Vorteile und Praxisprobleme bei Speichersystemen für Photovoltaikanlagen

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1 Vorteile und Praxisprobleme bei Speichersystemen für Photovoltaikanlagen Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Joseph Bergner, Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin Workshop DSC: Solarbetreiber - eine starke Gemeinschaft Praxistipps für Photovoltaik-Nutzer 12. Juni 2015, ICM Internationales Congress Center München

2 Energieflüsse von PV-Speichersystemen Last Photovoltaiksystem Batteriespeicher Direktverbrauch Batterieladung Netzeinspeisung Batterieentladung Netzbezug Netz 2

3 Einflüsse auf die energetische Bewertung Systemtechnik Simulation PV-Leistung Speicherkapazität Speicherleistung Batterietechnologie Ladeverfahren Systemtopologie Zeitschrittweite Batteriemodell PV-Generatormodell Wechselrichtermodell Systemverlustannahmen 3

4 PV-System ohne Speicher = = = MPPT AC DC Verbraucher Netz kwh Photovoltaikmodule Wechselrichter Zweirichtungszähler 4

5 PV-Speichersystem mit Generator-Kopplung module Laderegler = BAT BAT= = = = = MPPT AC DC Regelung Verbraucher Netz kwh Wechselrichter Batteriespeicher Zweirichtungszähler 5

6 PV-Speichersystem mit DC-Kopplung MPP- Tracker = = MPPT Regelung = = BAT BAT Wechselrichter = AC DC Laderegler Netztrennstelle Verbraucher Netz kwh Photovoltaikmodule Batteriespeicher Zweirichtungszähler 6

7 PV-Speichersystem mit AC-Kopplung Photovoltaikmodule Wechselrichter = = = MPPT AC DC Regelung = = = BAT AC DC Netztrennstelle Verbraucher Netz kwh Laderegler und Wechselrichter Batteriespeicher Zweirichtungszähler 7

8 Energetische Bewertung von PV-Speichersystemen Eigenverbrauchsanteil 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Direktverbrauch Batterieladung Netzeinspeisung 30% 29% 70% 41% 8 PV-Leistung 4 kwp, nutzbare Speicherkapazität 4 kwh, jährlicher Haushaltsstrombedarf 4 MWh

9 Energetische Bewertung von PV-Speichersystemen Autarkiegrad 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 30% 26% 70% 44% Direktverbrauch Batterieentladung Netzbezug 9 PV-Leistung 4 kwp, nutzbare Speicherkapazität 4 kwh, jährlicher Haushaltsstrombedarf 4 MWh

10 PV-Leistung in kwp nutzbare Speicherkapazität in kwh Normierung der Größe von PV-Speichersystemen Jahresstrombedarf in MWh ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh PV-Leistung in kwp/mwh

11 Energetische Systemdimensionierung 2,5 Eigenverbrauchsanteil 100% nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,0 1,5 1,0 0,5 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh 0% 11 Abschätzung für Einfamilienhaushalte durch Normierung auf den Jahresstrombedarf in MWh

12 Energetische Systemdimensionierung nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 30% 40% 50% Autarkiegrad 60% 70% 80% 20% 10% 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 12 Abschätzung für Einfamilienhaushalte durch Normierung auf den Jahresstrombedarf in MWh

13 Energetische Systemdimensionierung nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 30% 40% 50% Autarkiegrad 60% 70% 80% 20% 10% 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 13 Abschätzung für Einfamilienhaushalte durch Normierung auf den Jahresstrombedarf in MWh

14 Online-Tool zur Systemdimensionierung 14

15 Betriebsstrategien für PV-Speichersysteme Speicherung Netzeinspeisung Abregelung Einspeisegrenze Feste Einspeisebegrenzung durch Abregelung Feste Einspeisebegrenzung Dynamische Einspeisebegrenzung Eigenversorgungsopt. Netzoptimiert Prognosebasiert 15

16 jahresmittlere Abregelungsverluste Einfluss der Betriebsstrategie auf die Abregelung 80% 70% 60% PV-System ohne Eigenverbrauch PV-System mit Eigenverbrauch PV-Speicher mit fester Einspeisegrenze durch Abregelung PV-Speicher mit dynamischer Einspeisegrenze 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 maximale Einspeiseleistung in kw/kwp 16 PV-Leistung 5 kwp, nutzbare Speicherkapazität 5 kwh, Strombedarf 5,3 MWh/a

17 jahresmittlere Abregelungsverluste Einfluss der Betriebsstrategie auf die Abregelung 80% 70% 60% PV-System ohne Eigenverbrauch PV-System mit Eigenverbrauch PV-Speicher mit fester Einspeisegrenze durch Abregelung PV-Speicher mit dynamischer Einspeisegrenze 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 maximale Einspeiseleistung in kw/kwp 17 PV-Leistung 5 kwp, nutzbare Speicherkapazität 5 kwh, Strombedarf 5,3 MWh/a

18 jahresmittlere Abregelungsverluste Einfluss der Betriebsstrategie auf die Abregelung 80% 70% 60% PV-System ohne Eigenverbrauch PV-System mit Eigenverbrauch PV-Speicher mit fester Einspeisegrenze durch Abregelung PV-Speicher mit dynamischer Einspeisegrenze 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 maximale Einspeiseleistung in kw/kwp 18 PV-Leistung 5 kwp, nutzbare Speicherkapazität 5 kwh, Strombedarf 5,3 MWh/a

19 jahresmittlere Abregelungsverluste Einfluss der Betriebsstrategie auf die Abregelung 80% 70% 60% PV-System ohne Eigenverbrauch PV-System mit Eigenverbrauch PV-Speicher mit fester Einspeisegrenze durch Abregelung PV-Speicher mit dynamischer Einspeisegrenze 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 maximale Einspeiseleistung in kw/kwp 19 PV-Leistung 5 kwp, nutzbare Speicherkapazität 5 kwh, Strombedarf 5,3 MWh/a

20 Systemdimensionierung zur Einspeisebegrenzung nutzbare Speicherkapazität in kwh/kwp 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 jährliche Abregelungsverluste 0% 1% 2,5% 5% 7,5% 10% 15% 20% 25% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% Speicherung Netzeinspeisung Abregelung Einspeisegrenze 0,0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 max. Einspeiseleistung in kw/kwp 0% 20 kein Eigenverbrauch durch die Last am Tag sowie vollständige Speicherentladung in der Nacht

21 Mismatchverluste durch Regelträgheiten Last Photovoltaiksystem Batteriespeicher Mehr Infos in Heft 02/2015 Netz Direktverbrauch Batterieladung Netzeinspeisung Batterieentladung Netzbezug Batterieeinspeisung Netzladung 21

22 Zwischenfazit Systemtechnik & Auslegung Kompromiss zwischen hohem Eigenverbrauchsanteil und hohem Autarkiegrad erforderlich. Die Speichergröße sollte auf die PV-Leistung und auf den Strombedarf abgestimmt werden. Für hohe Autarkiegrade ist eine nutzbare Speicherkapazität von 1 kwh/kwp sinnvoll. Um zukünftig Abregelungsverluste zu vermeiden, sind Mindestspeichergrößen und prognosebasierte Betriebsstrategien erforderlich. Darüber hinaus sollten Endkunden und Hersteller größeren Fokus auf Regelträgheiten und Standby-Verbräuche von Solarstromspeichern legen. 22

23 Einflüsse auf energetische Bewertung Systemtechnik Simulation PV-Leistung Speicherkapazität Speicherleistung Batterietechnologie Ladeverfahren Systemtopologie Zeitschrittweite Batteriemodell PV-Generatormodell Wechselrichtermodell Systemverlustannahmen PV-Erzeugungsprofil Lastprofil Jährliche Bestrahlung PV-Generatorausrichtung PV-Generatorneigung Standort Verschattung Zukünftige Entwicklung Jahresstrombedarf Haushaltstyp Haushaltsgröße Nutzerverhalten Geräteausstattung Zukünftige Entwicklung 23

24 Autarkiegrad und Eigenverbrauchsanteil Einfluss der Anlagenstandortes 60% Eigenverbrauchsanteil 58% Autarkiegrad 56% 54% 52% 50% PV-Jahresertrag in kwh/kwp 24 Systemgröße: PV-Leistung 1 kwp/mwh, nutzbare Speicherkapazität 1 kwh/mwh Datengrundlage: minütliche Klimadaten vom 23 DWD Standorten

25 wöchentlicher/jährlicher Strombedarf Jahreszeitliche Variation des Stromverbrauchs 6% 5% 4% Standardlastprofil Mittelwert aller Haushalte Haushalt mit Klimaanlage Haushalt mit Wärmepumpe 3% 2% 1% 0% Woche des Jahres 25 Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

26 viertelstündlicher/täglicher Strombedarf Tageszeitliche Variation des Stromverbrauchs 6% 5% 4% Standardlastprofil Mittelwert aller Haushalte nachtaktiver Haushalt tagaktiver Haushalt 3% 2% 1% 0% Stunde des Tages 26 Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

27 Stunde des des Tages Tages Charakterisierung von Lastprofilen Sommeranteil Nachtanteil Tag des Jahres 27

28 Einfluss auf die energetische Bewertung 60% 55% 50% 55% Sommeranteil 45% 40% 35% 50% Autarkiegrad 30% 45% 25% 35% 40% 45% 50% 55% 60% Nachtanteil 40% 28 Systemgröße: PV-Leistung 1 kwp/mwh, nutzbare Speicherkapazität 1 kwh/mwh Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

29 Autarkiegrad Autarkiegrad Einfluss der Ausrichtung und Neigung 70% horizontal Haushalt mit Klimaanlage vertikal Ost Süd West 70% nachtaktiver Haushalt 65% Haushalt mit Wärmepumpe 65% tagaktiver Haushalt 60% 60% 55% 55% 50% 50% 45% 45% 40% Neigung 40% Ausrichtung 29 Systemgröße: PV-Leistung 1 kwp/mwh, nutzbare Speicherkapazität 1 kwh/mwh Datengrundlage: minütliche Klimadaten vom 23 DWD Standorten

30 Einfluss der Ausrichtungsänderung Neigung Ost Süd West % 52% 53% 54% 55% Ausrichtung 56% 55% 54% 53% 52% 51% 50% 49% 48% 47% 46% 45% 44% Autarkiegrad 30 Systemgröße: PV-Leistung 1 kwp/mwh, nutzbare Speicherkapazität 1 kwh/mwh Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

31 Einfluss der Ausrichtungsänderung Neigung Ost Süd West % 52% 53% 54% 55% Optimum Ausrichtung 56% 55% 54% 53% 52% 51% 50% 49% 48% 47% 46% 45% 44% Autarkiegrad 31 Systemgröße: PV-Leistung 1 kwp/mwh, nutzbare Speicherkapazität 1 kwh/mwh Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

32 Zwischenfazit Individuelle Einflussgrößen Der jahres- und tageszeitliche Verlauf des Strombedarfs lässt sich durch den Sommer- und Nachanteil charakterisieren. Je höher der Sommer- und je geringer der Nachanteil, desto höher der erreichbare Autarkiegrad. Der Einfluss des individuellen Lastprofils ist in der Praxis größer als der Einfluss der Ausrichtung und Neigung Die Referenzergebnisse des Unabhängigkeitsrechners stimmen gut mit dem Mittelwert einer Vielzahl repräsentativer Haushalte überein. 32

33 Ökonomische Bewertung von PV-Speichersystemen PV-System Investitionskosten Betriebskosten Finanzierungskosten Batteriesystem Investitionskosten Betriebskosten Finanzierungskosten Ausgaben für den Netzbezug Einnahmen aus der Netzeinspeisung + + l mittlere Stromkosten ct/kwh Wirtschaftlichkeitsgrenze bei mittleren Strombezugskosten von 34 ct/kwh 33

34 Einfluss der Speichergröße und -kosten 2,5 kwh 5 kwh nutzbare Speicherkapazität nutzbare Speicherkapazität 2500 mittlere Stromkosten in ct/kwh mittlere Stromkosten in ct/kwh Batteriesystempreis in /kwh Wirtschaftlichkeitsgrenze Batteriesystempreis in /kwh Wirtschaftlichkeitsgrenze PV-Systempreis in /kwp PV-Systempreis in /kwp PV-Leistung 5 kwp, jährlicher Haushaltsstrombedarf 5 MWh Einspeisevergütung 12 ct/kwh, Strombezug 34 Cent/kWh, Zins 4%, Betrachtung 20 Jahre

35 35 Kostenoptimale Systemdimensionierung 2014 kurzfristig mittelfristig langfristig heute mittlere Stromkosten in ct/kwh 2,5 50 nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 28,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh PV-Kosten 1800 /kwp, Speicherkosten 3000 /kwh, Einspeisevergütung 15 ct/kwh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kwh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 % Kostenoptimum Wirtschaftlichkeitsgrenze

36 36 Kostenoptimale Systemdimensionierung 2014 kurzfristig mittelfristig langfristig kurzfristig heute mittlere Stromkosten in ct/kwh 2,5 50 nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 29,0 28,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh PV-Kosten /kwp, Speicherkosten /kwh, Einspeisevergütung ct/kwh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kwh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 % Kostenoptimum Wirtschaftlichkeitsgrenze

37 37 Kostenoptimale Systemdimensionierung 2014 kurzfristig mittelfristig kurzfristig heute mittelfristig langfristig 2,5 mittlere Stromkosten in ct/kwh , ,5 38 nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 1,0 0,5 0,0 29,5 29,0 28,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh PV-Kosten /kwp, Speicherkosten /kwh, Einspeisevergütung ct/kwh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kwh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 % Kostenoptimum Wirtschaftlichkeitsgrenze

38 38 Kostenoptimale Systemdimensionierung 2014 kurzfristig mittelfristig kurzfristig langfristig heute mittelfristig langfristig 2,5 mittlere Stromkosten in ct/kwh , ,5 38 nutzbare Speicherkapazität in kwh/mwh 28,1 1,0 0,5 0,0 29,5 29,0 28,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kwp/mwh PV-Kosten /kwp, Speicherkosten /kwh, Einspeisevergütung ct/kwh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kwh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 % Kostenoptimum Wirtschaftlichkeitsgrenze

39 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 39 pvspeicher.htw-berlin.de/solarspeicherstudie/

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