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Dezentrale Batteriespeicher als Lösung für die optimale Solarstromverwertung

  • Autoren: Roland Grebe, Vorstand Entwicklung, und Felix Kever, Technologiekommunikation, beide SMA Solar Technology AG

(19.6.2012, Intersolar-Bericht) Der erhebliche Beitrag der Photovoltaik zur Energie­wende ist kaum mehr zu übersehen: Die Gesamtheit der PV-Anlagen in Deutschland konnte schon im Juni 2011 die gesamte Mittagsspitze des deutschen Tageslastprofils decken, so dass eine nahezu konstante Grundlast übrigblieb. Trotz dieser guten zeit­lichen Korrelation und der hervorragenden Prognostizierbarkeit der Solarenergie stellt sich die Frage, wie weitere PV-Leistung optimal ins Netz integriert werden kann. Denn schon heute ist in der täglich abrufbaren Grafik der EXX-Transparenzplattform häufig eine leichte, mittägliche Senke sowie ein morgendlicher und abendlicher Anstieg der konventionellen Leistungsbereitstellung zu erkennen.

Will man vermeiden, dass der weitere Photovoltaik-Zubau die Schwankungsbreite der konventionellen Leistung wieder erhöht, führt kein Weg an der Zwischenspeicherung von Solarstrom vorbei. Sinnvoll ist die Zwischenspeicherung aber auch deshalb, weil die Begrenzung von Erzeugungs- und Verbrauchsspitzen die Verteilnetze entlastet und hilft, Ausbaumaßnahmen zu vermeiden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind damit aber längst nicht ausgeschöpft: Dezentrale Speichersysteme können den Autarkiegrad steigern, die Versorgungssicherheit durch eine Backup-Stromversorgung erhöhen und bilden die technische Basis für eine Reihe künftiger Netzdienstleistungen. Kurz: Dezen­trale Speichersysteme sind der Schlüssel für den Umbau der Stromversorgung zum intelligenten Smart Grid auf Basis erneuerbarer Energien.

Zukunftsmodell der Stromversorgung
Abb. 1: Zukunftsmodell der Stromversorgung: Leistungsausgleich auf allen Ebenen, aber so dezentral wie möglich (Bild vergrößern)

Vorteile der dezentralen Speicherung

Zweckmäßig ist ein Ausgleich der fluktuierenden, erneuerbaren Erzeugungsleistung auf sämtlichen Ebenen des Versorgungssystems: Überregional und im internationalen Ver­bund, im regionalen Verteilnetz, aber auch innerhalb der Hausnetze von privaten An­lagenbetreibern und Industriebetrieben (Abb. 1). Dabei geht es neben der Zwischen­speicherung von Energie auch um ...

  • die zeitliche Steuerung von Stromverbrauchern (Lastmanagement) und
  • die Regelung von Erzeugungsanlagen (Einspeisemanagement).

In allen drei Fällen gibt es gute Gründe dafür, den Schwerpunkt auf dezentrale, ver­brauchernahe Anwendungen zu legen. So stammen in Deutschland mehr als 70 Pro­zent der PV-Leistung von kleineren PV-Anlagen, die ins Niederspannungsnetz einspei­sen. Hier findet aber auch der größte Teil des Stromverbrauchs statt, so dass ein möglichst dezentraler Leistungsausgleich die geringere Entfernung zwischen Erzeuger, Verbraucher und Speicher nutzen kann und so die Transportverluste und die Netzbe­lastung minimiert.

Bei den in Frage kommenden Batterietypen gibt es auch keine nennenswerten Skalen­effekte, die große Ausführungen wesentlich günstiger oder effizienter machen wür­den - in der Regel bestehen sie aus kleineren Batterie-Elementen, deren Anzahl zum Erreichen der gewünschten Speicherkapazität lediglich erhöht wird.

Für den dezentralen Einsatz von Speichern spricht außerdem die mögliche Ausbaudy­namik: Wie das Beispiel der installierten PV-Leistung eindrucksvoll zeigt, lässt sich der Aufbau nennenswerter Kapazitäten über kleine, privat finanzierte Einheiten bei ange­messener Förderung sehr schnell realisieren, da diese Investitionen kaum von Busi­ness-Modellen und Investoren abhängen. Im Gegensatz zu Verteilnetzbetreibern haben private Hausbesitzer zudem eine konkrete Motivation zur Nutzung von Spei­chersystemen:

  • Sie ermöglichen mehr Unabhängigkeit vom Versorger,
  • können eine ausfallsichere Stromversorgung gewährleisten und
  • bieten durch die Eigenverbrauchssteigerung und die Nutzung zeitvariabler Stromtarife einen konkreten wirtschaftlichen Anreiz.

Verteilnetzbetreiber haben dagegen kein Geschäftsmodell für den Betrieb von so ge­nannten Quartiersspeichern - nach aktueller Gesetzeslage ist ihnen der Betrieb von Speichersystemen sogar verwehrt. Hinzu kommen längere Planungs- und Genehmi­gungszeiträume sowie Finanzierungshemmnisse aufgrund des fehlenden Geschäftsmo­dells. Es gibt also gute Gründe dafür, sich näher mit dezentralen Hausenergiespeichern zu beschäftigen.

Keine Netzbelastung durch speichergestützten Eigenverbrauch

Die heute verfügbaren Systeme legen den Schwerpunkt auf die Erhöhung des Eigen­verbrauchsanteils, was aus zwei Gründen sinnvoll ist: Der Eigenverbrauch von Solar­strom ...

  • reduziert nicht nur die effektive Einspeiseleistung und entlastet damit das Ver­teilnetz, sondern
  • hat durch steigende Bezugsstrompreise einen immer größeren Anteil am wirt­schaftlichen Ertrag der PV-Anlage.

Und mit der geplanten Vergütungsabsenkung und der Begrenzung der EEG-Vergütung auf 80 Prozent der erzeugten Kilowattstunden wird der Eigenverbrauch sogar noch wichtiger für die Rentabilität.

Mit intelligenten Energiemanagement- und Speichersystemen lässt sich die Eigenver­brauchsquote tatsächlich deutlich steigern - seit einiger Zeit kursiert jedoch die Be­fürchtung, dass eine Eigenverbrauchserhöhung mit Speichern das Netz zusätzlich belasten könnte. Die Argumentation: Da sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit auf dem Markt eine eher geringe Speicherkapazität durchsetzen wird, wären die meisten dieser Speicher unter guten Einstrahlungsbedingungen bereits vor dem Erreichen des mittäglichen Erzeugungsmaximums vollständig geladen. In diesem Moment würde die Leistung dieser Anlagen mehr oder weniger abrupt ins Netz abgegeben, das dadurch einen plötzlichen Leistungszuwachs verkraften müsste.

Dieses Problemszenario lässt jedoch wichtige Aspekte außer Acht: Neben der räum­lichen Verteilung der Anlagen (unterschiedliche Längengrade der Standorte sowie gegebenenfalls unterschiedliche Wetterverhältnisse) wirken auch unterschiedliche Generatorausrichtungen, Speichergrößen und Anlagenleistungen dem angenommenen Gleichzeitigkeitseffekt entgegen. Ein anderer, bislang nicht berücksichtigter Punkt betrifft die Ladekennlinie typischer Speichersysteme. Denn zumindest bei den heute gängigen Typen springt der Ladestrom keinesfalls plötzlich auf null, wenn die Batterie vollgeladen ist. Stattdessen sorgt der Ladealgorithmus für eine vergleichsweise sanfte Abregelung des Ladestroms. Im Gegensatz zur PV-Erzeugung ist die Lade- oder Ent­ladeleistung auch jederzeit kontrollierbar, so dass Leistungssprünge leicht vermieden werden können. Gegen Leistungssprünge in der befürchteten Größenordnung spricht auch die Tatsache, dass für die Eigenverbrauchserhöhung eine vergleichsweise gerin­ge Speicherleistung am wirtschaftlichsten ist – nicht zuletzt wegen dem leistungsab­hängigen Batteriewirkungsgrad. In der Regel wird daher selbst ein mittags bei Sonnen­schein abrupt endender Ladevorgang keinen Leistungssprung in Höhe der maximalen PV-Leistung verursachen - das Ein- und Ausschalten größerer Verbraucher im Haus­halt hat meist deutliche stärkere Auswirkungen.

SMA Feldtest bestätigt Netzentlastung

Bestätigt wird diese Einschätzung auch durch einen Feldtest von SMA, in dem die Be­triebsdaten von zehn PV-Anlagen mit netzgekoppelten Speichern über zwölf Monate erfasst wurden. Da sich die Wirkung des Speichersystems einfach herausrechnen lässt, stehen auch die entsprechenden Vergleichswerte zur Verfügung. Das Ergebnis: Bei keiner Anlage und an keinem einzigen Tag zeigen die aufgezeichneten Leistungs­daten eine höhere, vom Speicher verursachte Dynamik in der Netzaustauschleistung, im Gegenteil. Bei gleichbleibenden Maximalwerten sind die mittleren Änderungsraten der Netzaustauschleistung in allen Fällen deutlich gesunken. Beim System mit der kleinsten PV-Peakleistung verringerte sie sich um rund 26 Prozent - wohlgemerkt trotz der auf Eigenverbrauchsmaximierung ausgelegten Betriebsführung der Speicher. Abb. 2 und Abb. 3 zeigen beispielhaft die Erzeugungs- und Verbrauchsdaten eines Vierperso­nen-Testhaushalts mit einer 5,6 kWp-Anlage - zunächst ohne und dann mit Speicher­system.


Abb. 2: Reale Erzeugungs- und Verbrauchswerte eines Vierpersonen­haushalts mit 5,6 kWp-Anlage: Die Netzaustauschleistung schwankt in beide Richtungen. (Bild vergrößern)

  


Abb. 3: Die gleiche Situation mit Speichersystem zur Eigenverbrauchs­optimierung: Die Menge der ins Netz gespeisten PV-Energie nimmt deutlich ab, zu einer erhöhten Netzbelastung kommt es nicht. (Bild vergrößern)

Abgesehen von der deutlich verringerten Einspeisung aufgrund der Solarstrom-Zwi­schenspeicherung ist gut zu erkennen, dass die größten Schwankungen in der Netz­austauschleistung hauptsächlich durch die Aktivierung leistungsstarker Verbraucher verursacht werden und keineswegs durch das 2,2 kW Speichersystem. Dennoch nimmt die Dynamik der Netzaustauschleistung insgesamt ab, was sich ja auch in den er­wähnten Jahresmittelwerten widerspiegelt.

Zusätzliche Netzentlastung durch intelligente Speicher

Mit einer Betriebsführung, die den Schwerpunkt ganz bewusst auf die Netzentlastung legt, lässt sich dieser positive Effekt aber noch deutlich steigern. Denkbar ist zum Beispiel eine Orientierung an der Funktionsweise des so genannten „Peak Shaving“: Erzeugungsspitzen, die nicht zeitgleich von entsprechenden Lasten ausgeglichen werden, nimmt das Speichersystem auf, so dass eine definierte Einspeiseleistung nicht überschritten wird. Im umgekehrten Fall begrenzt der Speicher den Leistungsbezug aus dem Netz, indem er gegebenenfalls zusätzliche Leistung zur Verfügung stellt. Abb. 4 zeigt diese Betriebsweise auf Basis der realen Erzeugungs- und Verbrauchswerte aus dem SMA Feldtest. Die Batterie wird jetzt erst beim Überschreiten von 1,9 kW Einspeiseleistung geladen und kann dafür über den gesamten Erzeugungszeitraum Erzeugungsspitzen zwischenspeichern. Bei identischer Eigenverbrauchssteigerung gegenüber dem herkömmlichen Speichersystem sorgt diese einfache Zusatzregel für eine deutlich reduzierte Dynamik der Netzaustauschleistung und wesentlich kleinere Maximalwerte.


Abb. 4: Variante mit simuliertem Speichermodell zur maximalen Netz­entlastung: Trotz gleicher Werte für Speicherkapazität und -leistung sinken Maximalwert und Dynamik der Netzaustauschleistung (Bild vergrößern)

Die Grafik verdeutlicht das enorme Entlastungspotenzial von intelligenten, lokalen Speichersystemen. Voraussetzung ist jedoch eine zuverlässige PV-Erzeugungsprog­nose, damit die Batterie auch bei einem unregelmäßigen Einstrahlungsverlauf vollstän­dig geladen werden kann.

Fast ebenso bedeutsam sind jedoch Informationen über das zu erwartende Lastprofil des Haushalts und die zeitlich genaue Erfassung der Verbrauchsleistung. Denn jeder zeitgleich zur PV-Erzeugung stattfindende Verbrauch reduziert die Netzaustausch­leistung und damit auch den Speicherbedarf. Und die hohe zeitliche Auflösung der Leistungsmessung ist entscheidend für die Ausregelung von schnell taktenden Ver­brauchern wie etwa Elektroherden. Die Ideallösung ist daher ein Speicher als Bestand­teil eines intelligenten, lokalen Energiemanagement-Systems wie zum Beispiel dem Sunny Home Manager von SMA: Neben einer Erzeugungs- und Lastprognose kann das Gerät mit drei S0- und D0-Zählerschnittstellen alle relevanten Energieflüsse im Haus­halt erfassen. Zusätzlich verfügt es über die Möglichkeit, den Betriebszeitpunkt ein­zelner Stromverbraucher automatisch und bedarfsgerecht zu steuern. Auf Basis eines solchen umfassenden Energiemanagement-Systems können Speicher erheblich zur Netzentlastung beitragen und gleichzeitig den Eigenverbrauchsanteil, die Autarkie und die Versorgungssicherheit erhöhen.

Erläuterung der Diagramme

  • Der Energieverbrauch im Haus entspricht der Summe aus der grauen und grünen Fläche (Netzbezug + Eigenverbrauch)
  • Die graue Fläche entspricht auch der von der positiven Netzaustauschleistung begrenzten Fläche
  • Die blaue Fläche entspricht der ins Netz gespeisten Energie und gleichzeitig der von der negativen Netzaustauschleistung begrenzten Fläche
  • Die gelbe und die orange Fläche entsprechen der ein- und ausgespeicherten Energiemenge

Lesebeispiel zu Abb. 4:

Zwischen 9 und 10 Uhr liegt die Erzeugungsleistung bei rund 3 kW, die Eigenver­brauchsleistung nur bei etwa 700 W. Die wachsende Differenz nimmt das Speicher­system auf (gelbe Fläche), so dass die Netzeinspeisung (rote Kurve) den Grenzwert von 1,9 kW nicht überschreitet.

Nach 10 Uhr übersteigt der Bedarf die PV-Erzeugung, die daher vollständig selbst ver­braucht wird (grüne Fläche). Die zusätzlich benötigte Energie kommt nicht aus dem Netz, sondern aus dem Speicher (orange Fläche), so dass die Netzaustauschleistung null ist.

Nur zwischen 11:30 und 14 Uhr überschreitet die Einspeiseleistung die Grenze von 1,9 kW, da die Maximalleistung des Speichersystems von 2,2 kW die Differenz aus Erzeu­gung und Verbrauch nicht vollständig ausgleichen kann. Ab 14 Uhr steigt der Ver­brauch wieder deutlich an, so dass die Einspeiseleistung auch ohne Speicherbetrieb unterhalb von 1,9 kW bleibt.

Die gegen 8 Uhr und 17 Uhr sichtbaren „grauen Spitzen“ in der Verbrauchsleistung entstehen dadurch, dass hier die Summe aus Eigenverbrauch und maximaler Speicher­leistung überschritten wird. Der verbleibende Rest wird daher aus dem Netz bezogen, was man auch an den positiven Ausschlägen der Netzaustauschleistung ablesen kann.

Weitere Informationen zu dezentralen Batteriespeichern können per E-Mail an SMA angefordert werden.

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