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1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 3. Niedersächsisches Forum Solarenergie, 07. Juli 2020 Photovoltaik mit Speicher für Strom, Wärme, Mobilität Empfehlungen zu Auslegung und Betrieb
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 4
Vorstellung: Forschungsgruppe Regenerative Energien Schwerpunkt im Bereich der effizienten und intelligenten Einbindung regenerativer Stromerzeugungs- anlagen in das elektrische Verteilnetz unter Einsatz moderner Automatisierungstechnik. Label 5 Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. M. Sc. M. Sc. M. Eng. Johannes Rolink Gisela Strick Tjarko Tjaden Sarah Fayed Philipp Heeren 5
Vorstellung: Technische Infrastruktur am Campus Wetterstation Erzeugungsanlagen Netzmodell Strahlungs-, Wind-, 100 kW Wind, 40 kW PV, Nachbildung Verteilnetze Regen- & Luftdaten 100 kW BHKW inkl. Sensorik in Planung Hardware-Ebene (SPS, Netzwerk, Server) Software-Ebene (Datenbanken, Simulation, Visualisierung) Batteriespeicher Batteriespeicher 5 kW / 6 kWh 100 kW / 100 kWh 6
Vorstellung: Forschungsprojekte ofVerte LeitStand Zukunftslabor Digitalisierung Energie PIEG-Strom Laufzeit: 12/2019 bis 11/2022 Laufzeit: 10/2019 bis 09/2024 Laufzeit: 07/2020 bis 06/2022 Aufbau eines offenen Verteilnetz- Untersuchung von Wechsel- Planung und Integration von Leitsystems mit Standard- wirkungen in Quartiers-IKT- und Energiespeichern in Gebäude- Industriekomponenten für Netze mit Energie-systemen sowie die energiesystemen. Schwerpunkt: hohem Anteil Erneuerbarer parallele Entwicklung einer Elektrische Stromspeicher Energien Plattform zur Vernetzung von Forschern und Anwendern. Ansätze und Ziele: Ansätze und Ziele: • Erstellung einer VDI- • Pragmatische Ansätze für Ansätze und Ziele: Richtlinienreihe und eines bestehende IT-Landschaften Auslegungstools • Erforschung und Entwicklung • Offene Standard- digitalisierter Energiesysteme • Hilfe für praxisrelevante Systemkomponenten Anwendungsfälle • Digitalisierung der • Überführung etablierter Konzepte Energiesystemforschung • Konsequente Nutzung von Open (Industrie 4.0) auf Netzleitsysteme und -entwicklung Data und Open Source 7
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 8
Photovoltaik in Deutschland >1,8 Mio. Anzahl der installierten PV-Anlagen >100.000 Neue PV-Anlagen im Jahr 2019; 10.000 in Niedersachsen >50% Bereits jede zweite PV-Anlage inkl. Speicher >11% Anteil an der Nettostromerzeugung im ersten Halbjahr 2020 ➞ Die Kombination von PV-Anlagen mit Batteriesystemen entwickelt sich zur Standardlösung. ➞ Zur Erreichung der Klimaschutzziele ist ein Steigerung auf > 250.0000 PV-Anlagen bzw. > 10 GW pro Jahr notwendig. 9 Quelle: Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (2020): „Statistische Zahlen der deutschen Solarstrombranche (Speicher/Mobilität)“, Berlin.
Photovoltaik-Anwendungen Vielfalt bei der Nutzung des Solarstroms Direkt- Batterie- Elektro- thermische Demand Side Netz- Abregelung verbrauch speicherung mobilität Nutzung Management einspeisung Fazit: Möglichkeiten zur Nutzung erhöhen die Komplexität bei der Planung und Beratung 10
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Energetische Zusammenhänge der Dimensionierung von PV-Generator und Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad 2,5 100% 2,5 100% nutzbare Speicherkapazität in kWh/MWh nutzbare Speicherkapazität in kWh/MWh 80% 90% 90% 2,0 80% 2,0 80% 90% 80% 70% 70% 70% 70% 1,5 60% 1,5 60% 60% 50% 50% 50% 60% 1,0 40% 1,0 40% 40% 50% 30% 30% 30% 40% 0,5 20% 0,5 20% 30% 20% 10% 20% 10% 10% 0,0 0% 0,0 0% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kWp/MWh PV-Leistung in kWp/MWh Quelle: J. Weniger, J. Bergner, T. Tjaden, V. Quaschning, und Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Hrsg., Dezentrale 11 Solarstromspeicher für die Energiewende. Berlin: BWV, Berliner Wissenschafts-Verlag, 2015.
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Energetische Zusammenhänge der Dimensionierung von PV-Generator und Batteriespeicher Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad 2,5 100% 2,5 100% nutzbare Speicherkapazität in kWh/MWh nutzbare Speicherkapazität in kWh/MWh 80% 90% 90% 2,0 80% 2,0 80% 90% 4 kWp + 8 kWh bei 4000 kWh 70% 80% 70% 6 kWp + 12 kWh bei 6000 kWh 70% 70% 1,5 60% 1,5 60% 60% 50% 50% 50% 60% 1,0 40% 1,0 40% 40% 8 kWp + 4 kWh bei 4000 kWh 50% 30% 30% 12 kWp + 630% kWh bei 6000 kWh 40% 0,5 20% 0,5 20% 30% 20% 10% 20% 10% 10% 0,0 0% 0,0 0% 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 PV-Leistung in kWp/MWh PV-Leistung in kWp/MWh Fazit: - je größer die PV-Anlage, desto höher ist der Effekt eines Speicher auf den Autarkiegrad. - je größer der Speicher, desto kleiner wird der spezifische Nutzen Quelle: J. Weniger, J. Bergner, T. Tjaden, V. Quaschning, und Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, Hrsg., Dezentrale 12 Solarstromspeicher für die Energiewende. Berlin: BWV, Berliner Wissenschafts-Verlag, 2015.
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Berücksichtigung der ökonomischen Rahmenbedingungen Einnahmen Ausgaben + Einspeisevergütung - Investition + Einsparung Arbeitspreis - Betriebskosten beim Netzbezug - Eigenverbrauchsabgabe + Gewerbe: ggf. Einsparung beim Leistungspreis Weitere Parameter • Inflationsrate, Finanzierungsrate • Verschattung, Verschmutzung, Degradation • Steuerliche Betrachtung kann sowohl zu mehr als auch Mindereinnahmen führen These: Ökonomie beeinflusst die Auslegung in Richtung größerer PV-Systeme! 13 Quelle: Verbraucherzentrale NRW auf Basis von Daten des photovoltaikforum.com und Auswertung durch die HTW
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Wirtschaftlichkeit: Eine Frage der Betrachtungsweise Wirtschaftlichkeit dargestellt als Rendite 7000 kWh/a 4500 kWh/a Randbedingungen: 0,26 €/kWh Arbeitspreis 0,11 €/kWh Einspeisevergütung 3000 kWh/a 1%/a Strompreissteigerung 2%/a Kalkulatorischer Zins 100% Eigenkapital 14 Quelle: J. Bergner und V. Quaschning: Sinnvolle Dimensionierung von Photovoltaikanlagen für Prosumer. HTW Berlin, 2019.
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Wirtschaftlichkeit: Eine Frage der Betrachtungsweise Wirtschaftlichkeit dargestellt als Nettobarwert der Einsparungen Randbedingungen: 0,26 €/kWh Arbeitspreis 7000 kWh/a 0,11 €/kWh Einspeisevergütung 1%/a Strompreissteigerung 2%/a Kalkulatorischer Zins 100% Eigenkapital 4500 kWh/a 3000 kWh/a Fazit: - Nettobarwert zeigt auf, dass Dachflächen voll erschlossen werden sollen. - Bei aktuellen Preisen senken Stromspeicher die Rendite bzw. den Nettobarwert 15 Quelle: J. Bergner und V. Quaschning: Sinnvolle Dimensionierung von Photovoltaikanlagen für Prosumer. HTW Berlin, 2019.
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Weitere Betriebsanwendungen für Stromspeicher neben der Erhöhung der Eigenversorgung Verbraucherseitiges Erzeugerseitiges Peak-Shaving Peak-Shaving Begrenzung von Begrenzung von Leistungsspitzen des Netzbezugs Leistungsspitzen der Netzeinspeisung Nutzen Aufwand Nutzen Aufwand + Signifikante Senkung des - Erfordert Lastprofil-Analyse + Verringerung von - Erfordert Last- und PV- Leistungspreises möglich und ggf. -prognosen Abregelungsverlusten Prognosen + Wirtschaftlichkeit ohne - Erfordert + Erhöhung der PV-Leistung - Reduziert ggf. den Photovoltaik möglich Erzeugungsprognosen zur bei begrenzter Autarkiegrad Integration von PV Netzeinspeiseleistung + Verlängerung der Lebens- dauer der Batterie 16
Photovoltaik + Batteriespeicher: Auslegung und Betrieb Praxisbeispiel: Milchviehbetrieb mit Renditeerwartung von > 7% und Nettobarwert > 40.000 € PV-Potential 100 kWp NVP max. Angebot 22 kWp / 20 kVA Rendite 22 kVA 1200 €/kWp 7,4 % Stromverbrauch 120.000 kWh Bereits bestehende Anlage am NVP, Nettobarwert Mittelspannungsanschluss unrentabel nur 24.500 € Angebot 60 kWp / 50 kVA Rendite Anpassung Lastprofil Rendite Variante 1 mit dynamischer Einspeisebegrenzung 7,2 % Einführung 3. Melkzeit (13 Uhr) 9,5 % 950 €/kWp Nettobarwert nur 35.100 € Nettobarwert final bei 49.400 € Angebot 100 kWp / 80 kVA + 65 kWh Rendite Variante 2 Peak-Shaving: Erzeugung & Last 4,7 % Nettobarwert 42.900 €, aber 900 €/kWp & 750 €/kWh • Lastprofil eher ungeeignet durch breite Morgen- und Abendspitze: Senkung des Leistungspreises nur gering Weiterhin hohe Abregelungsverluste zur Mittagszeit • Höherer Kreditrahmen + Höheres Risiko durch Batteriespeicher 17 Daten: 1%/a Preissteigerung Stromkosten | 2%/a Kalkulatorischer Zins | 500€/a Betriebskosten | ohne Finanzierungskosten
Photovoltaik & Batteriespeicher Zusammenfassung Photovoltaik: • Die Betrachtung von mittleren Stromkosten oder dem Nettobarwert der Stromeinsparungen zeigt auf, dass Dachflächen möglichst vollständig genutzt werden sollten. • Neue Fix-Kosten, wie z.B. durch Smart Meter Gateways, bedrohen die Wirtschaftlichkeit kleiner PV-Systeme Batteriespeicher: • Aus energetischer Sicht sollte die nutzbare Speicherkapazität zur Erhöhung der Eigenversorgung nicht nennenswert größer als der mittlere nächtliche Strombedarf werden. • In den meisten Fällen werden Speichersysteme erst bei spezifischen Kosten von weniger als 700 €/kWh ökonomisch interessant. • Um Abregelungsverluste bei großen PV-Systemen bzw. einer Begrenzung der Netzeinspeiseleistung zu vermeiden, sind prognosebasierte Betriebsstrategien von großem Vorteil. 18
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 19
Wärmepumpen Beeinflussung des Wärmepumpen-Lastprofils durch passive Regelung 15% 15% 28% des 30% des Verbrauchs Verbrauchs Jahresenergieverbrauch Jahresenergieverbrauch 12% 12% Anteil der Stunde am Anteil der Stunde am Trinkwarmwasser 9% 9% 6% 6% 3% 3% ohne Nachtabsenkung ohne Nachtabsenkung 0% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Stunde des Tages Stunde des Tages modernisierter Altbau Effizienzhaus 40 Annahmen: Luft/Wasser-Wärmepumpe Wärme- pumpe Quelle: T. Tjaden: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in 20 Einfamilienhaushalten“, 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
Wärmepumpen Beeinflussung des Wärmepumpen-Lastprofils durch passive Regelung 15% 15% Jahresenergieverbrauch Jahresenergieverbrauch 12% 12% Anteil der Stunde am Anteil der Stunde am 9% 9% 6% 6% 3% 3% ohne Nachtabsenkung ohne Nachtabsenkung mit Nachtabsenkung mit Nachtabsenkung 0% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Stunde des Tages Stunde des Tages modernisierter Altbau Effizienzhaus 40 Annahmen: Luft/Wasser-Wärmepumpe Wärme- 22 bis 6 Uhr: 2K Nachtabsenkung pumpe Quelle: T. Tjaden: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in 21 Einfamilienhaushalten“, 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
Wärmepumpen Beeinflussung des Lastprofils durch aktive Regelung • 4 mögliche Schaltzustände für Wärmepumpen • 1: maximal 2 Stunden harte Sperrzeit • 2: Normalbetrieb • 3: Einschaltempfehlung zum verstärkten Betrieb 1442 WP-Modelle • 4: Einschaltbefehl mit neuen Sollwerten Hersteller: Vaillant Stand 06.07.2020 Wolf Vorschlag für konservative Einstellungen an der WP Energieüberschuss 3: Heizpatrone ausschließen, max. +5 K Trinkwarmwasser / Heizungspuffer Vermeidung Abregelung 4: Volle Leistung, Heizpatrone zulassen, max. 70 Grad Celsius 22
Wärmepumpen Beeinflussung des Wärmepumpen-Lastprofils durch aktive Regelung 15% 15% Jahresenergieverbrauch Jahresenergieverbrauch 12% 12% Anteil der Stunde am Anteil der Stunde am 9% 9% 6% 6% 3% 3% 0% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Stunde des Tages Stunde des Tages modernisierter Altbau Effizienzhaus 40 Annahmen: Luft/Wasser-Wärmepumpe 22 bis 6 Uhr: 2K Nachtabsenkung Wärme- SG-Ready auf Stufe 3 bei 100% Überschuss pumpe Heizstab inaktiv Quelle: T. Tjaden: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in 23 Einfamilienhaushalten“, 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
Wärmepumpen Beeinflussung des Wärmepumpen-Lastprofils durch aktive Regelung 15% 15% 46% des 49% des Verbrauchs Verbrauchs Jahresenergieverbrauch Jahresenergieverbrauch 12% 12% Anteil der Stunde am Anteil der Stunde am 9% 9% 6% 6% 3% 3% 0% 0% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Stunde des Tages Stunde des Tages modernisierter Altbau Effizienzhaus 40 Annahmen: Luft/Wasser-Wärmepumpe 22 bis 6 Uhr: 2K Nachtabsenkung Wärme- SG-Ready auf Stufe 3 bei 100% Überschuss pumpe Heizstab inaktiv Quelle: T. Tjaden: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in 24 Einfamilienhaushalten“, 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
Wärmepumpen Erzielbare Autarkiegrade im Bereich der Wohngebäude 80% 80% Wärme- SG Wärme- SG pumpe Ready Smar t H eat Pumps pumpe Ready 70% 70% Smar t H eat Pumps Wärme- SG Wärme- SG pumpe Ready Smar t H eat Pumps pumpe Ready Smar t H eat Pumps 60% 60% Wärme- Wärme- pumpe pumpe Autarkiegrad 50% 50% Autarkiegrad Annahmen: 40% 40% 4000 kWh Haushaltsstrombedarf 30% 250 l TWW-Speicher 30% 500 l Heizungspuffer 20% 20% 8 kWh Nutzbare Batteriekapazität 10% 10% 0% 0% 4 kWp 7 kWp 10 kWp 4 kWp 7 kWp 10 kWp modernisierter Altbau Effizienzhaus 40 Annahmen: Luft/Wasser-Wärmepumpe Wärme- 22 bis 6 Uhr: 2K Nachtabsenkung pumpe SG-Ready auf Stufe 3 bei 100% Überschuss Heizstab inaktiv Quelle: T. Tjaden: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in 25 Einfamilienhaushalten“, 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
Wärmepumpen Zusammenfassung für Auslegung und Betrieb • Eine nennenswerte Deckung des Wärmepumpenstrombedarfs sowie eine thermische Speicherung benötigen mindestens eine spez. PV-Generatorleistung von 1 kWp/MWh. • Für eine wirtschaftlich optimale Nutzung von PV-Strom in Eigenversorgungssystemen spielt das spezifische Lastprofil einer Wärmepumpe eine entscheidende Rolle. • Die Einstellung einer Nachtabsenkung und die Nutzung der SG-Ready Schnittstelle ermöglichen in einem Einfamilienhaus einen Vorteil von 50 bis 200 €/a. • Eine große Herausforderung im Markt: Intransparenz der verfügbaren solaroptimierten Regelungen der Hersteller und Energiemanager sowie fehlende Anwendungsregeln zur SG-Ready-Schnittstelle. • Falls ein Batteriespeicher vorhanden ist, so sollte dieser als Energiemanager agieren. Dabei gilt: Vorzug von elektrischer Speicherung vor thermischer Speicherung. 26
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 27
E-Mobilität Grundsätzliche Leitplanken bei der Auslegung • Weiterhin gilt: PV Anlage so groß wie möglich, mindestens 1 kWp/MWh Gesamtstrombedarf • Einfamilienhaus: Bei PV-Anlagen < 7 kWp, Wallbox lieber 1-phasig ausführen, da E-Autos erst bei 6-8 A (1,4 bis 1,8 kW) anfangen zu laden. • Alternativ (auch für Gewerbebetriebe): Nutzung von Wallboxen, die im Energiemanagement die Umschaltung von 1 auf 3 Phasen unterstützen. • Größter Effekt auf die Eigenversorgung mit Solarstrom hat die Verfügbarkeit des Fahrzeugs. • Pendlerfahrzeug (nur spät Nachmittag/Abends am Ladepunkt) sollten bei der Auslegung der Größe des Batteriespeichers berücksichtigt werden. Zweitwagen (tagsüber am Ladepunkt) hingegen nicht. • Wichtig: Es erfordert Disziplin das Fahrzeug auch jedes Fall beim Abstellen anzuschließen • Für ein gutes Zusammenspiel von PV-Anlage, Batteriespeicher, Wärmepumpe und E-Auto lohnt es sich oftmals „im System“, sprich bei einem Hersteller, zu bleiben. 28
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 29
Tools und Literatur Lesenswerte Studien & Leitfäden Bilder sind verlinkt zu den Dokumenten 30
Tools und Literatur Herstellerunabhängige, kostenfreie Online-Tools zur Auslegung von PV-Systemen + X DGS Franken e.V. Energieagentur NRW Energieinstitut Vorarlberg https://www.pv-now- https://www.energieagentur.nrw/tool/p https://www.energieinstitut.at/tool easy.de/index.php?id=236 v-rechner/ s/susi/ • Schnell & einfach • Standortbezogen • Ausrichtung & Neigung • Ausrichtung & Neigung • Photovoltaik + Speicher • Photovoltaik + Speicher • E-Auto • Photovoltaik + Speicher • Wärmepumpe • Inkl. Wirtschaftlichkeit • E-Auto • Inkl. Wirtschaftlichkeit • Inkl. Wirtschaftlichkeit 31
Tools und Literatur Aber Achtung: Es besteht Bedarf an Standardisierung / Evaluierung bei Online-Tools 32 Rahmenbedingungen: 5000 kWh/a jährlicher Stromverbrauch und 5 kWp PV-Generatorleistung
Agenda Vorstellung Auslegung und Betrieb ◦ Photovoltaik & Speicher ◦ Wärmepumpe ◦ E-Mobilität Tools & Literatur ◦ Empfehlungen ◦ Ausblick 33
Inhalte und Partizipation im Projekt PIEG-Strom AP1 Referenz-Szenarien und Bewertungskriterien hauptverantwortlich durch das FZJ VDI-Gremium AP2 Komponenten- & Datenbibliothek AP3 Betriebsstrategien & Algorithmen AP6 Aufbereitung & hauptverantwortlich durch das FZJ hauptverantwortlich durch die HSEL Dokumentation Online-Formular AP4 Simulation der Anwendungsfälle AP5 Entwicklung Auslegungstool Möglichkeiten zur Partizipation hauptverantwortlich durch die HSEL hauptverantwortlich durch die HSEL im Forschungsprojekt PIEG- Strom □ Newsletter AP7 Erstellung der Richtlinienreihe und Verbreitung □ Experten-Wissen hauptverantwortlich durch den VDI □ Mitarbeit im VDI Gremium https://re-lab.hs-emden-leer.de/apps/forms/iQgb6xJzEKbTZZjN 34
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Was sagen Sie dazu? Zeit für Gespräch und Diskussion 36
Mehr zum Thema Solarenergie auf www.klimaschutz-niedersachsen.de www.ISFH.de www.efzn.de 37
Das war das Niedersächsische Forum Solarenergie 2020. Danke für Ihr Interesse! 38
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