Technische und wirtschaftliche Aspekte der Zwischenspeicherung von Solarenergie zur Steigerung des Direktverbrauchs

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1 Technische und wirtschaftliche Aspekte der Zwischenspeicherung von Solarenergie zur Steigerung des Direktverbrauchs Dipl.-Ing. Jonathan Blanz, Dipl.-Ing. Martin Rothert, Dipl.-Ing. Volker Wachenfeld SMA Solar Technology AG Sonnenallee 1, D Niestetal Tel.: , Fax: Internet: 1. Einleitung Mit dem aktuellen Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG 2009) gibt es erstmals in Deutschland eine Förderung des Direktverbrauchs von Strom aus Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen). Eine Motivation für diese in 33 des EEG festgeschriebene Regelung ist die Entlastung des Niederspannungsnetzes, um damit Transportverluste und Kosten einzusparen. Dies soll durch eine bessere zeitliche Korrelation von Verbrauch und Erzeugung im Netz erreicht werden. Auf Grundlage dieser neuen Regelung muss den Betreibern von PV-Anlagen sowohl für jede eingespeiste als auch für jede selbst verbrauchte kwh aus der PV-Anlage eine Vergütung bezahlt werden. Betreiber einer PV-Anlage haben also nun zwei wirtschaftlich interessante Möglichkeiten. Der erzeugte Strom kann sowohl selbst verbraucht als auch in das öffentliche Netz eingespeist werden. Leistung in W PV-Erzeugung Verbrauch 0 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00 Uhrzeit Abbildung 1: Verlauf von Verbrauch und Erzeugung für einen Tag im Sommer am Beispiel eines Haushaltes mit einem Stromverbrauch von 4900 kwh/a und einer 5 kwp PV-Anlage Derzeit stimmen Verbrauch und Erzeugung in der Praxis jedoch nur selten überein (siehe Abbildung 1). Aus diesem Grund lässt sich in der Regel nur ein geringer Anteil

2 des erzeugten PV-Stroms auch selbst nutzen. Unklar ist derzeit, ob die Höhe des Eigenverbrauches pro Phase oder pro Hausanschluss ermittelt wird, da es hier unterschiedliche Zählweisen gibt. In diesem Paper wurde von einer Betrachtung pro Hausanschluss ausgegangen. 2. Direktverbrauch ohne Zwischenspeicherung Bei Anlagen, die im Jahr 2010 in Betrieb genommen werden, gilt, dass der Eigenverbrauch von PV-Strom ab einem Strompreis von 19,49 ct/kwh wirtschaftlich interessant ist. Dieser Wert ergibt sich aus der Differenz der beiden Einspeisevergütungen für Netzeinspeisung und Eigenverbrauch, abzüglich der zu entrichtenden Mehrwertsteuer [1]. Steigende Strompreise in Zukunft werden die Wirtschaftlichkeit weiter erhöhen. Auf Grund der jährlichen Degression der Vergütungssätze im EEG wird der Eigenverbrauch von PV-Strom in Zukunft schon bei geringeren Strompreisen wirtschaftlich sein. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. 25 Strompreis in Ct/kWh Inbetriebnahme Jahr der PV-Anlage Abbildung 2: Strombezugspreis, ab dem der Eigenverbrauch von PV-Strom wirtschaftlich sein wird, in Abhängigkeit des Inbetriebnahme-Jahres der PV-Anlage Die Höhe des Eigenverbrauchs, der sich ohne weitere Maßnahmen einstellt, ist dabei vor allem von der PV-Anlagengröße, der Solareinstrahlung und dem Lastprofil für den Stromverbrauch abhängig. Für ein gemessenes Lastprofil in Deutschland und einem Jahreslastgang der Solareinstrahlung in Kassel wurden umfangreiche Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurde der Stromverbrauch an unterschiedlichen Haushaltsgrößen angepasst (1 Pers. = 1970 kwh; 2 Pers. = 3260 kwh; 3 Pers. = 4240 kwh; 4 Pers. = 4900 kwh; 5 Pers. und mehr = 6150 kwh [2]) und die Größe der PV-Anlage variiert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 zu sehen.

3 Höhe des Eigenverbrauches Personen Haushalt 2-Personen Haushalt 3-Personen Haushalt 4-Personen Haushalt >4-Personen Haushalt Leistung der PV-Anlage in kwp Abbildung 3: Höhe des Eigenverbrauchsanteils für verschiedene Haushaltstypen bezogen auf die Größe der PV-Anlage [3] Auch wurde der Einfluss unterschiedlicher Lastprofile überprüft, der sich aber nur mit einer maximalen Abweichung von 5% auf den berechneten Direktverbrauch auswirkt. Durch eine aktive Laststeuerung kann der Anlagenbetreiber versuchen, seinen Stromverbrauch zeitlich auf die Erzeugung seiner PV-Anlage abzustimmen. Eine naheliegende Möglichkeit wäre, Verbraucher wie Waschmaschine, Wäschetrockner oder Spülmaschine immer dann einzuschalten, wenn die Erzeugung aus der PV- Anlage den aktuellen Verbrauch übersteigt. Dies kann sowohl manuell als auch bei Einsatz geeigneter Systemtechnik automatisch erfolgen. Geschätzt lässt sich durch diese Maßnahme der Eigenverbrauch um 5 bis 10% erhöhen. 3. Direktverbrauch mit Zwischenspeicherung Mit steigender Wirtschaftlichkeit des Eigenverbrauches von PV-Strom stellt sich zunehmend die Frage, ob und wie viel sich der Eigenverbrauch durch Zwischenspeicherung erhöhen lässt und ab wann dies wirtschaftlich interessant sein könnte. Hierfür könnten in Zukunft die Sunny Backup Systeme von SMA verwendet werden. Bei der Zwischenspeicherung sind allerdings folgende Aspekte zu berücksichtigen: Wirkungsgrad der Zwischenspeicherung und Kosten für die Zwischenspeicherung. Die Höhe der Verluste beim Zwischenspeichern sind in erster Linie abhängig vom gewählten Energiespeicher und der für die Einbindung des Energiespeichers gewählten Systemtechnik. Im Weiteren wird mit den Wirkungsgraden der von SMA verfügbaren Sunny Backup Sets gerechnet. Für die Bleibatterie wird ein mittlerer Wirkungsgrad von 85% angenommen, für die Wechselrichter mit Zuleitung und

4 Sicherung ein mittlerer Wirkungsgrad von 92%. Hieraus errechnet sich ein Gesamtwirkungsgrad des Speichersystems von 72% Erhöhung des Eigenverbrauchs durch Sunny Backup Gemäß diesen Berechnungen ließe sich der Eigenverbrauch bereits mit dem kleinen Sunny Backup Set S signifikant erhöhen (siehe Abbildung 4). Mit dem größeren Sunny Backup Set M könnte bei einer 5 kwp PV Anlage auf einem Einfamilienhaus der Eigenverbrauch fast verdoppelt werden. Hierdurch werden bis zu 55% der PV- Energie selbst verbraucht. Eigenverbrauchsanteil 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Abbildung 4: Direktverbrauch mit Speichersystem von 2.2 kw und 3.4 kwh (Sunny Backup Set S) mit Speichersystem von 5 kw und 6.7 kwh (Sunny Backup Set M) Leistung der PV-Anlage in kwp Höhe des Eigenverbrauches beim Einsatz eine Sunny Backup Sets für ein Einfamilienhaus mit einem jährlichen Verbrauch von 4900 kwh Voraussetzung für diese Ergebnisse ist, dass der Leistungsfluss an der Schnittstelle zum öffentlichen Netz dem Sunny Backup-System bekannt ist. Nur so kann sichergestellt werden, dass ausschließlich überschüssiger PV-Strom zwischenspeichert wird und auch sicher für den Eigenverbrauch Verwendung findet. Eine solche Funktion ist für die Sunny Backup-Sets S und M prinzipiell technisch umsetzbar Wirtschaftlichkeit der Zwischenspeicherung Für jede Kilowattstunde PV-Strom, die mit dem Installationsjahr 2010 direkt ins Netz eingespeist wird, erhält der Anlagenbetreiber eine Vergütung von 39,14 ct/kwh bis einschließlich dem Jahr Für jede Kilowattstunde, die der Betreiber selbst direkt verbraucht, bekommt er eine Vergütung von 22,76 ct/kwh, muss allerdings in diesem Fall auf die Differenz zwischen der Vergütung für die Einspeisung und den Direktverbrauch Mehrwertsteuer von dann 3,11 ct/kwh bezahlen. Es bleibt also eine Vergütung von 19,65 ct/kwh.

5 Hier spart er aber zusätzlich seinen Strombezugspreis, der für das Jahr 2010 mit 22,4 ct/kwh beispielhaft angesetzt wurde. Im Jahr der Inbetriebnahme erhält der Anlangenbetreiber somit eine Vergütung von 41,08 ct/kwh und hat damit bereits einen wirtschaftlichen Anreiz von etwa 2 ct/kwh. Dieser wird aber bei einem steigenden Strompreis in den nächsten 20 Jahren noch deutlich zunehmen. Bei einer mittleren Strompreissteigerung von 4,6 (entsprechend dem Mittelwert der Jahre ) beträgt der Vorteil im 20ten Jahr bereits ca. 12 ct/kwh. Wird der erzeugte PV-Strom zur Erhöhung des Eigenverbrauchs zwischengespeichert, sieht die Rechnung wegen der Speicherverluste allerdings anders aus. Auf Grund der Verluste bei der Zwischenspeicherung können nur 72% der eingespeicherten Energie zur Senkung des Strombezugs genutzt werden. Es werden somit nur die Vergütung für den eigenverbrauchten PV-Strom von 19,65 ct/kwh plus dem gesparten Strombezug von 0,72 * 21,43 ct/kwh erwirtschaftet, also 35,07 ct/kwh für den gespeicherten Anteil und damit weniger als bei einer direkten Einspeisung. Im ersten Jahr der Inbetriebnahme hätte man für diesen Anteil somit eine ca. 4 ct/kwh schlechtere Vergütung als bei einer direkten Einspeisung. Unter der Annahme einer 4,6% Strompreissteigerung wäre ab dem Jahr 2016 mit einem kleinen wirtschaftlichen Vorteil durch den Speicher zu rechnen. Berechnet man die Mehreinnahmen durch die Erhöhung des Eigenverbrauchs mittels eines Sunny Backup-Systems über 20 Jahre, so ergibt sich das folgende Bild. Dabei wurde allerdings keine Abzinsung der Beiträge über die 20 Jahre vorgenommen und von einer Strompreissteigerung von 4,6% ausgegangen. Mehreinnahmen durch Erhöhung des Eigenverbrauchs Sunny Backup Set S Sunny Backup Set M Jahr der Inbetriebnahme Abbildung 5: Einnahmemöglichkeiten durch die Eigenverbrauchserhöhung am Beispiel eines Einfamilienhause mit einem Verbrauch von 4900 kwh/a und einer 5 kwp PV-Anlage

6 Bis 2015 reichen die Mehreinnahmen unter den getroffenen Annahmen nicht, um die Kosten für ein Sunny Backup-System zu refinanzieren. Auch basiert diese Berechnung auf einer maximalen Erhöhung des Eigenverbrauchs, was bedeutet, dass die relativ kleinen Batterien sehr stark zyklisiert werden. Für das Backup Set S bedeutet dies ca. 300 Zyklen mit einer maximalen Entladetiefe von bis zu 80%. Beim Sunny Backup Set M sind es immer noch 250 Zyklen. Je nach Zyklenfestigkeit müsste die Batterie alle Jahre getauscht werden. 4. Zusammenfassung und Ausblick Das EEG 2009 bietet zum ersten Mal eine Vergütung für den Direktverbrauch von selbst erzeugtem PV-Strom. Dieses zu nutzen ist bereits bei einer Inbetriebnahme der Anlage in 2010 sehr attraktiv. Auch jede Möglichkeit der Lastverschiebung zur Erhöhung des Eigenverbrauchs lohnt sich schon heute. Eine Zwischenspeicherung des PV-Stroms zur weiteren Erhöhung des Eigenverbrauchs ist ebenfalls möglich. Allein auf Grund der relativ großen Verluste bei den derzeit üblichen Bleibatterien ist eine Wirtschaftlichkeit heute und in den nächsten Jahren noch nicht gegeben. Auch müsste die Zyklenfestigkeit gegenüber heute verfügbaren Batterien deutlich erhöht werden, oder die Batterien müssten entsprechend überdimensioniert werden. Lithium-Batterien könnten in Zukunft einen deutlich besseren Wirkungsgrad und höhere Zyklenfestigkeit erreichen. Dies würde gegebenfalls auch einen wirtschaftlichen Betrieb zulassen, der bei Bleibatterien und Kosten von ca. 20 ct/kwh Speicherdurchsatz im Moment nicht in Reichweite scheint. Auch ein schneller steigender Strompreis oder Änderungen an den Vergütungssätzen im EEG könnten die Wirtschaftlichkeit einer Zwischenspeicherung in Zukunft verbessern. [1] Kraeusel, Bundesministerium der Finanzen; Umsatzsteuerliche Behandlung des sog. Direktverbrauchs nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ab dem 1. Januar 2009 ( 33 Abs. 2 EEG), Berlin, [2] Zeitschrift Haus + Energie, Verlag Photon Europe GmbH, Aachen, September 2009 [3] Blanz, Jonathan; Diplomarbeit; Einsatz von elektrischen Energiespeichern zur dezentralen Zwischenspeicherung von PV-Energie im Niederspannungsnetz ; Kassel, September 2009

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