Optimierter Betrieb von elektrischen und thermischen Stromspeichern für lokale Wertschöpfung und Netzdienlichkeit

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1 CEB Kongress Stromspeicherung in Gebäuden Stuttgart, 22. Mai 2015 Optimierter Betrieb von elektrischen und thermischen Stromspeichern für lokale Wertschöpfung und Netzdienlichkeit Dr.-Ing. Jann Binder Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

2 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Stuttgart: Photovoltaik, Energiepolitik, Energieträger, Power to Gas (Methan), zentrale Dienste Ulm: Elektrochemische Energietechnologien Widderstall: Solar-Testfeld Ulm: ZSW Labor für Batterietechnologie (elab) - 2 -

3 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ZSW ist eine gemeinnützige Stiftung mit 230 Mitarbeitern Schwerpunkte Photovoltaik: CIGS Fertigung und PV-Systeme System Analyse, Consulting und Energiepolitik Regenerative Energieträger (Power to Gas) Brennstoffzellen Elektrochemische Speicherung Wir arbeiten auf der gesamten Wertschöpfungskette von den Materialwissenschaften zur Produktion und Produkt Entwicklung - 3 -

4 Übersicht Mein Haus ist mein Kraftwerk Bedarfe (Strom & Wärme) Potentiale durch PV mit Wärmepumpe Speicher erhöhen Eigenverbrauch und Autarkie Kenngrößen und Wirtschaftlichkeit von elektrischen Speichersystemen Optimierte Speichersteuerung - Chancen für Netzentlastung Zusammenfassung - 4 -

5 Mein Haus ist mein Kraftwerk Photovoltaik Einspeisevergütung: 12,5 ct/kwh Strombezug: 28 ct/kwh Netz Energiebezug aus Sonne und Netz Eigenverbrauch & Eigendeckung (Autarkie) Wärme E th E PV steuerbare Haushaltsgeräte Wärmepumpe PV Wechselrichter elektrische Speicher thermische Speicher Intelligente E PV,EV Steuerung E el E el Ziel: erhöhte Eigendeckung JAZ E PV,EV Nutzung: Wärme, Kälte, Kraft, Mobilität, Kommunikation, Netzeinspeisung Nachhaltigkeit und stabile Energiekosten - 5 -

6 Potentiale der Eigendeckung (Autarkiegrad) durch Photovoltaik und Speicher etwa 65% des jährlichen Energieverbrauchs für Haushaltsgeräte können mit dem Ertrag von 4 kwp an PV und 5 kwh Speicher gedeckt werden. etwa ~45% des jährlichen Energieverbrauchs für Haushaltsgeräte und Heizung können mit 7 kwp an PV und 5 kwh Speicher gedeckt werden (genutzter Energieinhalt!). Vorraussetzung: die Heizung wird mit Vorrang betrieben wenn die Sonne scheint

7 Jahresenergiebedarf in Abhängigkeit vom Gebäudestandard (A N =140 m²) Einheit Passivhaus (Zero Energy) Gebäudestandard 2009 Gebäude standard 1995 Gebäude standard 1975 standardisierte Heizlast kw 2,5 5,0 7,3 11,5 spezifischer Heizwärmebedarf kwh/m²a jährlicher Wärmebedarf kwh th /a Elektrische Energie für die Wärmepumpe kwh el /a Jahresarbeitszahl (JAZ) 3,1 3,3 3,3 3,2 Elektrische Energie für Haushaltsgeräte kwh el /a kwh/m²a Annahme: Nutzfläche 140 m², Warmwasser gemäß EnEV (12,5 kwh/m²), Wärmepumpe, Fußbodenheizung, Strombedarf gemäß typischem 4 Personenhaushalt Durchschnitt des Gebäudebestands in

8 Solarer Eigenverbrauch abhängig von Heizlast und thermischem Speichervolumen PV = kwh/a, ohne Batterie Solarer Eigenverbrauch Wärmepumpe mit Warmwasserbereitung und th. Speicher ( l) Wärmepumpe mit WW & therm. Speicher (660 l) Wärmepumpe ohne WW & therm. Speicher (660 l) Wärmepumpe ohne WW, ohne Speicher ohne Wärmepumpe, nur Haushaltsgeräte Heizlast [kw] - 8 -

9 Einfluss des Lastprofils (Nutzung elektrischer Geräte) auf Eigenverbrauch bzw. Autarkiegrad Beispiel Haushalt ohne Wärmeversorgung Stromverbrauch [W] Stromverbrauch [W] Profil EV hoch Profil "EV-niedrig" Profil "EV-hoch" Profil EV niedrig 200 Im folgenden werden Ergebnisse gezeigt für die Profile mit höchstem und niedrigstem Jahreseigenverbrauch skaliert auf Jahresverbrauch 4000 kwh/a: (a) (b) Uhrzeit Uhrzeit Profil EV hoch mit hohem EV - hohe Last am Mittag Profil EV niedrig mit niedrigem EV - hohe Last am Abend - 9 -

10 Autarkiegrad in Abhängigkeit der Batteriekapazität, bei zwei extremen Lastprofilen (ohne Wärmeversorgung) das Profil EV niedrig verbraucht wenig Energie über Mittag daher werden auch große Batterien regelmäßig geladen, mit großem Gewinn für den Autarkiegrad große PV Anlagen begünstigen den Gewinn durch die Batterie Lokaler Jahresverbrauch E el = 4000 kwh/a Autarkiegrad E PV,EV E el

11 Übersicht Mein Haus ist mein Kraftwerk Bedarfe (Strom & Wärme) Potentiale durch PV mit Wärmepumpe Speicher erhöhen Eigenverbrauch und Autarkie Kenngrößen und Wirtschaftlichkeit von elektrischen Speichersystemen Optimierte Speichersteuerung - Chancen für Netzentlastung Zusammenfassung

12 Elektrische Speicher - Definitionen Nominelle Batteriekapazität (C) Theoretischer Wert, der aus Rücksicht auf die Batterielebensdauer meist nicht ausgenutzt wird. Einheit wie in der Batterieindustrie: Ah Energieinhalt C x U Batt kwh Ladezustand, State of Charge (SOC) Bsp. für neue Li-Ion Batterie: Zustand entladen SOC = 20% (SOC dyn = 0%) Bsp. für neue Li-Ion Batterie: Zustand geladen SOC = 80% (SOC dyn = 100%) Entladetiefe, Depth of Discharge (DOD) DOD = (SOC voll SOC leer ) im Bsp: für vollständigen Zyklen DOD = 60% Entladetiefe bezogen auf die nominelle Batteriekapazität

13 Statistik Batterie-Zyklisierung Aus Zeitreihen von SOC-Niveaus über ein Jahr Aufsummieren der Verweilzeiten bei den verschiedenen SOC-Niveaus Berechnen der Zyklenzahl und kategorisieren nach Entladetiefe (DOD) Beachte Der Wechsel von SOC dyn = 100% zu SOC dyn = 0 % liefert 60% der nominellen Batteriekapazität, der Rest ist Alterungsreserve Relative Verweildauer Zahl der Zyklen pro Jahr

14 Statistik der Batteriezyklisierung Ladezustand (SOC) Relative Verweildauer Relative Verweildauer relative Verweildauer im geladenen Zustand: 15-25% erhöhte Last erhöht die Verweildauer im entladenden Zustand verringert die Verweildauer im teilgeladenen Zustand 5000 kwh/a PV Erzeugung; 5.0 kwh Batterie

15 Statistik der Batteriezyklisierung Entladetiefe (DOD) Zahl der Zyklen pro Jahr Verbrauch 250 Äquivalente Vollzyklen pro Jahr (Zyklen mit DOC < 1,5 % wurden nicht gezählt) Die Zahl der großen Zyklen verringert sich mit der Last Zahl der Zyklen pro Jahr Verbrauch Verbrauch kwh/a 5000 kwh/a PV Erzeugung; 5.0 kwh Batterie

16 Zum Vergleich Zyklisierung der Batterie bei Teilnahme am Energiemarkt Projektbeispiele von SAFT Batterien GmbH*: Regelenergie 1 MW in Frankreich 2.2 C Energiedurchsatz pro Tag im Schnitt DOD 3-4% in USA 5.7 C Energiedurchsatz pro Tag im Schnitt DOD 3-4% Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit für die Ausgangsleistung eines 10 MW PV Parks 1.9 C Energiedurchsatz pro Tag im Schnitt DOD 6% Peak shaving für eine 10 MW PV Park 0,7 C Energiedurchsatz pro Tag im Schnitt DOD 35% Geringster Durchsatz - ähnlicher Wert wie bei der Anwendung als Heimspeicher *Quelle: Hannover Messe - Smart Grid Forum, M. Lippert & H. Schuh Practical Experience with Li-Ion batteries in real-world distribution grids, SAFT, April 15,

17 Ammortisation - Überschlagsrechnung Invest für die Batterie: Durchsatz: Pro Zyklus müssen als erwirtschaftet werden /kwh 20 Jahre x 250 Zyklen = 5000 Zyklen (1000 /kwh) / 5000 Zyklen = 20 ct/kwh Und Der Invest bezieht sich auf die Erstinvestition und die Wiederbeschaffung im Fall der vorzeitigen Alterung für eine Laufzeit von 20 Jahren der Wert bezieht sich auf die genutzte kwh es sind noch keine Verluste enthalten, keine Wartung oder Abschreibung

18 Amortisation detailierte Berechnung Wertschöpfung durch Batteriesystem Stromkosten für Haushalt Strompreis Jahr 0 Einspeisetarif Jahr 0 25 ct 12,5 ct Verlust durch Batteriesystem Verlust durch Wechselrichter 0 0 Wertschöpfung durch PV-System 28% 58% kwh/a 2900 kwh/a 100% 5000 kwh/a EV ohne Batterie EV mit Batterie erzeugte elektrische Energie aus PV 4000 kwh/a Lokale Last

19 Amortisation Strompreis Jahr ct Wertschöpfung durch Batteriesystem Stromkosten für Haushalt Strompreis Jahr 0 Einspeisetarif Jahr 0 25 ct 12,5 ct Verlust durch Batteriesystem Verlust durch Wechselrichter Wertschöpfung durch PV-System % 58% 100% kwh/a 2900 kwh/a 5000 kwh/a EV ohne Batterie EV mit Batterie erzeugte elektrische Energie aus PV Nettobarwert der Wertschöpfung des Batteriesystems über 20 Jahre ~ (Strompreis Einspeisetarif)* EV = erlaubte Kosten des Batteriesystems [Nettobarwert aller Batterieinvestitionen]

20 Wirtschaftlichkeit erlaubte Kosten für Batterie basierend auf Gewinn durch Eigenverbrauch über 20 Jahre für das Lastprofil EV niedrig sind die erlaubten Kosten der Batterie rund 600 /kwh genutzt bei EV hoch erzielt nur eine Batterie unter 4 kwh eine hinreichend gute EV-Erhöhung, um die die erlaubten Kosten über 500 /kwh genutzt zu halten. Der PV-Ertrag muss über oder gleich dem Jahresbedarf (hier 4000 kwh/a) liegen, um die Batterie gut zu nützen. Berechnung für 2 Lastprofile (15 min-werte) mit identischem jährlichem Energiebedarf von 4000 kwh pro Jahr Lastprofil EV hoch mit sehr hohem Verbrauch über Tag (und relativ wenig am Abend) Lastprofil EV niedrig mit sehr niedrigem Verbrauch über Tag. Fall [15ct; 25ct+3%]: Einspeisetarif 15 ct sowie 25 ct anfänglichen Stromkosten mit 3% jährlicher Steigerung - 2% Rendite

21 Amortisation von PV Speichersystemen Ende 2012 Batterie [kwh nom] PV [kwp] 2012: PV Anlagen ohne Speicher amortisieren sich über den Einspeisetarif und geringen Eigenverbrauch 2016: der Einspeisetarif allein ist zu gering für die PV- Anlagenamortisation; genaue Auslegung für optimierten Eigenverbrauch ist notwendig; eine kleine Batterie hilft der Amortisation des Gesamtsystems. 2020: eine relativ große Batterie verbesserte die PV Anlagenamortisation über den Eigenverbrauch; relativ große PV Anlagen sind wirtschaftlich Batterie [kwh nom] NPV: Net present value (Nettobarwert) PV [kwp] Ende des Jahres: PV Modulkosten [ /kw p ] Elektronik und Inst.[ /kw p ] Batteriekosten [ /kwh nominal ] Stromkosten [ ct/kwh] Einspeisetarif [ ct/kwh] Batterie [kwh nom] PV [kwp]

22 Übersicht Mein Haus ist mein Kraftwerk Bedarfe (Strom & Wärme) Potentiale durch PV mit Wärmepumpe Speicher erhöhen Eigenverbrauch und Autarkie Kenngrößen und Wirtschaftlichkeit von elektrischen Speichersystemen Optimierte Speichersteuerung - Chancen für Netzentlastung Zusammenfassung

23 Lastmanagement und Netzentlastung Direktes Laden W / Wh :00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Verzögertes Laden bzw. Peak Shaving 4000 Optimierungsziele für die Wärmepumpensteuerung und die Speichernutzung: soviel Eigenverbrauch wie möglich sowenig Leistungsspitzen ins Netz wie möglich Maximale Einspeiseleistung PV Leistung [W] Verbrauch [W] Eingespeiste Leistung [W] Energieinhalt der Batterie [Wh] W / Wh :00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Zeit

24 Modellprädiktive lokale (Speicher-) Regelung Gütekriterien der Optimierung Maximierung des Eigenverbrauchs von lokal erzeugtem PV Strom gleichzeitig Einhalten von Einspeiselimits ins Netz Modellprädiktive Regelung Vorhersage von Einstrahlung, elektrischen und thermischen Lasten Vorhersage der optimalen Ladeleistung und Verbrauchsleistung (Trajektorien) für 24h Steuerung entsprechend der optimierten Trajektorien Energiemanagementsystem PV Abregeln Batterie Ladeleistung Warmwasser Raumheizung Tank WärmeP Leistungsvorgabe Netz Haushalt Leistungsvorgabe

25 Vergleich der Algorithmen zur Steuerung des Speichers und der Wärmepumpe für Einspeiselimit 50% PV peak Eigenverbrauchsanteil regenerativ erzeugter Energie Verlust an regenerativ erzeugter Energie, wenn die Energie über dem Einspeiselimit abgeregelt wird WP wärmegeführt WP MPC gesteuert Prozent der gesamten PV Stromerzeugung [%] PV = 4500Wp, Batterie = 4500Wh, Einspeiselimit 2250W (50% der Peakleistung), Wärmeversorgung mit Wärmepumpe, Haushaltgeräte 4500 kw

26 Abregelung bei verschiedenen Einspeisegrenzen und PV-Generatorausrichtungen Eigenverbrauch durch Haushaltsgeräte; dargestellt sind die Mittelwert aus den Ergebnissen von 7 Haushaltprofilen mit einem Jahresbedarf zwischen 3000 kwh und 5500 kwh hier keine Wärmepumpe. Details siehe Dirk Stellbogen et.al., 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, März

27 Zusammenfassung: elektrischen und thermischen Stromspeichern für lokale Wertschöpfung und Netzdienlichkeit Einfamilienhaus mit angepaßter PV-Anlage an den Jahresverbrauch der Haushaltsgeräte Eigenverbrauch und Autarkie von 25 30% Anlagenoptimierung verlangt Messung der Lastprofile Weitere Erhöhung der Eigenversorgung durch zeitliche Anpassung des Bedarfs an das Solarangebot: angepaßten Betrieb der Wärmepumpe (Lastmanagement / modellprädiktive Regelung) elektrische und thermische Speicherung Gleichzeitig netzdienlicher Betrieb erreichbar

28 // Energie mit Zukunft // Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Stuttgart: Photovoltaik (mit Solab), Energiepolitik und Energieträger, Zentralbereich Finanzen, Personal & Recht Solar-Testfelder: Widderstall und Girona (ES) Ulm: Elektrochemische Energietechnologien mit elab