Solarstromspeicher. Referent: Dipl. Ing. Günter Westermann

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1 Solarstromspeicher Referent: Dipl. Ing. Günter Westermann

2 Die intelligenteste Antwort auf die Herausforderung des Klimawandels und auf die steigenden Preise der alten Energien heißt: So rasch wie möglich und zu 100% auf erneuerbare Energien umsteigen. Franz Alt

3 Strompreisentwicklung für die nächsten 20 Jahre (Prognose) Jahr 2024 Cent/kWh ca. 70 Cent ca. 55 Cent Jahr 2014 ca. Cent/kWh 28,00 Cent 11 Cent konstant 11 Cent bei 5,5 % Preiserhöhung bei 4,3 % Preiserhöhung (Quelle: Fraunhofer Institut) Solarstrom Gestehungskosten

4 Die PV- Einspeisevergütung hat die Höhe des Strompreises unterschritten

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6 Netzgekoppelte Speichersysteme Inzwischen liegen die Einspeisevergütungen für Solarstrom unter dem Strombezugspreis von normalen Tarifkunden (so genannte Grid Parity, siehe Abschnitt 10.3). Daher liegt es nahe, die Rendite einer Solarstromanlage zu verbessern, indem ein möglichst großer Anteil des produzierten Stroms selbst verbraucht wird. Natürlicher Eigenverbrauch, Eigenverbrauchsoptimierung und Autarkie PV-Eigenverbrauch ist der Verbrauch von PV-Energie direkt am Ort der Erzeugung oder in unmittelbarer Nähe. Eigenverbrauch ist wirtschaftlich interessant, wenn die Kosten für die PV-Erzeugung unterhalb der Netzbezugskosten liegen. Der Eigenverbrauch von PV-Energie entlastet aber auch das öffentliche Stromnetz und vermeidet Übertragungsverluste. Die wichtigste Kennzahl ist die Eigenverbrauchsquote, die den Anteil der direkt genutzten PV- Energie beschreibt. Die Eigenverbrauchsquote wird in erster Linie beeinflusst durch das Verhältnis von erzeugter PV-Energie und dem Energiebedarf:

7 Ist die Erzeugungsleistung eher klein und der Energiebedarf ausreichend groß, können nennenswerte Anteile der PV-Energie direkt verbraucht werden. Das gilt selbst dann, wenn die zeitlichen Schwerpunkte von Energiebedarf und PV-Erzeugung weniger gut übereinstimmen. Bei Bedarfsspitzen der elektrischen Verbraucher ist jedoch zusätzliche Energie aus dem öffentlichen Stromnetz notwendig. Überwiegt dagegen die PV-Energie aufgrund einer überproportional großen Erzeugungsleistung, lässt sich in jedem Fall nur ein kleiner Teil davon vor Ort nutzen. Überschüssige Energie muss in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Ein zweiter wichtiger Einfluss auf die Eigenverbrauchsquote ist das jeweilige Lastprofil: Da die zeitliche Verteilung der PV-Leistung in engen Grenzen vorgegeben ist, bestimmt das Lastprofil nahezu allein, wie gut Erzeugung und Verbrauch im Tagesverlauf übereinstimmen. Damit hat das Lastprofil einen beachtlichen Einfluss auf die Eigenverbrauchsquote allerdings nur dann, wenn Erzeugungsleistung und Energiebedarf in einem ausgewogenen Verhältnis stehen.

8 Natürlicher Eigenverbrauch Der natürliche Eigenverbrauch ergibt sich durch den zeitgleich zur PV-Erzeugung stattfindenden Verbrauch im Haushalt. Er entspricht also der Schnittmenge aus Erzeugungsprofil und natürlichem Lastprofil. Ein typischer 4-Personen-Haushalt in Deutschland mit einer PV-Anlage von 5 kwp erreicht eine Eigenverbrauchsquote von etwa 30 %. Dies ist jedoch nur ein grober Richtwert wegen der Abhängigkeit der Eigenverbrauchsquote vom individuellen Erzeugungsprofil und vom Lastprofil. Dabei bestimmen die Ausrichtung des PV-Generators und temporäre Verschattungen maßgeblich das individuelle Erzeugungsprofil, während individuelle Lebensgewohnheiten entscheidend für das Lastprofil sind. Eigenverbrauchsoptimierung Bei gleichbleibender Menge von PV-Erzeugung und Energiebedarf ist die Eigenverbrauchsoptimierung nur durch eine sinnvolle Anpassung des Lastprofils möglich. Dabei stehen drei Strategien zur Wahl:

9 1. Sie verändern das Lastprofil, indem Sie zeitlich flexible elektrische Verbraucher gezielt in Zeiten mit hohen PV- Überschüssen nutzen. So kann der Sunny Home Manager durch automatische und intelligente Verbrauchersteuerung die Eigenverbrauchsquote um etwa die Hälfte steigern, d. h. von 30 % auf 45 %. 2. Sie speichern überschüssige PV-Energie in einer Batterie um damit Verbraucher zu versorgen, die zeitlich nicht flexibel sind. Ein gut dimensioniertes Speichersystem ermöglicht diese Zwischenspeicherung und kann die Eigenverbrauchsquote mehr als verdoppeln, d. h. von 30 % auf etwa 80 % steigern. 3. Sie kombinieren die intelligente Verbrauchersteuerung mit der Zwischenspeicherung von PV-Energie. So kann ein intelligentes Speichersystem die Eigenverbrauchsquote bis zur weitgehenden Autarkie steigern. Solche Systeme werden derzeit bereits angeboten, sind z. T. aber mit zu kleinen Speichern ausgerüstet, was sich in Eigenverbrauchsquoten von um die 60% niederschlägt.

10 Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad Alle vorgestellten Maßnahmen zur Eigenverbrauchsoptimierung haben das Ziel, einen möglichst hohen Anteil der erzeugten PV-Energie vor Ort zu verbrauchen. Dieser Anteil lässt sich durch die Eigenverbrauchsquote ausdrücken: Im Gegensatz dazu stellt die Autarkie eines Systems die Eigenschaft dar, die elektrischen Verbraucher weitgehend ohne Netzbezug versorgen zu können, z. B. mit Hilfe einer PV- Anlage. Die Autarkie eines solchen Systems ist umso höher, je mehr Anteil die vor Ort erzeugte PV-Energie an der Deckung des Energiebedarfs der elektrischen Verbraucher hat. Dieser Anteil lässt sich durch den Autarkiegrad ausdrücken:

11 Lastgang, PV-Ertrag und Speicherauslegung Zur Systemauslegung sind folgende Kenngrößen notwendig: 1. Der Lastgang des Bezuges d.h. die Leistungsaufnahme des Gebäudes über der Zeit Da im Privatbereich und auch bei kleineren Betrieben in der Regel kein Lastgang-Zähler eingebaut wird, werden hier die Angabe des Jahresenergiebedarfs und Standardlastprofile für verschiedene Haushalte oder Betriebe zur Auslegung genutzt. 2. Die Leistung der PV-Anlage (resp. EE-Anlage) über der Zeit Da bei PV oder WKA die Leistung über der Tageszeit und über das Jahr stark variiert, werden auch hier (im folgenden nur für PV) der spezifische Jahresertrag und Jahreszeit-abhängige tägliche Durchschnittswerte der PV-Leistung und des Ertrages genutzt. 3. Die nutzbare Batteriekapazität bzw. gewünschte Eigenverbrauchsquote oder Autarkie Neben den aktuellen Bedürfnissen für die Speichergröße können auch zukünftige Vorgaben wie z.b. die Netzdienlichkeit oder Lieferung von Regelenergie eine Rolle für die Auslegung des Systems spielen.

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17 Stromverbrauch in kwh / Einfamilienhaus Sommer Werktag Samstag Sonntag 06:15 20:30 (hell) 9,1 9,8 9,1 20:30 06:15 (dunkel) 2,9 3,1 2,9 Gesamt 12,0 12,9 12,0 Übergang 06:45 19:15 (hell) 7,8 8,6 7,8 19:15 6:45 (dunkel) 4,3 4,7 4,4 Gesamt 12,1 13,3 12,2 Winter 08:00 17:15 (hell) 5,5 6,3 6,0 17:15 08:00 (dunkel) 6,1 6,4 5,9 Gesamt 11,6 12,7 11,9

18 Vergleich Verbrauch/Einfamilienhaus - Ertrag/PV-Anlage Sommer Winter Übergang

19 Leistung in W Tagesprofil einer PV-Anlage ohne Speicher Stromverbrauch/Eigenstromverbrauch Erzeugte PV-Energie Strom-Verbrauch Eigenstrom-Verbrauch :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Uhrzeit

20 Leistung in W Tagesprofil einer PV-Anlage mit Speicher Stromverbrauch/Eigenstromverbrauch Erzeugte PV-Energie Stromverbrauch Eigenstromverbrauch Batterie-Ladung Batterie-Entladung :00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Uhrzeit

21 Nutzbare Batteriekapazität / Jahresenergiebedarf (Wh/kWh) 2,0 1,8 1,6 1,4 Diagramm zur Abschätzung der Eigenverbrauchsquote 1,2 1,0 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 0,8 40 % 0,6 30 % 0,4 20 % 0,2 0,0 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Anlagenleistung der PV-Anlage / Jahresenergiebedarf (Wp/kWh)

22 Nutzbare Batteriekapazität / Jahresenergiebedarf (Wh/kWh) 2,0 1,8 1,6 1,4 Diagramm zur Abschätzung des Autarkiegrades 70 % 1,2 1,0 60 % 0,8 50 % 0,6 0,4 40 % 30 % 0,2 20 % 0,0 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Anlagenleistung der PV-Anlage / Jahresenergiebedarf (Wp/kWh)

23 Praxisbeispiel: Daten eines realen Sunny Island-Systems Anlagenleistung des PV-Generators: 3,24 kwp Jahresenergiebedarf: etwa kwh Nutzbare Batteriekapazität: 3,5 kwh Abbildung Prozentualer Anteil des Eigenverbrauchs von PV-Energie eines realen Sunny Island-Systems

24 Praxisbeispiel: Daten eines realen Sunny Island-Systems Absolute Jahres-Werte der Netzeinspeisung und des Eigenverbrauchs eines realen Sunny Island-Systems

25 Leistung Was würde geschehen bei weiterem Ausbau von ungepufferten PV-Anlagen? Lastkurve Ca. 50 GW Nicht abregelbare Kraftwerksleistung Ungepufferte PV- Leistung Abregelbare Kraftwerksleistung abgeregelt Uhrzeit

26 PV-Anlagen mit Speicher übernehmen neue Aufgaben: 1. Nachtversorgung 2. Netzstabilisierung 35

27 Herleitung von Einspeiseobergrenze und Speicherkapazität Leistung Peakleistung 1,0 Peak 3 kwh/kwp 0,3 Einspeiseobergrenze = 0,3 Peak 3 Wh/kWp Uhrzeit

28 Direkteinspeisung Einspeisung aus Speicher 0,3 Sonne unter 0,3 peak Leistung in kw / kwp 0,3 Sonne etwas über 0,3 peak Viel Sonne Einspeisung = 0,3 peak Uhrzeit 38

29 Zur energieintensiven Industrie Hochspannungsnetz Zu den EE-Methan und EE-Methanol- Produktionsanlagen Solarstrom K-Strom Niederspannungsnetz Die solare Energie wird nicht nur um die Mittagszeit, sondern ganztägig geliefert und gelangt bis in das Hochspannungsnetz 40

30 Technische Umsetzung - Einspeiseobergrenze - Pufferbatterie - Netzstabilisierung 41

31 Solargenerator MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung Wechselrichter Einspeise- Obergrenz- Regler 0,3 Peak Überschuss Haushalt Stromverbraucher + / - Korrektursignal Batterie- Ladegerät Verbrauchs Ein- speise- Netzstabili- sierungs- Regler Batteriemanagement Batterie Zähler Öffentliches Netz Zähler 42

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33 Netzbetrieb Wenn der Speicher voll ist/ mehr als 30 % Restladung hat und nur wenig Erzeugerenergie bereitsteht, dann versorgt der Erzeuger einen Teil der Verbraucher mit dieser Energie und den Rest liefert der Speicher. 45

34 Erwartungen an einen idealen Akkumulator Möglichst verlustfreie Speicherung hohe chemische Lebensdauer und Zyklenzahl... hohe Zyklentiefe und geringe Selbstentladung... hoher Lade- und Entlade Strombereich und Wirkungsgrad... hohe Energiedichte (klein und leicht)

35 Erwartungen an einen idealen Akkumulator Möglichst... wartungsfrei, gefahrlos, umweltverträglich... geringe Temperaturabhängigkeit bei möglichst hohem Arbeitstemperaturbereich... gut erweiterbar und austauschbar (aufwärtskompatibel)... preisgünstig

36 Erwartungen an ein ideales Speichersystem 1. Ein-, zwei- oder dreiphasiger Aufbau möglich und in der Leistung skalierbar 2. Nachrüstbar für bereits vorhandene EE-Anlagen wie PV, BHKW, Wasser- und Windkraft 3. Anbindung an die Erzeuger und Verbraucher auf der Wechselspannungsseite wegen einfacher Nachrüstung 4. USV-Funktion bei Netzausfall mit möglichst langer Autarkiezeit (z.b. 24h) 5. Maximierung des Eigenstromverbrauchs und Rückspeisung ins Netz 6. phasengenaue Regelung von Speicherladung oder Hausnetzstützung / Netzeinspeisung

37 Erwartungen an ein ideales Speichersystem 7. Sichere Trennung des Systems vom Netz bei Netzausfall mit gleichzeitiger Bildung eines Inselnetzes, welches auch den Betrieb und die Regelung zusätzlicher EE-Anlagen zulässt 8. Definierte Steuerung der Netzeinspeisung nach Zeit- Leistungs- Profil (z.b. 24h Solarstromlieferung mit 3 kw an Stromhändler oder Netzbetreiber nach Wetterprognose) 9. Lieferung von Spitzenstrom oder Regelenergie (erst ab 1,5MW möglich- Schwarmintelligenz/Smart Grid) zur Stützung des Verteilnetzes 10. Zuschaltmöglichkeit von Verbrauchern (z. B. Elektroboiler, Klimaanlage, Elektroauto) im Hausnetz bei Energieüberschuss 11. Umfangreiche Visualisierung mit Handlungsempfehlungen für z.b. DSM (Demand Side Management)

38 Einpoliges Schaltbild des W²SEMS I Speichersystems mit Mürle-Energiemanager Zur genauen Erfassung und Abrechnung der Energie- Flüsse eines Systems mit mehreren unterschiedlich vergüteten Energieerzeugern werden mehrere 4-Quadranten-Lastgang-Zähler benötigt

39 Diskreter Aufbau eines 3-phasigen Speichersystems mit 18kWp-PV (Ost-West), 3x 4kW-USV-Funktion, 35 kwh LiFePo Speichersystem mit Datenlogger und Netzstützfunktionalität

40 SEMS Solar Energie Management System Sonnenstrom speichern nutzen, wenn die Sonne nicht scheint

41 SEMS Solar Energie Management System SEMS hat die Eigenstrommaximierung bei Photovoltaik- Anlagen sowie die weitgehende Selbstversorgung mit Strom und Einbindung ins Smart Grid zum Ziel. Das System kann 1, 2 und 3-phasig mit Leistungen von 2.6 kva bis 72 kva und Batteriespeicher von 9,2 kwh bis 110 kwh Speicherkapazität aufgebaut werden. Es kommen vorzugsweise LiFePo4-Akkus zum Einsatz. SEMS arbeitet bei Netzausfall als unterbrechungsfreie Stromversorgung und kann je nach Speichergröße bis zur vollkommenen Autarkie (Inselnetz) ausgebaut werden. Es können neben herstellerunabhängigen PV-Anlagen auch Windkraft, Wasserkraft oder BHKWs in die Stromversorgung eingebunden werden.

42 SEMS Solar Energie Management System Das System arbeitet phasenselektiv, d.h. bei einem 3-phasigen System kann z.b. Phase 1 durch den Batterie-Wechselrichter 1 gestützt werden wenn im Hausnetz auf Phase 1 mehr Strom gebraucht wird, als aktuell von der Photovoltaik- Anlage geliefert wird. Gleichzeitig befindet sich z.b. der Batterie-Wechselrichter 2 im Standby-Modus weil auf Phase 2 nur soviel Strom verbraucht wird wie auf Phase 2 durch die Photovoltaik- Anlage eingespeist wird. Wenn dann z.b. auf Phase 3 weniger Strom gebraucht wird als die Photovoltaik-Anlage auf dieser Phase liefert, wird der Rest, über den Batterie-Wechselrichter 3 als Ladegerät geschaltet, in den Batteriespeicher geladen.

43 SEMS Solar Energie Management System Wenn der Speicher voll geladen ist und die Photovoltaik- Anlage mehr produziert als verbraucht wird, können gezielt über Relais-Ausgänge (3) bestimmte Verbraucher, z.b. Heizstab im Boiler, Elektroautoladung zugeschaltet werden oder es kann z.b. nachts der gespeicherte Solarstrom ins Netz eingespeist werden. Die Energie aus dem Speicher kann auch zur Netzunterstützung, Lieferung von Regelenergie oder Spitzenstrom, verwendet werden. Der Speicher wird jedoch nie ganz entladen, sodass noch Energie für kurze Stromausfälle zur Verfügung steht. Die offene Struktur des SEMS erlaubt auch die Anbindung der Anlage ans Smart Grid.

44 Mögliche Funktionen des SEMS: Steuerung der Einspeiseleistung sowohl des Solarwechselrichters als auch der Extender im Einspeisebetrieb, (z.b. 30%, 60% oder 70% der Maximalleistung wird eingespeist. Steuerung der Akkuladung nach Wettervorhersage um Solarstrom auch nachts liefern zu können (Stromverkauf an Dritte z.b. MEG) Steuerung der Akkuladung zur Aufnahme der Mittagsspitze und zeitverzögerter Abgabe von Solarstrom sowohl ins Hausnetz als auch ins öffentliche Netz. Anbindung von Windkraft, Wasserkraft und BHKW an den Speicher.

45 PV-Anlage 11,5 kwp, 38,4 kwh LiFePo Speicher, 3x 4kW Notstromleistung, 2-Fam.-Haus mit 6kW el. Heizungs WP und 6 kw Heizstab für BW. Zusätzlich TS-Anlage und Holzkessel.

46 PV-Anlage 11,5 kwp, 38,4 kwh LiFePo Speicher, 3x 4kW Notstromleistung, 2-Fam.-Haus mit 6kW el. Heizungs WP und 6 kw Heizstab für BW. Zusätzlich TS-Anlage und Holzkessel.

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48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit