Kostenminimaler Einsatz von dezentralen PV-Speicher Systemen am Beispiel des Haushaltssektors

Question

1. Motivation und zentrale Fragestellung

Im Forschungsprojekt PV-Best Use wird unter anderem der kostenminimale Einsatz von Photovoltaiksystemen in Kombination mit Batteriespeichern am Beispiel von Haushalten untersucht. Dabei wird geklärt, wie sich eine Variation des Aufstellwinkels und der Ausrichtung der PV-Anlage auf die Erzeugung auswirkt und wieviel PV-Strom als Eigenverbrauch, mit und ohne Speicher, im Haushalt genutzt werden kann. Zudem wird untersucht, wie sich verschiedene Ladestrategien auf die Wirtschaftlichkeit von PV-Speicher-Systemen auswirken und wie eine kostenoptimale Kombination aus Photovoltaik und Batteriespeicher aussieht.

2. Methodik

Die Stromerzeugung von Photovoltaikanlagen wird basierend auf gemessenen Strahlungs- und Umgebungstemperaturdaten in Abhängigkeit von Aufstellwinkel und Ausrichtung unter Annahme eines isotropen Diffusstrahlungsmodells berechnet. Die Batterie wird im Modell als Lithium-Ionen Batterie mit typischen Parametern implementiert, die Last wird durch ein standardisiertes Haushaltslastprofil repräsentiert. Zwei verschiedene Modelle werden dabei untersucht. Auf der einen Seite ein konventionelles Modell bei dem die Batterie geladen wird wenn PV-Überschuss vorhanden ist, auf der anderen Seite ein Optimierungsmodell, basierend auf der YALMIP Toolbox und dem GUROBI Solver, welches die Minimierung der Strombezugskosten, abzüglich der ins Netz rückgespeisten Energie,  als Zielfunktion hat. Über die Lebensdauer von 25 Jahren wird über die Methode des internen Zinsfußes eine ökonomische Bewertung der beiden Modelle mit fixer und variabler Vergütung durchgeführt.

3. Ergebnisse

Aus energetischer Sicht entspricht die optimale Ausrichtung etwa 180° (Süden), der optimale Aufstellwinkel 30°. Eine Abweichung von ±20° zur Südrichtung und ±10° im Aufstellwinkel hat nur eine geringe Minderung des  Ertrags von etwa 1.3% zur Folge. Der Eigenverbrauchsanteil sinkt mit steigender PV-Größe und steigt mit der Größe des Speichers. Mit einem Speichersystem kann der Eigenverbrauchsanteil als   auch der Autarkiegrad erheblich gesteigert werden wobei die optimale Größe (energetisch) für einen Haushalt mit einem Stromverbrauch von 4000 kWh/a bei etwa 6-7 kWh liegt. Zudem ist ersichtlich, dass nur mit großer PV-Anlage und großem Speicher ein Autarkiegrad von über 90% möglich ist. Die folgenden Grafiken zeigen die Entwicklung des internen Zinsfußes (IRR) für verschiedene Größenkombinationen aus PV und Speicher (einerseits mit einem Strompreis von 19 c/kWh und einem Einspeisetarif von 10 c/kWh und andererseits mit EXAA Spotmarktpreisen). Die Ergebnisse der beiden Modelle werden gegenübergestellt um die Unterschiede zu verdeutlichen.

 

• Unter den getroffenen Annahmen wird kein Break-Even-Point von kombinierten PV-Batteriespeicher-Anlagen erreicht -
• Eine Optimierungsstrategie des Gesamtsystems PV-Batterie-Haushalt macht aus Haushaltssicht nur mit zeitvariablen Tarifen Sinn 
• Eine Optimierungsstrategie mit entsprechend gestalteten Tarifen (Time of Use, Orientierung an Spotmarktpreisen) kann sowohl aus Haushaltssicht zur Senkung der Kosten als auch aus Systemsicht zur Senkung der Spitzenlast sinnvoll sein.

Answer 1

Die Studie geht offenbar von Annahmen aus, die bei mir "Stirnrunzeln" erzeugen. Aber das will ich jetzt nicht weiter thematisieren.

Stattdessen will ich hier mal meine private Wirtschaftlichkeitsberechnung ("Studie") und deren Annahmen gegenüberstellen - denn im Gegensatz zur oben vorgestellten Studie komme ich dabei zu dem Ergebnis, dass sich solare Energienutzung mit Kleinanlagen auf Haushaltsebene sehr wohl lohnen kann. Jedenfalls unter bestimmten Randbedingungen...


Ausgangspunkt:

•  Jahresverbrauch Strom: 4200 kWh, bei 27 Cent / kWh (letzter Rechnungsbetrag durch Stromverbrauch)
•   Heizung, Nennwärme: 16888 kWh, bei 8 Cent Energiepreis und 3 Cent Anlagenkosten ==> 11 Cent / kWh  (geschätzt aus letzter Gasrechnung und Anlagenwirkungsgrad von 95% sowie Anschaffungskosten durch Lebensdauer des letzten Brennwertkessels)

Weitere Annahmen:

•  Keine Einspeisung ins öffentliche Netz (um Anlagen- und Betriebskosten zu senken sowie Umlagen zu sparen).
•  Stromspeicher: Hochwertige zyklenfeste AGM-Bleibatterie mit 4000 versprochenen Zyklen bzw. 2500 Zyklen bei Entladung bis 50% (==> Lebensdauer 10 Jahre); Wirkungsgrad Ladegerät-Batterie-System: 80%.
•  Wärmespeicher: Sehr primitiver, aber damit preiswerter Latentwärmespeicher, deshalb Wirkungsgrad von nur 20%.
•  Berechnet auf (nur) 10 Jahre wegen Lebensdauer des Stromspeichers. (Eine Berechnung auf 20 Jahre mit Kauf einer Ersatzbatterie nach 10 Jahren zu heutigen Preisen (!) hat das Ergebnis nur geringfügig verbessert. Außerdem ist nach 10 Jahren auch mit Reparaturen am thermischen Teil der Anlage zu rechnen.)
•  Verzinsung des eingesetzten Kapitals mit 2%.

Folgende Varianten wurden gerechnet:

1.  Nur Strom + Speicher
2.  Strom- und Wärmeerzeugung für Heizung kombiniert, beides mit Speicher

Das alles jeweils mit verschieden großen Anlagen(bestandteilen).


Im Optimum kam dabei heraus:

•   3 kWp PV-Anlage mit paralleler Wärmegewinnung
  • daraus folgend 12 kWp Wärmeleistung
•   6 kWh Stromspeicher (nutzbar; Nennkapazität der Bleibatterie 12 kWh)
•   Wärmespeicher: So viel wie unter den konkreten baulichen Gegebenheiten möglich: ca. 1200 kWh.

Für dieses Optimum gilt nun:

  1. Nur Strom (+ Speicher): Es kommen Stromkosten von 36 Cent / kWh heraus (bzw. 32 Cent / kWh ohne Verzinsung des eingesetzten Kapitals); Folge (mit Verzinsung):

•   Bei einer fiktiven Strompreissteigerung von nur 2% pro Jahr wird  -wie in obiger Studie-  der Break-Even-Point nie erreicht.
•   Bei einer fiktiven Strompreissteigerung von 5% pro Jahr wird der Break-Even-Point in 2020 erreicht. - Allerdings steht im Saldo über den gesamten 10-jährigen Zeitraum ein Verlust von 5,71 EUR. Sollte dann eine neue Stromspeicherbatterie deutlich preiswerter sein als heute, wären mit einer 20-jährigen Laufzeit auch im Saldo Gewinne möglich.

 ==> Bei Beschränkung nur auf Strom ist die Anlage  bei heutigen Preisen  noch nicht wirtschaftlich; Hauptproblem dabei sind übrigens die Speicherkosten.
 ABER

  2. Strom- und Wärmeerzeugung: Strompreise wie vor. Für den Wärmepreis ergeben sich etwa 4 Cent / kWh, da bei der gewählten luftgeführten Bauweise nur geringe Zusatzkosten gegenüber der Variante "nur Strom" entstehen (im Ansatz sind ca. 25% der Gesamtkosten).
 
 ==> Damit ist die Anlage als Ganzes bereits im 1. Jahr gewinnbringend. - Der Gewinn aus der thermischen Nutzung ist so groß, dass er die Defizite beim Strom mehr als ausgleicht.
 
Anmerkung: Die solare Deckung (Autonomiegrad) beträgt in diesem Fall:

•   51% bei Strom und
•   36% bei Wärme für Heizungsunterstützung.

Höhere Deckungsraten würden die Anlagenkosten überproportional in die Höhe treiben bzw. andere Technologien zur Speicherung der Wärme erzwingen.

Fazit:
Es kann also sehr lohnend sein, die "Abwärme" der Photovoltaik nicht wegzuwerfen, sondern heizungsunterstützend zu verwerten. Ferner ist es dabei wirtschaftlich sinnvoll, bei der Wärmespeicherung im Sommer zugunsten kleiner Anlagenpreise niedrige Wirkungsgrade in Kauf zu nehmen.

Unter diesen Bedingungen wird so eine Anlage im Haushaltssektor schon bei heutigen Preisen wirtschaftlich.
 

Comments

Was hier steht, ist nur der *Plan* für eine Anlage, die im Verlauf dieses Jahres gebaut werden soll. - Ertragsdaten kann ich also frühestens in 1-2 Jahren vorlegen... zumal ich vorhabe, den Speicher erst im kommenden Jahr in vollem Umfang zu installieren (weil ich so auf niedrigere Preise und somit noch höhere Effizienz des Gesamtsystems hoffe).

Answer 2

Lieber Herr Schmidt-Gütter,

danke für Ihren Kommentar. Die Annahmen die hier getroffen wurden (bezüglich Strompreise, Einspeisetarife, PV-Systemkosten) betreffen den österreichischen Markt - deshalb vielleicht auch ihr Stirnrunzeln.
Und wenn Sie sich die obigen Grafiken ansehen, dann kommt man auch mit diesen Annahmen zu dem Schluss, dass eine kleine Anlage (sprich hoher Eigenverbrauch) durchaus wirtschaftlich ist. Und ja, Sie haben recht. Es sind die (Batterie-)Speicherkosten die das ganze unwirtschaftlich werden lassen. Ein zusätzlicher Wärmespeicher wurde hier (noch) nicht untersucht, deshalb kann ich hier keine Aussage treffen. Sobald ich das jedoch gemacht habe, werde ich dieses Thema auch hier diskutieren. Ich halte diese Variante allerdings dennoch jetzt schon, durch die geringeren Speicherkosten, für durchaus sinnvoll. Kommt halt darauf an, wie die Dimensionierung des Gesamtsystems aussieht!
Eine Strompreissteigerung von 5% pro Jahr halte ich für äußerst unrealistisch -> Die Strompreise nach 10,15,20 Jahren wären exorbitant hoch...
Zudem wird von vielen Herstellern eine optimierte Batteriespeicherstrategie propagiert. Aus meiner Sicht macht das bei fixen Haushaltsstrompreisen und fixen Einspeisetarifen einfach keinen Sinn -> Auch eine zentrale Aussage aus meiner Arbeit!

Ich wünsche noch ein schönes Wochenende,
Albert Hiesl