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Offenes Simulationsmodell
für netzgekoppelte PV-Batteriesysteme
Tjarko Tjaden, Johannes Weniger, Volker Quaschning
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin
Christian Messner (AIT), Michael Knoop und Matthias Littwin (ISFH)Hauke Loges (elenia), Kai-Philipp Kairies und David Haberschusz (ISEA)
32. Symposium Photovoltaische Solarenergie,
Kloster Banz, Bad Staffelstein, 08.-10. März 2017
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2
Systemkomponenten und Energiewandlungspfade
PV-Generator
Last
MPP-Tracker
Wechsel-richter
Batterie-speicher
Netz
Laderegler
Umrichter
BAT
DC
DC
DC
AC
DC
AC
DC
DC
AC-gekoppelte Systeme
PV AC2 AC BAT2
AC AC
PV
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3
Systemkomponenten und Energiewandlungspfade
PV-Generator
Last
MPP-Tracker
Wechsel-richter
Batterie-speicher
Netz
Laderegler
Umrichter
BAT
DC
DC
DC
AC
DC
AC
DC
DC
AC-gekoppelte Systeme
PV AC2 AC BAT2
AC AC
PV
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4
Systemkomponenten und Energiewandlungspfade
PV-Generator
Last
MPP-Tracker
Wechsel-richter
Batterie-speicher
Netz
Laderegler
Umrichter
BAT
DC
DC
DC
AC
DC
AC
DC
DC
AC-gekoppelte Systeme
PV AC2 AC BAT2
AC AC
PV
DC
AC
BATPV
DC
DC
DC
DC
DC-gekoppelte Systeme
DC
AC
PV AC2
PV BAT2
AC BAT2
PV-Generator
Last
MPP-Tracker
Umrichter
Batterie-speicher
Netz
Laderegler
(optional)
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5
Systemkomponenten und Energiewandlungspfade
AC
BATPV
DC
DC
DC
AC
DC
DC
PV-Generato ystemergekoppelte S
PV BAT2PV AC2
PV-Generator
Last
MPP-Tracker
Wechsel-richter
Batterie-speicher
Netz
Laderegler
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6
Verlustmechanismen in PV-Batteriesystemen
• Eigenschaften, die Abweichungen gegenüber dem idealen, verlustfreien Systemverhalten hervorrufen.
• Systemverluste führen in der Regel zum Anstieg des Netzbezugs oder zur Reduktion der Netzeinspeisung.
• Klassifizierung der Verlustmechanismen in fünf Kategorien.
Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen
Umwandlungs-
verluste
Energiemanage-
mentverluste
Regelungs-
verluste
Bereitschafts-
verluste
Dimensionie-
rungsverluste
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7
Status Quo: Wirkungsgradangaben der Hersteller
Quelle: Hersteller
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Ausschau nach dem Effizienzlabel
5 AG Speicherperformance
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9
Ausschau nach dem Effizienzlabel
Label5
Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot
AG Speicherperformance
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10
Ausschau nach dem Effizienzlabel
Label5 AG Speicherperformance
Hersteller, Institute, Hochschulenseit 2015 in einem Boot
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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
3
4
5
Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
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4
5
Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
3
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5
Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
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4
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Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
• Prüfleitfaden für alle Topologien• AC-gekoppelt• DC-gekoppelt• PV-Generatorgekoppelt
• Ermittlung von Effizienzparametern
• Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste• Regelungseffizienz
• Veröffentlichung am 14.03.2017 auf der Energy Storage durch den BVES und BSW
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13
Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
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4
5
Sta
tus q
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Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
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Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
• Prüfberichte als Grundlage für weitere Schritte
• Prüfergebnisse• Nennleistung• Speicherkapazität• Auslastungsabhängige
Wirkungsgrade• Bereitschaftsverluste der
Systemkomponenten• Regelgeschwindigkeit und
Regelgenauigkeit
• Diskussion der Vorschläge zum den Datenblattangaben am 30.03.2017. Kontakt: BVES
Datenblatt
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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
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4
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uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
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2
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4
5
Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
• Prüfberichte als Grundlage für Simulationsprogramme
• Ziel des Simulationstests
• Vergleich der Systemperformance verschiedener Produkte unter identischen Bedingungen
• Werkzeug zur Produkt- und Systementwicklung
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15
Vorstellung des Simulationsmodells
• Performance-Simulationsmodell für AC-gekoppelte PV-Batteriesysteme (PerModAC).
• Matlab-Programmcode inkl. Eingangsdatensatz zur Simulation der Energieflüsse in einsekündiger Auflösung.
• Parametrierung des Modells auf Basis von Labormessungen nach dem Effizienzleitfaden.
• Modellansatz: „So einfach wie möglich, so komplex wie nötig.“
• Frei verfügbar: https://pvspeicher.htw-berlin.de/permod
PerMod AC
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16
Validierung durch Labormessungen
Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin
Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges
• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.
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17
Validierung durch Labormessungen
Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin
Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges
• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.
• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.
Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen)
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18
Validierung durch Labormessungen
Christian MessnerMichael KnoopMatthias Littwin
Kai-Philipp KairiesDavid Haberschusz Hauke Loges
• Test von vier AC-gekoppelten Systemen durch Forschungsinstitute nach dem Effizienzleitfaden und Bereitstellung der Prüfberichte.
• Messung über eine Woche im realen Betrieb durch Vorgabe einer PV-Generatorleistung und einer Last mit einer zeitlichen Auflösung von 1 s.
• Simulation des Systems mit den gleichen Eingangsdaten und anschließender Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse.
Differenzleistung AC-Batterieleistung (gemessen) AC-Batterieleistung (simuliert)
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Validierung anhand des AC-Systemnutzungsgrad
AC−Systemnutzunggrad
=AC−Batterieentladung
AC−Batterieladung
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Maßnahmen zur Steigerung der Vergleichbarkeit
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
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Sta
tus q
uo
Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
Einheitliche Datenblattangaben
Label
Kennzahl
Labortest nach dem Effizienzleitfaden
Simulationstest
1
2
3
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5
Sta
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Fehlende Messstandards
Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Produkte
Mangelende Transparenz der Effizienzangaben
Großes Effizienz-Optimierungspotenzial
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Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh
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Kennzahlen aus der Jahressimulation für System 3
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh
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23
Einführung des System Performance Index (SPI)
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh
Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher
= 1403 €/a
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24
Einführung des System Performance Index (SPI)
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh
Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher
= 1403 €/a
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Einführung des System Performance Index (SPI)
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
Jährliche Stromkostenohne PV-System und Batteriespeicher
= 1403 €/a
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26
Einführung des System Performance Index (SPI)
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
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27
Einführung des System Performance Index (SPI)
PV-Leistung 5 kWp, Verbrauch 5010 kWh/a, Kapazität 3,7 kWh, Vergütung 12 ct/kWh, Bezugspreis 28 ct/kWh
83
6 €
/a
97 €/a
Reales PV-System ohne Batteriespeicher
SPI =Kosteneinsparung des realen Systems
Kosteneinsparung des idealen Systems
77,8%
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28
Schlussfolgerungen
• Der Effizienzleitfaden für PV-Batteriespeicher stellt einebedeutende Grundlage für die Bestimmung von Effizienzparameternfür Datenblattangaben und Simulationsmodelle dar.
• Der Anspruch eines umfassenden, anwendungsbezogenenVergleichs von PV-Batteriesystemen bei gleichzeitig geringemzeitlichen und finanziellen Aufwand kann am besten durchSimulationen erfüllt werden.
• Das PerModAC-Modell ermöglicht eine genaue Abbildung der Realität und kann zusammen mit der Community als Open Source Modell weiterentwickelt werden.
• Wichtigste Weiterentwicklung ist die Anpassung und Validierungdes Modells für PV-Generator- und DC-gekoppelte Systeme.
• Mit dem vorgestellten System Performance Index (SPI) könnenmittelfristig Speichersysteme aller Topologien anwendungsbezogentechnisch sowie ökonomisch miteinander verglichen werden.
• Damit ist der SPI eine geeignete Grundlage für Marktübersichtenund ein einheitliches sowie verständliches Effizienzlabel.
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29
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
pvspeicher.htw-berlin.de
Ein großer Dank an die Verbände
und den Fördermittelgeber / Projektträger
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
pvspeicher.htw-berlin.de