Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

EMS
Photovoltaic generator
and charge controller 
Telecommunication
equipment 
H
2
CC
PVG
Figure 18.30
Example of an autonomous power supply system for telecommunication with a
PVgenerator, a lead acid battery for short-term storage (five days of autonomy) and a hydrogen
storage system for seasonal energy storage. The system and components have been developed by
partners in the EC co-financed project FIRST [38]

---

INVESTMENT AND LIFETIME COST CONSIDERATIONS
857
from the PV generator the fuel cell takes the oxygen from the air and the hydrogen from
the tank to produce electrical power.
This concept allows operating the system with very high reliability with respect to
the power supply throughout the year without any conventional fuel. The shift of energy
from the summer to the winter is beneficial, as, otherwise, in Central Europe a larger
PV generator or motor generator would be required to fulfil the energy requirements
during winter. Numerous other systems of this type for different applications have been
developed and installed by R&D projects within the last decade (e.g. [39–41]).
18.6 INVESTMENT AND LIFETIME COST
CONSIDERATIONS
While designing an autonomous power supply system, it is essential to face the lifetime
costs rather than looking only into the initial investment costs. The battery has major
impacts on the system design, system operation and overall costs.
•
The battery causes a considerable part of the initial investment costs.
•
The size of the battery influences significantly the solar fraction of the power sup-
ply system.
•
Typically, more than two-thirds of the energy flow in an autonomous power supply
system goes across the storage system. Therefore, the battery acts as an important
consumer of electrical energy due to its efficiency of less than 100%.
•
The battery voltage influences the selection of the electronic components or vice versa.
•
The battery is subject to ageing. Ageing depends very much on the operating conditions
of the battery. Operating conditions depend on system sizing and control strategy.
•
The lifetime of the battery determines the running costs through the replacement
investment.
•
The battery needs regular maintenance.
•
Depending on the type of the battery, the different requirements of the battery room
have to be considered. The requirements are defined in the standards.
These facts are valid for all battery technologies. For the system design, the character-
istics of the chosen battery technology must be taken into account. For the following
considerations, only lead acid batteries are taken into account.
Investment costs for lead acid batteries depend very much on the technology and
the quality of the battery. Typical costs for end users are in the range of 75 to 250
¤
/kWh.
Lifetimes are – depending on the operation conditions – 3 to 8 years. Depending on the
sizing of the system (days of autonomy) and the lifetime, the battery will be subjected to
100 to 1000 capacity throughputs. This results in electricity costs of 0.20 to 0.75
¤
/kWh
dedicated to the storage unit. Additional costs occur for the peripherals, the charge con-
trollers res. chargers and maintenance.
Lead acid batteries need maintenance once or twice a year to check the cell con-
nectors, to measure all cell or block voltages to identify weak cells, to clean the tops of the
batteries to avoid creeping currents between the poles, to refill water for flooded batteries

---

858
ELECTROCHEMICAL STORAGE FOR PHOTOVOLTAICS
and to check the general state of the battery. The set points of the charge controllers or
the battery management should be checked. For a 48 V battery system with single cells,
30 to 60 min for the maintenance are necessary.
Figure 18.31 gives an example of the cost share of the battery in a PV battery
system. The system is designed to supply power with 100% reliability at a location in
Mexico. The left-side graphs show a system that was designed to minimise the initial
investment costs under the given boundary conditions. The right-side graphs show the
results of a minimisation of the lifetime costs. The calculation includes the initial invest-
ment costs, maintenance, repair and replacement of the components, capital costs and
other operating costs. It can be seen from the graphs that the lifetime costs are 288% or
248% of the costs for the initial investment. Sizing of the system with respect to lifetime
costs resulted, in this example, in an overall cost reduction of 14%. It is interesting to
see that this was achieved by approximately 20% higher investments in the PV genera-
tor. This allows on one hand a reduction of battery size by approximately 25% and on
the other hand the larger PV generator allows a more frequent complete charging of the
battery and therefore a lifetime extension. This altogether resulted in a cost reduction for
the battery of more than 40% and – as mentioned above – for the overall system of 14%.
Initial investment (cost index = 100%)
sorted by components
Battery
26%
PV
generator
28%
Electrical
installation
23%
Planning
13%
Inverter
10%
Initial investment (cost index = 102%)
sorted by components
Battery
20%
PV
generator
35%
Electrical
installation
22%
Planning
13%
Inverter
10%
Battery
43%
PV
generator
19%
Electrical
installation
21%
Planning
8%
Inverter
9%
20 years lifetime costs (cost index = 288%)
sorted by components
Battery
29%
PV
generator
28%
Electrical
installation
24%
Planning
9%
Inverter
10%
20 years lifetime costs (cost index = 248%)
sorted by components