Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Photovoltaik-Speichersystemen

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1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Photovoltaik-Speichersystemen Kurzdarstellung der Redpoint Solar GmbH aus Werlte vom Januar Der Auftrag wurde an das Leipziger Institut für Energie GmbH (IE Leipzig) vergeben. In der nachfolgenden Betrachtung soll ein Wirtschaftlichkeitsvergleich von verschiedenen PV- Speichersystemen angestellt werden. Wie sieht der Nutzen aus, wie wichtig ist die Dimensionierung von PV-Anlagen und Batteriespeicher. Darauf aufbauend sollen ein Modell zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit vorgestellt und Annahmen für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung aufgeführt werden. Nutzen von PV-Speichersystemen aus Sicht des Anwenders Die Wirtschaftlichkeit von rein netzgekoppelten PV-Anlagen hing bisher vom absoluten Jahresertrag der Anlage und den damit verbundenen Einnahmen durch die Einspeisevergütung ab. Mittlerweile liegt die Einspeisevergütung für Neuanlagen deutlich unter den Kosten für den Strombezug aus dem Netz. In der Folge sinkt die Attraktivität der gezahlten Einspeisevergütung, wohingegen der Einspareffekt durch den selbst verbrauchten Strom zunehmend eine wichtigere Rolle spielt. Mit Hilfe eines Batteriespeichers kann PV-Strom, der bislang überwiegend ins Netz eingespeist wurde, eingespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt eigenverbraucht werden. Für den Betreiber eines PV-Speichersystems ergibt sich der finanzielle Vorteil aus der Differenz von Strombezugskosten und Einspeisevergütung. Das heißt, für den Betreiber einer PV-Anlage ist es günstiger den erzeugten Strom direkt selbst zu verbrauchen, anstatt ihn für eine geringe Vergütung erst einzuspeisen und dann später wieder teuer aus dem Netz zu beziehen. Das Ziel von PV-Speichersystemen muss also sein, möglichst viel erzeugen PV-Strom selbst zu nutzen, um dadurch höhere Eigenverbrauchsanteile zu erzielen. Durch die Erhöhung des Eigenverbrauchs mittels Batteriespeicher werden keine realen Einkünfte realisiert sondern Strombezugskosten eingespart. Andererseits entstehen durch die Installation eines Batteriespeichers zusätzliche Kosten, die die Wirtschaftlichkeit einer solchen Investition einschränken können. Dimensionierung von PV-Speichersystemen Bei der Dimensionierung von PV-Speichersystemen sind technische und ökonomische Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Die Abschätzung der optimalen Systemgröße ist besonders für Privathaushalte komplex und sehr individuell. Sie hängt im Wesentlichen vom jeweiligen Jahresstromverbauch und Verbrauchsverhalten des Haushaltes sowie nach dem Wunsch nach Autarkie ab. Je nach Dimensionierung der PV-Anlage und der Batterie ergeben sich für einen gegebenen Haushaltslastgang unterschiedliche Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrad. Die HTW Berlin hat in 2012 eine Untersuchung für einen Modellhaushalt mit einem Jahresstromverbrauch von kwp den Eigenverbrauchsanteil und den Autarkiegrad für unterschiedliche PV-Leistungen und nutzbare Batteriekapazität angestellt. Der Eigenverbrauchsanteil ist umso höher, je kleiner die PV-Anlage dimensioniert wird. Bei sehr kleinen PV-Leistungen übersteigt die Erzeugung die Last praktisch nicht, so dass sehr hohe Eigenverbrauchsanteile von bis zu 100 % erreicht werden. Ohne Batterie kann ein durchschnittlicher Einfamilienhaushalt mit kwp Jahresstromverbauch und einer 5 kwp-pv-anlage rund 30 % des erzeugten PV-Stroms zeitgleich nutzen. Durch den Einsatz von Batterien kann der Eigenverbrauchsanteil zusätzlich erhöht werden. Bei der Verwendung einer Batterie mit einer nutzbaren Kapazität von 4 kwh kann der Eigenverbrauchsanteil von 30 % auf 60 % verdoppelt werden. Bei größeren Batteriekapazitäten steigt der Eigenverbrauchsanteil allerdings nur noch 1

2 geringfügig. Dies ist darauf zurückzuführen, dass größere Batteriespeicher über Nacht nicht vollständig entladen werden und somit am Folgetag nicht die gesamte nutzbare Speicherung zur Verfügung steht. Während der Eigenverbrauchsanteil mit zunehmender PV-Leistung tendenziell sinkt, steigt der Autarkiegrad an. Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad verhalten sich also gegenläufig zueinander. Bei einer 5-kWp-PV-Anlage ohne Batteriespeicher können etwa 30 % des erzeugten Stroms zeitgleich genutzt werden. Bei Einsatz einer Batterie mit einer nutzbaren Kapazität von 6 kwp kann nach der Untersuchung der HTW Berlin ein Autarkiegrad von 60 % erreicht werden. Bei noch größeren Batteriespeichern steigt der Autarkiegrad nur noch wenig an. Mit einer 10 kwp- PV-Anlage und einer Batterie von 10 kwh nutzbarer Kapazität lässt sich für den untersuchten Modellfall ein Autarkiegrad von 80 % erreichen. Ein noch höherer Autarkiegrad ist theoretisch nicht nur möglich, wenn die PV-Leistung und die Batteriekapazität extrem gesteigert werden, was aber ökonomisch nicht sinnvoll ist. Die Untersuchung der HTW Berlin kommt zu dem Schluss, dass durch verschieden Auslegungen von PV-Anlagen und Batteriespeicher unterschiedliche Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrade erreicht werden können. Zum Erreichen hoher Autarkiegrade müssen PV-Leistung und Batteriekapazität in gleichem Maße gesteigert und zusätzlich auf den Stromverbrauch abgestimmt werden. Der Wunsch nach vollständiger Unabhängigkeit vom Stromnetz ist mit PV-Speichersystemen kaum realisierbar. Im Unterschied zum Eigenverbrauchsanteil steht der Autarkiegrad in Bezug zum Stromverbrauch eines Haushaltes und gibt an, welcher Anteil des Strombedarfs selbst erzeugt und wie viel Netzstrom dadurch eingespart wurde. Annahmen zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Modellhaushalt Bei der ökonomischen Bewertung der PV-Systeme wird ein typischer 4-Personen-Haushalt mit einem durchschnittlichen Jahresstromverbrauch von kwh angenommen. Mögliche Effizienzsteigerungen bei der Anwendung von Elektrogeräten, die einen sinkenden Strombedarf zur Folge hätten, wurden aus Gründen der Vereinheitlichung nicht berücksichtigt. Des Weiteren weisen die Batterien unterschiedlich nutzbare Kapazitäten auf, was die Vergleichbarkeit der Systeme einschränkt. So lassen sich mit kleineren Batteriekapazitäten im Allgemeinen auch nur geringere Autarkiegrade erreichen. Eine Steigerung der PV-Leistung bei vergleichsweise kleinen Speicherkapazitäten hat nur einen geringen Einfluss auf den Autarkiegrad. Zwar können theoretisch auch mit kleinen Speichern und überdurchschnittlichen hohen PV-Leistungen hohe Autarkiegrade erzielt werden. Dies ist aber weder ökonomisch sinnvoll noch bieten die Dachflächen des Einfamilienhauses genügend Platz, um eine PV-Anlage entsprechender Größe zu installieren. Bei steigenden Strombezugskosten und sinkender Einspeisevergütung kann aus finanzieller Sicht ein PV- Speichersystem mit einem hohen Autarkiegrad deutlich vorteilhafte sein. Allerdings steigen mit zunehmenden Autarkiegrad die dafür notwendigen Aufwendungen. Um hohe Autarkiegrade zu erzielen ist nach HTW Berlin energetisch sinnvoll, je 1 kwp PV-Leistung eine nutzbare Speicherkapazität von 1 kwh zu installieren. Standort 2

3 Eine weitere wichtige Stellgröße ist der Standort der PV-Anlage. Neben den Investitions- und Betriebskosten ist die Wirtschaftlichkeit von PV-Anlagen vor allem von der solaren Einstrahlung abhängig. Je höher die solare Einstrahlung am Standort ist, desto höhere Volllaststunden kann die PV-Anlage erreichen und desto mehr Strom kann in das Netz eingespeist werden. Solange die EEG- Vergütung über den Stromgestehungskosten einer PV-Anlage liegt, ergibt sich draus ein finanzieller Vorteil. Die Annahmen zu den Kosten einer typischen 6,0-kWp-Dachanlage basieren auf einem Angebot, welches durch die Energiepark-Brandenburg GmbH zur Verfügung gestellt wurde [Wetzel 2013]. Da die Preise für PV-Anlagen in den nächsten Jahren weiter fallen werden oder zumindest stabil bleiben, wird bei der Ermittlung der Annuitäten der kapitalgebunden Kosten keine Preissteigerungsrate eingesetzt. Bei den betriebsgebundenen Kosten (Wartung und Inspektion) wird hingegen von einer jährlichen Preissteigerung von 2 % ausgegangen. Des Weiteren wird berücksichtigt, dass der Solar- Wechselrichter bei AC-gekoppelten Systemen nach etwa 12 Jahren repariert bzw. ersetzt werden muss. Für DC-gekoppelte Systeme entfallen die Kosten für den Solar-Wechselrichter. Last- und Leistungsgänge Neben dem Jahresstromverbrauch ist das Lastprofil des Haushaltes und der damit mögliche Eigenverbrauchsanteil bzw. Autarkiegrad zu berücksichtigen. Die Messung des individuellen Lastprofils lässt sich zwar technisch realisieren, deren Umsetzung ist aber sehr aufwendig. Um die Unterschiede zwischen den Jahreszeiten zu berücksichtigen, solle der Messzeitraum wenigstens ein Jahr betragen. In der Praxis wird häufig auf Standardlastprofile zurückgegriffen, die von den Verteilnetzbetreibern oder vom Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft zur Verfügung gestellt werden. Diese Standardlastprofile basieren für gewöhnlich auf Daten die eine zeitliche Auflösung von 15 Minuten erstellt werden. Bei diesen Standardlastprofilen werden kurzfristige hohe Verbrauchsspitzen heraus ermittelt. Somit fehlen Informationen, die ein reales Standardlastprofil bildet. Infolgedessen kann es zu Fehleinschätzungen der Eigenverbrauchsquote kommen. Die Abweichungen von real gemessenen Last- und Einstrahlungsprofilen von Standardlastprofilen können bis zu 50 % betragen. Da das Lastprofil eines Haushaltes und die Einstrahlungswerte nur schwer prognostizieren sind, wird in der Kurzexpertise der Einfachheit halber auf die Untersuchungsergebnisse und Daten der HTW Berlin zurückgegriffen. Das von der HTW Berlin entworfene und in der nachfolgenden Abbildung dargestellte Diagramm bietet die Möglichkeit, den Autarkiegrad in Abhängigkeit vom Jahresstrombedarf abzuschätzen. Für die Erstellung des Diagramms wurden typische Einstrahlungsund Lastprofile verwendet, die auf realen und hochauflösenden Messdaten basieren. Durch die Normierung lässt sich der Autarkiegrad für Haushalte je nach der Höhe des Jahresstrombedarfs ablesen [Weniger et al. 2013]. 3

4 Autarkiegrad in Abhängigkeit von der nutzbaren Speicherkapazität und PV-Leistung, jeweils normiert auf den Jahresstrombedarf in MWh Quelle: [Weniger et al. 2013] Strombezugskosten Weiterhin müssen bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auch die Kosten für den Strombezug aus dem Netz berücksichtigt werden. nach Angaben des Europäischen Amtes für Statistik (Eurostat) liegt de Bruttopreis 2013 für private Haushalte in Deutschland im Mittel bei 29,19 ct/kwh. Die Entwicklung dieses Strompreises über den Betrachtungszeitraum ist ausschlaggebend für die Wirtschaftlichkeit von PV-Speichersystemen. Für die Strompreisänderung können sehr unterschiedliche Annahmen getroffen werden. Vergütung Bei Inbetriebnahme der PV-Anlage im Januar 2014 erhielt de Betreibe einer PV-Anlage mit einer Nennleistung von 10 kwp für die Netzeinspeisung des PV-Stroms eine Vergütung in Höhe von 13,68 ct/kwh. Die Erlöse der eingespeisten Energie, die nicht selbst verbraucht werden kann, werden kostenmindernd im Modell berücksichtigt. Aufgrund der fixen EEG-Vergütungssätze sind für die Einnahmen aus der EE-Einspeisung keine Preisänderungen anzusetzen. Als Betrachtungszeitraum wird für die Berechnung eine Dauer von 25 Jahren unterstellt, da PV-Anlagen eine technische Lebensdauer von 25 Jahren aufweisen. 4

5 Finanzwirtschaftliche Annahmen Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt für zwei unterschiedliche Annahmen zur Kapitalverzinsung. Die Variante 1 geht davon aus, dass es sich um eine 100 %-ige Eigenfinanzierung mit einer Verzinsung von 1 % handelt. In Variante 2 wird die Wirtschaftlichkeit von PV- Speichersystemen im Rahmen des Speicherförderprogramms mit Tilgungszuschüssen und zinsgünstigen Krediten der KfW- Bankengruppe untersucht. Bei der Kreditfinanzierung wird für die Aufnahme des Fremdkapitals von einem effektiven Jahreszins von 2,42 % bei einer Zinsfestschreibung und Kreditlaufzeit von zehn Jahren ausgegangen. Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Hinweis: Hier wird nur ein Modell mit Eigenfinanzierung dargestellt. Weiter Ergebnisse mit unterschiedlichen Strompreissteigerungen können als pdf-datei von der Homepage der Fa. Sommer Passivhaus GmbH über den Link am Ende dieses Berichts herunter geladen werden. Die Datei enthält auch Tabellen und Grafiken zur Erklärung und Vergleich der Betrachtungen. Wirtschaftlichkeit bei Eigenfinanzierung Für den betrachteten Modellhaushalt mit kwh Jahresstromverbauch können die Versorgungsvarianten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen werden. Die Rechnung erfolgt über 25 Jahre. Als Bewertungsgröße für die Wirtschaftlichkeitsuntersuchung dienen die Annuitäten. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Annahmen von der Praxis abweichen und infolgedessen zu anderen Ergebnissen führen können. Wirtschaftlichkeit bei Förderung Es wurde die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Versorgungssysteme unter Inanspruchnahme des KfW-Förderprogramms (275) für Komplettsysteme untersucht. Das Speicherförderprogramm beinhaltet KfW-Darlehen mit Tilgungszuschuss für das Speichersystem. In einem Berechnungsbeispiel mit einer prognostizierten Strompreissteigerung von 2 % pro Jahr und Inanspruchnahme eines KfW- Kredites mit einem Effektivzinssatz von 2,42 % bei einer Laufzeit von 10 Jahren werden die Ergebnisse gegenübergestellt. Für das Rechenbeispiel einer PV-Anlage mit vorrangiger Eigenverbrauchsnutzung (ohne Speicher) wurden die gleichen finanziellen Rahmenbedingungen angenommen. Aufgrund der zinsgünstigen der zinsgünstigen KfW-Darlehen und des Tilgungszuschusses verbessert sich die Wirtschaftlichkeit der PV-Speichersysteme insgesamt. Die Untersuchung zur Wirtschaftlichkeit lässt erkennen, dass für ein Komplettsystem bestehend aus PV- Anlage und dem günstigsten Speichersystem Kosten von rund 720 /a anfallen. Die mittleren Stromkosten betragen 0,18 /kwh. Die jährlichen Kosten für eine PV-Anlage mit vorrangiger Eigenverbrauchsnutzung (ohne Speicher) belaufen sich auf rund Für den reinen Strombezug aus dem Netz müssen etwa /a einkalkuliert werden. Dies entspricht in etwa auch den Kosten, welche für ein Versorgungssystem bestehend aus PV-Anlage und PowerRouter 5.0 (ca /a)anfallen. Kostengünstiger und damit wirtschaftlicher lässt sich die Versorgung mit dem PV- Speichersystemen IBC Solstore 6.3 Li (ca /a), Sonnenbatterie Classic M (ca /a) und S10 (ca /a)realisieren. 5

6 Fazit Durch die vermiedenen Strombezugskosten und geringen Investitionen stellt eine PV-Anlage mit einem Eigenverbrauchsanteil von 25 % (ohne Speicher) das kosteneffizienteste Versorgungssystem dar. Dieser finanzielle Vorteil bleibt auch bei steigenden Strompreisen stabil. Bei den angenommenen PV-Speicherdimensionierungen können etwa die Hälfte bis zwei Drittel des Stromverbrauchs eines typischen Einfamilienhaushaltes selbst gedeckt werden. Der Einsatz von Speichersystemen erhöht zwar den Eigenverbrauchsanteil und Autarkierad deutlich, ist aber aufgrund der hohen Investitionskosten für die Speichersysteme für die meisten Haushalte nicht wirtschaftlich. Eine Ausnahme bildet hier ein Komplettsystem mit einem SENEC.Home G2 Batteriespeicher. Aufgrund der geringen Investitionskosten für den Ersatz-Akku und Ersatz-Batterie-Wechselrichter fallen bei diesem PV-Speichersystem pro Jahr vergleichsweise geringe Versorgungskosten an, so dass selbst bei deiner moderat angenommenen Preissteigerung für Haushaltsstrom von 2 % pro Jahr und einer vollständigen Eigenfinanzierung die Wirtschaftlichkeit schon heute gegeben ist. Bei Inanspruchnahme von KfW-Darlehen und einem Tilgungszuschuss im Rahmen des Speicherförderprogramms verbessert sich die Wirtschaftlichkeit der untersuchten PV- Speichersysteme zum Teil signifikant. Die Investitionen in Speichersystemen lohnen sich umso mehr, je höher die Preissteigerung für Haushaltsstrom in Zukunft ausfällt. So können einzelne PV- Speichersysteme unter der Annahme einer jährlichen Strompreissteigerung um 4 % auch im Vergleich zu einem Versorgungssystem mit PV-Anlage und vorrangiger Eigenverbrauchsnutzung (ohne Speicher) finanzielle Vorteile bieten. Ohne Förderung sind die meisten PV-Speichersysteme erst bei hoch angesetzten Strompreissteigerungsraten wirtschaftlich zu betreiben. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Ermittlung der Speicherkosten und der Wirtschaftlichkeitsvergleich auf Annahmen und Prognosen beruhen, die in der Realität so nicht eintreffen müssen. Insbesondere die in der Untersuchung getroffenen Annahmen zur Nutzungsdauer von Akku und Batterie-Wechselrichter sind mit Unsicherheiten behaftet und können die Ergebnisse positiv oder negativ beeinflussen. Neben dem individuellen Lastprofil eines Haushaltes spielt die Dimensionierung von PV-Leistung und Batterieleistung eine entscheidende Rolle für das Erreichen bestimmter Eigenverbrauchsanteile und Autarkiegrade. Die Ergebnisse unterliegen daher einer gewissen Unschärfe und bedürfen einer sorgsamen Interpretation. 6