Solarstromspeicher auf dem Prüfstand Sicherheit und Performance im Vergleich, Bertriebserfahrungen und Qualität

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1 Solarstromspeicher auf dem Prüfstand Sicherheit und Performance im Vergleich, Bertriebserfahrungen und Qualität 15. November 2018 Felix Büchle mit Folien von Bernhard Schwarz, Michael Mast und Nina Munzke Photovoltaik und Stromspeicher Neue Entwicklungen und Erfahrungen Stadtwerke Menden Competence E 1 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft ETI Batterietechnikum

2 Heimspeicher auf dem Prüfstand das Projekt SafetyFirst Sicherheit Transportsicherheit Funktionale Sicherheit Effizienz Standby-Verluste Batteriewirkungsgrad Wirkungsgrad der Leistungselektronik Reaktionsgeschwindigkeit des Speichers Intelligente Systemsteuerung Netzdienlichkeit Reduktion von Spitzen in der Netzaustauschleistung Intelligente Systemsteuerung 2 Felix Büchle

3 Sicherheitsuntersuchungen an Li-Ionen Heimspeichern Die Sicherheitsuntersuchung ist in drei Bereiche gegliedert 1. Einhaltung der Transportvorschriften für den sicheren Versand der Lithium- Ionenbatterien 2. Beurteilung der funktionalen Sicherheit anhand des Sicherheitsleitfaden für Li- Ionen Hausspeicher 3. EU-Konformität durch Prüfung der CE- Kennzeichnung und Prüfung der Plausibilität Gefahrgutvorschrift GGVSEB 1, Abs. 3 Stand der Technik Sicherheitsleitfaden Li-Ionen Hausspeicher EU- Konformität EMV-Anforderungen Niederspannungsrichtlinie 3 Felix Büchle

4 ADR Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 4 Teil 5 Teil 6 Auswertung der Transportsicherheit und funktionalen Sicherheit der Speichersysteme Systemnummer Allgemeine Vorschriften Klassifizierung Verzeichnis der gefährlichen Gütern Verwendung von Verpackungen und Tanks Vorschriften für den Versand Bau- und Prüfvorschriften für Verpackungen Schutzziele für die Batterie/Batteriemodul Kurzschluss Extern Kurzschluss Intern Überladung Überspannung Tiefentladung Überstrom Übertemperatur Zu tiefe Temperatur Mechanische Schäden Defekte Zelle Im Pack Produktions- und Designfehler Schutzziele für das System Kurzschluss Extern (Batterieseitig) Überladung / Überspannung (Batterieseitig) Tiefentladung Überstrom Über- und Untertemperatur Mechanische Schäden von außen Mechanische Schäden von innen Fehlinstallation Fehlbedienung Gefährliche Berührspannung Missbrauch Unklarer Betriebszustand Schadstoffemissionen (gasförmig, flüssig, fest) Unzureichende funktionale Sicherheit Produktions- und Designfehler Allgemeine Schutzziele Unzulängliche mechanische Verarbeitung Vandalismus Brand Blitz/Überspannung Verschmutzung Druck Besondere Anforderungen aus der Umgebung Einhaltung gesetzlicher Vorgaben 4 Felix Büchle Legende erfüllt geringfügige Abweichungen teilweise erfüllt (wird auf höherer Ebene erfüllt) teilweise erfüllt nicht erfüllt nicht anwendbar

5 Auswertung der Transportsicherheit und funktionalen Sicherheit der Speichersysteme System Number Model Status a r a P P r r a r r a a a a P P r P P Transport Safety Functional Safety Das Batteriemodul hat die Prüfung nach UN 38.3 (T.4 Shock) nicht bestanden und es liegen weitere Verstöße vor. Der Hersteller änderte in der Zwischenzeit den Unternehmensgegenstand und schloss die Haftung für frühere Verbindlichkeiten aus. ETI/KIT 2018 Nach Problemen am Teststand wurde der Speicher einer EMV- Messung unterzogen (EN :2007). Die Leitungsgebundene Störaussendung überschritt die Grenzwerte um das bis zu 300- fache. Der Hersteller ist inzwischen nicht mehr am Markt tätig. ETI/KIT 2018 Verpackung widersprach (fast) allen Vorschriften. Modell eingestellt, kein Nachfolgermodell am Markt. Keine Temperatursensoren im Batteriemodul erkennbar. Übertemperaturprüfung nach Abschluss des Versuchsbetriebs. Das Prüflabor hat die Prüfung nach UN 38.3 abgelehnt zu unsicher. Das KIT hat den Hersteller auf die Sicherheitsmängel hingewiesen, ohne Reaktion. Das Speichersystem wird auf der Homepage des Herstellers nach wie vor beworben, ist offenbar aber nicht mehr erhältlich. ETI/KIT 2018 Prüfung nach Niederspannungsrichtlinie in Vorbereitung. Verpackung nicht für das Gewicht der Batterie zugelassen. Die leitungsgebundene Störaussendung überschritt die Grenzwerte um das bis zu 100-fache. Der Hersteller verspricht Nachbesserung. 5 Felix Büchle

6 Funktionale Sicherheit Transport Auswertung der Transportsicherheit und funktionalen Sicherheit der Speichersysteme 6 Felix Büchle

7 Heimspeicher auf dem Prüfstand das Projekt SafetyFirst Sicherheit Transportsicherheit Funktionale Sicherheit Effizienz Standby-Verluste Batteriewirkungsgrad Wirkungsgrad der Leistungselektronik Reaktionsgeschwindigkeit des Speichers Intelligente Systemsteuerung Netzdienlichkeit Reduktion von Spitzen in der Netzaustauschleistung Intelligente Systemsteuerung Effizienzleitfaden 7 Felix Büchle

8 Eigenschaften der getesteten Systeme Systembezeichnung im Folgenden: System A bis System O (Ergebnisse von bis zu 15 Systemen) Technologie: Lithium-Ionen Energieinhalt (nutzbar): 2 kwh 6 kwh Topologie Komplettsystem Intelligente Systemsteuerung DC 72% AC 28% Ja 50% Nein 50% Ja 25% Nein 75% 8 Felix Büchle

9 Prüfstand und Messstellen Prüfumgebung Speicherbetrieb in einer Hardware-in-the-loop (HiL) Umgebung PPVS,DC PNETZ PAC Simulation der PV- Anlage durch PV- Generatoren Emulation der Haushaltslast durch elektronische Lasten Steuerung Prüfstand und Datenaufzeichnung über Messrechner und redundante Datenbank Heimspeichersystem Messstelle (DC) Messstelle (AC) PPV-WR/ BESS PBATT PLAST 9 Felix Büchle

10 Effizienzmessungen Langzeit-Messungen Simulation von kompletten Tagen realistische PV- und Last-Profile Verhalten im Realbetrieb Kurzzeit-Messungen Vermessung einzelner Komponenten und Leistungsumwandlungspfade nach Effizienzleitfaden Charakterisierung des Systems 10 Referenzlastprofile aus VDI 4655 (5 Personen, 4200 kwh/a) 5 zugehörige PV-Profile (normiert auf 3,5 kwp) synthetisches Jahr durch regionale Gewichtungsfaktoren 10 Felix Büchle

11 Leistungsumwandlungspfade - Beispiel DC gekoppeltes System DC gekoppeltes System 2 DC- und 3 AC- Messpunkte DC - Messstelle AC - Messstelle PPVS,DC DC PAC PNETZ AC MPP Tracker Bidirektionaler Wechselrichter PLAST Heimspeichersystem PBATT Konverter 11 Felix Büchle

12 Leistungsumwandlungspfade - Beispiel DC gekoppeltes System DC gekoppeltes System 2 DC- und 3 AC- Messpunkte Wandlungspfad PV2AC (Direktverbrauch / Netzeinspeisung) PPVS,DC DC PAC PNETZ AC PLAST PBATT Heimspeichersystem 12 Felix Büchle

13 Leistungsumwandlungspfade - Beispiel DC gekoppeltes System DC gekoppeltes System 2 DC- und 3 AC- Messpunkte Wandlungspfad PV2AC (Direktverbrauch / Netzeinspeisung) Wandlungspfad PV2BAT (Batterieladung) PPVS,DC DC PAC PNETZ AC PLAST PBATT Heimspeichersystem 13 Felix Büchle

14 Leistungsumwandlungspfade - Beispiel DC gekoppeltes System DC gekoppeltes System 2 DC- und 3 AC- Messpunkte Wandlungspfad PV2AC (Direktverbrauch / Netzeinspeisung) Wandlungspfad PV2BAT (Batterieladung) Wandlungspfad BAT2AC (Batterieentladung) PPVS,DC DC PAC PNETZ AC PLAST PBATT Heimspeichersystem 14 Felix Büchle

15 Systemvergleich - Pfadwirkungsgrade nach Effizienzleitfaden Batterieladen Batterieentladen ETI/KIT 2018 ETI/KIT 2018 Verluste für einen Referenzhaushalt aus Leistungsumwandlung: 20 /a /a 15 Felix Büchle

16 Systemvergleich - Entladewirkungsgrad und Energieverteilung η ~ 14 %-P. ETI/KIT % der Energie im Haushalt bei Leistungen < 1 kw ETI/KIT Felix Büchle

17 System- und Batteriewirkungsgrad Systemwirkungsgrad = Energiemenge Eigenverbrauch + Netzeinspeisung erzeugte PV Energie Bestimmung aus Typtagmessungen (gewichtetes Jahresmittel) Heimspeichersystem 17 Felix Büchle

18 System- und Batteriewirkungsgrad Batteriewirkungsgrad = Energie Entladung DC seitig Energie Ladung DC seitig Bestimmung aus Typtagmessungen (gewichtetes Jahresmittel) Bestimmung aus Kurzzeitmessungen nach Effizienzleitfaden PBATT Heimspeichersystem 18 Felix Büchle

19 Wirkungsgrad / % Systemvergleich System- und Batteriewirkungsgrade aus Typtagmessungen 98 % 94 % 78 % 78 % ETI/KIT 2018 Batteriewirkungsgrad / % Systemwirkungsgrad / % Monetäre Verluste des Referenzhaushaltes aufgrund von Verlusten in der Batterie: 4 /a - 51 /a Referenzhaushalt : PV: 3,5 kwp, Verbrauch: 4200 kwh/a 19 Felix Büchle

20 Systemvergleich - Verbrauch im Standby aus Typtagmessungen Verluste für Referenzhaushalt durch Standby : 13 /a - 68 /a ETI/KIT Felix Büchle

21 Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad Autarkiegrad = Energiemenge Eigenverbrauch HH Energiemenge gesamte Last HH Bestimmung aus Typtagmessungen (gewichtetes Jahresmittel) Heimspeichersystem 21 Felix Büchle

22 Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad Eigenverbrauchsanteil = Bestimmung aus Typtagmessungen (gewichtetes Jahresmittel) = Erzeugte PV Energie Energiemenge Netzeinspeisung Erzeugte PV Energie Energiemenge Eigenverbrauch + Umwandlungsverluste Erzeugte PV Energie Heimspeichersystem 22 Felix Büchle

23 Systemvergleich Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad Region 12 (Karlsruhe)/ Haushalt: 4200 kwh, 5 Personen (VDI) / PV: 3,5 kwp Eigenverbrauchsanteil / % A B C D E F G H I J K L M 66,2 % 47,1 % Autarkiegrad / % ,2 % 39,3 % Felix Büchle A B C D E F G H I J K L M

24 Systemvergleich Eigenverbrauch und Autarkiegrad B (87 % System wirkungsgrad) A (84 % System wirkungsgrad) Referenzhaushalt: 4200 kwh, 3,5 kwp PV Eigenverbrauch Autarkiegrad Höherer Eigenverbrauch durch: Größere Speicherkapazität Aber ebenso durch niedrigen Systemwirkungsgrad Nutzbare Kapazität / kwh 24 Felix Büchle Systemvergleiche mit diesen Kennzahlen nur unter engen Rahmenbedingungen möglich! Ansatz für vereinheitlichte Kennzahl : SPI [3]

25 ETI/KIT 2018 Referenzen Sicherheitsleitfaden [1] : Effizienzleitfaden [2] : System Performance Index [3] : 25 Felix Büchle

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