12. EffizienzTagung Bauen + Modernisieren 13. und 14. November 2020, Hannover

Vergleich von Batteriespeichern für Wohngebäude

Johannes Weniger, Selina Maier, Nico Orth und Volker Quaschning

Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin Forschungsgruppe Solarspeichersysteme

Wilhelminenhofstr. 75a, 12459 Berlin Web: https://pvspeicher.htw-berlin.de

E-Mail: pvspeicher@htw-berlin.de

Kurzfassung Im Rahmen der Stromspeicher-Inspektion 2020 wurde die Energieeffizienz von Batteriesystemen für Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) bereits zum dritten Mal bewertet. 14 Unternehmen haben den Spei-chervergleich mit Messdaten von unabhängigen Prüflaboren unterstützt. Insgesamt wurden 21 Solar-stromspeicher unter die Lupe genommen, darunter neue Geräte von Fronius, GoodWe, IBC Solar und KACO. Aus der Bewertung mit dem an der HTW Berlin entwickelten System Performance Index (SPI) gehen zwei Systeme von RCT Power und Fronius als Spitzenreiter hervor. Das Fronius-Gerät besticht mit einem herausragenden mittleren Wechselrichterwirkungsgrad im Entladebetrieb von 97,3%. Die Systeme von RCT Power punkten mit Reaktionszeiten unter 0,4 s. Erwähnenswert ist zudem ein Sys-tem von VARTA, das nicht nur mit einem sehr hohen Batteriewirkungsgrad von 98,0%, sondern auch mit einem Standby-Verbrauch von lediglich 2 W überzeugt. Im Vergleich mit den bisherigen Ergebnissen des Speichertests wird deutlich, dass viele Hersteller die Effizienz ihrer Produkte verbessern konnten. Demnach sind immer mehr Speichersysteme erhältlich, die mit hohen Umwandlungswirkungsgraden und geringen Standby-Verbräuchen überzeugen.

Analyse des deutschen Markts für PV-Speichersysteme Über die Bewertung der Speichersysteme hinaus gibt die Stromspeicher-Inspektion 2020 Einblicke in den Markt für PV-Speichersysteme in Deutschland (Weniger et al., 2020). PV-Anlagen und Speichersysteme, die im Jahr 2019 in Betrieb genommen und im Marktstammdatenregister (MaStR) der Bundesnetzagentur bis zum 31.01.2020 re-gistriert wurden, bilden die Datenbasis der Marktanalyse. Insgesamt sind 87.958 PV-Anlagen mit einer Nennleistung kleiner 20 kWp im Register aufgeführt. Die Gesamt-leistung aller analysierten PV-Systeme beträgt 691 MWp. Die in Bild 1 dargestellte Häufigkeitsverteilung der PV-Nennleistung verdeutlicht den negativen Einfluss der regulatorischen Rahmenbedingungen auf den PV-Zubau in Deutschland. Bei PV-Anlagen größer 10 kWp entfällt die EEG-Umlage anteilig auf den direkt verbrauchten Solarstrom und bringt so den Zubau von PV-Anlagen zwischen 10 kWp und 20 kWp fast zum Erliegen. Mehr als ein Drittel der untersuchten PV-Anla-gen hat eine Nennleistung zwischen 9 kWp und 10 kWp. Der bereits in den vergange-nen Jahren zu beobachtende Trend hin zu größeren PV-Anlagen (vgl. (Figgener et al., 2018)) hat sich demnach in diesem Marktsegment nochmals verstärkt. Im nächsten Schritt wurden die Eigenschaften der im MaStR registrierten Speicher-systeme mit einer nutzbaren Speicherkapazität kleiner 20 kWh und einer Nettonenn-leistung kleiner 20 kW analysiert. Die Nettonennleistung eines Batteriesystems ent-spricht im MaStR dem kleineren Wert der Wechselrichterleistung und der Batterieleis-tung.

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Bild 1: Häufigkeitsverteilung der Nennleistung der im Jahr 2019 installierten PV-Systeme mit einer Nennleistung

kleiner 20 kWp (Anzahl der Systeme: 87.958, Daten: Marktstammdatenregister).

Die Hälfte der registrierten Speichersysteme hat nutzbare Speicherkapazitäten im Be-reich von 5 kWh bis 8 kWh, wie Bild 2 veranschaulicht. Fast ein Drittel der Speicher-systeme hat dagegen eine nutzbare Speicherkapazität zwischen 8 kWh und 12 kWh. Die mittlere Speicherkapazität der Batteriesysteme in diesem Marktsegment liegt folg-lich bei 8 kWh. Eine Änderung der Verteilung der Speicherkapazitäten im Vergleich zu den Vorjahren ist nicht erkennbar (vgl. (Figgener et al., 2019, 2018; Kairies et al., 2019)). Hierbei gilt zu beachten, dass häufig die nominale Speicherkapazität anstatt der geforderten nutzbaren Speicherkapazität in das Register eingetragen wird.

Bild 2: Häufigkeitsverteilung der nutzbaren Speicherkapazität der registrierten Speichersysteme (Anzahl der Sys-

teme: 36.400, Daten: Marktstammdatenregister).

Vergleich der Umwandlungswirkungsgrade In einem weiteren Schwerpunkt der Stromspeicher-Inspektion 2020 wurden die La-bormessdaten unterschiedlicher PV-Speichersysteme verglichen. Dazu wurden die in Deutschland aktiven Anbieter von Speichersystemen für Privathaushalte zur Teil-nahme an der Studie eingeladen. Insgesamt haben sich 14 Unternehmen mit La-bormessdaten von 21 Systemen beteiligt. Die Labortests wurden von unabhängigen Prüfinstituten gemäß den Vorgaben des Effizienzleitfadens für PV-Speichersysteme

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durchgeführt (vgl. (BVES - Bundesverband Energiespeicher e.V. and BSW - Bundes-verband Solarwirtschaft e.V., 2019)). Weitergehende Details zur Methodik sind in der Stromspeicher-Inspektion 2018 beschrieben (Weniger et al., 2018). Zur Unterscheidung der einzelnen Produkte erhält jede Systemkonfiguration ein Kürzel (z. B. A1, A2, etc.), wobei der Buchstabe je nach Hersteller variiert. Die im Labortest ermittelten nutzbaren Speicherkapazitäten der untersuchten Systeme liegen zwischen 5,1 kWh (E1) und 15,7 kWh (A3). In PV-Speichersystemen fallen Umwandlungsverluste in den leistungselektronischen Systemkomponenten sowie im Batteriespeicher an. Bild 3 stellt die gemäß Effizienz-leitfaden ermittelten Batteriewirkungsgrade der untersuchten Batteriespeicher gegen-über. Die Werte liegen zwischen 87,9% und 98,0% und der mittlere Wirkungsgrad der Lithium-Ionen-Batteriespeicher beträgt 95,1%.

Bild 3: Batteriewirkungsgrade der untersuchten Systeme, von denen Batteriemesswerte vorliegen.

Die Systeme C1 und C2 erzielen die geringsten Batteriespeicherverluste mit einem Batteriewirkungsgrad von 98,0%. Der Batteriewirkungsgrad wird u. a. von der Qualität der Batteriezellen, der Zellverbindungstechnik, der Leistungsaufnahme des Batte-riemanagementsystems (BMS) und der ggf. im Batteriespeicher integrierten Leis-tungselektronik beeinflusst (Munzke et al., 2019; Weniger et al., 2019a). Bild 4 stellt die Energieumwandlungspfade der leistungselektronischen Komponenten von AC- und DC-gekoppelten PV-Speichersystemen gegenüber. Generell wird zwi-schen den Pfaden PV-Einspeisung (PV2AC), PV-Batterieladung (PV2BAT), AC-Bat-terieladung (AC2BAT) und AC-Batterieentladung (BAT2AC) unterschieden. Um die Umwandlungseffizienz unterschiedlicher Speichersysteme einfacher verglei-chen zu können, wurden die sogenannten mittleren Pfadwirkungsgrade mit dem Effi-zienzleitfaden (Version 2.0) eingeführt (BVES - Bundesverband Energiespeicher e.V. and BSW - Bundesverband Solarwirtschaft e.V., 2019). Die mittleren Pfadwirkungs-grade entsprechen dem arithmetischen Mittel der Wirkungsgrade an 10 zwischen 5% und 95% der nominalen Ausgangsleistung gleichverteilten Stützstellen des jeweiligen Energieumwandlungspfads.

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Bild 4: Komponenten und Energieumwandlungspfade von AC- und DC-gekoppelten PV-Speichersystemen.

Bild 5 zeigt die mittleren Pfadwirkungsgrade der untersuchten PV-Speichersysteme. Die mittleren AC2BAT- und BAT2AC-Umwandlungswirkungsgrade der AC-gekoppel-ten Speichersysteme unterscheiden sich meist nur wenig voneinander. Für die DC-gekoppelten Systeme liegen die mittleren Umwandlungswirkungsgrade der Pfade PV2AC, PV2BAT und BAT2AC vor. Die Batteriespeicher der DC-gekoppelten Systeme F1 bis G1 können auch AC-seitig Leistung aufnehmen, sodass zusätzlich der mittlere AC2BAT-Umwandlungswirkungsgrad dieser Systeme ermittelt wurde. System G1 er-zielt bei allen Energieumwandlungspfaden die höchsten Wirkungsgrade. Im Entlade-betrieb erreicht es einen mittleren Umwandlungswirkungsgrad von 97,3%. Dagegen kommt System I1 nur auf einen mittleren BAT2AC-Umwandlungswirkungsgrad von 90,3%.

Bild 5: Mittlere Umwandlungswirkungsgrade der Energieumwandlungspfade PV2AC, PV2BAT, AC2BAT und

BAT2AC der untersuchten AC-gekoppelten Systeme A1 bis D3 und DC-gekoppelten Systeme D4 bis I1.

Simulationsbasierte Effizienzbewertung Die Analyse der Umwandlungswirkungsgrade im vorherigen Kapitel macht deutlich, dass die Bewertung der Gesamtsystemeffizienz anhand einzelner Wirkungsgrade schwierig ist. Hinzu kommt, dass die Systemeffizienz von weiteren Verlustmechanis-men wie dem Standby-Verbrauch und den Regelungsabweichungen beeinflusst wird.

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Um die Gesamtenergieeffizienz von PV-Speichersystemen vergleichen zu können, ist daher eine geeignete Kennzahl erforderlich, die die verschiedenen Verlustmechanis-men zusammenfasst. Mit dem System Performance Index (SPI) wurde an der HTW Berlin eine neue Effizienzkennzahl entwickelt, die den Vergleich verschiedener Sys-temtopologien ermöglicht (Weniger et al., 2017).

Bild 6: Der System Performance Index (SPI) für PV-Speichersysteme fasst zahlreiche Verlustursachen in einer

Kennzahl zusammen.

Der SPI basiert auf dem Ansatz, die Energieverluste und folglich die Energieeffizienz der PV-Speichersysteme anhand des resultierenden Energieaustauschs mit dem Netz zu bewerten (Weniger et al., 2017). Ein wichtiges Bewertungskriterium von PV-Spei-chersystemen ist ihre Fähigkeit, den Netzbezug eines Wohngebäudes zu reduzieren und gleichzeitig die Netzeinspeisung des PV-Systems möglichst wenig zu beeinträch-tigen. Der SPI wird mithilfe eines modellbasierten Simulationstests auf Basis der Labormess-daten gemäß Effizienzleitfaden bestimmt. Hierzu wird das Betriebsverhalten der PV-Speichersysteme mit dem „Performance Simulation Model for PV-Battery Systems (PerMod)" in einsekündiger Auflösung über den Zeitraum von einem Jahr simuliert (Weniger et al., 2019b). Die Systemsimulationen zur Bestimmung des SPI wurden bis-lang auf Basis eines Referenzgebäudes mit einem elektrischen Energieverbrauch von 5010 kWh/a und einer 5-kWp-PV-Anlage durchgeführt (Weniger et al., 2018). Um der zunehmenden Relevanz von PV-Speichersystemen in Wohngebäuden mit Wärme-pumpen und Elektrofahrzeugen gerecht zu werden (vgl. (Figgener et al., 2019; Scher-rer et al., 2019)), wurde ein 2. Referenzfall ergänzend zum bereits etablierten 1. Refe-renzfall definiert. Bild 7 vergleicht die wesentlichen Eigenschaften der beiden Refe-renzfälle.

System Performance Index (SPI)

Wirkungsgradkennlinien der Umwandlungspfade

nominale Leistung der Systemkomponenten

stationäre Regelungsabweichungen

Leistungsaufnahme im Standby

nutzbare Speicherkapazität

Batteriewirkungsgrad

Einschwingzeit

Totzeit

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Bild 7: Referenzfälle für die simulationsbasierte Bewertung der PV-Speichersysteme mit dem System Performance

Index (SPI).

Um die Bewertungsergebnisse der beiden Referenzfälle eindeutig voneinander unter-scheiden zu können, werden die daraus hervorgehenden Kennzahlen als SPI (5 kWp) und SPI (10 kWp) bezeichnet. Da SPI (5 kWp) und SPI (10 kWp) aufgrund der unter-schiedlichen Rahmenbedingungen der beiden Referenzfälle nicht vergleichbar sind, wurde eine Energieeffizienzklassifizierung für PV-Speichersysteme erarbeitet. Bild 8 vergleicht die aus der SPI-Bewertung hervorgehenden Effizienzklassen der untersuch-ten Systeme. Die beiden Systeme, die mit einem herausragendem SPI (5 kWp) bzw. SPI (10 kWp) abschneiden, erreichen die beste Effizienzklasse A. 15 weitere Systeme schneiden ebenfalls sehr gut ab und können den Effizienzklassen B und C zugeordnet werden. In Effizienzklasse G fällt lediglich ein System, das vor allem aufgrund seiner hohen Umwandlungsverluste bedeutende Effizienzeinbußen aufweist. Im Vergleich zu den bisherigen Ergebnissen des Speichervergleichs in den Vorjahren wird deutlich, dass viele Hersteller die Effizienz ihrer Produkte verbessern konnten. Demnach sind immer mehr Speichersysteme erhältlich, die mit hohen Umwandlungs-wirkungsgraden und geringen Standby-Verbräuchen überzeugen.

Bild 8: Der Großteil der mit dem System Performance Index (SPI) bewerteten PV-Speichersysteme erreicht die

Effizienzklassen A, B oder C und schneidet damit sehr gut ab.

Weitere Informationen zur Studie: www.stromspeicher-inspektion.de

+ + +

1. Referenzfall für den System Performance Index SPI (5 kWp)

Haushalt

(5010 kWh/a)

PV-Anlage

(5 kWp)

Haushalt

(5010 kWh/a)

PV-Anlage

(10 kWp)

Wärmepumpe

(2664 kWh/a)

Elektroauto

(1690 kWh/a)

2. Referenzfall für den System Performance Index SPI (10 kWp)

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Referenzen BVES - Bundesverband Energiespeicher e.V., BSW - Bundesverband Solarwirtschaft

e.V., 2019. Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme 2.0. Berlin. Figgener, J., Haberschusz, D., Kairies, K.-P., Wessels, O., Tepe, B., Sauer, D.U.,

2018. Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm Solarstromspei-cher 2.0 - Jahresbericht 2018. Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA), RWTH Aachen, Aachen.

Figgener, J., Haberschusz, D., Kairies, K.-P., Wessels, O., Zurmühlen, S., Sauer, D.U., 2019. Speichermonitoring Baden-Württemberg Jahresbericht 2019. Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA), RWTH Aachen, Aachen.

Kairies, K.-P., Figgener, J., Haberschusz, D., Wessels, O., Tepe, B., Sauer, D.U., 2019. Market and technology development of PV home storage systems in Ger-many. Journal of Energy Storage 23, 416–424. https://doi.org/10.1016/j.est.2019.02.023

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Weniger, J., Tjaden, T., Quaschning, V., 2017. Vergleich verschiedener Kennzahlen zur Bewertung der energetischen Performance von PV-Batteriesystemen, in: 32. Symposium Photovoltaische Solarenergie. Presented at the 32. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein.

Danksagung Die präsentierten Ergebnisse sind im Vorhaben „Bewertung und Optimierung der Ener-gieeffizienz von Photovoltaik-Batteriesystemen (EffiBat)“ entstanden, das mit Mitteln der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert wird.