Photovoltaikanlagen mit integrierten Stromspeichern zur Netzstabilisierung Diskussionsbeitrag des Solarenergie-Fördervereins Deutschland e.V. (SFV) Dipl.-Ing. Wolf von Fabeck (Geschäftsführer SFV) Dr.-Ing. Eberhard Waffenschmidt Professor für elektrische Netze
Mitwirkung: Klaus Köln (UfE GmbH)
Version 58
1
Notwendig, denn: Wind-Leistung wird bereits abgeregelt
Pufferspeicher für Windparks Notwendig, denn: PV–Peakleistung erreicht etwa 30 % der Sommerlast
Tag-NachtPufferspeicher für PV-Anlagen Ergebnis: PV-Leistung wird weiter ausgebaut und geglättet
Version 58
Ergebnis: Wind-Leistung wird weiter ausgebaut und geglättet
SpeicherMarkteinführungsProgramme bauen aufeinander auf
Voraussetzung: Gleichmäßige Überschüsse aus Sonne und Wind
Dezentrale Langzeitspeicher Ergebnis: 100 Prozent Erneuerbare Energie 2
Warum Integration in die PV-Anlage Motivation und Initiative für schnelle Umsetzung liegt bei den PV-Betreibern Speicher benötigen Gleichstrom. PV-Anlage liefert Gleichstrom Kurze Leitungswege zwischen volatiler Quelle und Pufferspeicher
Autonome Regelmechanismen Zeitlich paralleler Ausbau von PV-Anlagen und Pufferspeichern Modell auch für den Sonnengürtel der Erde Version 58
3
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW Demand Side Management kann Kurvenform in Grenzen ändern
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
4
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
Fehlende Leistung, die „Residuallast“, wird in jedem Augenblick durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt
Residuallast
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
5
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
Fehlende Leistung, die „Residuallast“, wird in jedem Augenblick durch konventionelle Kraftwerke bereitgestellt
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
6
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
7
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
8
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
9
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
10
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
11
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
12
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
13
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
14
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
15
Schematische Darstellung
Leistung Lastkurve
40 GW
40 GW Solarenergie verringert derzeit den Regelbedarf konventioneller Kraftwerke
40 GW
10 GW Solar heute
Solar heute Uhrzeit Version 58
16
Zeitsprung etliche Jahre Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher
Version 58
17 17
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Residuallast
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 18
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
40 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 19
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
42 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 20
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
43 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 21
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
35 GW Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 22
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
19 GW Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 23
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
15 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 24
Leistung
Schematische Darstellung
10 GW
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 25
Leistung
Schematische Darstellung
9 GW
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 26
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
13 GW
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 27
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
16 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 28
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
28 GW Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 29
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
39 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 30
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Weiterer Zubau von Solaranlagen ohne Pufferspeicher überfordert die Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks
43 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 31
Leistung
Schematische Darstellung
9 GW
Lastkurve
40 GW
Regelfähigkeit des konventionellen Kraftwerksparks wird überfordert
43 GW
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 32
Leistung
Schematische Darstellung
Residuallast
Lastkurve
40 GW
Eigenverbrauch löst das Problem nicht
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 33
Leistung
Schematische Darstellung
Lastkurve
40 GW
Residuallast
Eigenverbrauch löst das Problem nicht
Solar in einigen Jahren
Solar in einigen Jahren
Version 58
Uhrzeit 34
Die Probleme des konventionellen Kraftwerksparks Version experts58
35
Erneuter Zeitsprung Und weiterer Zubau von PV-Anlagen ohne Pufferspeicher
Version experts58
36 36
Lastkurve
Ca. 50 GW
Leistung
Grundlast
Mittellast
Spitzenlast Uhrzeit Version 58
37
Lastkurve
Leistung
Grundlast
Mittellast
Spitzenlast abgeregelt Uhrzeit Version 58
38
Leistung
Grundlast
Mittellast abgeregelt
Keine Probleme Spitzenlast abgeregelt
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39
Leistung
Das Problem tritt auf, lange bevor die PVLeistung die Lastkurve übersteigt
Grundlast lässt sich nicht weiter abregeln
Mittellast abgeregelt
Keine Probleme Spitzenlast abgeregelt
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40
Vorgesehenes Wachstum der PV nach BMU Leitstudie 2011
Zuwachs in GW / a
Tabelle 2, Seite 13
4,24
Auswertung und Grafik SFV
4 3,064 3
3,00
2
1
0,76
0,74
0,308 2000
2005 2010 2015
0,23 2020 2025 2030
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0,23
0,39
0,39
2035 2040 2045
2050
41
Weitere Lösungsmöglichkeiten ? ? ? Demand Side Management Einer zeitlichen Verschiebung des Stromverbrauchs sind Grenzen gesetzt. Besonders schwierig wird es, wenn (abhängig vom Wetter) Verschiebungen zu unterschiedlichen Zeiten verlangt werden. Es fehlt dann der Gewöhnungseffekt. Eine Einführung ist richtig, reicht aber zum Ausgleich für das PV-Wachstum nicht aus Version 58
42
Weitere Lösungsmöglichkeiten ? ? ?
GuD-Kraftwerke Planung, Genehmigung und Bau neuer GuDKraftwerken würde Zeit und Engagement der Energiewirtschaft erfordern. Der weitere PV-Ausbau muss darauf nicht warten, wenn unser PV-Pufferprogramm in Gang gesetzt wird. Version 58
43
Vorschlag des SFV Glättung der Solaranlagenleistung durch integrierte Pufferspeicher Version experts58
44 44
Solaranlagen ertüchtigen zum Zusammenwirken mit konventionellen Kraftwerken Nach wie vor unser Ziel: Konventionelle Kraftwerke schnellstmöglich ablösen…
Aber:
bis zu ihrer endgültigen Ablösung sinnvoll nutzen.
Deshalb Solareinspeisung rund um die Uhr vergleichmäßigen
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45
Experimentelle Ermittlung der Einspeiseobergrenze Peak Tages-Überschuss reicht nicht zur Auffüllung der nächtlichen Lücke
0,5 Peak
Peak
0,3 Peak
Einspeiseobergrenze = 0,3 Peakleistung
Version 58
46
Experimentelle Bestimmung der Speichergröße
Höchster Solarertrag in Deutschland am 25.05.2011 Peak
0,3 Peak
Quelle SMA
3 kWh/kWp
Einspeiseobergrenze = 0,3 Peakleistung
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PV-Anlage mit integriertem Pufferspeicher In einer sonnigen Woche Dauerbetrieb rund um die Uhr
Leistung
Direkteinspeisung Einspeisung aus Speicher
Uhrzeit
Vergleichbar den solarthermischen Anlagen mit Wärmespeicher 48 Version 58
Kein Problem Leistung
39
PV-Anlage mit integriertem Pufferspeicher bei geringerem Sonnenschein
Uhrzeit 49 Version 58
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Integration des neuen Anlagentyps in das derzeitige Stromerzeugungssystem: In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 50
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 51
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 52
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 53
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 54
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 55
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 56
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 57
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 58
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Integration des neuen Anlagentyps in das derzeitige Stromerzeugungssystem: In jedem Augenblick ist die neu hinzukommende Einspeiseleistung gleich
Stand heute
Stand heute
Version 58
Uhrzeit 59
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Residuallast Residuallast
Stand heute
Zubau 1
Stand heute Uhrzeit
Version 58
60
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Residuallast
Residuallast
Zubau 2 Stand heute
Zubau 1
Stand heute Uhrzeit
Version 58
61
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Zubau 3 Zubau 2 Stand heute
Zubau 1
Stand heute Uhrzeit
Version 58
62
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Lastkurve
Solarenergie rund um die Uhr
Stand heute
Stand heute Uhrzeit Version 58
63
Zur energieintensiven Industrie Solarstrom
K-Strom
Die solare Energie wird nicht nur um die Mittagszeit, sondern ganztägig geliefert
Version 58
64
Die Lösung: Wir verteilen die solare Mittagsspitze zeitlich durch Zwischenspeicherung rund um die Uhr. Direkt an der Quelle
Wir bereiten die Invasion des Stromnetzes von unten her vor: In sonnigen Wochen verdrängen wir schließlich nicht nur tags, sondern auch nachts den gesamten Kohle-, Atom- und Erdgasstrom Version 58
65
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Leistung
Mit Pufferspeicher
Ohne Pufferspeicher
Vergleich des Ausbautempos bei Vervierfachung der Solarpeakleistung
Stand heute Uhrzeit Version 58
Stand heute Uhrzeit 66
Solargenerator
MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung
Unser Vorschlag EinspeiseObergrenz Regler
Wechselrichter
Begrenzung der Einspeisung auf maximal 0,3 der Peakleistung
Überschuss
BatterieLadegerät
Batteriemanagement
EinspeiseZähler
Batterie Version 58
Öffentliches Netz
67
Stromnetz
Jede in das Stromnetz eingespeiste Kilowattstunde erhält die selbe Vergütung, Gleichgültig ob direkt oder indirekt eingespeist wurde
Version 58
68
Solargenerator
MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung
Vorschlag-Ergänzung EinspeiseObergrenz Regler
NetzstabilisierungsRegler
Wechselrichter
Überschuss
BatterieLadegerät
Batteriemanagement
EinspeiseZähler
Batterie Version 58
Öffentliches Netz
69
Prinzip-Blockschaltbild Solargenerator
MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung
(eine von vielen Möglichkeiten)
EinspeiseObergrenz Regler
Netzstabili -sierungsRegler
Wechselrichter
Überschuss
BatterieLadegerät
Batteriemanagement
• Einspeisevergütung • Speicherbereitstellungsvergütung • Technologiebonus
für jede eingespeiste kWh
EinspeiseZähler
Batterie Version 58
Öffentliches Netz
70
Prinzip-Blockschaltbild Solargenerator
MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung
(eine von vielen Möglichkeiten)
EinspeiseObergrenz Regler
Netzstabili -sierungsRegler
Wechselrichter
Haushalt
Überschuss
BatterieLadegerät
max. 0,3 Peak
Stromverbraucher
Batteriemanagement
Verbrauchs
Einspeise-
Zähler
Zähler
Batterie Version 58
Öffentliches Netz
71
Prinzip-Blockschaltbild Solargenerator
MPP-Regler zieht jederzeit maximale Leistung
EinspeiseObergrenz Regler
max. 0,3 Peak
Netzstabili -sierungsRegler
Wechselrichter
Optional und bei Stromausfall
Überschuss
BatterieLadegerät
(eine von vielen Möglichkeiten)
Batteriemanagement
Haushalt Stromverbraucher
Verbrauchs
Einspeise-
Zähler
Zähler
Batterie Version 58
Öffentliches Netz
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§§
Gesetzliche Bestimmungen
1. Reduzierung der Einspeiseleistung wird verpflichtend für alle Neuanlagen
Solarstromanlagen mit Inbetriebnahmedatum ab 01.01.2017 erhalten eine Vergütung nach EEG nur unter der Bedingung, dass ihre Einspeisewirkleistung am Verknüpfungspunkt mit dem aufnahmepflichtigen Netz durch eine technische Einrichtung auf 30 Prozent der Peakleistung reduziert ist
Version 58
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2. Reduzierung der Einspeiseleistung auch für zwischengespeicherte Energie
§§ Absatz 1 Die verpflichtende Reduzierung der Einspeiseleistung auf 0,3 der Peakleistung gilt für den gesamten aus diesen Anlagen in das Versorgungsnetz eingespeisten Strom einschließlich zwischengespeicherten Solarstroms EinspeiseObergrenz Regler
Wechselrichter
max. 0,3 Peak
Netzstabili -sierungsRegler Einspeise-
Absatz 2 Zusätzlich zum Zweck der Netzstabilierung eingespeister Strom unterliegt nicht der Reduzierung nach Abs. 1. Version 58
Zähler
74
§§
3. Speicherbereitstellungsvergütung
Für die Bereitstellung eines Pufferspeichers mit einer Mindestkapazität von 3 kWh pro installierter kWp wird eine technologieabhängie Speicherbereitstellungsvergütung von etwa 20 Cent/kWh (bis 45 Cent/kWh) für jede eingespeiste Kilowattstunde gewährt. Wechselrichter Dokumentation der Funktionsfähigkeit
Batteriemanagement
Batterie
Ihre Laufzeit beträgt 20 Jahre.
Der Anlagenbetreiber muss dazu einmalig in jedem Sommerhalbjahr die Funktionsfähigkeit seines Batteriesatzes messtechnisch nachweisen. Version 58
75
§§ 4. Einfache Abrechnung
Die Speicherbereitstellungsvergütung wird für den gesamten in das aufnahmepflichtige Netz eingespeisten Solarstrom gezahlt, gleichgültig ob er direkt oder nach Zwischenspeicherung eingespeist wurde.
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§§ 5. Freiwilliger Speichereinsatz vor dem Verpflichtungstermin wird belohnt
Die Speicherbereitstellungsvergütung wird auch für Solarstrom aus Anlagen mit einem Inbetriebnahmedatum vor dem 01.01.2017 gewährt, wenn die Reduzierung der Einspeiseleistung auf 0,3 der Peakleistung und der Einsatz der Speicherbatterie vor diesem Datum vorgenommen wurde. Die Speicherbereitstellungsvergütung erhöht sich dann um 0,5 Cent/kWh für jeden vollen Monat vorgezogenen Speichereinsatz („Sprinterbonus“)
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§§ 6. Degression der Speicherbereitstellungsvergütung
Für jedes volle Kalenderjahr, welches das Inbetriebnahmedatum später als der 31.12.2017 liegt, vermindert sich die Speicherbereitstellungsvergütung technologieabhängig für die gesamte Vergütungsdauer um 5 bis 15 Prozent.
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§§ 7. Eigenverbrauch oder Eigenvermarktung
Eine Vergütung für selbst verbrauchten oder selbst vermarkteten Solarstrom entfällt
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§§ 8. Technologiebonus bei aktiver Teilnahme an der Netzstabilisierung
Die Integration einer Einrichtung zur autonomen Stabilisierung der lokalen Netzspannung sowie zur autonomen Beteiligung an der Frequenzstabilierung wird mit einem Technologiebonus von 1 Cent pro eingespeister Kilowattstunde zusätzlich zur Einspeisevergütung und zur Speicherbereitstellungsvergütung vergütet. Details zu deren Aufgaben werden nachgereicht.
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§§ 9. Zahlungsmodus
Die Speicherbereitstellungsvergütung und der Technologiebonus sind durch die Verteilnetzbetreiber zusammen mit der Solarstromvergütung auszuzahlen
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§§ 10. Speicherbereitstellungsvergütung und Technologiebonus dienen der Netzstabilität – daraus folgt Kostentragungsmodus
Die Speicherbereitststellungsvergütung sowie der Technologiebonus werden durch den Verteilnetzbetreiber auf die Netzgebühr umgelegt. Sie belasten nicht die EEG-Umlage
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Leistung
Darstellung bei Voller Solareinstrahlung
Tendenzielle Verminderung der Netzbelastung Beispiel: bei Vervierfachung der Solarpeakleistung
Netzbelastung ohne Pufferspeicher
Netzbelastung mit Pufferspeicher
Uhrzeit Version 58
Uhrzeit 83
Ein neuer Anlagentyp: PV-Anlagen mit integrierter Pufferbatterie sind optimiert auf geringe Belastung der Stromnetze durch • Verminderung der mittäglichen Solarspitze • Vergleichmäßigung des Solarstromangebots rund um die Uhr • Ausgleich von Spannungsschwankungen im lokalen Netz • Möglichen Beitrag zur Frequenzstabilisierung im europäischen Verbund-Netz Version 58
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Ein neuer Anlagentyp: PV-Anlagen mit integrierter Pufferbatterie stellen geringere Anforderungen an die Regelbarkeit des konventionellen Kraftwerksparks. Insbesondere vermeiden sie den für bisherige Solaranlagen typischen Wechsel zwischen maximaler Erzeugung zur Mittagszeit und völliger Inaktivität bei Dunkelheit.
Version 58
85
Ein neuer Anlagentyp: PV-Anlagen mit integrierter Pufferbatterie arbeiten autonom, d.h. ohne Anweisung des aufnahmepflichtigen Netzbetreibers. Sie benötigen keine ferngesteuerte Einrichtung zur Reduzierung der Einspeiseleistung. Die bei ihnen verwendete Technik wird sie (auch) zum Exportartikel für Länder im Sonnengürtel der Erde machen.
Version 58
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[email protected]
www.sfv.de Version 58
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