Elektrische Energiespeicher in Wohngebäuden

Elektrische Energiespeicher in 

Wohngebäuden 

Nutzen, Auslegung, Technologie und Förderung 

© Thomas Jansa - Fotolia.com 

Arbeitskreis Energieberatung - 49. Tagung | Elektrische Energiespeicher in Gebäuden | Lukas Quurck | 1

Wer sind wir? 

Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau 


Kinetische Energiespeicher 

Ein alter Hut? 

Älteste t Form der Energiespeicherung 

i • Antike Töpferscheibe 

• Schwungräder in Pressen und Kraftmaschinen 

Speichern von elektrischer Energie in der 

Bewegungsenergie eines Rotors 

Quelle: Experimentelle Archäologie in Deutschland 

Elektrisches 

Netz 

Entladen 

Laden 

Technischer Fortschritt: 

• Hohe Trägheit und hohe Drehzahlen 

• Hochfeste Materialien 

• Reibungsfreie Magnetlager 

• Vakuum reduziert Luftreibung 

Motor/ 

Generator 

Schwungmasse 

Schwungmasse 

Lager 

Gehäuse 


Aktuelles Forschungsprojekt: 

Energieeffizienter, hoch integrierter Außenläufer 

• Energie in Rotationsbewegung 

ti • 40.000 U/min 

• Innovative Bauform 

• Verlustoptimierung 

ti i 

• Feinvakuum 0,3 Pa 

• Berührungslose Magnetlager 

• Hohe Leistung 

• Schnelle Reaktionszeit 

• Unabhängig von Kapazität 

Lagerung 

Motor‐ 

Generator‐ 

Einheit 

Lagerung 

Schwung‐ 

masse 

Stator 

• Hohe Lebensdauer 

• Keine Zyklen abhängige Alterung 

• Standard Industriekomponenten 


Methodischer Forschungsschwerpunkt: 

Dimensionierung und Betrieb von Energiespeichern 

Starke Abhängigkeit von Zielsetzung 

Mögliche Zielsetzungen 

Autarkie (Inselbetrieb) 

USV-Funktionalität 

Frequenzstabilisierung 

Besondere Anforderung 

Hohe Kapazität 

Hohe Zuverlässigkeit 

Hohe Dynamik 

Reduktion der Anschlussleistung von Industrieanlagen 

Je nach Anwendung 

Ausgleich von Prognosefehlern bei WEA 

Filterung von Lastspitzen in Verteilernetzen 

PV-Strom zwischenspeichern 

Nicht Vernachlässigbar: 

„Aktuelle Forschung“ 

Hohe Leistung 

Intelligente Betriebsweise 

• Wandlungs- und Standbyverluste 

• Zyklische und kalendarische Alterung chem. Speicher 

• Unterschiedliche Speichertechnologien werden unterschiedlich dimensioniert! 

Wirtschaftliche Auswirkung 


Forschungsprojekt Plus-Energiehabitat 


Energiespeicher in Wohngebäuden 

Die Ausgangssituation 

Kosten 

PV-Stromgestehungskosten und Strompreise 

Preisparität bei PV-Strom 

Zeit 

Fremdbezug 

Eigenerzeugung 

.de 

Quelle: www.bz-bildung 

• Erneuerbare Energien sind volatil • Steigende Strompreise (2-4% p.a.) 

• Verbrauch ist schwer planbar 

• Eigenverbrauch ohne Speicher: ca. 20% 

• Fallende PV-Stromgestehungskosten 

• Eigener Strom ist bereits heute billiger 


Nutzen von elektrischen Speichern in Wohngebäuden 

„Energiespeicher erhöhen die 

Verträglichkeit von Erzeugung und 

Verbrauch“ 

Speicher erhöhen Eigenverbrauch 

Sinnvolle EV-Werte liegen bei 70-80% 

• Abhängig von PV-Leistung, Nutzerprofil und Speichergröße 

• Steigende Energiekosten werden durch Investkosten ersetzt 

Leistung in kW 

4 

2 

0 

‐2 

‐4 

‐6 

‐8 

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 

PV‐Erzeugung Verbrauch EFH Verbrauch MFH 

Vielerlei Nutzen: 

• Erhöhung des Autarkiegrads 

(Ideeller Gewinn für Endverbraucher) 

• Geringerer Strombezug 

(Endverbraucher) 

• Reduktion von hohen Einspeisespitzen (Netzbetreiber) 


Status Quo: 20% Eigenverbrauch 

- Geht da nicht mehr? 

Erzeugeranlagen wie PV oder BHKWs 

erzeugen nicht bedarfsgerecht Strom 

Leistung 

Leistung einer PV-Anlage mit Wolkendurchzug 

PV-Erzeugung 

Haushaltsverbrauch 

Besonders PV ist volatil und saisonal stark 

veränderlich 

• Nicht selbst genutzter Strom wird 

eingespeist 

• Teurer Strom muss eingekauft werden 

wenn kein eigener Strom vorhanden ist 

‣ Niedriger Eigenverbrauch des günstigeren 

selbsterzeugten Stroms bei ca. 20% 

Tagesverlauf 

PV ist nicht dann verfügbar 

wenn häufig hoher 

Strombedarf auftritt 

‣ Ohne Speicher müsste das Verbraucherverhalten geändert werden 


Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? 

Nutzerorientierte ti t Funktionen 

• Verschieben der ungenutzten PV-Erzeugung in die 

Abendstunden 

• Erhöhung des Eigenverbrauchs 

• Reduktion des Strombezugs vom Netz 

Kostenvorteile in Nutzungsphase 

Netzdienliche Funktionen 

• Glättung der Netzlast 

• Vermeidung von Überspeisung des 

Mittelspannungsnetz 

• Spannungshaltung 

Erhöhung der Netz-Verträglichkeit von PV 


L 


Energiemenge in kW Wh 

10 

5 

‐10 

‐15 

Verbrauch und Erzeugung 

0 

0:00 

‐5 

6:00 12:00 18:00 0:00 

‐20 

‐25 

10 

5 

-10 

-15 

-20 

PV‐Erzeugung 

Netzlast 

Verbrauch 

0 

0:00 

-5 

6:00 12:00 18:00 0:00 

-25 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

ohne Speicher 

Ladezustand des Speichers 

mit Speicher 

0 

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 

Energiemenge im Speicher 

E_max 


Nutzerorientierte Speichernutzung 

Ermittlung der Speichergröße 

Problematik 

• Speicher sind sehr teuer 

• Überdimensionierung g„ „vernichtet“ Strom durch unnötige 

Wandlung bei Rückspeisung und Standbyverluste 

Speicher 

Standby 

Wandlung 

Verlust te 

Herausforderung: Speicherdimensionierung 

• Methodisches Vorgehen 

• Hochaufgelöste, gemessene oder synthetisierte Lastprofile 

• Keine Standard-Lastprofile! 

• Hoher Einfluss von PV-Ertrag und Nutzerverhalten 

E, P, €(t) 

Unterschiedliche Zielsetzungen ergeben unterschiedliche Speichergrößen 

Nutzerorientiert: z.B. Steigerung des Eigenverbrauchs → E ↓; P ↑ 

Netzorientiert: z.B. Kappen der Mittags-Peaks → E ↑; P ↓ 


Nutzorientierte Speichernutzung 

Beispiel-Szenario 

Mehrfamilien-Plusenergie-Haus i in Frankfurt am Main 

• 18 Parteien, ca. 39 Bewohner 

• 6,7 kW el BHKW (2200 Betriebsstunden) 

1 

• 30 kWp PV-Anlage „virtuell virtuell“ aufgesetzt 

0,9 

0,8 

• Jahres Stromverbrauch: 25.000 kWh 

0,5 

04 0,4 

Methodik bei gemessenen Lastgang: 

• Erfassen der Energiemengen 

• Häufigkeitsverteilungen 

g 

• Simulation 

0,7 

0,6 

0,3 

Einfluss der Speichergröße 

0,2 

0,1 

0 

0 10 20 30 40 50 60 70 

Speichergröße in kWh 

Eigenverbrauch 

Reduktion des Strombezug 

Methodik bei unbekanntem Lastgang 

• Synthetische Lastprofile mit statistisch 

signifikanter Ähnlichkeit z.B. 

(Standardabweichung, Autokorrelation) 

Ziel: EV von ca. 80% 

Führt zur Reduktion des 

Strombezugs um 56% 


Nutzorientierte Speichernutzung 

Beispiel-Szenario über 365 Tage 

Netzbezug ohne Speicher: 

11506.1515 kWh 

Netzbezug mit Speicher: 

5116.38 kWh 

Reduktion des Netzbezugs : 56% 

Eigenverbrauchsquote mit (ohne) Speicher: 79% (53%) 

Reduktion der Einspeisung 26% 

Leistung Leistung 

in g kW in kW 

10 

10 

0 

0 

-10 

-10 

Leistungsverlauf Lastprofil 


-20 

-20 

Sollverlauf = 0kW 

Sollverlauf = 0 kW 

Lastprofil ohne Speicher 

Lastprofil ohne Speicher 

Lastprofil mit Speicher 

Lastprofil mit Speicher 

-30 

1 1.5 50 2 2.5 100 3 3.5150 4 200 4.5 5 250 300 350 

Zeit in d 


Speicherdaten: 

Speichergröße 25 kWh mit 15 kW Leistung 

Wandlungs- und Standby-Verluste berücksichtigt 


Netzdienliche Funktionalität 

Warum Helfen „dumme“ Speicher nicht dem Netz? 

PV-Anlagen: Sehr hohe h Einspeise-Spitzen i it in den Mittagsstundent • Mittagsspitzen ergeben größere Energiemengen als abends verbraucht werden 

→ Speicher bereits um 10 Uhr geladen 

→ Mittagsspitze schlägt voll auf Netz durch 


10 

0 

-10 

-20 


Lastprofil 

geglättetes g Lastprofil 

Sollverlauf 

-30 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 


40 

Energieverlauf Speicher 

Energieinhalt [kW Wh] 

30 

20 

10 

0 

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 



Netzdienliche Funktionalität 

Auf die Intelligenz kommt es an! 

Betriebsstrategie t t i ist für Netzdienlichkeit it entscheidend 

d 

• Speicher muss Einspeisepeak begrenzen 

• Je größer der Speicher ist desto besser 

• Netzeinspeisung aus dem Speicher in den 

Abendstunden 

• Bei prognosebasierter Betriebsstrategie kaum 

Absenkung des Eigenverbrauchs 

Größere Speicher 

Verluste bei der 

erneuten Wandlung 

Aktuelle Studie: Fraunhofer ISE, Speicherstudie 2013: Netzauswirkungen 

• Reduktion der 

Mittagsspitze um 40% 

• Bis zu 66 % mehr PV- 

Peakleistung möglich! 


Was spricht gegen g elektr. Speicher in Wohngebäuden? 

- Die Realität der Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit 

Speichertechnologien sind teuer! 

• Darum müssen sie möglichst lange halten 

• Rentabilität erst nach 15 bis 20 Jahren 

• fragwürdig bei vielen angebotenen 

Systemen 

Bei chemischen Speichern hat die 

Betriebsweise große Auswirkungen auf 

Lebensdauer und damit die 

Wirtschaftlichkeit 

Entladetiefe: 

Es steht nicht die volle Kapazität der angegebenen 

Kapazität zu Verfügung um eine Tiefentladung zu vermeiden 

SOH: State Of Health 

Zyklische und kalendarische Degradation bei hochwertigen Li-Ionen- 

Akku-Systemen: 

12,9 % + 6,3 % = 19,2 % Verlust an Kapazität in 20 Jahren 

(Angbabe von: Bosch Powertec) 


Förderung von PV-Batteriespeichern durch die 

Bundesregierung 

• Fördervolumen 50 Mio. € 

• 600 - 660 €/kWp 

• Über Tilgungszuschuss bei KfW-Kredit 

Kredit 

Ca. 25.000 Speichersysteme 

Beispiel: 

• Beschränkt auf kleine Anlagen bis 30kWp 

• Voraussetzungen 

• Neue Anlagen ab 2013 

• Schnittstellen zur „Fernsteuerung“ 

• 7 Jahre Hersteller-Garantie des Zeitwerts 

KfW 

3000,- 

3.4 kWh Li-Ion 

~11.000 € 

Verbl. Kosten: 

8.000 € 

• Aktuell liegt keine Pflicht zu Netzdienlichkeit vor 


Fazit und Ausblick 

• Speicher erhöhen den Eigenverbrauch erheblich 

h 

• Methodisches Vorgehen bei der Dimensionierung 

• Abhängig von Zielsetzung und Nutzerverhalten 

• Reduktion der System- und Betriebskosten 

• Simulation und statistische Auswertung 

• Betriebsstrategie kann zur Netzstabilität beitragen 

• Fehlende Netzdienlichkeit behindert die PV-Integration 

• Bisher kein Anreiz/Pflicht zur Netzdienlichkeit für Kleinanlagen 

• Lebensdauer/Wirtschaftlichkeit noch fragwürdig 

• Durch Zyklenbeständigkeit von kinetischen Energiespeichern kann die 

Wirtschaftlichkeit im Lebenszyklus verbessern 


Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 


Was kann mit Stromspeichern erreicht werden? 

Nutzerorientierte ti t Funktionen 

• Verschieben der ungenutzten PV-Erzeugung in die 

Abendstunden 

• Erhöhung des Eigenverbrauchs 

• Reduktion des Strombezugs vom Netz 

Kostenvorteile in Nutzungsphase 

Netzdienliche Funktionen 

• Glättung der Netzlast 

• Vermeidung von Überspeisung des 

Mittelspannungsnetz 

• Spannungs- und Frequenzhaltung 

Erhöhung der Netz-Verträglichkeit von PV 


L 


Energiemenge in kW Wh 

10 

5 

‐10 

‐15 

Verbrauch und Erzeugung 

0 

0:00 

‐5 

6:00 12:00 18:00 0:00 

‐20 

‐25 

10 

5 

-10 

-15 

-20 

PV‐Erzeugung 

Netzlast 

Verbrauch 

0 

0:00 

-5 

6:00 12:00 18:00 0:00 

-25 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

ohne Speicher 

Ladezustand des Speichers 

mit Speicher 

0 

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 

Energiemenge im Speicher 

E_max 


Reale Lastverläufe 

4000 

2000 

0 

‐2000 

‐4000 

‐6000 

‐8000 

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 

PV‐Erzeugung Verbrauch EFH Verbrauch MFH 


Verbrauch im Haushalt ist nur bedingt planbar 


Anwendungsgebiet 

g 

Produzierende Industrie 

Aufgaben des Speichers: 

• Glättung des Lastgangs (Peakshaving) 

• Reduzierung der Anschlussleistung 

Kinetischer 

Energie‐ 

Speicher 

Maschine 

1 


2 


3 


n 

Stromnetz 

P soll 

P 

P P P 

t 

t t t 

t 


Anwendungsgebiet 

g 

Siedlung 

Öffentliches 

Netz 

e 

e 

M 

Aufgabe des Energiespeichers 

• Lastverschiebung 

• Netzstabilisierung 



Innovation durch Engineering 

Hohe Materialausnutzung durch Außenläuferkonzept 

Verlustreduzierung durch 

Vakuum‐ 

gehäuse 

Carbon‐ 

Rotor 

Magnetlager 


Was sind Vorteile? 

Technologie und Ökonomie 

• Sehr gute Eignung als Kurzzeit- bzw. Leistungsspeicher 

i • Mehr Leistung 

• Hohe Drehzahlen 

• Effizienz 

• Mehr Kapazität 

• Zyklenfest (Lebensdauer: ~ 20 Jahre) 

• Lebenszyklus 

• Kleine bis mittlere Stückzahlen wirtschaftlich (≠ Batterien) 

• Keine umweltschädlichen Chemikalien 


Unsere Kernkompetenzen 

Dimensionierung i i und Konfektionierung i durch Modularität 

• Energieinhalt 

• Leistung 

• Komponenten 

Betriebsstrategie 

• Wann speichern? 

• Wie viel speichern? 

Stahl/GFK/CFK 

CFK 

Stahl 

Abbildung: 3 Rotoren gleicher Trägheit 


Verfügbare Speichertechnologien 

Speicher 

Chemische Speicher 

• Blei-Säure 

• Lithium-Ionen 

• Redox-Flow 

Pumpspeicher 

Kondensatoren 

Wasserstoff 


Eigenschaften 

+ etabliert 

+ geringe Anschaffungskosten 

-- Lebensdauer 

++ Große Kapazität 

-- Ausbaumöglichkeiten 

- Akzeptanz 

++ Hohe Leistung 

- Hohe Kosten 

- Geringe Kapazität 

hydroprojekt.de 

zentodone.eu 

mouser.com 

+ Große Kapazität 

- Hoher Invest 

-- geringe Effizienz 

H 2 

+ Hohe Leistung 

++ Hohe Lebensdauer 

- Komplexes System 


Moderne Hochleistungsspeicher 

Reduktion der parasitären Verluste 

• Luftreibung -> Betrieb im Feinvakuum bei ca. 1 Pa 

• Lagerreibung g -> Berührungslose magnetische Lagerung 

g 

Verlustoptimierung der Komponenten 

• Energieeffiziente i aktive Lagerbauformen 

• Passive, permanentmagnetische Lagerung zur Gewichtsentlastung 

• Antriebsauswahl je nach Einsatzgebiet 

Zielkonflikt 

Reduktion der Schleppverluste 

Reluktanzmaschine 

vs. 

Reduktion der Wandlungsverluste 

PM-Synchronmaschine 


Schlüsselfrage: 

Wie muss ein Speicher dimensioniert werden? 

Vermeidung von Über- oder Untererfüllung 

• Speicherleistung und -kapazität konfektionierbar 

• Wirtschaftlichkeit 

• Technologische Erfüllbarkeit 

„Dimensionierung ist stark von Anwendungsgebiet abhängig und 

unterliegt individueller Anforderungen hinsichtlich der Zielsetzung.“ 

• Neue Bewertungs- und Dimensionierungsmethodik entwickelt 

• Betriebsstrategien des Ladeverhaltens in Arbeit 

• Je nach Zielsetzung unterschiedliche Strategien 

• Korrelation mit Speicherauslegung 


Wie sehen KES aus? 

Rotorbauformen 

Konventionell: Innenläufer 

• Systemeigenschaften gut bekannt 

• Rotordynamik in Grenzen beherrschbar 

• Einfache Konstruktion des Rotors 

• Bandagierung Notwendig – große Luftspalte 

Aktuell: Außenläufer 

• Faser-Kunststoff-Verbund 

• Starrer Rotor 

• Funktionsintegration: 

• Schwungmasse bandagiert Einbauten 

• Hohe Energiedichte 

• Problem: Aufdehnung unter Fliehkraft! 


Wie sehen KES aus? 

Alternative Bauformen 

Alternative: ti Hybrid 

• Innenlaufende Welle an hohle Schwungmasse angebunden 

• Einzelne Systeme existieren bereits 

• Probleme bei der Festigkeit der Nabenanbindung 

• Dehnungsunterschiede müssen überbrückt werden 

• Anbindung meist sehr weich -> Schwingungsrelevant 

Vorteile: Das beste von beiden 

• Keine Luftspaltaufweitung -> kompakte Aktorik 

• Bekannte Regelstrategien 

• Konventionelle Antriebskomponenten 

• Beherrschbare Fanglagerung 

Frage: Gibt es vielleicht doch eine technische Lösung 

eine außenlaufende Schwungmasse dauerfest an eine 

Nabe zu binden?

Elektrische Energiespeicher in Wohngebäuden

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