Performance evaluation of grid-connected PV battery energy storage systems for residential applications

Abstract

Ein steigendes Interesse an der Nutzung lokal erzeugter Photovoltaik (PV) Energie zur Deckung des Eigenbedarfs ist ersichtlich. Sinkende Einspeisetarife und Systemkosten, bei gleich zeitig steigenden Strompreisen bieten gute Voraussetzungen für Rentabilität und Einsatz eines netzgekoppelten PV-Batterie-Energiespeicher-Systems. Ein solches besteht grundsätzlich aus PV-Modulen, einem PV-Wechselrichter, Batterie und Laderegler. Ein Energiemanagementsystem steuert die Batterieentladung so, dass der Netzbezug zur Deckung des lokalen Elektrizitätverbrauch durch gespeicherte PV Energie verringert wird. Eine Vielzahl an Herstellern bietet mittlerweile PV-Batterie-Energiespeicher-Systeme an, mit denen die Erhöhung des Eigenverbrauchs und Senkung der Elektrizitätskosten erreicht werden soll. Der Anwender hat dabei die Auswahl zwischen verschiedenen Systemkonfigurationen (AC oder DC-gekoppelt, modulare Bauwiese oder All-In-One, Ein oder Drei-Phasig, Blei oder Lithium-Ionen Batterie). Desweiteren bestimmt die maximale Leistung des PV-Generators und die Batteriekapazität maßgebend den Grad der Direktnutzung und Eigendeckung. Die Systemgröße muss dabei auch im Kontext des Einstrahlungs- und Lastprofils des jeweiligen Anwenders gesehen werden. Die Bewertung solcher Systeme hinsichtlich Effizienz und Effektivität ist aufgrund fehlen der Standards auf Gesamtsystemebene derzeit nur schwer möglich. Die Vergleichbarkeit ist durch die Anzahl an Systemkonfigurationen, Systemgröße und individuellen Eingangsprofilen erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es ein Kennzahlportfolio zu entwickeln, welches eine umfassende Bewertung von PV-Batterie-Energiespeicher-Systemen, im Rahmen von Labortests ermöglicht. Dadurch soll der Hersteller sein Produkt besser vermarkten können und Schwächen bzw. Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Die Performance verschiedener Systeme wird für den Anwender besser vergleichbar und er kann auf ein qualitativ getestetes, funktionierendes System vertrauen.

Increased interest in local use of generated energy from Photovoltaics (PV) is seen in the residential field. Decreasing PV feed-in tariffs and system costs with simultaneous rising electricity prices, provide best conditions for profitability of grid-connected PV Battery Energy Storage Systems (PV-BESS). Such a system consists basically of PV modules, a PV inverter, battery and charge controller. An energy management system controls the battery sischarge power in a way, that grid imported energy for coverage of the local electricity demand is reduced by stored PV energy. A variety of manufactures and products of PV-BESS are available at the current market situation. The user has the choice between different system configurations (AC coupled or DC coupled, modular construction or all-in-one system, single or three phase, lead-acid or lithium-ion battery). The system size, considering PV generator peak power and battery capacity determines the effectiveness in increasing local consumed PV energy. The optimal size is related to individual PV generation and electricity demand patterns. Due to missing standards for PV-BESS, the evaluation of efficiency and effectiveness is not easy feasible. The comparison between systems is complicated due to the high amount of system configurations, system size and individual PV and load profiles. The aim of this work is to develop an index portfolio, determined with test methods in a laboratory environment, for a comprehensive evaluation of overall PV-BESS performance. PV-BESS manufacturers profit from differentiation of high quality products from low performing competitors and gain insights about deficits and optimization possibilities of its product. The provided evaluation methods shall serve as basis for further standardization processes and finally allow the user to select the most appropriate product and provide a guaranteed performance in the specific application of PV-BESS.