Vergleich von thermischen und elektrochemischen Speichern bei PV-Wärmepumpensystemen

Transkript

1 Vergleich von thermischen und elektrochemischen Speichern bei PV-Wärmepumpensystemen Evelyn Bamberger, Mattia Battaglia, Mauro Luzzatto, Michel Haller, SPF

2 PV-Wärmepumpensystem 2

3 Übersicht Projekt CombiVolt ( ) Benchmark-Tests von PV-Wärmepumpensystemen im 6-Tage Testzyklus Simulation und Extrapolation (verschiedene Speicheroptionen, Variation Klima, Last, Tarifmodelle) Vergleich thermische vs. elektrochemische Speicherung Inhalt Präsentation Eigenverbrauchssteigerung bei PV-Wärmepumpensystemen Kennzahlen und ihre Aussagekraft Energetischer, ökologischer und ökonomischer Vergleich von thermischen Speichern zu Batteriespeichern 3

4 Kennzahlen für Wärmepumpen mit PV-Eigenverbrauchsregelung Eigenverbrauchsquote R eig RR eeeeee = WW eeeeee WW PPPP = WW gggggg WW NNNN WW PPPP Autarkiegrad R aut RR aaaaaa = WW eeeeee WW gggggg = WW gggggg WW NNNN WW gggggg W PV = PV-Ertrag (gesamt) [kwh] W eig = Eigenverbrauch, d.h. zeitgleich verbrauchter PV-Strom [kwh] W ges = elektrischer Gesamtenergieverbrauch [kwh] W NB = Netzbezug [kwh] PV-Ertragsverhältnis R PV RR PPPP = WW PPPP WW gggggg Netto-Nullenergie Gebäude R PV = 1 und R eig = R aut 4

5 PV + Wärmepumpe mit Eigenverbrauchssteigerung Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad bei verschiedenen Arten der Regelung (mit gleichem Kombi-Wärmespeicher) simuliert Eigenverbrauchsquote, Autarkiegrad [%] Leistung PV-Anlage [kwp] Veränderungen: Netto-Null: kwp; + 6% Eigenverbrauch/ Autarkie + 17% absolut Eigenverbrauchsquote Autarkiegrad keine EVS EVS, Tmax = 45 C EVS, Tmax = 55 C EVS: Eigenverbrauchssteigerung Tmax: maximale Speichertemperatur bei EVS 5

6 Das Effizienz-Paradoxon Speicherverluste (Batterie oder thermisch) führen zu besseren Werten für Eigenverbrauch und Autarkie! Beispielrechnung (übertrieben) Batterie verlustfrei [kwh/a] Batterie mit kwh Verlusten [kwh/a] Haushaltsstromverbrauch 3' Elektrischer Energieverbrauch Heizsystem Batteriesystemverluste Elektrischer Gesamtenergieverbrauch PV-Ertrag Netzbezug Netzeinspeisung RR eeeeee = WW eeeeee WW PPPP = WW gggggg WW NNNN WW PPPP RR aaaaaa = WW eeeeee WW gggggg = WW gggggg WW NNNN WW gggggg 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Eigenverbrauch Autarkie Batterie verlustfrei Batterieverluste als Teil von Wges 6

7 Alternativen zu Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad Netzbezug W NB Netzaufwandszahl R net Verhältnis von Netzbezug zu Gesamt-Nutzenergiebedarf RR nnnnnn = WW NNNN EE nnnnnnnn EE nnnnnnnn = WW HHHH + QQ WWWWrrrrrr + QQ RRRRrrrrrr W HH = Haushaltsstrombedarf [kwh] Q WWref = Warmwasserbedarf [kwh] Q RHref = Raumheizungsbedarf [kwh] Maximale Einspeise- und Bezugsspitzen Ökonomische Kenngrössen 30% 20% 10% 0% Netzaufwandszahl Batterie verlustfrei Batterieverluste als Teil von Wges 7

8 Vergleich thermischer und elektrochemischer Speicher Kombispeicher Batteriesystem Lithium-Ionen- Batteriemodul Wechselrichter Batteriegehäuse (Beispielbilder) 8 (Beispielbilder)

9 Vergleich thermischer und elektrochemischer Speicher Wir führen ein «Stromspeicheräquivalent» ein Welche Batteriekapazität kann durch einen thermischen Speicher ersetzt werden? spezifische Wärme Aktiviertes thermisches Speichervolumen Bewirtschaftetes delta-t COP der Wärmepumpe Stromspeicheräquivalent 0.8 m kwh/m 3 /K 13 K 3 4 kwh 9

10 Energetischer Vergleich verschiedener Speicheroptionen 9'000 Elektrische Energie [kwh] 8'000 7'000 6'000 5'000 4'000 3'000 2'000 1'000 0 Elektrischer Gesamtenergieverbrauch 8 kwh Batterie Netzbezug 4 kwh Batterie + 4 kwh Stromspeicheräquivalent durch Wärmespeicher Stromspeicheräquivalent [kwh] Kombispeicher 800l Thermisch aktiviertes Gebäude und WW-Speicher Batterie Zykl.Effizienz: 78% Kombispeicher 800l und Batterie Kombispeicher vergleichbar mit thermisch aktiviertem Gebäude + WW-Speicher Batterie senkt den Netzbezug stärker (auch bei Haushaltsstrombedarf) Wärmepumpe: thermischer Speicher kann Batteriekapazität ersetzen 10

11 Ökobilanz Vergleich Kombispeicher & Batterie Kombispeicher 800 l Lithium-Ionen Batterie 4 kwh Nicht erneuerbar Erneuerbar Kumulierter Energieaufwand [GJ] Kombispeicher 800 l Lithium-Ionen Batterie 4 kwh Ökologische Knappheit, Umweltbelastungspunkte [MPt] Verbrauch mineralischer Rohstoffe Klimaerwärmung Luftverunreinigungen Krebserregende Stoffe in die Luft Schwermetalle in die Luft Restliche Auswirkungen 11

12 Ökobilanz gesamtes PV-Wärmepumpensystem Lithium-Ionen-Batterie, 4 kwh 7% Kombispeicher, 800 l 3% Rest 6% PV-Anlage 84% Kumulierter Energieaufwand 12

13 Kostenvergleich Neubau, Beispielrechnung Investition und Lebensdauer 2018 Batterie 4 kwhel CHF; 12 Jahre Kombispeicher 800 l CHF; 30 Jahre CHF; 15 Jahre CHF; 30 Jahre Rahmenbedingungen: Kosten für neues System inkl. Installation in der Schweiz Zusatzkosten Kombispeicher im Vergleich zu einfachem WW-Speicher Kalkulationszinssatz: 1%; laufende Kosten: 1%/a Annuität [CHF/a] kwh 800 l Batterie Kombispeicher Annuität [CHF/a] kwh 800 l Batterie Kombispeicher 13

14 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Vorsicht bei Kennzahlen für Strategien zur Eigenverbrauchssteigerung! Verluste wirken positiv auf Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad Ergänzung z.b. um Netzbezug, Netzaufwandszahl Thermische Speicher können für Wärmeanwendung Batteriekapazität ersetzen, aber nicht die Batterie selbst (kein Beitrag zu Haushaltsstromverbrauch) sind kostengünstiger und ökologischer als Batterien könnten Preis- und Teile des ökologischen Vorteils in Zukunft verlieren Speicher spielen im Gesamtsystem ökologisch eine untergeordnete Rolle 14

15 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir danken dem BFE für die finanzielle Unterstützung des Projektes CombiVolt Unsere Projektpartner: 15