PV-Speicher-Systeme für Eigenstromverbrauch in Haushalten

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1 PV-Speicher-Systeme für Eigenstromverbrauch in Haushalten Zurzeit ist für die stationäre Speicherung von elektrischer Energie die Bleibatterie State of the Art. Durch seine höhere Zyklenfestigkeit und somit auch längere Lebensdauer ist der Lithium-Ionen- Akkumulator für die Eigenstromspeicherung in Haushalten eigentlich viel besser geeignet. In einem vom Land Hessen geförderten Projekt wird ein 48V-Batteriesystem für stationäre Anwendungen in einem Feldtest untersucht. Wesentliche technische Ziele und Erwartungen an das System sind: eine hohe Deckung des eigenen Strombedarfs des Nutzers eine hohe Effizienz eine lange Lebensdauer. Vor dem Hintergrund der veränderten Verläufe der Einspeisung und des Netzbezugs durch die Speichernutzung werden die Wirtschaftlichkeit und die Veränderung des Netzbezugs betrachtet. Zur ökonomischen Bewertung werden Rentabilität Amortisationsdauer und Investitionskosten analysiert. In einer abschließenden ökologischen Betrachtung erfolgt für das Gesamtprodukt eine Treibhausgas- und Gesamtenergiebilanzierung. Zur Vorbereitung des Feldtests wurden Fragestellungen zur Veränderung des Netzbezugs und zur Wirtschaftlichkeit mit einer Simulation bearbeitet. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse vorgestellt. Grundlegende Annahmen In der Simulation wurde ein Einfamilienhaus mit einem Jahresverbrauch von 3,5 MWh und einer 5 kwp-anlage betrachtet. Im Fokus stand die Ermittlung der Eigenbedarfsdeckung mit und ohne Verwendung eines Batteriespeichers. Als Datengrundlage zu den Verbräuchen des Haushaltes und der Erzeugung der PV-Anlage wurde das dynamisierte Standartlastprofil des VDEW und vorhandene PV-Erzeugungsprofile des Jahres 2012 verwendet. Aus der Kombination beider Verläufe wurden die speicherbare Energie, der Eigenverbrauch und der Einspeiseverlauf des Haushalts bestimmt. Diese bildeten weiterhin die Basis für die Wirtschaftlichkeitsberechnung, bei der unterschiedliche Szenarien der Kostenentwicklungen angenommen, sowie Minimal- und Maximalpreise bestimmt wurden. Bei den Kostenentwicklungen wurden Inflationseffekte berücksichtigt. Es wurden folgende Parameter verwendet: Haushalt: Jahresverbrauch 3500 kwh Strompreis im Basisjahr: 21 bis max. 25 Cent/kWh

2 Strompreiserhöhung zwischen 3% und 5% PV-Anlage: Anlagengröße 5 kwp / bei 950 kwh/kwp Installationskosten im Basisjahr: 1700 bis max /kwp Laufende Kosten jährlich zwischen 1% und 2% der gesamten Installationskosten Preisdegression für PV-Anlagen zwischen 4% und 9% Speichersystem: Speichergröße 5,5 kwh/ DOD 80%/ Li-Ionen Gespeicherte Energie während der Lebensdauer kwh Gesamtkosten (Batteriespeicher, Laderegler, Energiemanagement) im Basisjahr: Preisdegression für Speichersysteme zwischen 1,5% und 9% Einspeisung und Netzbezug Durch die getroffenen Annahmen erhöht sich der Eigenverbrauch um 57%, bei einem jährlichen Verbrauch von ca. 878 kwh zwischengespeicherter Energie. D.h. es wird an 313 Tagen Energie gespeichert, wobei lediglich an 68 Tagen die volle Kapazität des Speichers genutzt werden kann. Verlauf der Einspeisung Der Vergleich der Verläufe der Einspeisung mit und ohne Speicher hat gezeigt, dass sich bei Verwendung des Speichers der Beginn der Einspeisung nach hinten verschiebt und die durchschnittliche Steigung bis zu Tageshöchstwert erhöht. Wieweit der Einspeisungsbeginn verschoben wird ist abhängig von der Sonneneinstrahlung an den jeweiligen Tag. An Tagen mit sehr geringer Einstrahlung verschiebt sich der Beginn auf einen anderen Tag, da die Energie vollständig gespeichert wird. Bei hoher Einstrahlung wird der Speicher bereits in den Vormittagsstunden vollständig geladen, es findet also lediglich eine geringe Verschiebung statt. Für die täglich eingespeiste Energie ergeben sich dadurch Werte zwischen 0% und bis zu 75% der erzeugten Energie. Die Verringerung der jährlichen eingespeisten Energie führt dennoch nicht zur Minderung der Einspeisespitzenwerte. Diese treten hauptsächlich während der Sommermonate auf, in derselben Zeit werden auch bei Speichernutzung die meiste Energie eingespeist. Insgesamt bleiben diese Spitzenwerte somit erhalten, obwohl der Speicher mehr Energie aufnimmt als in den Wintermonaten. Verlauf des Netzbezugs Durch die PV-Anlage mit und ohne Speicher verändert sich der Netzbezug und es entsteht der höchste Strombezug am Morgen und am Abend. Dabei liegen die Werte im Sommer deutlich niedriger als in den Wintermonaten, da ein größerer Anteil an PV-Energie genutzt wird. Die Speicherung beeinflusst den Netzbezug stark. Durch Erhöhung des Eigenverbrauchs, besonders in den Sommermonaten, wird dieser insgesamt verringert. Bei vollständiger Ladung des Speichers, wird an einigen Tagen keine Energie aus dem Netz bezogen, sondern der Bedarf durch Verbrauch der gespeicherten Energie und Direktverbrauch aus der PV-Anlage gedeckt. Bei geringem Stromverbrauch ist es sogar möglich bis zum nächsten Morgen den eigenen Strombedarf mit der

3 gespeicherten Energie zu decken. Im weiteren Verlauf des Jahres wird mit der gespeicherten Energie teilweise der Strombedarf während der Abendstunden gedeckt, da der Speicher nur zu einem bestimmten Teil geladen werden konnte. In diesem Fall erfolgt nach Entladung der Bezug von Energie aus dem Netz. Wirtschaftlichkeit Zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit werden die beschriebenen grundlegenden Annahmen verwendet, um Szenarien für die Kostenentwicklung zu bilden. Die sich daraus ableitenden Anlagenpreise der jeweiligen Jahre erreichen zwischen 2025 und 2030 angenommene Grenzkosten von 500 /kwp für die PV-Anlage und 5500 für das Batteriesystem. Ab dem Erreichen der Grenzkosten wird für die Simulation keine weitere Kostendegression angenommen. Für die Strompreise wurde keine Grenze definiert. Unter Berücksichtigung des ermittelten Eigenverbrauchs und des Netzbezugs wurden mit den Strom-und Anlagenkosten die spezifischen Kosten pro kwh und die Gesamtstromversorgungsbilanz berechnet. Spezifische Kostenentwicklung In der Simulation wurden vier Kostenarten unterschieden: Gestehungskosten: Kosten pro erzeugter kwh Gesamtgestehungskosten: Gestehungskosten mit Berücksichtigung der Speicherkosten Durchschnittskosten der eigenverbrauchten Energie: Kosten für jede eigenverbrauchte kwh Strompreis: Prognostizierte Strompreisentwicklung Die wahrscheinliche Entwicklung zeigt, dass die Kosten je erzeugter, bzw. eigenverbrauchter Energie, im Gegensatz zu den Strompreisen in den nächsten Jahren weiterhin sinken werden. Die Kostenkurven haben unterschiedliche Gefälle. Während die Durchschnittskosten des Eigenverbrauchs zum Teil sehr stark fallen und somit den größten Kostenkorridor aufspannen, verringern sich die Gesamtgestehungskosten und die Gestehungskosten weniger stark und gleichmäßiger. Die Gestehungskosten befinden sich bereits heute unterhalb der Strompreise, während die Gesamtgestehungskosten dies erst in den nächsten Jahren schneiden werden. Die Durchschnittskosten der eigenverbrauchten Energie werden voraussichtlich stark fallen und in den nächsten acht Jahren mit den Strompreisen gleichziehen. Die Kosten, außer den Stromkosten, werden sich ab 2025 Großteils überschneiden, sodass der anfangs große Unterschied zwischen Gestehungskosten und Durchschnittskosten der eigenverbrauchten Energie nur noch sehr gering ist. Die Gesamtgestehungskosten werden ab diesem Zeitpunkt zum größten Teil mit diesen gleich sein. Aus Sicht des Verbrauchers ist ab diesem Zeitpunkt die Nutzung einer PV-Anlage mit Zwischenspeicher gegenüber dem reinen Strombezug aus dem Netz wirtschaftlich vorteilhaft. Die Ergebnisse zeigen zwar eine klar fallende Tendenz der spezifischen Kosten, ermöglichen aber keine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit der einzelnen Stromversorgungsarten. Energiekostenbilanz auf Anlagenlaufzeit:

4 Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer PV-Anlage wurden die Gesamtausgaben berechnet, die für eine 100%ige Stromversorgung des Einfamilienhauses während der Laufzeit anfallen. Es wurden drei Versorgungsarten simuliert: 1.) Versorgung aus dem Netz 2.) Versorgung aus dem Netz zzgl. PV-Anlage 3.) Versorgung aus dem Netz zzgl. PV-Anlage mit Speicher. Die Ergebnisse sind abhängig von der Veränderung der Investitionskosten der betreffenden Anlage, dem Strompreis und der Preisentwicklung. Es wurden die Summen aller Ausgaben für die Stromversorgung des Haushalts während einer Laufzeit von 20 Jahren in Abhängigkeit zum Jahr der Inbetriebnahme gebildet. Unter den gegebenen Annahmen steigen in der Energiekostenbilanz die Gesamtausgaben mit PV-Anlage und reinem Strombezug pro Jahr kontinuierlich an. Dagegen sinken die Gesamtausgaben bei Verwendung eines Speichers zunächst ab, steigen aber zum Ende des Simulationszeitraumes wieder an. Die Unterschiede ergeben sich aus den Kosten der Stromversorgungsarten und den jeweiligen Mengen, die zur Deckung des Verbrauchs des Haushalts angesetzt wurden. Der Anstieg der Kosten ergibt sich aus dem Anstieg der Stromkosten, die immer noch den größten Anteil an den Ausgaben ausmachen. Ab dem Jahr 2018 bestehen nur noch geringe Unterschiede in den 20-Jahresbilanzen der Stromversorgungsarten. Bei Nutzung einer PV-Anlage mit Speicher werden ab diesem Zeitpunkt, über eine Anlagenlaufzeit von 20 Jahren geringere Kosten für die Stromversorgung anfallen, als bei reinem Netzbezug elektrischer Energie. Für die angesetzten Szenarien sinken die Gesamtausgaben mit diesen Anlagen ab 2022 auf das gleiche Niveau wie bei PV-Anlagen ohne Speicher. Nach unserer Prognose werden bei Verwendung eines Zwischenspeichers in naher Zukunft die Ausgaben am geringsten ausfallen, da diese am wenigsten des vergleichsweise teuren Stroms aus dem Netz beziehen Fazit Mit der Integration von Batteriespeichern in PV-Anlagen erreichen Anlagenbetreiber einen höheren Eigenverbrauch ihrer erzeugten PV-Energie. Die anzunehmende Strompreisentwicklung und die Preisdegression der Speicher werden aller Voraussicht nach bereits in wenigen Jahren die wirtschaftliche Nutzung von PV-Batteriesystemen, auch ohne zusätzliche Vergütungen ermöglichen. Ansprechpartner: Institut dezentrale Energietechnologien ggmbh Ständeplatz Kassel

5 Dr. John Sievers Tel.: 0561 / j.sievers@ide-kassel.de Sebastian Rautschka Tel.: 0561 / s.rautschka@ide-kassel.de