An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department...

27
An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology and Cost Predictions

Transcript of An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department...

Page 1: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology and Cost Predictions

������������� �

���������������������������

�������� ������������������

����������� �����

Page 2: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

���������������������� ������������������������������������������� ������

� ��������������� �������������� ��� ����������������

����!�������"�������# # # # # # # # # # # # # # # # $�������������# # # # # # # # # # # # # # $$ %&��'������# # # # # # # # # # # # # # $$ �(���������������!�)�������*��# # �������!!�����������������# # # # # # # $$ +(��������� ���������,(����*�����# # -.���� �������# # # # # # # # # # # # # # -����������./# # # # # # # # # # # # # $$ 0 ���1!���./# # # # # # # # # # # # # # %+&�������1��������.���� �������# # # # # # %2����������!&�./,34�������# # # # # %5��������"�������������!&�./# # # # # # $$ %0����������# # # # # # # # # # # # # # # ��3!����# # # # # # # # # # # # # # # $ �+

Page 3: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

i

���������������������� ������������������������������������������� ������

� ��������������� �������������� ��� ����������������

�!��� ���

���������������������� ���������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������� ������� �����!� ����������������������������!����

�!�������������� �����"���!���� �!!��������� �����#��������������� ����!������������������$���������������������

����������� �%&'()*� ��������������������������������������������������+���������������������������������� �����

������ ������� ���+�������������� ������������������������� ����������������������������������������������������!����

���������"���� �����,�-������������ ���� �����������.�����������������#�������������� ��������������� ��� ����

����� ����������������������������������!�������� ��� � �!������������������������!����#������"�����������/�!�����

�� �� �!�������������,�-������� �������������������������� ������������� �����������!���!�����������������

"������������������������������� �� ������������� ���������������� ��������������� ��������������������� ����0�������

����,�-�������!��0�����������"����������� ���!� ��������������� ����������������������������������� ������������

�����!�������������������������� �������!������� ����������!��������������������������������!���������������������

�� ��������������()���������������������� ���������� �������� ��������������� ��� ������� ���������������������� ��

&'()� ���� �������� �����������

Page 4: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

1

������"������

� .������ �������� �� ����������1���!�������� ���������������������!���������������������������������

�!�������������������������� �����������������������!�������������������������������� ����!�������������������!�����

�����������������!����� ���������������������!��������������������������������� �����.�����!������������ ������!����

������ ��������������������������������� ���������������� �������������!������������������������� ��������������� ����

������!������������������������������������� �����������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������� ������� �����!� ��������������������������

��!���� �!�������������� ����

"���!���� �!!��������� �����#��������������� ����!������������������$�������������������������������� �

%&'()*� ��������������������������������������������������+���������������������������������� ����� ������ �����

�� ���+�������������� ������������������������� ����������������������������������������������������!�������������'��

��!������������/ ��������������������������������� ��������������!��������0����������������� ��������������������������

���������������������� ����� ��������������������%��������������0*���"���!���� �!!����!���!��������������������

���� ������������������������������ �����������������0����!������������������23���!�������4�����������������!����

�� ����������� ����������/ ������������������������������0������������������ ��!��������������������!������0�������

��� 0���������������!���������� ��� ���� ����!��������"������������� ������!���������������� ��� �!��������� ��0�����

��� 0������������������� ��� ���� ����!������� �����������������0������������������.�����������������#���

����������� �������������� �������/� ��������� ������������!��������!!�������#�����

� "����������������������������������������������� ���������������������������� ����������������!��������

� ���!���&��������� ����!��5�6���������������������� ������������� ������������������!������������������"���

���������7�����������1����������������������8������������������������!����������������������������������

���������������������7������!�������������� �������������������� ���������������������������� ���!������ �� �����

���������������1�������������������� ��������������������������������� ������������� ����!���������������������������

�������������� ����������������������������������������������� ����������������������0������������� ���������������

���� �����!��0����������������� ��������� �������������������������������� �� ���������&'()�!��0����������������

��������������������������� ����������������������������������� �����������������()�������� ���������������������

����� �������()���������

�������� ������������������ ���� ������!��������������������������� �������������������'���������������������

�������������������/�!������������!������!������ ���������� ���� �������������� ��� ������������ ���� ��������

��!���� �!!�� ����������������������������������������������������������������������9�!����������������������+��������

���������������!� �����!��� ����������������������������������!����� ������������������ �����������������!���������

����!�����������������!���1�!!�� ���������������������������������� ����!��!������� ��� �����������������!�������

������������������������������������ ��������������!�����������������"�������������������� ����������� ���������������

�����!������������ ���������������� ����������������!�� �!!�� ����������������9�������������������������������������

����������������������������!��0������!� ���������������������� �����������������!�����.������� �����������������������

��������� ��� ����������!����������������!�������������������������!�������������������� ��� ���������������0�������

����������������������������������������������������������!��������������������� ������������������ ��������������

"�����������������!!���#���������:��,�����������-�!����������������������������� ������� �������� ���!� �

����� �������� ���������� ��������������������������������� ���� ���������� �!����������� ����������������

��������������!��0���� ����������������!���������"��� �!������������������������ 0���!��%�(&"*����� ����

����� 0���!��%1(&"*������������ ���������� �� ������������������������ �� �!���������������� ��� ������� ��������!�

������� ��� � �!��������� �������������������������� �!��������������������� ����������������� ���������!����� ����

�����!������������ ������"��������������� ������������������������ ����������������������������������������������������

� ����!���������!��������������

Page 5: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

2

� �#���"���

"���,�����������-�!���%,�-*���������������������������������,�����������&���������%,�&*�������������������

��������������� ���������� ���������������� �!�������������������������!�������� ��������������������3��������

9����������������;����������%39�;*$�����-����(����!�� ��&���������%-(&*�������!����������������������

"� ����������(�����!��"������������� �!���������������������� ��� �� ���������������3��������1���������(���������� ��

%31()*�������������������!��������� ��������1���������&�������������"���!��������!����"���������#��������������

������!������������������!������ ���������� ���������������������������� ����������������� �� �!�����������,����!��

������������������� ��������� ��������� ��������!������������� ����������������������������������!�����������

�� ��� ���������� ���!� ��������������

"���������������� ����� �������������������!�����������������������������������������!��������0����

������������#����������������������"������������������!������������� ����!����� ��������������������#���������������

������������������������������������� ����������"��� ����������!��������������������!�����1����������3�������7��������

���#�����<�������������1���� �� ��������������������������,����!��������������������������� ����������� ��������

������������� �������3���=��0��'���������<���� �������������"�/��������� ���������������,����!�����������7�������

����!���5>6��������!������������������������ ����!���������������������!�������!�������������!����������

�������� �!������!�!������ ��������� ��������������'�������������������������������������!���������������!����������

�������������� �������������-����������������������� �������������������������������������!����������������?�6�

����������������������

"����������������0�������� ����!����@� ������� �����0������������������������� ������ ���������������

�!��������� ������#��������������� ����!��������������������#������ ������ �����������������������������������

�����������������!����"�����/��������������������$���������,�-���������������� �������������A�������������������

!��������/������������������#������!��A������������������!����������A������������������0����,�-���!��������

����������������������!����������������� �����������������������&'()���������������!������������!����"��������!��

��������������������������������� �!���������������� 0������������������������������ ����������������!�/�!�!�

����������

"�������������� ���� ����!��0��������� ����� ���������������������1���������������������������������������

�������������������!�@����������������������$����������������������������������������������������������������������

!�������������������������� ��������������� ���������������������������������������������!���������������������

���������������������������������!�������!�� �����������������������������������������������!����������������

����������� ���+������"���� �� ��������������������� ����!��� ��;������'� $�2'����������������� ����������������������

�� ���������������������BC�������!��0�������������������������������������"������������������������������ 0����

!� ��������4�D8E��"�������!����0��������������!��������� ���!� ��������������!� ����������������������

�������!������������ ��� ����������������� ����!���!��0���������������������������!��������!��0����� ���������

��������� ��� �F������������������ ��� ��!���� ����!������������������������� ��������������!�������:��

��!����F�������������� ���!� ���������� ����������� ����!�������������������������!���!�������!��0������������

�����������������!������������� �����

����������������,�-��������������!��������������#���������!����������!������ ������� �����!� ���������

���������������� ������������2������������������������������������ ���������!���� �!��������4�D8E��"����������!��

����������������!��� ����������������� �������������!��������� ��1�������������!����������!����������� �!���������

���0���������������������������!�����!������������������������������������2���!��� ��������� ����������������

�������� ����������������4����!�����������!����������� ����������� �����G��!���:��28����9����(���������� �

(�����!4�����H����:��23������������(�����!4������������������ �����

$�������������������� ������������������

"��� ������ ���������,����!����!��������� �����������������������?��I�6����������������������������

��!�������C��5�6������������������������ ����������� ������������!�������������������������� �!��������������

,����!��D7���8E��

Page 6: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

3

��������������0��������� ������������������������������� ����!������!���!�#����!���������������������������

��������������� ����!���������"���!���!�#����!�������� �������������� ������ ������� ���+���������������������

�� ��� �����!���������������������������������������������0����������!����������!������ ������� ������������

!������������� �!�������������!�����������������"�����!��������������������!�������� ������� ����� ��������������

���������������������!�����������������������������������������!������ � ����������!��������������������7�������������

�/�!���������� ����� ������ ������� ���+��������������������������������� �������������� ���������������� ����������

,�-�������!��������������������

��������������� �����"������

.��������������������� ����������������� �!�����������������������������������!������������������������������

�� ������������������������������������������������1���������������������������� ��������������!�����0����������������

���������������������������!�/�!�!�������� ����������������!���!�!��������!�������!�� ����'������������������

������������� �!�������������!���!�!� ������������������������ ������������������������������7����/�!�����������

��������������������F������ ������������������� ��������������������������������������������������������������������

�����!� ���� ��������!���� ������������������������������������!�DCEF������������ ���������������������� �������������

����� ����������'����!���� ����������� ������ ������������������ �������������������������!�����!� �������������

�� ������������ �!������������������� ������������������!�������������������������������������������!��������������

���� ����������������(�������������������� �� �����������!����������������������������������������"� ���+������ �����

������������� ��������������������������������������������������������������������������F��� ������ �!���������

����!���!������ ���������������� 0F����������������������������������������� ���������������������������������� ��������

����������!�������������������������������� ������ ���������� ���������������:�������������������������0������

'� ��������������������������������� ������� ����������������������!� �����>�6��DCE���

7������8F �!������������ �!�������������#�������������!������������������!���������-)�1�J�-��������)�������������������1�������������

Zero Energy Home

Whole Building Design

Solar Energy Technologies

Envelope Appliances Lights HVAC /

Climate Control

Windows Insulation Foundation Roof Doors

Passive Solar

Building-Integrated Photovoltaics

Solar Heating

Energy-efficiency

Page 7: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

4

��������!��!������ ������ ������!�������������� ���������!�����!������������������ ��� ���������������

<����������������������0�����#�������������������������������������������������������� ����������� ��������#������� 0��

�����������������!�������������������������������������������������� ���!�������������� �!������� �����������������

������������������!������������������/�������������������������!����!����������0������ ������/�������!������������0����

�����������������������������������0������������������������ ��!�������"� ���������!�����!������� �����17;����������

������!�������!��������������������������������������������������������!!���������!�������������������

��!�������������������������������������������������������������������0����������������������������������������������

������� ��� ��������� ����� ����������������������� �������������

��������!� ����������� ������������������

7��������������������������������������� �������!�����

)��!��������!���������������������!� ��!������� �����7������������

�������������F������/������ ���/ ����������������������0�������������

7������C�������������������0�����������!���������������'����� ����������

������������ ������� �!����������!�@���������������������"���� ������

!���!�#��������!������������������������ �������!�����!��������

7� �����������!�!���������������� ����/�!�����������!��� ����

�������/�������������������� ����!�����������!�����!����� ���� ����

2� ��������������8KKI�9������������������1����!��������������

�������������������� ��������I6�������������� ����!������������� ���

����� ����������!���������5>6�������������� �����4�D?E��������

���� �������������������������� �!������?�8�6�������������������

������������(�������������!�������!�����!��������� ������!�����������

������ �!�� �������� �����������%17;*������� ��������������

�� ����� �������������"����� ��������������������������������� �!���F

������ ��������������� �����������+����+�������������!�������������

7��������"���!����!B�����������L8KKI��'������ �����'����������'� ��������������)"���!�������9�B;&;:��-�!���������������

COLD HOT

Page 8: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

5

�� 0��F�������� ������������ ������ �!����������!�0�����!�������������������17;��������������8M. ���������

����� �������+�������������������������!���������I>.��� ����� �����������I>6������������������ ����!����������

17;����������������������!�����������������8����!���������������������������/���������� ����� ���F���������8��

�� ����� �����������������������������������������8�17;F ��������������������!������������!�������������������

� ��� ��������� %&�

;������������%;�!���*� 88K�� 8���

(�����������%.*� I>� 8M�

�� � ��%;�!���B.*� 8>�K� ??�I�

;����!��%�����*� I>�� 8������

'�����!���F����� ����%N*� N��>�� N>����

�������������������!��%�B����*� >��� >���

������������������%0.�B����*� 8MI�>� 5>���

��� ��� ���� �������3=1�%NB0.�*� N��8C� N��8C�

����������������� ����%NB����*� N5�CM� N>�M>�

������������ �!���� ����%NB����*8� N8�?I� N8�>�

���������������%NB����*� � N8M�K>�

1��������� 0���!��%�����*� � ��?�

9���������������!����%����������*� � 8>�8?�

� �7������5���89���� �!���� ��������!��������������� ���������������� ��������������

�����������!����������������'�����%����� ���*�B�%�����!�*���1��������� 0���!�����

%��������������*�B�%������!���*���9�'����%���������*�B�%������!���*���

-���������� ��17;�����������!�����/��������������!������'��������������!�����������������������/������������

����� �� �������� ������!������������������������ 0���!����@���������!�����������������������������!����%9�'*���

8>�8?�D7���5E���"��� �� ��������������!�������!���������������� ����!������������������� �!��� ����!���������

������� ����������������� ���������������������������������������������� ������� ���������������!��������������!�����

�� ���������������� ������������ ������!����������������������� ����!������������!������������!�����������!������

���������������!����������!���� �!��������������������� ��� ������!���������������9���� ������������������������0����

��!�������������������������������������������� �������������!���������������� ����!������������������������!����

����!������������������������� ��� �������!���������������� �� ������-�!�������������!������������� ����������

����������������������������������������������������������������� ��� ����"���!���� �!!���������������������!�����

������� ����������������� ����������!���������������+����������!��������������������������������������������C�6�!����

��������� ������������!����������������8KKC����������<������������1�������8>6�!������ �����������������������

�������� ���������!��������������DIE��"�����!������ �������������,�-������������������������������� �����!����

��������� ��������������������+����������!�����"���������������� ��������������������������������� ������!���

�/���������������� �� ����!�������K�6��������������������������������"����������� ����� ��� �����������

��!������������� ����!�#������� ���������������!������������������������!������������� ������ �������7���

������������������������!���������������������������"����� �������������������!������������������ ���!� �����

���������������� ����!�����'���������������������������/�!��������������!���������9�'����� ��������������� ������

����������� ��������������������� �����������������������������������������?�6���������� ��� �����

Page 9: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

6

G����(������������������������

�������!����������������G��������

2�� ��������������������� ��� ����

������!��������������N5��������������

����������������N>������ ������ �����

��������!������������� ��� ��

�!�����!����� ��� ���������� ��������

�����5����� �������!�������������

��������4�D>E��'�����!���������������

���������������� ����������!���������

������������������!�� ���!� ���������

�����������7������>���!���������������

���������������������������������3���

=��0���������������� �������� �������

������� ����!��������������������

1���!������������������������� ������

!�������������������������"����!�0���

����������3���=��0�������������

������������� ���������+����!�������

"��������!�� ������������� �����

�� ���+���������������������� ��!�����

��������������� ������������������

����� ���� ����������������/���!��

��!�����D7������?E�����������

!��������������������������0������

�������� ��!�������� �������

'�����������������������

������������+����������!�������

��!���!����������������������

�������������/���������!�����.�����

!� ������� ������ ������������������

���������������� ���������� ������� ���

����� ��� ������������!����

����� ���������������� ��������!��

���������� ������������������� �������

��� ���!������������������!�0�����!�

�������������������"������������(��

����� �!�����������������������������

���������!����������������������

�� ������������ �������������

��������!���������� ���+����D7������

IE���"������������ �!�����������

����������� 0�!��0����������0����

������!�����������������!���������

������� ����������������������!�����

�������������������������������������

��������� ��� �������������������

�����:���� ����������� ���������� �����

����0������������� ����������������"���

���������������������0�������

Annual Electricity Consumption (kWh)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Base Home

Energy-efficient Home

Annual Heating Usage (therms)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Annual Cost ($USD)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Annual Pollution (lb CO2)3422

1

1384

9

4191

4206

5650

1159 51

66

1812

7

4687

2741

2118

2835

580 51

66

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Who

le ho

use

Heatin

g

Coolin

g

Hot W

ater

Major A

pplia

nces

Lighti

ngMisc

7������>������������ ��� ���������������������� ���������1���!������������������������!����������!���+��������������������� ��������������������!�������3���=��0������������������!����B�(�B;&;�-�!����������������

Page 10: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

7

������!��������� ��������� 0�����������������"��������������������������������� 0���!�������!�������� �!���������

������?�?����������� 0���!�����������������!����!��������������!�� ����!������7������!����������������������

������������������� ����!���������������������C?6���'�����!�����������,�-�������!�������������������������� 0�

��!����������������?�6����� �������

"���������������������������� ���������������� �����

������ ������������!������������������,�-�������!�����

�������������"���!������������������ �������������������

��������������������!������������ � ������������ ����!��

���������!�������!�����������������������������������

��������������������� ���������!�����������+�������

�/���!���������������������!���� ������������������ �����

����������� ���+���������������!��������������������������

������������1�������������������������������� ������������!��

�����������������������������������!!���#������������M�����

����� �������2������������D�E�!������������!���������� ����

����������� ������ ����� �����D�������E���������� � �������

��� ���������������� ������ ����� ���������8����!�����������������

7������I���1���������������������������������������B;&;��������-�!���������

��������������'��� ��� �"�� ���

������

���" ��

$ ������

$������� �(

! �#�)���*�

+ �����

+��"���

7������ ������!��������/������ N��� NM�� �>� 586�

�� ���������� N>�� NK>� �?� 586�

�������1�������.������ N8K5� N??� �K� CI6�

�������(�����!!�����"���!������ N8�I� NK� C�I� C�6�

.�����-������"��0�.����%9�8*� NM>� NC� C�I� M6�

�������9����������� NKI� NC� 5�� I6�

�������-����(�!�� N?K� N8?� >�>� 8K6�

������������������ NK� N>� >�>� 8M6�

�����������������>����� ������B��� N>� NCM� 8C�I� K6�

'� ������������������� ������������ N8IM5� N888� 8?�8� M6�

��� �� ,-./0� ,1.2� /3/� 4/5�

Page 11: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

8

������!����4���!��������� �!!������������������������1��������������!���� �!����������� ����������������������

����������������������������C��D5E��.�����������������������������������

���������������� �������!�� ������ ����������?�6����������������

�� ��� ������� �������!������������� ���������������������!����

��!����/ ��������������������-����������������������������������� �����

���������������������� ������� ����������������� �������������������

������!����������� ������ ������� ���+�������������������������������

�������������������������,�-�������!� ������������� �������

����!�������!�!�������������()�����������������������������

�������������!�������'����������� ����� ������ ���������������������

�������� ���O��'������������������ ���������������!����������� ����� ���

�����������������!�������� ���������������������������@� �������������������������!�����������������!������������

���������������������� �������������������+���������!������()�������%��� �� ����!��������!����������������������

!���� ������*���1����������()���������������������������������!������������������ ��� �������������������������

����!����������������������� �����!���������������������!���������������������()��� ����������"��� ��������� 0�

��!������������� ����� ������ ������� ���+�������������������������()������������������0��������� �������

"���������������������������������������������������!������� ������������� ������#�����������������!����

$�� ��������������������6$�� ���� �����

����������!�������� ��������� �������!���� ���������������� ������������ ��0�������� ������������������

����������������������������������������������������������������������������"�����!��������� ������������������#����

��������������� �������������������������� �������/������ ������ ������� �������� �!�������"������� ����������0������

���!��������������������������������������������"���������� ����������������:��-�!�������������������������������

������ �����D8E��� ���0����������������������������������������!���������� ������������������������!�� ���������

!� ���� ��� �!������������������������������������������!�������������������"���������� ���� ������� ��������������

�����������������������������������������������������%���������+���*��������!��������� ��� ����������������������!����

!����������� �����������������!�������������

"��� ���� �����!� �����!� �!�������������� �!!�����!�F���������� ���� ������ �� �������������� ������

����� ���� �������� ����� �������!��������!������ ���������������������������������������� ��������������������������

�� ��� ��������������������������������� ��!���������������� �������'���������������������������� ��@�� ������������

���������%��������� �����!����*���!���������������������� 0������� ������������������������9���� �������������������

����������� ��� �����������������!����������������������������������� ��� ���� ������������������������ ������������������

���������-������!���!�������������� ����������������������������� ��� ��������������� ��� ������!�������������������

����������������������������������������������� �����������������������!�������������������� ������ �����������������

������ ��� ���� ������

������� ������������������������������!������� ��������������������������� �������� ��� ��������������������

����������� �� �������������� �����������������!�������������� ������������������������ �������!���������������

������������������ ������������������!�������� �!���������� �����������!������������������������ 0�����+���!����

������� ������������ �� �����������7������!������������������ ��� �������������������� ������������� ������������������

����������������� ���������������!�!����!������������ ����� ���������������������������������;�0����������� �����

������ ��������� ��� ����������������������������������������������!�������� �����������!������ ����������������������

����������!������������������������������,�-�������!���!��� ���������"�������������� �������!�������������!������

� �����

�������� ����

(���������� � ��������� ���� ��������������������!����������������������������� ��� ������"�������� �!���������

����������������!� ���� �����!���������� ��������� ��������!���� �!!�����!� ���� �����������������������������

��������!� ����� ����� ����1����� �!������!����������������������!�������������������������������������������"���

�������$� ��7�8������� 9������ ���" ��

��������������� N5>� N>5��

�����������<��������1�����8� N�� N5��

3������������ N>� NC���8�<�������� ��������PNC��������!�����!�����

��!�����/���

7������M������B;&;�-���3����������-�!����!!�����

Page 12: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

9

���������� �������������!������!��������������#�� ������������������������������!�������������������������������

������� ������������������������������������� ���

"���!���� �!!�������������� � �����������������������!�������!��������� ��������������� ������������������������ ����� ������������������� ������� ������!������!�����+�������!�������������!� ����� ����� ������� ���������+����������� ������� ����������� �������!����������@� ������!�����!� ����� ����� �������������.����������� �������������/��������� ������8KI����������������������������� �!�� ������ ������� �����������������!� ����� ����� �����������������������������������!����������� �����������!��������� �������3����� ������������������������ �����!����������������������!���������������� ������� ����� ����������������������!���!���������� ��� ����������������"������!��� ���������������������������������������������������!��0�����"����������������������!������������������ ����������������������������� ������-����������� �����!��������� ������������� ������������ ��������������� ��������� �����������������������#�����"�������������� �������������������������������������������������� ����������������!� ����� ����� �������������������������������!���� ���������� �������� �!��!������� ����#����

� ���� �������:��

"���!�@������������������� ��������������������������������������� ��������������� ������������������������������������/�!�������������!����������������������������������!������������������� ������-��������2����!������������������������ ������������� ����!���� ������������������5�6������� �������������������� ���������������������������� ����������������������� ���������������� �������� ������4�D>E������������������!���� �����������!���� ��������������!��� ������������'����������������������������������� � ����������������������������������� ��������������� ���()����������7������M���!�������������������� �������������8�0. ��������!��� ��������������� ���������������8�0. ������������ ��������������� �����������"�������������������������� ����������� ������������2��������������������� �������������� ���������������������!���!����������������������%"�����*���!������������� �������5!!����������������������"��������� �����@�������������������������������������������������������������� ���� ������������������ ���� �������/��������������������������������������!����!���!���7������������������������!������������������������ 0����"���������������������� ����� ������ �����!��������%�� ����������������� ����*������������ ����!��������������������������!����������� ������������3����� ������� �� ��!�������������� ����������������� ���������4�

�7������M��3��!���#���;1����8�0. ��!�������������()���������

��������!��(���?��������������!��"-��� �K?� ����(�� �������

Page 13: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

10

�'����� ��������������!��� ������������������������������������!�������!�� ����"�����������������������������

������������ ��� ����-������������ ����������� �����������!����������!��0���������������� ������7�������

!��� �����������������������!�����������������������������������!�����D7������KE��������������� �� �����������������

����� 0���!������������������������������������� 0���!����������������������!�����������������������������������

�����!���������������������

�7������K��� ��'��� �����KK�������0��������8�0. ��!����()��������

��������!��(���?��������������!��"-��� �K?� ����(�� �������

Page 14: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

11

������������������8�>�/�8�5�<H�������������������������������������/�!���� �� �������� ������!�������

�����!���������(&"�������!�����������!�� �������8�%(9*�����I�����������������������������%=*���8I�������������

�����D8�E����� ������������(&"�����$��

���

����

����

����

����

����

�=

kWhMJ

yearhr

hours

hoursYPRkWRated

MJinputEnergyEPBT

fp 1

6.31

87608760

))((

)(

years

kWhMJ

yearhr

hourshours

kW

MJ

p

4.3

16.3

18760

87601700

)72.0)(1(

105.1 4

=

���

����

����

����

����

����

⋅�

"������������������������!������!�����������������8I���������������������!������ ����������������������

��������������������������������������������������'���������� �����������������0������������������������������������

������������8����.B!����� ��������������!���������A������ ���������������������������������8�6���������� 0���

�������������������%=*��������� ��� �������������������������� ��� �������������!��������������!��������������������

��� 0����%(9*���"������������������������!������������������!���� �������������()������������������������������������

������#������������ �!����������!����� ��������������������� ��������#�����������'������������������������ ��

%'��*�������������(���������� �(����������!��%()(�*�������!������!�������������������������������������������??�

�����!������������� ��������������������������������������������"��������������������"��0�F������������(����!�� ��

��()������!��������������!����"������������������������������������!�� ����������������������������

�����/�!��������I������������������ ���������������

'��������K����� ����������������������������������� �������������������8�0. ��!����()���������"�����������

��������������������������� ������������������!�������!�� ������ �� �!���������1�������������������������������

!�@����!�� ���������������!���!��� 0��������������������������/�����������!�� �����+�������!���� ����������� �������

���!��������!����������'�����������������������������������!������()������������ ��������������;1��� ���� �������

����!�����������������������������!�������� �������������� �������������������������()��������������������������

������ �����������!�������!�� �������������������������������D7������8��������!E��������������������������(&"���

"�����!��������������������������D8�E� �� ����������(&"����C�����������������������������!��������%8I���

0.�B!B����*�����C�M��������������3�����������%8����0.�B!B����*���"����������������+�������������������������

���������������������%=*���1�������������������0��������������8����.B!��%8I���0.�B!B����*B%8�0.B!*�J�8I���

�����B��������� �������������������������������������������!�����(&"� �� ��������������!�:���(&"�����������F!����

��0�����������!��������������������������'���������������������������!��������� ����������/�������� �����������()�

�� ����������������(&"����?���������������������� �����������!����������������� ����!��2��������� 0���!�����

�����:������� ���������������� ��� ����������������������������������������/�� ���������!��4�D88E������!������!������

�����!����C��������� ����������/��������()�������� �������� ��>����8>���!������������������+���������!���� ������

"�������������������� �!��������!��� ��������������� ������������� ���������������������� ����

�������!������������������������������������������� ������!�������D7������8�E���"��� �!������������������8�������

!���������� ������������� �����!��������������A���������������������������������������!��������� �������"���

���������!���������������� ����!�������� ��������� 0�������8��C��<.�B���!����������� �������������"���������

������������������������ ��������� 0���"���������������������������������� 0���!����������� ���� ��������

!���� ����������������9������G�������������������%9G�*�!��������"����� ���������&����B����� ������������� ���

8�"��������!�� ��������%(9�J�=�B�=�*������������������������������������������������������ ����������������������!��������������!�����"���(9������!���������������������������!�� ��������()������!��������������������0���������� ��������������������"1��������������!��!�� ������������������������������ 0�������!���������� ������������ B� � �����������D8I��KE��

Page 15: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

12

������ 0�����������������7��!����G������%�7G*����� �������'������������������������ ������������� 0�������

C���Q!�����������!���C��8���<.�B�������� ������������

��

"����������������������������������� �� �����������(&"����������������!������������������������ ������$�

3����������BG��!��������������������������������������������������������������� ���������"�������������������(&"�

��5�M������M���������������������!���������������/�!�������>�����8�5�������������9G��!��������-��������������

�������������2�������4������!���������������(&"�������������!������!����������������� ��������������������� ������

����������� ��� ��� ���� ������DME�����������(&"��!�������������� �������������������� �������������!�����������

!���� ��������+���!����������������� ���������������

'������ ����������!�@��������������� ����!��������������!���� ������������ ������������.�������������������

����!�����!������� �����������()������ �������������!������������������������������������������������������

!���� �������D7������8E��

7������8�������!����������D88E���"��$�"�������������������!�������!�� �����C���������!����()����������� ������&����!$�����0��������!�� �����������������������9G������� �����!��������

Page 16: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

13

���(%�����:�

��� �������������������������� ���� ���������F�������!�()F���������8�����!��������!������������

�+���������!��������<��������� ��������!����� ���!� ����� �������������������������!�������������������� ���F��

8�����!����������������D>E��'���������!����� ���������������������������!� ���� �����!�����������������������������

��������������� ������� ��������������������������&� ������� ����������+����������!��������������������������!�()��

����������������!� ���� �����!����������������������"��������� �������������!�@����������!��� ������������� ���������

����������!� ���� ���$��!������������ ���������%����*������ ����������� ��!��!����������� �!������%1�"�*�� ������

�����!������������ �!������%1�'�������1'�*������ ��������������� ������� ����������� �!���������������!��/����

���������� ��������������� ��������������� ����������!���� �� ������ �!������������!������������ �����"��������������

��������!���� �!!�� ������������������

� "����������������������������!�%����*� �������������������������!� ������������������� ����������� ����������

��!���������������D7������88E���3����������������������������+����!������������<HB!�������������������<HB0. ��

����������!�(����

� ���������������!!���#������� �� ����������� ����������������������!��(&"��������!���R�����(��#�����

,�������������������������������/�!�����$�C�I���������� �������!���� ������������� ���������C������������ ������������

��!���8�������������� �������!���� ����������������8�8�������������� ��������������!��� ���������D8?E��;��� � ���

��������������(&"� �� ������������������� ���� ���������!����������� �� ��������!��� ��������������������

����������������$�

� ����� 1�"�� 1'��

� S� T� S� T� S� T�

�������(���� 0�"�!��

%G�������������*�

�I� ��5� ��K� ��� 8�>� ��5�

�(&"���C��������!��� ����������������� ����%S*���������� ����%T*�

� ����������������!��D8�E��

1�"������1'�� ����������/���!������������������ ����!��������%U>��Q!*������������(&"� ����������������;�0��

������1�"������1'��!��������������������������� ���������� ��������� �������� ��������������� ��� ��

����� �!������������� ������� 0������1���������������!������������������������/����������<��������������������� ����������

��������������������������������������� ������������ ����������'����� �������������� ��� ���!��������������������������������

�������� ����������!������� ����������������� ��������� +����������� ������!����!��������������!��������������������

�����������������������D7������8E��

7������88�������������������� �!!��� ��������������� ������������ �����D85E�

Page 17: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

14

'������������������������ �������������������� ���:������ � �����-�������������!�����������������������������������2������� �!!�������������������!������ ��������������������������������������������!���������!������ �!��������%�� �������!�����*����������������������������!�����4�D8�E���������������������2����������!����� ���������1�"������1'��!���������������+��������!������������������V����������.����V������������/��������������������������3�����������4�D8�E��7�������������������������������()�!����������� ��1���!������������������������!������ �!��������������� ������������������������� ��� ���������������D7������8E���()���������������������������������������������3�/��!������������� ���� ������������������� �� ��������������!��D8�E���

�� "������!�()���������������������!� �������������.������������� ��� �������+�����!�������������������������!�������������������������������������� ��� ���������!���������������������� �������"������������������������������������������������!�� ��������D?E���"�������������������������� ��� ���������0����������������� ��()������������������������0�������������������+�����!�������������!����������������� �����������������������!�����������;�����

7������8��D8�E�29����� ����+����!������������� ����()�!����������� ����� �!��������� ������������ �������������!�/�!�!������ ����� ��� ��������������!����������������<����������+����!������������������8C�G.�B��!����������� �������� ���������>6���!��������� ��� ��������� ����������������������7���1���"���'�����������������!������������������!�/�!�!������ �����������!��������������������� ����#�� ���� ��������������4�

7������8��1���!���������������� ���� ������������()������!�����������/�� ������������������

Page 18: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

15

�� ��� �������+�����!���������������������������+�����!��������� ������ �����������!�����������������7���������������!��� ������������������!����������!���������������������������������������������!����������������������������������� ����"����������������!�()������ ����������!��0���!������������ ���!�������������������������()���!�F������2�����4F!����������������������������������&���������������� ��� ����������������������������������������������/��������"������������� ������������ �����

�&������������������������������ �������������������������������������!������������������ ����"�����������

������ ����������� ����'�����������������������������������!��������������������������������� ���������������!�������������������������'��� �������������������������������� ������ ���������������!����������� ��!����������������������������������������������������� �������W��������������������#����!�����������.������������������� ����������!�������()��������� ����������������������������������������������� �������������� ��� �������������������������������������������������()�����������!������������!������������������������������������������� �������#������ ��� ����������������

"������������ ������������()���������!��������� ����������������� ��� ���������������������������!� �������������������������!�����������!������������������������������!��������������/�� ������������������.��������� ������!�������������������������������������� �O��()������!�� ������������ ��!����������������������������������������������������� ������()������!�� �����������������������������!����������DC�E��������������������������������������0��������������!����!���������������������DIE��������������������������� �����������������������<�����������2<��������������������������� �����������������������������������X��@������������������"��� ������������������������������� ������������0���"������������������������!������ ���������������� ��������!����������4�DKE��"���������������������������,����!����������������������� ���� ������������������8KK?���'���5��0. ��()������������������� ��� ��������/ ������������!�:�� ����!���������

9������ ����������������������!�����!����,����!��������� ��������������+�� 0� �� �������� ���������������� ���!���2"�������������!��������� �����������������8I����+������������������� ��%���������/�� ��������� �����*�4�DC8E�����!���������������������������� ������������� ������I������������������������!����'�������������������������!������88K���+���������%�����/�!������88��!*����������������� ��������� ��������������������8�6��� ��� �������+�����!��������������!�()���������������������� ������������()�������� ����������88�0.�������������������������������������� ��� �����!������>8K5�0.������������������������������8��CMM�0.��DCE���� �������������������� �������!����������������������� ���?���!���������� ��� ������!�������

demandenergyAnnualproductionenergyAnnual

ratioExcess = �

6.25194

18760

87601700

)72.0)(10.0(1

)110( 22

=���

����

����

����

���

���

yearkWh

yearhr

hourshours

mkW

m�

�.����������� ��� �����!��������������������� �������!����������������������� ��8�C���!���������!�������

8�6��� ��� ����.������!��������!���� ��� ��� ����8>6�����������!���������������!�������5�6��������������������������������������������� ��5�M?���!���������� ��� ������!��������"������� ���/� ���������!���������� ��� ������!�������������������!�������5�6������������������������%�������,�-���������*����C�5�0. ����������������������8>6��� ��� �������� ������CC�K�!�����C��K6��������������� ���������������������

9���������������!�������� �������������������� �������&'()��� ������1�������()��� ������������������������������������������������������!��������DCCE��9���������!�������� ������������������!�����>�C���������������������� ��������������������� �������������������� �����������!�������� �������������������()���� ��������������H��������������������� ������������������������������������������� ��� ���DCE��'��!�����/���!�� ������������ ������������������������� ������������� ������������������������ ����

�������� ����������������� ����������������0�������������������������� �!��!������������������������ ������!����������������������������!��� ������������"������������������������������������������������������ ��&'()���������!����������������������� �������������������� ������������������������������

Page 19: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

16

��� ����� �����������������������!�������!������������������������ ����!����������� �������������/��������������!������������ ������ �������

����������������:6+�;"����������

� ���!� �������������!��0�������������������� ��� ����������������������/����������G�����!�������������������������������� ���������������������/����� ���������������������/��������/������ ���������� ����!������������� ���������������������������������������������!��0�����.������ �������!��������� ������������������� ������������ ������������ ������ ��� ��������� ������������ �!������ �������������������������������������� ����������������!���(������!��0�������������������������!����������������������������������#������������� ������

"���!������������!�����������/�!��������� ���!� ���������������� ����!������������������������()���������"����������� ��������� 0���!��%1(&"*���"����������������������!�������������+������������� ����!����������0�������������������!������������������������!���������������������������������������!����������������������������������� ��� ������"����� ����!����������� �� �������������� ��������0.������� ��� ����������������������� ������������()������:�������!������ �������������� �!������������������� ��� ���� �����"��������������!������������!�����������!����������������������!����������� ����� ����������()�������������� ����!��$�

��

−++=

1)1()1(

n

n

iii

PU �

�����������������!��������������� ����������������������!������������������������������������!����������� 0�

������������������������������������������������������������������ ���������!����������!������������������������()����������������!���������� ������ ����������������������������

�����������!������:��!�����������I6������������������� ��������>��������������������������������������!����������������+��������� �!��$�

PPU 858.01)07.01(

)07.01(07.025

25

=��

−++= ����� PPnUTotal 145.2)858.0)(25( === �

�"����������������!���������������������������@������������ �������������������%�������� ��������()������*���'������

����0���� ������������� ����!������ ����������()���������� ����������������������� ���������!������������������������������� ����� ���������!����������������������� ������!�0����!�����������!����0�������!������������������ 0��������������������� ������������������I6�����������������������������������()�������!������������������������!�������� ������"����������� �������������� �������������!����� �����������0������!�������������������+�������!�����������������1����������� �����������0��������NM���� �������������!$�

��

=���� 8KK� 8KKC� 8KK5� 8KK>� 8KK?� 8KKI� 8KKM� 8KKK� ���� ��8� ��� ��C�NB. �� N8� N8� N8� N88�8� N8��88� N8��8� N8��88� NK�88� NM�8�� NI�K� N?�>��K� N?�>��M�

3��������"��������������!�(�� ������G���� ���� ����9����������������!��D5E�

�"������� �� ��� ������������� ���������������������������&�##�DCIE���������!���������������� �!!�� ������

����������()�!���������"������������������������!��������� ������������������N>�����������0��������������� ����������5������������� �����������!��������� �����NC�85B. ������������������������!�!��������� �����N5�5B. ������������������������/�������� �����������!������ ��������������������������!������������������ ��������������!�!��������� ����������������� �!����������� ����������������!����������������������!��������� �� �!�������������/�!����������������������()���������� ���������������������������������������NM�������������� ��������!��������(����������������� �� ������������������������ ����������� ����!����5�6������� �����������������������������+�������C�5�0. ��()���������"��������� ����������� ����!���������������� ����������$�

00.351,58$)4.3(001.

00.8$)145.2(145.2 =

��

��

�== p

p

kWkW

PTotal �

Page 20: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

17

�"���1(&"������!������C�������()������!����������������� ��� ���� ������N??>����������%���������������������

���������0.��!������������� �������3���=��0�1������� ��� ���� �������N��8?B0.��!�������������5�6��� ����������������!���������������� ����������*�����N>M�C>8����B�N??>�J�MI�?���������"������������ ������� ���������()������� ������������ 0�����������!��������������������!����-��������������!������������������������������ ���������������������� ����!������� �� �����������?�6���������� �������� ��������������?�6������������������ 0���!�����C>�8���������

"����+��������� ��������0.������������������ ������ �� ����������N>M�C>8����B�%8�CMM�0.�B�����Y���5�Y�C�������*�J�N��5?M���������/�!������5I� ���������0.����.����?�6���������������������/�!������8K� ���������0.����"�������������������D������8CE��������������������1(&"����� ��������0.�������������������� ��������%���*���������1(&"����� ��������0.������������������ ������()����������#���%�����*��������������������� ���������������NM���B. ����"�������#�������/��� ���������������+��������F>�6� ��������������NM���B. �� �������������!�����N5���B. �� ������������������

"�������#��������� 0�������������1(&"�������� ������������������()������:������!���C������������!����"������������������������������()���������������������� 0����������������!���� ������.�� �������������������������/�!������?>�I�6��������� �������������������� ������N���B. ����������0��������������������!��������()���������"����� ������������ ����/��������������� ����������()�������������� ����!����

"������������������� ��������0.��������� ������������������ ������� ��������� ��� ������!�3���=��0�1����������������7��!��������� ��� �� �����������������I�6�������������������� ��������� ��� ������!�����()���� �!����������������� ��� ��������� �������"���� ����������������������������������()������� ����������������N�>�B. ����������������������������������

"�������!��������!������()��������������0������ �������������������"���!���� �����������������>����C��

��������������������������!������������0��������!� ������������������������������������!���� ������������������������

(����!�������������� �� ����������������������>������������!�����������������+�������������������������� ������������0�

������������ �!������������� ��� �����������D7������85E���"��� ������� ������()�������������5>6������������������0�

In 2020 - CPBT vs $/Wp (unsubsidized)

0102030405060708090

100

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

CP

BT

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000

CPBT (yrs)

$investment

In 2020 - $/kWh vs $/Wp purchase (unsubsidized)

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

$/kW

h

$/kWh

Present Day CPBT vs Subsidy Coverage

0102030405060708090

100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

year

s

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000CPBT (yrs)

$investment

Present Day $/kWh vs Subsidy Coverage

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

$/kW

h

$/kWh

7������8C��?�6���������� �������!���C�������()������!��

Page 21: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

18

�����������!����1(&"���5>�>�6��������� ����������������������� �!��������� ��������0.������������������������

�����!������!������������������ ���������!�0����()� ������ ��������� �!�����������'���������������������� ����

�������N5�>�B. ������0���������������� ����N5�>B. �� �!���������������������� �����;�����������������������

�����������

���������� ����������������/�!����F��������������������������������� �������!����7������8>������������

����������� ����������� �������������()����������M�>�0. ���������������� ��� ��������� ������/ ���������������!�����

������������������%�� ��������/����������������*���"��������� ���������!������������������!���������������������

����������������������� �!������������������������ ����!��������������������"������� ��������������������1(&"����

��������������������:�������!����������������#������� �������������������������F��������������!���F����������������

�������1(&"�������� ������0.������������������������������ �!��������������!��������������������@��������������

������F�����������0���������������"������������������� ���������������� ��� �������������������� ��������������������()�

����� �������������������������������!�������� ���������������������'��������������������������������������������� �����

������ ���������������������������������������������������������� ��� ���������!� ��������� �����!����������������

������������������������������� ��������� 0���!�������������� ����� ������ �������� ���������!� �������������()�����

�����0���������!��������

In 2020 - CPBT vs $/Wp (unsubsidized)

0102030405060708090

100

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

CP

BT

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000

CPBT (yrs)

$investment

In 2020 - $/kWh vs $/Wp purchase (unsubsidized)

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

$/kW

h

$/kWh

Present Day CPBT vs Subsidy Coverage

0102030405060708090

100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

year

s

$0

$10,000

$20,000

$30,000

$40,000

$50,000

$60,000

$70,000CPBT (yrs)

$investment

Present Day $/kWh vs Subsidy Coverage

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

$/kW

h

$/kWh

7������85��?�6���������� �������!���>�������()������!��

Page 22: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

19

'������������������������������������������� �����!�������� �� ��������� �������/�� ���������������������

��� ����� �������������������0������������������������ ��� �������������������������������������������������������������

����������������������+��������"������� ����������������� ���������� ��� �����������������(����!�� ��������������������

��������������

7��!������������������ ��� �� �������������������������#���!��0�������� ����������������� ������������������

�����������!��������������������������N�>�B.������N5���B.��%����������������������� ���������� ��*����

�!������������� ��� ������������ �������������������� ����!���� ���!� �������'������������0����������������������#������

������������������������������������������������������������ ���� �!���������������������� ������������������� ������

!��������������������������"������������������������ ������������� ������������������0�������� �������������������� ��� �

�!������������������������������������� ����� ������� �!�������������������������� ���������������������������������

�!����������������������������� �����������!�������������� ��� ����������������� �����

������������ �� !�����������:�

"���������������������������� ��� ������@������������������������������� ��������G������������� ������

�/�!����������������������� ������������!����������������'����� ��������������������������/�������������������()�

����� �����D7������8?E���"���������������� ��������H�����������������������������0�������� ����� �� �!���������0����

���������!��0���D7������8IE���"����!�0����������� ����������������������/������ ���������� �����������!����

����� ����������� �������� ������

Present Day CPBT vs Subsidy Coverage

0102030405060708090

100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

year

s

$0$20,000$40,000

$60,000$80,000$100,000$120,000

$140,000$160,000

CPBT (yrs)

$investment

Present Day $/kWh vs Subsidy Coverage

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Subsidy Coverage (fraction)

$/kW

h

$/kWh

In 2020 - CPBT vs $/Wp (unsubsidized)

0102030405060708090

100

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

CP

BT

$0

$20,000

$40,000

$60,000

$80,000

$100,000

$120,000

$140,000

$160,000

CPBT (yrs)

$investment

In 2020 - $/kWh vs $/Wp purchase (unsubsidized)

$0.00$0.05$0.10$0.15$0.20$0.25$0.30$0.35$0.40$0.45$0.50

$0$1$2$3$4$5$6$7$8

$/Wp

$/kW

h

$/kWh

7������8>��3������������ �������!���>�������()������!��

Page 23: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

20

� .����������������� ���������������/���������������������������������������������7������8M���������

����� ������������/�!������8����!����������������M�������������� ��� ������8�G.�������������� ���������5���

7������8K�����������������������/�!������8����!���������8��������������� ��� ������8�G.���� ���������>���"���

C�6������������������������������������������� ���������������8K� ��� �����������������!������9�1������������

C�6�5�6���������������������������>����������

"���!���� ����������������������������8K������ ��������� �������������C��G.B�������������"��� �������

��� �����������!�����������@����������8�G.B�������-������ �������������������������������� ����������������6���� ��

�� ������������������ �!������������!��D7�������E���"�����������/�� ���� ����� �!������������!�� ������ �� �������

����������������������������"���������� ����������������G.B���J�8�>����������������������������!���5�������

������������������������

15925.1ln

25.116

0

≅t

Figure 16. (left) World cell/module production, consumer and commercial, 1994-2002 (MW). Figure 17. (right) Top ten PV cell/module producers, 1999-2002. ���� �$�DE�

7������8M�����������1�!!�������()3�"�9����� ��9���!���()��������DCME�

7������8K��()������������� ��������9.��� �����������G��!���X����������!���� ����������3���>�����������D5�E�

Page 24: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

21

��� �������������� ��� �������8�G.����������� �������������������8?��G.���'������������������� ��������/�� �������

�������������������������� ������� ��������N8�?�B. ��������!����������������!������ ������������������� ����

%�����/�!������������*����������NC��B. �����

pp

x

WW

x

60.1$5100.8$

%,5.19)20.01(

,31.72log

159log,15921

31.7 =⋅=−

===⋅�

&����������������������� ������NC��B. ��������������������������8K� ���������0.�������C������������!��

����!����������88� ���������0.�������>������������!����"�������������������� ��������������()�@�������������������

��� ��� ������������ �����������������������������>������������������� 0��������������������8�5>������������������"���������

� ���!� ��� ��������� ������������� �!�������!��������������������!���������6���� ���� ��������������������

�!������������!�����������������8�������������������� ����������������()������������������������������ ����������

��!������������������'����� ���������� ������������!������������������� ��������� ���!� ������������������ ����!���

��������������������������5�6������ ���������������������������()���� ������������N���B0. ��� ����������������8�

���������0.�����C������������!������I� ����������>������������!�����

���������� ������ �!��������������39�;���� ���������� ����������� ����()�������������������!��������

������������� ����!���� ���������������"��������� ��������� ����������������� ����������������������� �������!�������

��������������������������� ����#���!��������� ����������������������������������������;1��� ��������������������

���!��������� ���������������� ������ ������()��������������������������� ������������N8���B. ����"�������������

2��������������������������Z������1���:�� �������������������� ��������� ������������������������������������ ���

!��0����4��DC>E��N8���B. ����������������C�>����>�M� ���������0.��������� ����!����������������()������!����"�����

����������������������������������� ����!�����NC8��������N?>�������������� ������������()������!�������!������

������������� �������!������������ ����� ��� ��������������� �����!�������/�����"������������ ���������������I56�

���>?6�����������������!�����������!������������������������� �����������������()�!��������9����������������� ����

����()������������������������������

In 2020 - $/Wp vs Production Growth

$0.00$0.50$1.00$1.50$2.00$2.50$3.00$3.50$4.00$4.50$5.00

10 15 20 25 30 35 40 45 50

% growth

$/W

p

020040060080010001200140016001800

GW

p in

stal

led

$/Wp

GWp installed

7����������-������ ���()�������������� ������!��������!�9.��� �����D5�E�

7������8��1�����������0�������������������()������ ���������!�����6��� ����������/� �!������������!���

Page 25: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

22

����"�����

� &��������� �!������5�6��������� ��������� ����!����������������������?�6��������������������������������

���������������������'�����!������� ��� ��������������� �!������I�6�������������������������� ����'���������������

����������������������� ��������������&�������������� ����!��������>KC�5�!�������!���� ��������1�������8��

� �����������CM6��� ���!����������"������������������������������ �������������!��������� ��������������������

���'����������������� ����������������������������������!����/�����������������������������������������������������

D5E��&� ������������������!������������������������� ������������������������������������������� ���������!���'��!���

�������� ������ ������������������������������/���������!�������������������������� ������������������������� ����

�� ����������0����������� �����!����������,����!����������� ����������������� ���������� �������!������������

������������������������������������ �����������������0�������������������������������� ���!���

� "�����!������� ������������������� ����,����!���������� ����������������� ����������"��� ����!���� �!��

���������������� ������������ ����!�����'������������������ �� �������N���B. �����N5���B. ����������� �!���������

�������0�����������N8���B. ��������!�0�����!������������������&������������������������ ������������!��+�����

������������������� ��������� ���������"���������!������0������������������� ������ ������ �!��� �!��������������

��� ��� ���������������� �!�������'�����������&'()��� �!����������������������� �����������!������������������������!��

���������� ��� � �!������������������!�������'�������0��������������������&'()������������������������������������������

������������������������������!��������%[8I�����������������*��'������������������������� �� ������������������������

���������� �� ������������������()�!���������������� ���!� ��������������� ��������� Similarly, p����!�� ��

�������������������������I��������������������������������!������� ������� ��������������� �� ����������� �������� �

7��������G�����������!��������!���������� ��%���*��D5E�

Page 26: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

23

References

8�� 2,�����������&���������4��&��������"� ����������(�����!$�,�����������&����������������!��������������

� ������8B��5�U����$BB�������������������B���������B�� �B#������������!�[��

�� 2�/�!����������;�!������&����������������� ��� ��"��������������������"�������4�7�������,�����������-�!��

8$�;�0�������7��������������������1�������� ������88B��5�U����$BB������ �� ����B����B� ����B#��B�

��0�����B����/���![�����U����$BB�������������������B���������B���B�� �!����B���B#��\����\KK8>���[�

C�� 2(���������� �����&���������4�-����(����!�� ��&����������3��������9����������������;������������� ������

8B��5�U����$BB������������B���������B��B[�����U����$BB������������B���������B���������!�� �B[�

5�� 2;����%;�������������������������������!������������*�4��;����� ����G�����&���������1��� ���% �G&1*��

� ������8B��5�U����$BB�������� ����B[�

>�� 2-�!���������������4����������������� ���������� ������������� ��� ������9����������������B�

;����� ��&��0�����;������� ����8B��5�U����$BB�������������������B ����!�����B������\������B[�����

U����$BB�����������B[�

?�� 2��������� ��� ��(����4�� ���������� ����&��������"� ������������� ������8B��5�

U����$BB���������������B��!�B�����B�� �����B���6�� ������B��(��� ��� �\����6�KK�I5?���[�

I�� 2������������]��������3���-�!���4���������������������!������(���� ��������� ���� ������8B��5�

U����$BB������������������B����/� !O J���\��!����!\����/[�

M�� ����!������������.����� ��������<��H��%��5*��2�������!������;���1� ���������!����������� ������� ���������

1����"� ����������4����������������������������� ���������������������������� ����!""#�������$��

�$� ����!���������(����������G�H�<��%8KK>*��2�������!���������� � ���������!������!���� ��������������� ��������� ����

!�������4�������������������%��������&��'�����������������&������������������%()�*$�

�"$� ����!��������%8KK?*��2�������!���������� �����������1����<�������4�1�!!��������������3��������������� ��

�����������&�����������������+%()�*,$�

88�� R������R��������H�������"�������;��%���*��2����!���� ���(����� �������������������(���� 0�"�!�����

(���������� �<�������4�� �����!"""�������������*�&������- ����������H����8?�8�������

8�� ����!��������%���*��2�������(����� 0�"�!������1���!����������()������!��4��������������������������.�/��������

��&�'������������M��8I�>�%���*��

8C�� 7����������-�������.��������� �9���-����������R�������9�%��C*��2<��������'!�� ������9���"���(���������� �

�����!�4�3'�"��0������������� ����������������������<�� ����C���

85�� ����!���������3��������������2������������������������������ ������!��4�������������M�%���*�KKK�8�8��

8>�� �����������&�����(���7����������-�������%��*��27�����"��������(���������� �.�����-������4�&������������7����

9����� ��;�����������3��������'�������������������������"� ���������������������!���-9���"����� ������

����1���)��8�M��(���

8?�� 2.����������������������� 0����()O4�%��5*�� ���������������������"� ����������(�����!��"���3��������

9����������������;�����������

8I�� H����� ���0���G��!!����&�����3������.�������%���*��2�����������(���������� ������!��4��0�������������������

'������0������������'���������������������������1��� �����$�9������'���()(��"��8$������

8M�� H����������3������%��5*��2;���1� ���������!�������1�����������(���������� ���������������� �����������������4��

�������������������������.�/����������&�'�������������

8K�� 29����������������"���������������$��6�������4�����������9����������������1��� ����� ������8B��5�

U�����$BB������� ���������������B�� �!����B&�����\��5B�������B�9�1\"������\��\�����[�����/���

����$�U����$BB������� ���������������B����� ������B���������![�

��� 29����������������� �����������5��4�����������9����������������1��� ����� ������8B��5�

U����$BB������� ���������������B�� �!����B�������\�5�B�9�1\� ������6��5����[�

8�� �����������&�����(���7����������-�������%��8*��2�/������ ���.���� �����������(���������� �����-������!���� �

.�����4�� ����������.�2�����1�������������1������ ��������8�>����8�.�������������1��

�� �)�%�1���)�����3���C����C�

Page 27: An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy ... · An Assessment of the Department of Energy’s “Zero Energy Homes” Initiative Based on Photovoltaics Technology

Industrial Ecology Dec 2004 – Graves

24

C�� G������<����%���*��2(���������� �$��� �����������������4�������������M�%���*�KMK K̂KM�

5�� ��������&�����������������������0���CA��'��'��������������������������0���C��<�����C��

>�� G������<����%��C*��29� �����������!������������������� �4�� �����������I?�%��5*�CSM��

?�� ��0�����!��H���������H�������<�H��%���*��21���� �������������()�<���������3���G�����������4��13�1����

�?I��1�����������������3�)�<� ����� ��85?�C���8?�8���

I�� �!��������� �. ������!��� ��;@��������H������H�����������@����� ��<��0���%���*��2(����!�� ��<�����������

&��������'����������(���������� ������!��4��3�������������)� �����������������������G������������

M�� �����������&�����(���7����������-��������������<��0�. ��%��*��2(����!�� ������1���� ����#��������&��������

'����������(���������� �(������4�3'�"��9�����������!�����(�� ��������������K���'����(���������� �

��� ��������1������ ��%()�1*�<�����5��������3������������;����������

K�� 2<����������-�����4�����2����������������� ������4��� ������8B��5�U����$BB��������������� �!B[�����

U����������������� �����[�

C��� 3���!�����"��!����1�������� �����;�#���%��C*��2 �������������"�!����������� ������()������!�

(����!�� ��4�'���()(��"��0��9���������!��� ������ ��88�8M�<�����C��H��������

C8�� 2(��@� ����&���������7���������������� ��� ������9����������������(�����!�4�%7=���>�7=��>�*�

�������/�'�S�(����'�8����9����������������������0���C�&������������!�������������"� ��(�����!���

C�� 2G�����"����4�&�����������������!������7������������ ������8B��5�U������$BB��������������������B[�

CC�� ������������(����!�� ���9���������������(��!��������(���������� ������!��4�����'���()(��"�����9������

'��S()(��"��C$����

C5�� H����� ���0���3������.�������%��C*��2(����!�� ���������������9�������������G����1���� ����()������!�����

'���1���������4��'���()(��"��0��9��������������������I��1M��C����.1(�1�C�����0���H������85�<�����C�

C>�� R��������<�����������9��%��5*��2��������(���������1����9��� ������9�����������!�������;������ ����

<���� ���������()�<�������4���� ����� ����9���������39�;��39�;B�9�>��C?M5?��

C?�� R�!!�����������<���(� �����������%��5*��2��������������1���������� ��� ����4�'���$�/��$��������$�/���������5��

K$8C�8S8C�55�

CI�� 2������<������(�� ���������!����4��������##��� ������8B��5�U�����$BB�����������##� �!B�

!�������� �����![�

CM�� H_����.��������������%��5*�2"���()3�"�9����� ��9���!�������'���(��������'!�� �����()�'��������4��

���������1�!!�������H�����9����� ��1�������1������ ��8K���� ()��1`���I����88�H������5��

CK�� 2�������!���������������������()�9���!���4�%��5*�������������&��������1��� ��������������������������

���� ������U������ �������������� ���������[�

5��� -�!���������.��������2()���������� ��� ����'�������$�<��0���G����������(����� ������4�9.��� ������������

��������������� ������ �����&���0�0���5��7������&���0�0�����B���8���5�B�9�����

58�� '00������!����%��5*��2�����������H��������()�<��0����7��!�����3���������������9��������C�4�H����K����5��

��������������������������� �����������������������0�'��)� �-��4������

5�� -������1��������<�� � 0��(��������&������.�����%��5*��2'���()(��<����������'��������S�9�����������������

�����������������/��������G��������!�������(���������� ���"��� ���/������ ��4������������������� �����������

�������������&��5��6�������(������7��� ���I�88�H�������5��

5C�� 9�����������������'������ ��������������������`������������!������3���=��0$�< G����-�������8�