Akkus im Niederspannungsnetz für mehr PV-Energie
In Gegenden, in denen bereits eine große Anzahl von Photovoltaik-Anlagen installiert ist, kann es an sonnigen Tagen zu unzulässig hohen Spannungen im Netz kommen. Es gilt daher zu klären, wie sich die erzeugte Energie technisch und wirtschaftlich optimal einsetzen lässt. Eine Idee: Neue Ladestrategien von Akkus können das Netz effektiv entlasten, indem sie die Energiespeicher netzoptimal integrieren.
Wenn bereits morgens die Sonne scheint und bis in die Abendstunden keine Wolke am Himmel zu sehen ist, freuen sich Besitzer von Photovoltaik-Anlagen. Ihre Module, die oftmals auf den Hausdächern installiert sind, produzieren dann Strom. Diesen können sie dann zum Nulltarif nutzen. Aber wohin mit zu viel produzierter Energie? Sie könnte einerseits ins Netz eingespeist oder aber zwischengespeichert werden. Der Nachteil an der Netzeinspeisung: Die Energie, die PV-Anlagen bereits jetzt in einigen Regionen an sonnigen Tagen produzieren, belastet die Leitungen. Ein Netzausbau kann zwar Abhilfe schaffen, doch neue Stromleitungen sind teuer. Daher haben Forscher jetzt überprüft, wie sich Akkus sinnvoll und mit minimalem Ausbaubedarf in das Niederspannungsnetz integrieren lassen. Sonnenergie kann so von den Erzeugern besser genutzt werden und die Leitungen werden entlastet.
Die Idee, Sonnenenergie in Akkus zu speichern ist nicht neu, aber bestehende Ladestrategien haben einige Nachteile. Bisherige Speichervorgänge lassen sich in drei Versionen einteilen:
* Direktes Laden
* Verzögertes Laden
* Peak Shaving
Beim direkten Laden wird die Energie bevorzugt selbst verbraucht. Liegt die erzeugte Energie über dem aktuellen Verbrauch, springt der Energiespeicher ein. Der Nachteil: Es gibt bei aufgeladener Batterie hohe Einspeisespitzen im Netz. Beim verzögerten Laden gibt die Regeleinheit einen maximalen Batterieladestand an. Da dieser über den Tag steigt, kann die PV-Anlage immer einen Teil der Energie ins Netz einspeisen, während der Rest gespeichert wird. Hohe Einspeisespitzen minimieren sich so auf ein Minimum. Beim netzoptimalen Betrieb (Peak Shaving) speichert die Batterie nur die Leistungsspitzen der PV-Erzeugung ab einem gewissen Schwellwert. Dadurch sinkt die Belastung für das Niederspannungsnetz. Gleichzeitig verringert sich aufgrund der priorisierten Netzeinspeisung allerdings auch der Eigenverbrauch. Diese regelbasierten Ladestrategien lassen sich zwar vergleichsweise einfach umsetzen, bieten aber nur wenige Möglichkeiten Zielgrößen anzupassen.
Optimale Ladestrategien und eine sinnvolle Akkuverteilung ermöglichen hohen Eigenverbrauch und Netzentlastung
Im Forschungsprojekt „Optimierung der Systemintegration fluktuierender Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien am Beispiel der Photovoltaik auf Niederspannungsebene“ (SYSPV-NS) setzen die Forscher auf ein selbstlernendes Modell. Sie untersuchen, in wieweit sich ein hoher Eigenverbrauch mit einer netzdienlichen Fahrweise von Photovoltaik-Anlagen kombinieren lässt. Da bei konventionellem PV-Anlagenbetrieb die Netzeinspeiseleistung ab einem bestimmten Wert gedrosselt wird, lässt sich mit optimalem Verhalten der Akkus eine größere Energieausbeute erreichen. Zusätzlich zu den drei bereits beschriebenen Ladevorgängen, haben die Entwickler eine weitere Variante auf Basis der modellprädiktiven Regelung (MPC) entworfen. MPC eignen sich vor allem für hochdynamische und komplexe Regelungen. Die Forscher haben gezeigt, dass bei der mittels MPC geregelten Batterie-Ladung sowohl ein hoher Eigenverbrauch als auch eine möglichst geringe Abregelung der PV-Anlage möglich sind. Mit perfekten Vorhersagen ließe sich die Abregelung im untersuchten Gebiet sogar auf 6,4 Prozent senken. Zum Vergleich: Ohne Speicher würde die Anlage 25 Prozent des Jahresertrags abregeln.
Ein weiterer Aspekt der Arbeiten war es, die topologische Verteilung der Speicher zu untersuchen. Wo dienen sie dem Netz zur Spannungsstabilisierung am meisten, wo ist ihr Wirken überschaubar? Die Projektpartner haben ihre Untersuchungen auf Strahlennetze, wie sie in ländlichen Gebieten öfters anzutreffen sind, beschränkt. Dabei haben sie herausgefunden, dass sich der größte Effekt einstellt, wenn die Speicher am Ende der Leitung installiert sind. Diese Überlegung beinhaltet, dass nicht jeder Haushalt mit einem Akku ausgestattet ist. Bei gleicher Gesamtkapazität ist der Effekt aber am deutlichsten, wenn an jeder PV-Anlage ein Akku mit entsprechend geringerer Kapazität installiert ist.
Auch wenn Speichersysteme den Netzausbau verringern können, sind sie aus finanzieller Sicht zunächst nicht sinnvoll. Mit dem gestiegenen Eigenverbrauch lassen sie sich hingegen durchaus wirtschaftlich betreiben. Weitere Untersuchungen könnten die Möglichkeiten eines optimalen Netzausbaus zum Beispiel in vermaschten Netzen beleuchten. Weitere Forschungsvorhaben zu zukunftsfähigen Stromnetzen finden sich auf dem vom BMWi geförderten Forschungsportal forschung-stromnetze.info.
(am)
