Aktuelle Ergebnisse der Begleitforschung zum KfW-Förderprogramm für PV-Speicher

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1 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems Group Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON ERC Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Aktuelle Ergebnisse der Begleitforschung zum KfW-Förderprogramm für PV-Speicher Dezentrale Solarstromspeicher für die Energiewende HTW Berlin Berlin, 02. Juli 2015 Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer 1

2 Jahresbericht zum Speichermonitoring Veröffentlichung des Jahresberichts zum Speichermonitoing am Ergebnisse der ersten 1,5 Jahre des Speichermonitorings PDF Version zum freien Download auf 2

3 Agenda KfW-Förderprogramm Speicher Art der Förderung Förderbedingungen Das Speichermonitoring Marktbeobachtung Untersuchung von Betriebsdaten Aktuelle Ergebnisse des Speichermonitorings Markttrends Betriebsverhalten Kai-Philipp Kairies 3

4 Das KfW-Förderprogramm Speicher Start: Mai 2013 Fördervolumen: Bis zu 50 Millionen Euro Tilgungszuschüsse Art der Förderung: Zinsgünstige Kredite durch die KfW- Bankengruppe Tilgungszuschüsse in Höhe von 30% der förderfähigen Kosten Bis zu 600 pro Kilowatt installierter Solarleistung 5 kwp bis zu Förderung Website der KfW Bankengruppe Kai-Philipp Kairies 4

5 Förderbedingungen Max. PV-Anlagengröße: 30 kwp Hersteller müssen eine 7-jährige Garantie auf die Batterie gewähren Verpflichtende Registrierung beim Speichermonitoring Die maximale Einspeiseleistung des Gesamtsystems muss auf 60% der PV-Anlagenleistung reduziert werden Kai-Philipp Kairies 5

6 Exkurs: Betriebsweisen von PV-Speichern Eigenverbrauchsoptimierung: Möglichst frühes Laden des Batteriespeichers Netzdienlicher Betrieb: Vorhalten von Speicherkapazität zur Reduzierung der Mittagsspitze Eigenverbrauchsoptimierung Netzdienlicher Betrieb 6

7 Exkurs: Betriebsweisen von PV-Speichern Eigenverbrauchsoptimierung: Möglichst frühes Laden des Batteriespeichers Netzdienlicher Betrieb: Vorhalten von Speicherkapazität zur Reduzierung der Mittagsspitze Eigenverbrauchsoptimierung Netzdienlicher Betrieb 60% 60% 7

9 Das Monitoringprogramm: Basis Monitoring Fördernehmer tragen Daten in Webinterface ein: Kaufpreis, Installationsdatum und Nennleistung der PV-Anlage Kaufpreis und Installationsdatum des Batteriespeichersystems Webportal des Monitoringprogramms: Typ des PV-Speichersystems 1/3-phasiger Netzanschluss DC oder AC Architektur Kai-Philipp Kairies 9

10 Das Monitoringprogramm: Basis Monitoring Fördernehmer tragen Daten in Webinterface ein: Batterietyp (Blei / Lithium) Installierte / Nutzbare Kapazität Webportal des Monitoringprogramms: Freiwillig: Anzahl Hausbewohner Jährlicher Stromverbrauch Strompreis Energieintensive Verbraucher Kai-Philipp Kairies 10

11 Das Monitoringprogramm: Standard Monitoring Bis zu Fördernehmer werden dazu aufgefordert, monatlich Zählerdaten einzutragen Stromerzeugung der PV-Anlage Stromverbrauch des Haushalts Netzeinspeisung Falls vorhanden: Batteriezähler [2] Angaben zur Verlässlichkeit des Systems Wartungsarbeiten, Schadensmeldungen, Ausfallzeiten, Ablauf der Reparaturarbeiten [3] Kai-Philipp Kairies 11

12 Das Monitoringprogramm: Intensiv Monitoring Ausrüsten von 20 privat betriebenen PV-Speichern mit hochauflösendem Messequipment Messen aller relevanten Werte in sekündlicher Auflösung: Dreiphasige Ströme und Spannungen von Haushalt und PV-Speichersystem Einstrahlung und Temperatur der PV Module Batterietemperatur Stromqualität (Frequenz, THD, einzelne Oberwellen) Kai-Philipp Kairies 12

14 Auswertung des Basis Monitorings Dezentrale Speicher in Deutschland Entwicklung der Technologie Marktübersicht Endverbraucherpreise Kaufmotivation 14

15 Dezentrale Speicherkapazitäten in Deutschland ISEA / RWTH Aachen

16 Verteilung dezentraler Solarstromspeicher in Deutschland (Stückzahlen) ISEA / RWTH Aachen

17 PV- und Speicherzubau im Jahr 2014 Zubau PV- Anlagen im Jahr 2014 (Anzahl) Zubau PV-Speicher im Jahr 2014 (Anzahl) in Datenbank / gesamt Dtl.* Zubau der kumulierten nutzbaren Batterie-kapazität im Jahr 2014 in Datenbank / gesamt Dtl.* Anteil PV- Anlagen mit Speicher in Datenbank / gesamt Dtl.* Durchschnittliche nutzbare Kapazität pro PV-Speicher (Zubau 2014) Bayern / Nordrhein / Westphalen Baden / Württemberg Niedersachsen / Hessen / 759 Rheinland-Pfalz / 376 Schleswig / Holstein 241 Sachsen / 123 Brandenburg / 368 Thüringen / 69 Sachsen-Anhalt / 119 Mecklenburg / Vorpommern 69 Saarland / 103 Berlin / 84 Hamburg / 23 Bremen / ,3 kwh / ,6 kwh 3.565,9 kwh / ,5 kwh 2.740,1 kwh / ,3 kwh 1.927,9 kwh / 7.389,3 kwh 1.271,0 kwh / 4.871,5 kwh 616,0 kwh / 2.361,0 kwh 341,1 kwh / 1.307,4 kwh 212,4 kwh / 814,1 kwh 482,8 kwh / 1.850,5 kwh 118,5 kwh / 454,2 kwh 198,3 kwh / 760,0 kwh 84,5 kwh / 323,9 kwh 156,5 kwh / 599,8 kwh 142,6 kwh / 546,6 kwh 30,3 kwh / 116,1 kwh 48,3 kwh / 185,1 kwh 3,9% / 15% 4,2% / 16,0% 3,3%/ 12,7% 4,3% / 16,3% 4,0% / 15,2% 2,3% / 8,8% 2,2% / 8,4% 1,3% / 4,9% 4,1% / 15,6% 0,9% / 3,4% 1,7% / 6,6% 1,8% / 6,7% 3,3% / 12,8% 5,3% / 20,3% 2,9% / 11,3% 5,9% / 22,7% 6,9 kwh 6,8 kwh 6,9 kwh 6,2 kwh 6,4 kwh 6,3 kwh 5,4 kwh 6,6 kwh 5,0 kwh 6,6 kwh 6,4 kwh 4,7 kwh 5,8 kwh 6,5 kwh 5,1 kwh 6,0 kwh Summe / ,5 kwh / ,0 kwh 17 3,5% / 13,4% 6,6 kwh

18 PV- und Speicherzubau im Jahr 2014 Zubau PV- Anlagen im Jahr 2014 (Anzahl) Zubau PV-Speicher im Jahr 2014 (Anzahl) in Datenbank / gesamt Dtl.* Bayern / Nordrhein / Westphalen Baden / Württemberg Niedersachsen / Hessen / 759 Rheinland-Pfalz / 376 Schleswig / Holstein 241 Berlin / 84 Zubau der kumulierten nutzbaren Batterie-kapazität im Jahr 2014 in Datenbank / gesamt Dtl.* 5.423,3 kwh / ,6 kwh 3.565,9 kwh / ,5 kwh 2.740,1 kwh / ,3 kwh 1.927,9 kwh / 7.389,3 kwh 1.271,0 kwh / 4.871,5 kwh 616,0 kwh / 2.361,0 kwh 341,1 kwh / 1.307,4 kwh 142,6 kwh / 546,6 kwh Anteil PV-Anlagen mit Speicher in Datenbank / gesamt Dtl.* 3,9% / 15% 4,2% / 16,0% 3,3%/ 12,7% 4,3% / 16,3% 4,0% / 15,2% 2,3% / 8,8% 2,2% / 8,4% 5,3% / 20,3% Durchschnittliche nutzbare Kapazität pro PV-Speicher (Zubau 2014) 6,9 kwh 6,8 kwh 6,9 kwh 6,2 kwh 6,4 kwh 6,3 kwh 5,4 kwh 6,5 kwh Summe / ,5 kwh / ,0 kwh 3,5% / 13,4% 6,6 kwh 18

19 Liste der häufigsten Hersteller nach Stückzahl ISEA / RWTH Aachen

20 Liste der häufigsten Hersteller nach Stückzahl Labor- und Feldtests ISEA / RWTH Aachen

21 Verteilung der Technologien, bezogen auf registrierte Stückzahl ISEA / RWTH Aachen

22 Anteile von Lithium-Ionen und Bleibatterien, nach der nutzbaren Kapazität ISEA / RWTH Aachen

23 Entwicklung der Endverbraucherpreise ISEA / RWTH Aachen

24 Motivation zur Investition in ein PV- Speichersystem ISEA / RWTH Aachen

25 Auswertung des Intensiv Monitorings Installation der ersten hochauflösenden Messsysteme Fehlerhaft installierte PV- Speicher Qualitative Auswertung der Messdaten 25

26 Installation der ersten hochauflösenden Messsysteme ISEA / RWTH Aachen

27 Installation der ersten hochauflösenden Messsysteme ISEA / RWTH Aachen

28 Das WMEP Messsystem ISEA / RWTH Aachen

29 Installation des PV-Shunts ISEA / RWTH Aachen

30 Installation des Batterie-Shunts ISEA / RWTH Aachen

31 Abschluss der Installation ISEA / RWTH Aachen

32 Fehlerhafte Installationen im Feld PV-Speicher sind für Handwerker und Solateuere ein neues Arbeitsfeld mit neuen Sicherheitsfragen Blei-Säure Batterien Lithium-Ionen Batterien Zum sicheren Betrieb von PV- Speichern ist eine professionelle Installation erforderlich Ausblick: Prüfung von Feldinstallationen durch DGS / TÜV Rheinland / ISE / ZSW [ 32

33 Teilweiser Abbruch der Batterieabdeckung beim einem Lithium-Speicher ISEA / RWTH Aachen

34 Entgasung des Elektrolyten in den Kabelschacht Knick im Entlüftungsschlauch ISEA / RWTH Aachen Kai-Philipp Kairies 34

35 Entgasung des Elektrolyten in den Kabelschacht Kristallablagerungen am PV-Kabel ISEA / RWTH Aachen Kai-Philipp Kairies 35

36 Entgasung des Elektrolyten in den Kabelschacht Kristallablagerungen am PV-Kabel Ethernet PV-Kabel ISEA / RWTH Aachen Kai-Philipp Kairies 36

37 Entgasung des Elektrolyten in den Kabelschacht Korrosion der Netzwerkkupplung ISEA / RWTH Aachen Kai-Philipp Kairies 37

38 Entgasung des Elektrolyten in den Kabelschacht Korrosion der Netzwerkkupplung 8P8C-Kupplung ISEA / RWTH Aachen Kai-Philipp Kairies 38

39 Undichte Entgasungsvorrichtung (Wellendichtring, Schlauchverbinder) Elektrolytablagerung 39

40 Undichte Entgasungsvorrichtung (Wellendichtring, Schlauchverbinder) Küchentuch 40

41 Netzverhalten eine Blei-Speichersystems mit 8kWh nutzbarer Kapazität (30sek-Mittelwerte) 41

42 Netzverhalten eine Blei-Speichersystems mit 8kWh nutzbarer Kapazität (5min-Mittelwerte) 42

43 Netzverhalten eines Lithium-Speichersystems (5min-Mittelwerte) 43

44 Zusammenfassung Das Speichermonitoring ermöglicht einen objektiven Blick auf die Entwicklung des deutschen Marktes für PV-Speicher Entscheidungsträger Verbraucher Evaluierung von Betriebsstrategien unter realistischen Bedingungen Batteriealterung Zweitnutzungspotenziale Volkswirtschaftliche Effekte [1] Veröffentlichung des Jahresberichts unter Kai-Philipp Kairies 44

45 Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA) Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems Group Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON ERC Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy Aktuelle Ergebnisse der Begleitforschung zum KfW-Förderprogramm für PV-Speicher Dezentrale Solarstromspeicher für die Energiewende HTW Berlin Berlin, 02. Juli 2015 Kai-Philipp Kairies, Dirk Uwe Sauer 45

46 Anhang F47 Einfluss von Flexibilität auf den Leistungsgradienten F48 Eigenverbrauchsmaximierung vs. netzdienlicher Betrieb von PV-Speichern Auszug der Präsentation Battery Technologies and Operating Strategies for PV Battery Systems von der Intersolar Europe 2014 F53 Kurze Auswertung: Standard Monitoring Kai-Philipp Kairies 46

47 Einfluss von Flexibilität auf den Leistungsgradienten 47

48 Maximizing self-consumption PV without Battery Local use of PV energy only at simultaneous load demand Maximizing self-consumption Most economic strategy according to today s laws Excess energy is stored as early as possible Battery often fully charged before noon + Owner of PV-storage-system - Distribution grid Kai-Philipp Kairies 48

49 Peak shaving using forecast algorithms (1) PV without Battery Local use of PV energy only at simultaneous load demand Perfect forecast Highest possible grid relief Forecast algorithms calculate residual power and remaining battery capacity Energy is stored if the residual power exceeds the calculated limit + Owner of PV-storage-system + Distribution grid Kai-Philipp Kairies 49

50 Peak shaving using forecast algorithms (2) PV without Battery Local use of PV energy only at simultaneous load demand Persistence forecast Load demand predicted to be the same as the week before PV power generation predicted to be the same as the day before Adaptive algorithm adjusts to weather situation ± Owner of PV-storage-system ± Distribution grid Kai-Philipp Kairies 50

51 Grid effects of different operation strategies Kai-Philipp Kairies 51

52 Effects of feed-in power reduction on energy yield Management strategy Self-consumption [%] Batteries increase self-consumption PV without battery 20.0 Maximizing selfconsumption 51.5 Grid relieving strategies lower the self-consumption by about 0.5.4% Perfect forecast 50.8 Persistence forecast 47.6 If feed-in power has to be reduced (i.e. 40% P PV ) Grid relieving strategies save energy Grid relieving strategies become more economic Kai-Philipp Kairies 52

53 Auswertung des Standard Monitorings PV-Erzeugung / Stromverbrauch Eigenverbrauch / Autarkie Wirkungsgrade verschiedener Speichertopologien Volkswirtschaftliche Effekte eines vermehrten solaren Eigenverbrauchs 53

54 Durchschnittliche PV-Erzeugung pro kwp ISEA / RWTH Aachen

55 Durchschnittlicher Stromverbrauch der Haushalte mit PV-Speicher ISEA / RWTH Aachen

56 Potenziale einer vollständigen Selbstversorgung mit Solarstrom Frühling und Sommer: Weitestgehende Selbstversorgung von Privathaushalten durch PV-Anlage und Speicher realistisch umsetzbar Überbrückung von Schlechtwetterperioden erfordert sehr große Batteriekapazitäten Herbst und Winter: Strombedarf übersteigt solare Erzeugung 56