Offenes Simulationsmodell für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme

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1 Offenes Simulationsmodell für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Volker Quaschning Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin Christian Messner (AIT), Michael Knoop und Matthias Littwin (ISFH) Hauke Loges (elenia), Kai-Philipp Kairies und David Haberschusz (ISEA) 32. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Kloster Banz, Bad Staffelstein, März 2017

2 Systemkomponenten und Energiewandlungspfade AC-gekoppelte Systeme PV-Generator Batteriespeicher PV BAT MPP-Tracker Laderegler PV2AC AC2BAT Wechselrichter AC AC Umrichter AC AC Last Netz 2

3 Systemkomponenten und Energiewandlungspfade AC-gekoppelte Systeme PV-Generator Batteriespeicher PV BAT MPP-Tracker Laderegler PV2AC AC2BAT Wechselrichter AC AC Umrichter AC AC Last Netz 3

4 Systemkomponenten und Energiewandlungspfade -gekoppelte AC-gekoppelte Systeme PV-Generator Batteriespeicher PV PV2BAT BAT MPP-Tracker Laderegler PV PV 2AC 2 AC2BAT Wechselrichter Umrichter AC AC2BAT (optional) AC Umrichter AC AC AC Last Netz 4

5 Systemkomponenten und Energiewandlungspfade PV-Generatorgekoppelte Systeme PV-Generator Wechselrichter Batteriespeicher PV BAT MPP-Tracker Laderegler PV2AC AC PV2BAT AC Last Netz 5

6 Verlustmechanismen in PV-Batteriesystemen Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen Bereitschaftsverluste Dimensionierungsverluste Umwandlungsverluste Energiemanagementverluste Regelungsverluste Eigenschaften, die Abweichungen gegenüber dem idealen, verlustfreien Systemverhalten hervorrufen. Systemverluste führen in der Regel zum Anstieg des Netzbezugs oder zur Reduktion der Netzeinspeisung. Klassifizierung der Verlustmechanismen in fünf Kategorien. 6

7 Status Quo: Wirkungsgradangaben der Hersteller 7 Quelle: Hersteller

8 Ausschau nach dem Effizienzlabel 5 AG Speicherperformance 8

9 Ausschau nach dem Effizienzlabel 5 Label AG Speicherperformance Hersteller, Institute, Hochschulen seit 2015 in einem Boot 9

10 Ausschau nach dem Effizienzlabel 5 AG Speicherperformance Label Hersteller, Institute, Hochschulen seit 2015 in einem Boot 10

11 Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit 5 Label 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben 1 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Status quo 11 Fehlende Messstandards Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte Mangelende Transparenz der Effizienzangaben Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

12 Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit 5 Label 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben Prüfleitfaden für alle Topologien AC-gekoppelt -gekoppelt PV-Generatorgekoppelt Status quo 1 12 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Fehlende Messstandards Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte Mangelende Transparenz der Effizienzangaben Großes Effizienz-Optimierungspotenzial Ermittlung von Effizienzparametern Wirkungsgrade Bereitschaftsverluste Regelungseffizienz Veröffentlichung am auf der Energy Storage durch den BVES und BSW

13 Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit 5 Label Datenblatt 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben Prüfberichte als Grundlage für weitere Schritte Status quo 1 13 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Fehlende Messstandards Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte Mangelende Transparenz der Effizienzangaben Großes Effizienz-Optimierungspotenzial Prüfergebnisse Nennleistung Speicherkapazität Auslastungsabhängige Wirkungsgrade Bereitschaftsverluste der Systemkomponenten Regelgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit Diskussion der Vorschläge zum den Datenblattangaben am Kontakt: BVES

14 Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit 5 Label 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben Prüfberichte als Grundlage für Simulationsprogramme Status quo 1 14 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Fehlende Messstandards Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte Mangelende Transparenz der Effizienzangaben Großes Effizienz-Optimierungspotenzial Ziel des Simulationstests Vergleich der Systemperformance verschiedener Produkte unter identischen Bedingungen Werkzeug zur Produkt- und Systementwicklung

15 Vorstellung des Simulationsmodells PerMod AC Performance-Simulationsmodell für AC-gekoppelte PV- Batteriesysteme (PerModAC). Matlab-Programmcode inkl. Eingangsdatensatz zur Simulation der Energieflüsse in einsekündiger Auflösung. Parametrierung des Modells auf Basis von Labormessungen nach dem Effizienzleitfaden. Modellansatz: So einfach wie möglich, so komplex wie nötig. Frei verfügbar: 15

16 Validierung durch Labormessungen Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte. Christian Messner Kai-Philipp Kairies David Haberschusz Michael Knoop Matthias Littwin Hauke Loges 16

17 Validierung durch Labormessungen Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte. Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV- Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s. Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen) Christian Messner Kai-Philipp Kairies David Haberschusz Michael Knoop Matthias Littwin Hauke Loges 17

18 Validierung durch Labormessungen Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte. Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV- Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s. Simulation des Systems mit den gleichen Eingangsdaten und anschließender Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse. Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen) AC-Batterieleistung (simuliert) Christian Messner Kai-Philipp Kairies David Haberschusz Michael Knoop Matthias Littwin Hauke Loges 18

19 Validierung anhand des AC-Systemnutzungsgrad AC Systemnutzunggrad = AC Batterieentladung AC Batterieladung 19

20 Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit 5 Label 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben 1 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Status quo 20 Fehlende Messstandards Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte Mangelende Transparenz der Effizienzangaben Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

21 Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3 21 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh

22 Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3 22 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh

23 Einführung des System Performance Index (SPI) Jährliche Stromkosten ohne PV-System und Batteriespeicher = 1403 /a 23 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh, Vergütung 12 ct/kwh, Bezugspreis 28 ct/kwh

24 Einführung des System Performance Index (SPI) Jährliche Stromkosten ohne PV-System und Batteriespeicher = 1403 /a 24 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh, Vergütung 12 ct/kwh, Bezugspreis 28 ct/kwh

25 Einführung des System Performance Index (SPI) Jährliche Stromkosten ohne PV-System und Batteriespeicher = 1403 /a SPI = Kosteneinsparung des realen Systems Kosteneinsparung des idealen Systems 25 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh, Vergütung 12 ct/kwh, Bezugspreis 28 ct/kwh

26 Einführung des System Performance Index (SPI) SPI = Kosteneinsparung des realen Systems Kosteneinsparung des idealen Systems 26 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh, Vergütung 12 ct/kwh, Bezugspreis 28 ct/kwh

27 836 /a Einführung des System Performance Index (SPI) 97 /a Reales PV-System ohne Batteriespeicher 77,8% SPI = Kosteneinsparung des realen Systems Kosteneinsparung des idealen Systems 27 PV-Leistung 5 kwp, Verbrauch 5010 kwh/a, Kapazität 3,7 kwh, Vergütung 12 ct/kwh, Bezugspreis 28 ct/kwh

28 Schlussfolgerungen Der Effizienzleitfaden für PV-Batteriespeicher stellt eine bedeutende Grundlage für die Bestimmung von Effizienzparametern für Datenblattangaben und Simulationsmodelle dar. Der Anspruch eines umfassenden, anwendungsbezogenen Vergleichs von PV-Batteriesystemen bei gleichzeitig geringem zeitlichen und finanziellen Aufwand kann am besten durch Simulationen erfüllt werden. Das PerModAC-Modell ermöglicht eine genaue Abbildung der Realität und kann zusammen mit der Community als Open Source Modell weiterentwickelt werden. Wichtigste Weiterentwicklung ist die Anpassung und Validierung des Modells für PV-Generator- und -gekoppelte Systeme. Mit dem vorgestellten System Performance Index (SPI) können mittelfristig Speichersysteme aller Topologien anwendungsbezogen technisch sowie ökonomisch miteinander verglichen werden. Damit ist der SPI eine geeignete Grundlage für Marktübersichten und ein einheitliches sowie verständliches Effizienzlabel. 28

29 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ein großer Dank an die Verbände und den Fördermittelgeber / Projektträger 29 pvspeicher.htw-berlin.de

30 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 30 pvspeicher.htw-berlin.de