Zwischenspeicherung von Solarenergie durch Batterien zur Eigenverbrauchserhöhung und Netzstabilisierung

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Schwerpunktthema

Online publiziert: 19. Oktober 2013© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Zwischenspeicherung von Solarenergie durch Batterien zur Eigenverbrauchserhöhung und Netzstabilisierung

Rainer Wagner · Marco Siller

uwf (2013) 21:251–259DOI 10.1007/s00550-013-0295-y

in Zukunft regenerativ erzeugte Energie stark zunehmend zur elektrischen Stromerzeugung einzusetzen, wurden von der Politik finanzielle Anreize durch das EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) geschaffen, die dazu führen sollten, in neue Solaranlagen zu investieren. Mit einer für den Solar-anlagen-Besitzer recht attraktiven Einspeisevergütung war hierbei eine gute Kompensation der zur Errichtung einer neuen Solaranlage anfallenden Investitionskosten gegeben, so dass, mit einer gesetzlich garantierten Abnahme des pro-duzierten Stroms, eine Solaranlage sich als interessantes Renditeobjekt darstellte. Diese finanzielle Förderung hat erheblich zum starken Wachstum des Solarenergieanteils in Deutschland beigetragen.

Die starke Zunahme des Solaranteils kann bereits heute in Ortsnetzen zu leichten Instabilitäten führen. Solche Instabilitäten würden ohne geeignete Gegenmaßnahmen in Zukunft, wegen der zu erwartenden weiteren Zunahme der Photovoltaik, noch in deutlich stärkerem Maße auftreten. Erste Maßnahmen zur Lösung dieses Problems sind inzwi-schen vorgenommen worden, die darauf hinauszielen, statt Einspeisung in das Netz, den Eigenverbrauch solar erzeug-ter Energie zu erhöhen.

In diesem Artikel wird dieses Thema diskutiert und gezeigt, wie das Problem Netzinstabilität gelöst werden kann. Hierbei wird deutlich, dass die Zwischenspeicherung solar erzeugter Energie ein entscheidender Faktor für den weiteren Ausbau der Photovoltaik ist.

2 Netzauswirkungen durch den starken Anstieg solar erzeugter Energie

Im Bereich Photovoltaik wird elektrische Energie ganz überwiegend dezentral erzeugt. Hierbei gibt es einmal den Bereich kleiner Anlagen bis etwa 15 kWp, der überwiegend

1 Einleitung

Der Anteil an regenerativ erzeugter Energie in Deutschland hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Neben einem starken Wachstum im Bereich der Windkraftanlagen hat auch der Photovoltaikbereich eine erhebliche Steige-rung erfahren. So hat sich der Anteil der Solarenergie an der Stromversorgung in Deutschland im Zeitraum von 2007 bis 2012 mehr als verfünffacht (von unter 1 % in 2007 auf 5,3 % in 2012, siehe Abb. 1; Wirth 2013).

Der ganz überwiegende Teil der solar erzeugten Ener-gie wurde hierbei nicht direkt verbraucht, sondern in das elektrische Netz eingespeist. Im Einklang mit dem Ziel,

R. Wagner ()MOLL accu, Frankenring 1,96231 Bad Staffelstein, DeutschlandE-Mail: [email protected]

M. SillerIBC Solar AG, Am Hochgericht 10,96231 Bad Staffelstein, DeutschlandE-Mail: [email protected]

Rainer Wagner Marco Siller

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R. Wagner, M. Siller

auf den Dächern von Privathäusern installiert ist, weiterhin größere Anlagen bis etwa 100 kWp, die im gewerblichen Bereich zu finden sind, z. B. in der Landwirtschaft, und dar-über hinaus auch noch eine Reihe von größeren Anlagen, mit mehreren hundert kWp.

Sind innerhalb eines Ortsnetzes viele Solaranlagen ins-talliert, so wird zur Mittagszeit eine erhebliche Menge Energie in das Netz eingespeist, was dann zu einem deut-lichen Spannungsanstieg führt. Dies ist insbesondere in der Sommerzeit bei intensiver Sonneneinstrahlung zu erwar-ten. Solche Spannungsanstiege sind unerwünscht und ab einer bestimmten Höhe auch nicht mehr akzeptabel. Diese Instabilitäten im Bereich der Niederspannungs- und Mit-telspannungsebene müssen durch geeignete Maßnahmen vermieden werden. Da in den nächsten Jahren die Zahl der installierten Solaranlagen weiter ansteigen wird, besteht dringender Handlungsbedarf.

Es ist offensichtlich, dass hierzu eine weiter zuneh-mende Einspeisung um die Mittagszeit zu vermeiden ist. Dies kann erreicht werden, wenn die dann erzeugte Energie zwischengespeichert wird, um dann am Abend und in der Nacht verbraucht zu werden. Dies kann im privaten Bereich durchgeführt werden, in dem neben der Solaranlage auch noch ein Energiespeicher vorhanden ist. Um dieses Vorge-hen zu fördern, ist beschlossen worden, die Einspeisevergü-tung in den nächsten Jahren erheblich zu verringern, so dass sie deutlich niedriger liegt als der Preis für den Strombezug aus dem Netz.

Darüber hinaus ist seit Mai 2013 ein Speicherförderpro-gramm gestartet worden, mit dem Ziel, die Einspeisung der Photovoltaikanlage auf 60 % zu begrenzen. Hierdurch wird es immer attraktiver, solar erzeugte Energie möglichst weit-gehend selbst zu verbrauchen. Dadurch wird die Einspei-sung um die Mittagszeit reduziert und somit die Gefahr der Instabilität des Netzes verringert.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass Stadtwerke auf Ortsnetzebene zur Mittagszeit, wenn besonders hohe Einspeisungen stattfinden, Energie aus dem Netz nehmen und Zwischenspeichern für die Abend- und Nachtzeit, wenn nur noch geringe oder keine Einspeisung mehr erfolgt. Für

beide Vorgehensweisen werden allerdings Speicher benö-tigt, die im ersten Fall direkt beim Betreiber der Solaranlage und im zweiten Fall bei den Stadtwerken vorhanden sein müssen.

3 Zwischenspeicherung von Solarenergie

Die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie ist kein neues Thema, sondern wird in verschiedener Größenord-nung schon lange verwendet. Hier sind zunächst einmal Pumpspeicher- und Druckluftspeicherwerke zu nennen. Pumpspeicherwerke sind sehr große Energiespeicher in der Größe von oft mehr als 10 GWh. Pumpspeicherwerke sind in der Regel etwas kleiner im Bereich von 1 GWh. Spei-cher dieser Größenordnung wären allerdings für dezentrale Einsätze in Ortsnetzen bei weitem zu groß. Zur Stabilisie-rung von Netzen und zum Lastausgleich werden sie aber schon längst eingesetzt. Da dieser Artikel aber speziell den Bereich von Ortsnetzen behandelt, soll hier nicht näher auf diese Form der Energiezwischenspeicherung eingegangen werden.

Daneben gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Spei-chertypen, wie z. B. Schwungrad, Thermische Systeme oder Kondensatoren, die jedoch im Hinblick auf die oben genan-ten Netzanwendungen bisher keine große Bedeutung hatten und daher hier nicht weiter diskutiert werden sollen.

Am besten geeignet erscheint die Gruppe der elektroche-mischen Speichersysteme. Diese werden als wiederauflad-bare Batterien oder Akkumulatoren bezeichnet. Sie können bei der Ladung elektrische Energie in chemische Energie umwandeln und abspeichern und danach, bei einer Entla-dung, die gespeicherte chemische Energie wieder in elek-trische Energie umwandeln und abgeben. Das bekannteste System ist hierbei die Bleibatterie, die schon seit vielen Jahrzehnten in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie Automobil, Traktion und Ortsfest erfolgreich eingesetzt wird und sich dabei als ein sehr zuverlässiges und sicheres Speichersystem bewährt hat.

Die Bleibatterie ist bis heute das im technischen Bereich am meisten eingesetzte elektrochemische Speichersystem. Hierfür gibt es sowohl technische als auch wirtschaftliche Gründe. Entscheidend für den praktischen Einsatz ist das Verhältnis Energiedichte/Gebrauchsdauer/Kosten. Außer-dem spielen auch noch die Punkte Sicherheit/Zuverlässig-keit/Verfügbarkeit der Rohstoffe/Recyclingfähigkeit eine wichtige Rolle. Werden alle diese Punkte betrachtet, dann stellt die Bleibatterie für viele Anwendungen eine sehr gute Lösung dar.

Ein zweites wichtiges elektrochemisches Speichersystem ist die Lithiumbatterie, deren besonderer Vorteil darin liegt, dass sie eine wesentlich höhere Energiedichte und damit ein geringeres Gewicht hat. Im Anwendungsbereich tragbarer

Abb. 1 Entwicklung des Anteils der Solarenergie und anderer Erneu-erbarer Energien am Stromverbrauch in Deutschland (Wirth 2013)

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der Vergangenheit hauptsächlich in Inselanlagen, bei denen keine Anbindung an das elektrische Netz bestand. Dies ist in Deutschland z. B. im Bereich der Alpen der Fall. Hier-bei kamen zum einen Batterien mit flüssigem Elektrolyten zum Einsatz, bei denen als Wartungspunkt ein Nachfüllen von Wasser nach bestimmten Betriebszeiten notwendig ist. Zum anderen wurden aber auch wartungsfreie Ausführun-gen verwendet, bei denen der Elektrolyt in Form eines Gels festgelegt und ein Wassernachfüllen nicht mehr erforderlich ist (Wagner et al. 2000; Wagner und Sauer 2001; Wagner 2007).

Für die neuen Anwendungen mit Netzanbindung sollten nur noch die wartungsfreien Gelbatterien zum Einsatz kom-men, die sich bei Verwendung in Inselanlagen hervorragend bewährt haben. So werden für Speicheranlagen zur Eigen-verbrauchserhöhung 12 V Gel-Batterieblöcke der Baureihe OPzV Block Solar mit einer 10-stündigen Entladekapazität von 167 Ah eingesetzt.

Wegen der sehr hohen Zyklenanforderung werden bei dieser Type außerordentlich robuste positive Röhrchenplat-ten eingesetzt. Dieser Batterietyp wurde speziell entwickelt für stationäre Anwendungen, bei denen hohen Zyklenzahlen und lange Gebrauchsdauer gefordert sind. Hierbei werden äußerst korrosionsfeste Gitter aus einer besonderen Blei-Calcium-Zinn Legierung eingesetzt. Weiterhin finden spe-zielle Masserezepturen Verwendung, die für eine besonders lange Lebensdauer entwickelt worden sind.

Abbildung 2 zeigt die erreichbaren Zyklenzahlen in Abhängigkeit von der Entladetiefe. Aus dieser Abbildung geht deutlich hervor, dass die Entladung begrenzt werden sollte, um eine genügend lange Gebrauchdauer zu erhalten. Häufig wird hierbei die Entladung im Bereich von 50 % begrenzt.

Geräte, wie z. B. Mobiltelefon/Laptops/Camcorder/Elektro-werkzeuge, wo ein niedriges Gewicht besonders wichtig ist, wird inzwischen fast ausschließlich die Lithiumtechnolo-gie eingesetzt. Auch in anderen Spezialbereichen kommen heute schon Lithiumbatterien zum Einsatz.

Ein großer Nachteil der Lithiumtechnik ist der relative hohe Preis, hier hat die Bleibatterie eine deutlichen Kos-tenvorteil. Im stationären Bereich spielt das Gewicht der Batterie aber nur eine untergeordnete Rolle. Hier stehen die Punkte lange Gebrauchsdauer, hohe Zyklenfestigkeit und Sicherheit im Vordergrund. Dabei ist zu beachten, dass große Lithiumbatterien eine Neuentwicklung darstellen und daher noch keinerlei Felderfahrungen vorliegen. Bisher sind nur stark beschleunigte Zyklentestreihen im Labor verfüg-bar. Hier wurden allerdings sehr gute Ergebnisse erzielt. Es wird auch im Feld eine hohe Zyklenfestigkeit erwar-tet. Erfahrungen mit inzwischen installierten stationären Lithiumbatterien werden in den nächsten Jahren zunehmend erhalten. Bisher gibt es aber eine klare Tendenz, für orts-feste Anwendungen ganz überwiegend die Bleitechnologie einzusetzen.

Beim Einsatz von Lithiumbatterien ist in jedem Fall wichtig, die geeignete Zelltechnologie zusammen mit einem präzise arbeitenden und sehr zuverlässigen Batterie-management zu verwenden, das Einzelzellenüberwachung enthält und Tiefentladungen sowie zu starke Überladungen sicher vermeidet.

4 Solarbatterien – Aufbau und Eigenschaften

Bleibatterien werden schon lange im Solarbereich eingesetzt (Wagner 1994; Garche 1995; Garche et al. 1997; Wagner et al. 1999; Sauer und Garche 2001; Jossen et al. 2004), in

Abb. 2 Zyklenzahlen von OPzV Solar in Abhängigkeit von der Entladetiefe [Eigendarstellung]

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satz einer Batterie gesteigert werden. Dies ist schematisch in den Abb. 4, 5, 6 dargestellt. Ohne Speicher kann nur der kleinere Teil der Solarenergie direkt verbraucht werden und außerhalb der Sonnenscheidperiode muss der Strom aus dem Netz bezogen werden. Bei Einsatz einer Batterie wird der solar erzeugte Strom während der Sonnenscheindauer zum Eigenverbrauch und zum Aufladen der Batterie, bevor-zugt um die Mittagszeit zur Vermeidung der Einspeise-spitze, verwendet und nach Ende der Sonnenscheinperiode erfolgt die weitere Stromversorgung aus der Batterie bis weit in die Nacht hinein. Da ein System mit Speicher, wie in Abb. 5 dargestellt, zur Mittagszeit trotzdem mit voller PV-Anlagenleistung das Netz belastet, sind neuere Systeme so ausgelegt, dass die Mittagsspitze reduziert wird, siehe Abb. 6. Dadurch wird das Netz nur noch mit 60 % der PV-Anlagenleistung beansprucht.

Die Diagramme in den Abb. 4, 5, 6 geben nur schema-tisch den Sachverhalt wieder. Die tatsächlichen Verläufe hängen unter anderem von der Größe der Solaranlage, dem aktuellen Stromverbrauch, der Jahreszeit, der Wetterlage und der Größe des Speichers ab. Allgemein liegt der Eigen-verbrauch häufig im Bereich um 30 % ohne Speicher und bei 60–70 % mit einem Speicher.

Ein höherer Eigenverbrauch durch Batterieeinsatz führt also zu einem deutlich geringeren Strombezug und damit zu langfristig niedrigeren Stromkosten. Dies ist insbeson-dere wichtig im Hinblick auf die schon heute recht hohen Strompreise und dem wohl noch zu erwartenden weiteren Anstieg der Strombezugskosten. In Abb. 7 sind der anstei-gende Strompreis und die für Neuanlagen fallende Einspei-severgütung dargestellt, wobei die zukünftigen Strompreise natürlich nur abgeschätzt werden können. Deutlich ist zu erkennen, dass bereits heute die Stromkosten niedriger lie-gen als die Einspeisevergütung und dass die Differenz in den nächsten Jahren noch erheblich zunehmen wird.

Der Einsatz einer Batterie in Kombination mit einer Solaranlage hat aber noch einen weiteren Vorteil. So kann die Batterie bei einem auftretenden Netzausfall die Strom-versorgung übernehmen. Es ist also praktisch eine Ersatz-stromversorgung für das Haus möglich, natürlich nicht unbegrenzt, aber in der Regel sollte dies für die typischer-weise auftretenden Netzausfallzeiten ausreichend sein. Dies

Die entnehmbare Kapazität hängt stark von der Tempe-ratur und dem Entladestrom, bzw. der Entladerate ab, wobei mit fallender Temperatur und höherem Entladestrom die entnehmbare Kapazität geringer wird. Dies ist in Abb. 3 dargestellt. Wird die entnehmbare Kapazität bei 20 °C und einer Entladung über 10 h gleich 100 % gesetzt, so liegt die 10-stündige Kapazität bei –20 °C nur noch im Bereich von 65 %. Wird bei 20 °C mit einem kleineren Strom über 100 Stunden entladen, können etwa 150 % entnommen werden, bei der 1-stündigen Entladerate dagegen nur noch ungefähr 55 %.

Die Baureihe OPzV Block Solar gibt es als 6 V oder 12 V Blöcke mit 10-stündigen Kapazitäten zwischen 60 und 337 Ah. Für noch höhere Kapazitäten steht die Baureihe OPzV Solar mit 2 V Zellen zur Verfügung bis zu einer 10-stündi-gen Kapazität von 3650 Ah.

5 Eigenverbrauchserhöhung in Privathäusern

Wie bereits zuvor diskutiert, kann der Eigenverbrauch solar erzeugter Energie in Privathäusern deutlich durch den Ein-

Abb. 4 Direkter Eigen-verbrauch ohne Speicher [Eigendarstellung]

Abb. 3 Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur und Entlade-rate [Eigendarstellung]

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Eine für Privathäuser sehr gut geeignete Speicheranlage ist der IBC Solstore 8.0 Pb. Diese Anlage hat eine Gesamt-größe von 8 kWh mit einer entnehmbaren Speicherkapazität von 4 kWh. Die Nennspannung liegt bei 48 V, die 10-stün-dige Kapazität bei 167 Ah. Sie ist aus 4 Gel Batterieblöcken der Baureihe MOLL OPzV Block Solar aufgebaut, die in einem Batterieschrank untergebracht sind. Die erwartete Gebrauchsdauer liegt bei 10 Jahren. Zum Gesamtsystem gehört weiterhin ein Wechselrichter, in dem auch das Bat-

stellt allerdings keine unterbrechungsfreie Stromversorgung dar. Die Umschaltzeit beträgt weniger als 1 s, was für einen Privathaushalt in der Regel kein Problem darstellen sollte.

Neben diesen Vorteilen für den Anwender sollte auch beachtet werden, dass durch den Einsatz solcher Speicher-anlagen, das Netz zur Mittagszeit entlastet wird (weniger Energieüberschuss), was für den weiteren Ausbau der Solar-energie in Deutschland sehr wichtig ist.

Abb. 7 Entwicklung Strompreis und Einspeise-vergütung für Privathäuser [Eigendarstellung]

Abb. 6 Direkter Eigenver-brauch und netzdienlicher Eigenverbrauch aus Speicher [Eigendarstellung]

Abb. 5 Direkter Eigen-verbrauch und Eigen-verbrauch aus Speicher [Eigendarstellung]

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höheren Energiebedarfs werden solche Batterien deutlich größer sein als beim Einsatz in Privathäusern. Abbildung 10 zeigt als Beispiel aus der Landwirtschaft (Ferkelzucht) eine Anlage mit einem Speichersystem der Größe 75 kWh. Die Batterie besteht aus 2 V Zellen der Baureihe MOLL OPzV Solar und 3 Wechselrichtern für die 3 Phasen der Strom-versorgung. Der jährliche Energiebedarf beträgt bei diesem Beispiel bei 56 000 kWh, die Solaranlage hat eine Größe von 90 kWp.

Die Wirtschaftlichkeit der Speichersysteme im Gewerbe sollte im Einzelfall überprüft werden. Der Unterschied zwi-schen Stromgestehungskosten und Strombezugspreis ist im Gewerbe nicht so groß wie im Haushaltsbereich. Jedoch können Speichersysteme gerade im landwirtschaftlichen Bereich mit einer sicheren Verfügbarkeit der Klimatisierung der Ställe punkten. Hier kann ein Stromausfall erhebliche Auswirkungen auf den Tierbestand haben.

7 Netzstabilisierung

Im September 2012 wurde in dem zu Neustadt bei Coburg gehörenden Ortsteil Fechheim ein Pilotprojekt gestartet, bei dem ein relativ großer Energiespeicher in das Ortsnetz ein-gebunden worden ist. Die als Speicher verwendete Batterie soll die Zwischenspeicherung von in Fechheim erzeugter Solarenergie übernehmen, wenn das Ortsnetz durch hohe Einspeisung nicht mehr spannungsstabil gehalten werden kann. Partner bei diesem Projekt sind die SWN Stadtwerke

teriemanagement untergebracht ist. Darüber wird gesteuert und kontrolliert:

Die Entladung und damit Verhinderung von zu tiefgehen-den Entladungen.

Die Aufladung im Hinblick auf Vermeidung von Mangel-ladung oder schädlicher Überladung.

Solstore 8.0 Pb Anlagen werden schon seit fast 2 Jahren zusammen mit Solaranlagen in Privathäusern zur Eigen-stromerhöhung eingesetzt. Die bisher gemachten Erfahrun-gen sind sehr gut.

6 Eigenverbrauchserhöhung in Gewerbebetrieben

Die im vorigen Kapitel diskutierten Vorteile bei Erhöhung des Eigenverbrauchs gelten im Prinzip auch für Gewerbe-betriebe. Auch hier wird die Schere zwischen Strompreis und Einspeisevergütung in den nächsten Jahren immer wei-ter auseinandergehen, wie aus Abb. 8 entnommen werden kann.

In Abb. 9 sind für verschiedene Gewerbebereiche PV-Erzeugungsprofile und Standardlastprofile dargestellt, bei denen die jeweils typischen Stromverbrauchsmuster über eine Woche einschließlich des Wochenendes aufgeführt sind.

Die Auswertung zeigt, dass auch hier, ohne Speicher, Eigenverbrauchsquoten deutlich über 30 % nicht erreicht werden können. Daher erscheint auch hier der Einsatz von Batterien zur Eigenverbrauchserhöhung sinnvoll. Wegen des

Abb. 8 Entwicklung Strompreis und Einspeisevergütung für Gewerbebetriebe [Eigendarstellung]

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weitere Option, der Einsatz eines regelbaren Ortsnetztrafos, ist vom Aufwand her geringer als der konventionelle Aus-bau, jedoch ist die Regelgeschwindigkeit bei Wolkenzug nicht so schnell im Vergleich zu einer Lösung mit Wech-selrichter und Batterie. Der Weg über eine Zwischenspei-cherung der Energie erscheint daher wesentlich sinnvoller und bietet darüber hinaus den Vorteil, dass Blindleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Dies ermöglicht eine Stabilisierung der Spannung, selbst wenn der Speicher voll-geladen ist und erlaubt es, etwa 15 % Speichergröße einzu-sparen. Die Festlegung der Speichergröße war ein wichtiges Thema bei der Vorstudie. Da dies sehr stark in die Kosten-rechnung eingeht, sollte das System nicht auf selten vor-kommende Extremsituationen ausgelegt werden. Um eine auch wirtschaftliche Lösung zu erreichen, müssen hier Kompromisse eingegangen werden.

Dies hat schließlich dazu geführt, dass die Batteriegröße auf 236 kWh (10-stündige Entladung) festgelegt worden ist. Aufgebaut ist die Batterie aus 2 V Gel-Zellen der Baureihe OPzV Solar mit einer 10-stündigen Kapazität von 1640 Ah. Die Betriebsstrategie besteht darin, dass von den Stadtwer-ken ein Spannungsrichtwert festgelegt wird und bei Über-schreitung der Spannungsgrenze eine Ladung der Batterie erfolgt. Dadurch kann ein weiteres Ansteigen der Spannung verhindert werden. Das Laden der Batterie beginnt in der Regel während des Vormittags. Der genaue Zeitpunkt hängt von der Intensität der eingespeisten Solarenergie und vom aktuellen Stromverbrauch in dem Ortsnetz ab. Am Nach-mittag oder gegen Abend kann dann mit der Entladung der Batterie begonnen werden, die dadurch Energie in das Orts-netz abgibt. Somit ergibt sich pro Tag ein Lade-/Entladezy-klus des Speichers. Zu der Anlage gehört neben der Batterie ein 45 kW bidirektionaler Wechselrichter. Diese Batterie/Wechselrichter Lösung kann sehr schnell auf Änderungen der eingespeisten Energiemenge durch fluktuierende Wet-

Neustadt GmbH und das Systemhaus IBC SOLAR AG sowie der Batteriehersteller MOLL, der auch die hier zum Einsatz kommende Gel-Bleibatterie geliefert hat. In einer über zwei Jahre geführten Vorstudie wurde ein Konzept für dieses Vorhaben entwickelt. Hierzu gehörten die Festlegung der Batterietechnologie, die Größe des Speichers sowie die Ausarbeitung einer geeigneten Betriebsstrategie.

Wie bereits zuvor diskutiert, ist es durch die starke Zunahme dezentral erzeugter Solarenergie notwendig, Maßnahmen zur Netzstabilisierung in der Niederspan-nungs- und Mittelspannungsebene durchzuführen. Gerade zur Mittagszeit gibt es sonst einen erheblichen Anstieg der Spannungslage im Ortsnetz, der darüber hinaus auch noch unterschiedlich stark in den drei Phasen auftritt. Abb. 11 zeigt typische Spannungsüberhöhungen, wie sie zur Mit-tagszeit auftreten können.

Eine mögliche Lösung für die Stadtwerke wäre ein Netz-ausbau, der aber sehr hohe Kosten verursachen würde. Eine

Abb. 10 Speicheranlage in der Landwirtschaft (Ferkelzucht) [Eigendarstellung]

Abb. 9 Standardlastprofile + PV-Erzeugungsprofile über eine Woche für ver-schiedene Gewerbebereiche (schematische Darstellung) [Eigendarstellung]

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Vor der Batteriezuschaltung liegt die Spannung bei allen 3 Phasen im Bereich von 245 V. Mit zunehmendem Lade-strom gehen die Spannungen zurück und erreichen bei einem Ladestrom von 200 A Werte von etwa 239 V.

8 Ausblick

Stationäre Batterien werden zunehmend im Solarbereich in netzgebundenen Anlagen zur Energie-Zwischenspeiche-rung zum Einsatz kommen. Zum einen ist dies der Bereich Erhöhung des Eigenverbrauchs sowohl in Privathäusern als auch in Gewerbebebetrieben. Diese dezentral angeord-nete Speicheraufstellung sorgt direkt am Ort der Erzeugung der Solarenenergie für eine Entlastung der Netze während des starken Energieüberschusses zur Mittagszeit. Für den Betreiber ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, unab-hängiger vom Strombezug zu werden und damit bereit zu sein für die Zeit nach den Einspeisetarifen.

Zur Kompensation des Energieüberschusses zur Mit-tagszeit ist jedoch noch mehr zu erwarten, dass stationäre Batterien bei Stadtwerken zum Einsatz kommen werden, um Ortsnetze zu stabilisieren, wenn dort sehr viele Solar-anlagen vorhanden sind. Während die Speicher zur Eigen-stromversorgung für Privathäuser bei 5–10 kWh liegen (für Gewerbebetriebe um etwa den Faktor 5 höher), werden in Ortnetzen deutlich größere Batterien zum Einsatz kommen. Diese werden häufig im Bereich zwischen 100–300 kWh liegen, im Einzelfall auch noch darüber.

Die Stabilisierung von Netzen durch große Bleibatterien ist im übrigen eine durchaus bekannte Technik und wurde auch in der Vergangenheit schon angewendet. Ein Beispiel ist eine Speicheranlage bei der BEWAG in Berlin, wo in den 1990er Jahren das West-Berliner Netz durch eine 14

terbedingungen reagieren und stellt daher ein hervorragen-des Mittel zur Stabilisierung des Ortsnetzes dar.

Um eine hohe Zyklenfestigkeit und damit auch eine lange Gebrauchsdauer von mindestens 10 Jahren zu errei-chen, wurde wie bei der Eigenverbrauchserhöhung ein sehr robustes OPzV – Batteriedesign ausgewählt, bei dem für die positive Elektrode Röhrchenplatten zum Einsatz kommen.

Für den Betrieb der Batterie wurde die Entladetiefe auf maximal 50 % begrenzt. Dadurch sind mit einer solchen Batterie 2 700 Zyklen möglich. Im Sommer wird davon ausgegangen, dass diese Entladtiefe häufiger erreicht wird, während im Winter, wegen der dann in unseren Breiten-graden vorliegenden verminderten Solareinstrahlung, ein deutlich geringerer Entladegrad zu erwarten ist. Als durch-schnittliche Belastung über das ganze Jahr betrachtet, ergibt sich dann eine zyklische Beanspruchung, die eine mindes-tens 10 jährige Nutzung des Speichers erwarten lässt.

Bei der MOLL OPzV Solar Baureihe ist der Elektrolyt in Form eines Gels festgelegt, so dass die Batterie ver-schlossen und wartungsfrei ist, das heißt, über die gesamte Gebrauchsdauer ist kein Nachfüllen von Wasser notwendig. Die Batterie besteht aus 72 Zellen mit einer Kapazität von 1640 Ah, bezogen auf eine 10-stündige Entladung.

Inzwischen ist der Ortsnetzspeicher bereits mehrere Monate im Einsatz. Bisher läuft der Betrieb ohne Probleme. Während des Pilotprojektes soll die Betriebsstrategie opti-miert und dabei viele Messdaten erfasst und ausgewertet werden. Abbildung 12 zeigt die Reduzierung der Ortnetz-spannung während der ersten Erprobungsphase für alle 3 Phasen durch einen ansteigenden Batterieladestrom. Die Kurven U1, U2 und U3 zeigen den zeitlichen Verlauf der Spannung für alle 3 Phasen (Spannungsangabe auf der lin-ken Achse). Die Kurve „Bat Current“ zeigt den Strom zur Ladung der Batterie (Stromangabe auf der rechten Achse).

Abb. 11 Beispiel für Span-nungsüberhöhungen zur Mit-tagszeit im Ortsnetzbereich [Eigendarstellung]

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Abb. 12 Reduzierung der Ortsnetzspannung in Fech-heim für alle 3 Phasen nach Zuschaltung des Speichers [Eigendarstellung]

MWh Bleibatterie stabilisiert worden ist (Wagner 1997). Dies war damals notwendig, da Berlin zu dieser Zeit ener-getisch gesehen eine Insel war. Als Berlin nach dem Mauer-fall an das Westeuropäische Netz angeschlossen wurde, war die Netzstabilisierung nicht mehr notwendig. Die über viele Jahre erhaltenen Erfahrungen mit dem Regelbetrieb in Ber-lin haben aber gezeigt, dass sich Bleibatterien hervorragend für solche Netzstabilisierungen eignen.

Basis für einen großflächigen Einsatz von Speicher-systemen zur Netzstabilisierung ist jedoch die Anpassung der gesetzlichen Rahmenbedingungen. Im Moment gibt es keine klare Regelung in der StromNEZ zum Einsatz von dezentralen Speichern, die jedoch notwendig wäre, um den Netzbetreibern die Sicherheit zur Investition zu geben.

Waren es früher Insellagen, bei denen eine Netzstabilisie-rung eingesetzt wurde, so wird es in Zukunft die Regulie-rung der Netze für den verstärkten Einsatz der Photovoltaik sein, bei denen stationäre Bleibatterien zum Einsatz kom-men. Dabei gilt, bei dezentral erzeugter Energie, wie sie typischerweise im Solarbereich auftritt, sollte auch die Zwi-schenspeicherung und Regelung dezentral erfolgen.

Literatur

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