Projektvorstellung: PV-Speicher im Haushalt

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1 Projektvorstellung: PV-Speicher im Haushalt Eigenverbrauch, Betriebsstrategien, Kostenentwicklungspotentiale und Auslegungsempfehlung Janina Moshövel

2 Einleitung PV-Hausspeicher Eigenverbrauch maximieren Netzeinspeisung direkter Verbrauch Abregelung Laden Batterie optimal dimensionieren Netzbezug minimieren Netz entlasten (hohe Einspeisepeaks reduzieren) Abregelung vermeiden Entwicklung geeigneter Betriebsstrategien 2

3 Motivation für PV-Speichersysteme Zwei verschiedene Anforderungen der beiden Hauptakteure Besitzer des PV-Speichersystems Netzbetreiber Hoher Eigenverbrauch Wenig Energieverlust Niedrige Einspeiseleistung, konstante Spannung im Netz Erzeugte Energie direkt nutzen Abregelung Speichern sobald möglich Speicher sind in der Lage den Eigenverbrauch zu erhöhen UND gleichzeitig das Netz zu entlasten, wenn sie richtig betrieben werden 3

4 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 4

5 Simulationsmodell Simulationsmodel DC-Topologie PV-System Berechnung der erzeugten PV Leistung mittels globaler Einstrahldaten auf die Horizontale Gemessene Daten von der Baseline Surface Radiation Network 1, 60s Intervall, Lindenberg Germany 1 Behrens K, "Basic measurements of radiation at station Lindenberg (2004)," Meteorologisches Observatorium Potsdam, doi: /pangaea ,

6 Simulationsmodell Simulationsmodell DC-Topologie DC/DC-Converter und Inverter Repräsentiert durch Leistungskurve Spannungsabhängig Generisches Modell, andere Parameter möglich 6

7 Simulationsmodell Simulationsmodell DC-Topologie Haushaltslastprofil Bestehend aus gemessenen Einzelprofilen von 32 typischen Haushaltsgeräte in 60 s Berücksichtigt deren Einschaltzeit und -dauer Variation von Wochentag und Jahreszeit 7

8 Simulationsmodell Simulationsmodell DC-Topologie Batterie - Lithium Impedanz Modell Berücksichtigung von SOC und Temperaturabhängigkeit Thermisches Modell zur Berechnung der Erwärmung Lithium-Ionen Batterie basierend auf SAFT VL 45E Zelle 8

9 Simulationsmodell Simulationsmodell DC-Topologie Batterie - Blei Modifizierte Shepherd Gleichungen Berücksichtigung von SOC und Temperaturabhängigkeit Gasung, Degradation, Korrosion, Säureschichtung Alterung parametriert mit SENEC.Home G2 plus 9

10 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 10

11 Management strategies PV ohne Speicher Verwende PV Energie nur bei gleichzeitiger Last Lithium Maximierung Eigenverbrauch Wirtschaftlichste Lösung nach aktueller Gesetzlage Überschüssige Energie wird sofort gespeichert Batterie oft vollgeladen vor der Mittagszeit + Besitzer PV-Speichersystem - Netzbetreiber Moshoevel et al. Analysis of the maximal possible grid relief from PV-peak-power impacts by using storage systems for increased self-consumption," Applied Energy, Vol. 137, No. 1, p , 2015 Netzaustauschleistung [kw] Zeit [h] 11

12 Management strategies PV ohne Speicher Verwende PV Energie nur bei gleichzeitiger Last Lithium Perfekte Prognose Netzentlastung durch geringere Einspeiseleistung Berechnet verfügbare Kapazität Speichert so viel Energie wie möglich oberhalb eines bestimmten Limits + Besitzer PV-Speichersystem + Netzbetreiber Moshoevel et al. Analysis of the maximal possible grid relief from PV-peak-power impacts by using storage systems for increased self-consumption," Applied Energy, Vol. 137, No. 1, p , 2015 Netzaustauschleistung [kw] Zeit [h] 12

13 Management strategies PV ohne Speicher Verwende PV Energie nur bei gleichzeitiger Last Lithium Persistenz Prognose Lastbedarf entsprechend vorheriger Woche PV Erzeugung entsprechend vorherigem Tag PI-Regler kompensiert Verluste aufgrund von Prognosefehlen ± Besitzer PV-Speichersystem ± Netzbetreiber Moshoevel et al. Analysis of the maximal possible grid relief from PV-peak-power impacts by using storage systems for increased self-consumption," Applied Energy, Vol. 137, No. 1, p , 2015 Netzaustauschleistung [kw] Zeit [h] 13

14 Qualität der Vorhersage Persistenzprognose Ziel SOC Realer SOC Häufigkeit [Tage/Jahr] Unterschied im täglichen Energiedurchsatz im Vergleich zu maxeig [kwh] Netzaustauschleistung [kw] Zeit [h] 14

15 Einspeiseleistung 15

16 Eigenverbrauch und Abregelung Energiemanagement Eigenverbrauch [%] Speicher erhöhen den Eigenverbrauch PV ohne Speicher 20.0 Maximierung Eigenverbrauch 51.5 Perfekte Prognose 50.8 Persistenz Prognose %Punkte weniger mit Persistenz Prognose Perfekte Prognose nur 3.5%Punkte mehr Bei Abregelung weniger Energieverlust Mehr Netzentlastung bei gleicher Menge abgeregelter Energie mit Persistenz Prognose Jährl. Energieverlust [%] Einspeiselimit [%] 16

17 Fazit + Handlungsempfehlung Betriebsweisen von Photovoltaik-Speichern Eine Begrenzung der Einspeiseleistung erhöht die Aufnahmefähigkeit der Verteilnetze. Speicher können die Einspeisespitzen reduzieren und zudem Abregelungsverluste verringern. Ein netzdienliches Verhalten erfordert Prognose: Um hohe Einspeisespitzen mit Speichern zu reduzieren, sind Prognosen von Last und Erzeugung notwendig, anhand derer das Energiemanagement den Speicher intelligent lädt. Die einfache Persistenzprognose liefert hinreichende Vorhersagen und erfordert dabei keine externen Daten. Hohe Einspeiseleistungen werden signifikant reduziert. Die Lebensdauer bei Lithium wird verlängert. Einbußen im Eigenverbrauch durch Prognosefehler sind gering, Prognosefehler führen zu Restspitzen der Einspeiseleistung. Handlungsempfehlung: Persistenzprognose und Abregelung kombinieren. Dadurch können Einspeisespitzen verlässlich begrenzt werden ohne dabei viel Energie durch Abregelung zu verlieren. 17

18 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 18

19 Lebensdauer MaxEig, PV System 5kWp, Energiebedarf 3,5MWh/a, inst. Kapazität 6kWh Lebensdauer hoch hoch gering gering Lithium Mehr Alterung bei hohem Ladezustand Datenblatt Solion: Jahre bei Delta SOC=50% bei 0,7 Zyklen/Tag: Zyklen (rein kalendarisch) Blei Mehr Alterung bei tiefem Ladezustand Datenblatt SENEC: Zyklen bei Delta SOC=50% bei 0,7 Zyklen/Tag: Jahre (rein zyklisch) 19

20 Einfluss der Strategie auf Lebensdauer Bei der Lithium Batterie: maxeig - PersProg Delta Bei der Blei Batterie Altert langsamer in hohen ladezuständen (im Gegensatz zu Lithium) Strategie jedoch nur wenig Einfluss auf Lebensdauer, da geringe Ladeleistung (max. 0,3C) -> langsame Vollladung -> durch Prognose nur minimal verzögert 20

21 Fazit + Handlungsempfehlung Betriebsweise technologiespezifisch Lithium Batterie: Altert langsamer bei niedrigen Ladezuständen (SOC) als bei hohen. Durch das Verzögerte Laden bei der Persistenzprognose wird dadurch die Lebensdauer verlängert. Handlungsempfehlung: Bei Lithium sollten hohe Ladezustände vermieden werden. Blei-Batterie: Altert langsamer bei hohen Ladezuständen (SOC) als bei niedrigen. Bei 100% SOC tritt jedoch vermehrt Gasung auf. Handlungsempfehlung: Bei Blei sollten niedrige Ladezustände vermieden werden sowie ausgedehnte Vollladungen auf 100%. 21

22 Einfluss der Strategie auf Eigenverbrauch Ca. 800 Haushalte, Lithium Batterie SOC: 0-80% 22

23 Einfluss der Strategie auf Eigenverbrauch Ca. 800 Haushalte, Lithium Batterie SOC: 0-80% 23

24 Einfluss der Strategie auf Lebensdauer Ca. 800 Haushalte, Lithium Batterie SOC: 0-80% hoch gering Persistenzprognose verlängert die Lebensdauer der Lithium Batterie 24

25 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 25

26 Eigenverbrauch 5kWp PV-Anlage Standort nahe Berlin Süd: 5120 kwh PV-Erzeugung (Jahresertrag 1024 kwh/kwp) Ost-west: 4320 kwh PV-Erzeugung (Jahresertrag 864 kwh/kwp) Höherer Direktverbrauch bei ost-west, aber mehr Erzeugung bei süd - Ausrichtung mit Batterie Südausrichtung wirtschaftlicher 26

27 E-Fahrzeug Ladeprofile Konstante Ladeleistung 3kW Verbrauch Fahrt 18kWh/100km Heizung 0,5kWh/100km Klimaanlage 0,3kWh/100km Batterie so groß, dass Strecke immer gefahren werden kann Profiltypen Pendler (Laden nur abends, 30km/Tag) Zweitwagen (Laden nach jeder Fahrt, 25km/Tag) Unterscheidung Wochentag/ Jahreszeit 27

28 Einfluss auf den Eigenverbrauch Elektrofahrzeige erhöhen den Eigenverbrauch bessere Übereinstimmung Zweitwagen und PV-Erzeugung (Laden am Tag) größere Eigenverbrauchssteigerung 28

29 Eigendeckungsanteil des E-Fahrzeugs Lithium, MaxEig, PV System 5kWp, Energiebedarf 3,5MWh/a, inst. Kapazität 6kWh Pendler: lädt abends, stationärer Speicher erhöht Eigendeckungsanteil Zweitwagen: lädt tagsüber, Direktverbrauch, stationärer Speicher erhöht Eigendeckungsanteil nur gering Mit PV-Anlage kann E-Fahrzeug um 40-87% gedeckt werden 29

30 Fazit + Handlungsempfehlung Eigenverbrauch & PV-Ausrichtung Die Erzeugung ist höher bei Süd-Anlagen als bei Ost-West-Anlagen, jedoch ist die Erzeugung bei Ost-Westanlagen mehr in die Morgen- und Abendstunden verschoben, sodass die dort typischerweise vermehrt auftretenden Lasten gedeckt werden können. Der Direktverbrauch ist somit größer bei Ost-West-Anlagen. Batterien erhöhen die eigenverbrauchte Strommenge: Bei Süd-Anlagen kann mit Batterie die größte Strommenge selbst genutzt werden, da mehr Strom erzeugt wird, der gespeichert und zu späteren Zeitpunkten genutzt werden kann. Elektrofahrzeuge, besonders Zweitwagen, können zu einem großen Teil über den selbst erzeugten PV-Strom betrieben werden. Handlungsempfehlung: Ist die Installation eines Speichers geplant, sollte möglichst eine Südausrichtung der PV-Anlage gewählt werden. 30

31 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 31

32 Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? 32

33 Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Höchste Leistungsänderung am Tag (immer PV Erzeugung enthalten, nicht nur Last) Ohne Batterie steilere Flanke, da Wechsel von Last zu Erzeugung Batterien zum Eigenverbrauch belasten das Netz NICHT zusätzlich! 33

34 Keine Netzbelastung durch Speicher! Batterien reduzieren Lastflanken durch Ein-oder Ausspeichern ZUSÄTZLICH: Viele Speicher im Netz glätten, da unterschiedliche Volladezeitpunkte: 34

35 Fazit + Handlungsempfehlung Wirkung von Speichern auf die Residuallast Der Leistungsgradient der Residuallast ist am größten bei Wechsel von Last zu Erzeugung. Die natürliche Fluktuation der Erzeugung (z.b. durch Wolkenzug) hat geringere Leistungsgradienten als das direkte Aufeinanderfolgen von Last und Erzeugung. Speicher zum Eigenverbrauch entlasten das Netz, da sie immer mindestens einen der Einflüsse reduzieren. Der Speicher kann entweder die Last durch Ausspeichern reduzieren oder die Erzeugung durch Einspeichern verringern oder sogar beide Anforderungen erfüllen und verringert dadurch die Leistungsgradienten. Das Entladen eines Speichers ins Netz kann Belastungen hervorrufen. Dies ist nicht der Fall bei eigenverbrauchsorientiertem Betrieb und bei marktgetriebener Betriebsweise i.d.r. auch nicht. (Detaillierte Analyse notwendig). Handlungsempfehlung: Lokale Restriktionen sollten immer Vorrang vor globalen Anfragen haben. Wird der Speicher nicht eigenverbrauchsoptimiert betrieben sondern über Signale von außerhalb (z.b. Netzfrequenz, Preise etc.) dürfen dadurch lokal im Niederspannungsnetz keine Probleme verursacht werden. 35

36 Inhaltsverzeichnis Simulationsmodelle Lithium Batterie Blei Batterie Energiemanagement Prognosebasierte Betriebsstrategie Eigenverbrauch und Lebensdauer Einfluss Elektrofahrzeuge Zusätzliche Netzbelastung durch Speicher? Speicherauslegung 36

37 Speicherauslegung A 0 = Anfangszahlung E t = Einzahlung zum Zeitpunkt t A t = Auszahlung T für den Beobachtungszeitraum (1 + i) t = Diskontierungsfaktor i = Kalkulationszinssatz K = A 0 + E t A t (1 + i) t T t=1 Wirtschaftlichkeit eines Speichers: nur die Kosten und Gewinne durch Batterieinstallation T K = K iii + E aaaaaaa SSSSSSSSSS 1 + r t E iiiiiii EEE K iiiiiii (1 + i) t t=1 r = jährliche Preissteigerung 37

38 Speicherauslegung 2015 Basisszenario 2015 Basisszenario: Stromkosten: Arbeits- und Leistungspreis getrennt, MwSt. auf Eigenverbrauch 38

39 Speicherauslegung % größer 39

40 Speicherauslegung 2020 Basisszenario 2020 Basisszenario: Stromkosten: Arbeits- und Leistungspreis getrennt, MwSt. auf Eigenverbrauch 40

41 Speicherauslegung % größer Strompreis: großer Einfluss auf Wirtschaftlichkeit von Speichern 41

42 Speicherauslegung % kleiner Batteriekosten: Einfluss auf Wirtschaftlichkeit von Speichern 42

43 Speicherauslegung % kleiner kein EEG mehr EEG: Einfluss EEG-Umlage auf Wirtschaftlichkeit verzögert die Wirtschaftlichkeit von Speichern der Speicher, ist aber ggf. notwendig für ein wirtschaftliches Gesamtsystem von PV + Speicher. 43

44 Speicherauslegung 20% größer Die wirtschaftliche Speichergröße hängt von vielen Faktoren ab, z.b. von der Größe der PV-Anlage, der Haushaltslast, dem Batteriepreis, dem Strompreis, dem Zins etc. Ein überdimensionierter Speicher reduziert die Wirtschaftlichkeit. Eine Optimierung bezüglich Eigenverbrauch oder Autarkie resultiert in größeren Speichern als eine Optimierung bezüglich der Wirtschaftlichkeit. 44

45 Zusammenfassung Speicher können die Einspeisespitzen reduzieren Persistenzprognose liefert hinreichende Vorhersagen Einbußen im Eigenverbrauch durch Prognosefehler gering Einfluss auf Netz im Vortrag PV-Speicher im Energiesystem Prognosebasierte Betriebsstrategie verlängert die Lebensdauer der Lithium-Batterie Wirtschaftlichkeit im Vortrag soziale, ökonomische und ökologische Aspekte Größter Eigenverbrauch mit Batterie bei Süd ausgerichteter PV-Anlage Elektrofahrzeuge, besonders Zweitwagen, können zu einem großen Teil über den selbst erzeugten PV-Strom betrieben werden Speicher zum Eigenverbrauch reduzieren schnelle Wechsel von Last zu Einspeisung, entlasten das Netz also zusätzlich 45

46 Projektvorstellung: PV-Speicher im Haushalt Eigenverbrauch, Betriebsstrategien, Kostenentwicklungspotentiale und Auslegungsempfehlung Janina Moshövel

Fazit + Handlungsempfehlung

Fazit + Handlungsempfehlung Betriebsweisen von Photovoltaik-Speichern Eine Begrenzung der Einspeiseleistung erhöht die Aufnahmefähigkeit der Verteilnetze. Speicher können die Einspeisespitzen reduzieren und zudem Abregelungsverluste

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