W i r t s c h a f t l i c h e E rg e b n i s s e

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1 PV-Batteriesysteme für den Eigenverbrauch von PV-Strom in Privathaushalten Sonnenenergie 24h nutzen ELIAP zeigt, was in der Lithium-Ionen- Technik steckt J O H N S I E V E R S, SEBASTIAN R A U T S C H K A, MANUELA G O T T S C H A L K PV-Batteriesysteme sind eine vielversprechende Technologie, um einen Großteil des Strombedarfs in Wohngebäuden zu decken. In einem Projekt namens ELIAP wurden Untersuchungen und Simulationen zur Entwicklung eines Lithium-Ionen-Batteriesystems angestellt. Das Projekt wurde vom IdE-Institut dezentrale Energietechnologien gemeinsam mit AKASOL, einem führenden Unternehmen auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Technologie für stationäre Anwendungen für ein 48V-Batterysystem durchgeführt. Die wesentlichen Ziele dieses Batteriesystems sind die maximale Deckung des eigenen Strombedarfs von Wohngebäuden sowie eine lange Lebensdauer. Die dafür maßgeblichen Anforderungen sind sowohl eine akzeptable Primärenergiebilanz (energetische Amortisation) über die gesamte Lebensdauer hinweg, d.h. während der Produktions-, Betriebs- und der Wiederaufbereitungsphase, und minimale Treibhausgasemissionen. Das Batteriesystem wurde speziell für Ein- und Zweifamilienhäuser entwickelt. Damit ist es laut dena (2012) deutschlandweit auf rund 15 Millionen Häuser anwendbar. PV-Systeme sind in Deutschland sehr verbreitet. Der Grund hierfür ist die Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes, das die Rahmenbedingungen so definiert, so dass PV-Systeme von Nutzern wirtschaftlich betrieben werden können. Der zunächst große Erfolg nach der Markteinführung von PV-Systemen ist auf die anfänglich hohen Einspeisevergütungen zurückzuführen. Schon seit einigen Jahren wurde die Netzparität für private Haushalte erreicht. Gleichzeitig ist die Einspeisevergütung gesunken, so dass der Strombezug sehr viel teurer ist als der kwh-preis für die PV-Einspeisung. Daher ist der Eigenverbrauch von PV- Strom sinnvoller als die Nutzung der Einspeisevergütung. Der Unterschied zwischen Einspeisevergütung und Eigenverbrauchwird immer größer, da die Einspeisevergütung für PV-Strom sinkt, während der Strompreis für die Konsumenten steigt. Diese Entwicklung schafft zunehmend wirtschaftlichere Bedingungen und einen immer größeren Anreiz für Batteriesysteme: Denn PV-Systeme können die Nachfrage nach Strom nur teilweise bedienen. Ein höherer Verbrauch von PV-Strom durch die Nutzung eines Batteriespeichers führt im Ergebnis zu höheren Einkünften. Aber wie hoch sind die Ausgaben für Batteriesysteme? Im Jahr 2012 fielen die Preise für Batteriesysteme (z.b. neeoqube) um 25% höher aus als Seit Juni 2013 bietet die Bundesregierung außerdem einen Anreiz, der die Investition in PV-Batteriesysteme mit bis zu 600 /kwp für neue PV-Systeme mit Kapazitäten unter 30 kwp unterstützt. Diese Entwicklung verändert die Wirtschaftlichkeit grundlegend. W i r t s c h a f t l i c h e E rg e b n i s s e Die grundsätzliche Idee des Projektes war die Entwicklung eines Batteriesystems, das einen deutlich höheren Eigenverbrauch von PV-Systemen erreicht. Die technischen Daten dieses Batteriesystems sind: Li-Ionen Batterie, Speichergröße 5,5 kwhel, Entladung (DOD) 80%, Effizienz 95%. Das Ergebnis der ökonomischen Untersuchung im 15

2 Jahr 2012 war, dass dieses PV-Batteriesystem trotz hoher Investitionskosten für Konsumenten eine sehr gute ökonomische Perspektive bietet. Die Aussicht auf einen steigenden Einkaufspreis für Strom aus dem Netz sowie sinkende Kosten für Elektronik und geringere Kosten für die Batterie selbst wird muss in naher Zukunft zu zunehmend profitableren Bedingungen für PV-Batteriesysteme führen. Die Entwicklung im Jahr 2013 hat bereits auf eindrucksvolle Weise gezeigt, dass sogar die Preise für das untersuchte System selbst erheblich gesunken sind. Eine wichtige Schlussfolgerung daraus ist, dass PV-Batteriesysteme für Wohngebäude nun empfehlenswert und nicht länger lediglich Systeme für Technologie-Begeisterte sind. Dank des konventionellen PV-Systems ist das PV- Batteriesystem wettbewerbsfähig geworden, auch wenn die Preise für die Batterie selbst nach wie vor sehr hoch sind. Te c h n i s c h e U n t e r s u c h u n g e n Eine der Fragen war, wie viel zusätzliche Energie in einem solchen System gespeichert werden kann. Aber auch, wie relevant der Produktionsprozess einer Batterie für den gesamten Lebenszyklus ist, gehörte zu den wichtigen Fragen. Wie stark beeinflusst er die energetische Amortisation eines PV- Systems und inwieweit wirkt er sich auf die Treibhausgasemissionen aus? G r u n d le g e n d e A n n a h m e n Als Ausgangsbasis für die Simulation wurde die Größe des PV-Systems auf 5 kwp mit einem jährlichen Ertrag von 950 kwh/kwp (PR 85%) festgelegt. Der jährliche Stromverbrauch des Haushalts beträgt 4000 kwhel. Zunächst mussten VDEW- Standardlastprofile für die Simulation eines Haushalts benutzt werden (hierbei handelt es sich tatsächlich um geglättete und aggregierte Lastprofile bestehend aus ca. 100 Haushalten). Ohne eine Batterie deckt die PV-Stromproduktion einen relativ geringen Teil der Nachfrage; überschüssige Energie wird ins Netz eingespeist und fehlende wird dem Netz entnommen. Die Nutzung einer Batterie ermöglicht zumindest die Speicherung eines Teils der überschüssigen Energie. Sie kann im Anschluss verwendet werden, um zumindest einen Teil des Strombedarfs zu bedienen, der sonst insbesondere abends und nachts dem Netz wieder entnommen werden müsste. Simulationsergebnisse (Leistungsund Energiebilanz) Ohne Speicher beträgt der Eigenverbrauch des PV- Stroms 1600 kwhel; mit Speicher steigt dieser auf 2600 kwhel. Der Anteil des Eigenverbrauchs (bei vollständiger PV-Stromerzeugung) steigt im definierten Standardfall um 22%, von 34% auf 56%. Die Erhöhung des Eigenverbrauchs für das definierte Standardsystem wird damit erfolgreich erreicht. Aber wie sieht dies unter realistischen Bedingungen aus, wenn die Konsumenten ihr individuelles Lastprofil haben? Um diese Frage zu beantworten, wurden gemessene Profile benutzt. Neben den Ergebnissen für ein Jahr, die zuvor beschrieben worden sind, wurden außerdem genauere Analysen für eine Woche mit hoher und eine Woche mit niedriger PV-Stromerzeugung betrachtet. Hierbei wurden die Ergebnisse für ein berufstätiges Paar ermittelt, das hauptsächlich tagsüber arbeitet 1 Person Vollzeit, 1 Person Halbzeit. Es wurden Lastprofile, PV-Erzeugung, Strombezug aus dem Netz und Einspeisung (jeweils mit und ohne Batteriespeicher) simuliert. Mit Hilfe der Simulationen wurde eine Analyse von Erzeugung, Verbrauch, Speicherung und Entladung durchgeführt. Ohne Batterie werden für ein Standardlastprofil (SLP) und für ein gemessenes Verbrauchsprofil meist sehr ähnliche Ergebnisse erreicht. Bei hoher Solarstrahlung und mit einem Batteriespeicher ist der Netzbezug für ein Standardlastprofil und für ein gemessenes Verbrauchsprofil ebenfalls sehr ähnlich und sehr gering. In einer Woche mit viel PV-Strom (Anfang September) wird ohne Speicher ca. 55% des Strombedarfs 16

3 durch das PV-System gedeckt und 90% mit Speicher, mit einem SLP. Beim gemessenen Verbrauchsprofil wird ohne Speicher 53% und mit Speicher 89% des Bedarfs über Photovoltaik gedeckt. Offensichtlich liefern beide Verbrauchsprofile sehr ähnliche Ergebnisse. In einer Woche mit relativ geringer PV-Stromerzeugung (mit etwa halb so viel Erzeugung in der Novemberwoche) liefern das SLP und das gemessene Profil recht unterschiedliche Ergebnisse: Ohne Speicher wird beim SLP 28% und beim gemessenen Verbrauchsprofil 20% Eigendeckungsanteil (Anteil des PV-Stroms am gesamten Stromverbrauch), während mit Batteriesystem 55% (SLP) und 50% (gemessen) erreicht wird. Der Grund für diese Differenz im Eigenverbrauch ist in diesem Fall der niedrigere Verbrauch des gemessenen Profils in der Zeit, in der die Bewohner an der Arbeit sind. Die Verbrauchsspitzen entstehen durch das Nutzerverhalten im Wesentlichen vor oder nachdem die PV-Stromerzeugung stattfindet. Die Differenz zwischen Standardlastprofilen und gemessenen Profilen änderte sich über das Jahr in Abhängigkeit vom tatsächlichen Bedarf und der PV-Stromerzeugung und wirkte sich besonders bei geringer Stromerzeugung aus. Weitere Untersuchungsergebnisse waren, dass Haushalte mit PV- Systemen und höherer Nennleistung unter den gleichen Bedingungen sehr ähnlich vom Batteriesystem profitieren, wie das beschriebene System. Bei höherem Verbrauch als im definierten Standardfall ist der Vorteil des PV-Batteriesystems über ein reines PV-System etwas niedriger. Das untersuchte Batteriesystem erfüllt das Ziel der Eigenverbrauchserhöhung in Einfamilienhäusern offensichtlich sehr gut. Ö k o lo g i s c h e E rg e b n i s s e Die in Deutschland geltenden Randbedingungen für PV-Batteriesysteme erlauben einen wirtschaftlichen Betrieb. Die technische Frage, inwieweit ein solches System zur Erhöhung des Eigenverbauchs von Haushalten beiträgt, konnte geklärt werden und das Ergebnis ist positiv: Es wird eine erhebliche Steigerung der Eigenverbrauchs erreicht. Welche Rolle spielt aber die Herstellung des Batteriesystems und wie sehr beeinflusst diese die Gesamtenergiebilanz und Treibhausgasbilanz über die Lebensdauer des jeweils untersuchten Systems? Die Energieaufwendungen, die in der gesamten Produktionskette eines Produkts entstehen, wurden zum Kumulierten Energie Aufwand (KEA) zusammengefasst. Dieser wurde in Primärenergie angegeben, d.h. der Aufwand für die Entnahme der Ressourcen aus der Erde wurden vollständig betrachtet und zusätzliche Aufwendungen wie Transporte, Maschinen, Gebäude, Prozessschritte wurden erfasst, soweit sie relevant für das Ergebnis waren. Analog wurden auch die gesamten CO2- und anderen Treibhausgasemissionen über die gesamte Prozesskette berücksichtigt. Ein wesentlicher Schritt zur Bilanzierung von PV- Batteriesystemen ist die Massenbilanz der verwendeten Materialien. Sie sind die Basis, um den KEA von nicht erneuerbaren Energien (KEAne, d.h. nur fossile und nukleare Energie) in der Produktion zu ermitteln. Der Projektpartner Akasol Engineering GmbH lieferte für die Batterie und das Gehäuse das folgende Ergebnis: Das dominierende Material des Batteriegehäuses (des neeoqube) ist Aluminium (21 kg). Die Batteriezellen bestehen aus Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan, Kohlenstoff und Elektrolyten. Das Gesamtgewicht beträgt 52 kg. Die Berechnungen liefern unter Verwendung der beiden größten Datenbanken für ökologische Lebenszyklusanalyse einen KEAne in der Größenordnung von kwhpe_ne für Zellen und Gehäuse. Das System erzeugt bei seiner Herstellung 370 kg CO 2 eq (Treibhausgasemissionen). Zusätzlich zu den Materialien, aus denen das System besteht, gibt es weitere Energieaufwendungen für Transport, Herstellung, Montage des Systems und die Produktion des Batteriemanagementsystems. Der KEAne liegt bei ca kwhpe_ne. und die Treibhausgasemissionen summieren sich auf 595 kg CO 2 eq. 17

4 Weitere wesentliche Fragen zur Bewertung waren: Wie relevant ist die Herstellung des Batteriesystems für den gesamten Lebenszyklus eines PV-Batteriesystems? Im Betrieb ist nahezu kein Energie- Input, sondern vor allem der Output, d.h. die Stromerzeugung der PV-Anlage maßgeblich. Dies führte zur Frage: Wie lange dauert es bis das System sich energetisch amortisiert hat? Wie hoch sind die Treibhausgasemissionen für das PV- und das PV-Batterie-System? Für die weitere Bewertung von PV- und PV-Batteriesystemen mit unterschiedlichen PV-Zellentypen und unterschiedlich guten Randbedingungen wurden ein best, ein worst case und ein Standardfall definiert, um die Bandbreite möglicher Resultate aufzuzeigen. Die wesentlichen Parameter sind Solarstrahlung, klimatische Randbedingungen, Ausrichtung der Anlage, PV-Zellentypen und Verluste des Systems. Abbildung 1 zeigt einerseits die Unterschiede zwischen PV- und PV-Batterie-Systemen und andererseits den Vergleich mit der konventionellen Stromerzeugung. PV und PV- Batteriesysteme erreichen sehr viel geringere Treibhausgasemissionen als die konventionelle Stromerzeugung. Dies gilt für 2010, aber auch für den Strommix wie er in 2030 mit einem sehr viel höheren Anteil erneuerbarer Energien, d.h. mit ca. 50%-Deckungsanteil am gesamten Stromverbrauch, sein könnte. Die Methode der energetischen Amortisation ist definiert als das Verhältnis des äquivalenten KEAne der Stromerzeugung vergleichen mit dem KEAne der Herstellung von PV- oder eben PV-Batteriesystemen. Der primärenergetische Input für die Herstellung des PV-Batteriesystems wurde aus den Massenbilanzen der Materialien, weiteren Inputs der Batterieherstellung und aus der Herstellung des PV-Systems bestimmt. Die erzeugte Strommenge ist die Summe dessen, was entweder im Haushalt verbraucht oder eingespeist wird. Der äquivalente KEAne für die PV-Stromerzeugung ist definiert als der Strom aus dem Stromnetz mit dem heutigen oder, für den Blick in die Zukunft, mit dem zukünftigen Kraftwerkspark Deutschlands. Abbildung 2 zeigt die Verbesserungen, die sich zwischen 2005 und 2010 für die energetische Amortisation ergeben haben. Ein herausragend gutes Ergebnis erreichten Dünnschichttechnologien (Abbildung 2, rechts). PV-Systeme haben etwas höheren KEAne als PV-Batteriesysteme (rote Punkte). Analog zu den Verbesserungen beim KEAne sind auch die Treibhausgasemissionen von PV-Systemen zwischen 2005 und 2010 reduziert worden und selbst unter ungünstigen Umständen sind die Emissionen von PV-Batteriesystemen nur etwas höher als diejenigen von PV-Systemen. Daher können Systeme mit Batterie aus Sicht der Abbildung 1: Comparison of green house gas emissions of PV and PV-battery-systems with power 18

5 Abbildung 2: primary energetic amortisation (comparison of data sets) energetischen Amortisation und der Treibhausgasbilanz empfohlen werden. Z u s a m m e n f a s s u n g Lithium-Ionen-Batterien können erheblich höhere Eigenverbrauchsanteile von PV-Strom in Haushalten erreichen. PV-Batterie-Systeme zur Erhöhung des Eigenverbrauchs erreichen in Deutschland für Einfamilienhäuser bereits die Wirtschaftlichkeit, wenn über die gesamte Lebensdauer gerechnet und ein weiterer zumindest moderater Anstieg des Strompreises unterstellt wird. Die Batterien selbst sind immer noch teuer, aber niedrige Stromgestehungskosten der PV-Anlagen einerseits und der gesteigerte Eigenverbrauchsanteil sind die Gründe für zunehmend wirtschaftlichere Betriebsaussichten des Batteriesystems. Der Strombezugspreis steigt seit Jahren sehr kontinuierlich, so dass sich die Randbedingungen für das System innerhalb der Lebensdauer weiter verbessern. Die energetische Amortisation von PV-Systemen hat sich in den letzten 10 Jahren ebenfalls deutlich verbessert, wenn man hierfür die ökologischen Lebenszyklusdaten, der führenden Datenbanken zugrundegelegt. Batterien als Teil des PV-Batteriesystems verändern diese Bilanz der energetischen Amortisation nur leicht. PV- und PV-Batteriesysteme zeigen sowohl hinsichtlich des kumulierten Energieaufwands als auch hinsichtlich der Treibhausgasemissionen nur geringe Unterschiede. Vor drei oder vier Jahren (2010), war die Perspektive für PV-Batterie- Systeme sehr viel schlechter als heute (2014). Ein großer Beitrag von Lithium-Ionen-Batterien für ein hochgradig erneuerbares Energiesystem in Deutschland scheint mittlerweile sehr realistisch. Das Projekt ELIAP wurde durch das hessische Wirtschaftsministerium finanziert. Gedankt wird Frau Kirsch, Rainer Kaps, Björn Eberleh, Oliver Führer, Katharina Schenk, Ivonne Müller, Caroline Enders und Pia Buschmann für ihre Beiträge zum Projekt und zu den Veröffentlichungen. Dr.-Ing. John Sievers (Referent auf der IRES), Sebastian Rautschka, Manuela Gottschalk, IdE Institut dezentrale Energietechnologien Kontakt: J.Sievers@ide-Kassel.de 19