integration photovoltaik-strom ins verteilnetzbauf/pv/talks/170323_nat_ch_pv...f. baumgartner, p....

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


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».


1.

Solarstrom

eine Bedrohung

Slide 3.


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


2.

Solarstrom

verkraftbar

Slide 5.


Verteilnetz: Deutsches Dorf versorgt vom EKS Elektrizitätswerk Kanton Schaffhausenhat kein Problem mit zuviel Solarstrom

Slide 6.

http://energiestiftung.ch/files/energiestiftung/publikationen/energie-und-umwelt/e-u_1_2017.pdf


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


Solarer Spannungshub – EKS Dettighofenohne Gegenmassnahmen

8

F. Carigiet, F. Baumgartner, P. Korba, V. Knazkins; Electro Suisse Bulletin 2 / 2017 - 536kWp Netzabschnitt Detailanalyse

+5.6%


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%


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


3.

Solarinverter

kostenoptimal

Slide 11.

Franz Baumgartner, 2017-03-24; www.zhaw.ch/~bauf12

• +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


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%)


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


4.

Solarbatterie

zu teuer als

alleinige NetzlösungSlide 15

.


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


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


5.

Solar F&E Projekte

des IEFE – ZHAW

in WinterthurSlide 18

.


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


Weiterbildung in Winterthur ab 6. Okt 2017

• Photovoltaik und Batteriespeicher

• Netze – Smart Grid

• Bewirtschaftungskonzepte

Slide 20.

https://weiterbildung.zhaw.ch/


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


Qualitätscheck durchIEFE PV – Messtechnik; F. Baumgartner

Slide 22

Portabler LED Flasher; BFE Vertragsnummer: SI/501339-01

Poster 21G


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


• 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


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

integration photovoltaik-strom ins verteilnetzbauf/pv/talks/170323_nat_ch_pv...f. baumgartner, p....

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