Stand: Juni 2013

Die nächste Stufe der PV-Netzintegration

Anwendungen, Anreize und sinnvolle Systemkonzepte für verbrauchernahe Stromspeicher

 

Nicht zuletzt durch den großen Erfolg der Photovoltaik ist die Energiewende in vollem Gange. Betreiber privater Hausdachanlagen stehen nach vollzogener Netzparität nun vor der Aufgabe, ihre Erzeugung auf den eigenen Strombedarf abzustimmen, Netzbetreiber müssen immer mehr dezentrale Erzeugungsleistung in die Verteilnetze integrieren und auch der Aufbau des künftigen, intelligent vernetzten Smart Grids mit völlig neuen Regelungs- und Geschäftsmodellen rückt zunehmend ins Blickfeld.
Erzeuger- und verbrauchernahe Speicher spielen in allen Fällen eine wichtige Rolle und werden für den Erfolg der Energiewende in großem Maßstab benötigt. Doch hohe Batteriekosten und hohe Komplexität der Systeme sind noch immer starke Hemmnisse für ihre nennenswerte Verbreitung. Der Beitrag beschreibt heutige Anwendungsfälle für dezentrale Speicher, analysiert die technischen Randbedingungen und zeigt Lösungen für deutlich kostenoptimierte Speichersysteme, die zu eine schnellen Verbreitung beitragen können.

Mit ihrem starken Wachstum in den vergangenen Jahren hat sich die Photovoltaik eindrucksvoll weiterentwickelt: Die einst vernachlässigbare „negative Last“ im Verbundnetz leistet inzwischen einen signifikanten Beitrag zur Stromerzeugung – und das keineswegs nur im Sommer. So ist es heute selbstverständlich, dass unzählige kleine PV-Anlagen Verantwortung für die Netzstabilität übernehmen. Die Chancen, die ein solches System verteilter, programmierbarer und informations­technisch verbundener Stromwandler für die Versorgungssicherheit und -qualität des öffentlichen Netzes bietet, sind aber längst nicht ausgeschöpft und werden manch einem Netzbetreiber erst langsam klar.

Gerade dezentrale, verbrauchernahe Speicher können auch kleinen PV-Anlagen Kraftwerkseigenschaften verleihen und ebnen damit den Weg für eine vollständig regenerative Stromversorgung ohne konventionelle „Must run Units“ – also Kraftwerke, die aus Gründen der Netzstabilität in jedem Fall laufen müssen. Für die Investition in PV-Anlagen mit Speicher gibt es bereits vielfältige Anreize, allen voran den nach vollzogener Netzparität direkt attraktiven Eigenverbrauch von Solarstrom. Doch welcher Lösungsansatz für PV-gekoppelte Speichersysteme ist im heutigen Umfeld optimal und bietet gleichzeitig die nötige Zukunftssicherheit?

2. Anwendungen für dezentrale Speicher

2.1. Anwendungen aus Netzsicht

Zunächst einmal ist zu klären, auf welche Weise sich Speichersysteme technisch sinnvoll einsetzen lassen. Möglich sind verschiedenen Betriebsweisen, von denen das Netz in jeweils unterschiedlicher Weise profitiert. So verringert die Steigerung der Eigenverbrauchsquote die Belastung des Verteilnetzes, denn die vor Ort genutzte PV-Energie muss nicht eingespeist werden und auch die Anlieferung der entsprechenden Energiemenge über das Netz entfällt.

Die Betriebsart „Peak Shaving“ reduziert dagegen die Leistungsspitzen bei Bezug und Einspeisung und hat direkten Einfluss auf die installierbare PV-Leistung in einem gegebenen Verteilnetz. In einem Smart Grid mit variablen Tarifen oder anderen Kontrollsignalen ermöglichen dezentrale Speicher dagegen zusätzliche Flexibilität – sowohl für Energiehändler, als auch für Netzbetreiber. Ebenfalls denkbar ist das Angebot erweiterter Netzdienstleistungen, wie etwa positiver und negativer Regelleistung im Rahmen von virtuellen Kraftwerken. Die dezentrale Zwischen­speiche­rung von PV-Energie kann den Netzbetrieb also schon heute direkt verbessern, während das kommende Smart Grid noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten bietet.

2.2. Anwendungen und Anreize aus Betreibersicht

Entscheidend ist natürlich die Frage, inwiefern der Einsatz von Speichersystemen auch für den Anlagenbetreiber attraktiv ist. Beim Eigenverbrauch spart er die Differenz aus Solarstrom-Erzeugungskosten und Bezugsstrompreis, die in Deutschland bereits mehr als 10 ct pro kWh beträgt. Das Peak Shaving gemäß §6 des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG), also die Begrenzung der maximalen Einspeiseleistung auf 70 % der Generatorleistung, erspart ihm hingegen die Kosten, die mit der ansonsten vorgeschriebenen, ferngesteuerten Leistungsbegrenzung verbunden sind. Gleichzeitig können Speicher die mit der Leistungsbegrenzung einhergehenden Abregelungsverluste fast vollständig vermeiden.

Mit dem „Marktanreizprogramm für dezentrale Solarstromspeicher“ plant die Bundesregierung darüber hinaus die Förderung derartiger Systeme über einen anteiligen Investitionskostenzuschuss. Klare Teilnahmebedingung ist jedoch die politisch gewünschte Netzdienlichkeit, unter anderem durch eine Begrenzung der Einspeiseleistung auf lediglich 60 % der Generatorleistung. Weitere Punkte sind die Bereitstellung von Systemdienstleistungen (z. B. Frequenz- und Spannungshaltung) gemäß neuster VDE-Anwendungsregel für Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz sowie die Vorbereitung auf künftige Smart-Grid-Anwendungen.

Neben finanziellen Anreizen gibt es aber auch weitere Aspekte, die PV-Anlagen mit Speicher aus Betreibersicht interessant machen: Zum einen lockt die höhere Unabhängigkeit von steigenden Strombezugspreisen, zum anderen die Idee einer eigenständigeren und maximal umweltfreundlichen Energie­versorgung mit selbst erzeugtem Solarstrom, der zudem jegliche Netz- und Transportverluste vermeidet.

Problematisch sind dagegen die meist große Planungskomplexität der Speichersysteme sowie die vergleichsweise hohen Investitionskosten. Da es bislang auch nur wenige Referenzanlagen gibt, sind die Installationszahlen trotz des generell hohen Interesses an Speicherlösungen immer noch überschaubar. Eine für die Energiewende wünschenswerte, schnelle Ausbreitung von PV-Speichersystemen erscheint daher nur mit maximal einfachen und kostengünstigen Produktlösungen möglich.

3. Die ideale Speicherkapazität

3.1 Eigenverbrauchssteigerung

Da es bislang nur hierfür ein Geschäftsmodell gibt, stehen bei der Dimensionierung der Speicherkapazität aktuell die Anwendungsfälle „Eigenverbrauchssteigerung“ und „Peak Shaving“ im Fokus. Dabei ist die maximal erreichbare Eigenverbrauchs­quote ist im Wesentlichen schon durch das Verhältnis aus erzeugter und benötigter Energie vorgegeben [1]. Durch Hinzunahme eines Speichers lässt sich die Eigenverbrauchsquote zwar deutlich steigern, mit weiter zunehmender Speicherkapazität jedoch nur stark unterproportional.

So zeigen Felderfahrungen und Simulationen mit feldtestkalibrierten Modellen, dass eine Vervierfachung der nutzbaren Kapazität von 2 kWh auf 8 kWh lediglich eine Verdopplung der Eigenverbrauchssteigerung bewirkt (Abb. 1). Kurz: Eine weitere Steigerung der Batteriekapazität erhöht lediglich die Kosten, hat auf den Eigenverbrauch aber fast keinen Effekt mehr. Denn im Winter lässt sich eine große Batterie aufgrund der geringeren Sonneneinstrahlung nicht vollständig mit Solarstrom aufladen, während im Sommer der gespeicherte Strom aufgrund des generell geringeren Bedarfs nicht sinnvoll im Haushalt verbraucht werden kann.

Abb. 1: Bei gleichbleibender PV-Erzeugung sind kleinere Speicher effizienter, denn mit zunehmender Kapazität wird die zusätzliche Eigenverbrauchssteigerung immer geringer (Zahlen gelten für Li-Ion-Batterie)

 

Die Kosten pro kWh Speicherkapazität sind ein weiteres wichtiges Kriterium für die Dimensionierung des Speichers. Sie sinken langsam mit zunehmender Batteriegröße, der Kostenverlauf des Planungs- und Installationsaufwands sowie der zugehörigen System- und Installationstechnik weist dagegen Unstetigkeiten und Sprünge auf. Tatsächlich wiegen die bei Speicherkapazitäten von wenigen kWh realisierbaren Kostenvorteile durch hohe Integration und Standardisierung aller Komponenten schwerer, als die geringen Kostenvorteile bei zunehmender Nennkapazität.

In Verbindung mit dem abnehmendem Nutzen jeder zusätzlichen Speicher-kWh liegt das ökonomische Optimum für die Eigenverbrauchssteigerung daher bei eher kleinen Speicherkapazitäten – zumindest kleiner, als in den meisten marktgängigen Produktlösungen.

3.2 Peak Shaving

Was das Peak Shaving angeht, zeigen Untersuchungen von SMA, dass bei typischen Hausdach-PV-Anlagen mit Eigenverbrauch bereits 2 kWh nutzbare Batteriekapazität für eine nahezu verlustfreie 70 %-Begrenzung der Einspeiseleistung ausreichen [2]. Kommt gleichzeitig eine Erzeugungsprognose zum Einsatz, wird die Eigenver­brauchssteigerung mit demselben Speicher durch das Peak Shaving praktisch nicht beeinträchtigt: Er kann gezielt zu Zeiten hoher PV-Leistungsüberschüsse geladen werden und wird entladen, sobald der Haushalt mehr Leistung benötigt als die PV-Anlage liefert.

Eine 60 %-Begrenzung der Einspeiseleistung, wie sie im „Marktanreizprogramm für dezentrale Stromspeicher für PV-Strom“ der deutschen Bundesregierung vorgesehen ist, erfordert jedoch überproportional größere Speicherkapazitäten – zumindest dann, wenn das Energieangebot der PV-Anlage auch bei Südausrichtung des Solargenerators nahezu vollständig genutzt werden soll [3]. Allerdings hat die Ausrichtung einer PV-Anlage einen großen Einfluss auf das Energieangebot oberhalb dieser Leistungsgrenze und damit auch auf die benötige Speicherkapazität. Deshalb kann bei nicht optimal nach Süden ausgerichteten PV-Anlagen auch ein System mit nur 2 kWh Speicherkapazität das 60 %-Kriterium erfüllen und die anfallende PV-Energie durch Zwischenspeicherung nahezu vollständig nutzen.

Gleiches gilt bei einem besonders hohen Stromverbrauch, wie er zum Beispiel bei elektrischer Brauchwassererwärmung mit einer Wärmepumpe oder Heizpatrone auftritt. Moderne Planungsprogramme für PV-Anlagen bieten die Möglichkeit, dies mit Hilfe von Zeitschritt-Simulationen komfortabel und anlagenspezifisch abzuschätzen.

4. Batteriekosten und -lebensdauer

4.1 Status quo und Entwicklungspotenzial von Lithium-Ionen-Batterien

Legt man den Fokus auf die generell vielversprechende Lithium-Ionen-Technologie, ist angesichts der immer noch hohen Kosten die möglichst vollständige Nutzung der Batterie innerhalb des gegebenen Parameterrahmens  (kalendarische Lebensdauer, Entladetiefe, Anzahl der Voll­zyklen) eine entscheidende Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit jedes Systemkonzepts. Batterie­hersteller geben für die kalendarische Lebensdauer Werte von 6 bis 25 Jahren an, wobei das Ende des Nutzungszeitraums durch eine Restkapazität von 70 bis 80 % des Ausgangs­wertes definiert wird. Da die Lithium-Ionen-Technologie noch vergleichsweise jung ist, fehlen aber echte Langzeiterfahrungen, so dass die Aussagen der Hersteller zur möglichen Lebensdauer mit einem erheblichen Unsicherheitsfaktor behaftet sind. Gleichzeitig ist bei den Herstellungskosten von einem deutlichen Abwärtstrend von rund 50 % bis 2020 auszugehen – sowohl durch Skaleneffekte der zunehmenden Massenproduktion, als auch durch den Einsatz verbesserter Materialien [4].

4.2 Optimierung durch Batterietauschkonzept

Ein vielversprechender Ansatz besteht daher in einer kürzeren Einsatzzeit der Batterie, wobei die Betriebsparameter entsprechend angepasst werden können. Die Beispielrechnung in Tabelle 1 vergleicht eine 20jährige Nutzungsdauer mit einem Austausch der Batterie nach zehn Jahren auf Basis einer Lithium-Ionen-Batterie mit 2 kWh nutzbarer Kapazität. Darin wird deutlich, dass die Auswahl einer kleineren Nennkapazität mit entsprechend kürzerer Nutzungsdauer nicht nur die Anfangsinvestitionen verringert, sondern zu insgesamt geringeren Betriebskosten des Speichersystems führt. Die Gründe dafür liegen zum einen in den künftig geringeren Batteriepreisen, zum anderen im Zinsvorteil durch die erst später anfallenden Austauschkosten. Es ist also keineswegs sinnvoll, die etablierte 20jährige Betriebs- und Lebensdauer einer PV-Anlage „eins zu eins“ auf die Batterie zu übertragen. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass Austauschkonzepte auch das Risiko von Leistungseinbußen und Störungen während der Nutzungsdauer deutlich reduzieren.

Tab. 1: Vorteile des Batterietauschkonzepts bei Lithium-Ionen-Batterien

5. Einfluss anderer Speichersysteme

5.1. Thermische Speicher

Ergänzend zu PV-gekoppelten elektrischen Speichern ist die Nutzung weiterer, vor Ort verfügbarer Speichersysteme eine naheliegende Option. Darunter fallen insbesondere thermische Speicher, z. B. in Form von Heißwassertanks. Mit Kapazitäten von bis zu 50 kWh bei weniger als 10 % der spezifischen Kosten einer Batterie bieten letztere ein erhebliches Ergänzungs­potenzial.  Das Heizen mit  Strom ist zwar nicht in allen Fällen sinnvoll, wird jedoch mit dem Einsatz von Wärmepumpen und der zunehmenden Nutzung regenerativ erzeugten Stroms zunehmend attraktiver. Zur Vermeidung von Wärme­über­schüssen ist es jedoch entscheidend, den thermischen Energiebedarf sowohl bei der Systemauslegung, als auch im Betrieb zu berücksichtigen – ein intelligentes Energiemanagement ist daher unverzichtbar.

5.2. Elektrofahrzeuge

Weitere Speichermöglichkeiten schafft der Trend zur E-Mobilität, denn letztendlich kann man Elektrofahrzeuge in Kombination mit der entsprechenden Systemtechnik auch als Batterien auf Rädern betrachten. Der Betrieb von Elektrofahrzeugen mit selbst erzeugter PV-Energie ist dabei in mehrfacher Hinsicht attraktiv: Da es sich um relativ große Verbrauchslasten handelt, bieten die Fahrzeuge ein hohes Potenzial zur Eigenverbrauchssteigerung, sofern die individuellen Mobilitätsanforderungen der Nutzer zu den möglichen Ladezeiträumen passen. Die direkte Kombination von relativ großen Erzeugungs- und Verbrauchsleistungen sorgt aber auch für eine erhebliche Netzentlastung und fördert damit die Netzintegration der Photovoltaik in besonderem Maße. Im Ergebnis kann die gegenseitige Unterstützung von E-Mobilität und häuslicher PV-Stromerzeugung die notwendige Kapazität stationärer Speicher weiter verringern, ein intelligentes Energiemanagement ist hier aber ebenfalls unumgänglich.

6. Zusammenfassung und Ausblick

Aufgrund der diversen Einflussgrößen und wechselseitigen Abhängigkeiten erfordert der sinnvolle Ausbau PV-gekoppelter Speichersysteme einen ganzheit­lichen Blick – das ist die vielleicht wichtigste Erkenntnis in Zusammenhang mit diesem vielschichtigen Thema. Tatsächlich bietet sich durch den Einsatz von Speichern in direkter Nähe zu Erzeugungsanlagen und Verbrauchern ein großes und schnell erschließbares Potenzial zur verbesserten Netzintegration von PV-Anlagen. Der momentan wichtigste Treiber ist der Solarstrom-Eigenverbrauch, wobei die wachsenden Felderfahrungen sowohl die weitere Systemoptimierung als auch die Entwicklung multifunktionaler Speicher begünstigen. Aber auch thermische Speicher und Elektrofahrzeuge sollten wenn möglich in die Systemkonzepte eingebunden werden, da sie die notwendige Kapazität stationärer, PV-gekoppelter Batteriespeicher deutlich senken können. Weiterhin ist festzuhalten, dass die Betriebsweise von Speicher­systemen bei der weiteren Optimierung eine wesentlich größere Rolle spielt, als die verfügbare Batterie­kapazität. Zudem können sich die Vorteile unterschiedlicher Speicher­systeme nur im Rahmen eines intelligenten Energiemanagements im Smart Home gegenseitig ergänzen und den vielfältigen Anforderungen der Nutzer gerecht werden.

Das Interesse an Speicherlösungen für PV-Anlagen ist unübersehbar groß und auch die Endkunden sind auch durchaus investitionsbereit. Allerdings finden sie häufig kein für ihre Verhältnisse passendes Angebot. Einfachere, standardisierte und vor allem kostengünstigere Produktlösungen sind daher dringend erforderlich, wenn Speichersysteme in nennenswerter Stückzahl installiert werden sollen. Ein möglicher Ausgangspunkt hierfür sind kleine, integrierte Systeme mit Batterietausch-Konzept, die sowohl die Anfangsinvestition, als auch die Gesamtbetriebs­kosten und das Ausfallrisiko verringern. Zudem zeigen Simulationen und Feldtests, dass in typischen Eigenheimanwendungen bereits 2 kWh nutzbare Speicherkapazität für eine signifikante Netzentlastung durch Peak Shaving reichen und auch das ökonomische Optimum für die Steigerung der Eigenverbrauchsquote darstellen. Für das wichtige Ziel, Photovoltaik-Anlagen Kraftwerkseigenschaften zu verleihen, ist eine Ausrüstung von vieler PV-Anlagen auf Wohnhäusern mit 2 kWh-Speichern ebenfalls nützlicher, als die gleiche Gesamtkapazität auf wenige Anlagen mit größeren Batterien zu verteilen. Allerdings sind auch größere Speichersysteme sinnvoll, wenn möglichst hohe Autarkie, eine sichere Stromversorgung bei Netzausfall oder die Zwischenspeicherung von Netzstrom (z. B. Windstromüberschüsse) im Vordergrund stehen.

Kurz: Kostenoptimierte Speicherlösungen mit geringer Kapazität und Einbindung in ein intelligentes Energiemanagement sind der Schlüssel für ein weiteres schnelles und nachhaltiges Wachstum der installierten PV-Leistung. Nur mit dezentralen, verbrauchernahen Speichern lässt sich innerhalb des nächsten Jahrzehnts eine nennenswerte zusätzliche Speicherkapazität installieren, denn keine andere Art der Speicherung ist technisch so schnell realisierbar und politisch konsensfähig.


Quellen:

[1] Rothert, Martin et al.: Ein Jahr Felderfahrung: PV-Anlagen mit Speicherlösungen zur Eigenver­brauchs­erhöhung. Bad Staffelstein 2012.

[2] Umland, Andreas et al.: Einspeisemanagement und Begrenzung der Wirkleis­tungs­­einspeisung auf 70 % nach dem EEG 2012. Bad Staffelstein 2012.

[3] Dr. Wille-Hausmann, Bernhard et al.: Abschätzung und Einordnung von energie­wirtschaftlichen, ökonomischen und anderen Effekten bei der Förderung von objektgebunden elektrochemischen Speichern. Freiburg 2012.

[4] Roland Berger: The Li-Ion Battery Value Chain – Trends and Inplications. Stuttgart 2011.