PHOTOVOLTAIK UND SYSTEMINTEGRATION 24. August 2016

Y. Riesen, N. Wyrsch, R. Tschui, C. Boillat, C. Ballif [email protected] Photovoltaics and thin film electronics laboratory, IMT Neuchâtel, EPFL

Einleitung PV-LAB Kontext PV-Netzintegration

Resultate PV Integration mit Speicher Lastmanagement Moduletyp und Netzintegration Last und Produktion Aggregation

1

PV-Lab Aktivitäten

Perovskite

TCO, Transparente Leitfähige Schichten

Dünnschichtelektronik Detektoren

Si-Heterojunction Zelle (HJT)

Plasmaprozesse

Moduledesign und Dauerhaftigkeit

Si Zellen mit Passivierten Kontakten

Prozess Geräte

PV- Netzintegration und lokale Speichern

2

PV-Netzintegration Aktivitäten/Interessen

I PV-Installationen I I I

"Netz-freundliche" PV-Integration Designregeln Optimales Vorgehen für minimale Netzladung

I Selbstverbrauch Steigerung I I

Netzlast Minimierung (Peak shaving) Lokale Speicher I I

I

Batterie, Warmwasser, Heizung Optimale Speicheralgorithmen

Lastmanagement (Demand side management)

I System Leistung I I

Langzeitleistung Energy Produktion (Energy Yield), von Zell- zu Systemaspekten.

I Optimale Systemdimensionierung

3

Hauptprojekte mit dieser Thematik

I EOS Holding Projekte I I

Design und Leistungsanalyse von PV-Systemen mit lokalem Speicher. Analyse und Modellierung von Langzeitleistung von PV-Modulen.

I SCCER FURIES Projekt I I

PV-Integration und Implementierung im Lokalen Verteilnetz. Lastmanagement in Gebäuden und Haushalten, Entwicklung und Implementierung von Energiemanagmement Systemen (Zusammenarbeite mit FH und anderen EPFL Laboren).

I Flexi (BFE) Projekt I I

Flexibilisierung der Lastkurven in Haushalten. In Zusammenarbeit mit SCCERs Furies und CREST.

4

Arbeitsumfang Energy Yield and Electricity Management of Solar Cells : from Devices to Systems Standort, Klima Speichergrösse, Lastkurve, Dimensionierung ...

Konnektoren, Degradation, thermische Effekte, ...

System

Modul

Spektrum, Temperatur, Degradation und Wiederherstellung

Solarzelle

5

Einfall. Solar Energie

A K lter ab u n W el W g, ec i De d B hse ers gra at l te rich t. d. r te St ie r ro m M an ag em en t

Zelle Modul System

Sc

ha t U ten nt , D er r T E eck he g ... A r m nd al er isi e Re er T un ko D A m g nd bi er na e tio R s n

Ziel der Arbeit

Energy Yield Nützliche Energie

Zellen energie Einstrahlung/Spektr. Temperatur

Netzintegration

Quantifizierung der Verluste von PV Systemen als Funktion der Betriebskonditionen um deren nützliche Energie zu maximieren (Zell und System Niveau).

6

Einfall. Solar Energie

A K lter ab u n W el W g, ec i De d B hse ers gra at l te rich t. d. r te St ie r ro m M an ag em en t

Zelle Modul System

Sc

ha t U ten nt , D er r T E eck he g ... A r m nd al er isi e Re er T un ko D A m g nd bi er na e tio R s n

Ziel der Arbeit

Energy Yield Nützliche Energie

Zellen energie Einstrahlung/Spektr. Temperatur

Netzintegration

Quantifizierung der Verluste von PV Systemen als Funktion der Betriebskonditionen um deren nützliche Energie zu maximieren (Zell und System Niveau). Wir werden uns auf den Netzintegrationsteil fokussieren. 6

20% PV Produktion im Schweizer Netz

10

CH Lastkurve

]hWG[ gnutsieL

8 6 4

Restlast

2 0

Mo, 12. Mai 14

Mi, 14. Mai 14

Fr, 16. Mai 14

So, 18. Mai 14

7

20% PV Produktion im Schweizer Netz

10

CH Lastkurve Laufwasserkraftwerke

]hWG[ gnutsieL

8 6 4

Restlast

2 0

Mo, 12. Mai 14

Mi, 14. Mai 14

Fr, 16. Mai 14

So, 18. Mai 14

7

20% PV Produktion im Schweizer Netz

10

CH Lastkurve Laufwasserkraftwerke

PV

]hWG[ gnutsieL

8 6 4

Restlast

2 0

Mo, 12. Mai 14

Mi, 14. Mai 14

Fr, 16. Mai 14

So, 18. Mai 14

Jährliche PV Produktion = 20 % Jährlich CH Stromlast. Annahme : eine PV Anlage für die Ganze Schweiz. 5 % Überschuss.

7

20% PV Produktion im Schweizer Netz

10

CH Lastkurve Laufwasserkraftwerke

PV

Überschuss

]hWG[ gnutsieL

8 6 4

Restlast

2 0

Mo, 12. Mai 14

Mi, 14. Mai 14

Fr, 16. Mai 14

So, 18. Mai 14

Jährliche PV Produktion = 20 % Jährlich CH Stromlast. Annahme : eine PV Anlage für die Ganze Schweiz. 5 % Überschuss.

I Hoher PV-Stromanteil → Einspeiseleistungsspitze kann die Netzstabilität gefährden. 7

Netzstabilität Quelle: AES, verändert

Import/Export/Transit Übertragungsnetz 220 kV/380 kV

Transformierung Überregionale Verteilnetze > 36 kV bis 1 kV bis 36 kV

Transformierung Lokale Verteilnetze 0.4 kV bis 1 kV

8

Netzstabilität Quelle: AES, verändert

Import/Export/Transit Übertragungsnetz 220 kV/380 kV

Transformierung Überregionale Verteilnetze > 36 kV bis 1 kV bis 36 kV

Transformierung Lokale Verteilnetze 0.4 kV bis 1 kV

8

Einspeiseleistungsspitze Reduzierung

Lokaler Speicher

Ziel Bewertung von verschieden Einspeiseleistungsspitze Strategien für Familienhäuser zur Netzentlastung.

Ausrichtung

I Lokale Speicher (Batterie oder Wärme).

Neigung

I Ausrichtung und Neigung. I Nachfragesteuerung (DSM). I Einfluss des Moduletyps. Leistung [W]

Netzentlastung durch Wechselrichter wurde hier nicht untersucht.

2000

DSM PV

Last -kurve

1000

0 00:00

12:00

9

Begrenzung der Einspeiseleistung

]W[ xulFdirG

2000

0

-2000

-4000 00:00 23.06.2015

dat

00:00

00:00

24.06.2015

25.06.2015

Die Einspeiseleistung in das Netz wird auf einen festgelegten Wert begrenzt (z.B. 50 % der Nominalleistung). I Einfache Weise die Spitzeneinspeisung zu reduzieren ohne Kommunikationsinfrastruktur. I Motiviert PV Eigentümer zu Speichern oder die Last zu Verschieben. PV-Batteriespeicherung wird gefördert mit einer 50 % Begrenzung. KfW-Programm Erneuerbare Energien ’Speicher’ 10

Begrenzung der Einspeiseleistung

]W[ xulFdirG

2000

0

-2000

-4000 00:00 23.06.2015

dat

00:00

00:00

24.06.2015

25.06.2015

Die Einspeiseleistung in das Netz wird auf einen festgelegten Wert begrenzt (z.B. 50 % der Nominalleistung). I Einfache Weise die Spitzeneinspeisung zu reduzieren ohne Kommunikationsinfrastruktur. I Motiviert PV Eigentümer zu Speichern oder die Last zu Verschieben. PV-Batteriespeicherung wird gefördert mit einer 50 % Begrenzung. KfW-Programm Erneuerbare Energien ’Speicher’ 10

Einleitung PV-LAB Kontext PV-Netzintegration

Resultate PV Integration mit Speicher Lastmanagement Moduletyp und Netzintegration Last und Produktion Aggregation

11

Simulation Batteriesystem

PV Mpp tracker Netz

PV Wechsel -richter Laderegler

Last

Speicher

DC-link

Simulation I Energieflusssimulation I Einfaches Batteriemodel (90 % Wirkungsgrad, Li-ionen) 12

Resultate : Steuerungsstrategie mit Einspeisebegrenzung Eine selbstentwickelte Steuerungsstrategie wurde für 44 verschiedene Haushalte simuliert : Einspeisebegrenzung 50 %

Dimensionierung ProdJährlich =VerbrauchJährlich ]%[ hcuarbrevtsbleS

]%[ etsulrevgnuznergeB

12 Max.

8

Durschnitt

4

0 0.0

Min. 0.5

1.0

1.5

Speichergrösse [kWh/kWp]

2.0

60 50 40 30

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Speichergrösse [kWh/kWp]

I Verluste relativ klein (noch kleiner mit Speicher). I Eine verhähltnissmässig kleine Batterie (1 kWh/kWp ) genügt. I Selbstverbrauch steigt von 30 % auf fast 60 % mit Speicher. 13

Wärmespeicher

14

Wassertank temp. [°C]

Austauch mit Netz [W]

Wärmespeicher

Resultate vergleichbar mit Batteriespeicher.

14

Lastmanagement : Flexi Studie Einspeiseleistungsreduktion durch Verschiebung des Stromverbrauchs. 2500 Lastkurve ]W[ gnutsieL

2000 1500 1000

PV Prod.

500 0 00:00 20.04.2015

06:00

12:00

18:00

00:00 21.04.2015

Ziel des Projektes Bestimmung des Flexibilisierungspotentials von Wohnhäusern.

15

Bestimmung des Zeitverlaufs der Verbrauchern Tue 14−J a n−2014

4000

Leistung [W]

3500 3000 2500 2000 1500 1000

Gemessene 15 min. Lastkurve

500 0 0

5

10

15

20

Zeit [h]

16

Bestimmung des Zeitverlaufs der Verbrauchern Tue 14−J a n−2014

Leistung [W]

4000 3500

Haushalstinformationen + Aktivitäts Statistik

3000

Markovketten

2500 2000 1500 1000

Gemessene 15 min. Lastkurve

500 0 0

5

10

15

20

Zeit [h]

16

Bestimmung des Zeitverlaufs der Verbrauchern Tue 14−J a n−2014

Leistung [W]

4000 3500

Haushalstinformationen + Aktivitäts Statistik

3000

Markovketten

2500

Standby Heizung Frigo Licht Elektr. Spiele Küche Haushalt ICT (Computer...)

2000

Simulierte Lastkurve

1500 1000

Gemessene 15 min. Lastkurve

500 0 0

5

10

15

20

Zeit [h]

16

Bestimmung des Zeitverlaufs der Verbrauchern Tue 14−J a n−2014

4000

Leistung [W]

3500 3000 2500 2000

Verbraucher Licht Licht Router Café Laptop laptop Licht Ofen und Herd Laptop Standby Drucker

Start Ende 05:48 07:00 07:00 07:30 07:00 18:39 18:39

06:18 08:00 07:50 08:00 22:30 22:51

19:15 19:45 20:26 22:10 20:37 22:20

1500 1000

Standby Heizung Frigo Licht Elektr. Spiele Küche Haushalt ICT (Computer...)

Simulierte Lastkurve

Gemessene 15 min. Lastkurve

500 0 0

5

10

15

20

Zeit [h]

Vielversprechende Resultate 16

Flexibilität der Lastkurve Einschätzung des Verbrauchs der in den Zeitraum von 11h-15h verschoben werden kann.

Waschmaschinen 8% Haushalt (Staubsauger..) Küche Kühltruhe 18% Computer., HI-FI, ... Licht Standby 6% Mittagsverbrauch

3% 5%

19%

19%

22%

17

Flexibilität der Lastkurve Einschätzung des Verbrauchs der in den Zeitraum von 11h-15h verschoben werden kann.

Waschmaschinen 8% Haushalt (Staubsauger..) Küche Kühltruhe 18% Computer., HI-FI, ... Licht Standby 6% Mittagsverbrauch

3% 5%

19%

19%

22%

Ungefähr 8 % ist einfach und 8 % schwer verschiebbar (im besten Fall). Warmwasser und Heizung wurde nicht miteinbezogen. 17

Modultyp und Netzintegration

Eigenschaften der Solarzellen

c-Si poly 15.2 % -0.39 %/°C

⇒

SHJ 20% -0.25 %/°C

Simulationsparametern

a-Si 9.1% -0.19 %/°C

a-Si degradiert 7.7% -0.25 %/°C

PV-ProdJährlich =VerbrauchJährlich

18

Resultate : Modultyp und Netzintegration ]%[ .rbrevtsbleS

28.0 27.8 27.6 27.4 27.2

c-Si Poly

15.3 %

SHJ

a-Si

a-Si2d

20 %

9.14 %

7.7 %

-0.39%/°C -0.25%/°C -0.19%/°C -0.25%/°C

27.0

]%[ .tsulreV .rgeB

13

]%[mmosE/tniwE

52

c-Si Poly

SHJ

a-Si

a-Si2d

12 11

Einspeisung auf 50 % begrenzt und kein Speicher I Selbstverbrauch ist stabil. I Verlust durch die Einspeisebegrenzung hängt vom TCPmpp ab. I 3 % höhere Winterproduktion für Poly .

10 9

c-Si Poly

SHJ

a-Si

a-Si2d

48 44

15.3%

20.0%

9.14%

7.7%

-0.39%°C

-0.25%°C

-0.19%°C

-0.25%°C

40

19

Resultate : Modultyp und Netzintegration ]%[ .rbrevtsbleS

28.0 27.8 27.6 27.4 27.2

c-Si Poly

15.3 %

SHJ

a-Si

a-Si2d

20 %

9.14 %

7.7 %

-0.39%/°C -0.25%/°C -0.19%/°C -0.25%/°C

27.0

]%[ .tsulreV .rgeB

13

]%[mmosE/tniwE

52

c-Si Poly

SHJ

a-Si

a-Si2d

12 11

I Selbstverbrauch ist stabil. I Verlust durch die Einspeisebegrenzung hängt vom TCPmpp ab. I 3 % höhere Winterproduktion für Poly .

10 9

c-Si Poly

SHJ

a-Si

a-Si2d

48 44

Einspeisung auf 50 % begrenzt und kein Speicher

15.3%

20.0%

9.14%

7.7%

-0.39%°C

-0.25%°C

-0.19%°C

-0.25%°C

Modultyp hat einen kleinen aber nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Systemparameter.

40

19

Quartier : Lastaggregation 325 Lastkurven, Verbrauch 4400 MWh Jährlich 100

100

]%[ hcuarbrevmortS

nehcilrhäJ muz vitaleR

80

80

60

60

40

40

20

20

0

Eimp. (MS®NS) Eexp. (NS®MS)

0 0

20 40 60 80 PV Deckungsgrad [%]

100

20

Quartier : Lastaggregation 325 Lastkurven, Verbrauch 4400 MWh Jährlich 100

100

]%[ hcuarbrevmortS

nehcilrhäJ muz vitaleR

80

80

60

60

40

40

20

20

0

Eimp. (MS®NS) Eexp. (NS®MS)

0 0

20 40 60 80 PV Deckungsgrad [%]

100

20

Quartier : Lastaggregation 325 Lastkurven, Verbrauch 4400 MWh Jährlich 100

]%[ hcuarbrevmortS

nehcilrhäJ muz vitaleR

]%[ hcuarbrevtsbleS

100 80

80

60

60

40

40

20

20

0

Eimp. (MS®NS) Eexp. (NS®MS) Selbstverbrtot.

0 0

20 40 60 80 PV Deckungsgrad [%]

100

I Bis 20 % Deckungsgrad wird alles Selbst verbraucht (40 % mit 1 kWh/kWp) 20

Quartier : Lastaggregation 325 Lastkurven, Verbrauch 4400 MWh Jährlich 100

]%[ hcuarbrevmortS

nehcilrhäJ muz vitaleR

]%[ hcuarbrevtsbleS

100 80

80

60

60

40

40

20

20

0

Eimp. (MS®NS) Eexp. (NS®MS) Selbstverbrtot.

0 0

20 40 60 80 PV Deckungsgrad [%]

100

I Bis 20 % Deckungsgrad wird alles Selbst verbraucht (40 % mit 1 kWh/kWp) 20

Schlussfolgerungen Begrenzung der Einspeiseleistung Spitzenleistung um 50 % reduziert ⇒ Verhältnismässig kleine Verluste. I 11 % ohne Speicher, < 1.5 % mit Wärme- oder rel. kleinem Batteriespeicher.

Lastmanagement I Großes Potenzial für Warmwasser (siehe oben) I Verhältnismässig kleines Potential für den Rest.

Moduletyp Kleiner aber nicht vernachlässigbarer Effekt.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Diese Resultate stammen aus verschiedenen Projekten die von EOS Holding, Flexi-project (BFE) and SCCER-FURIES (KTI) gefördert wurden. 21

Quartier 325 Lastkurven, Verbrauch 4400 MWh Jährlich 100

]%[ hcuarbrevmortS

nehcilrhäJ muz vitaleR

]%[ hcuarbrevtsbleS

100 80

80

60

60

40

40

20

20

0

Eimp. (MS®NS) Eexp. (NS®MS) Selbstverbrtot. EVerkauft EGekauft

0 0

20 40 60 80 PV Deckungsgrad [%]

100

I Bis 20 % Deckungsgrat wird alles Selbstverbraucht (40 % mit 1 kWh/kWp) I Bis 50 % Deckungsgrat, überschreitet die Einspeisung nie den Höchsten Netzbezug. 22

Selbstverbrauch

Mittelwert,

PVprod=Verbrauch

Mittelwert, PVprod=2*Verbrauch 60

EHW

]%[ hcuarbrevtsbleS

HP

50

40

30

20

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Speicherkapazität [kWh/kWp]

23