Bewertung der Energieeffizienz von netzgekoppelten Photovoltaik-Batteriesystemen in Wohngebäuden

Der Einsatz von Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen) in Kombination mit Batteriespeichersystemen zur Energieversorgung von Wohngebäuden gewinnt immer mehr an Bedeutung. Mit der zunehmenden Anzahl der am Markt erhältlichen PV-Batteriesysteme rücken verstärkt Fragen in Bezug auf die Effizienz der unterschiedlichen Systemkonzepte in den Vordergrund. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines modellbasierten Simulationstests zur Effizienzbewertung und Verlustanalyse von PV-Batteriesystemen. Im ersten Schwerpunkt der Arbeit wird ein Modell zur Simulation des Betriebsverhaltens von AC-gekoppelten PV-Batteriesystemen in einsekündiger Auflösung beschrieben. Zur Parametrierung des Modells sind Messdaten erforderlich, die aus Labortests gemäß dem Effizienzleitfaden für PV-Speichersysteme hervorgehen. Auf Grundlage des entwickelten Simulationsmodells wird anschließend ein neues Verfahren zur Analyse der Verluste in PV-Batteriesystemen vorgestellt. Hierzu werden ausgehend von einem idealen, verlustfreien Betriebsverhalten die Auswirkungen der einzelnen Effizienzverluste anhand der jeweils hervorgerufenen Änderung der Energieflüsse am Netzanschlusspunkt aufgezeigt. Auf diese Weise werden die Effekte der Dimensionierungs-, Umwandlungs-, Regelungs-, Energiemanagement- und Bereitschaftsverluste getrennt voneinander analysiert. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die Aussagekraft von unterschiedlichen Kennzahlen zur Bewertung von PV-Batteriesystemen untersucht. Viele der bisher verwendeten Bewertungsgrößen lassen einzelne Verlustmechanismen der PV-Batteriesysteme außer Acht. Mit dem System Performance Index (SPI) wird eine neue Effizienzkennzahl für PV-Batteriesysteme vorgestellt, mit der sich die Relevanz der einzelnen Verlustmechanismen quantifizieren lässt. Im Anschluss werden ausgewählte Einflussfaktoren auf den SPI näher untersucht. Unter anderem wird die Bedeutung der zeitlichen Auflösung der Eingangsdaten sowie des Detaillierungsgrads des verwendeten Simulationsmodells analysiert. Anhand von Simulationsuntersuchungen wird zudem der Beitrag einer prognosebasierten Batterieladestrategie zur Verringerung der Energiemanagementverluste und zur Verbesserung des SPI aufgezeigt. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit wird die Effizienz von AC-, DC- und PV-gekoppelten PV-Batteriesystemen mit dem SPI bewertet. Es zeigt sich, dass die erzielte Kosteneinsparung eines PV-Batteriesystems maßgeblich von dessen Effizienz abhängt. Der Einfluss der Systemeffizienz auf die Kosteneinsparung der PV-Batteriesysteme ist oft größer als der Einfluss der Speicherkapazität. Die untersuchten AC-, DC- und PV-gekoppelten Systeme erzielen im Mittel einen SPI von jeweils 88%. Eine ausgeprägte Abhängigkeit der Systemeffizienz von der Systemtopologie konnte somit nicht festgestellt werden. Es bleibt festzuhalten, dass die Gesamtsystemverluste von den Umwandlungsverlusten in den leistungselektronischen Systemkomponenten dominiert werden. Maßnahmen zur Verbesserung der Systemeffizienz sollten daher insbesondere die Steigerung der Umwandlungswirkungsgrade der PV-Batteriesysteme zum Ziel haben.