Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Integration Photovoltaik-Stromins VerteilnetzProf. Dr. Franz Baumgartner
ZHAW University of. Appl. Sciences Zurich, School of Engineering, IEFE; www.zhaw.ch/~bauf
Vortrag am 24.3.2017 in Lausanne, an der Nationale Photovoltaik-Tagung Schweiz
11. März 2011 Prog. Photovolt: Res. Appl. (2015)Electrosuisse Bulletin 2 / 2017
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Inhalt
1. Als Vision eines Problems ist Solarstrom eine Bedrohung
2. In Realität im EKS Netz ist Solarstrom verkraftbar
3. BFE Netz Projekt CevSol: Solarinverter kostenoptimal
4. Zur Spannungshaltung im VN Solarbatterie heute zu teuer
5. Weitere Tech Winterthur IEFE Solar F&E Projekte d. ZHAW
Slide 2.
Arbeitsverständnis des PV Teams am IEFE der ZHAWDie Praxisnähe hilft uns Innovation zu finden, neues zu versuchenmit unseren Partner und dabei unsere Jahrzehnte Erfahrung im PVSektor einzubringen, fernab vom «Elfenbeinturm».
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
1.
Solarstrom
eine Bedrohung
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Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Unsere Arbeiten 2010 – PV Netzintegrationins überregionale Netz
• Bei 10% PV Anteil CH wird 99% PV direkt verbraucht -
• Bei 17% PV Anteil CH wird 95% PV direkt verbraucht -
4
F. Baumgartner, S. Nowak, T. Achtnich, J. Remund Plenary Talk 5EP.2.1 EU Photovoltaic Solar Energy Conferenc 2010-09-10, ValenciaProg. Photovolt: Res. Appl. (2010)
Jahr 2035
Jahr 2046
CH Energie-startegieBund 2013
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
2.
Solarstrom
verkraftbar
Slide 5.
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Verteilnetz: Deutsches Dorf versorgt vom EKS Elektrizitätswerk Kanton Schaffhausenhat kein Problem mit zuviel Solarstrom
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http://energiestiftung.ch/files/energiestiftung/publikationen/energie-und-umwelt/e-u_1_2017.pdf
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Analyse der Massnahmen zur Spannungsreduktion:
Wirkleistungsbegrenzung der WR auf 70% PN Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.9 (ab 13.8kVA)
Blindleistungsmanagement mit cos(φ)=0.95
Peak Shifting Speicher HAS ab 30 bis 60% PN
Peak Shifting Speicher Trafo ab 50% PN
Markus Niedrist, Fabian Cariget, Franz Baumgartner, Electrosuisse ETG Tagung, Stromnetze, 6. Nov 2014 in Zürich
Grenzen der PV Dichte? Stand 2014
Dettighofen Bayern
821 kWp (2014) 11 GWp(2015)
1.55 kWp/Einw. 0.9 kWp/Einw.
Deutschland Schweiz
40 GWp (2015e) 1.3 GWp (2015e)
0.5 kWp/Einw. 0.2 kWp/Einw.
46%
Vergleich Dettighofen, Baden-Württemberg, DE, CH
8%
12%
2%
Stromnetze mit hohem PV Anteil, Vortrag, Tagung ETG, VDE OEVE, Zürich Nov 2014Anmerkung: Schweiz 41 300km2 * 300 kW/km2 = 12 GW ca. 20% PV Stromanteil
http://strom-report.de/photovoltaik/#photovoltaik-stromerzeugungFörderung BRD Einspeisung Mar 2017 von8.5bis 12.3 €cent/kWh
Nov 2014
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Solarer Spannungshub – EKS Dettighofenohne Gegenmassnahmen
8
F. Carigiet, F. Baumgartner, P. Korba, V. Knazkins; Electro Suisse Bulletin 2 / 2017 - 536kWp Netzabschnitt Detailanalyse
+5.6%
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Solarer Spannungshub – EKS Dettighofenmit lokaler Blindleistungsregelung U = -2.5%
9
F. Carigiet, F. Baumgartner, P. Korba, V. Knazkins; Electro Suisse Bulletin 2 / 2017
+3.1%
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Lokal dynamisch geregelteWirk – und Blindleistung mit PV-Inverter
10
Regelprofil Kennlinie lokal im PV Inverter abgelegt.
Vorteil: Keine teure Smart Grid IT Verknüpfung nötig!!
F. Carigiet et. al. ZHAW IEFEBFE Forschungsprojekt CEVSol 2016 – 2019
vgl. F. Carigiet et. al., Prog. of Photovoltaics 2015
• Vorteil Dezentral
• Rückspeisung von aktueller PV
Leistung gleich Trafo
Nennleistung möglich mit
beherrschbarem Spannungshub
(typisches VN vorausgesetzt, keine
extremen überlasteten
Stichleitungen)
cos=-0.9
230V 243V
Formelsatz
für Simulation
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
3.
Solarinverter
kostenoptimal
Slide 11.
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• +30% bis 100% mehr PV vgl. cos=1
(Elbs, VKW)
• ¼ weniger Leitungsverluste (Elbs, VKW)
• 80% weniger Blindleistung vgl. mit Q(P)
• keine zusätzlichen IT Kosten !!
Vorteile Regelung Q(U) als Funktion der aktuellen Netzspannung
BKW
Q(U) Pilot 2015 im Niederspannungsnetz
Schulhaus Stadelfeld Wichtrach
http://easyluefter.ch/solar/stadelfeld2/documents/
Elbs; 32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein 2017
Mittelspannung Empfehlung AnschlussbedingungenVSE/AES / NA EEA – CH 2014, Dezembervgl. z.B. BKW 2017https://www.bkw.ch/fileadmin/user_upload/11_Netzdienstleistungen/Netzdienstleistungen/Netzanschluss/20140701_TAB_MS_1.4_TAXEF.pdf
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Österreich Vorarlberg VKW
• Seit 2014 umgesetzt mit 2400 PV Anlagen!
• stabiler Betrieb =5s – keine Schwingung
• Noch hoher Betreuungsaufwand da
Standards fehlen – in Arbeit ÖVE – AIT
• Infowebseite für Installateure
https://moodle.zhaw.ch/mod/resource/view.php?id=762160
Q(U) Regelung erfolgreich in A und D
Deutschland Tech. Uni Braunschweig
Elbs32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein 2017
Ole Marggraf32. PV Tagung Deutschland, Staffelstein 2017
autom. Spannungsstützung für EV-Schnelllader (ca. 2%)
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Bewertung Techn. / Finanz.Der möglichen Massnahmen VN
Slide 14.
2016 bis 2019 BFE-Vertragsnummer: SI/501370-01
Autoren ZHAW IEFE: Fabian Carigiet, Franz Baumgartner, Petr Korba, Valerijs Knazkins
ca. 1 Rp/kWh
ca. 30 Rp/kWh
kleiner 0.1 Rp/kWh
Kostenanalysein Arbeit
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4.
Solarbatterie
zu teuer als
alleinige NetzlösungSlide 15
.
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2012-Solar Home Storage Systems on the market and pricing 2012
F. Baumgartner, P. Korba et.al. EUPVSEC 2012
Commercial PV Battery + Power ElectronicsNominal Capacity C nom [kWh] 13.8Price rel. per kWh nom 833€ Used Capacity C used [kWh] 6.9lifetime full cycles @ DOD 50% 1350lifetime stored capacity [kWh] 18630cost of stored kWh 0.62€ financing costs factor (5% interst rate, 5a) 1.2total storage costs per kWh 0.74€ http://www.mare- solar.com/shop/eigenverbrauch- speichersysteme- solarworld- sun- pac- c- 66_532_607.html
An example of a marketing document:
To increase self consumption from 38% to 50% of consumption +22%
investment of typ. 11 500€
per 6.5kW PV STC is needed(doubling investment costs)
total 2700 full cycles / 270 cycles @10aSlide 16
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Learning Curve Li-Ion Battery Packsvgl. Ref. F. Baumgartner, EUPVSEC 2016, June, Munich
Slide 17.
100
200
400
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
$/kW
h
GWh cum.
2007
2017
2015300$/kWh1.2Mio EV
[1] B. Nykvist, M. Nilsson; «Rapidly Falling costs of battery packs for electric vehicles»,Stockholm Environment Institute & KTH Royal Institute of Technology, Stockholm; Nature Climate Change; 9th Feb 2015[2] N. Pearsall, F. Baumgartner, PV Performance, Wiley, Nov 2016, ISBN 978-1-78242-336-2
LR=0.06 [1]EVs batterymarket leaders
LR = 0.10
LR = 0.15EPRI US, 2015W. Hofmann, 2015
2020 cum5Mio EV
2025 cum30 Mio EVs
70 000 German PV home batteries 5kWh
0.35GWh
China 2025; 3 Mio Evs; each 50kWh = 150GWh/a
2018Tesla Gigaf
500 Fr/kWh Invest.250 Jahreszyklen
20 Rp/kWh
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5.
Solar F&E Projekte
des IEFE – ZHAW
in WinterthurSlide 18
.
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Inve
rter
ZHAW IEFE neues Testlabor in Winterthur fürPV Batterie Systeme Studiengang Energie u. Umwelt / Weiterbildungskurs
• Strom- Spannungsgeneratoren für alle Wettersituationen
• Speicher (Batterie, Flow-Redox)
• Elektronische Lasten / Generatoren
.
Li
Flow
Redox
Studenten
Arbeitsplätze
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Weiterbildung in Winterthur ab 6. Okt 2017
• Photovoltaik und Batteriespeicher
• Netze – Smart Grid
• Bewirtschaftungskonzepte
Slide 20.
https://weiterbildung.zhaw.ch/
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Solarstrom in Wärme nicht ins NetzPV to Heat
Fachtagung 3. November 2016, Dietikon
Tagungsleiter: F. Baumgartnerhttps://www.electrosuisse.ch/de/etg.html
Slide 21.
F. Baumgartner, Bulletin 8 / 2016
Standard Technical Efficiency of Solar Input to Thermal Output
Solar thermal: 30% to 60% Photovoltaic + HP: 24% to 64%
Collector = 50% = 16%PV*3.1HP,COP = 50%
ZHAW IEFE PV WPWand
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
Qualitätscheck durchIEFE PV – Messtechnik; F. Baumgartner
Slide 22
Portabler LED Flasher; BFE Vertragsnummer: SI/501339-01
Poster 21G
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
IEFE Fachgruppe Photovoltaik Module
Ertragsoptimierte, kosteneffiziente PV Systeme
• Bifaciale Module (Poster 22G)
• Leichtbaumodule (Poster 6B)
• PV Integration und kosteneffiziente
Unterkonstruktionen
Maschinenbau Photovoltaik
• Maschinendesign
• Prozessentwicklung und -optimierung
Dr. Hartmut Nussbaumer
Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf
• Der Photovoltaik Zubau bis 2030 erfordert keine Milliarden Subventionen in ein Smart Grid um die Spannung zu halten
• Erfahrungen in Deutschland und Österreich zeigen, dass der Solarwechselrichter selbst die Spannungshaltung im Niederspannungsnetz übernehmen kann
• Dazu ist die Q(U) Blindleistungsregelung des Solar-wechselrichters für den Grossteil der Verteilnetze eine wirksame Methode zu minimalsten Kosten < 0.1Rp/kWh
• gefolgt von der P(U) Wirkleistungsbegrenzung
• PV Batterien zur Spannungsregelung eingesetzt sind um Grössenordnungen teurer.
Fazit – Spannungshaltung Verteilnetz
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60kWp, AXA Winterthur 650kW, Lonza AG, Waldshut 50kW – LE / dhp
90kW, Solar Wings60kW, Solar Wings, Tenna10kW, EKZ60kW, Werkhof, WintiSolarspar, Klimafond
Danke für ihre AufmerksamkeitPV Team IEFE ZHAW Dozenten Dr. Hartmut Nussbaumer und Prof. Dr. Franz Baumgartner
PV plants built in collaboration w. IEFE www.zhaw.ch/~bauf