EFFIZIENZLEITFADEN FÜR PV-SPEICHERSYSTEME

EFFIZIENZLEITFADEN FÜR PV-SPEICHERSYSTEME Hintergrund Überblick Ergebnisse BUNDESVERBAND ENERGIESPEICHER

Überblick über die Energieverluste in PV-Speichersystemen Je nach Verlust erhöht sich der Netzbezug oder verringert sich die Netzeinspeisung Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen Bereitschaftsverluste Dimensionierungsverluste Umwandlungsverluste Energiemanagementverluste Regelungsverluste Quelle: HTW Berlin, Forschungsgruppe Solarspeichersysteme Bundesverband Energiespeicher e.v.

Systemtopologien für PV-Speichersysteme Vielfältige Systemkonzepte zur Anbindung der Batteriespeicher sind möglich AC-gekoppelte Systeme -gekoppelte Systeme PV-Generatorgekoppelte Systeme PV-Generator PV-Generator Batteriespeicher Batteriespeicher PV-Generator Batteriespeicher PV BAT PV PV2BAT BAT PV BAT MPP-Tracker Laderegler MPP-Tracker Laderegler MPP-Tracker Laderegler PV2AC AC2BAT PV2AC PV2AC PV2BAT Wechselrichter AC AC Umrichter Umrichter AC AC2BAT (optional) Wechselrichter AC AC AC AC AC Last Netz Last Netz Last Netz Quelle: HTW Berlin, Forschungsgruppe Solarspeichersysteme Bundesverband Energiespeicher e.v.

Inhalt des Effizienzleitfadens Charakterisierung der Effizienz von PV-Speichersystemen im Labor Definition von einheitlichen Prüfverfahren zur messtechnischen Charakterisierung der Energieeffizienz von PV-Speichersystemen Prüfleitfaden für alle Systemtopologien AC-gekoppelt -gekoppelt PV-Generatorgekoppelt Ermittlung der Systemeigenschaften Batteriekapazität Nennleistung der einzelnen Umwandlungspfade Leistungsabhängigkeit der Umwandlungseffizienz Bereitschaftsverluste (Leerlauf und Standby) der Systemkomponenten Regelgeschwindigkeit und -genauigkeit Vereinheitlichung der Begrifflichkeiten Bundesverband Energiespeicher e.v.

Ausblick Labortests nach dem Effizienzleitfaden bilden das Fundament für weitere Aktivitäten 5 Label 4 Kennzahl 3 Simulationstest 2 Einheitliche Datenblattangaben 1 Labortest nach dem Effizienzleitfaden Quelle: HTW Berlin, Forschungsgruppe Solarspeichersysteme Bundesverband Energiespeicher e.v.

Download Effizienzleitfaden, Beispielprüfbericht und Beispieldatenblätter sind online verfügbar http://www.bves.de/technische-dokumente/ Bundesverband Energiespeicher e.v.

Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme Hintergrundinformationen zu den Messungen M.Sc. Nina Munzke Herausgegeben und erarbeitet durch BVES und BSW KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Motivation Wachsender Markt für Heimspeichersysteme Vereinheitlichte Basis für Charakterisierung, Bewertung und Vergleich hinsichtlich Energieeffizienz Parametrisierung von erweiterten Simulationsmodellen für Gesamtsysteme (Rentabilität, Autarkiegrade,..) Quelle: KIT PCE 2017 2 Nina Munzke - Competence E

Anwendungsbereich PV-Heimspeichersysteme Stationär Netzgekoppelt Prüfumgebung Speicherbetrieb in einer Hardware-in-the-loop (HiL) - Umgebung Simulation der PV-Anlage durch PV-Generatoren Emulation der Haushaltslast durch elektronische Lasten Hardware-in-the-loop Prüfumgebung Quelle: KIT PCE 2017 3 Nina Munzke - Competence E

Anwendungsbereich PV-Heimspeichersysteme Stationär Netzgekoppelt Prüfumgebung Speicherbetrieb in einer Hardware-in-the-loop (HiL) - Umgebung Simulation der PV-Anlage durch PV-Generatoren Emulation der Haushaltslast durch elektronische Lasten Hardware-in-the-loop Prüfumgebung Quelle: KIT PCE 2016 4 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfaden Topologien und Leistungsumwandlungspfade Vergleich auch unterschiedlicher Systemarchitekturen Quelle: HTW Berlin 5 Nina Munzke - Competence E

Beschreibung Messaufbau Der Leitfaden enthält eine klare Beschreibung des Messaufbaus sowie der Testdurchführung für die verschiedenen Systemtopologien 6 Nina Munzke - Competence E

Leistung in W Inhalt des Effizienzleitfadens Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems PV-Direkteinspeisung (PV2AC) Batterieladen (PV2BAT / AC2BAT) Batterieentladen (BAT2AC) Leistungsaufnahme im Standby/ Leerlauf Wirkungsgrad der Batterie Bestimmung der Regelabweichungen Stationär Dynamisch 4.500 3.500 2.500 1.500 500-500 Last Netzaustausch Zyklus 1 Zyklus 2-1.500-2.500 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S1 S2 S3-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 60s Vorlauf Zeit in s Quelle: KIT PCE 2017 7 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen Vorgehen : Bestimmen der Bemessungsleistungen der Pfade Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus Vermessung bei PV- Spannungen U mpp,min, U PV,nom und U mpp,max Wirkungsgrade: Quotient Ausgangsund Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T m Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 8 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen Vorgehen : Bestimmen der Bemessungsleistungen der Pfade Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus Vermessung bei PV- Spannungen U mpp,min, U PV,nom und U mpp,max Wirkungsgrade: Quotient Ausgangsund Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T m Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 9 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen Vorgehen : Bestimmen der Bemessungsleistungen der Pfade Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus Vermessung bei PV- Spannungen U mpp,min, U PV,nom und U mpp,max Wirkungsgrade: Quotient Ausgangsund Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T m Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 10 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen Vorgehen : Bestimmen der Bemessungsleistungen der Pfade Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus Vermessung bei PV- Spannungen U mpp,min, U PV,nom und U mpp,max Wirkungsgrade: Quotient Ausgangsund Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T m Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 11 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen U mpp,min U PV,nom U mpp,max P-PV Vorgehen : Bestimmen der Bemessungsleistungen der Pfade Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus Vermessung bei PV- Spannungen U mpp,min, U PV,nom und U mpp,max Wirkungsgrade: Quotient Ausgangsund Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T m P-BAT Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 12 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Bestimmung der Pfadwirkungsgrade Berechnung der Wirkungsgrade als energetischer Mittelwert η = t M 0 t M P Ausgang t dt 0 P Eingang t ± P Netz / Batterie t dt 13 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Bestimmung der Pfadwirkungsgrade Quelle: KIT PCE 2017 14 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems Bestimmung der Pfadwirkungsgrade Berechnung der Wirkungsgrade als energetischer Mittelwert η = t M 0 t M P Ausgang t dt 0 P Eingang t ± P Netz / Batterie t dt Quelle: KIT PCE 2017 15 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Standby Leistungsaufnahme im Standby Prüfung durch Vermessen der Leistungen P BAT, P AC, P PV WR und P NETZ PPV = 0 PV- und Lastleistung = 0 PLOAD = 0 Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 16 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Standby Leistungsaufnahme im Standby Prüfung durch Vermessen der Leistungen P BAT, P AC, P PV WR und P NETZ PPV = 0 PV- und Lastleistung = 0 PLOAD = 0 Standby Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017 17 Nina Munzke - Competence E

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrad der Batterie Ermittlung des Wirkungsgrades der Batterie durch sukzessives Entladen und Laden der Batterie - Vollzyklen Bsp.:energetischer Wirkungsgrad t M = P BAT (Entladen) (t) dt 0 t M = P BAT (Laden) (t) dt 0 Quelle: KIT PCE 2017 SOC min, Zyklus 1 Beginn Laden SOC max, Beginn Zyklus 1 Beginn Entladen SOC max, Ende Zyklus 1 Beginn 2.Iteration η BAT,RTE = t M P BAT (Entladen) (t) dt 0 t M P BAT (Laden) (t) dt 0 100 18 Nina Munzke - Competence E

Leistung in W fppv2bat fpbat2ac Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen Faktor der Erzeugungsleistung Last Netzaustausch Faktor der Last 4.500 1,75 Zyklus 1 Zyklus 2 1,75 PPV = P PV2BAT P PV2BAT,nom 1,50 3.500 1,25 2.500 1,50 1,25 PLAST = P BAT2AC P BAT2AC,nom k 1,00 1.500 0,75 1,00 0,75 k = P PV2BAT,nom P BAT2AC,nom (Korrekturfaktor) 500 0,50-500 0,25 0,50 0,25-1.500 0,00 Netzaustauschleistung S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S1 S2 S3 S3-2.500-0,25-0,25-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 60s Vorlauf Zeit in s Quelle: KIT PCE 2017 19 Nina Munzke - Competence E 0,00

Leistung in W fppv2bat fpbat2ac Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen Faktor der Erzeugungsleistung Last Netzaustausch Faktor der Last 4.500 1,75 Zyklus 1 Zyklus 2 1,75 PPV = P PV2BAT P PV2BAT,nom 1,50 3.500 1,25 2.500 Leistungssprung mit Vorzeichenwechsel 1,50 1,25 PLAST = P BAT2AC P BAT2AC,nom k k = P PV2BAT,nom P BAT2AC,nom (Korrekturfaktor) 1,00 1.500 0,75 500 0,50-500 0,25 PBAT < 0 PBAT > 0 1,00 0,75 0,50 0,25 Resultierendes Batterieleistungsprofil PBAT = PLAST PPV -1.500 0,00 Netzaustauschleistung 0,00 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S1 S2 S3 S3-2.500-0,25-0,25-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 60s Vorlauf Zeit in s Quelle: KIT PCE 2017 20 Nina Munzke - Competence E

Leistung in W Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen Last Netzaustausch 4.500 Zyklus 1 Zyklus 2 PPV = P PV2BAT P PV2BAT,nom 3.500 2.500 PLAST = P BAT2AC P BAT2AC,nom k 1.500 k = P PV2BAT,nom P BAT2AC,nom (Korrekturfaktor) 500-500 Resultierendes Batterieleistungsprofil -1.500 Netzaustauschleistung PBAT = PLAST PPV S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S1 S2 S3-2.500-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 60s Vorlauf Zeit in s 21 Nina Munzke - Competence E

Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme Zusammenfassung und Ausblick Effizienzleitfaden : Charakterisierung von Heimspeichersystemen Wirkungsgrade Leistungselektronik Wirkungsgrade Batterie Standby-Verluste Reaktionsgeschwindigkeit und Regelverluste Ausblick: Systemcharakterisierung Einheitliche Basis für Klassifikation nach Energieeffizienz Ableiten von Datenblattangaben Mögliche Grundlage für EN-Norm Besseres Verständnis für Systemverhalten im Realbetrieb Ausblick : Modellparametrisierung Modellierung des Betriebsverhaltens in verschiedenen Umgebungen Extrapolation der Speicherperformance für unterschiedlich dimensionierte Systeme 22 Nina Munzke - Competence E

Danke für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt : Nina Munzke M.Sc / BBA Teamleitung Stationäre Energiespeichersysteme Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Projekt Competence E https://www.competence-e.kit.edu/index.php Danksagung: Die Messungen am KIT sind innerhalb des vom BMWi geförderten Projektes SafetyFirst entstanden. 23 Nina Munzke - Competence E