EFFIZIENZLEITFADEN FÜR PV-SPEICHERSYSTEME

(1)

BUNDESVERBAND ENERGIESPEICHER

EFFIZIENZLEITFADEN FÜR PV-SPEICHERSYSTEME

Hintergrund | Überblick | Ergebnisse

(2)

Überblick über die Energieverluste in PV-Speichersystemen

Je nach Verlust erhöht sich der Netzbezug oder verringert sich die Netzeinspeisung

Verlustmechanismen in Photovoltaik-Batteriesystemen

Umwandlungs- verluste

Energiemanage- mentverluste Regelungs-

verluste

Bereitschafts- verluste Dimensionie-

rungsverluste

Quelle: HTW Berlin, Forschungsgruppe Solarspeichersysteme

(3)

Systemtopologien für PV-Speichersysteme

Vielfältige Systemkonzepte zur Anbindung der Batteriespeicher sind möglich

Bundesverband Energiespeicher e.V.

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

BAT PV

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)

AC

BAT PV

DC DC

DC AC

DC DC

PV-Generatorgekoppelte Systeme

PV BAT2 PV AC2

PV-Generator

Last MPP-Tracker

Wechsel- richter

Batterie- speicher

Netz Laderegler

(4)

Inhalt des Effizienzleitfadens

Charakterisierung der Effizienz von PV-Speichersystemen im Labor

• Definition von einheitlichen Prüfverfahren zur messtechnischen Charakterisierung der Energieeffizienz von PV-Speichersystemen

• Prüfleitfaden für alle Systemtopologien

 AC-gekoppelt

 DC-gekoppelt

 PV-Generatorgekoppelt

• Ermittlung der Systemeigenschaften

 Batteriekapazität

 Nennleistung der einzelnen Umwandlungspfade

 Leistungsabhängigkeit der Umwandlungseffizienz

 Bereitschaftsverluste (Leerlauf und Standby) der Systemkomponenten

 Regelgeschwindigkeit und -genauigkeit

• Vereinheitlichung der Begrifflichkeiten

(5)

Ausblick

Labortests nach dem Effizienzleitfaden bilden das Fundament für weitere Aktivitäten

Bundesverband Energiespeicher e.V.

Einheitliche Datenblattangaben Label

Kennzahl

Labortest nach dem Effizienzleitfaden Simulationstest

1 2

3

4 5

(6)

Download

Effizienzleitfaden, Beispielprüfbericht und Beispieldatenblätter sind online verfügbar

http://www.bves.de/technische-dokumente/

(7)

Herausgegeben und erarbeitet durch BVES und BSW

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu

Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme – Hintergrundinformationen zu den Messungen

M.Sc. Nina Munzke

(8)

Motivation

Vereinheitlichte Basis für

Charakterisierung, Bewertung und Vergleich hinsichtlich

Energieeffizienz

Parametrisierung von erweiterten Simulationsmodellen für

Gesamtsysteme

(Rentabilität, Autarkiegrade, ..) Wachsender Markt für

Heimspeichersysteme

Quelle: KIT PCE 2017

(9)

3 Vorstellung Effizienzleitfaden Nina Munzke - Competence E

Anwendungsbereich

Prüfumgebung

Speicherbetrieb in einer

„Hardware-in-the-loop“ (HiL) - Umgebung

Simulation der PV-Anlage durch PV-Generatoren

Emulation der Haushaltslast durch elektronische Lasten

PV-Heimspeichersysteme

Stationär

Netzgekoppelt

Hardware-in-the-loop Prüfumgebung Quelle: KIT PCE 2017

(10)

Anwendungsbereich

Prüfumgebung

Speicherbetrieb in einer

„Hardware-in-the-loop“ (HiL) - Umgebung

Simulation der PV-Anlage durch PV-Generatoren

Emulation der Haushaltslast durch elektronische Lasten

PV-Heimspeichersysteme

Stationär

Netzgekoppelt

Hardware-in-the-loop Prüfumgebung Quelle: KIT PCE 2016

(11)

Inhalt des Effizienzleitfaden

Topologien und Leistungsumwandlungspfade

Vergleich auch unterschiedlicher Systemarchitekturen

Quelle: HTW Berlin

(12)

Beschreibung Messaufbau

Der Leitfaden enthält eine klare Beschreibung des Messaufbaus sowie der Testdurchführung für die verschiedenen Systemtopologien

(13)

Inhalt des Effizienzleitfadens

Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

PV-Direkteinspeisung (PV2AC) Batterieladen (PV2BAT / AC2BAT) Batterieentladen (BAT2AC)

Leistungsaufnahme im Standby/ Leerlauf Wirkungsgrad der Batterie

Bestimmung der Regelabweichungen

Stationär Dynamisch

-2.500 -1.500 -500 500 1.500 2.500 3.500 4.500

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Last Netzaustausch

Leistungin W

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3 S11

(14)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen

Vorgehen :

Bestimmen der Bemessungs- leistungen der Pfade

Prüfung bei Bemessungs- und Teilleistungsniveaus

Vermessung bei PV- Spannungen U_{𝑚𝑝𝑝,𝑚𝑖𝑛}, U_{𝑃𝑉,𝑛𝑜𝑚} und U_{𝑚𝑝𝑝,𝑚𝑎𝑥}

Wirkungsgrade: Quotient Ausgangs- und Eingangsleistungen, gemittelt über die Messperiode T_𝑚

Heimspeichersystem Quelle: KIT PCE 2017

(15)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen

Vorgehen :

(16)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen

Vorgehen :

(17)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen

Vorgehen :

(18)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

Prüfung durch Vorgabe der PV- und der Lastleistungen

Vorgehen :

Heimspeichersystem 𝑼𝒎𝒑𝒑,𝒎𝒂𝒙

𝑼_{𝒎𝒑𝒑,𝒎𝒊𝒏} 𝑼𝑷𝑽,𝒏𝒐𝒎

PDC-BAT

PDC-PV

(19)

Bestimmung der Pfadwirkungsgrade

Berechnung der Wirkungsgrade als energetischer Mittelwert

𝜂 = 𝑃₀^𝑡^M 𝑨𝒖𝒔𝒈𝒂𝒏𝒈 𝑡 ∙ d𝑡

𝑃_{𝑬𝒊𝒏𝒈𝒂𝒏𝒈} 𝑡 ± 𝑃𝑵𝒆𝒕𝒛 / 𝑩𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆 𝑡 ∙ d𝑡

𝑡_M 0

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade

des Leistungsumwandlungssystems

(20)

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

(21)

Berechnung der Wirkungsgrade als energetischer Mittelwert

𝜂 = 𝑃₀^𝑡^M 𝑨𝒖𝒔𝒈𝒂𝒏𝒈 𝑡 ∙ d𝑡

𝑃_{𝑬𝒊𝒏𝒈𝒂𝒏𝒈} 𝑡 ± 𝑃𝑵𝒆𝒕𝒛 / 𝑩𝒂𝒕𝒕𝒆𝒓𝒊𝒆 𝑡 ∙ d𝑡

𝑡_M 0

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrade des Leistungsumwandlungssystems

(22)

Leistungsaufnahme im Standby

Inhalt des Effizienzleitfadens - Standby

Prüfung durch Vermessen der Leistungen P_𝐵𝐴𝑇, P_𝐴𝐶, P_{𝑃𝑉−𝑊𝑅} und P_{𝑁𝐸𝑇𝑍}

PV- und Lastleistung = 0

P^PV= 0

PLOAD = 0

(23)

Leistungsaufnahme im Standby

Inhalt des Effizienzleitfadens - Standby

Prüfung durch Vermessen der Leistungen P_𝐵𝐴𝑇, P_𝐴𝐶, P_{𝑃𝑉−𝑊𝑅} und P_{𝑁𝐸𝑇𝑍}

PV- und Lastleistung = 0

Standby

P^PV= 0

PLOAD = 0

(24)

Ermittlung des Wirkungsgrades der Batterie durch sukzessives Entladen und Laden der Batterie - Vollzyklen

Inhalt des Effizienzleitfadens - Wirkungsgrad der Batterie

Bsp.:energetischer Wirkungsgrad

𝑺𝑶𝑪_𝒎𝒂𝒙, Beginn Zyklus 1 – Beginn Entladen 𝑺𝑶𝑪_𝒎𝒊𝒏, Zyklus 1 – Beginn Laden

𝑺𝑶𝑪_𝒎𝒂𝒙, Ende Zyklus 1 – Beginn 2.Iteration

= 𝑷^𝒕^𝑴 𝐁𝐀𝐓 (𝐋𝐚𝐝𝐞𝐧)(𝒕) ∙ 𝒅𝒕

𝟎

= 𝑷^𝒕^𝑴 𝐁𝐀𝐓 (𝐄𝐧𝐭𝐥𝐚𝐝𝐞𝐧)(𝒕) ∙ 𝒅𝒕

𝟎

𝜼_{𝐁𝐀𝐓,𝑹𝑻𝑬} = 𝑷_𝟎^𝒕^𝑴 𝐁𝐀𝐓 (𝐄𝐧𝐭𝐥𝐚𝐝𝐞𝐧)(𝒕) ∙ 𝒅𝒕 𝑷_𝟎^𝒕^𝑴 𝐁𝐀𝐓 (𝐋𝐚𝐝𝐞𝐧)(𝒕) ∙ 𝒅𝒕 ∙ 𝟏𝟎𝟎

Quelle:

KIT PCE 2017

(25)

19 Vorstellung Effizienzleitfaden Nina Munzke - Competence E -2.500

-1.500 -500 500 1.500 2.500 3.500 4.500

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Last Netzaustausch

Leistungin W

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3

S11 -0,25

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Faktor der Erzeugungsleistung Faktor der Last

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3 S11

Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch

Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung

PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen

P^PV = _𝑃

PV2BAT ∗ 𝑃PV2BAT,nom

P𝐋𝐀𝐒𝐓 = _𝑃

BAT2AC∗ 𝑃BAT2AC,nom ∗ 𝒌

f

PPV2BAT

𝒌 = ^𝑃PV2BAT,nom

𝑃BAT2AC,nom (Korrekturfaktor)

f

PBAT2AC

Netzaustauschleistung

(26)

-2.500 -1.500 -500 500 1.500 2.500 3.500 4.500

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Last Netzaustausch

Leistungin W

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3

S11 -0,25

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Faktor der Erzeugungsleistung Faktor der Last

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3 S11

Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch

Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung

PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen

P^PV = _𝑃

P𝐁𝐀𝐓 =P𝐋𝐀𝐒𝐓 −PPV

f

PPV2BAT

 Resultierendes Batterieleistungsprofil 𝒌 = ^𝑃PV2BAT,nom

PBAT > 0 P^BAT < 0

f

PBAT2AC

Leistungssprung mit Vorzeichenwechsel

(27)

21 Vorstellung Effizienzleitfaden Nina Munzke - Competence E -2.500

-1.500 -500 500 1.500 2.500 3.500 4.500

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Zeit in s

Last Netzaustausch

Leistungin W

Zyklus 1 Zyklus 2

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10 S12 S13 S14

60s Vorlauf

S1 S2 S3 S11

Inhalt des Effizienzleitfadens - Regelabweichungen dynamisch

Stufenprofil zur Charakterisierung der dynamischen Regelabweichung

PV-/Lastprofil auf Basis der Bemessungsleistungen

P^PV = _𝑃

P𝐁𝐀𝐓 =P𝐋𝐀𝐒𝐓 −PPV

 Resultierendes Batterieleistungsprofil 𝒌 = ^𝑃PV2BAT,nom

(28)

Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme

Zusammenfassung und Ausblick

Ausblick :

Modellparametrisierung

Modellierung des Betriebsverhaltens in

verschiedenen Umgebungen Extrapolation der

Speicherperformance für

unterschiedlich dimensionierte Systeme

Ausblick:

Systemcharakterisierung

Einheitliche Basis für Klassifikation nach Energieeffizienz

Ableiten von Datenblattangaben Mögliche Grundlage für EN-Norm Besseres Verständnis für

Systemverhalten im Realbetrieb

Effizienzleitfaden : Charakterisierung von Heimspeichersystemen

Wirkungsgrade Leistungselektronik Wirkungsgrade Batterie

Standby-Verluste

Reaktionsgeschwindigkeit und Regelverluste

(29)

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Kontakt : Nina Munzke M.Sc / BBA

Teamleitung Stationäre Energiespeichersysteme

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Projekt Competence E

https://www.competence-e.kit.edu/index.php

Danksagung:

Die Messungen am KIT sind innerhalb des vom BMWi geförderten Projektes SafetyFirst entstanden.