Offenes Simulationsmodell

für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme

Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Volker Quaschning

Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin

Christian Messner (AIT), Michael Knoop und Matthias Littwin (ISFH)Hauke Loges (elenia), Kai-Philipp Kairies und David Haberschusz (ISEA)

32. Symposium Photovoltaische Solarenergie,

Kloster Banz, Bad Staffelstein, 08.-10. März 2017

2

Systemkomponenten und Energiewandlungspfade

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC

AC-gekoppelte Systeme

PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

3

Systemkomponenten und Energiewandlungspfade

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC

AC-gekoppelte Systeme

PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

4

Systemkomponenten und Energiewandlungspfade

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

Umrichter

BAT

DC

DC

DC

AC

DC

AC

DC

DC

AC-gekoppelte Systeme

PV AC2 AC BAT2

AC AC

PV

DC

AC

BATPV

DC

DC

DC

DC

DC-gekoppelte Systeme

DC

AC

PV AC2

PV BAT2

AC BAT2

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Umrichter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

(optional)

5

Systemkomponenten und Energiewandlungspfade

AC

BATPV

DC

DC

DC

AC

DC

DC

PV-Generato ystemergekoppelte S

PV BAT2PV AC2

PV-Generator

Last

MPP-Tracker

Wechsel-richter

Batterie-speicher

Netz

Laderegler

6

Verlustmechanismen in PV-Batteriesystemen

• Eigenschaften, die Abweichungen gegenüber dem idealen, verlustfreien Systemverhalten hervorrufen.

• Systemverluste führen in der Regel zum Anstieg des Netzbezugs oder zur Reduktion der Netzeinspeisung.

• Klassifizierung der Verlustmechanismen in fünf Kategorien.

Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen

Umwandlungs-

verluste

Energiemanage-

mentverluste

Regelungs-

verluste

Bereitschafts-

verluste

Dimensionie-

rungsverluste

7

Status Quo: Wirkungsgradangaben der Hersteller

Quelle: Hersteller

8

Ausschau nach dem Effizienzlabel

5 AG Speicherperformance

9

Ausschau nach dem Effizienzlabel

Label5

Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot

AG Speicherperformance

10

Ausschau nach dem Effizienzlabel

Label5 AG Speicherperformance

Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot

11

Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

12

Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

• Prüfleitfaden für alle Topologien• AC-gekoppelt• DC-gekoppelt• PV-Generatorgekoppelt

• Ermittlung von Effizienzparametern

• Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste• Regelungseffizienz

• Veröffentlichung am 14.03.2017 auf der Energy Storage durch den BVES und BSW

13

Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

• Prüfberichte als Grundlage für weitere Schritte

• Prüfergebnisse• Nennleistung• Speicherkapazität• Auslastungsabhängige

Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste der

Systemkomponenten• Regelgeschwindigkeit und

Regelgenauigkeit

• Diskussion der Vorschläge zum den Datenblattangaben am 30.03.2017. Kontakt: BVES

Datenblatt

14

Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

• Prüfberichte als Grundlage für Simulationsprogramme

• Ziel des Simulationstests

• Vergleich der Systemperformance verschiedener Produkte unter identischen Bedingungen

• Werkzeug zur Produkt- und Systementwicklung

15

Vorstellung des Simulationsmodells

• Performance-Simulationsmodell für AC-gekoppelte PV-Batteriesysteme (PerModAC).

• Matlab-Programmcode inkl. Eingangsdatensatz zur Simulation der Energieflüsse in einsekündiger Auflösung.

• Parametrierung des Modells auf Basis von Labormessungen nach dem Effizienzleitfaden.

• Modellansatz: „So einfach wie möglich, so komplex wie nötig.“

• Frei verfügbar: https://pvspeicher.htw-berlin.de/permod

PerMod AC

16

Validierung durch Labormessungen

Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin

Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges

• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.

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Validierung durch Labormessungen

Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin

Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges

• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.

• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.

Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen)

18

Validierung durch Labormessungen

Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin

Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges

• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.

• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.

• Simulation des Systems mit den gleichen Eingangsdaten und anschließender Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse.

Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen) AC-Batterieleistung (simuliert)

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Validierung anhand des AC-Systemnutzungsgrad

AC−Systemnutzunggrad

=AC−Batterieentladung

AC−Batterieladung

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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

Einheitliche Datenblattangaben

Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden

Simulationstest

1

2

3

4

5

Sta

tus q

uo

Fehlende Messstandards

Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte

Mangelende Transparenz der Effizienzangaben

Großes Effizienz-Optimierungspotenzial

21

Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh

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Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh

23

Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher

= 1403 €/a

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Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher

= 1403 €/a

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Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

SPI =Kosteneinsparung des realen Systems

Kosteneinsparung des idealen Systems

Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher

= 1403 €/a

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Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

SPI =Kosteneinsparung des realen Systems

Kosteneinsparung des idealen Systems

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Einführung des System Performance Index (SPI)

PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh

83

6 €

/a

97 €/a

Reales PV-System ohne Batteriespeicher

SPI =Kosteneinsparung des realen Systems

Kosteneinsparung des idealen Systems

77,8%

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Schlussfolgerungen

• Der Effizienzleitfaden für PV-Batteriespeicher stellt einebedeutende Grundlage für die Bestimmung von Effizienzparameternfür Datenblattangaben und Simulationsmodelle dar.

• Der Anspruch eines umfassenden, anwendungsbezogenenVergleichs von PV-Batteriesystemen bei gleichzeitig geringemzeitlichen und finanziellen Aufwand kann am besten durchSimulationen erfüllt werden.

• Das PerModAC-Modell ermöglicht eine genaue Abbildung der Realität und kann zusammen mit der Community als Open Source Modell weiterentwickelt werden.

• Wichtigste Weiterentwicklung ist die Anpassung und Validierungdes Modells für PV-Generator- und DC-gekoppelte Systeme.

• Mit dem vorgestellten System Performance Index (SPI) könnenmittelfristig Speichersysteme aller Topologien anwendungsbezogentechnisch sowie ökonomisch miteinander verglichen werden.

• Damit ist der SPI eine geeignete Grundlage für Marktübersichtenund ein einheitliches sowie verständliches Effizienzlabel.

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

pvspeicher.htw-berlin.de

Ein großer Dank an die Verbände

und den Fördermittelgeber / Projektträger

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

pvspeicher.htw-berlin.de