Kostenminimaler Einsatz von dezentralen PV-Speicher-Systemen mit speziellem Fokus auf den Haushaltssektor. Albert Hiesl Michael Hartner Reinhard Haas

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1 Kostenminimaler Einsatz von dezentralen PV-Speicher-Systemen mit speziellem Fokus auf den Haushaltssektor Albert Hiesl Michael Hartner Reinhard Haas Technische Universität Wien Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe

2 Inhalt p Forschungsfrage p Methodik und Annahmen p Ergebnisse p Schlussfolgerungen und Ausblick 2

3 Forschungsfrage p Kostenminimale Nutzung von PV-Systemen in Kombination mit Batteriespeichern n Wie wirkt sich eine Variation des Aufstellwinkels und der Ausrichtung auf die PV-Erzeugung aus? n Welche ökonomischen Unterschiede lassen sich durch unterschiedliche Ladestrategien erkennen? n Wie sieht eine kostenminimale Kombination aus PV und Batteriespeicher aus? 3

4 Methodik und Annahmen Matlab Modell ( Auflösung: 1/4h): p Input-Parameter PV: n G h, T a, η n n Ausrichtung, Aufstellwinkel und Art der Montage Standort p p Batterie: n Unterschiedliche Batterietypen (Li-Ion, Blei-Säure) mit typischen Ladekurven und Wirkungsgraden Lastprofil: n Standardisierte Lastprofile (Haushalte, Bürogebäude, ) die mit dem jährlichen Stromverbrauch skaliert werden 4

5 Methodik und Annahmen p Batterie: n Spezifische Kosten von Lithium-Batterien wesentlich höher als jene von Blei-Säure Batterien n Erzielbare Wirkungsgrade bei Lithium Batterien höher (η ~ 0.9 vs. η ~ 0.7) n Entladetiefe entscheidend für die Zyklenlebensdauer der Batterie 5

6 Methodik und Annahmen p Zyklenlebensdauer: Blei-Säure 10 kwh Akku -> 5 kwh nutzbar ~3000 Zyklen ~1700 Zyklen Quelle: Datenblatt Hoppecke OPzV solar.power 6

7 Methodik und Annahmen p Zyklenlebensdauer: Lithium Ionen 10 kwh Akku -> 8 kwh nutzbar ~9000 Zyklen ~3000 Zyklen Quelle: Datenblatt Saft Intensium Flex 7

8 Methodik und Annahmen p Ökonomischer Vergleich zweier Modelle: n Manuelles Modell: Die Batterie wird geladen, wenn PV-Überschuss vorhanden ist und entladen, wenn die PV-Produktion unter das Lastprofil fällt n Optimierungsmodell: Mit Hilfe der Yalmip -Toolbox und des Gurobi Solvers wurde ein lineares Optimierungsmodell implementiert. Dabei entscheidet der Solver, wann die Batterie geladen bzw. entladen wird. 8

9 Methodik und Annahmen Zielfunktion: Netzbezug * Strompreis - Überschusseinspeisung * Einspeisetarif min t ( q t ne t battery + q t ne t demand ) c t electricty purchase ( q t PVfeedin + q t battery feedin ) p t feedin Lastgleichung: q t demand = q t net + q t PV + q t battery Batterie - Gleichungen: q t charge = q t P V battery η charge + q t ne t battery η charge q t discharge = q t batter y demand / η discharge q t battery feedin / η discharge storageleve l t =storageleve l t 1 + q t charge + q t discharge PV Gleichung: q t P V output = q t P V battery + q t P V demand + q t P V feedin 9

10 Methodik und Annahmen p Ökonomische Berechnung der beiden Modelle: n Internal rate of return (IRR): NPV= I+ t=1 25 C t / (1+i) t =0 n Cash-flow: C=q sel f consumption c electricit y purchase + q fee d in p fee d in mit a) Einem fixen Einspeisetarif und einem fixen Strompreis: - Einspeisetarif: 10 c/kwh - Strompreis: 19 c/kwh b) EXAA Spotmarkt-Preise von

11 Methodik und Annahmen p Batterie-Kosten: n n /kwh LiIon Batteriekosten steigen linear mit der Größe p PV-Kosten (Österreich 2012): 11

12 Ergebnisse Volllaststunden: p Optimale Konfiguration: n Ausrichtung: 180 (Süd) n Aufstellwinkel: 30 n 1090 Volllaststunden Aufstellwinkel [ ] p Abweichung von der optimalen Konfiguration: n 1.3% Verluste bei 20 Abweichung in der Ausrichtung und 10 Aufstellwinkel n Über 30% Verluste bei einem Aufstellwinkel von 90 n Zusätzliche Verluste von 5% durch höhere Temperatur Ausrichtung [ ] 12

13 Ergebnisse Eigenverbrauchsanteil und Deckungsgrad des Lastprofiles im ersten Jahr: - Lastprofil: Haushalt - Stromverbrauch: 4000 kwh/a - Ausrichtung: Süd Installierte PV-Leistung [kwp] 5 kwp ohne Speicher: ~31% mit 6 kwh Speicher: ~51% Installierte PV-Leistung [kwp] 5 kwp ohne Speicher: ~42% mit 6 kwh Speicher: ~70% Batteriekapazität [kwh] Batteriekapazität [kwh] 13

14 Ergebnisse Eigenverbrauchsanteil und Deckungsgrad des Lastprofiles im Jahr 25: - Lastprofil: Haushalt - Stromverbrauch: 4000 kwh/a - Ausrichtung: Süd Installierte PV-Leistung [kwp] 5 kwp ohne Speicher: ~38% mit 6 kwh Speicher: ~58% Installierte PV-Leistung [kwp] 5 kwp ohne Speicher: ~40% mit 6 kwh Speicher: ~61% Batteriekapazität [kwh] Batteriekapazität [kwh] 14

15 Ergebnisse Manuelles Modell vs. Optimierungsmodell mit fixem Strompreis und fixem Einspeisetarif: W W t[1/4h] t[1/4h] Wh Wh t[1/4h] t[1/4h] Energetisch: Kein Unterschied

16 Ergebnisse IRR manuelles Modell vs. IRR Optimierungsmodell mit fixem Strompreis und fixem Einspeisetarif: Installierte PV-Leistung [kwp] 0 % jährliche Rendite 0 % jährliche Rendite Installierte PV-Leistung [kwp] Batteriekapazität [kwh] Batteriekapazität [kwh] Ökonomisch: Kein Unterschied!

17 Ergebnisse Optimierungsmodell mit EXAA Strompreisen: Wh W /MWh t[1/4h] t[1/4h] t[1/4h] 17

18 Ergebnisse IRR manuelles Modell vs. IRR Optimierungsmodell mit EXAA-Strompreisen Installierte PV-Leistung [kwp] Installierte PV-Leistung [kwp] Batteriekapazität [kwh] Batteriekapazität [kwh] Kein Break-Even-Point Das Optimierungsmodell erzielt allerdings wesentlich bessere Ergebnisse 18

19 Schlussfolgerungen p Aus Sicht eines Haushaltes macht eine Optimierungsstrategie mit fixen Einspeisetarifen und fixen Strompreisen keinen Sinn. Erst mit variablen Einspeisetarifen und variablen Strompreisen lassen sich signifikante Verbesserungen erzielen p Größte jährliche Rendite ohne Speicher, allerdings auf einem niedrigen Level p Das PV-Speicher-Tandem kann in den nächsten Jahren durchaus auch eine ökonomisch sinnvolle Kombination 19 ergeben

20 Ausblick 20

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Albert Hiesl Vienna University of Technology Institute of Energy Systems and Electrical Drives Energy Economics Group EEG Tel: +43(0) Web:

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