Solarstromanlagen mit Batteriespeicher für höheren Eigenstromanteil und Autarkie bei Netzausfall Überblick zum Stand der Technik von Batteriespeichern sowie Faustregeln zur Optimierung des Anteils selbst erzeugter Solarenergie Messe München, den IHM 2016 – Fokus gesund Bauen Alfred Bäder V 0.8

Zur Person Alfred Bäder Dipl.-Ing. Elektrotechnik (TU), Energieberater (HWK) Elektrofachkraft nach BDEW/ZVEH (TREI-Zertifikat) Neideckstraße München mobil: Mitglied in: - BAYERNenergie e.V. (Bund unabhängiger Energieberater e.V.) - DGS (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.) - BSM (Bundesverband Solare Mobilität e.V.) - VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.)

Dieser Vortrag ist… meinen Kindern gewidmet und von Z.A. inspiriert

Vortrag: Übersicht  Autarkie – was ist das?  Beispiele: Was kann man mit Eigenstrom machen?  Dimensionierung von PV-Anlagen mit Speichern  Qualitätskriterien für inselfähige Solarstromspeicher  Optimierung des Eigenstromverbrauchs mit Photovoltaik  Fazit

Herausforderung Autarkie  Autarkie (… ‚Selbstgenügsamkeit‘, ) im allgemeinen Sinne bedeutet, dass Organisationseinheiten oder Ökosysteme alles, was sie ver- oder gebrauchen, aus eigenen Ressour- cen selbst erzeugen oder herstellen. Selbstversorgung muss im Gegensatz zur Autarkie nicht alles zur Lebenserhaltung aus eigenen Ressourcen bereitstellen. (Quelle Wikipedia)  Autarke Energiesysteme sind fähig als Inselsysteme, also netzunabhängig zu operieren.  Der Autarkiegrad ist definiert die Summe aus dem Anteil des Direktverbrauchs plus dem Anteil der Batterieentladung bezogen auf den Strombedarf.  Problematik: Viele Solarstromanlagen mit Speicher sind nicht inselfähig aus folgendem Grund: Der Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) (früher „ENS“) erkennt innerhalb 100 ms den Wegfall der Netzspannung und auch eine erhöhte Netzimpedanz => Abschaltung  Viele Speicher können keinen echten Drehstrom liefern  Hundertprozentige Autarkie ist noch extrem teuer

Was kann man mit Eigenstrom aus PV und Batteriespeichern machen Betrieb von Heizung, Elektromobilität, Haushaltsgeräte (Handwerk, Küchengeräte, Kühlung, Kommunikation) Einhaltung der 70 %-Einspeisebegrenzung bei PV ohne Energie zu verschenken Erhöhter Autarkiegrad durch Speicherung Ausnutzung der großen Differenz zwischen PV-Einspeisevergütung und Preis für aus Stromnetz eingekauften Strom Besonders bei lokaler Erzeugung regenerativer Energie mehr Autarkie von Energiekonzernen sowie von fossilen Brennstoffen aus politisch instabilen Regionen Vorteile eines Inselsystems: Auch bei Stromausfall noch Betrieb von Heizung und Kühlung Betrieb einer Heizung erfordert fast immer Strom – entweder zum Betrieb einer Wärmepumpe oder „nur“ zum Betrieb einer konventionellen Heizung bei Netzausfall (Regelung, Umwälzpumpen!)

Nutzung von Eigenstrom (1): Elektroauto laden Den Fahrstrom für das eigene Auto selbst erzeugen bedeutet Unabhängigkeit von großen Konzernen sowie praktisch emissionsfreie Mobilität Besonders bei lokaler Erzeugung regenerativer Energie mehr Autarkie von Energiekonzernen sowie von fossilen Brennstoffen aus politisch instabilen Regionen

Nutzung von Eigenstrom (2): Elektromotorroller laden Elektromotorroller (Elektroroller, E-Scooter oder E-Roller): Motorroller mit elektrischem Antrieb. Die Energieversorgung erfolgt aus einer Traktionsbatterie mit mehreren Akkumulatorzellen. Je nach Bauform beträgt die Geschwindigkeit bis 45 km/h; bei manchen auch 90 km/h. Die Reichweite beträgt bei einigen Ausführungen über 100 km.

Nutzung von Eigenstrom (3): E-Bikes und Pedelecs laden E-Bike: Antrieb wird per Drehgriff gesteuert. Beim Pedelec (Pedal Electric Cycle) wird der Fahrer von einem Elektroantrieb unterstützt, wenn er in die Pedale tritt. In Deutschland ist ein Pedelec, mit einem maximal 250 Watt starken Motor und Limit auf 25 km/h, gemäß der Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung kein Kraftfahrzeug. Deshalb gibt es dafür keine Kennzeichen-, Haftpflichtversicherungs-, Führerschein- und Helmpflicht

Nutzung von Eigenstrom (4): Netzunabhängige Beleuchtung Lange Lebensdauer da keine beweglichen Teile und Schutzklasse IP65 (staubdicht, strahlwassergeschützt) Laden über Solarmodul, Zigarettenanzünderbuchse im Auto, Netzstrom Nutzeffekte: Jederzeit Licht auf bei Stromausfall und unterwegs, eingebaute Lademöglichkeit für Mobiltelephone

Nutzung von Eigenstrom (5): 230 Volt Wechselstrom aus Elektroauto-Batterie Aus einigen Typen von Elektroautos mit CHAdeMO- Anschluss kann man Energie entnehmen und mit einem geeigneten Wechselrichter in 230 Volt Wechselstrom umwandeln

Vorgehensweise zur Nutzung von Eigenstrom im Wohnhaus Drei Phasen: Einsparen, Effizienz, Erneuerbare Verbraucher nach Wichtigkeit und Dringlichkeit priorisieren Betrieb einer Waschmaschine kann z.B. einige Tage warten Einsparen: Keine Wärme direkt durch Strom erzeugen; allenfalls über Wärmepumpe ( ==> 3 – 5facher Ertrag an Nutzwärme) Durch geringeren Stromverbrauch und größeren Speicher steigt automatisch der Eigenstromanteil Beleuchtung konsequent auf hocheffiziente LED umstellen Nachladen der Batterie idealerweise über Photovoltaik (Solarstrom); sofern möglich auch über Wind und in manchen Fällen auch über Kraft-Wärme-Kopplung sinnvoll Bei Stromausfall trotzdem noch Betrieb von Heizung und Kühlung sicherstellen (ggf. eigene Stromkreise) Manche Stromspeicher können Leistung von bis zu 9 KW Drehstrom liefern, was für den Betrieb einer Wärmepumpe und Laden eines Elektroautos mehr als ausreichend ist. Für Grundversorgung einen Grünstromanbieter wählen

Prinzipieller Aufbau einer Photovoltaikanlage Quelle: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS)

Umweltfreundliche Erzeugung von Solarstrom in Carports oder auf dem eigenen Hausdach Abschätzung des Ertragspotentials: Annahme: 15 m 2 frei auf Hausdach (30 Grad Neigung) nach Süden Auf diese Fläche passen 0,14 kWp/m 2 * 15 qm = 2,1 kWp Falls keine nennenswerte Verschattung vorliegt: Ertrag von kWh/(kWp * a) * 2,1 kWp = kWh/a. Wenn ein Elektroauto pro 100 km typisch 15 kWh verbraucht, reicht dies bei einem Ladewirkungsgrad von 80 % für eine jährliche Fahrleistung von bis zu: 0,8 * (2.100 kWh/ 15 kWh) * 100 km = km! Investitionskosten für die PV-Anlage: ca Euro Stromgestehungskosten für selbstgenutzten Solarstrom: Ertrag in 20 Jahren: kWh/a * 20 a = kWh Bei dieser Anlage kostet die kWh den Betreiber nur 8,6 cent unter der idealisierten Annahme von 100 % Eigenverbrauchsanteil.

Studie der Forschungsstelle für Energiewirtschaft: Real erreichbare solare Deckungsanteile im Haushalt PV-Anlage: – Leistung: 7,5 kWp – Ausrichtung: Süd – Standort: Süddeutschland Haushalte: – Smart-Meter Lastgänge von 114 Haushalten über zwei Jahre Elektrofahrzeuge: – 43 GPS-Fahrprofile von konventionellen, privaten Fahrzeugen über 3-5 Monate – Basierend auf dem Fahrprofil wurde der Energiebedarf berechnet – Keine Ladesteuerung Kombinatorische Simulation: – 114 x 43 = 4902 Kombinationen Quelle: Philipp Nobis, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. Eigenverbrauch: 24 % PV-Anteil im Elektroauto: 18 %

Real erreichbare solare Deckungsanteile im Haushalt: PV-Eigenverbrauchserhöhung mit Speicher PV-Anteil im Elektroauto: 18 % PV-Anteil im Elektroauto: 41 % Quelle: Philipp Nobis, Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. Eigenverbrauch: Brutto: 45 % Netto: 42 % Eigenverbrauch: 24 %

Faustregeln für PV-Anlagen mit Speichern Die billigste (und steuerfreie!) Energie ist die nicht benötigte: Bei der Anschaffung einer PV-Anlage gleichzeitig wirtschaftlich sinnvolle Einsparpotentiale identifizieren und ausnutzen Direkte Nutzung als Eigenverbrauch geht vor Speicherung Das Nutzungsprofil des Haushalts geht stark in den Eigenverbrauch ein: Solarstrom wird untertags erzeugt und wenn erst abends der Verbrauch steigt, ist ein umso kostspieligerer Speicher erforderlich Die nutzbare Kapazität in KWh in etwa so hoch auslegen wie die peak- Leistung in kW des Solargenerators Mit zunehmender PV-Leistung sinkt der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad steigt. Durch einen größeren Batteriespeicher steigt in der Regel der Eigenverbrauchsanteil und der Autarkiegrad. Ost-/West-Anlagen können den Eigenverbrauch erhöhen PV-Anlagen, die 2021 aus der EEG-Förderung fallen, können nun noch über Eigenverbrauch Geld erwirtschaften (besonders relevant bei großen PV- Anlagen in der Landwirtschaft!) Notstromfähige Batteriesysteme können auch bei Ausfall des Stromnetzes das Hausnetz durch Entladung des Speichers versorgen. Inselnetzfähige Batteriesysteme ermöglichen zusätzlich im Netzersatzbetrieb die Ladung des Batteriespeichers durch das PV-System. Quelle: HTW Berlin et al.

Relevante Normen und Anwendungsrichtlinien Technische Anschlussbedingungen (TAB 2007) Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz (VDE-AR-N 4105) (Inselnetzerkennung) Anforderungen an Zählerplätze (VDE-AR-N 4101) PV-Stromversorgungssysteme (DIN VDE ) Inbetriebnahme und wiederkehrende Prüfungen (DIN VDE ) VDE-AR-N 4400 Anforderungen an Messeinrichtungen und Messung (VDE-AR-N 4400 Messeinrichtungen - phasenrichtige Addition bei Zweirichtungszählern) VDE-AR-N 4105 Mindestanforderungen an Erzeugungsanlagen im Parallelbetrieb VDE-AR-N 4101 Mindestanforderungen an Zählerplätze im Niederspannungsbereich VDE-AR-E – Stationäre Energiespeichersysteme VDE : Errichten von NS-Anlagen, Teil 8-1: Energieeffizienz BSI-konforme Einspeisemessung gemäß §21c EnWG

Hohe garantierte Anzahl an Ladezyklen: > Kalendarische Lebensdauer > 8 Jahre (bis zu 12 Jahre) Echter Drehstromausgang Lastmanagement um Verbrauchsspitzen zu kappen Optional Teilnahme am Regelleistungsmarkt des Stromnetzes (netzdienlicher Betrieb) Hohe Ausgangsleistung (> 3 kW) für Betrieb von Wärmepumpen Inselfähigkeit Qualitätskriterien für inselfähige Solarstromspeicher

Wie mache ich meine Solarstromanlage zukunftssicher? Gute alte Elektrohandwerkersarbeit => Unsymmetrie minimieren durch geschickte Phasenaufteilung. Alle Phasen gleichmäßig auslasten! Für lebenswichtige Verbraucher ggf. eigene Stromkreise reservieren Genug Platz für Schutz- und Trennvorrichtungen vorsehen Moderne Messeinrichtungen mit Smart Meter Gateway für sichere Einbindung in ein Kommunikationsnetz sowie zur Erfassung des tatsächlichen Elektrizitätsverbrauchs und Nutzungszeit. Kommende Entwicklungen vorwegnehmen wie z.B smart meter und Anbindung an Telekommunikation VDE-AR-N Messeinrichtungen: Saldierende Messung über alle Phasen. - phasenrichtige Addition bei Zweirichtungszählern

Fazit: Batteriespeicher mit PV-Anlagen Aufgrund der höheren Anschaffungskosten für den Speicher ist Eigenstrom aus Solaranlagen, rein gesehen wirtschaftlich, noch ein Nullsummenspiel Es sollte ein Autarkiegrad von bis zu 60 % angestrebt werden um die Kosten zu dämpfen Eine Analyse des Lastprofils deckt Einsparpotentiale auf und ermöglicht Planungssicherheit. Elektrisch fahren mit „Graustrom“, etwa aus Braunkohle, ist NICHT umweltfreundlich. Um wirklich CO 2 -neutral zu fahren, muss der Strom aus Regenerativen Quellen stammen. Dies kann auch im Stadtgebiet durch Solarstrom auf Hausdächern oder auf dem Land mit Windenergie realisiert werden. Wenn diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, kann man immer noch einen (Grün-) Stromanbieter wählen.

Definitionen: Batteriespeicher mit PV-Anlagen Nominale Speicherkapazität (Nennkapazität): Entspricht der Energiemenge, die dem Batteriespeicher unter definierten Nennbedingungen entnommen werden kann. Nutzbare Speicherkapazität: In der Praxis wird der nutzbare Anteil der Nennkapazität zur Erhöhung der Batterielebensdauer auf einen festgelegten Ladezustandsbereich beschränkt. Daher ist die nutzbare Kapazität meist geringer als die nominale Kapazität. Ladezustand (state of charge - SOC): Der Ladezustand gibt das Verhältnis von aktuell verfügbarer Speicherkapazität zur Nennkapazität wieder. Zyklenlebensdauer: Anzahl der Zyklen, nach der Speicherkapazität durch die Zyklenbelastung auf 80% der Anfangskapazität gesunken ist. Kalendarische Lebensdauer: In Kalenderjahren angegebene Lebensdauer, nachdem die Speicherkapazität ohne Zyklisierung auf 80% der Anfangskapazität gesunken ist. Energiewirkungsgrad: Der Energiewirkungsgrad entspricht dem Verhältnis aus entladener Energiemenge zur zugeführten Energiemenge während der Batterieladung. Quelle: „Dezentrale Solarstromspeicher für die Energiewende“ (Volker Quaschning et. al. – htw Berlin)

Nützliche Internet-Adressen Elektromobilität: Revolution der Automobilindustrie von Lars Thomsen => Spritverbrauch von Pkw: Deutsche Umwelthilfe fordert Eingreifen des Staates gegen manipulierte Herstellerangaben Pressemitteilung , 10:30 Uhr => China droht Auto-Herstellern mit Strafe bei hohem Spritverbrauch, Do, :47 => herstellern-mitstrafe-bei-hohem-spritverbrauch.csp Spritverbrauch schöngerechnet: Falsche US-Verbrauchsangaben kosten Hyundai insgesamt 750 Millionen Dollar, => kosten-hyundai-in-usa-700-millionen-dollar-a html Unabhängkeitsrechner von Professor Berlin => CHAdeMO-Stromtankstellen in Deutschland => / Quellen: bsm-Bundesverband Solare Mobilität, Wikipedia.org, Deutsche Umwelthilfe, eigene Recherchen

Noch Fragen? Alfred Bäder Elektrofachkraft nach BDEW/ZVEH (TREI-Zertifikat) Elektroingenieur, Energieberater (HWK) Neideckstraße 42, München Tel.: 0176 /