Potenzial der Stromversorgung von Wohngebäuden durch...

Das Vorhaben „PVprog“ wird im Umweltentlastungs-

programm II gefördert aus Mitteln des Europäischen

Fonds für Regionale Entwicklung und des Landes

Berlin (Förderkennzeichen 11410 UEP II/2)

Potenzial der Stromversorgung von Wohngebäuden

durch Solarstromspeicher

Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Joseph Bergner, Volker Quaschning

Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin

Symposium Dezentrale Solarstromspeicher für die Energiewende,

Berlin, 2. Juli 2015

2

Batterieentladung

Direktverbrauch

Netzbezug

Batterieladung

Energieflüsse von PV-Speichersystemen

Netzeinspeisung

Netz

Last

Photovoltaik- system

Batterie- speicher

3

Online-Tool zur Systemdimensionierung

http://pvspeicher.htw-berlin.de/unabhaengigkeitsrechner

Jahresstromverbrauch

6000 kWh

Photovoltaikleistung

5 kWp

Nutzbare Speicherkapazität

5 kWh

Direktverbrauch

Batterieladung

Batterieentladung

Netzeinspeisung

Netzbezug

Photovoltaik-system

Batterie-speicherVerbraucher

Netz

UnabhängigkeitsrechnerHochschule für Technik und

Wirtschaft Berlin

pvspeicher.htw-berlin.de

Weitere Informationen

Eigenverbrauchsanteil Autarkiegrad

63% 50%

https://pvspeicher.htw-berlin.de/unabhaengigkeitsrechner/

http://pvspeicher.htw-berlin.de/unabhaengigkeitsrechner

4

Energetische Systemdimensionierung

Abschätzung für Einfamilienhaushalte durch Normierung auf den Jahresstrombedarf in MWh

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

90%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

PV-Leistung in kWp/MWh

nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Eigenverbrauchsanteil

5



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

90%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%


4 kWp bei 4 MWh (4000 kWh)

6



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

90%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%




7



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

90%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%


6 kWh bei 4 MWh

8



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

90%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%


6 kWh bei 4 MWh

9 kWh bei 6 MWh

9



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Autarkiegrad

10



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Autarkiegrad

11



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Autarkiegrad

12



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%Autarkiegrad

13

Einflüsse auf energetische Bewertung

PV-Leistung

Speicherkapazität

Speicherleistung

Batterietechnologie

Ladeverfahren

Systemtopologie

Systemtechnik

Zeitschrittweite

Batteriemodell

PV-Generatormodell

Wechselrichtermodell

Systemverlustannahmen

Simulation

Jahresstrombedarf

Haushaltstyp

Haushaltsgröße

Nutzerverhalten

Geräteausstattung

Zukünftige Entwicklung

Lastprofil

Jährliche Bestrahlung

PV-Generatorausrichtung

PV-Generatorneigung

Standort

Verschattung

Zukünftige Entwicklung

PV-Erzeugungsprofil

14

Einfluss der Anlagenstandorts

Systemgröße: PV-Leistung 1 kWp/MWh, nutzbare Speicherkapazität 1 kWh/MWh Datengrundlage: minütliche Klimadaten vom 23 DWD Standorten

50%

52%

54%

56%

58%

60%

950 1000 1050 1100 1150

Auta

rkie

gra

d u

nd E

igenverb

rauchsante

il

PV-Jahresertrag in kWh/kWp

Eigenverbrauchsanteil

Autarkiegrad

15

Einfluss der Anlagenstandorts


50%

52%

54%

56%

58%

60%

950 1000 1050 1100 1150

Auta

rkie

gra

d u

nd E

igenverb

rauchsante

il

PV-Jahresertrag in kWh/kWp

Eigenverbrauchsanteil

Autarkiegrad

16

Jahreszeitliche Variation des Stromverbrauchs

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 10 20 30 40 50

wöche

ntlic

he

r/jä

hrlic

he

r S

trom

be

da

rf

Woche des Jahres

Standardlastprofil

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 10 20 30 40 50

wöche

ntlic

he

r/jä

hrlic

he

r S

trom

be

da

rf

Woche des Jahres

Standardlastprofil

Mittelwert aller Haushalte

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 10 20 30 40 50

wöche

ntlic

he

r/jä

hrlic

he

r S

trom

be

da

rf

Woche des Jahres

Standardlastprofil


Haushalt mit Klimaanlage

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 10 20 30 40 50

wöchentlic

her/

jäh

rlic

her

Str

om

bed

arf

Woche des Jahres

Standardlastprofil



Haushalt mit Wärmepumpe

Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

17

Tageszeitliche Variation des Stromverbrauchs

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 4 8 12 16 20 24

vie

rte

lstü

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liche

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glic

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Str

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be

da

rf

Stunde des Tages

Standardlastprofil


0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 4 8 12 16 20 24

vie

rte

lstü

nd

liche

r/tä

glic

her

Str

om

be

da

rf

Stunde des Tages

Standardlastprofil


nachtaktiver Haushalt

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

0 4 8 12 16 20 24

vie

rte

lstü

nd

liche

r/tä

glic

her

Str

om

be

da

rf

Stunde des Tages

Standardlastprofil



tagaktiver Haushalt


18

Charakterisierung von Lastprofilen

0 50 100 150 200 250 300 3500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Stu

nd

e d

es T

age

s

Tag des Jahres0 50 100 150 200 250 300 350

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Stu

nd

e d

es T

age

s

Tag des Jahres

Sommeranteil Nachtanteil

0 50 100 150 200 250 300 3500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Stu

nd

e d

es T

age

s

Tag des Jahres

Sommeranteil Nachtanteil

19

35% 40% 45% 50% 55% 60%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

Auta

rkie

gra

d

Nachtanteil

Som

mera

nte

il

40%

45%

50%

55%

60%

35% 40% 45% 50% 55% 60%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

Auta

rkie

gra

d

Nachtanteil

Som

mera

nte

il

40%

45%

50%

55%

60%

Einfluss auf die energetische Bewertung

Systemgröße: PV-Leistung 1 kWp/MWh, nutzbare Speicherkapazität 1 kWh/MWh Datengrundlage: viertelstündlich aufgelöste Jahreslastprofile von 74 Haushalten

20

35% 40% 45% 50% 55% 60%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

Auta

rkie

gra

d

Nachtanteil

Som

mera

nte

il

40%

45%

50%

55%

60%

35% 40% 45% 50% 55% 60%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

Auta

rkie

gra

d

Nachtanteil

Som

mera

nte

il

40%

45%

50%

55%

60%

Einfluss auf die energetische Bewertung

Systemgröße: PV-Leistung 1 kWp/MWh, nutzbare Speicherkapazität 1 kWh/MWh

35% 40% 45% 50% 55% 60%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

55%

Auta

rkie

gra

d

Nachtanteil

Som

mera

nte

il

40%

45%

50%

55%

60%


21

Einfluss der Ausrichtung und Neigung


40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°

Auta

rkie

gra

d

Neigung


horizontal vertikal

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°

Auta

rkie

gra

d

Neigung


Haushalt mit Wärmepumpe

horizontal vertikal

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

-90° -60° -30° 0° 30° 60° 90°

Auta

rkie

gra

d

Ausrichtung


Ost Süd West

40%

45%

50%

55%

60%

65%

70%

-90° -60° -30° 0° 30° 60° 90°

Auta

rkie

gra

d

Ausrichtung


tagaktiver Haushalt

Ost Süd West

22

-90° -60° -30° 0° 30° 60° 90°

0°

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

51%

54%

52%

53%

55%

Auta

rkie

gra

d

Ausrichtung

Neig

ung

44%

45%

46%

47%

48%

49%

50%

51%

52%

53%

54%

55%

56%Ost Süd West

Einfluss der Ausrichtungsänderung

Optimum


23

-90° -60° -30° 0° 30° 60° 90°

0°

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

51%

54%

52%

53%

55%

Auta

rkie

gra

d

Ausrichtung

Neig

ung

44%

45%

46%

47%

48%

49%

50%

51%

52%

53%

54%

55%

56%Ost Süd West

Einfluss der Ausrichtungsänderung


Optimum

24

Ökonomische Bewertung von PV-Speichersystemen

+ + l

PV-System • Investitionskosten • Betriebskosten • Finanzierungskosten

Batteriesystem • Investitionskosten • Betriebskosten • Finanzierungskosten

Ausgaben für den Netzbezug

Einnahmen aus der Netzeinspeisung

mittlere Stromgestehungskosten

ct/kWh

— Wirtschaftlichkeitsgrenze bei mittleren Strombezugskosten von 34 ct/kWh

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 —

25

8%

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Erf

ord

erl

iche B

att

eri

ekoste

n in €

/kW

h

Referenz-

Szenario

PV-Systempreis Einspeise-

vergütung

Mittlere Strom-

bezugskostenZinssatz

Wirtschaftlichkeitsgrenze von Speichersystemen

4 % 34 ct/kWh 12 ct/kWh 1500 €/kWp

26


2000 €/kWp 8%

1000 €/kWp

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Erf

ord

erl

iche B

att

eri

ekoste

n in €

/kW

h

Referenz-

Szenario


vergütung

Mittlere Strom-


4 % 34 ct/kWh 12 ct/kWh 1500 €/kWp

27


2000 €/kWp

4 ct/kWh

8%

1000 €/kWp

12 ct/kWh

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Erf

ord

erl

iche B

att

eri

ekoste

n in €

/kW

h

Referenz-

Szenario


vergütung

Mittlere Strom-


4 % 34 ct/kWh 1500 €/kWp

28


2000 €/kWp

4 ct/kWh

30 ct/kWh

8%

1000 €/kWp

12 ct/kWh

38 ct/kWh

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Erf

ord

erl

iche B

att

eri

ekoste

n in €

/kW

h

Referenz-

Szenario


vergütung

Mittlere Strom-


4 % 34 ct/kWh 1500 €/kWp

29


2000 €/kWp

4 ct/kWh

30 ct/kWh

8%

1000 €/kWp

12 ct/kWh

38 ct/kWh

0%

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Erf

ord

erl

iche B

att

eri

ekoste

n in €

/kW

h

Referenz-

Szenario


vergütung

Mittlere Strom-


4 % 34 ct/kWh 1500 €/kWp

30

Kostenoptimale Systemdimensionierung

28,3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

heute


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

50mittlere Stromkosten in ct/kWh

Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

PV-Kosten 1800 €/kWp, Speicherkosten 3000 €/kWh, Einspeisevergütung 15 ct/kWh

Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kWh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 %

2013 heute kurz-/mittelfristig langfristig

31


28,3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

heute


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48


Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

29

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

,0

kurzfristig


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48


Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

PV-Kosten 1800 €/kWp, Speicherkosten 3000 €/kWh, Einspeisevergütung 15 ct/kWh PV-Kosten 1500 €/kWp, Speicherkosten 1500 €/kWh, Einspeisevergütung 11 ct/kWh



32


28,3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

heute


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48


Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

29

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

,0

kurzfristig


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48


Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

29,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

mittelfristig


nutz

bare

Speic

herk

apazität

in k

Wh/M

Wh

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48


Koste

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PV-Kosten 1800 €/kWp, Speicherkosten 3000 €/kWh, Einspeisevergütung 15 ct/kWh PV-Kosten 1500 €/kWp, Speicherkosten 1500 €/kWh, Einspeisevergütung 11 ct/kWh PV-Kosten 1200 €/kWp, Speicherkosten 1000 €/kWh, Einspeisevergütung 6 ct/kWh



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Koste

noptim

um

Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

PV-Kosten 1800 €/kWp, Speicherkosten 3000 €/kWh, Einspeisevergütung 15 ct/kWh PV-Kosten 1500 €/kWp, Speicherkosten 1500 €/kWh, Einspeisevergütung 11 ct/kWh PV-Kosten 1200 €/kWp, Speicherkosten 1000 €/kWh, Einspeisevergütung 6 ct/kWh PV-Kosten 1000 €/kWp, Speicherkosten 600 €/kWh, Einspeisevergütung 2 ct/kWh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kWh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 %


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28,3

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

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Koste

noptim

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Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

29

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

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nutz

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lichkeitsgre

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28,1

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

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nutz

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Speic

herk

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Wh/M

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Koste

noptim

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Wirts

chaft

lichkeitsgre

nze

PV-Kosten 1800 €/kWp, Speicherkosten 3000 €/kWh, Einspeisevergütung 15 ct/kWh PV-Kosten 1500 €/kWp, Speicherkosten 1500 €/kWh, Einspeisevergütung 11 ct/kWh PV-Kosten 1200 €/kWp, Speicherkosten 1000 €/kWh, Einspeisevergütung 6 ct/kWh PV-Kosten 1000 €/kWp, Speicherkosten 600 €/kWh, Einspeisevergütung 2 ct/kWh Mittlere Strombezugskosten 34 ct/kWh, Zinssatz 4 %, Betriebskosten 1,5 %


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Fazit

• Die Speichergröße sollte auf die PV-Leistung und auf den Strombedarf abgestimmt werden.

• Für hohe Autarkiegrade ist eine nutzbare Speicherkapazität von 1 kWh/kWp sinnvoll.

• Der Einfluss des individuellen Lastprofils ist in der Praxis größer als der Einfluss der Ausrichtung und Neigung.

• Die Referenzergebnisse des Unabhängigkeitsrechners stimmen gut mit dem Mittelwert einer Vielzahl repräsentativer Haushalte überein.

• PV- und Batteriekosten ermöglichen bereits kurzfristig technische Auslegungen für hohe Autarkiegrade.

• Einfamilienhäuser werden sich somit zu 50 bis 70 Prozent selbst mit Strom versorgen, auch unter Berücksichtigung des Energiebedarfs für Warmwasser, Raumheizung und Mobilität.

Potenzial der Stromversorgung von Wohngebäuden durch...

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