KLEINERE STROMSPEICHER ZUR NETZENTLASTUNG

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1 KLEINERE STROMSPEICHER ZUR NETZENTLASTUNG Eine Studie zum Nutzen dezentraler Solarstromspeicher Dr.-Ing. Christof Wittwer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Energie Forum Zürich Strom: Das Stromsystem der Zukunft braucht Speicher Zürich, 3. Dezember

2 Abteilung IES/Smart Grids Kompetenzen in Forschung, Entwicklung und Demonstration Kommunikationsnetzwerke und Elektromobilität Ökonomie Nutzerverhalten und Feldtests und Systemintegration Energiemanagement und Netze Energiewirtschaft und Systemintegration: Analysen, Studien und Consulting zu Energiewirtschaft, -gesetzgebung, -politik sowie Entwicklung von Geschäftsmodellen Energiemanagement und Netze: Elektrische und thermische Energiesysteme auf Verteilernetzebene, Modellierung und Simulation von Netz- und Energiesystemen, Optimierung, Demonstration im SmartEnergyLab Energie-Gateways und Elektromobilität: Software- und Hardwareentwicklung, Embedded-Systeme, Prototyping intelligenter Messsysteme, Kommunikationstechnologien Benutzerverhalten und Feldtests: Verhaltenswissenschaften, sozio-ökonomische Forschung, Feedback-Analyse, Statistik und Stochastik 2

3 Aktuelle Stromproduktion in Deutschland Juni

4 German Electricity Generation & Prices Eastern Week 2013 low demand high renewable high demand low renewable April

5 ENERGIESZENARIEN: SPEICHER SPIELEN EINE ZENTRALE ROLLE ISE 100% EE-Energieszenarium 2050: Ein Energiesystem basierend auf erneuerbaren Energien ganzheitlicher Ansatz unter Berücksichtigung von Strom, Wärme und energetischer Gebäudesanierung Wärme und Stromsektor 5

6 ENERGIESZENARIEN: SPEICHER SPIELEN EINE ZENTRALE ROLLE ISE 100%: EE-Energieszenarium 2050: Ein Energiesystem basierend auf erneuerbaren Energien ganzheitlicher Ansatz unter Berücksichtigung von Strom, Wärme und energetischer Gebäudesanierung Wärme und Stromsektor integral betrachtet Speicher: Batterien 56 GWh; ca. 9 Mio. Speichereinheiten a 6 kwh Pumpspeicherkraftwerke 60 GWh Power2Gas: 69 GWel Speicherkapazität 68 Zentrale thermische Speicher (2200 GWh; Ca saisonale Wärmespeicher (je m3) Dezentrale Wärmespeicher 684 GWh; Ca. 75 l pro kw Heizungssystem 6

7 Smart Grid als intelligentes Energieversorgungsystem 0,4 kv 0,4 kv Gestern Heute und Zukunft Dezentral und fluktuierend. Daher Bedarf an: Vernetzung und Steuerung von intelligenten Erzeugern, Speichern und Verbrauchern 7

8 100% EE: Energiespeicher spielen eine zentrale Rolle photovoltaic 206 GW wind onshore 170 GW wind offshore 85 GW hydro power 5 GW import electricity 0 GW pumped battery storage power storage plant 7 56 GWh 60 GWh combined power- methane cycle gas 57 to- g as storage turbine GW GW biomass 50 fossil 0 Building energy retrofit Reduction of heat demand on 50.0% of the value CHP central 11 GW solar heat central 29 GW electrical heat pump GW 0 64 solar heat 76 GW heat stoarge, central 47 Mio. m³ heat 186 stor- 245 age micro- CHP 0.14 heat 0.04 GW stor solar heat age GW gas heat pump 48 GW heat solar heat stor- age 25 GW electrical load excess electricity export electricity heat load CHP + solar, central heat load, total 508 heat load el. HP + solar heat load micro CHP + solar heat load gas- HP + solar excess heat 8

9 Veranschaulichung der Speichergröße 400 GWh 40 GWh (Pumpspeicher in DE) Szenario 2050 Leitstudie 2010 Szenario B Pumpspeicher: Bsp. Goldisthal: ~1GW; ~8.8 GWh 9

10 Vergütungsentwicklung vs. Strompreisentwicklung Historie und Prognose (Erzeugung und Bezug) 10 Prognose zur Vergütungs- und Strompreisentwicklung, Grafik: B. Burger, Fraunhofer ISE, Stand ; Daten: BMU, EEG 2012 und BMWi Energiedaten

11 Motivation PV-Eigenverbrauch im Haushalt Grid-Parity Haushaltsstrom: Bezugspreis=Einspeisevergütung PV-Vergütung:14 ct/kwh (Nov. 2013); 28 ct/kwh Bezug, d.h. 14 ct/ kwh Anreiz durch Spreizung; Es werden nur 90% des PV-Stroms vergütet Eigenverbrauch ca. 20 %: Batteriesystem werden interessant den Eigenverbrauch zu steigern Heute: PV-Batteriespeicher ca Cent/kWh; EUR/kWh 11

12 PV-Batteriesysteme PV-Eigenverbrauch Beispielrechnung: Verbrauch 4700 kwh/a PV: 4 kwp ca kwh (Kosten 4500 EUR; 20J) Batterie 4 kwh (4000 EUR, 10J) Eigenverbrauch ca. 70%; 2800 kwh Bezug komplett angenommen: 30 Cent/kWh (1410 EUR/a), Anteil: =1900 kwh; 570 EUR Einspeisung: 30% = 1200 kwh*0.13 Vergütung: 156 EUR/a Kosten 414 EUR statt 1410 EUR, d.h. 996 EUR Einsparung Annuität zinslos: jährlich PV:59 EUR; Bat: 400 EUR; Ersparnis : 459 EUR/a Volker Quaschning: FHTW Berlin Simulation mit Verbrauch 4700 kwh/a 12

13 Speicher und PV Steuerung der Systeme manufacturer type power [kw] available since extra battery charger battery potential efficiency Voltwerk VS5 hybrid 5 kw 2012 yes 48V 85 % E3DC S10 4 kw 2012 yes 48V 92 % 13 VS5 Hybrid; Bosch/Voltwerk awa-solar.de E3DC

14 BSW-Speicherstudie Gegenüberstellung der konventionellen und der netzdienlichen Betriebsführung vom reinen Eigenverbrauch zum netz- und systemfreundlichen Eigenverbrauch 14

15 Bewertung Abreglungsquote Direkteinspeisung vs. Eigennutzung Anteil der verworfenen PV-Energie an der Gesamterzeugung Die Eigennutzung senkt den Anteil der verworfenen Energie deutlich. PV: 5 kwp Verbrauch: 2.8 MWh Direkteinspeisung Eigennutzung 15

16 Welchen Effekt hat Netzrückspeisung? Ohne Netzrückspeisung Mit Netzrückspeisung 45 % der Batteriekapazität 100 % der Batteriekapazität 16 Erst die Netzeinspeisung aus der Batterie ermöglicht die Ausnutzung der installierten Batteriekapazität größerer Speichersysteme!

17 Welche Netzspitze ist möglich? Max 2% der PV-Energie wird abgeregelt Mit max. 2% Abregelung kann eine Einspeisespitze zwischen 50% und 60% Generatorleistung eingehalten werden 17

18 Netzanalysen verwendeten Niederspannungsnetze Ländliches Netz Trafo: 160 kva Leitung: Al 150 mm 2 Max. PV-Leistung: 98 kwp Vorstadt Netz Trafo: 630 kva Leitung: Al 150 mm 2 Max. PV-Leistung: 510 kwp 18

19 Vorstädtisches Niederspannungsnetz Spannungshaltung bei Variation der Einspeiseleistungslimitierung Spannungsbandverletzung VDE-AR-N 4105 Referenzfall: PV 880 kwp à Verletzung Spannungskriterium Reduktion Einspeisespitze sorgt für Einhaltung Spannungsband. Netzspitzenoptimierter Batterieeinsatz erhöht Spannungen im Lastfall. 19

20 Landwirtschaftliches Niederspannungsnetz Spannungshaltung Referenzfall: PV: 131 kwp à Verletzung Spannungsband im Niederspannungsnetz Einspeisespitze 70%: kein Spannungsproblem Bereits ab 60% sind mit und ohne Batterie, hohe Abregelungsanteile zu erwarten. 20

21 Fazit BSW-Speicherstudie Beitrag zum Netzbetrieb Reduktion der Leistungsspitze durch PV-Batteriesysteme max. Leistung nahezu halbiert (bei 2% abgeregelter Energie) Verringerung der Transformatorauslastung (Last- und Einspeisefall) Verbesserung der Spannungshaltung Erhöhung der anschließbaren PV-Leistung um 40% im Niederspannungsnetz Notwendiger Netzausbau wird durch Batterieanlagen erheblich verringert 21

22 Projektbeispiel Energiemanagement»NET-PV«Netzmanagement von optimierten dezentralen PV-Batteriespeichersystemen im Niederspannungsnetz Ansatz: Netzgetriebene dezentrale Speicher entlasten die Verteilnetze Unsere Arbeiten: Geschäftsmodell: Potenzialstudie und Systemsimulation IKT in Gebäude und Verteilnetz Betriebsführung in Gebäude und Verteilnetz Testsystem im Labor 22

23 SmartEnergyLab Entwicklungslabor für intelligente Gebäudeenergiesysteme Simulation von unterschiedlichen»smart Home«- Typologien Inselnetzbetrieb, PV-, Solarthermie, Mikro-KWK und weitere Einspeisung (Hardware-in-the-Loop-Betrieb) Kombination von thermischen und elektrischen Systemen (Erzeuger, Speicher, Verbraucher) mit intelligenten Messsystemen Einbindung eines E-PKW als mobiler Verbraucher 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Dr.-Ing. Christof Wittwer 24