in (spezielle) Steckdose stecken dürfen
https://youtu.be/58Ako7uaaJcVideo:
Foto: BürgerEnergie Berlin
Foto: www.alpha-solar.info
Marktübersicht: www.pv-magazine.de/themen/kleinmodule/
K. Mertens Folie 76Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
B. Zukünftige Energieversorgung, Flächeneffizienz
K. Mertens Folie 77Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Heutiger Strommix:
Bisher nur ca. 9 Prozent Solarstrom
Quelle: Volker Quaschning
K. Mertens Folie 78Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Einbeziehung von Verkehr, Wärme, etc.:
Das Energiesystem muss vollständig erneuerbar werden!
Quelle: Volker Quaschning
K. Mertens Folie 79Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Zielsituation im Jahr 2040:
Photovoltaik mit 30 % Anteil am künftigem Strommix!
Quelle: Volker Quaschning
K. Mertens Folie 80Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Flächenbedarf für 30 % der Photovoltaik an der Stromerzeugung
Die Dächer und Fassaden reichen aus!!
Nutzen wir die Dächer!!
Und wenn die Photovoltaik noch mehr liefern sollte?
(30 % des Strombedarfs)
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w.le
hrbu
ch-p
hoto
volta
ik.d
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K. Mertens Folie 81Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Was ist hier falsch?
K. Mertens Folie 82Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Und wenn die Photovoltaik noch mehr liefern sollte?
Fallbeispiel: Wir haben einen Hektar Fläche zur Stromerzeugung zur Verfügung:
• Fall A: Wir bauen Energiemais an: Sonne Mais Biogas Strom
• Fall B: Wir nutzen Photovoltaik: Sonne Strom
Ertrag:
Ertrag: Faktor 50 !!!
Übrigens:
Aktuell werden 21 % der Ackerflächen Deutschlands für Energiepflanzen genutzt.
Würde man „das letzte 1 %“ für Photovoltaik verwenden, ergäbe das 20 % des gesamten Strombedarfs
Fazit: das Potential der Photovoltaik ist selbst in Deutschland gigantisch!
Zur Ehrenrettung der Biomasse: + Biomasse ist speicherbar
+ Restpflanzennutzung macht auf jeden Fall Sinn
100 m
100
m
100 m
100
m
1 Mio. kWh !
ca. 20.000 kWh
K. Mertens Folie 83Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Quelle: Erdgas Südwest
Nutzt die hohe Flächeneffizienz der PV!
Solarpark Herten
Next2Sun
Christina Grätz, Nagola Re GmbH
Foto: Anonym
K. Mertens Folie 84Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
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hrbu
ch-p
hoto
volta
ik.d
e
Flächenbedarf:
Welche Fläche bräuchte man, um den gesamten (!) Weltenergiebedarf (Strom, Verkehr, Heizung, …) mit Photovoltaik zu decken (Annahme: Wirkungsgrad 10 %)?
Der heutige Wirkungsgrad reicht eigentlich auch schon!
K. Mertens Folie 85Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Flächenbedarf:
Besser: Verteilung der Solaranlagen über die ganze Welt…
ww
w.le
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hoto
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ik.d
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K. Mertens Folie 86Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
C. Photovoltaik und Feuerwehr
K. Mertens Folie 87Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Photovoltaik und Feuerwehr
K. Mertens Folie 88Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Zeitungsberichte…
Quelle: SMA Solar Academy
K. Mertens Folie 89Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Handlungsempfehlungen des deutschen Feuerwehr-Verbands:
Solarmodule stehen bei Licht unter Spannung
Ein brennendes Haus mit PV-Anlage wird dennoch gelöscht
Fazit:
• Ein Haus mit Photovoltaikanlage wird behandelt wie eine Haus,
das noch ans Stromnetz angeschlossen ist!
• Mindestabstände beim Strahlrohr:
K. Mertens Folie 90Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
D. Sonstiges
K. Mertens Folie 91Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Prinzip von Power-To-Gas
K. Mertens Folie 92Webinar VHS Beckum, 30.09.2020
Preisentwicklung:
• Modulpreise als Lernkurvendarstellung:
35 ct/Wp
25 ct/Wp
• In den letzten zwei Jahren: deutliche Preisreduktionen
Marktanreizprogramme sind erfolgreich!
Lernrate: ca. 24 %