Integration Photovoltaik-Strom ins Verteilnetz

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1 Integration Photovoltaik-Strom ins Verteilnetz Prof. Dr. Franz Baumgartner ZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; Vortrag am in Lausanne, an der Nationale Photovoltaik-Tagung Schweiz 11. März 2011 Prog. Photovolt: Res. Appl. (2015) Electrosuisse Bulletin 2 / 2017

2 Inhalt 1. Als Vision eines Problems ist Solarstrom eine Bedrohung 2. In Realität im EKS Netz ist Solarstrom verkraftbar 3. BFE Netz Projekt CevSol: Solarinverter kostenoptimal 4. Zur Spannungshaltung im VN Solarbatterie heute zu teuer 5. Weitere Tech Winterthur IEFE Solar F&E Projekte d. ZHAW Arbeitsverständnis des PV Teams am IEFE der ZHAW Die Praxisnähe hilft uns Innovation zu finden, neues zu versuchen mit unseren Partner und dabei unsere Jahrzehnte Erfahrung im PV Sektor einzubringen, fernab vom «Elfenbeinturm». Slide 2.

3 1. Solarstrom eine Bedrohung Slide 3.

4 Unsere Arbeiten 2010 PV Netzintegration ins überregionale Netz Bei 10% PV Anteil CH wird 99% PV direkt verbraucht - Bei 17% PV Anteil CH wird 95% PV direkt verbraucht - Jahr 2035 Jahr 2046 CH Energiestartegie Bund 2013 F. Baumgartner, S. Nowak, T. Achtnich, J. Remund Plenary Talk 5EP.2.1 EU Photovoltaic Solar Energy Conferenc , Valencia Prog. Photovolt: Res. Appl. (2010) 4

5 2. Solarstrom verkraftbar Slide 5.

6 Verteilnetz: Deutsches Dorf versorgt vom EKS Elektrizitätswerk Kanton Schaffhausen hat kein Problem mit zuviel Solarstrom Slide 6.

7 Grenzen der PV Dichte? Stand % Vergleich Dettighofen, Baden-Württemberg, DE, CH Markus Niedrist, Fabian Cariget, Franz Baumgartner, Electrosuisse ETG Tagung, Stromnetze, 6. Nov 2014 in Zürich Dettighofen Bayern 12% 821 kwp (2014) 11 GWp(2015) Nov kwp/einw. 0.9 kwp/einw. 8% Deutschland Schweiz 2% 40 GWp (2015e) 1.3 GWp (2015e) 0.5 kwp/einw. 0.2 kwp/einw. Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion: Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% P N Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.9 (ab 13.8kVA) Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.95 Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% P N Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% P N Förderung BRD Einspeisung Mar 2017 von8.5bis 12.3 cent/kwh Stromnetze mit hohem PV Anteil, Vortrag, Tagung ETG, VDE OEVE, Zürich Nov 2014 Anmerkung: Schweiz km2 * 300 kw/km2 = 12 GW ca. 20% PV Stromanteil

8 Solarer Spannungshub EKS Dettighofen ohne Gegenmassnahmen F. Carigiet, F. Baumgartner, P. Korba, V. Knazkins; Electro Suisse Bulletin 2 / kWp Netzabschnitt Detailanalyse +5.6% 8

9 Solarer Spannungshub EKS Dettighofen mit lokaler Blindleistungsregelung U = -2.5% F. Carigiet, F. Baumgartner, P. Korba, V. Knazkins; Electro Suisse Bulletin 2 / % 9

10 Lokal dynamisch geregelte Wirk und Blindleistung mit PV-Inverter Vorteil Dezentral Regelprofil Kennlinie lokal im PV Inverter abgelegt. Vorteil: Keine teure Smart Grid IT Verknüpfung nötig!! Rückspeisung von aktueller PV Leistung gleich Trafo Nennleistung möglich mit beherrschbarem Spannungshub (typisches VN vorausgesetzt, keine extremen überlasteten Stichleitungen) F. Carigiet et. al. ZHAW IEFE BFE Forschungsprojekt CEVSol V cos = V Formelsatz für Simulation vgl. F. Carigiet et. al., Prog. of Photovoltaics

11 3. Solarinverter kostenoptimal Slide 11.

12 Vorteile Regelung Q(U) als Funktion der aktuellen Netzspannung +30% bis 100% mehr PV vgl. cos =1 (Elbs, VKW) ¼ weniger Leitungsverluste (Elbs, VKW) 80% weniger Blindleistung vgl. mit Q(P) BKW Q(U) Pilot 2015 im Niederspannungsnetz Schulhaus Stadelfeld Wichtrach keine zusätzlichen IT Kosten!! Elbs; 32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein 2017 Mittelspannung Empfehlung Anschlussbedingungen VSE/AES / NA EEA CH 2014, Dezember vgl. z.b. BKW tzdienstleistungen/netzanschluss/ _tab_ms_1.4_taxef.pdf 12

13 Q(U) Regelung erfolgreich in A und D Österreich Vorarlberg VKW Deutschland Tech. Uni Braunschweig Seit 2014 umgesetzt mit 2400 PV Anlagen! stabiler Betrieb =5s keine Schwingung Noch hoher Betreuungsaufwand da Standards fehlen in Arbeit ÖVE AIT Infowebseite für Installateure Elbs 32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein 2017 autom. Spannungsstützung für EV-Schnelllader (ca. 2%) Ole Marggraf 32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein

14 Bewertung Techn. / Finanz. Der möglichen Massnahmen VN 2016 bis 2019 BFE-Vertragsnummer: SI/ Kostenanalyse in Arbeit kleiner 0.1 Rp/kWh ca. 1 Rp/kWh ca. 30 Rp/kWh Autoren ZHAW IEFE: Fabian Carigiet, Franz Baumgartner, Petr Korba, Valerijs Knazkins Slide 14.

15 4. Solarbatterie zu teuer als alleinige Netzlösung Slide 15.

16 2012-Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012 F. Baumgartner, P. Korba et.al. EUPVSEC 2012 Commercial PV Battery + Power Electronics Nominal Capacity C nom [kwh] 13.8 Price rel. per kwh nom 833 Used Capacity C used [kwh] 6.9 lifetime full DOD 50% 1350 lifetime stored capacity [kwh] cost of stored kwh 0.62 financing costs factor (5% interst rate, 5a) 1.2 total storage costs per kwh solar.com/shop/eigenverbrauch- speichersysteme- solarworld- sun- pac- c- 66_532_607.html total 2700 full cycles / 270 Slide 16 An example of a marketing document: To increase self consumption from 38% to 50% of consumption +22% investment of typ per 6.5kW PV STC is needed (doubling investment costs)

17 Learning Curve Li-Ion Battery Packs vgl. Ref. F. Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich China 2025; 3 Mio Evs; each 50kWh = 150GWh/a $/kwh LR=0.06 [1] EVs battery market leaders LR = 0.15 EPRI US, 2015 W. Hofmann, $/kWh 1.2Mio EV Fr/kWh Invest. 250 Jahreszyklen 20 Rp/kWh LR = German PV home batteries 5kWh 0.35GWh GWh cum cum Tesla Gigaf 5Mio EV [1] B. Nykvist, M. Nilsson; «Rapidly Falling costs of battery packs for electric vehicles», Stockholm Environment Institute & KTH Royal Institute of Technology, Stockholm; Nature Climate Change; 9th Feb 2015 [2] N. Pearsall, F. Baumgartner, PV Performance, Wiley, Nov 2016, ISBN Slide cum 30 Mio EVs.

18 5. Solar F&E Projekte des IEFE ZHAW in Winterthur Slide 18.

19 ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur für PV Batterie Systeme Studiengang Energie u. Umwelt / Weiterbildungskurs Strom- Spannungsgeneratoren für alle Wettersituationen Speicher (Batterie, Flow-Redox) Elektronische Lasten / Generatoren Studenten Arbeitsplätze Li Flow Redox Inverter.

20 Weiterbildung in Winterthur ab 6. Okt Photovoltaik und Batteriespeicher Netze Smart Grid Bewirtschaftungskonzepte Slide 20.

21 Solarstrom in Wärme nicht ins Netz PV to Heat Standard Technical Efficiency of Solar Input to Thermal Output Solar thermal: 30% to 60% Photovoltaic + HP: 24% to 64% Collector = 50% = 16% PV *3.1 HP,COP = 50% Fachtagung 3. November 2016, Dietikon Tagungsleiter: F. Baumgartner ZHAW IEFE PV WPWand Slide 21 F. Baumgartner, Bulletin 8 / 2016.

22 Qualitätscheck durch IEFE PV Messtechnik; F. Baumgartner Portabler LED Flasher; BFE Vertragsnummer: SI/ Slide 22 Poster 21G

23 IEFE Fachgruppe Photovoltaik Module Dr. Hartmut Nussbaumer Ertragsoptimierte, kosteneffiziente PV Systeme Bifaciale Module (Poster 22G) Leichtbaumodule (Poster 6B) PV Integration und kosteneffiziente Unterkonstruktionen Maschinenbau Photovoltaik Maschinendesign Prozessentwicklung und -optimierung

24 Fazit Spannungshaltung Verteilnetz Der Photovoltaik Zubau bis 2030 erfordert keine Milliarden Subventionen in ein Smart Grid um die Spannung zu halten Erfahrungen in Deutschland und Österreich zeigen, dass der Solarwechselrichter selbst die Spannungshaltung im Niederspannungsnetz übernehmen kann Dazu ist die Q(U) Blindleistungsregelung des Solarwechselrichters für den Grossteil der Verteilnetze eine wirksame Methode zu minimalsten Kosten < 0.1Rp/kWh gefolgt von der P(U) Wirkleistungsbegrenzung PV Batterien zur Spannungsregelung eingesetzt sind um Grössenordnungen teurer.

25 Danke für ihre Aufmerksamkeit PV Team IEFE ZHAW Dozenten Dr. Hartmut Nussbaumer und Prof. Dr. Franz Baumgartner PV plants built in collaboration w. IEFE 60kWp, AXA Winterthur 650kW, Lonza AG, Waldshut 50kW LE / dhp 10kW, EKZ 60kW, Werkhof, Winti Solarspar, Klimafond 60kW, Solar Wings, Tenna 90kW, Solar Wings 25