Wirtschaftlicher Einsatz von Solarenergie-Akkumulatoren unter besonderen Einsatzbedingungen


Bachelorarbeit, 2015

49 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

II Abbildungsverzeichnis

IIIAbkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Politische und gesetzliche Rahmenbedingungen
2.2 Grundlagen und Stand der Technik von Speichersystemen

3 Rahmenbedingungen der Simulation
3.1 PV-Erzeugungsprofil
3.2 Lastprofil
3.3 Dimensionierung von Speichersystemen
3.4 Simulationssoftware

4 Voruntersuchungen
4.1 Vorgehen
4.2 Anlagenparameterauswahl
4.3 Simulationsergebnisse
4.4 Fazit
4.5 Vergleich mit dem Unabhängigkeitsrechner der HTW Berlin

5 Simulation unter besonderen Bedingungen
5.1 Variante 1: Haushalt mit überwiegendem Verbrauch in der Nacht
5.1.1 Parameterauswahl
5.1.2 Simulationsergebnisse
5.1.3 Vergleich mit Haushalt mit überwiegendem Verbrauch am Tag
5.2 Variante 2: Gewerbebetrieb mit stündlichen Lastspitzen
5.2.1 Parameterauswahl
5.2.2 Simulationsergebnisse

6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
6.1 Methoden der Investitionsrechnung
6.2 Kosten
6.3 Erträge
6.4 Weitere Parameter
6.5 Finanzbedingungen
6.6 Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung

7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Schlussfolgerungen
7.2 Kritische Betrachtung
7.3 Ausblick

8 Zusammenfassung

9 Quellenverzeichnis

II Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Neu installierte PV-Leistung in MWp in Deutschland in den Jahren 2000-2013

Abb. 2 BSW-Solar PV-Preisindex von 2006-2014

Abb. 3 Entwicklung der Strompreise seit 1998 in Deutschland

Abb. 4 Vergleich der Kostenentwicklung der Haushaltsstrompreise mit der EEG-Vergütung für Photovoltaikanlagen mit einer instal- lierten Leistung von weniger als zehn Kilowattpeak

Abb. 5 Vergleich der Eigenschaften von Bleispeicher und Lithium- Ionen-Speicher 7

Abb. 6 DC- und AC-Speichersysteme

Abb. 7 Einflussfaktoren auf die energetischen Bewertungsgrößen von PV-Speichersystemen

Abb. 8 Tageslastgang des SLP L0

Abb. 9 Tageslastgang des SLP G2

Abb. 10 Tageslastgang des SLP H0

Abb. 11 Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad in Abhängigkeit der nutzbaren Speicherkapazität und PV-Leistung, jeweils nor miert auf den Jahresstrombedarf in MWh

Abb. 12 Übersicht der verwendeten Komponenten der Voruntersuchung

Abb. 13 Übersicht der Konstellationen Lastprofil, PV-Anlagengröße und Speichergröße der Voruntersuchung

Abb. 14 Übersicht der verwendeten Batterietypen

Abb. 15 Eigenverbrauchsquote der Lastprofile in Abhängigkeit der Spei- chergröße der Voruntersuchung

Abb. 16 Autarkiegrad der Lastprofile in Abhängigkeit der Speicher- größe der Voruntersuchung

Abb. 17 Vergleich der Simulationsergebnisse des Unabhängigkeitsrechner der HTW Berlin und des Standardlastprofils H0 aus PV*Sol

Abb. 18 Überblick über die Jahresverbräuche von Lastprofil und Ein- zelverbrauchern der Variante 1

Abb. 19 Überblick über die Konstellationen Lastprofil, PV-Anlagengröße und Speichergröße der Variante 1

Abb. 20 Überblick über die Anlagenleistung, Modulanzahl und den Wechselrichtertyp

Abb. 21 Eigenverbrauchsquote in Abhängigkeit von PV-Leistung und Speichergröße bei einem Haushalt mit überwiegendem Verbrauch in der Nacht

Abb. 22 Autarkiegrad in Abhängigkeit von PV-Leistung und Speicher- größe bei einem Haushalt mit überwiegendem Verbrauch in der Nacht

Abb. 23 Eigenverbrauchsquote in Abhängigkeit von PV-Leistung und Speichergröße bei einem Haushalt mit überwiegendem Verbrauch am Tag

III Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz hat sich als Ziel gesetzt, insbesondere im In- teresse des Klima- und Umweltschutzes, eine nachhaltige Entwicklung der Ener- gieversorgung zu ermöglichen und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien zu fördern1. Aus diesem Grund wird für Strom aus Wasserkraft, Biomasse, Geothermie, Windenergie und Photovoltaikanlagen ein fester Vergütungssatz gezahlt, der einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen ermöglichen soll. Durch eine stetige Degression dieses Sat- zes werden dabei für die jeweilige Technologie Verbesserungsanreize geweckt und Kostensenkungen berücksichtigt. Besonders im Bereich der Photovoltaik wurden in den letzten Jahren die einst hohen Einspeisevergütungen stark gekürzt.

Der Eigenverbrauch von Strom aus Photovoltaikanlagen gewinnt somit immer mehr an Bedeutung, da den sinkenden Vergütungssätzen für die Einspeisung die steigenden Strombezugspreise gegenüberstehen. So hat sich der Strompreis in den letzten zehn Jahren fast verdoppelt2.

Um die Eigenverbrauchsquote und den Autarkiegrad zu erhöhen, drängen immer mehr Speichersysteme auf den Markt. Die Stromspeicher können durch ihre Eigenschaft, die Stromerzeugung und Stromnachfrage zeitlich zu entkoppeln den Strom dann zur Verfügung stellen, wenn die entsprechende Nachfrage besteht. Vor allem für den privaten Bereich existieren auf dem Markt bereits solche Speichersysteme. Die Kosten für diese Systeme sind derzeit noch relativ hoch, so dass sich ein wirtschaftlicher Betrieb nur selten ergibt. Es wird allerdings erwartet, dass die Kosten in den nächsten Jahren stark sinken und die Systeme somit auch im gewerblichen Bereich attraktiver werden.

In dieser Bachelorarbeit soll untersucht werden, ob sich ein wirtschaftlicher Ein- satz von Solarenergie-Akkumulatoren unter besonderen Bedingungen ergeben kann. Hierzu werden verschiedene optimierte Bedingungen definiert, welche sich beispielsweise auf besondere Konstellationen der Größe der PV-Anlage und des Speichers oder auf besondere Lastprofile der Verbraucher erstrecken. Danach wird eine Simulation mit den vorher festgelegten Parametern durchgeführt. Für einen Anwendungsfall wird dann mit realen Kosten einer möglichen Anlage eine Wirt- schaftlichkeitsrechnung aufgestellt. Abschließend wird eine geeignete Empfehlung im Sinne der Aufgabenstellung gegeben.

2 Grundlagen

In diesem Kapitel wird ein kurzer Überblick über die Entwicklung der politischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen, sowie über den aktuellen Stand der Technik von Speichersystemen für Photovoltaikanlagen gegeben.

2.1 Politische und gesetzliche Rahmenbedingungen Erneuerbare-Energien-Gesetz

Das EEG wurde im Jahr 2000 aufgrund von klimapolitischen Zielen eingeführt. Es regelt die bevorzugte Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen in das Stromnetz und garantiert deren Erzeugern feste Einspeisevergütungen3. Die anfangs gewährten hohen Einspeisevergütungen führten zu einem rapiden Marktwachstum im Bereich der Photovoltaik (siehe Abbildung 1). Dies sorgte für fallende Systempreise und einen sprunghaften Anstieg der neu installierten Photovoltaik-Leistung in Deutschland (siehe Abbildung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Neu installierte PV-Leistung in MWp in Deutschland in den Jahren 2000-20134

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: BSW-Solar PV-Preisindex von 2006-20144

Durch mehrere Novellierungen des EEG wurden die Einspeisevergütungen immer weiter gesenkt. Im Jahr 2005 betrug sie bis zu 54,53 Cent/kWh, heute beträgt sie für Kleinanlagen bis einschließlich 500kWp 12,53 Cent/kWh5. Mit dem Inkraft- treten der Reform des EEG zum 01.08.2014 haben sich die Rahmenbedigungen für Investitionen in PV-Anlagen in mehrfacher Hinsicht geändert. Die feste Ein- speisevergütung gilt nur noch für Kleinanlagen bis 500kWp. Betreiber größerer Anlagen müssen ihren produzierten Strom direkt vermarkten. Zusätzlich zu dem Erlös aus der Direktvermarktung erhalten Betreiber eine Marktprämie, welche aus der Differenz zwischen hypothetischer Einspeisevergütung und dem Durch- schnittspreis an der Strombörse des jeweiligen Monats besteht. Die Degression der Einspeisevergütung beträgt nun 0,5% anstatt der bisherigen 1% pro Monat. Die Degression ist allerdings flexibel anpassbar und abhängig vom Zielkorridor der neu installierten PV-Leistung. Eine weitere Neuerung ist, dass die EEG-Umlage nun auch anteilig auf den Eigenverbrauch von Solarstrom gezahlt werden muss. Ausgenommen sind Kleinanlagen, die unter die Bagatellgrenze von 10kWp instal- lierter Leistung oder 10MWh selbst verbrauchter Strommenge fallen6.

Richtlinien zur Förderung von stationären und dezentralen Batteriespeichersystemen zur Nutzung in Verbindung mit Photovoltaikanlagen

Im Mai 2013 startete die Bundesregierung ein Programm zur Förderung von Solarstromspeichern. Die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) gewährt einen zinsgünstigen Kredit und das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) bietet einen Tilgungszuschuss an. Der aktuelle Fördersatz für eine Neu- errichtung einer PV-Anlage mit einem stationären Batteriespeichersystem beträgt bis zu 600e/kWp. Für die Nachrüstung eines Speichersystem einer Bestandsan- lage, die nach dem 31.12.2012 in Betrieb genommen wurde und mindestens sechs Monate betrieben wurde, gilt der erhöhte Fördersatz von bis zu 660e/kWp. Die maximale installierte PV-Leistung darf hierbei 30kWp nicht überschreiten. Des Weiteren muss die maximale Leistungsabgabe der PV-Anlage auf 60% der in- stallierten Leistung am Netzanschlusspunkt begrenzt sein. Diese Verpflichtung besteht für die gesamte Lebensdauer der PV-Anlage7. Ziel der Förderung ist es die Markt- und Technologieentwicklung von stationären Batteriespeichersyste- men durch wirtschaftliche Anreize zu begünstigen8.

Entwicklung der Strompreise

Die Strompreise sind in den letzten Jahren in den Bereichen Haushalt, Gewer- be und Industrie kontinuerlich angestiegen. Der durchschnittliche Strompreis ei- nes Drei-Personen-Haushaltes mit einem Jahresverbrauch von 3.500kWh hat sich seit dem Jahre 2000 von 13,94ct/kWh auf 29,13ct/kWh im Jahr 2014 mehr als verdoppelt2. Die Hauptgründe für diese Preissteigerung sind gestiegene Steuern und Abgaben, sowie die Verknappung von Ressourcen zur Strom- und Wärmeerzeugung. Die Steuern und Abgaben für Haushalte haben sich seit dem Jahr 2000 fast verdreifacht. Einen großen Anteil hierdran hat die EEG-Umlage, welche sich durch den Zubau der erneuerbaren Energien kontinuerlich gesteigert hat. Im Jahr 2003 betrug sie 0,41ct/kWh, im Jahr 2014 6,24ct/kWh2. Im Jahr 2015 wird die EEG-Umlage erstmalig seit ihrer Einführung um 0,07ct/k- Wh auf 6,17ct/kWh sinken. Dies ist zu einem auf das deutliche Plus auf dem EEG-Umlagekonto, zum anderen auf den, durch die stark gesunkenen Einspei- severgütungen, verminderten Zubau von erneuerbaren Energien zurückzuführen. In Abbildung 3 ist zu erkennen, dass der Anteil der Steuern und Abgaben am Strompreis in den letzten Jahren immer weiter angestiegen ist und mittlerweile fast die Hälfte des Strompreises ausmacht. Da die Primärenergiepreise und die Netzentgelte, aufgrund des Netzausbaus infolge der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energien, weiter ansteigen, wird auch der Strompreis in den nächsten Jahren tendenziell steigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Entwicklung der Strompreise seit 1998 in Deutschland2

Aufgrund dieser gegenläufigen Entwicklungen, auf der einen Seite die sinkenden Einspeisevergütungen und auf der anderen Seite die steigenden Strompreise, wird der Eigenverbrauch von Solarstrom immer attraktiver. In Abbildung 4 lässt sich erkennen, dass die Differenz zwischen Einspeisevergütung und Strompreis im- mer größer wird. Dieser Trend wird sich wahrscheinlich in den nächsten Jahren fortsetzen, so dass dem Eigenverbrauch eine immer größer werdende Bedeutung zukommt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Vergleich der Kostenentwicklung der Haushaltsstrompreise mit der EEG-Vergütung für Photovoltaikanlagen mit einer installierten Leistung von weniger als zehn Kilowattpeak16

2.2 Grundlagen und Stand der Technik von Speichersystemen

Aufgrund der großen Nachfrage von Speichersystemen für PV-Anlagen haben immer mehr Hersteller eigene Modelle auf den Markt gebracht. Die verschiedenen Speichersysteme unterscheiden sich hauptsächlich durch verschiedene Batterietechnologien, die Ankopplung der Batterie und ob das System netzgekoppelt oder netzunabhängig funktionieren soll.

In der Praxis haben sich Batterien auf Blei- und Lithium-Ionenbasis durchge- setzt. Diese beiden Typen unterscheiden sich hinsichtlich wichtiger Parameter wie beispielsweise Zyklenzahl, Entladetiefe, Lebensdauer und Wirkungsgrad (sie- he Abbildung 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Vergleich der Eigenschaften von Bleispeicher und Lithium-Ionen- Speicher9

Die Anschaffungskosten unterscheiden sich je nach System noch stark voneinan- der. So sind Blei-Speicher aufgrund langjähriger Erfahrung und Forschung deut- lich günstiger als die relativ jungen Lithium-Ionenspeicher. Allerdings müssen bei einer Kaufentscheidung auch Eigenschaften der Technologien berücksichtigt werden. Hier haben die Lithium-Ionenspeicher durch den höheren Wirkungsgrad, Zyklenzahl und Lebensdauer deutliche Vorteile, so dass der große Preisunterschied in Bezug auf die gespeicherte Energie nicht zwingenderweise mehr besteht9.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Anschlussart an die PV-Anlage. Es wird unterschieden zwischen DC-Systemen und AC-Systemen. Bei der DC- Kopplung ist die Batterie im Zwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen. Der Solarstrom muss also nur eine Spannungsanpassung durchlaufen, bevor er in die Batterie gespeist wird. Bei der AC-Kopplung ist die Batterie an das Wech- selstromnetz angeschlossen. Es wird ein Batteriewechselrichter benötigt, damit Strom in der Batterie gespeichert werden kann. Durch diesen zusätzlichen Trans- formationsschritt sind die Verluste größer als bei einem DC-System. Ein Vorteil des AC-Systems ist, dass es zur Nachrüstung bei bereits bestehenden PV-Anlagen geeignet ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: DC- und AC-Speichersysteme10

Eine weitere, von der Batterietechnologie unabhängige, Optimierungsgröße ist die Nennspannung des Batterieverbandes. Hintergrund ist die Tatsache, dass nahezu jede Batterie aus mehreren einzelnen Zellen besteht. Während die Zellspannung nur durch die eingesetzten Materialien bestimmt wird (Blei-Säure: 2 V, Li-Ion: 3,6 V), kann die Nennspannung des Batterieverbandes durch Reihenschaltung meh- rerer Zellen weitgehend frei gewählt werden. Aus Sicht der Leistungselektronik ist unter Kosten- und Wirkungsgrad-Gesichtspunkten eine eher hohe Batterie- spannung sinnvoll, die möglichst im Bereich der Zwischenkreisspannung des Um- richters liegt. Die Batterie betrachtend ist es dagegen deutlich kostengünstiger, möglichst wenige Zellen mit entsprechend großer Kapazität einzusetzen - aller- dings um den Preis einer geringeren Batterie-Nennspannung. Für Li-Ion-Batterien gilt prinzipiell das Gleiche, wobei der Effekt noch durch die je Zelle erforderliche Überwachungselektronik verstärkt wird. Generell bleibt festzuhalten: Batterie- systeme mit wenigen großen Zellen und vergleichsweise kleinen Nennspannungen sind deutlich günstiger in der Anschaffung, verursachen aber höhere Energiever- luste bei der notwendigen Spannungsanpassung und gegebenenfalls auch höhere Kosten für die Leistungselektronik11.

Bezüglich der optimalen Auslegung eines Speichersystems können keine pauschalen Aussagen getroffen werden. Es muss der individuelle Fall betrachtet werden, da die Vor- und Nachteile jedes Teilaspekts sich gegenseitig beeinflussen.

3 Rahmenbedingungen der Simulation

Für die Simulation des Speichersystems mit Photovoltaikanlage müssen einige Parameter festgelegt werden. Die Einflussfaktoren auf den Eigenverbrauchsanteil und auf den Autarkiegrad sind in Abbildung 7 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Einflussfaktoren auf die energetischen Bewertungsgrößen von PV- Speichersystemen12

3.1 PV-Erzeugungsprofil

Bei der Planung einer PV-Anlage spielen mehrere Faktoren eine Rolle, damit die Anlage später optimale Ergebnisse erzielt. Diese betreffen natürlich die Größe der Anlage, aber auch die Ausrichtung, Neigung und Beschaffenheit der Module sowie des Wechselrichters.

Die Module sollten für einen maximalen Anlagenertrag möglichst senkrecht zur eintreffenden Sonneneinstrahlung montiert werden. Da dies aufgrund des sich ändernden Einstrahlungswinkels nicht möglich ist, muss ein Kompromiss geschlos- sen werden. Die Ausrichtung der Module sollte für einen hohen Ertrag optima- lerweise Richtung Süden (Azimuth=0 ) sein. Der optimale Neigungswinkel der Module ist standortabhängig. In Deutschland beträgt er zwischen 30 -35 .

Die Größe der PV-Anlage wird für diese Ausarbeitung auf 10kWp beschränkt, da oberhalb dieser Bagatellgrenze laut EEG die EEG-Umlage anteilig auch auf den Eigenverbrauch gezahlt werden muss. Da diese Regelung die Wirtschaftlichkeit einer Anlage bremst, wird in dieser Arbeit darauf nicht näher eingegangen.

3.2 Lastprofil

In dieser Ausarbeitung wird unter anderem auf die Standardlastprofile des Bun- desverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) zurückgegriffen. Ein Standardlastprofil (SLP) ist ein repräsentatives Lastprofil, welches die nicht vorhandenen Lastganglinien von Letztverbrauchern durch eine errechnete, hinrei- chend genaue Prognose der Stromabnahme mit einer Auflösung von 15 Minuten ersetzt13. Für die Simulation wird zum einen das SLP eines landwirtschaft- lichen Betriebs L0 herangezogen. Zum anderen wird das SLP eines Gewerbes mit überwiegenden Verbrauch in den Abendstunden wie beispielsweise Abend- gaststätten oder Fitnessstudios (G2), sowie das SLP eines Haushaltes H0 ver- wendet. Beispielhaft sind auf den folgenden Abbildungen die Tageslastgänge des Winterhalbjahres zu sehen.

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Ende der Leseprobe aus 49 Seiten

Details

Titel
Wirtschaftlicher Einsatz von Solarenergie-Akkumulatoren unter besonderen Einsatzbedingungen
Hochschule
Fachhochschule Kiel  (Fachbereich Informatik und Elektrotechnik)
Note
2,0
Autor
Jahr
2015
Seiten
49
Katalognummer
V351594
ISBN (eBook)
9783668382176
ISBN (Buch)
9783668382183
Dateigröße
2317 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Photovoltaik, Erneuerbare Energien, Speicher
Arbeit zitieren
Philipp Stoebel (Autor), 2015, Wirtschaftlicher Einsatz von Solarenergie-Akkumulatoren unter besonderen Einsatzbedingungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/351594

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