Transparenz für den Speichermarkt

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Mit der wachsenden Nachfrage nach Speichersystemen zur Erhöhung des Eigenverbrauchs oder zur Erreichung einer möglichst autarken Stromversorgung durch Solarenergie wächst die Vielfalt der auf dem Markt verfügbaren Systeme. Eine erste Klassifizierung erfolgt in AC- und DC-gekoppelte Systeme –damit wird die Schnittstelle zwischen der Photovoltaikanlage und dem Batteriespeicher beschrieben. Die Systeme basieren entweder auf modernen Lithiumakkus oder bekannten Bleibatterien. Manche sind auch für die Nutzung beider Technologien geeignet. Neben der längeren Lebensdauer von Lithiumbatterien wird der höhere Wirkungsgrad dieser Technologie als Vorteil genannt. Bisher existiert kein Verfahren für eine vergleichbare Messung der Effizienz von Photovoltaik-Speichersystemen. Daher ist unklar, welchen Einfluss die Vorzüge der eingesetzten Speichertechnologie auf das Gesamtsystem haben.

Transparenz und Vergleichbarkeit schaffen Neben der Angabe von Wirkungsgraden werben viele Hersteller und Händler mit Quoten für Eigenverbrauch und Autarkie, die mit Hilfe ihrer Produkte erreicht werden können. Diese Angaben liefern bei genauerer Betrachtung wenig vergleichbare Informationen. Bei Verwendung einer größeren Speicherkapazität wird zum Beispiel schnell auf einen höheren Eigenverbrauch geschlossen, aber die erreichbare Quote ist abhängig von der Höhe und dem Verlauf von Produktion und Verbrauch sowie dem Wirkungsgrad des Systems. An diesem Punkt wird deutlich, wie wichtig eine höhere Transparenz für die Vergleichbarkeit von Photovoltaik-Speichersystemen auf dem Markt ist.

Im Arbeitskreis „Hybrid Benchmark“ unter Führung vom Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik) mit den Industriepartnern Baywa r.e., Bosch Power Tec, SMA und Solutronic beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von Prüfverfahren zur einheitlichen Bewertung von Photovoltaik-Speichersystemen. Zielsetzung ist die Schaffung von Transparenz und Vergleichbarkeit auf dem unübersichtlichen Markt dieser Systeme.

Auch die Betriebsführung ist entscheidend Der Wirkungsgrad eines Systems wird klassischerweise durch das Verhältnis von Ausgangsenergie zu Eingangsenergie beschrieben. Die Effizienz von Photovoltaik-Speichersystemen lässt sich nach diesem Schema nicht bewerten. Kommen Speicher zum Einsatz – der Verlauf der Haushaltslasten (hier die Ausgangsenergie) ist nicht synchron zur Erzeugung des PV-Generators (hier die Eingangsenergie) –, müssen weitere Faktoren berücksichtigt werden. Diese Faktoren sind unter anderem das Energiemanagement, die Speichertechnologie und die Dimensionierung der Komponenten. Ein System, das die einzelnen Energiewandlungen und die Energiespeicherung zwar annähernd verlustfrei umsetzt, aber die Ausgangsenergie nicht dynamisch und schnell auf den aktuellen Verbrauch anpasst, eignet sich nicht so gut zur Erhöhung von Eigenverbrauch oder Autarkie wie ein System mit besserer Dynamik. Die Betriebsführung und Regelung der Systeme spielen bei der Effizienzbewertung eine zentrale Rolle.

Während eine Vielzahl von Systemen alle Komponenten eines Photovoltaik-Batteriesystems enthält (beispielsweise der BPT-S 5 Hybrid von Bosch Power Tec, der SOL-Energymanager von Solutronic, der Sunny Boy Smart Energy von SMA), existiert auch eine Menge von Anbietern, die einzelne Komponenten vertreiben, um sie geeignet mit bereits vorhandener Technik zu kombinieren. Ein Beispiel für solch ein modular aufgebautes System ist der Batteriewechselrichter Sunny Island 6.0H von SMA, der, kombiniert mit einem bereits vorhandenen Wechselrichter und einer Batterie, auch für den Eigenverbrauchsbetrieb verwendet werden kann.

Um sowohl modular aufgebaute als auch Komplettsysteme bei gleichen Rahmenbedingungen bewerten zu können, werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt [siehe Kästen auf Seite 108]. Zum einen wird dafür die Bewertung der Systemeffizienz durch Betrachtung und anschließende gewichtete Zusammenfassung der einzelnen Komponentenwirkungsgrade und zum anderen durch einen ganzheitlichen Anwendungstest umgesetzt.

Bewertung von Systemkomponenten Zur Bewertung der Systemeffizienz aus Komponentenwirkungsgraden werden dazu die verschiedenen Energieflüsse beim Betrieb der Systeme betrachtet. Wenn der Speicher gerade nicht geladen oder entladen wird, arbeitet das System wie ein herkömmlicher Solarwechselrichter. Hierfür gibt es bereits einen anerkannten Standard zur Messung der Effizienz – den sogenannten europäischen Wirkungsgrad, der in der internationalen Norm IEC 50530 beschrieben ist. Wird der Speicher allerdings geladen oder entladen, zählen andere Wirkungsgrade [siehe Grafik 2].

Einzig auf bekannte Standards lässt sich eine Beurteilung der Systemeffizienz von Photovoltaik-Batteriesystemen nicht zurückführen. Im täglichen Gebrauch der Anlagen liegt oftmals eine Vermischung der Energieflüsse vor. So kann zum Beispiel die Ladung der Batterie zeitgleich mit der Versorgung von lokalen Lasten auftreten.

Auch die Belastungen der leistungselektronischen Energiewandler liegen in anderen Verteilungen vor als bei der alleinigen Bewertung von Batterieladereglern oder Wechselrichtern nach den bekannten Standards. Im Rahmen des Arbeitskreises Hybrid Benchmark werden diese Belastungen identifiziert und in geeignete Gewichtungen überführt. Dafür wird zum einen der Systembetrieb im Labor und in Feldtests analysiert und zum anderen das Systemverhalten bei Referenzanwendungen mit Hilfe von Modellierung und Simulation betrachtet.

Um einen effizienten Betrieb der Anlage beim Kunden sicherstellen zu können, ist die Betrachtung der dynamischen Anforderungen an ein Photovoltaik-Speichersystem wesentlich. Bei einem besonders guten dynamischen Verhalten des Systems sind Steigerungen im Ertrag der Photovoltaikanlage oder im erreichbaren Eigenverbrauch zu erwarten. Während die Anpassung auf den „Maximum Power Point“ (MPP) der Photovoltaikanlage bereits Teil der IEC 50530 ist, bringt der Betrieb von Photovoltaik-Speichersystemen zur Deckung lokaler Lasten eine neue Anforderung an die Regelung: die Nachregelung der Systemausgangsleistung entsprechend der momentanen Haushaltslast. Bei der Betrachtung von typischen Lastprofilen fällt die starke Fluktuation der Nachfrage nach elektrischer Energie auf. Soll die Deckung dieser Lasten mit hoher Effizienz geschehen, ist eine gute Regelung auf den Sollwert nötig.

Bewertung des Gesamtsystems Nach der Anpassung der Gewichtungen in den vorhandenen Standards und anschließender Erweiterung dieser um die dynamischen Aspekte können sie auf die einzelnen Komponenten der modular aufgebauten Systeme angewendet werden. Die so erhaltenen Teilergebnisse werden zu einem Gesamtresultat kombiniert [siehe Grafik 3]. Dieser Ansatz ermöglicht es, durch die Betrachtung der Komponentenwirkungsgrade ein Maß für die Effizienz des Gesamtsystems zu erhalten.Da aufgrund der Betrachtung und Aggregation der einzelnen Teilwirkungsgrade allerdings nicht die Qualität des Energiemanagements bewertet werden kann, wird im Arbeitskreis Hybrid Benchmark eine weitere innovative Möglichkeit zur Berechnung der Systemeffizienz betrachtet [siehe Grafik 1].

Dazu werden die Systeme in den Laboren des Fraunhofer IWES in Anwendungstests für mehrere Tage mit ausgewählten Profilen der solaren Einstrahlung und der Haushaltslasten beaufschlagt und vermessen. Wird sichergestellt, dass der Speicher am Anfang und Ende der Messung einen identischen Ladezustand aufweist, kann durch die Betrachtung der durch das System gedeckten Lasten und der darüber hinaus durchgeführten Netzeinspeisung die Systemeffizienz berechnet werden. Dabei sind die Berechnungsvorschriften von zentraler Bedeutung. Sie beschreiben, wie aus den gemessenen Größen am Ende die Effizienz des Systems berechnet wird. Um ein aussagekräftiges Vergleichsverfahren zu ermöglichen, muss sichergestellt werden, dass die Größe der Speicherkapazität keinen Einfluss auf das erreichbare Ergebnis hat.

Dieses Verfahren ermöglicht es, den Einfluss des Energiemanagements zu bewerten und zu vergleichen, da dieses direkt die Systemeffizienz im Anwendungstest beeinflusst. Auch die vorher beschriebenen Teilsysteme können nach dem entwickelten Verfahren bewertet werden, nachdem sie zu einem Gesamtsystem kombiniert wurden.

Die im Arbeitskreis Hybrid Benchmark entwickelten Prüfverfahren werden Transparenz auf dem vielfältigen Markt der PV-Speichersysteme ermöglichen. Dazu werden zwei verschiedene Testverfahren entwickelt, um die Effizienz der verfügbaren Systeme vergleichbar zu machen. Durch diesen Ansatz wird sowohl die Vergleichbarkeit von Komplettsystemen als auch von einzelnen Komponenten ermöglicht.

Ziel ist es, spätestens Anfang des nächsten Jahres transparente und vergleichbare Wirkungsgradangaben liefern zu können. Danach kann jeder Hersteller seine Systeme in den zertifizierten Laboren des Fraunhofer IWES nach den entwickelten Verfahren testen lassen. Die Hersteller bekommen nach den Tests einen Nachweis zur Kennzeichnung ihrer Produkte.

Arbeitsgruppe Hybrid Benchmark: Fabian Niedermeyer (IWES), Armin Schmiegel (Bosch), Nico Kreutzer (SMA), Martin Rothert (SMA), Andreas Reischl (Baywa), Alexander Schütt (Baywa), Wieland Scheuerle (Solutronic)

Systembewertung aus Anwendungstests: Die Berechnung der Systemeffizienz aus Anwendungstests basiert auf der Verwendung von repräsentativen Verläufen der solaren Einstrahlung und der Haushaltslasten. Dazu wird das Verhalten des zu testenden Systems bei Beaufschlagung mit diesen Verläufen im Labor betrachtet und mit einem idealen, verlustfreien System verglichen. Dieses Verfahren kann nur für komplette Systeme durchgeführt werden und bezieht die Funktion des Energiemanagements mit in die Bewertung ein.

Systembewertung aus Komponenteneffizienzen: Die Berechnung der Systemeffizienz aus den Komponentenwirkungsgraden baut auf bereits vorhandenen Standards auf.

Dies sind im Wesentlichen: IEC/EN 50530 – Gesamtwirkungsgrad von Photovoltaik-Wechselrichtern IEC 61427 – Wiederaufladbare Zellen und Batterien für die Speicherung erneuerbarer Energien IEC 61683 – Photovoltaische Systeme – Stromrichter – Verfahren zur Messung des Wirkungsgrades IEC 62509 – Leistung und Funktion von Photovoltaik-Batterieladereglern Anwendung findet die Berechnung der Systemeffizienz aus Komponentenwirkungsgraden insbesondere bei Systemen, die aus verschiedenen, einzeln erwerbbaren Teilen zusammengesetzt sind. Das Verfahren ist aber auch für Komplettsysteme anwendbar, bei denen alle Teile in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

pv magazine group und Solarpraxis laden ein: Speicherworkshops für Handwerker: www.speicherworkshops.de