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Energie-Management in der Praxis

Projektbeschreibung

Mein Projekt zeigt eine ganzheitliche Lösung für eine effiziente Energieversorgung und -nutzung. Es umfasst drei zentrale Komponenten: Photovoltaik-Anlage, Wärmeerzeugungssysteme und ein besonders ausgefeiltes Energie-Management. Das Management spielt hierbei eine Schlüsselrolle, da es nicht nur die Steuerung umfasst, sondern auch eine präzise Datenerfassung von elektrischer Leistung, Zählerständen und Zustandsinformationen ermöglicht. Im folgenden Beitrag will ich die praktische Umsetzung näher beschreiben und die Möglichkeiten sowie Einsparpotentiale aufzeigen.
Viele Aufgabenstellungen haben sich erst während der Umsetzungsphase ergeben und speziell die Steuerung der Heizungsanlage beschäftigt mich immer noch.

Energie-Management

Das elektrische Energiemagement (kurz: EMS) wird von einer OpenEMS-Instanz auf einem stromsparenden (Mini-)Computer erledigt.
Das EMS kennt die Daten von sämtlichen Stromzählern, erfasst Leistungsdaten der PV-Anlage, kennt die Daten des Strom-„DayAhead“-Markts (Strom Börsenpreis für die nächsten 24h), regelt elektrische Verbraucher sowie den Stromspeicher.
Die Regelung von elektrischen Verbrauchern bezieht die Wärmeerzeugung (Wärmepumpe, elektricher Heizstab), Wallboxen, Waschmaschinen, Spülmaschinen, aber auch die kontrollierte Be-/Entladung eines Batteriespeichers mit ein.
Speziell die Einführung von zeitvariablen Stromtarifen wird in Zukunft ein großes Thema werden, denn bis 2025 müssen bekanntermaßen alle Stromversorger solche Tarife anbieten.

Ein guter Einstieg: Stefan Feilmeier (OpenEMS Vorstand und Entwickler bei Fenecon) erklärt über den YouTube-Kanal von Money For Future in einem Video die Zusammenhänge zwischen Erzeugung, Verbrauch und zeitvariablem Tarif. Das gezeigte Management-System ist FEMS, ein komerzieller Ableger vom OpenEMS.

OpenEMS

OpenEMS (Offenes Energie Management System)

OpenEMS ist eine OpenSource-Plattform auf der mittlerweile zahlreiche Apps in kommerziellen Speicher- und Management-Lösungen basieren, z.B. FEMS der Firma Fenecon.
Das System ist vollständig modular aufgebaut und wird, dank der großen Community, ständig weiterentwickelt. OpenEMS setzt dabei auf offene und verbreitete Standards, z.B. Modbus, CAN-Bus, REST, usw.
Das System hat relativ geringe Hardware-Anforderungen. Beispielsweise würde ein Raspberry Pi, sinnvollerweise als Industrie-Variante, ausreichen. Mein eigenes System sitzt auf einem Mini-PC (lüfterlos, stromsparend), da noch andere Applikationen installiert sind deutlich Ressourcen-hungriger sind. OpenEMS vollständig ist Java-basiert, es wird nur eine Java-Runtime (aktuell 17) und ein Webserver (Apache, NginX) benötigt. Das Frontend kann über einen Standard-Internet Browser aufgerufen werden.
Ich habe auf ein Linux-Debian gesetzt, da sich dieses per VPN auch automatisch mit anderen Netzen verbinden kann und somit aus der Ferne gewartet werden kann.

Wie aus der Grafik zu entnehmen ist, besteht das komplette Projekt aus mehreren Komponenten auf die noch ausführlicher eingegangen wird. Die Heizungsanlage ist hier „nur“ von der elektrischen Seite (Stromzähler) abgebildet.

Historien-Funktion von OpenEMS. Schön zu erkennen ist der ZickZack-Verlauf im Verbrauch. Das entspricht den Ein/Ausschaltungen der 3 Phasen des E-Heizstabs

Historien-Funktion von OpenEMS. Schön zu erkennen ist der ZickZack-Verlauf im Verbrauch. Das entspricht den Ein/Ausschaltungen der 3 Phasen des E-Heizstabs. Der Peak gegen 7 Uhr ist der Kaffeemaschine geschuldet

PV-Anlage / Elektroinstallation

Die PV-Anlage hat fast 18kWp und hat eine Ost/West-Ausrichtung. Die Module speisen einen SolarEdge SE10k Hybridwechselrichter. An den Wechselrichter ist eine DC-Batterie mit rund 9kWh Kapazität und ein Grid-Meter angeschlossen.
Der Wechselrichter hat eine zusätzliche Modbus-RTU Schnittstelle über die gesamte Kommunikation (Lesen/Schreiben) läuft. Etwas problematisch ist, dass die Schnittstelle (Modbus-Slave) nur einen Modbus-Master gleichzeitig zulässt. Heißt: nur ein externes Gerät darf gleichzeitig mit dem Wechselrichter kommunizieren.
Das war bei der Entwicklung und den damit einhergehenden praktischen Tests bisweilen etwas hinderlich. Grundsätzlich kann man aber sagen, dass die Kommunikation zwischen EMS und Wechselrichter sehr stabil läuft. Als problematisch hat sich die Entwicklung der Software-Schnittstelle herausgestellt. Die Dokumentation seitens SolarEdge ist relativ dürftig und an manchen Stellen schlicht und ergreifend falsch!
Daher musste sehr viel Zeit in Recherche und Reverse-Engineering investiert werden. Ohne die Unterstützung durch die OpenEMS-Community hätte ich das wohl auch nicht geschafft. Aber eben aus jender Community weiß ich mittlerweile, dass die Anpassungen bei anderen Herstellern, speziell bei hybriden Systemen, sehr schwierig sein können.
Die Installation von PV und den notwendigen Erweiterungen der elektrischen Schaltanlage habe ich von Cousin Elektrotechnik aus Euskirchen durchführen lassen. Die Jungs waren wirklich top – haben zusätzliche (von mir gewollte Änderungen) schnell und ohne Aufpreis umgesetzt. Außerdem habe ich speziell bei dieser Baustelle sehr viel gelernt. Nicht jeder Handwerker lässt sich gerne auf die Finger gucken und muss dann auch noch dem Kunden dumme Fragen beantworten. Nein, ich werde nicht für Werbung bezahlt ;o)
Nach 1,5 Jahren Betrieb kann ich sagen, dass die Ost/West-Ausrichtung sehr gut funktioniert und über den Tag verteilt gut liefert. Aus diesem Grund habe ich auch den 10kVA-Wechselrichter gewählt. Über die Mittagszeit – wenn Ost- und Westteil des Dachs beschienen werden – läge der Ertrag etwas höher (geschätzt 3-5kW). Aber davor haben mich die Installateure vorher gewarnt und eine andere Konstellation vorgeschlagen.
Aber: im Winter könnte es durchaus die eine oder andere Kilowattstunde mehr sein. Wenn die Wärmepumpe betrieben wird, bleibt nicht mehr viel von der Ladung des Batteriespeichers übrig.
Eine Erweiterung der PV-Anlage auf das Garagendach mit reiner Süd-Ausrichtung und steiler Aufständerung (optimal wären 50°) ist schon in Planung…

Kommunikation

Die Einbindung anderer Geräte in´s OpenEMS geschieht hauptsächlich per Modbus. Viele aktuelle Stromzähler, sowie Wechselrichter haben Modbus RTU (RS485-Schnittstelle) bereits an Bord. Für die Umsetzung auf Modbus TCP („Netzwerk“) werden Gateways eingesetzt. Gute Erfahrungen habe ich mit den günstigen Geräten von Waveshare gemacht. Folgende Komponenten sind bei meiner Installation per Modbus eingebunden:

  • Hybrid-Wechselrichter SolarEdge 10k mit Grid-Meter und SolarEdge Homebattery 9kWh
  • Stromzähler Eastron SDM 630 (Zweirichtungszähler). Insgesamt 7 Stück
  • Siemens Logo! V8 als Netzwerkrelais und zur Steuerung der Heizungsanlage

Andere externe Geräte / Schnittstellen:

  • REST-API:
    • Abfrage DayAhead-Preise der Strombörse
    • Keba Wallbox
  • Influx-API:
    • Grafana zur grafischen Auswertung der gesamten Betriebsdaten
  • WebSocket:
    • Das Heimautomatisierungssystem fhem steuert OpenEMS

Alle erfassten Daten werden von OpenEMS zusätzlich ebenfalls per Modbus für andere Geräte, bzw. Steuerungen, zur Verfügung gestellt, z.B. das Heimautomatisierungssystem.
Die o.g. Schnittstellen/Protokolle sind nur die aktuell von mir genutzten – OpenEMS unterstützt von Haus aus noch deutlich(!) mehr Geräte, Schnittstellen und Protokolle

Funktion/Steuerung

OpenEMS ist in der Lage den Verbund aus Wechselrichter, Grid-Meter und Batteriespeicher komplett per Modbus zu steuern. Die SolarEdge-eigene Steuerung (Batterie Be-/Entladung) wird dabei außer Kraft gesetzt, bzw. ersetzt.
Folgende UseCases wurden bereits von mir umgesetzt:

  1. Eigenverbrauchsoptimierung: Batterie Be/Entladung wird gesteuert um den Strombezug vom Energieversorger (kurz: EVU)  so gering wie möglich zu halten
  2. Zeitversetztes Laden der Batterie: Die Batterie wird so geladen, dass 100% Ladestand zum prognostizierten PV-Maximum (i.d.R. 15 Uhr)  erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass zum Maximum der AC-Leistung der Wechselrichters (hier: 10kVA) auch noch die DC-Batterieladung (hier 5kW) addiert werden kann. Im Idealfall werden also nicht 10kW, sondern 15kW an PV-Strom „geerntet“
  3. Überschuss-Regelung: Steuerung der SG-ready-Schnittstelle einer Wärmepumpe über ein Netzwerk-Relais (z.B. Siemens Logo! oder einem Shelly-Gerät)
  4. Überschuss-Regelung: Aktivierung der einzelnen Phasen eines Elektroheizstabes
  5. Überschuss-Regelung: Dynamische Regelung einer Wallbox (hier: Keba P30c)
  6. Überschuss-Regelung: Zeitversetzte Aktivierung diverser Großverbraucher wie Spülmaschine, Waschmaschine, usw. („Schalte die Waschmaschine an, wenn genug PV Ertrag vorhanden ist“)
  7. Dynamische Stromtarife: Batterieladung und/oder Ansteuerung der Wärmepumpe richtet sich nach den aktuellen Bezugspreisen. So ist Energie zwischen 2 und 3 Uhr nachts zumeist sehr günstig
  8. Peakshaving: Bei Großverbrauchern (z.B. in der Industrie) werden häufig Stromtarife genutzt bei denen neben den reinen kWh auch die Lastspitzen berechnet werden. Liegt beispielsweise die Grundlast bei 200kW und es kommt zu einer einzigen Lastspitze von 300kW, so lässt sich der Versorger diese Spitze ebenfalls teuer bezahlen.
    Über das sog. Peakshaving (Lastspitzenkappung) werden bei einem hohen Strombezug einzelne Großverbraucher kurzzeitig abgeschaltet. Umgesetzt habe ich bei meinem Arbeitgeber, der partec GmbH in Meckenheim, unter Anderem:
    – das Herunterfahren von großen Lüftern (2 x 30kW)
    – dynamische Herunterregeln von insg. 10 Wallboxen
    – Abschalten von Trockenöfen, bzw. das Setzen einer Abschaltungsanforderung

Bemerkungen:
Punkt 2 erfordert die Anbindung des Heimautomatisierungssystems. Über die kostenfreie WebAPI vom Anbieter Solcast kann eine tägliche Prognose zum Solarertrag abgefragt werden. Diese Prognosen haben sich als recht genau erwiesen. Eine Anbindung an Solar-Prognosen in OpenEMS ist bereits angedacht.

Punkt 7 ist zwar funktionsbereit, kann aber noch nicht umgesetzt werden, da noch kein Smart-Meter verbaut ist. Für einen variablen Strom-Tarif, z.B. Tibber, ist dies notwendig.

Punkt 3 und 4 beschreiben die Sektorenkopplung zwischen Strom- und Wärmeenergie. Hier ergeben sich m.E. die größten Einspar-Potentiale – aber auch gleichzeitig die größten Schwierigkeiten bei der Umsetzung.

Wärmeerzeugung

Die erste Phase meines Projekts nutzte eine Siemens Logo! als Netzwerkrelais um die SGready-Schnittstelle der Wärmepumpe zu bedienen. SGready ist eine einfache potentialfreie ZweiDraht-Schnittstelle, welche 4 Schaltzustände abbildet:

  1. (Klemme 1:0) EVU-Sperre
  2. (Klemme 0:0) Normalbetrieb
  3. (Klemme 0:1) Einschaltempfehlung
  4. (Klemme 1:1) Einschaltbefehl

Die verwendete Wärmepumpe von Wolf mit integriertem 6kW E-Heizstab ließ sich relativ frei konfigurieren. So konnte z.B. über den Einschaltbefehl (4) festgelegt werden, dass sich das Brauchwasser auf 20°C über Soll, bzw. Heizwasser auf 15 °C über Soll, aufheizen soll. Lag die zu erreichende Temperatur oberhalb der „50°C-Schmerzgrenze“ der Wärmepumpe, so wurde automatisch der interne E-Heizstab mit verwendet.
In der Praxis gab es allerdings Probleme:

  • Der E-Heizstab ist 3phasig angeschlossen, lässt sich intern nur mit allen 3 Phasen auf einmal ansteuern. Daraus ergibt sich nur eine relativ grobe Möglichkeit zur Überschussstrom-Verwertung
  • Das System ist relativ träge und verursacht, je nach Sonneneinstrahlung, sehr kurze(!) Laufzeiten der Wärmepumpe von 15 Minuten. Die Mindestumschaltzeit der Wolf-WP konnte nur auf min. 30 Minuten gesteigert werden. Nach Rücksprache mit dem Installateur: deutlich zu häufig!
  • Letzten Endes führte die Ansteuerung über die SGready-Schnittstelle der Wärmepumpe höchstwahrscheinlich zu deren Defekt. Innerhalb eines halben Jahres gingen 3 Mal unterschiedliche Steuerungsplatinen kaputt. Fa. Wolf war deshalb jedes Mal vor Ort, tauschte die defekte Platine – konnte aber keinen Fehler auf externer Seite feststellen

Diese Umstände haben mich dazu bewogen die Heizungssteuerung komplett selbst zu übernehmen. Ein 4,5, kW Elektro-Heizstab wurde als eigenständiger Wärmeerzeuger zusätzlich eingebaut. Auch hier wäre ich ohne die Hilfe meines Installateurs Stefan Teubner (HT Haustechnik in Köln/Wesseling) wahrscheinlich nicht zum Ziel gekommen. Ich denke, wir haben beide dabei viel gelernt!
Realisiert wurde das Projekt mit insgesamt 3 Siemens Logo! SPS. Diese haben eigene Temperatur-Sensoren für den Heizungsspeicher, Vor/Rücklauf, Mischer für Fußbodenheizung, usw.

Die Logos steuern in Abhängigkeit von:

  • Außentemperatur
  • Heizungs-Temperaturen (Vor-/Rückläufe), Pufferspeicher (oben/unten)
  • PV-Überschuss
  • Ladestand des Batteriespeichers
  • PV-Prognose

Folgende Komponenten:

  • Mischer Fußbodenheizung
  • Modulation von Gastherme und Wärmepumpe über eine 0-10V Schnittstelle. Die Steuerung erfolgt voll dynamisch – je nach PV-Überschuss
  • Die 3 Phasen des E-Heizstabs einzeln
  • Ingesamt 7 Heizungspumpen
  • 2 Umschaltventile

Um folgendes zu erreichen:

  • Maximierung des PV-Eigenverbrauchs
  • Maximierung der Laufzeiten von Wärmepumpe. Dies beinhaltet die dynamische Reduzierung der Modulation in Abhängigkeit von der Außentemperatur
  • „Überladung“ des WW/Heizspeichers bei hohem PV-Ertrag. Somit wird die Pause bis zum nächsten Wärmebedarf verlängert. Im Sommer können so mehrere Tage überbrückt werden, ohne das Brauchwasser erhitzt werden muss
  • Nutzung des Hauses als zusätzlichen Wärmespeicher: Die Fußbodenheizung kann auch ohne Anforderung aktiviert werden um Energie im Estrich zu „speichern“
  • Nutzung des günstigsten Wärmeenergieerzeugers:
  1. Gas (wenn Außentemperatur zu gering)
  2. Wärmepumpe mit PV-Ertrag
  3. Wärmepumpe ohne PV-Ertrag: ab 15°C AußenT erreicht die WP mindestens einen COP von 3 und ist damit günstiger als Gas
  4. Elektroheizstab, wenn die Kesseltemperatur der Wärmepumpe > 50°C

Die folgende Grafik zeigt einen Blick auf das Logo!-eigene Webfrontend. Die Darstellung der Hydraulik ist nur schematisch und dient nur der Darstellung.

Einstellungen zur Heizung können u.A. über das Logo!-eigene Webfrontend gemacht werden. Rot umrandet ist der Elektroheizstab (alle 3 Phasen aktiv)
Einstellungen zur Heizung können u.A. über das Logo!-eigene Webfrontend gemacht werden

 

Analyse:

Wärmeenergie:

Wärmeenergie der letzten 2 Jahre

Abb5: Wärmeenergie der letzten 2 Jahre

Erklärung:

– Rot:  Gas (kWh Wärmeengerie)
– Blau: E-Heizstab (kWh Wärmeengerie)
– Grün: Wärmepumpe (kWh Wärmeengerie)
– Über den jeweiligen Balken ist die Summen-Energie dargestellt
– Die Wärmeenergie wurde für Heiz- und Brauchwasser aufgewandt
– Einbau der Wärmepumpe im Juni 2022
– Einbau E-Heizung als externer Wärmeerzeugung Februar 2023
– Ersetzen der Heizungssteuerung durch Siemens Logo! Februar 2023
– Einbau PV-Pufferbatterie November 2022

Zunächst einmal muss gesagt werden, dass Mitte 2022 das Dach neu gedämmt wurde. Allein dies erklärt die Energie-Ersparnis zwischen 2022/23.
Weiter ist zu erkennen, dass in den Sommermonaten 2022/23 praktisch kaum Gas bezogen werden musste. Auch die Wärmepumpe lief relativ wenig.
Wie beschrieben sorgte allein der E-Heizstab in den Sommermonaten für das Aufheizen des Pufferspeichers. In 2022 wurde der interne Heizstab der Wärmepumpe genutzt – ab Februar 2023 kamen die neue Heizungssteuerung, sowie ein 4,5kW E-Heizstab als externer Wärmeerzeuger zum Einsatz.
Ab diesem Punkt zeigt sich das Potential des Energie-Managements. Ein gutes Beispiel ist der Mai 2023. Dieser war relativ kühl, brachte aber viel PV-Ertrag. Somit kam das System Wärmepumpe/E-Heizung sehr oft in die Überschuss-Regelung und erhitzte den Pufferspeicher bis auf 70°C. Der gesamte Engerie-Aufwand hat sich gegenüber Mai 2022 deutlich erhöht. Ein Grund ist sicherlich der vergleichsweise warme Mai 2022, der Andere aber die Ausnutzung des Überschusses: der Pufferspeicher wurde thermisch stärker aufgeladen als eigentlich nötig – nur durch Energie die sonst als Einspeisung in´s Netz „verschenkt“ worden wäre.

Elektrische Energie der Wärmeerzeuger

Abb6: Elektrische Energie für die Wärmeerzeuger

Abbildung 6 zeigt den Verbrauch von elektrischer für die Wärmeerzeuger E-Heizung („Allgemein“) und Wärmepumpe. Zu beachten: Hier ist keine Summe auf den einzelnen Balken abgebildet. Die Zahlen stellen die absolten Verbräuche der beiden Komponenten dar. Die anderen Unterzähler (Klinkenberg, Garage, usw.) sind ausgeblendet da sie für die folgende Betrachtung nicht relavant sind.
Interessant ist hier die deutliche Steigerung des Energie-Einsatzes für die Wärmeerzeugung, sowie der Anteil der E-Heizung daran. Ab Juni kam die Wärmepumpe kaum noch zum Einsatz (im Juni 12,5kWh). Die Temperatur im Pufferspeicher lag in den Sommermonaten kaum unter 50°C was den Einsatz der Wärmepumpe unwirtschaftlich macht.
Hier sei auch wieder der Mai 2023 erwähnt: Aus 274kWh machte die Wärmepumpe 980kWh Heizleistung, also einen Durchschnitts-COP-Wert von 3,6.

Elektrische Energie:

Eine Analyse der elektrischen Energie darf natürlich nicht fehlen. Zu nächst ein buntes Bild:

Analyse PV-Anlage

Abb 7: Analyse PV-Anlage

Abbildung 7 zeigt die deutliche Steigerung des Eigenverbrauchs ab März 2023 (Start-Zeitpunkt der Optimierung), Reduzierung der eingekauften Energie und damit auch die Reduzierung der Netzeinspeisung. Dazu muss erwähnt werden, dass der Einbau des Batterie-Puffers (Nov. 2022) einen nicht unerheblichen Beitrag dazu geleistet hat. Entscheidend für die optimale Nutzung PV-erzeugter Energie ist aber nach wie vor die dynamische Regelung der elektrischen Wärmeerzeuger – ohne Energie-Management nicht möglich!

Eigenverbrauchsanalyse

Abb 8: Eigenverbrauchsanalyse

Abbildung 8 geht speziell auf den Eigenverbrauch ein und zeigt den Anteil an Eigenverbrauch (durch PV produzierte und selbst verbrauchte Energie) in Relation zur PV-Produktion. Auch hier (wieder) gut zu erkennen ist die Steigerung des Effizienz seit März 2023.

Fazit:

Eine intelligente Steuerung des elektrischen Verbrauchs zur Maximierung des Eigenverbrauchs spielt eine entscheidende Rolle. In meinem Fall, bei einer PV-Anlage von 18 kWp, ist die Heizung das zentrale Element, allein schon aufgrund ihres hohen Energiebedarfs. Die Entscheidung, die Heizungssteuerung durch die Siemens SPS zu ersetzen, war anfänglich nicht Teil des Projektplans, erwies sich jedoch aufgrund der genannten Gründe als notwendig und letzten Endes als äußerst sinnvoll. Dabei basiert meine Erfahrung hauptsächlich auf meiner Zusammenarbeit mit dem Hersteller Wolf. Es bleibt jedoch unklar, ob andere Hersteller effizienter mit der Nutzung des PV-Überschusses umgehen können. Mein Heizungsbauer Stefan sagte mir aber schon, dass andere Hersteller bei der Ansteuerung per SGready ähnlich kurze Laufzeiten haben. Das ist bei Geräten die einen Kompressor verbaut haben ein Problem da es die Lebenszeiten solcher Geräte verringert.

Die Frage, ob die Installation einer Wärmepumpe in unserem älteren Gebäude überhaupt wirtschaftlich war, ist nach wie vor offen. Aus meiner Erfahrung heraus hätte ich, Stand heute, besser die Kombination Gastherme + E-Heizung gewählt. Rein vom ökonomischen Standpunkt aus betrachtet.
Obwohl Wärmepumpen die Wärmeerzeugung um den Faktor 3-5 effizienter gestalten, waren die Installationskosten beachtlich. Dennoch könnte sich diese Investition in Zukunft allein durch die steigenden Gaspreise rechnen.

Eines steht jedoch zweifelsfrei fest: Ein intelligentes Energiemanagementsystem wie OpenEMS ist unerlässlich für die Steuerung eines Gebäudes. Zudem dürfen wir die dynamische Steuerung von Spül- und Waschmaschinen sowie der Wallbox für Elektroautos nicht vernachlässigen. Letztere können ebenfalls erheblichen Leistungsbedarf haben, auch wenn ich mein Elektroauto selten zu Hause lade. Diese Überlegungen variieren natürlich je nach individuellem Bedarf und Nutzungsszenario.