Solarstromanlagen mit Speicherbatterien zur Verminderung der solaren Mittagsspitzen und zur...

Solarstromanlagen mit Speicherbatterien zur Verminderung der solaren Mittagsspitzen und zur Erhöhung des

Solarstromanteils im Stromnetz

Diskussionsentwurf von Dipl.-Ing. Wolf von Fabeck, Solarenergie-Förderverein Deutschland (SFV)

Einbeziehung der dezentralen Stromspeicherung in das EEG

Zusammenfassung: Bei weiterem Ausbau der Solarenergie können an sonnigen Tagen und den darauf folgenden Abend-, Nacht- und Vormittagsstunden auch energieintensive Industrieanlagen am Hochspannungsnetz vollständig mit Solarstrom versorgt werden. Ein Ausbau der Nieder-, Mittel- und Hochspannungsnetze ist dafür nicht erforderlich. Notwendig ist lediglich die Zwischenspeicherung der mittäglichen Solarspitze direkt an der Quelle, d.h. durch Batteriespeicher, die direkt in die Solaranlage integriert sind und die zeitlich verzögerte, dosierte Abgabe ins Stromnetz.

Vorbemerkung:

Die Umstellung der Energieversorgung auf Erneuerbare Energien wird sich im Wesentlichen auf zwei Techniken stützen, die Solarstrom- und die Windstromgewinnung an Land. Die Windenergie wird ihren Hauptbeitrag im Winterhalbjahr leisten, die Solarenergie im Sommer.

Der folgende Beitrag bezieht sich im Wesentlichen auf die Rolle der Photovoltaik, d.h. auf die Jahreszeit von Mai bis September.

Für die Windenergie liegen die Verhältnisse ähnlich, nur sind die Zeiträume, in denen Windüberschuss- oder Windmangel herrscht, länger als bei der Solarenergie. Die Speicher müssen deshalb für die Windenergie größer dimensioniert werden.

Um die Mittagszeit wird im Sommerhalbjahr besonders viel Strom verbraucht (Mittagsspitze)

Tagesgang der Sommerlastkurve

Solarstrom kommt scheinbar genau zur Entlastung der mittäglichen Lastspitze


Steigert man den Ausbau der Solarenergie, so verkehrt sich die Entlastung in ihr Gegenteil


Um die Mittagszeit gibt es mehr Solarstrom, als zu diesem Zeitpunkt überhaupt benötigt wird

Um die Mittagszeit gibt es mehr Solarstrom, als zu diesem Zeitpunkt überhaupt benötigt wird. Weiterer Ausbau der Solarenergie löst das Problem nicht. Er erhöht nur den Überschuss zur Mittagszeit, liefert aber keinen Beitrag zur Deckung der abendlichen Lastspitze oder zur nächtlichen Stromversorgung.

Wie können wir den Überschuss sinnvoll verwerten?

Wie können wir den Überschuss sinnvoll verwerten?

Vielleicht für Stromgroßverbraucher?

So wird derzeit die stromintensive Industrie mit Strom versorgt

Hochspannung 220.000 Volt

Kohlestrom

Zur stromintensiven Industrie

Kohlestrom

So werden nachts die privaten Endkunden mit Kohlestrom versorgt



Kohlestrom




Kohlestrom




Hochspannung zu gefährlich für Endverbraucher


Kohlestrom

Transformator

Zeichenerklärung:



Transformatoren setzen die Spannung herab, aber übertragen die Leistung nahezu verlustfrei

Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom

Niederspannung 230 Volt

Transformator

Zeichenerklärung:



Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom




Erste Stufe Solarausbau


Kohlestrom




Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom




Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom


Private Endkunden versorgen sich selbst und ihre Nachbarn in Sonnenstunden mit Solarstrom


Zweite Stufe Solarausbau:


Kohlestrom


Zweite Stufe Solarausbau


Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom




Mittels

pannung

20.00

0 Volt

Kohlestrom





Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Solarstrom Kohlestrom



Solarstrom fließt „rückwärts“ bis zur stromintensiven Industrie.Kohlestrom wird mittags nicht mehr benötigt

Mittels

pannung

20.00

0 Volt

Zur energieintensiven Industrie

Solarstrom



Solarstrom fließt „rückwärts“ bis zur stromintensiven Industrie.Kohlestrom wird mittags nicht mehr benötigt

Dritte Stufe Solarausbau:


Solarstrom



Dritte Stufe Solarausbau

Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Solarstrom



Dritte Stufe Solarausbau


Solarstrom

Dritte Stufe Solarausbau stößt an zwei Grenzen:


Solarstrom

Erste Grenze: Stromnetze können solare Mittagsspitze nicht mehr weiterleiten


Solarstrom

Zweite Grenze: Die solare Mittags-spitze wird zur angebotenen Zeit in dieser Höhe nicht benötigt

Verweigerung des Netzanschlusses bringt Energiewende zum Stocken

Niederspannungsnetz 230 V

Zulässige Spannung im Niederspannungsnetz 230 Volt plus minus 10 Prozent

Anschluss von zusätzlichen Solarstromanlagen wird immer häufiger von den Betreibern der Niederspannungsnetze abgelehnt

Niederspannungsnetz 230 VMesspunkt

Netzberechnung geht vom ungünstigsten Fall aus: Kein Stromverbrauch (alle Bewohner im Sommerurlaub)



Spannung am Ende des Netzzweiges steigt über zulässigen Höchstwert 230 V + 10 Prozent = 253 Volt

Messpunkt


Keine Anschlussgenehmigung für neue Solaranlagen, obwohl reichlich Dächer vorhanden sind


Ohne Genehmigung weiterer Solaranlagen kommt Energiewende zum Stillstand


Neu hinzukommende Solaranlagen erhalten keine Anschluss-Genehmigung, obwohl reichlich Dächer vorhanden sind

Gesetzgeber und BundesNetzagentur schlagen Netzausbau vor

Das ist zwar ein Irrweg

Aber sehen wir uns die Begründung an

Berechnung der Spannungsanhebung

Solarstrom I wird mittels Sonnenenergie durch das Niederspannungsnetz getrieben.

Solarstrom I

Zwischen den Punkten A und B hat das Netzkabel einen Widerstand R

A B


R


Solarstrom I


A B


R


Solarstrom I

Der Solarstrom I erzeugt in B eine Spannungserhöhung Delta U = R * I


A B


R


Solarstrom I


Netzausbau (Verlegen von Parallelkabel) verkleinert den Widerstand R


A B


R


Solarstrom I


Netzausbau (Verlegen von Parallelkabel) verkleinert den Widerstand R

Damit verkleinert man die störende Spannungserhöhung Delta U = R * Iund könnte mehr Solaranlagen anschließen.

Fazit: Netzausbau im Niederspannungnetz könnte den Abtransport höherer Solar-Spitzenströme ermöglichen

Fazit: Netzausbau im Niederspannungnetz könnte den Abtransport höherer Solar-Spitzenströme ermöglichen

Aber …

Die vorgelagerten Netze müssten dann ebenfalls ausgebaut werden.

Mittelsp

annung

20.000 V

olt

Mittelsp

annung

20.000 V

olt

Und wer will den Spitzenstrom überhaupt haben?

Mittelsp

annung

20.000 V

olt

Das Kappen der Mittagsspitze vernichtet wertvolle Energie

An wieviel Tagen wird eine vorgegebene Leistung überschritten?

80

Höchstleistung in Bruchteilen der Peakleistung0,7

Beispiel: Die für Anlagen unter 30 kWp gesetzlich empfohlene Drosselung der Einspeiseleistung auf 0,7 der Peakleistung hätte im Jahr 2011 für Anlagen im PLZ-Bereich 20 an 80 Tagen zu Verlusten geführt.

10

Höchstleistung in Bruchteilen der Peakleistung

0,7

Beispiel: Die für Anlagen unter 30 kWp empfohlene Drosselung der Einspeiseleistung auf 0,7 der Peakleistung hätte im Jahr 2011 für Anlagen im PLZ-Bereich 20 an 80 Tagen zu Verlusten geführt. Die Verluste hätten im Jahr 2011 pro kWp eine Höhe von 10 kWh erreicht

Problembeschreibung

Erst 5 Prozent der Dächer und Fassaden sind mit Solarstromanlagen belegt

Problembeschreibung


Problembeschreibung

Neue Solaranlagen erhalten keine Anschlussgenehmigung. Die Energiewende kommt dadurch ins Stocken


Problembeschreibung

Ziel der Energiewende ist die Versorgung aller Verbraucher insbesondere mit Strom aus Solar- und Windenergie



Problembeschreibung


Strom aus Sonne und Wind fällt in der Fläche an, also dezentral. Er wird zunächst vom Nieder- und Mittelspannungsnetz aufgenommen



Problembeschreibung


Besonders anspruchsvolle Aufgabe ist die Versorgung der stromintensiven Großverbraucher am Hochspannungsnetz. Energiefluss von „unten“ nach „oben“.




Problembeschreibung

BundesNetzagentur drängt auf Ausbau der Stromnetze. Doch diese Forderung löst das Problem nicht.






Großverbraucher im Hochspannungsnetz könnten auch ohne Netzausbau vollständig mit Solarleistung aus dem Niederspannungsnetz versorgt werden

Problembeschreibung







Großverbraucher im Hochspannungsnetz könnten auch ohne Netzausbau vollständig mit Solarleistung aus dem Niederspannungsnetz versorgt werden

Problembeschreibung


Es folgt die Begründung, warum die Netzkapazität im allgemeinen reicht:





Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom

Begründung:An Tagen ohne Wind und Sonnenenergie werden alle Stromkunden mit Kohlestrom versorgt



Mittels

pannung

20.00

0 Volt


Kohlestrom



Auch im Winter

Begründung:An Tagen ohne Wind und Sonnenenergie werden alle Stromkunden mit Kohlestrom versorgt


Kohlestrom



Im Winter ist der Strombedarf höherTagesgang Winter

Tagesgang Sommer


Kohlestrom



Stromnetze sind zur Übertragung der höheren Winterlast ausgelegt

Tagesgang Winter

Tagesgang Sommer

Kohlestrom


Strom kann durch das Stromnetz in beiden Richtungen fließen

Kohlestrom



Kohlestrom von „oben nach unten“


Solarstrom


Kohlestrom von „oben nach unten“

Solarstrom von „unten nach oben“


Solarstrom


Wichtig! Würde Solarstrom gleichmäßiger fließen, so würde das Stromnetz ausreichen

Aber was machen wir mit dem Spitzenstrom?


Die Lösung:

Wir verkleinern den solaren Spitzenstrom I max,

direkt an der Quelle


Die Lösung:


direkt an der Quelle, indem wir die mittägliche Solarleistung auf den Abend und die folgende Nacht verteilen.


Die Lösung:



Wir bereiten die Invasion des Stromnetzes von unten her vor: Mit Solarstrom tags und nachts (und Windstrom) verdrängen wir Kohle-, Atom- und Erdgasstrom

Dazu verwenden wir aufladbare Batterien in Kombination mit Solaranlagen


Die Lösung:



Wir bereiten die Invasion des Stromnetzes von unten her vor: Mit Solarstrom tags und nachts (und Windstrom) verdrängen wir Kohle-, Atom- und Erdgasstrom

Aufladbare Batterien lösen das Problem

Jahreshöchstwert

6:00 Uhr 12:00 Uhr 18:00 Uhr 24:00 Uhr

Der Jahreshöchstwert von 0,875 der Peakleistung wäre im Jahr 2011 praktisch nicht überschritten worden.

Nach Daten von SMA im Jahr 2011


Jahreshöchst-wert 2011

0,875

Umrichterleistung (AC) = 0,3 Peak-Leistung (DC)

Freiwillige Beschränkung der

An etwa 240 Tagen wäre eine Leistung von 0,3 der Peakleistung überschritten worden.

Nach Daten von SMA im Jahr 2011


240

0,3

Beispiel: Die vom SFV empfohlene Drosselung der Einspeiseleistung auf 0,3 der Peakleistung hätte im Jahr 2011 für Anlagen im PLZ-Bereich 80 Überschussleistungen in Höhe von 330 kWh/kWp (abzüglich der Speicherverluste) erbracht, die man speichern und im Lauf der folgenden Stunden dosiert ins Netz einspeisen könnte.Im PLZ-Bereich 10 wären es etwa 200 kWh/kWp gewesen.

330


0,3

200


An etwa 240 Tagen wird 0,3 Peak-Leistung erreicht oder überschritten


Überschuss


An etwa 240 Tagen wird 0,3 Peak-Leistung erreicht oder überschritten


Überschuss

Der Überschuss pro kWp liegt im Jahr etwa bei 200 bis 400 kWh

Umrichterleistung (AC) = 1/3 Peak-Leistung (DC)


Solargenerator

Einspeisezähler

DC

AC

Umrichter

Solargenerator

Umrichter Einspeisezähler

DC

AC

Dieser freiwillige Verzicht muss durch höhere Vergütung ausgeglichen werden

Umrichterleistung (AC) = 1/3 Peak-Leistung (DC)



Kleiner als ca. 0,3 der Peak-Leistung darf die Umrichterleistung nicht sein. Überschussenergie muss vollständig eingespeist werden können, bevor am nächsten Tag erneut die Solarleistung 0,3 * Peak übersteigt.

Batterieaufladen

Tageshöchstleistung (DC)

Wir speichern die mittägliche Leistung und speisen sie am Abend und in der Nacht ein

Direkt einspeisen

speichern

Restladung

Batterieaufladen

Tageshöchstleistung (DC)

Spitzenleistung des Umrichters (AC)

Direkt einspeisen

speichern

Batterieaufgeladen

Spitzenleistung des Umrichters (AC)

Direkt einspeisen

Zur Minimierung der Speicherverlustegleichmäßig mit möglichst geringer Leistung in das Stromnetz einspeisen

Direkt einspeisen

Direkt einspeisen


Direkt einspeisen

Nicht völlig entladen!


Direkt einspeisen

Nicht völlig entladen!

Die Lebensdauer von Bleibatterien würde bei vollständiger Entladung erheblich verkürzt

Solargenerator

MPP-Regler zieht jederzeit

maximale Leistung

Wechselrichter zur Netz-

einspeisung

Leistungs-begrenzer auf

0,3 Peakleistung

Batterie

DC/DC - Steller

Vorrang

Intelligenter Dosierer

Überschuss

Diskussionsvorschlag 1Bedarf noch der Überarbeitung

Der Dosierer sorgt dafür, dass die Batterie mit gleichmäßiger Leistung entladen wird - nur soweit, dass am nächsten Tag genug Aufnahmefähigkeit für den Überschuss gegeben ist.

Netzeinspeisung

Solargenerator

Wechselrichter zur Netz-

einspeisung

Leistungs-begrenzer auf

0,3 Peakleistung

Batterie

Batterie-Ladegerät

Vorrang

Intelligenter Dosierer

Überschuss

MPP-Regler zieht jederzeit

maximale Leistung

Diskussionsvorschlag 2Bedarf noch der Überarbeitung

Der Dosierer sorgt dafür, dass die Batterie mit gleichmäßiger Leistung entladen wird - nur soweit, dass am nächsten Tag genug Aufnahmefähigkeit für den Überschuss gegeben ist.

Netzeinspeisung

Speicher

DC

AC

Solargenerator

UmrichterEinspeisezähler

Umrichterleistung = 1/3 Solargeneratorleistung

Tatsächlicher Solarleistungsverlauf wie im PLZ-Bereich 52 am 2.6.11 nach SMAAnnahme: Solare Tageserzeugung = dreifache Tageslast

SolarleistungSommer-LastkurveAbzuführende Leistung

Zuzuführende Leistung

Umrichterleistung gleich Peakleistung

0 Uhr 12 Uhr 24 Uhr



Zuzuführende Leistung


0 Uhr 12 Uhr 24 Uhr

Umrichterleistung= 0,3 * Peakleistung und mit Speicher



Zuzuführende LeistungNetzbelastung


Verminderung der Netzbelastung

Umrichterleistung= 0,3 * Peakleistung und mit Speicher

ca. 60 % des höchstmöglichen

Solar-Tagesertrages

Speicher

DC

AC

Solargenerator

Umrichter

Speicherkapazität ausreichend für

Einspeisezähler

Speicher

DC

AC

Solargenerator


Bleibatterien oder andere wiederaufladbare Batterien mit gutem Wirkungsgrad Ca.5 kWh freie Speicherkapazität pro 1kWp Solarleistung

Speicher

DC

AC

Solargenerator


Ca.5 kWh freie Speicherkapazität pro 1kWp Solarleistung

10 Bleibatterien (1kWh) - „VRLA“ Batterie Valve regulated lead acid (m. Überdruckventil)- Gel-Batterie - AGM absortiv glass mat (Mit Glasfasergespinst)

Bleibatterien sollten nur halb entladen werden, um eine Gebrauchsdauer von 10 Jahren zu erreichen.

Dazu Batterieschrank und Laderegler wg. Betriebssicherheit

Speicher

DC

AC

Solargenerator


Mehrkosten pro kWp derzeit noch ca. 3000 € ??

Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

mitt

ags

Umrichter

Mittags

Einspeisezähler

Speicher

DC

AC

Solargenerator

abends

abends

Umrichter

Abends

Einspeisezähler

Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter

Verbraucher im Haushalt

Zweirichtungs- zähler

Jede angezeigte kWh erhält die Regelvergütung plus einem Speicherbonus von 19 ct/kWh

Einspeisezähler

Haus-anschluss-kasten

Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter



Jede angezeigte kWh erhält die Regelvergütung plus einem Speicherbonus von 19 ct/kWh

Einspeisezähler

Der Speicherbonus unterliegt einer jährlichen Degression von 5%


Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter



Einspeisezähler

Der Speicherbonus wird auf die Netzgebühren umgelegt, da er der Netzstabilität dient


Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter



Automatische Trennung bei Stromausfall

abends

Einspeisezähler

Versorgungsnetz


Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter




abends

Einspeisezähler

Versorgungsnetz


Die Einbindung von Stromspeichern erhöht die Versorgungssicherheit

Speicher

DC

AC

Solargenerator

mittags

nachts

mitt

ags

Umrichter




abends

Einspeisezähler

Versorgungsnetz


Die Anlage gewährleistet dem Betreiber eine unterbrechungsfreie Stromversorgung

Hier fehlt noch ein vorschriftsmäßiger Batterieschrank

Änderungen im EEG (Diskussionsvorschlag)

Drei Alternativvorschläge stehen zur Diskussion

Alternative 1 (Strikte Lösung)

Alternative 2 (Freiwillige Lösung)

Alternative 3 (Freiwillige Staffel-Lösung)

Alternative 1 (Strikte Lösung)

Solarstromanlagen mit einem Inbetriebnahmedatum ab 1.6.2013 erhalten die

Einspeisevergütung nur, wenn sie mit einem aufladbaren Speicher kombiniert sind und

die Einspeisung dieser Kombianlage in das Netz der öffentlichen Versorgung durch

eine technische Vorrichtung in ihrer Leistung auf 1/3 der DC-Peakleistung des

Solargenerators reduziert ist. Dem Betreiber bleibt es überlassen, ob er die anfallende

elektrische Energie teilweise selbst verbraucht oder ob er sie nach

Zwischenspeicherung teilweise in das Verteilnetz einspeist.

Eine Vergütung des selbst verbrauchten Stromes erfolgt nicht.

Der ins Stromnetz direkt oder nach Zwischenspeicherung eingespeiste Strom wird mit

49 Cent/kWh vergütet.

Netzbetreiber sind verpflichtet, bei absehbarer Überlastung ihres Netzes durch die Mittagsspitze aus Solarenergie, eigene Stromspeicher zu integrieren, um die Abnahme, Übertragung und Verteilung des Stroms aus solarer Strahlungsenergie sicherzustellen.

Alternative 2 (Freiwillige Lösung)

- - Solarstromanlagen, die mit einem aufladbaren Speicher kombiniert sind und bei

denen die Einspeisung dieser Kombianlage in das Netz der öffentlichen Versorgung

durch eine technische Vorrichtung in ihrer Leistung auf 1/3 der DC-Peakleistung des

Solargenerators reduziert ist, erhalten eine zusätzliche Vergütung für den gesamten

direkt und indirekt eingespeisten Solarstrom in Höhe von 19 cent/kWh. Diese

zusätzliche Vergütung ist durch die Verteilnetzbetreiber zusammen mit der

Solarstromvergütung auszuzahlen.


Die Zusatzvergütung wird durch den Verteilnetzbetreiber auf die Netzgebühr umgelegt.

Netzbetreiber sind verpflichtet, bei absehbarer Überlastung ihres Netzes durch die Mittagsspitze aus Solarenergie, eigene Stromspeicher zu integrieren, um die Abnahme, Übertragung und Verteilung des Stroms aus solarer Strahlungsenergie sicherzustellen.

Alternative 3 (Freiwillige Staffel-Lösung)

- - Solarstromanlagen, die mit einem aufladbaren Speicher kombiniert sind und bei

denen die Einspeisung dieser Kombianlage in das Netz der öffentlichen Versorgung

durch eine technische Vorrichtung in ihrer Leistung auf einen Bruchteil B der DC-

Peakleistung des Solargenerators reduziert ist, erhalten eine zusätzliche Vergütung

für den gesamten direkt und indirekt eingespeisten Solarstrom in Höhe von Z

cent/kWh nach Tabelle. Diese zusätzliche Vergütung ist durch die

Verteilnetzbetreiber zusammen mit der Solarstromvergütung auszuzahlen.


Die Zusatzvergütung wird durch den Verteilnetzbetreiber auf die Netzgebühr umgelegt.

Tabelle:

Bruchteil B der Peakleistung Zusatzvergütung Z

bis einschl. 0,3 19 Cent/kWh

über 0,3 bis einschl . 0,4 15 Cent/kWh

über 0,4 bis einschl . 0,5 10 Cent/kWh

über 0,5 bis unter 0,7 5 Cent/kWh

Zusammenfassung:Um Leitungsausbau zu sparen, Stromspeicher in der Nähe der Solaranlagen z.B. im Keller

Elektrische Energie Erzeugen und Speichern gehören zusammen

Solaranlagen, Windanlagen, Kurzzeitspeicher, Langzeitspeicher und Verbraucher gehören zusammen

Im Katastrophenfall: haben wir eine Selbstversorgungs-fähige Energie-Insel


Die bestehenden Übertragungsnetze wollen wir nicht abschaffen. Sie können auch zukünftig beim Ausgleich zwischen Überschuss- und Mangel-Gebieten genutzt werden. Aber wir brauchen keine neuen Fernübertragungsleitungen. Wir setzen auf Windparks, Solaranlagen und Speicher in der Nähe der Verbraucher


Das zukünftige Energiesystem

www.sfv.de [email protected]

0241-51161652064 Aachen

Frère-Roger-Str. 8-10

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