Der Einfluss innovativer Photovoltaik-Technologien auf urbane Energiesysteme – Eine Energiesystemanalyse mit Konzentrator-PV, Perowskit-Silizium-PV und PV-betriebenen Wärmepumpen im Vergleich zu modernsten Technologien (Haas et al., 2021)

Städte müssen einen Beitrag zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen leisten, wenn die Klimaziele des Pariser Abkommens und die daraus resultierenden nationalen und regionalen Ziele erreicht werden sollen. Der Platz für erneuerbare Energien in urbanen Gebieten ist jedoch begrenzt, während der Bedarf pro Fläche vergleichsweise hoch ist, da die Tendenz zu mehrgeschossigen Gebäuden besteht. Um die städtische Abhängigkeit vom ländlichen Raum im Zusammenhang mit der Energiewende hin zur Dekarbonisierung zu verringern, sollte das Verhältnis zwischen Erzeugung und Nachfrage in den Städten verbessert werden.

Die Wissenschaft entwickelt hocheffiziente Photovoltaik-Technologien, die eine Lösung für die Platzbeschränkung für erneuerbare Energien in Städten sein können, während Wärmepumpen als Möglichkeit zur Dekarbonisierung des Wärmesektors erforscht werden. In dieser Studie haben wir die Auswirkungen von drei innovativen Photovoltaik-Technologien auf städtische Energiesysteme in Wohngebäuden analysiert: ein hybrides Photovoltaik-Siliziummodul mit hohem Konzentrator, ein fiktives hocheffizientes Tandem-Perowskit-Siliziummodul und eine photovoltaikbetriebene Wärmepumpe.

In einer Energiesystemanalyse mit linearer Optimierung haben wir die Auswirkungen auf den Grad der Autonomie, den Eigenverbrauch, die Gesamtsystemkosten und die Treibhausgasemissionen des Energiesystems im Vergleich zu standardmäßiger multikristalliner Silizium-Photovoltaik und fossiler Wärmeversorgung aus einem Gaskessel untersucht. Darüber hinaus haben wir das Potenzial für die Versorgung von Netto-Nullenergie-Gemeinden mit diesen Technologien untersucht. Wir haben uns auf das lokale Energiesystem von fiktiven Wohngebieten von 20 Gebäuden unter zwei verschiedenen klimatischen Bedingungen in Madrid (Spanien) und Berlin (Deutschland) konzentriert. Da insbesondere die Konzentrator-Photovoltaik stark von der direkten Einstrahlung abhängig ist, haben wir den Einfluss des Standortes an zehn weiteren europäischen Standorten untersucht.

Wir haben festgestellt, dass unter den derzeitigen Vorschriften die spezifischen Investitionskosten für Konzentrator-Photovoltaik und Perowskit-Silizium gesenkt werden müssten, um mit der Siliziumtechnologie konkurrieren zu können. Der Anwendungsfall von Netto-Nullenergie-Gemeinschaften zeigt jedoch den Vorteil der platzsparenden Technologie der Konzentrator-Photovoltaik. Für Perowskit-Silizium als Technologie, die hinsichtlich Wirkungsgrad und spezifischer Investitionskosten zwischen Konzentrator-Photovoltaik und Silizium positioniert ist, fanden wir in den berechneten Szenarien keinen plausiblen Vorteil gegenüber Silizium. Aufgrund des geringen technologischen Reifegrads sind unsere Annahmen für die Perowskit-Silizium-Technologie jedoch im Vergleich zu den anderen Technologien unsicherer. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass photovoltaisch betriebene Wärmepumpen eine geeignete Technologie sind, um den Eigenverbrauch zu erhöhen und die Treibhausgasemissionen eines Energiesystems zu senken.

Download