Reaktionsvermögen von Solarstromspeichern

Kategorie: Speicher, 02 / 2015, Fokus Speicher Johannes Weniger, Tjarko Tjaden, Volker Quaschning

Speichersysteme: Inwiefern die zeitliche Trägheit der Speichersystemregelung den Energieaustausch zwischen dem Batteriespeicher und dem Netz beeinflusst, zeigen Untersuchungen der HTW Berlin.

Schnelle Speichersysteme reagieren innerhalb von wenigen Sekunden. Es gibt aber auch Systeme, die bis zu zehn Sekunden brauchen. (Foto: Solarpraxis AG/Mirco Sieg)

Abbildung 1: Theoretischer Verlauf der Energieflüsse in einem Haus mit PV-Speichersystem. Die Batterieleistung ist aufgrund ihrer Reaktionszeit um einen Zeitschritt versetzt zur Differenzleistung (PV-Leistung abzüglich Last). Je nach Leistungssituation ist die Batterieleistung zu hoch oder zu niedrig, weshalb es zur Netzeinspeisung des Batteriespeichers sowie zur Batterieladung mit Netzstrom kommt. (Grafiken: Solarpraxis AG/Harald Schütt)

Abbildung 2: Exemplarischer Tagesausschnitt während der Batterieladung eines PV-Speichersystems mit einer Reaktionszeit von fünf Sekunden. Während der Ladung wird nach Einbruch der PV-Leistung der Batteriespeicher kurzzeitig aus dem Netz geladen.

Abbildung 3: Zunahme der jährlichen Netzeinspeisung (oben) und des jährlichen Netzbezugs (unten) als Funktion der Reaktionszeit. Die Netzeinspeisung und der Netzbezug sind umso höher, je größer die Reaktionszeit ist.

Im Idealfall reagieren Batteriespeicher ohne Zeitverzug auf Leistungsänderungen bei der Solarstrom-Erzeugung oder der Haushaltslast. In der Praxis können jedoch durchaus mehrere Sekunden vergehen, bis ein Batteriespeicher auf solche Leistungsänderungen reagiert. Dadurch hinkt die Lade- und Entladeleistung des Batteriespeichers der geänderten Leistungsbilanz hinterher.

Zum einen vergeht aufgrund der Messwerterfassung und Signalverarbeitung einige Zeit, bis der aktuelle Messwert der Systemregelung vorliegt. Zum anderen benötigt die Systemregelung eine gewisse Zeit, bis dem Batteriespeicher ein neuer Leistungswert vorgegeben und der Sollwert eingestellt wird. Diese Reaktionszeit wird von Regelungstechnikern auch als Totzeit bezeichnet.

Da sowohl der Lastgang eines Haushaltes als auch die Erzeugungskurve einer Photovoltaikanlage stark schwanken, wird der Speicher oftmals für kurze Zeit mit zu hoher oder niedriger Leistung be- oder entladen. Sofern der Batteriespeicher direkt mit dem öffentlichen Stromnetz gekoppelt ist, hat dies einen ungewollten Energieaustausch zwischen dem Netz und der Batterie zur Folge.

Zum besseren Verständnis der Energieflüsse ist es hilfreich, den zeitlichen Verlauf der Leistungsbilanz sowie der Batterieleistung näher zu betrachten. Die Auswirkungen der Regelungsträgheit lassen sich anhand des in Abbildung 1 dargestellten theoretischen Beispiels erläutern. Zu sehen ist der Verlauf der sogenannten Differenzleistung sowie der Batterieleistung über sieben Zeitschritte. In den einzelnen Zeitschritten wird die jeweilige Leistung als konstant angenommen.

Die Differenzleistung entspricht dabei dem Leistungsunterschied zwischen der PV-Erzeugung und Last. Dementsprechend nimmt die Differenzleistung positive Werte an, wenn mehr Solarstrom erzeugt als im Haus verbraucht wird. Unterschreitet die PV-Leistung den Verbrauch, ergeben sich für die Differenzleistung negative Werte. Des Weiteren ist der Verlauf der Batterieleistung abgebildet, der sich bei einer Reaktionszeit von der Länge eines Zeitschritts ergibt. Je nachdem ob die Batterieleistung positiv oder negativ ist, wird der Speicher be- oder entladen.

Um den resultierenden Energieaustausch zwischen dem Netz und dem Batteriespeicher näher zu bestimmen, wurde das Systemverhalten eines AC-gekoppelten PV-Speichersystems in einsekündiger Auflösung über ein gesamtes Jahr simuliert. Dabei wurde der Einfluss unterschiedlicher Reaktionszeiten für eine typische Systemkonfiguration mit einer PV-Nennleistung von fünf Kilowattpeak sowie einer nutzbaren Speicherkapazität von fünf Kilowattstunden für einen Haushalt mit einem Strombedarf von 5.000 Kilowattstunden pro Jahr untersucht.

Mit Leistungssprüngen zurechtkommen

In Abbildung 2 ist das Ladeverhalten des simulierten PV-Speichersystems während eines Zeitraums mit stark schwankender Differenzleistung zu sehen. Als Reaktionszeit des Speichers werden fünf Sekunden angenommen. Ursache für die abgebildeten Leistungsfluktuationen sind schnelle Änderungen der Erzeugungsleistung des PV-Systems aufgrund durchziehender Wolken. Da der Batteriespeicher die Ladeleistung nur zeitversetzt anpasst, wird er zum Teil mit Netzstrom geladen. Gegenüber einer idealen Systemregelung kann demzufolge also weniger überschüssige PV-Energie gespeichert werden.

Kurzzeitige Lastspitzen können durch die Nutzung unterschiedlicher Haushaltsgeräte oder taktender Verbraucher wie Kochfelder hervorgerufen werden. Der Batteriespeicher mit fünf Sekunden Reaktionszeit ist nicht in der Lage, diesen schnellen Lastfluktuationen durch Anpassung der Entladeleistung umgehend zu folgen. Demzufolge trägt die Batterieentladung in das Netz nicht zur Deckung der Last im Haus bei. Somit kann nicht die gesamte entladene Energiemenge zur Reduktion des Netzstrombezugs genutzt werden.

Anstieg des Netzbezugs und der Netzeinspeisung

Welchen Einfluss die zeitverzögerte Ladung und Entladung des Batteriespeichers auf die jährliche Energiebilanz des Beispielsystems hat, wurde für Reaktionszeiten von bis zu zehn Sekunden durch Simulationsrechnungen bestimmt. In Abbildung 3 ist die Zunahme der in das Netz eingespeisten sowie aus dem Netz bezogenen Energiemenge in Abhängigkeit der Reaktionszeit aufgetragen. Als Referenz dienen die Simulationsergebnisse eines ideal regelnden Systems ohne zeitliche Trägheit. Der Netzbezug zur Lastversorgung beträgt 2.220 Kilowattstunden pro Jahr, die Netzeinspeisung des PV-Systems 2.240 Kilowattstunden pro Jahr. Wie erwartet nehmen mit steigender Reaktionszeit sowohl die Netzeinspeisung als auch der Netzbezug zu.

Aus Abbildung 3 ist ebenfalls zu erkennen, dass mit steigender Reaktionszeit mehr PV-Energie in das Netz eingespeist wird. Zu erklären ist dies durch die Ladung der Batterie aus dem Netz, wodurch weniger PV-Energie gespeichert wird und somit die PV-Einspeisung höher ausfällt. Dagegen hat die Entladung des Batteriespeichers in das Netz im gleichen Maße einen Anstieg des Netzbezugs zur Lastversorgung zur Folge.

Bei einer Reaktionszeit von fünf Sekunden summiert sich die Zunahme der Netzeinspeisung sowie des Netzbezugs im betrachteten Fall auf jeweils 90 Kilowattstunden pro Jahr. Reagiert der Batteriespeicher um zehn Sekunden verzögert, sind es bereits rund 140 Kilowattstunden. Zusätzlich kann in der Praxis die begrenzte Genauigkeit oder etwaige Mittelwertbildung der Messwerterfassung weitere Fehlanpassungen und somit mehr Netzaustausch zur Folge haben.

Kurze Reaktionszeiten sind finanziell vorteilhaft

Bewertet man den gestiegenen Energieaustausch mit dem Netz ökonomisch, lassen sich die finanziellen Auswirkungen einer trägeren Systemregelung bestimmen. Wird die Einspeisevergütung mit 12 Cent pro Kilowattstunde sowie der Strombezugspreis mit 28 Cent pro Kilowattstunde angesetzt, ergeben sich bei einer Reaktionszeit von fünf Sekunden finanzielle Verluste von etwa 15 Euro pro Jahr. Hochgerechnet auf eine 20-jährige Nutzungsdauer summieren sich die erhöhten Ausgaben auf etwa 300 Euro. Der finanzielle Nachteil durch den erhöhten Strombezug kann durch die gestiegene Netzeinspeisung zum Teil aufgehoben werden. Würde die Einspeisung jedoch nicht vergütet werden, wären es über 20 Jahre daher sogar 500 Euro. Je nach Investitionskosten kann dies den erhöhten technischen Aufwand für eine schnelle Messwerterfassung und Systemregelung rechtfertigen.

Vertrauen in die Technik fördern

Es bleibt festzuhalten, dass aus technischer Sicht eine schnelle Anpassung der Batterieleistung an die jeweils vorherrschende Leistungssituation vorteilhaft ist. Der ökonomische Vorteil einer schnellen Messwerterfassung und Systemregelung kann in einem Zeitraum von 20 Jahren mehrere hundert Euro betragen. Daher sollte man bei der Entwicklung, aber auch beim Vertrieb von PV-Speichersystemen die Regelungszeiten nicht außer Acht lassen. Nur so kann das Vertrauen in die Technik von Solarstromspeichern gestärkt und somit deren Verbreitung weiter vorangetrieben werden.


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