Optimierung des Netzeinspeiseverhaltens von deutschlandweit verteilten PV-Speichersystemen mit prognosebasierten Betriebsstrategien

Ziel dieser Arbeit war in erster Linie die Optimierung des Netzeinspeiseverhaltens von deutschlandweit verteilten PV-Speichersystemen mit Hinblick auf die kumulierte eingespeiste Leistung sowie bezüglich der dazugehörigen Gradienten. Weitere Ziele lagen darin, bereits bestehende Betriebsstrategien für PV-Speichersysteme auf deren Netzdienlichkeit zu untersuchen und zu analysieren, ab welcher installierten PV-Nennleistung bei vollständiger Umsetzung der jeweiligen Betriebsstrategien kritische Einspeiserampen nicht mehr zu vermeiden sind.

Vor der Simulation wurden die jeweiligen Komponenten anhand von vorliegenden Datensätzen und Literaturangaben validiert. Dass die Lastprofilsynthese energetisch gesehen ein realistisches Szenario darstellt, wurde anhand eines Vergleichs der synthetischen Lastprofile mit den Rohlastprofilen aus dem IZES-Messdatensatz nachgewiesen.

Um die Grundlagen des Netzeinspeiseverhaltens von PV-Speichersystemen zu vermitteln, wurden die Leistungsflüsse eines Einzelsystems mit eigenversorgungsoptimierter Betriebsstrategie und mit prognosebasierter Betriebsstrategie mit dynamischer Einspeisebegrenzung unter Anwendung von perfekten Prognosen simuliert. Bei dem eigenversorgungsoptimierten Betrieb kann es an unbewölkten Tagen zu hohen Abregelungsverlusten kommen. Selbst an Tagen mit wechselnder Bewölkung können die Gradienten der Netzeinspeisung sehr stark ansteigen. Beide Probleme werden durch die dynamische Einspeisebegrenzung ohne Einbuße im Autarkiegrad verhindert.

Simulation der Netzeinspeisung von über 46 000 PV-Systemen

Als Referenzfall wurden die kumulierten Leistungsflüsse von 46 126 PV-Systemen ohne Speicher simuliert und ausgewertet. Weiterhin wurden dieselben Systeme mit Speicher unter eigenversorgungsoptimiertem Betrieb und unter prognosebasiertem Betrieb simuliert und auf dieselbe Art ausgewertet. Von den prognosebasierten Betriebsstrategien wurden die Varianten einfache Tagespersistenz mit fester Einspeisebegrenzung, perfekte Prognosen mit fester Einspeisebegrenzung (als Referenz für das obere Optimierungspotenzial), adaptive Tagespersistenz mit dynamischer Einspeisebegrenzung und Maximalerzeugungsprognosen mit dynamischer Einspeisebegrenzung untersucht.

Generell führen die prognosebasierten Betriebsstrategien gegenüber dem Betrieb ohne Speicher bzw. im Vergleich mit dem eigenversorgungsoptimierten Betrieb mit Speicher zu einer Entlastung des Netzes hinsichtlich der Netzeinspeisung und deren Gradienten. Für jede Betriebsstrategie besteht jedoch aufgrund von strategiespezifischen Stärken und Schwächen ein Potenzial zur Optimierung. Nebenbei wurde festgestellt, dass die Berechnung der Rampenkennzahl angepasst werden muss, um damit eine bessere Aussage über die Netzregelbarkeit der kumulierten Systeme zu treffen. Um die PV-Speichersysteme bezüglich des Netzeinspeiseverhaltens weiter zu optimieren, war es notwendig den Datensatz, ohne allzu große Änderung der Resultate für die Optimierung auf 3839 Systeme zu reduzieren.

Reduktion der Einspeiserampen durch Optimierung der Betriebsstrategie

Nach erfolgreicher Optimierung dieser Betriebsstrategie konnten signifikante Reduktionen der Einspeiserampen erzielt werden. Mittlere Autarkiegrade über 54 % sind mit dieser Betriebsstrategie allerdings nicht zu erzielen, sodass ein Einsatz bei den heutigen Systemkosten vermutlich nicht zu empfehlen ist. Bei Analyse der Problematik der Kombination mit Gewichtungsfunktion wurde festgestellt, dass standortspezifische Randbedingungen die Autarkiegrade begrenzen, sodass die Optimierung der Parameter standortspezifisch unter Berücksichtigung der kumulierten Leistungsflüsse erfolgen muss, was mit sehr hohem Aufwand verbunden sein könnte. Die Möglichkeit, die Maximalerzeugungsprognosen mit einer festen Einspeisebegrenzung zu gewichten, wurde kurz untersucht. Es wurde jedoch frühzeitig erkannt, dass eine Optimierung ohne starke Einbußen in der Autarkie nicht möglich ist.

In der Diskussion der Ergebnisse wurde festgestellt, dass kleine Optimierungen der spezifischen Einspeiserampen bei hoher Anzahl an PV-Speichersystemen in großen Verbesserungen der Netzregelbarkeit resultieren. Durch umfangreichen Einsatz von PV-Speichersystemen mit prognosebasierten Betriebsstrategien ist es möglich kritische Einspeiserampen im Haushaltsbereich bis zu ca. 109 GWp, also über dem 2,7-fachen der heute installierten PV-Leistung, zu vermeiden.

Spitzenkappung durch Batteriespeicher hat viele Vorteile

Als letzte Untersuchung wurde der Einfluss der Einspeisebegrenzungsvorgabe auf die tatsächlich eingespeiste kumulierte Leistung analysiert. Es stellte sich in den Simulationsergebnissen heraus, dass die prognosebasierten Betriebsstrategien ohne Abregelung einer standortspezifischen Einspeisebegrenzung der eigenversorgungsoptimierten Betriebsstrategie auf ca. 0,45 kW/kWp entsprechen. Zuletzt wurde auf einzelne Vereinfachungen, die im Rahmen dieser Arbeit vorgenommen werden mussten, eingegangen und erläutert, warum daraus keine signifikanten negativen Auswirkungen auf die Ergebnisse resultieren.

Um das größtmögliche Potenzial der Photovoltaik nutzen zu können ist der Einsatz von dezentralen PV-Speichern mit prognosebasierten Betriebsstrategien unabdingbar und stellt eine effektive Alternative zu den heutigen Ausbaukorridoren der Bundesregierung dar. Somit kann der prognosebasierte Betrieb von PV-Speichersystemen einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Ziele zur vollständigen Umstellung der Deckung des deutschen Strombedarfs auf erneuerbare Energien zu erreichen und den Klimaschutz zu gewährleisten.