Strategische Planung eines Kreislaufwirtschaftssystems für Photovoltaikmodule: Datenbasierte Prognose und Entwicklung eines umfassenden Systemverständnisses

203 Pages·2017·3.776 MB·German

by  Martin Dirr (auth.)

Martin Dirr
Strategische Planung eines
Kreislaufwirtschaftssystems
für Photovoltaikmodule
Datenbasierte Prognose und
Entwicklung eines umfassenden
Systemverständnisses
Strategische Planung eines
Kreislaufwirtschaftssystems
für Photovoltaikmodule
Martin Dirr
Strategische Planung
eines Kreislaufwirt­
schafts systems für
Photovoltaikmodule
Datenbasierte Prognose und
Entwicklung eines umfassenden
Systemverständnisses
Martin Dirr
Augsburg, Deutschland
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr.-Ing. eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Augsburg
von Dipl.-Kfm. Univ. Martin Dirr Augsburg, April 2016
Erstgutachter: Prof. Dr. Axel Tuma
Zweitgutachter: Prof. Dr. Armin Reller
Tag der mündlichen Prüfung: 13.06.2016
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ISBN 978-3-658-15891-0 ISBN 978-3-658-15892-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-15892-7
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis .............................................................................................................................. V 
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... IX 
Tabellenverzeichnis ......................................................................................................................... XI 
Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................................... XIII 
1  Einleitung ...................................................................................................................................... 1 
2  Technologische und ökonomische Rahmenbedingungen ......................................... 7 
2.1  Technologie der Energieerzeugung aus solarer Strahlung .............................. 7 
2.1.1  Solarthermie ............................................................................................................... 7 
2.1.2  Photovoltaik ............................................................................................................... 8 
2.2  Entwicklung und aktuelle Kennzahlen der Photovoltaik .............................. 16 
2.3  Verwertungsoptionen für Photovoltaikmodule ................................................ 26 
2.4  Von der Wertschöpfungskette zum Kreislaufwirtschaftssystem ............... 36 
3  Problemspezifikation und Lösungskonzept................................................................. 41 
3.1  Problemspezifikation ................................................................................................... 42 
3.2  Eingrenzung der Problemstellung .......................................................................... 44 
3.3  Forschungsfrage und Lösungskonzept ................................................................. 48 
4  Prognose der installierten Leistung ................................................................................ 51 
4.1  Datengrundlage für das Prognosemodell ............................................................. 53 
4.1.1  Installierte Leistung als abhängige Variable .............................................. 53 
4.1.2  Unabhängige Variablen für die zeitliche Regression .............................. 58 
4.1.3  Unabhängige Variablen für die geographische Regression ................. 67 
4.2  Regressionsansatz zur Untersuchung der installierten Leistung .............. 71 
4.2.1  Spezifikation des zeitlichen Regressionsmodells .................................... 72 
4.2.2  Spezifikation des geographischen Regressionsmodells ........................ 78 
4.3  Ergebnisse des Regressionsansatzes ..................................................................... 84
VI Inhaltsverzeichnis
4.3.1  Ergebnisse des zeitlichen Modells.................................................................. 84 
4.3.2  Prognose basierend auf dem zeitlichen Modell ........................................ 86 
4.3.3  Ergebnisse des geographischen Modells ..................................................... 90 
4.4  Definition einer problemübergreifenden Datenstruktur .............................. 92 
4.5  Prognosegüte des verwendeten Ansatzes ........................................................... 93 
4.6  Übertragbarkeit auf andere Themengebiete ...................................................... 94 
5  Aufkommen zur Verwertung anstehender Materialmengen ................................ 97 
5.1  Anteil kristalliner Module nach Installationsjahr ............................................. 97 
5.2  Materialmengen in kristallinen Modulen ........................................................... 100 
5.2.1  Literaturbasierte Betrachtung der Materialmengen ............................ 102 
5.2.2  Resultierende Zeitreihe der Materialmengen ......................................... 106 
5.3  Lebensdauer ................................................................................................................... 111 
5.3.1  Versagenswahrscheinlichkeit aufgrund von „Kinderkrankheiten“ 114 
5.3.2  Versagenswahrscheinlichkeit aufgrund zufälliger Fehler .................. 115 
5.3.3  Versagenswahrscheinlichkeit aufgrund von Degradation ................. 116 
5.4  Aufkommensprognose ............................................................................................... 123 
6  Modellierung des Kreislaufwirtschaftssystems ....................................................... 127 
6.1  Problemspezifische Literatur .................................................................................. 128 
6.2  Konzeptionelles Modell des Kreislaufwirtschaftssystems .......................... 131 
7  Implikationen für eine optimale Ausgestaltung des Kreislaufwirt‐
schaftssystems ....................................................................................................................... 139 
7.1  Implikationen der Versagenswahrscheinlichkeiten ...................................... 139 
7.2  Implikationen der Materialanteile ........................................................................ 141 
7.3  Implikationen der zeitlichen Struktur ................................................................. 145 
7.4  Implikationen für einen hierarchischen Lösungsansatz .............................. 148 
8  Zusammenfassung und Ausblick .................................................................................... 151 
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... 157
Inhaltsverzeichnis VII
Anhang A ........................................................................................................................................... 183 
Anhang B ........................................................................................................................................... 193
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematischer Aufbau einer Photovoltaikzelle ..................................... 11 
Abbildung 2: Photovoltaiktechnologien .............................................................................. 13 
Abbildung 3: Überblick zur Entwicklung der Effizienz von Photovoltaik‐
zellen im Labormaßstab .................................................................................. 18 
Abbildung 4: Entwicklung der Gesamtsystemkosten für Aufdachanlagen
mit Leistung <10MWp ...................................................................................... 19 
Abbildung 5: Stromgestehungskosten in Deutschland im Jahr 2013 ...................... 21 
Abbildung 6: Jährlicher Zubau von Photovoltaikleistung ............................................. 25 
Abbildung 7: Gesamt installierte Photovoltaikleistung ................................................. 25 
Abbildung 8: Verwertungsoptionen ...................................................................................... 28 
Abbildung 9: Mögliche Recyclingprozesse für Photovoltaikmodule ........................ 33 
Abbildung 10: Strukturelle Planung eines Kreislaufwirtschaftssystems .................. 39 
Abbildung 11: Entwicklung der prozentualen Produktionsmengen nach
Technologie .......................................................................................................... 45 
Abbildung 12: Problemdekomposition ................................................................................... 49 
Abbildung 13: Vorgehen zur Bearbeitung des ersten Teilproblems .......................... 52 
Abbildung 14: Inbetriebnahme nach Monaten .................................................................... 55 
Abbildung 15: Jährlicher Zubau an Photovoltaikleistung in Deutschland ............... 56 
Abbildung 16: Installierte Leistung je Landkreis (Stand: einschließlich 2011) ..... 57 
Abbildung 17: Vorhersage der Effizienz kommerziell erhältlicher Module ............ 66 
Abbildung 18: Installierte Leistung normiert nach verschiedenen Faktoren ......... 70 
Abbildung 19: Linearer Zusammenhang ILZ / SP .............................................................. 73 
Abbildung 20: Linearer Zusammenhang ILZ / EV .............................................................. 73 
Abbildung 21: Linearer Zusammenhang ILZ / GK .............................................................. 73 
Abbildung 22: Log‐Inverser Zusammenhang ILZ / SP ...................................................... 75 
Abbildung 23: Log‐Inverser Zusammenhang ILZ / EV ..................................................... 75 
Abbildung 24: Log‐Inverser Zusammenhang ILZ / GK ..................................................... 76 
Abbildung 25: Linearer Zusammenhang ILG / VE.............................................................. 78 
Abbildung 26: Log‐Log Zusammenhang ILG / VE............................................................... 79 
Abbildung 27: Linearer Zusammenhang ILG / BV ............................................................. 79 
Abbildung 28: Log‐Log Zusammenhang ILG / BV .............................................................. 79 
Abbildung 29: Linearer Zusammenhang ILG / GS .............................................................. 80
X Abbildungsverzeichnis
Abbildung 30: Log‐Log Zusammenhang ILG / GS ............................................................... 80 
Abbildung 31: Linearer Zusammenhang ILG / AL .............................................................. 80 
Abbildung 32: Log‐Log Zusammenhang ILG / AL ............................................................... 81 
Abbildung 33: Linearer Zusammenhang ILG / FL ............................................................... 81 
Abbildung 34: Log‐Log Zusammenhang ILG / FL ................................................................ 81 
Abbildung 35: Prognose der jährlich installierten Leistung ........................................... 89 
Abbildung 36: Historische und zukünftige Anteile kristalliner Technologie ......... 100 
Abbildung 37: Literaturergebnisse der Materialmengen von Aluminium ............. 105 
Abbildung 38: Literaturergebnisse der Materialmengen von Glas ............................ 105 
Abbildung 39: Literaturergebnisse der Materialmengen von Kunststoff ............... 105 
Abbildung 40: Literaturergebnisse der Materialmengen von Silber ........................ 106 
Abbildung 41: Literaturergebnisse der Materialmengen von Silizium .................... 106 
Abbildung 42: Aufgliederung der Versagensrate auf die Lebensphasen ................. 113 
Abbildung 43: Schematische Darstellung der Dichtefunktion zu unterschied‐
lichen Zeitpunkten ........................................................................................... 119 
Abbildung 44: Versagenswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der Lebens‐
dauer ...................................................................................................................... 122 
Abbildung 45: Dichtefunktion der Gesamtversagenswahrscheinlichkeit ............... 123 
Abbildung 46: Aggregierte Prognose des Materialaufkommens aufgrund
von Rückläufern ................................................................................................ 125 
Abbildung 47: Vom realen Problem zum mathematischen Modell ........................... 128 
Abbildung 48: Konzeptionelles Modell des Kreislaufwirtschaftsmodells ............... 135 
Abbildung 49: Aufteilung des Materialaufkommens auf die Versagensgründe ... 140 
Abbildung 50: Aufkommen von Materialien für die etablierte Verwertungs‐
pfade bestehen ................................................................................................... 144 
Abbildung 51: Aufkommen von Silber und Silizium ........................................................ 144 
Abbildung 52: Am Jahresende verfügbares Material bei einem Werk ..................... 147 
Abbildung 53: Am Jahresende verfügbares Material bei mehreren Werken ......... 148
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Ökologische Kriterien monokristalliner Module (Stand 2013) ............ 22 
Tabelle 2: Quoten für die Verwertung von Photovoltaikmodulen nach
WEEE‐Richtlinie........................................................................................................ 35 
Tabelle 3: Anpassung der EEG‐Förderung .......................................................................... 61 
Tabelle 4: Historische Daten für die zeitliche Regression ............................................ 67 
Tabelle 5: Aggregierte Daten der geographischen Regression (Stand 2012)....... 70 
Tabelle 6: Zeitliches Modell mit linearer Modellspezifikation .................................... 74 
Tabelle 7: Regressionsergebnisse des zeitlichen Modells ............................................ 76 
Tabelle 8: Geographisches Modell mit linearer Modellspezifikation ....................... 82 
Tabelle 9: Regressionsergebnisse des geographischen Modells ................................ 83 
Tabelle 10: Literaturergebnisse zu Materialmengen in kristallinen Modulen ..... 104 
Tabelle 11: Mittlere Materialmengen aus der Literatur ................................................. 107 
Tabelle 12: Materialmengen von Photovoltaikmodulen nach Produktionsjahr .. 110 
Tabelle 13: Versagenswahrscheinlichkeit aufgrund von "Kinderkrankheiten" ... 115 
Tabelle 14: Notation des konzeptionellen Modells .......................................................... 134 
Tabelle 15: Anzahl Variablen im betrachteten Kreislaufwirtschaftsmodell .......... 137 
Tabelle 16: Anhang mit detaillierten Daten der geographischen Regression ....... 183