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Ziel des Vorhabens ist die quantitative Darstellung des Nutzens von Speichern in PV-Anlagen unter Berücksichtigung von

  • Speichertechnologie, -auslegung und -betriebsweise,
  • Wirkungen in Verteilungs- und Übertragungsnetzen,
  • Betriebs- und volkswirtschaftlichen Wirkungen sowie
  • ökologischen und sozialen Fragestellungen.

Durch die Identifikation von Speicher-Betriebsweisen, die sich auf das gesamte Energieversorgungssystem positiv auswirken, den damit verbundenen Rahmenbedingungen und deren Untersuchung hinsichtlich der Akzeptanz bei potenziellen Anlagenbetreibern, sollen Empfehlungen für die systemdienliche Einbettung von Speichern in PV-Anlagen gegeben und die dafür notwendigen Rahmenbedingungen sowie mögliche Fördermechanismen abgeleitet werden. Im Fokus stehen dabei Batteriespeichersysteme in Privathaushalten mit netzgekoppelter PV-Anlage.

  • Überlastete Netzelemente raumzeitlich aufgelöst © IFHT RWTH Aachen
  • Bei ungeeigneter, rein auf Eigenverbrauch optimierter Betriebsweise von PV-Batteriespeichern besteht die Gefahr, dass bereits zur Mittagszeit der Speicher voll geladen ist und PV-Anlagen dann plötzlich mit voller Leistung ins Netz einspeisen und dieses so zusätzlich belasten/destabilisieren. © IÖW
  • Qualitativer Vergleich der Netzauslastung bei Starklast-Starkwind: Die Betriebsstrategie ändert sich durch durch Einbezug weiterer Betriebsmittel, wie zum Beispiel Speicher. © PV-Nutzen
  • Die Grafik zeigt, wie Batterie im perfekten Fall genutzt werden könnte, da die hohe Einspeisung, die das Netz belastet, durch das Speichern reduziert wird. © Janina Moshövel, ISEA

Unabhängige Untersuchung

In dem Projekt PV-Nutzen werden in einer unabhängigen Untersuchung alle wesentlichen Aspekte des Einsatzes von Batteriespeichern in PV-Anlagen analysiert und quantifiziert. Bisherige Untersuchungen haben in der Regel nur Teilaspekte aufgezeigt oder sind von entsprechenden Interessengruppen angefertigt worden. Zudem kommen Partner zusammen, die mit langjähriger Erfahrung alle technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekte untersuchen und beurteilen können. Aufgrund des rapide steigenden Interesses der Industrie und verschiedener Interessenverbände ist eine unabhängige Expertise dringend notwendig. Sie ist in Verbindung mit der breiten Dissemination der Ergebnisse Voraussetzung dafür, dass die Erkenntnisse in der Folge bei vielen Akteuren – von der Industrie bis zu Betreibern und Politik – vielversprechende Innovationsprozesse und Handlungsbereitschaft auslösen.

Validierungs-Workshop zeigt Ergebnisse der Erstanalyse

Im ersten Projektjahr erstellten die Forscher eine Erstanalyse der Kombination von Speichern und PV-Anlagen. In einem Validierungs-Workshop präsentierten sie ihre Ergebnisse im 4. Quartal (Dezember 2013).

In den folgenden und abschließenden 1,5 Projektjahren evaluieren die Forscher die erwartete Speicherlebensdauer. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der technologiespezifischen Abhängigkeit der Lebensdauer von der Betriebsweise. Zudem optimieren sie die Speichersystemauslegung sowohl im Hinblick auf den privaten Nutzen des Anlagenbetreibers als auch auf den gesamtgesellschaftlichen Nutzen bezüglich Kosten und Netzstabilität. Durch die Koppelung des Batteriemodells  mit einem Netzsimulationsmodell können  Rückwirkungen auf das Verteilnetz untersucht werden. Anschließend erfolgt eine Analyse der gesamtsystemischen Auswirkungen des Speichereinsatzes auf das deutsche Energieversorgungsystem. Abgerundet wird das Projektvorhaben durch eine gesamtökologische Betrachtung. Dazu werden neben dem wirtschaftlichen Nutzen von PV-Speichern auch die Akzeptanz und Investitionsbereitschaft potentieller Nutzer untersucht. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte werden Handlungsempfehlungen für unterschiedliche Stakeholder entwickelt. Gegen Projektende findet ein weiterer Workshop zur Präsentation der Analyseergebnisse statt.

Neun Arbeitspakete im Verbund

Die Projektpartner „Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe“ (ISEA), „Institut für Hochspannungstechnik“ (IFHT) und „Institut für ökologische Wirtschaftsforschung“ (IÖW) bringen ihre Kompetenzen im Bereich Speichertechnologie, Netzsimulation und Umwelt- und Nachhaltigkeitsforschung für die Auslegung von PV-Speicher-Systemen, deren technischer Bewertung sowie einer gesamtökologischen Betrachtung ein. Das ISEA leitet auf Basis der technischen Eigenschaften verschiedener Batterietechnologien Auslegungsempfehlungen ab und bewertet deren Kosten unter anderem unter Berücksichtigung von Alterungseffekten. Das IFHT betrachtet die Wirkung der Speicher auf Verteilungsnetze und ermittelt dort den durch Speicher ggf. ersparten Netzausbau. Auf den überlagerten Netzebenen werden die technischen Auswirkungen (u.a. Kraftwerkseinsatz und Netzauslastungen) unterschiedlicher Betriebsführungsstrategien analysiert. Das IÖW untersucht die Akzeptanz- und Investitionsbereitschaft potenzieller Anlagenbetreiber und die Umweltwirkungen für die in diesem Projekt ermittelte Speicherauslegung und Betriebsweise.

Arbeitspaket 1: Das AP 1 soll vorrangig einen Überblick über bereits bestehende Arbeiten und Werkzeuge der Projektpartner liefern und dazu dienen die ggf. notwendigen Arbeiten zur Nutzbarmachung innerhalb des Projektes zu definieren. Hierzu ist auch zu erarbeiten, an welchen Stellen die einzelnen Werkzeuge miteinander interagieren.

Arbeitspaket 2:
Eine Studie konzentriert sich auf Privathaushalte mit ihren entsprechenden Lastprofilen. Zunächst werden Referenzfälle (repräsentative Beispielkonfigurationen) und Basisparameter festgelegt, die als Grundlage für die Simulationen und Berechnungen dienen. Zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklung werden darüber hinaus Zukunftsszenarien bzgl. des Ausbaus und der Nutzung von PV-Anlagen, Speichersystemen und Netzen entwickelt, u. a. unter Berücksichtigung der Leitstudie 2010 des BMU.

Arbeitspaket 3:
Basierend auf vorliegenden experimentellen Laborergebnissen zur Lebensdauer verschiedener Speichertechnologien werden existierende Lebensdauermodelle mit aktuellen Parametern versehen. Die Lebensdauermodelle werden in ein Gesamtsystemmodell zur Zeitreihensimulationen integriert. Für die Modellierung der Batterielebensdauer kann auf vorhandene Modellansätze zurückgegriffen werden.

Arbeitspaket 4:
Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, die optimale Speichersystem-größe zu bestimmen, um die Wirtschaftlichkeit für den Nutzer zu optimieren. Dabei werden einerseits der Eigenverbrauch betrachtet und andererseits die Vermeidung von Abschaltungen der PV-Anlagen bei Spannungsüberlastungen im Niederspannungsnetz. Dazu wird für verschiedene Beispielnetzstrukturen und unterschiedliche Durchdringungen mit PV-Anlagen der Nutzen der Batterie-systeme unterschiedlicher Größe, unterschiedlichen Einstrahlungsbedingungen  und bei unterschiedlichen Managementstrategien (z.B. unter Berücksichtigung einer Einstrahlungsvorhersage) quantifiziert. Es wird auch betrachtet, welchen Einfluss die Berücksichtigung von Regelleistung oder Systemdienstleistungen auf die optimale Speichergröße hat.

Arbeitspaket 5: 
Durch die Speicher kann das Niederspannungsnetzsegment bei hoher solarer Einstrahlung durch teilweise Aufnahme der Energie entlastet werden. Untersucht werden soll, um wie viel die Aufnahmefähigkeit von Netzsegmenten mit unterschiedlicher Struktur in Abhängigkeit der Zahl und der Größe der installierten PV-Anlagen sowie Zahl und Größe der Speichersysteme gesteigert werden kann. Daraus ergibt sich ein Nutzen für die Betreiber der PV-Anlagen durch zukünftig vermiedene Abregelung der Anlagen und ggf. die Vermeidung der Netzausbaus für das Niederspannungsnetzsegment.

Arbeitspaket 6:
Die Teilergebnisse des AP3 und AP5 bilden die Modellierungsbasis für die Arbeiten innerhalb von AP6, das die Auswirkungen des Einsatzes des dezentralen Speichers  auf das deutsche Energieversorgungssystem untersucht. Dabei werden die Änderungen in der Kraftwerkseinsatzplanung ebenso, wie die technischen Auswirkungen auf ein vereinfachtes Hochspannungsstromnetz analysiert.

Arbeitspaket 7:
Auf Basis der vorangegangen Arbeitspakete werden für das gesamte Energieversorgungssystem vorteilhafte Betriebsweisen für dezentrale Speicher abgeleitet. Es ist noch weitgehend ungeklärt, inwieweit die damit verbundenen Rahmenbedingungen (bspw. Smart Grids, Smart Metering, Fernzugriff auf Speicher durch Netzbetreiber) und die dadurch ggf. implizierten Verhaltensweisen auf die Akzeptanz der Anlagenbetreiber stoßen. Daher soll der Nutzen von Speichern für den Anlagenbetreiber ermittelt und dessen Investitionsbereitschaft und Inkaufnahme der entsprechenden Rahmenbedingungen empirisch untersucht werden.

Arbeitspaket 8:
Für ein nachhaltiges Wirtschaften ist die Berücksichtigung der ökologischen Perspektive von hoher Bedeutung. Die Wirkung des Gesamtsystems, das auf Haushaltebene aus einer PV-Anlage und einem Speicher besteht, setzt sich aus mehreren Aspekten zusammen.     Zunächst weisen die einzelnen Produkte beziehungsweise deren Herstellung, Nutzung und Entsorgung ökologische Wirkungen auf. Darüber hinaus hängt die Gesamt-wirkung von der Entwicklung der gesamtdeutschen Elektrizitätserzeugung ab. Entscheidend sind dabei die Fragen, inwiefern und welche Kraftwerke ihre Stromerzeugung herunterfahren können, wenn in signifikanter Anzahl dezentrale Speicher für PV-Strom zur Verfügung stehen. Zur näheren Untersuchung wird zunächst eine produktbezogene Ökobilanzierung durchgeführt. Aufbauend darauf sowie auf den Ergebnissen der vorangegangenen AP werden die ökologischen Wirkungen durch Änderungen auf den Kraftwerkspark LCA-basiert untersucht.

Arbeitspaket 9:
Die Ergebnisse aller Arbeitspakete werden zusammengeführt, bewertet und diskutiert. Als Ergebnis liegt ein ausführlicher und übersichtlicher Bericht zum wirtschaftlichen, technischen und ökologischen Nutzen von Speichern in PV-Anlagen vor. Die Chancen und Risiken unterschiedlicher Speicher-Betriebsweisen werden dargestellt und mögliche Rahmenbedingungen diskutiert, die eine für das gesamte Energieversorgungssystem vorteilhafte Speicherbetriebsführung sicherstellen können. Die Einbeziehung von Akzeptanz-Aspekten ermöglicht auf dieser Grundlage das Ableiten von zielgruppenspezifischen Empfehlungen. Abschließend werden Handlungsempfehlungen entwickelt und die Ergebnisse für unterschiedliche Zielgruppen aufbereitet. Diese Handlungsempfehlungen werden an Interessierte in elektronischer Form kostenlos abgegeben.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

13. März 2018
Energy Storage Europe 2018

13. März 2018
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

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