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Autarkie und Wirtschaftlichkeit von Solarenergie. Auswirkungen von Akkuspeichern auf einzelne und zusammengeschlossene Photovoltaikanlangen

Seminararbeit 2015 18 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Theoretischer Hintergrund
2.1 Einsetzbare Komponenten
2.1.1 PV-Module
2.1.2 Akkumulatoren
2.2 Preisentwicklung der Komponenten
2.2.1 PV-Module
2.2.2 Akkumulatoren

3. Entwicklung des Forschungsmodells
3.1 Bereitgestellte Daten
3.1.1 Haushalte
3.1.2 Sonneneinstrahlung
3.2 Datenauswertung

4. Ergebnisse der Datenauswertung
4.1 Einzelne Haushalte
4.1.1 Autarkiegrad
4.1.2 Nutzbarkeit der PV-Energie
4.1.3 Wirtschaftlichkeit
4.2 Zusammenschluss von 100 Haushalten
4.2.1 Autarkiegrad
4.2.2 Nutzbarkeit der PV-Energie
4.2.3 Wirtschaftlichkeit

5. Diskussion der Ergebnisse

6. Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Illustration der Preisentwicklung von PV-Modulen inkl. Trendlinie (Wirth 2015, S. 8)

Abbildung 2 - Illustration des Autarkiegrades bei variierender Akku-/PV-Anlagen-Größe

Abbildung 3 - Illustration des nicht (selbst) nutzbaren PV-Stroms in kWh

Abbildung 4 - Illustration des Preises pro kWh bei 70m² PV-Anlage mit variierendem Batteriespeicher und oben genannter Methodik

Abbildung 5 - Illustration des Autarkiegrades bei variierender Akku-/PV-Anlagen-Größe (Zusammenschluss Haushalte)

Abbildung 6 - Illustration des nicht (selbst) nutzbaren PV-Stroms in kWh (Zusammenschluss Haushalte)

Abbildung 7 - Illustration des Preises pro kWh bei 70m² PV-Anlage mit variierendem Batteriespeicher und in 4.1.3 genannter Methodik (Zusammenschluss Haushalte)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

In Zeiten der Energiewende, zunehmender Verknappung von fossilen Energieträgern und steigenden Strompreisen werden Photovoltaikanlagen, welche aus der Sonnenein- strahlung nutzbaren Strom erzeugen, immer attraktiver. Prinzipiell stellt sich für Eigen- tümer einer Photovoltaikanlage die Frage, ob es sinnvoller ist die erzeugte Energie selbst zu nutzen oder diese gegen einen Erlös in das Stromnetz einzuspeisen. In vielen Ländern erhält der Kunde eine wesentlich geringere Vergütung für die Einspeisung, als er für den Bezug zahlen muss. Dieser Umstand legt eine Eigennutzung des generierten Stroms nahe. Die Nutzung des eigenen Stroms ist auch ohne Energiespeicher möglich. Da jedoch der Prozess der Energiegewinnung bei PV-Anlagen sehr wetter- und tages- zeitabhängig ist, kann ohne eine Speicherung nur ein geringer Teil der Energie selbst verwendet werden. Speziell am Beispiel eines durchschnittlichen, in Vollzeit arbeiten- den Haushalts wird dieser Effekt deutlich. Während der sonnenreichsten Zeit tagsüber sind die Bewohner des Hauses auf Arbeit und verbrauchen somit nicht mehr als die Grundlast. In den Verbrauchsspitzenzeiten früh vor der Arbeit und nach Feierabend sind die PV-Erträge nur noch gering. Den Anteil der Eigennutzung könnte man durch einen passenden Speicher entscheidend erhöhen. Problematisch ist jedoch, dass das Speichern von Strom bis jetzt relativ aufwändig und durch die teuren Akkus kostenin- tensiv und wenig rentabel war (vgl. Heise Online 2013).

Jedoch hat sich die Situation in den letzten Jahren zunehmend verändert, da die Preise für Batterien, als auch für PV-Anlagen drastisch gesunken, während im Gegenzug die Kosten für Strom gestiegen sowie die Vergütungen für eingespeisten Strom gesunken sind (vgl. Wirth 2015, S. 10; Sterner et al. 2015, S. 8). Diese Entwicklung sorgt dafür, dass Energiespeicher, falls diese eine ausreichende Deckung des Bedarfs garantieren können sowie bezahlbar bleiben, eine attraktive Ergänzung zur Einspeisung der Energie ins Stromnetz der großen Anbieter darstellen.

Eine plausible Ergänzung zur Speicherung des generierten Stroms wäre der Zusam- menschluss mehrere Haushalte, welche jeweils eine PV-Anlage wie auch einen dazu- gehörigen Speicher besitzen. In der Theorie kann so der Anteil der Eigennutzung des generierten Stroms erhöht werden, da Haushalte über verschiedene Lastprofile verfü- gen. „Das Lastprofil eines Verbrauchers […] zeigt den zeitlichen Verlauf der bezogenen Leistung an“ (Paschotta 2014). Es ist anzunehmen, dass bei einem Zusammenschluss einer größeren Menge an Haushalten die Lastprofile variieren, so eine gleichmäßigere Gesamtlast besteht und somit eine bessere Auslastung der PV-Anlage erreicht werden kann.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung, inwieweit einzelne Haushalte mit einer Photovoltaikanlage und einem dazugehörigen Speicher unabhängig von den zentralen Stromerzeugern sein können. Ergänzend soll der Stromeigenverbrauchsanteil bei einem Zusammenschluss von 100 Haushalten ermittelt werden. Zudem soll eine kurze Betrachtung der Wirtschaftlichkeit erfolgen.

2. Theoretischer Hintergrund

In diesem Kapitel soll der technische Hintergrund der Forschungsfragen erläutert werden. Dies beinhaltet zum einen eine Analyse der einsetzbaren, marktreifen und gängigen PV-Module sowie Akkumulatoren und deren Preisentwicklung.

2.1 Einsetzbare Komponenten

Mittlerweile gibt es eine Reihe von verschiedenen Technologien im Bereich der PV- Anlagen als auch der Batterien. Im folgenden Abschnitt sollen die relevanten Techno- logien sowie deren aktuelle Einsetzbarkeit, Verfügbarkeit und technologischen Details vorgestellt werden

2.1.1 PV-Module

Es gibt verschiedene Solarzellentechnologien, welche unterschiedlich weit von der Marktreife entfernt sind. Der dominanteste und weitverbreitetste Typ sind die kristallinen Solarzellen, welche knapp 85% der Weltproduktion ausmachen (vgl. Wesselak und Voswinckel 2012, S. 43). Als Alternative etablieren sich zunehmend sogenannte Dünnschichtmodule, die sich hauptsächlich durch die Schichtdicke des Halbleiters als auch durch den Produktionsprozess unterscheiden. Alternative Module mit teils unterschiedlichem Aufbau sind ebenfalls in Entwicklung, jedoch, bedingt durch die hohe Kostenreduzierung bei den gängigen kristallinen Solarzellen, teilweise etwas in den Hintergrund geraten (vgl. Wesselak und Voswinckel 2012, S. 50ff).

Bei aktuell installierten PV-Anlagen liegt die durchschnittliche Effizienz von normalen kristallinen Solarzellen bei 16%, bei Spitzenmodulen teilweise über 20%. Dünnschicht- module sind, bedingt durch die dünnere Halbleiterschicht, etwas weniger effizient. Hier schwanken aktuelle Anlagen zwischen 6-11%. An dieser Stelle nicht zu vernachlässi- gen ist jedoch die Tatsache, dass neben den spezifischen Wirkungsgraden zusätzliche Verluste auftreten - beispielsweise durch suboptimale Betriebstemperaturen, Ver- schmutzungen oder Verluste des Wechselrichters. Bei heute installierten Anlagen ist somit von weiteren Verlusten von 10-20% zu rechnen. (vgl. Wirth 2015, S. 42)

2.1.2 Akkumulatoren

Im Bereich der Akkumulatoren gibt es eine Fülle verschiedener Technologien. In diesem Abschnitt werden jedoch nur Lithium-Ionen- sowie Blei-Säure-Akkus dargestellt, da erhältliche Batteriespeicher für Solaranlagen weitestgehend auf einer der beiden Technologien basieren.

2.1.2.1 Lithium-Ionen

Trotz den vergleichsweise hohen Herstellungskosten, haben sich in den letzten Jahren Lithium-Ionen-Akkus vor allem wegen deren hoher Energiedichte im Bereich der por- tablen Geräte etabliert. Der Wirkungsgrad derartiger Batterien liegt bei 80% bis 85% bei einer Lebensdauer von 5-20 Jahren. Dabei ist zu beachten, dass es eine Vielzahl von Varianten mit variierenden, spezifischen Eigenschaften sowie nur begrenzte Lithium Vorräte gibt. Vorteile dieser Technologie sind die lange Lebensdauer, die geringen An- forderungen an den Aufstellort, die, durch die Energiedichte bedingte, kompakte Auf- bauart und der geringe Wartungsaufwand. Nachteilig sind die relativ hohen Kosten, die gesteigerte Brandgefahr sowie die bis jetzt geringe Erfahrung mit der Technologie. (vgl. Sauer 2013, S. 6f.)

2.1.2.2 Blei-Säure

Den gängigsten und weitverbreitetsten Akkumulatoren Typ stellt die Blei-Säure Tech- nologie dar. Durch die langjährige Produktion ist die Marktreife und Marktverfügbarkeit relativ hoch und der Preis verhältnismäßig moderat. In Europa werden derartige Akkus zu nahezu 100% recycelt. Nachteilig ist jedoch, dass die verhältnismäßig geringe Ener- giedichte relativ platzintensive Speicher verursacht. Zudem muss aufgrund der Säure für eine ausreichende Belüftung am Aufstellungsort gesorgt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei 70%-75% und die Lebensdauer bei 5-15 Jahren. (vgl. Sauer 2013, S. 8ff.)

2.2 Preisentwicklung der Komponenten

2.2.1 PV-Module

Die Module einer PV-Anlage sind ein großer Kostenfaktor. Jedoch bedingt durch den Technologiefortschritt, die größeren Stückzahlen und der erhöhten Konkurrenz sinken seit Jahren die Preise für Module konstant. Im Vergleich zum Jahr 2000 musste man im Jahr 2012 für dieselbe Leistung nur ein Fünftel bezahlen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Illustration der Preisentwicklung von PV-Modulen inkl. Trendlinie (Wirth 2015, S. 8)

2.2.2 Akkumulatoren

Auch Lithium-Ionen-Akkus erfahren eine langsame aber stetige Kostendegression, was die Batterien zunehmend auch in größeren Bauformen als Solarenergiespeicher attrak- tiver macht. Mögliche Erklärungen für den Preisverfall sind die zunehmende Weiterent- wicklung der Technologie, vermehrter Wettbewerb und vor Allem die gestiegene Pro- duktionsmenge, bedingt durch die gesteigerte Nachfrage, unter anderem im Bereich Elektromobilität.

Blei-Akkus hingegen sind preislich relativ konstant, bedingt durch die technologische Reife und der seit Jahren konstanten Produktion. (vgl. Sterner et al. 2015, S. 7)

3. Entwicklung des Forschungsmodells

Als Grundlage dieser Untersuchung dienen zwei gegebene Datensätze. Im folgenden Abschnitt sollen die gegebenen Daten sowie deren Auswertung analysiert werden.

3.1 Bereitgestellte Daten

Gegeben sind zwei Datensätze im CSV Format. Einerseits sind es Daten über mehrere Haushalte, andererseits Daten über die Sonneneinstrahlung.

3.1.1 Haushalte

Die Quelle enthält Informationen zum Stromverbrauch verschiedener Haushalte. Die Verbräuche sind für den Zeitraum vom 21.09.2009 bis zum 04.10.2009 und halbstündig aufgelöst, beginnend jeweils von 00:00h - 23:30h. Der aktuelle Verbrauch ist in kWh angegeben.

3.1.2 Sonneneinstrahlung

Die Daten der Sonneneinstrahlung entstammen dem „Monitoring atmospheric composition & climate (MACC)“ Service und sind für die Gegend um Dublin in Irland. Die Daten sind ebenfalls für den Zeitraum vom 21.09.2009 bis zum 04.10.2009 vorhanden, lösen jedoch viertelstündig auf. Zudem sind verschiedene Maße für die Sonneneinstrahlung gegeben, jeweils in Wh pro m².

3.2 Datenauswertung

Zur Auswertung der gegebenen Daten wurden die CSV Dateien in Microsoft Excel eingepflegt. Für die anschließende Auswertung wurde zum größten Teil selbstentwickelter VBA-Code verwendet, aber auch Standard Excel-Funktionen.

Zunächst wurden die zwei Datensätze aufbereitet und zusammengefügt. Die Berech- nung wurde für verschiedene PV-Anlagengrößen (10m²-130m² pro Haushalt) und ver- schiedene Akku-Größen (0kWh-25kWh pro Haushalt in 0,5 Schritten) durchgeführt. Bei der Einzelbetrachtung wurden zudem alle Haushalte individuell betrachtet und erst an- schließend mithilfe des arithmetischen Mittels zusammengeführt. Bei der zusammen- geschlossenen Betrachtung wurden im Voraus die jeweiligen Verbräuche aufsummiert. Des Weiteren wird in der Betrachtung als Sonneneinstrahlungswert der „GHI“ Wert her- angezogen, der die gesamte (direkte und indirekte) Sonneneinstrahlung auf einer hori- zontalen Fläche auf dem Boden darstellt. Dieser Wert kommt der Realität am nächsten. Zudem wurden eine PV-Moduleffizienz von 16%, sowie ein Performance Ratio von 85% berücksichtigt. Der Performance Ratio gibt an, wie viel des generierten Stroms nach den weiteren Verlusten, wie z.B. des Wechselrichters, noch übrig bleibt (vgl. Wirth 2015, S. 79). Nun wird ermittelt, ob der benötigte Strom mehr ist, als das was aktuell durch die Anlage produziert wird. Ist dies der Fall, wird zum einen die aktuelle Produktion genutzt, zum anderen wird versucht den Rest durch den Akkuspeicher abzudecken. Gelingt dies auch nicht, wird der verbleibende Bedarf aus dem Stromnetz entnommen. Wird aktuell mehr produziert als benötigt wird, wird von diesem Strom zunächst der Eigenbedarf gedeckt und dann der Akku geladen. Ist bzw. wird dieser voll, wird der Rest in das Stromnetz eingespeist. Am Ende wird der Autarkiegrad in %, als auch die Menge des Stroms in kWh, welche ins Netz zurückgespeist werden muss, angegeben.

4. Ergebnisse der Datenauswertung

Im folgenden Abschnitt sollen die Ergebnisse der Datenauswertung dargestellt werden, separat für die einzelnen Haushalte und für den Zusammenschluss von 100 Haushal- ten.

[...]

Details

Seiten
18
Jahr
2015
ISBN (eBook)
9783668072008
Dateigröße
1.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v308701
Institution / Hochschule
Otto-Friedrich-Universität Bamberg
Note
1,3
Schlagworte
Photovoltaik Solaranlagen Speicher Akkus Energiewende Dezentral Strom Autarkie virtuelle Kraftwerke PV-Anlage Energie Elektrizität Solarenergie

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Titel: Autarkie und Wirtschaftlichkeit von Solarenergie. Auswirkungen von Akkuspeichern auf einzelne und zusammengeschlossene Photovoltaikanlangen