Heutzutage (im Jahr 2016) sind die Anschaffungskosten für Photovoltaik-Module

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1 Photovoltaik solar-elektrisches Kühlen Stromkosten Stromspeicher Eigenverbrauch Kompressionskältemaschine Levelized Cost In vorliegendem Artikel wird untersucht, unter welchen Randbedingungen der Einsatz von photovoltaisch-basierten Kühlsystemen derzeit in Deutschland wirtschaftlich sinnvoll ist. Es wird ein Vergleich mit einem netzbetriebenen Kaltwassersatz als Referenzsystem für die Standorte Hamburg und München gezogen. Es werden folgende Optionen untersucht: - PV-Strom wird direkt mittels physischer Kabelverbindung zur Kälteanlage geleitet, - PV-Strom wird separat ins Stromnetz eingespeist und über Einspeisevergütung vergütet. Es zeigt sich, dass die Variante mit direkter Kabelverbindung (ohne Einspeisevergütung) eine Senkung der Kältegestehungskosten im Vergleich zu einem netzbetriebenen Kaltwassersatz von -12% (Hamburg) bzw. -25% (München) ermöglicht. Bei Einsatz einer PV- Anlage mit separater Einspeisung und Vergütung nach dem EEG 2014 zeigt sich, dass eine Senkung der Kältegestehungskosten durch Einsatz einer PV-Anlage in diesem Fall nicht möglich ist. Economic assessment of photovoltaic solar cooling systems Solar Cooling Solar Electric Cooling Levelized cost of energy Photovoltaic cooling Cold store This paper reviews the current economic potential of using photovoltaic solar cooling technologies for a cooling a cold store. The comparison will consider a large central chiller plant as reference at locations Hamburg and Munich. The following options are being investigated: - direct use of PV energy via physical cable link for chiller operation (net-metering), - feed-in of PV energy into the grid and separate use of grid power for chiller operation (feed-in tariff). The results show that the use of PV energy via a direct cable link (net-metering) can lower the levelized cost of cooling energy compared to the reference chiller plant by 12% in Hamburg and 25% in Munich. If the PV power is fed into the grid and separate grid power is used for chiller operation the levelized cost of cooling energy cannot be lowered. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen für Photovoltaikbasierte solare Kühlsysteme Einleitung Unter dem Oberbegriff Solare Kühlsysteme versteht man Anlagen zur Bereitstellung von Kälte, welche sowohl mit solarthermischen Kollektoren als auch mit photovoltaischen Modulen betrieben werden können. Im ersten Fall wird dabei Wärme als Antrieb eines Kälteprozesses verwendet (solarthermische Kühlung), im zweiten Fall elektrische Energie (photovoltaische Kühlung). Bis ca waren die Investitionskosten für Anlagen zur solarthermischen Kühlung deutlich niedriger als für photovoltaisch angetriebene. Seit ca hat der fortschreitende Preisverfall von Photovoltaik- (PV-) Modulen) eine Umkehr verursacht: Heutzutage (im Jahr 2016) sind die Anschaffungskosten für Photovoltaik-Module geringer als für solarthermische Kollektoren, auf die zum Kühlen benötigte Fläche bezogen. Da die Kosten der solaren Komponenten ca. 1/3 der Gesamtkosten ausmachen, sind photovoltaisch-basierte Anlagen zur solaren Kühlung heutzutage i.d.r. günstiger in der Anschaffung [1]. Ein Vorteil 1 Referenzfall REF Kaltwassersatz nur mit Netzstrom betrieben 2 dieser Systeme ist, dass der photovoltaisch-erzeugte Strom universell für alle herkömmlichen elektrisch angetriebenen Anlagen zur Kälteerzeugung verwendbar ist. Wärme aus solarthermischen Kollektoren hingegen kann nur in wärmegetriebenen Sorptionskälteanlagen umgesetzt werden, was die Bandbreite der Anwendung einschränkt. Die Gestehungskosten für Strom aus PV- Anlagen bzw. Wärme aus solarthermischen Kollektoren hängen stark vom Standort der Anlage ab sonnenarme Gegenden sind hierbei benachteiligt, sonnenreiche bevorzugt [2]. In diesem Artikel wird untersucht, ob und wie sich die Wirtschaftlichkeit einer Anlage zur Bereitstellung von Kälte verbessert, wenn photovoltaisch erzeugter Strom zum Betrieb der Anlage eingesetzt wird. Betrachtet wird in diesem Fall ein Kaltwassersatz mit Rückkühler zur Kühlung eines Lagerhauses (Kühllager). Der Einsatz von photovoltaisch erzeugtem Strom zur Kühlung kann z.b. mittels folgenden Optionen technisch umgesetzt werden: Autor Prof. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach Maschinenbau/Erneuerbare Energien Beuth Hochschule für Technik Berlin PVOE Photovoltaik-Anlage ohne Einspeisevergütung (direkte Kabelverbindung) 44 KI Kälte Luft Klimatechnik

2 der PV-Strom wird direkt mittels physischer Kabelverbindung zur Kälteanlage geleitet der PV-Strom wird separat ins Stromnetz eingespeist Eine Kabelverbindung zwischen PV- und Kälteanlage wird eingesetzt, wenn die Stromgestehungskosten der PV-Anlage niedriger sind als der Strombezugspreis aus dem Netz und es keine Einspeisevergütung gibt. Die Substitution hochpreisigen Netzstroms durch niedrigpreisigen PV-Strom ermöglicht eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Natürlich ist dabei zu berücksichtigen, dass in Zeiten niedriger solarer Einstrahlung (z.b. nachts) kein PV-Strom zur Verfügung steht. In diesem Fall bezieht der Kaltwassersatz seine Antriebsenergie aus dem Netz. Eine separate Einspeisung des PV- Stroms ins Netz wird umgesetzt, wenn eine Einspeisevergütung für Strom aus erneuerbaren Energien vom Energieversorger gezahlt wird. Voraussetzung dafür ist, dass der eingespeiste Strom separat, d.h. über einen eigenen Zähler, bilanziert wird. In diesem Fall wird also eine von der PV-Anlage erzeugte Energiemenge ins Netz gespeist und eine (zahlenmäßig unterschiedliche) Energiemenge zum Betrieb des Kaltwassersatzes aus dem Netz entnommen. Eine direkte physische Verwendung des PV-Stroms im Kaltwassersatz ist somit nicht möglich. Streng genommen fällt ein solches System somit nicht unter die Definition Solare Kühlung. Deutschlands Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sieht jedoch eine Einspeisevergütung für eine Vielzahl von 3 PVME Photovoltaik-Anlage mit Einspeisevergütung (separate Einspeisung PV-Strom) 1 Annahmen zur Wirtschaftlichkeitsrechnung Annahmen zur Wirtschaftlichkeitsberechnung Alle Szenarien Betrachtungszeitraum n 20 Jahre Wirtschaftliche Lebensdauer Kaltwassersatz inkl. Peripherie 20 Jahre Wirtschaftliche Lebensdauer PV-Module und Peripherie, ohne Wechselrichter 20 Jahre Wirtschaftliche Lebensdauer Wechselrichter 20 Jahre Inflationsrate +1,0 %/a Kalkulationszins i 5,0 % Strombezugspreis Netz (Gewerbetarif netto, Arbeitspreis inkl. Netzentgelte und Abgaben) 0,163 ct/kwh el [5] Jährliche Änderung Strombezugspreis Netz +0,5 %/a PV-Anlagenklassen vor, insofern wird diese Option hier detaillierter untersucht. Methodik Die vergleichenden Untersuchungen in diesem Artikel wurden für ein theoretisches Kühlhaus mit einer nominalen installierten Kälteleistung von 100 kw r und 5000 Vollaststunden je Jahr durchgeführt. Es wurden drei unterschiedliche Szenarien untersucht: REF: Kaltwassersatz Reiner Netzstrombetrieb (Referenzfall), Abb. 1 PVOE: Kaltwassersatz + PV-Anlage ohne Einspeisevergütung, Abb. 2 PVME: Kaltwassersatz + PV-Anlage mit Einspeisevergütung, Abb. 3 Szenarien 2 und 3 wurden zusätzlich noch für zwei verschiedene Standorte hinsichtlich der solaren Einstrahlung untersucht. Für einen Standort mit niedri- 2 Technische Daten und Annahmen der Szenarien, Ausgangszustand Systemgröße Einheit Szenario 1 (REF) Szenario 2 (PVOE) Szenario 3 (PVME) Nominale installierte Kälteleistung Kaltwassersatz kw r Jahresarbeitszahl Kaltwassersatz (EER) - 2,0 2,0 2,0 Nominale elektrische Leistungsaufnahme Kaltwassersatz kw el 57,8 57,8 57,8 inkl. Peripherie Jahresstromverbrauch durch Betrieb Kaltwassersatz MWh el /a inkl. Peripherie Installierte Peak-Leistung PV-Anlage (Jahr 1) kw p - 63,4 1 99,8 2 Generatorfläche PV-Anlage [6] m Globale solare Einstrahlung auf Horizontale [4] kwh rad/(m 2 *a) (Hamburg) 1170 (München) 965 (Hamburg) 1170 (München) Globale solare Einstrahlung auf Modulebene [4] kwh rad /(m 2 *a) (Hamburg) 1320 (München) 1080 (Hamburg) 1320 (München) Spezifischer Ertrag PV-Anlage (Jahr 1) [6] kwh el/(kw p*a) (Hamburg) 1130 (München) 915 (Hamburg) 1130 (München) Absoluter Ertrag PV-Anlage (Jahr 1) [6] MWh el/a - 58,0 (Hamburg) 71,6 (München) 91,50 (Hamburg) 113 (München) 1 Die Peak-PV-Leistung wurde so gewählt, dass die reale maximal erzeugte PV-Leistung am Standort (ca. 91 % der Peak-PV-Leistung) gerade der maximal benötigten elektrischen Leistungsaufnahme des Kaltwassersatzes inkl. Peripherie entspricht (57,8 kwel) 2 Eine feste Einspeisevergütung für PV-Anlagen auf Nichtwohngebäuden im Außenbereich wird nur bis zu einer Anlagengröße von max. 100 kwp gewährt (EEG 2014) [3]. Die Differenz von 0,2 kwp ergibt sich aus der Diskretisierung durch vorgegebene Modulgröße und -anzahl. KI Kälte Luft Klimatechnik

3 3 Kostenannahmen für Wirtschaftlichkeitsrechnungen, Ausgangszustand Investitionskosten (, netto, inkl. Transport und Installation) Jährliche Wartungskosten (, netto) Kaltwassersatz inkl. Peripherie PV-Anlage inkl. Peripherie, exkl. Wechselrichter Wechselrichter Szenario 1 (REF) Szenario 2 (PVOE) Szenario 3 (PVME) Gesamtinvestitionskosten ( ) Spezifische Investitionskosten je Kälteleistung ( /kw r) Jährliche Wartungskosten (Jahr 1, /a) gem Solarertrag wurde exemplarisch Hamburg gewählt, für einen ertragreichen Standort München. Diese allgemeinen Annahmen lagen den Untersuchungen zugrunde: Volllaststunden Kaltwassersatz: 5000 h/a Elektrische Leistungsaufnahme der Peripherie des Kaltwassersatzes (Rückkühler, Pumpen, Regelung etc.): 7,8 % der nominalen installierten Kälteleistung Jährliche Wartungskosten Kaltwassersatz: 6 % der Investitionssumme Kaltwassersatz Moduldegradation der PV-Module: 20 % über 25 Jahre (0,8 % je Jahr) 5 Angenommene Investitionskosten inkl. Preisdegression über Größe der Anlage (kw r bei Kaltwassersatz, kw p bei PV-Anlage) Es gilt das Erneuerbare-Energien-Gesetz in der Novelle 2014 (EEG 2014) [3] Im Szenario PVOE wird jede erzeugte Kilowattstunde elektrische Energie direkt an den Kaltwassersatz geleitet und dort verbraucht (keine Einspeisung ins Netz) Der wirtschaftliche Vergleich der drei Szenarien wurde mittels Berechnung der Kältegestehungskosten (Levelized Cost of Cooling Energy, LCCE) durchgeführt. (absolut, netto) I 0 : gesamte Investitionsausgaben [ ] C t : Jährliche Gesamtkosten im Jahr t [ ] E t : Verfügbare Kälteenergie im Jahr t [kwh r ] i: realer kalkulatorischer Zinssatz [%] n: wirtschaftliche Nutzungsdauer [a] t: Jahr der Nutzungsperiode (1, 2, n) Weitere Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsberechnung sind in Tabelle 1 dargestellt. Zusätzlich wurden ausgehend vom Referenzzustand Sensitivitätsanalysen für folgende Parameter durchgeführt, dabei werden jeweils alle nicht variierten Größen konstant gehalten: Strombezugspreis Netz (± 60 %) Höhe der gesetzlichen Einspeisevergütung für PV-Anlagen (Basis EEG 2014, ± 30 %) Investitionskosten für Kaltwassersatz (± 30 %) Investitionskosten für PV-Anlage (± 30 %) Installierte Peakleistung der PV-Anlage (nur PVOE, -85 % - 0 %) Die jeweiligen technische Daten und Annahmen der drei Szenarien im Ausgangszustand sind in Tabelle 2 gegeben. Wirtschaftliche Annahmen sind in Tabelle 3 gegeben. Eine Preisdegression der Investitionsund Installationskosten für PV-Anlage und Kaltwassersatz wird wie folgt angenommen, Abb. 4. Ergebnisse und Analyse Anlagen ohne Einspeisevergütung, PVOE Abb. 5 und Abb. 6 zeigen die Variation des Strombezugspreises (netto) aus dem Netz im Szenario PVOE (ohne Einspeisevergütung). Die Kältegestehungskosten bei Einsatz einer PV-Anlage ohne Einspeisevergütung liegen unterhalb der Kosten des Referenz-Szenarios. Im Ausgangszustand (hier: Strombezugskosten von 16,3 ct/kwh el, weitere Ausgangsdaten siehe Tabelle 1 bis Tabelle 3) kann man durch Einsatz einer PV-Anlage die Kälte- 46 KI Kälte Luft Klimatechnik

4 gestehungskosten von 10,2 ct/kwh r auf 9,0 (Hamburg) bzw. 8,6 (München) ct/kwh r senken. Dies entspricht einer prozentualen Senkung von -12 % (Hamburg) und -25 % (München) gegenüber den Kosten im Referenzszenario. Interessant ist weiterhin, wie sich die installierte Leistung der PV-Anlage auf die Kältegestehungskosten auswirkt. Bei Einsatz einer PV-Anlage mit einer Leistung von 63 kw p kann ca. 1/5 des elektrischen Jahresenergiebedarfs des Kaltwassersatzes gedeckt werden, Tabelle 2. Würde man die Leistung der PV-Anlage steigern, würde sich auch dieser Deckungsgrad vergrößern. Allerdings bedeutet eine weitere Steigerung der PV-Peak-Leistung über 63 kw el hinaus, dass zu Zeiten starker solarer Einstrahlung die Momentanleistung der PV-Anlage größer ist als die Momentan-Leistungsaufnahme des Kaltwassersatzes (maximal 57,8 kw el ). Somit wird zusätzlicher Strom erzeugt, welcher nicht direkt verbraucht werden kann die PV- Anlage muss abregeln. Eine Lösung hierfür bietet der Einsatz von Batteriespeichern zur Speicherung der überschüssigen elektrischen Energie der PV-Anlage. Diese kann dann zu Zeiten schwacher solarer Einstrahlung (wenn die Momentanleistung der PV-Anlage kleiner ist als der Leistungsbedarf des Kaltwassersatzes) zur Deckung der Differenz verwendet werden. Der Einsatz von Batteriespeichern wird in diesem Artikel jedoch nicht untersucht. Damit beschränkt sich die Sensitivitätsanalyse der PV-Peak-Leistung auf den Bereich kleiner 63 kw p. Abb. 7 und Abb. 8 zeigen die Sensitivität der Kältegestehungskosten auf die installierte PV-Leistung. Mit zunehmender Leistung sinken die Kältegestehungskosten bis zur maximal möglichen Peakleistung ohne Stromspeicher. Es ist ersichtlich, dass selbst eine PV-Peak-Leistung von 10 kw p bereits Einsparungen in den Kältegestehungskosten bewirkt. Anlagen mit Einspeisevergütung, PVME Abb. 9 und Abb. 10 zeigen die Variation des Strombezugspreises aus dem Netz im Szenario PVME (mit Einspeisevergütung). Zugrunde liegt die angenommene Einspeisevergütung für Dachanlagen auf Nichtwohngebäuden im Außenbereich bis zu einer Anlagengröße von max. 100 kw p (EEG 2014) i.h.v. 8,53 ct/kwh el bei Inbetriebnahme der Anlage bis [3]. Die Kältegestehungskosten bei Einsatz einer PV-Anlage mit Einspeisevergütung liegen oberhalb der (prozentual, Referenzkosten = 0 %) vs. installierte PV-Leistung (absolut) Kosten des Referenz-Szenarios. Im Ausgangszustand (hier: Strombezugskosten von 16,3 ct/kwh el, weitere Ausgangsdaten siehe Tabelle 1 bis Tabelle 3) kann man durch Einsatz einer PV-Anlage die Kältegestehungskosten von 10,2 ct/ kwh r nicht senken. Am Standort Hamburg ergeben sich Kältegestehungskosten mit PV-Anlage von 10,5 ct/kwh r, am Standort München von 10,3 ct/ kwh r. Dies entspricht einer prozentualen Steigerung von +4 % (Hamburg) und +0,7 % (München) gegenüber den Kosten im Referenzszenario. vs. installierte PV-Leistung (prozentual, Referenzkosten = 0 %) KI Kälte Luft Klimatechnik

5 Nun ist weiterhin interessant, welche Auswirkungen die Annahmen zur Einspeisevergütung auf dieses Ergebnis haben. Falls die PV-Anlage aus welchen Gründen auch immer eine andere als die im Ausgangszustand angenommene Vergütung von 8,53 ct/kwh el erhält, ändern sich die Kältegestehungskosten. Eine Degression der Einspeisevergütung für die kommenden Jahre ist zu erwarten, eine Steigerung eher unwahrscheinlich. Dennoch wurde Letzteres aus Gründen der Vollständigkeit mit untersucht. Abb. 11 und Abb. 12 zeigen die Sensitivität der Kältegestehungskosten auf die Einspeisevergütung. Mit zunehmender Einspeisevergütung sinken die Kältegestehungskosten. Ab einer Vergütung des PV-Stroms (absolut, netto) (prozentual, Referenzkosten = 0 %) vs. Einspeisevergütung (absolut, netto) von 9,38 ct/kwh el (München) und 11,1 ct/kwh el (Hamburg) liegen die Kältegestehungskosten mit PV-Anlage unterhalb jener des Referenzzustandes. Eine weitere Sensivitätsanalyse untersucht die Auswirkungen der Investitionskosten der PV-Anlage auf die Kältegestehungskosten. Abb. 13 und Abb. 14 zeigen die Sensitivität der Kältegestehungskosten auf die spezifischen Investitionskosten der PV-Anlage. Diese beinhalten Anlagen-, Transport- und Installationskosten (alle netto), bezogen auf die Peak- Leistung der Anlage. Lassen sich die Investitionskosten der PV-Anlage von den angenommen Werten im Ausgangszustand (Abb. 4 und Tabelle 3) weiter senken, so kann auch im Szenario PVME eine Wirtschaftlichkeit gegenüber dem Referenzzustand erreicht werden. Ab spezifischen Investitionskosten der PV- Anlage von 1048 /kw p in München bzw. 838 /kw p in Hamburg wird eine PVME-Anlage im Betrieb wirtschaftlicher als der Referenzzustand. Zusammenfassung und Ausblick In vorliegendem Artikel wird untersucht, unter welchen Randbedingungen der Einsatz von photovoltaisch-basierten Kühlsystemen derzeit wirtschaftlich sinnvoll ist. Es wird ein Vergleich mit einem netzbetriebenen Kaltwassersatz (100 kw r, 5000 Vollaststunden/Jahr) als Referenzsystem gezogen. Als Einflussgröße werden die Kältegestehungskosten (Levelized Cost of Cooling Energy, LCCE) definiert. Es wurden folgende Optionen untersucht: PV-Strom wird direkt mittels physischer Kabelverbindung zur Kälteanlage geleitet PV-Strom wird separat ins Stromnetz eingespeist und über Einspeisevergütung vergütet Zusätzlich wurden Sensitivitätsanalysen der folgenden Parameter auf die LCCE untersucht. Solare Einstrahlung (Standorte München und Hamburg) Investitions-, Transport- und Installationskosten der PV-Anlage Peak-Leistung der PV-Anlage Strombezugskosten Netz (Gewerbestromtarif) Höhe der Einspeisevergütung ausgehend von EEG 2014 Direkte Kabelverbindung ohne Einspeisevergütung: Es zeigt sich, dass die Variante mit direkter Kabelverbindung (ohne Einspeisevergütung, Szenario PVOE) eine Senkung der 48 KI Kälte Luft Klimatechnik

6 Kältegestehungskosten im Vergleich zu einem netzbetriebenen Kaltwassersatz (mit Strombezugskosten von netto 16,3 ct/kwh el ) von -12 % (Hamburg) bzw. -25% (München) ermöglicht. Mit steigender installierter PV-Peak-Leistung (von kw p ) lassen sich zunehmende Einsparungen in den Kältegestehungskosten erreichen. Eine Peak-PV-Leistung oberhalb von 63 kw p führt dazu, dass in Zeiten starker solarer Einstrahlung eine Überschussleistung entsteht, welche nicht unmittelbar durch den Kaltwassersatz verbraucht werden kann. In diesem Fall würde der Einsatz eines Stromspeichers notwendig, was jedoch in diesem Artikel nicht untersucht wurde. Separate Einspeisung mit Einspeisevergütung: Bei Einsatz einer PV-Anlage mit separater Einspeisung und Vergütung nach dem EEG 2014 (Szenario PVME) zeigt sich, dass die Kältegestehungskosten oberhalb der Kosten des Referenz-Szenarios liegen. Eine Senkung der Kältegestehungskosten durch Einsatz einer PV-Anlage ist in diesem Fall nicht möglich. Am Standort Hamburg ergeben sich Kältegestehungskosten mit PV-Anlage von 10,5 ct/kwh r, am Standort München von 10,3 ct/ kwh r. Dies entspricht einer prozentualen Steigerung von +4 % (Hamburg) und +0,7 % (München) gegenüber den Kosten im Referenzszenario. Lässt sich die Einspeisevergütung von angenommenen 8,53 ct/kwh el auf mehr als 9,4 ct/kwh el (München) bzw. 11,2 ct/kwh el (Hamburg) steigern, so erreicht man auch in diesem Szenario geringere Kältegestehungskosten gegenüber dem Referenzzustand. Alternativ führt auch eine Absenkung der spezifischen Investitions-, Transport- und Installationskosten der PV-Anlage von angenommenen 1050 /kw p auf unterhalb 1048 /kw p in München bzw. 838 /kw p in Hamburg zum Erreichen geringerer Kältegestehungskosten. Nomenklatur Abkürzungen EER Energy Efficiency Ratio PV Photovoltaik EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz LCCE Levelized Cost of Cooling Energy Indices rad Strahlung el elektrisch r Kälte (refrigeration) p peak Literatur [1] Kohlenbach P. and Jakob U. (2014): Solar Cooling The Earthscan Expert Guide to Solar Cooling Systems, Routledge Chapman & Hall, 2014 [2] Mugnier D., Jakob U., Kohlenbach P. (2015): Assessment on the Commercial Viability of Solar Cooling Technologies and Applications in the Arab Region. Study for the United Nations Environment Programme. Available online at vs. Einspeisevergütung (prozentual, Referenzkosten = 0 %) vs. Investitionskosten PV- Anlage (absolut, netto) vs. Investitionskosten PV-Anlage (prozentual, Referenzkosten = 0 %) org/content/assessment-commercial-viability-solar-cooling-technologies-and-applications-arab-region. (Zuletzt abgerufen ) [3] eeg_2014/ (Zuletzt abgerufen ) [4] Meteonorm (2009): Global Meteorological Database, Version 6.1. [5] getenergy GmbH, Angebot für Belieferung mit Gewerbestrom vom [6] PV*Sol Premium 2016 (Valentin Software) KI Kälte Luft Klimatechnik