Steuerungen für PV und Wärmepumpe SG-Ready und mehr: Was können sie wirklich? Symposium "Solarenergie und Wärmepumpen" am

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1 Steuerungen für PV und Wärmepumpe SG-Ready und mehr: Was können sie wirklich? Markus Markstaler Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Institut für Energiesysteme Werdenbergstrasse 4 CH-9471 Buchs / SG Tel.nr +41 (81) markus.markstaler@ntb.ch Web: Symposium "Solarenergie und Wärmepumpen" am in Rapperswil 1

2 Inhalt Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Kenngrösse Eigenstromnutzung Ziel ist Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize: Z.B. verstärkter Einsatz vom Heizstab Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 2

3 Eigener Strom ist wirtschaftlich CHF 0.60 PV-Gestehungskosten Strompreis EV 45 % CHF 0.40 CHF 0.20 Zins 2% Dauer 25 Jahre Yield 1000 kwh/kwp EV: 5 Rp/kWh CHF

4 Wie kann mehr vom eigenen Strom genützt werden? Ausgleich zeitlich unterschiedlicher Produktion und Verbrauch Speicher Thermischer Speicher Trinkwasser Raumwärme zeitliche Verschiebung von Verbrauch Vernetzung Verbrauch wenn die Sonne scheint Bild: Bild: Photovoltaik Produktion Verbrauch Eigenverbrauch 4

5 Erfahrungsaustausch WP und PV in Zwischenwasser (A) Durch PV-Anlage erfolgt Visualisierung der Produktion Durch Wechsel von Volleinspeisung zu Eigenverbrauch (Überschusseinspeisung) erfolgt Visualisierung des Verbrauchs Eigenverbrauchs-Quote rückt ins Zentrum! PV AC Zähler Verbraucher AC kw h Hausnetz Öffentliches Netz 5

6 Inhalt Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Business Case weniger klar Kenngrösse Eigenstromnutzung Ziel ist Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize: Z.B. verstärkter Einsatz vom Heizstab Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 6

7 Weshalb ist ein Zusammenspiel notwendig? Erhöhung der Eigenverbrauchsquote und Autarkiegrad Eigenverbrauchsquote REV: R EV = W Pro W Ein W Pro = W Ver W Bez W Pro Sinnvolle Kennzahl? Autarkiegrad RA: RR AA = W Ver W Bez W Ver W Pro : Produzierte Energie W Ein : Eingespeiste Energie = W Pro W Ein W Ver W Bez : Netzbezogene Energie W Ver : Im Haushalt verbrauchte Energie Reduktion Stromverbrauch vom Netz (Netzbezug) 7

8 Inhalt Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Business Case weniger klar Kenngrösse Eigenstromnutzung Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize (Heizstab) Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 8

9 Beispiel zu den Grössenordnungen Wärmepumpe verbindet PV-Stromproduktion mit thermischer Energie. Annahme SW-WP Beispiel Einfamilienhaus (EFH) Neubau mit 6.5 kwp-pv-anlage und WP Heizbedarf kwh/a therm. (JAZ 3.5) Trinkwasser 160 Liter/Tag kwh/a therm. (JAZ 3.0) Haushaltsstrom 4 000kWh/a PV 6.5 kwp, 20, Süden kwh/a, Entwicklung Energiekennzahlen [kwh/m 2 ]

10 Tagesenergien elektrisch Klarer Wintertag: Trinkwasser: 2.5 kwh/tag Raumwärme: 15 kwh/tag PV-Produktion: kwh/tag 70% Eigenverbrauch 70 [kwh/tag] EFH Neubau mit 6.5 kwp-pv-anlage Trinkwasser (elektr.) Raumwärme (elektr.) PV-Prod. clear-sky PV-Prod. avg. Klarer Sommertag: Trinkwasser: 2.5 kwh/tag Raumwärme: - PV-Produktion: 54 kwh/tag 5% Eigenverbrauch Monat Heizbedarf Trinkwasser 160 Liter/Tag Haushaltsstrom PV 6.5 kwp, 20, Süden kwh/a therm kwh/a therm kWh/a kwh/a, 10

11 Speichergrösse mit Wasser Energieinhalt Trinkwasserspeicher 300 l: 14 kwh thermisch (50 C 10 C) Bei COP = 3: 4.6 kwh elektrisch. Davon Nachladung 20 %. 60 [kwh/tag] Bedarf Trinkwasser vergleichsweise gering zu 6.5 kwp-pv-anlage PV-Prod. clear-sky Monat Arpagaus C., Berthold M. & Eschmann M., Bericht «WP-Feldmessung». Wärmepumpen-Anlagen Jahresbericht

12 Speichergrösse mit Beton Energiebezugsfläche 180 m 2, Stärke Beton 10 cm. Bei Temperaturdifferenz 3 K: 27 kwh thermisch (stationär) Bei COP = 3: 9 kwh elektrisch. 60 [kwh/tag] Für Mehrtagesspeicher ist Gebäudemasse zu gering PV-Prod. clear-sky Monat PV kwh/a, 6.5 kwp, 20, Süden 12

13 Thema Gleichzeitigkeit für Bilanzierung Je grösser Bilanzierungszeitraum, desto grösser der Eigenverbrauch bzw. «Overlap» von Produktion und Verbrauch. Quelle: Sattler M., Bertsch S., Markstaler M., Kessler S., Sigrist D., Haller M.: Technologievergleich solare Brauchwarmwassererwärmung für Einfamilienhäuser. Schlussbericht Bundesamt für Energie BFE, Bern (CH) 13

14 Wie gross ist der optimale Speicher? Tagesspeicher oder Jahresspeicher Quelle: Sattler M., Bertsch S., Markstaler M., Kessler S., Sigrist D., Haller M.: Technologievergleich solare Brauchwarmwassererwärmung für Einfamilienhäuser. Schlussbericht Bundesamt für Energie BFE, Bern (CH) 14

15 Inhalt Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Business Case weniger klar Kenngrösse Eigenstromnutzung Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize (Heizstab) Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 15

16 Funktionsweise SG-Ready SG-Ready war für Smart Grid konzipiert, vorstellbar wir Rundsteuerung Diesbezüglich keine Anwendung in der Schweiz Funktionsweise für Eigenstromnutzung gut anwendbar: «Erhöhung Temperatur um mehr Energie zu speichern» Über zwei Kontakte können vier Zustände gesteuert werden: 1: EVU-Sperre / 2: Normalbetrieb 3: verstärkten Betrieb / 4: definitiven Anlaufbefehl pro Kelvin -2% Effizienz 16

17 Inhalt Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Business Case weniger klar Kenngrösse Eigenstromnutzung Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize (Heizstab) Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 17

18 Lastverschiebung Trinkwasser Mit Tagesspeicher kann innerhalb dem Tag disponiert werden. WP-Betrieb in den Tag verlegen. Bertsch S., Vetsch B., Gschwend A.: Warmwasserbereitstellung mittels Wärmepumpen in Mehrfamilienhäusern - Schlussbericht

19 Lastverschiebung Raumwärme 19 Markstaler M.: Photovoltaik für Ingenieure. Theorie und Anwendung für dezentrale Energiesystemberechnung mit Python. 2018

20 Weiteres Konzept Verlegung des Betriebs in den Tag Funktionalität kann in Wärmepumpe integriert werden unabhängig von der PV-Anlage Möglichkeiten sind u.a. gegeben durch: Sperrzeiten Hysteresis 20

21 Fazit Motivation für Eigenstrom Eigenstromnutzung lohnt sich Business Case weniger klar Kenngrösse Eigenstromnutzung Reduktion Netzbezug EV-Quote setzt falsche Anreize (Heizstab) Grössenordnung Energie gr. PV-Anlagen und kl. Wärmebedarf reduziert Optimierungspotential Tagesspeicher SG-Ready Keine Anwendungen bekannt Änderung der Kennlinie (Solltemperatur) Weiteres Konzept Betrieb in den Tag legen Intelligenz ist in der Wärmepumpe 21

22 Ausgleich zeitlich unterschiedlicher Produktion und Verbrauch in der Natur Speicherung Effizienz Überfluss 22