Das EMS kennt die Daten von s\u00e4mtlichen Stromz\u00e4hlern, erfasst Leistungsdaten der PV-Anlage, kennt die Daten des Strom-„DayAhead“-Markts (Strom B\u00f6rsenpreis f\u00fcr die n\u00e4chsten 24h), regelt elektrische Verbraucher sowie den Stromspeicher.
Die Regelung von elektrischen Verbrauchern bezieht die W\u00e4rmeerzeugung (W\u00e4rmepumpe, elektricher Heizstab), Wallboxen, Waschmaschinen, Sp\u00fclmaschinen, aber auch die kontrollierte Be-\/Entladung eines Batteriespeichers mit ein.
Speziell die Einf\u00fchrung von zeitvariablen Stromtarifen wird in Zukunft ein gro\u00dfes Thema werden, denn bis 2025 m\u00fcssen bekannterma\u00dfen alle Stromversorger solche Tarife anbieten.
Ein guter Einstieg: Stefan Feilmeier<\/a> (OpenEMS Vorstand und Entwickler bei Fenecon) erkl\u00e4rt \u00fcber den YouTube-Kanal von Money For Future<\/a> in einem Video<\/a> die Zusammenh\u00e4nge zwischen Erzeugung, Verbrauch und zeitvariablem Tarif. Das gezeigte Management-System ist FEMS, ein komerzieller Ableger vom OpenEMS.<\/p>\r\n
<\/a>OpenEMS<\/h2>\r\nOpenEMS<\/a> (Offenes Energie Management System)<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nOpenEMS ist eine OpenSource-Plattform auf der mittlerweile zahlreiche Apps in kommerziellen Speicher- und Management-L\u00f6sungen basieren, z.B. FEMS der Firma Fenecon<\/a>.
Das System<\/a> ist vollst\u00e4ndig modular aufgebaut und wird, dank der gro\u00dfen Community<\/a>, st\u00e4ndig weiterentwickelt. OpenEMS setzt dabei auf offene und verbreitete Standards, z.B. Modbus, CAN-Bus, REST, usw.
Das System hat relativ geringe Hardware-Anforderungen. Beispielsweise w\u00fcrde ein Raspberry Pi, sinnvollerweise als Industrie-Variante<\/a>, ausreichen. Mein eigenes System sitzt auf einem Mini-PC (l\u00fcfterlos, stromsparend), da noch andere Applikationen installiert sind deutlich Ressourcen-hungriger sind. OpenEMS vollst\u00e4ndig ist Java-basiert, es wird nur eine Java-Runtime (aktuell 17) und ein Webserver (Apache, NginX) ben\u00f6tigt. Das Frontend kann \u00fcber 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.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n![\"\"](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/Beispiel5-1024x858.png\")
<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\nWie aus der Grafik zu entnehmen ist, besteht das komplette Projekt aus mehreren Komponenten auf die noch ausf\u00fchrlicher eingegangen wird. Die Heizungsanlage ist hier „nur“ von der elektrischen Seite (Stromz\u00e4hler) abgebildet.<\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n![\"Historien-Funktion](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/Historie-920x1024.png\")
<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\nHistorien-Funktion von OpenEMS. Sch\u00f6n zu erkennen ist der ZickZack-Verlauf im Verbrauch. Das entspricht den Ein\/Ausschaltungen der 3 Phasen des E-Heizstabs<\/em>. Der Peak gegen 7 Uhr ist der Kaffeemaschine geschuldet<\/em>…<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/a>PV-Anlage \/ Elektroinstallation<\/h1>\r\nDie 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 Kapazit\u00e4t und ein Grid-Meter angeschlossen.
Der Wechselrichter hat eine zus\u00e4tzliche Modbus-RTU Schnittstelle \u00fcber die gesamte Kommunikation (Lesen\/Schreiben) l\u00e4uft. Etwas problematisch ist, dass die Schnittstelle (Modbus-Slave) nur einen Modbus-Master gleichzeitig zul\u00e4sst. Hei\u00dft: nur ein externes Ger\u00e4t darf gleichzeitig mit dem Wechselrichter kommunizieren.
Das war bei der Entwicklung und den damit einhergehenden praktischen Tests bisweilen etwas hinderlich. Grunds\u00e4tzlich kann man aber sagen, dass die Kommunikation zwischen EMS und Wechselrichter sehr stabil l\u00e4uft. Als problematisch hat sich die Entwicklung der Software-Schnittstelle herausgestellt. Die Dokumentation seitens SolarEdge ist relativ d\u00fcrftig und an manchen Stellen schlicht und ergreifend falsch!
Daher musste sehr viel Zeit in Recherche und Reverse-Engineering investiert werden. Ohne die Unterst\u00fctzung durch die OpenEMS-Community h\u00e4tte ich das wohl auch nicht geschafft. Aber eben aus jender Community wei\u00df ich mittlerweile, dass die Anpassungen bei anderen Herstellern, speziell bei hybriden Systemen, sehr schwierig sein k\u00f6nnen.
Die Installation von PV und den notwendigen Erweiterungen der elektrischen Schaltanlage habe ich von Cousin Elektrotechnik<\/a> aus Euskirchen durchf\u00fchren lassen. Die Jungs waren wirklich top – haben zus\u00e4tzliche (von mir gewollte \u00c4nderungen) schnell und ohne Aufpreis umgesetzt. Au\u00dferdem habe ich speziell bei dieser Baustelle sehr viel gelernt. Nicht jeder Handwerker l\u00e4sst sich gerne auf die Finger gucken und muss dann auch noch dem Kunden dumme Fragen beantworten. Nein, ich werde nicht f\u00fcr Werbung bezahlt ;o)
Nach 1,5 Jahren Betrieb kann ich sagen, dass die Ost\/West-Ausrichtung sehr gut funktioniert und \u00fcber den Tag verteilt gut liefert. Aus diesem Grund habe ich auch den 10kVA-Wechselrichter gew\u00e4hlt. \u00dcber die Mittagszeit – wenn Ost- und Westteil des Dachs beschienen werden – l\u00e4ge der Ertrag etwas h\u00f6her (gesch\u00e4tzt 3-5kW). Aber davor haben mich die Installateure vorher gewarnt und eine andere Konstellation vorgeschlagen.
Aber: im Winter k\u00f6nnte es durchaus die eine oder andere Kilowattstunde mehr sein. Wenn die W\u00e4rmepumpe betrieben wird, bleibt nicht mehr viel von der Ladung des Batteriespeichers \u00fcbrig.
Eine Erweiterung der PV-Anlage auf das Garagendach mit reiner S\u00fcd-Ausrichtung und steiler Aufst\u00e4nderung (optimal w\u00e4ren 50\u00b0) ist schon in Planung…<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\nKommunikation<\/h2>\r\n<\/div><\/div>\r\n\r\n\r\n\r\n
Die Einbindung anderer Ger\u00e4te in\u00b4s OpenEMS geschieht haupts\u00e4chlich per Modbus. Viele aktuelle Stromz\u00e4hler, sowie Wechselrichter haben Modbus RTU (RS485-Schnittstelle) bereits an Bord. F\u00fcr die Umsetzung auf Modbus TCP (\u201eNetzwerk\u201c) werden Gateways eingesetzt. Gute Erfahrungen habe ich mit den g\u00fcnstigen Ger\u00e4ten von Waveshare<\/a> gemacht. Folgende Komponenten sind bei meiner Installation per Modbus<\/strong> eingebunden:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n- Hybrid-Wechselrichter SolarEdge 10k mit Grid-Meter und SolarEdge Homebattery 9kWh<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Stromz\u00e4hler Eastron SDM 630 (Zweirichtungsz\u00e4hler). Insgesamt 7 St\u00fcck<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Siemens Logo! V8 als Netzwerkrelais und zur Steuerung der Heizungsanlage<\/li>\r\n<\/ul>\r\n
Andere externe Ger\u00e4te \/ Schnittstellen:<\/p>\r\n
\r\n- REST-API<\/strong>:\r\n
\r\n- Abfrage DayAhead-Preise der Stromb\u00f6rse<\/li>\r\n
- Keba <\/a>Wallbox<\/li>\r\n<\/ul>\r\n<\/li>\r\n
- Influx-API<\/strong>:\r\n
\r\n- Grafana<\/a> zur grafischen Auswertung der gesamten Betriebsdaten<\/li>\r\n<\/ul>\r\n<\/li>\r\n
- WebSocket:<\/strong>\r\n
\r\n- Das Heimautomatisierungssystem fhem steuert OpenEMS<\/li>\r\n<\/ul>\r\n<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Alle erfassten Daten werden von OpenEMS zus\u00e4tzlich ebenfalls per Modbus f\u00fcr andere Ger\u00e4te, bzw. Steuerungen, zur Verf\u00fcgung gestellt, z.B. das Heimautomatisierungssystem.
Die o.g. Schnittstellen\/Protokolle sind nur die aktuell von mir genutzten – OpenEMS unterst\u00fctzt von Haus aus noch deutlich(!) mehr Ger\u00e4te, Schnittstellen und Protokolle<\/a>
<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nFunktion\/Steuerung<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n
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 au\u00dfer Kraft gesetzt, bzw. ersetzt.
Folgende UseCases wurden bereits von mir umgesetzt:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n- Eigenverbrauchsoptimierung: Batterie Be\/Entladung wird gesteuert um den Strombezug vom Energieversorger (kurz: EVU) \u00a0so gering wie m\u00f6glich zu halten<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Zeitversetztes Laden der Batterie: Die Batterie wird so geladen, dass 100% Ladestand zum prognostizierten PV-Maximum (i.d.R. 15 Uhr) \u00a0erreicht 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 \u201egeerntet\u201c<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- \u00dcberschuss-Regelung: Steuerung der SG-ready-Schnittstelle einer W\u00e4rmepumpe \u00fcber ein Netzwerk-Relais (z.B. Siemens Logo! oder einem Shelly-Ger\u00e4t)<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- \u00dcberschuss-Regelung: Aktivierung der einzelnen Phasen eines Elektroheizstabes<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- \u00dcberschuss-Regelung: Dynamische Regelung einer Wallbox (hier: Keba P30c)<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- \u00dcberschuss-Regelung: Zeitversetzte Aktivierung diverser Gro\u00dfverbraucher wie Sp\u00fclmaschine, Waschmaschine, usw. („Schalte die Waschmaschine an, wenn genug PV Ertrag vorhanden ist“)<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Dynamische Stromtarife: Batterieladung und\/oder Ansteuerung der W\u00e4rmepumpe richtet sich nach den aktuellen Bezugspreisen. So ist Energie zwischen 2 und 3 Uhr nachts zumeist sehr g\u00fcnstig<\/li>\r\n
- Peakshaving: Bei Gro\u00dfverbrauchern (z.B. in der Industrie) werden h\u00e4ufig 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 l\u00e4sst sich der Versorger diese Spitze ebenfalls teuer bezahlen.
\u00dcber das sog. Peakshaving (Lastspitzenkappung) werden bei einem hohen Strombezug einzelne Gro\u00dfverbraucher kurzzeitig abgeschaltet. Umgesetzt habe ich bei meinem Arbeitgeber, der partec GmbH<\/a> in Meckenheim, unter Anderem:
– das Herunterfahren von gro\u00dfen L\u00fcftern (2 x 30kW)
– dynamische Herunterregeln von insg. 10 Wallboxen
– Abschalten von Trocken\u00f6fen, bzw. das Setzen einer Abschaltungsanforderung<\/li>\r\n<\/ol>\r\n\r\n\r\n\r\nBemerkungen<\/em>:
Punkt 2<\/em> erfordert die Anbindung des Heimautomatisierungssystems. \u00dcber die kostenfreie WebAPI vom Anbieter Solcast<\/a> kann eine t\u00e4gliche Prognose zum Solarertrag abgefragt werden. Diese Prognosen haben sich als recht genau erwiesen. Eine Anbindung an Solar-Prognosen in OpenEMS ist bereits angedacht.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nPunkt 7<\/em> ist zwar funktionsbereit, kann aber noch nicht umgesetzt werden, da noch kein Smart-Meter verbaut ist. F\u00fcr einen variablen Strom-Tarif, z.B. Tibber<\/a>, ist dies notwendig.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nPunkt 3 und 4 <\/em>beschreiben die Sektorenkopplung<\/strong> zwischen Strom- und W\u00e4rmeenergie. Hier ergeben sich m.E. die gr\u00f6\u00dften Einspar-Potentiale \u2013 aber auch gleichzeitig die gr\u00f6\u00dften Schwierigkeiten bei der Umsetzung.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/a>W\u00e4rmeerzeugung<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\nDie erste Phase meines Projekts nutzte eine Siemens Logo! als Netzwerkrelais um die SGready-Schnittstelle der W\u00e4rmepumpe zu bedienen. SGready ist eine einfache potentialfreie ZweiDraht-Schnittstelle, welche 4 Schaltzust\u00e4nde abbildet:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n- (Klemme 1:0) EVU-Sperre<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- (Klemme 0:0) Normalbetrieb<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- (Klemme 0:1) Einschaltempfehlung<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- (Klemme 1:1) Einschaltbefehl<\/li>\r\n<\/ol>\r\n\r\n\r\n\r\n
Die verwendete W\u00e4rmepumpe von Wolf mit integriertem 6kW E-Heizstab lie\u00df sich relativ frei konfigurieren. So konnte z.B. \u00fcber den Einschaltbefehl (4) festgelegt werden, dass sich das Brauchwasser auf 20\u00b0C \u00fcber Soll, bzw. Heizwasser auf 15 \u00b0C \u00fcber Soll, aufheizen soll. Lag die zu erreichende Temperatur oberhalb der \u201e50\u00b0C-Schmerzgrenze\u201c der W\u00e4rmepumpe, so wurde automatisch der interne E-Heizstab mit verwendet.
In der Praxis gab es allerdings Probleme:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n- Der E-Heizstab ist 3phasig angeschlossen, l\u00e4sst sich intern nur mit allen 3 Phasen auf einmal ansteuern. Daraus ergibt sich nur eine relativ grobe M\u00f6glichkeit zur \u00dcberschussstrom-Verwertung<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Das System ist relativ tr\u00e4ge und verursacht, je nach Sonneneinstrahlung, sehr kurze(!) Laufzeiten der W\u00e4rmepumpe von 15 Minuten. Die Mindestumschaltzeit der Wolf-WP konnte nur auf min. 30 Minuten gesteigert werden. Nach R\u00fccksprache mit dem Installateur: deutlich zu h\u00e4ufig!<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Letzten Endes f\u00fchrte die Ansteuerung \u00fcber die SGready-Schnittstelle der W\u00e4rmepumpe h\u00f6chstwahrscheinlich 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 \u2013 konnte aber keinen Fehler auf externer Seite feststellen<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Diese Umst\u00e4nde haben mich dazu bewogen die Heizungssteuerung komplett selbst zu \u00fcbernehmen. Ein 4,5, kW Elektro-Heizstab wurde als eigenst\u00e4ndiger W\u00e4rmeerzeuger zus\u00e4tzlich eingebaut. Auch hier w\u00e4re ich ohne die Hilfe meines Installateurs Stefan Teubner (HT Haustechnik in K\u00f6ln\/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 f\u00fcr den Heizungsspeicher, Vor\/R\u00fccklauf, Mischer f\u00fcr Fu\u00dfbodenheizung, usw.
Die Logos steuern in Abh\u00e4ngigkeit von:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n- Au\u00dfentemperatur<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Heizungs-Temperaturen (Vor-\/R\u00fcckl\u00e4ufe), Pufferspeicher (oben\/unten)<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- PV-\u00dcberschuss<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Ladestand des Batteriespeichers<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- PV-Prognose<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Folgende Komponenten:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n- Mischer Fu\u00dfbodenheizung<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Modulation von Gastherme und W\u00e4rmepumpe \u00fcber eine 0-10V Schnittstelle. Die Steuerung erfolgt voll dynamisch \u2013 je nach PV-\u00dcberschuss<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Die 3 Phasen des E-Heizstabs einzeln<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Ingesamt 7 Heizungspumpen<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- 2 Umschaltventile<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
Um folgendes zu erreichen:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n- Maximierung des PV-Eigenverbrauchs<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Maximierung der Laufzeiten von W\u00e4rmepumpe. Dies beinhaltet die dynamische Reduzierung der Modulation in Abh\u00e4ngigkeit von der Au\u00dfentemperatur<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- \u201e\u00dcberladung\u201c des WW\/Heizspeichers bei hohem PV-Ertrag. Somit wird die Pause bis zum n\u00e4chsten W\u00e4rmebedarf verl\u00e4ngert. Im Sommer k\u00f6nnen so mehrere Tage \u00fcberbr\u00fcckt werden, ohne das Brauchwasser erhitzt werden muss<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Nutzung des Hauses als zus\u00e4tzlichen W\u00e4rmespeicher: Die Fu\u00dfbodenheizung kann auch ohne Anforderung aktiviert werden um Energie im Estrich zu \u201espeichern\u201c<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Nutzung des g\u00fcnstigsten W\u00e4rmeenergieerzeugers:<\/li>\r\n<\/ul>\r\n\r\n\r\n\r\n
\r\n- Gas (wenn Au\u00dfentemperatur zu gering)<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- W\u00e4rmepumpe mit PV-Ertrag<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- W\u00e4rmepumpe ohne PV-Ertrag: ab 15\u00b0C Au\u00dfenT erreicht die WP mindestens einen COP von 3 und ist damit g\u00fcnstiger als Gas<\/li>\r\n\r\n\r\n\r\n
- Elektroheizstab, wenn die Kesseltemperatur der W\u00e4rmepumpe > 50\u00b0C<\/li>\r\n<\/ol>\r\n\r\n\r\n\r\n
Die folgende Grafik zeigt einen Blick auf das Logo!-eigene Webfrontend. Die Darstellung der Hydraulik ist nur schematisch und dient nur der Darstellung.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n![\"Einstellungen](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/LogoBeispiel2_EHz-2.jpg\")
\r\nEinstellungen zur Heizung k\u00f6nnen u.A. \u00fcber das Logo!-eigene Webfrontend gemacht werden<\/figcaption>\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n <\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n
Analyse:<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\nW\u00e4rmeenergie:<\/h3>\r\n![\"W\u00e4rmeenergie](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/Waermeerzeugung-1024x255.png\")
<\/a>Abb5: W\u00e4rmeenergie der letzten 2 Jahre<\/p><\/div>\r\n
Erkl\u00e4rung:<\/h4>\r\n
– Rot:\u00a0 Gas (kWh W\u00e4rmeengerie)
– Blau: E-Heizstab (kWh W\u00e4rmeengerie)
– Gr\u00fcn: W\u00e4rmepumpe (kWh W\u00e4rmeengerie)
– \u00dcber den jeweiligen Balken ist die Summen-Energie dargestellt
– Die W\u00e4rmeenergie wurde f\u00fcr Heiz- und Brauchwasser aufgewandt
– Einbau der W\u00e4rmepumpe im Juni 2022
– Einbau E-Heizung als externer W\u00e4rmeerzeugung Februar 2023
– Ersetzen der Heizungssteuerung durch Siemens Logo! Februar 2023
– Einbau PV-Pufferbatterie November 2022<\/p>\r\n
Zun\u00e4chst einmal muss gesagt werden, dass Mitte 2022 das Dach neu ged\u00e4mmt wurde. Allein dies erkl\u00e4rt die Energie-Ersparnis zwischen 2022\/23.
Weiter ist zu erkennen, dass in den Sommermonaten 2022\/23 praktisch kaum Gas bezogen werden musste. Auch die W\u00e4rmepumpe lief relativ wenig.
Wie beschrieben sorgte allein der E-Heizstab in den Sommermonaten f\u00fcr das Aufheizen des Pufferspeichers. In 2022 wurde der interne Heizstab der W\u00e4rmepumpe genutzt – ab Februar 2023 kamen die neue Heizungssteuerung, sowie ein 4,5kW E-Heizstab als externer W\u00e4rmeerzeuger zum Einsatz.
Ab diesem Punkt zeigt sich das Potential des Energie-Managements. Ein gutes Beispiel ist der Mai 2023. Dieser war relativ k\u00fchl, brachte aber viel PV-Ertrag. Somit kam das System W\u00e4rmepumpe\/E-Heizung sehr oft in die \u00dcberschuss-Regelung und erhitzte den Pufferspeicher bis auf 70\u00b0C. Der gesamte Engerie-Aufwand hat sich gegen\u00fcber Mai 2022 deutlich erh\u00f6ht. Ein Grund ist sicherlich der vergleichsweise warme Mai 2022, der Andere aber die Ausnutzung des \u00dcberschusses: der Pufferspeicher wurde thermisch st\u00e4rker aufgeladen als eigentlich n\u00f6tig – nur durch Energie die sonst als Einspeisung in\u00b4s Netz „verschenkt“ worden w\u00e4re.<\/p>\r\n
![\"Elektrische](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/VerbrauchWP_EHz-1024x265.png\")
<\/a>Abb6: Elektrische Energie f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeuger<\/p><\/div>\r\n
Abbildung 6 zeigt den Verbrauch von elektrischer f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeuger E-Heizung („Allgemein“) und W\u00e4rmepumpe. Zu beachten: Hier ist keine Summe auf den einzelnen Balken abgebildet. Die Zahlen stellen die absolten Verbr\u00e4uche der beiden Komponenten dar. Die anderen Unterz\u00e4hler (Klinkenberg, Garage, usw.) sind ausgeblendet da sie f\u00fcr die folgende Betrachtung nicht relavant sind.
Interessant ist hier die deutliche Steigerung des Energie-Einsatzes f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeugung, sowie der Anteil der E-Heizung daran. Ab Juni kam die W\u00e4rmepumpe kaum noch zum Einsatz (im Juni 12,5kWh). Die Temperatur im Pufferspeicher lag in den Sommermonaten kaum unter 50\u00b0C was den Einsatz der W\u00e4rmepumpe unwirtschaftlich macht.
Hier sei auch wieder der Mai 2023 erw\u00e4hnt: Aus 274kWh machte die W\u00e4rmepumpe 980kWh Heizleistung, also einen Durchschnitts-COP-Wert<\/a> von 3,6.<\/p>\r\nElektrische Energie:<\/h3>\r\n
Eine Analyse der elektrischen Energie darf nat\u00fcrlich nicht fehlen. Zu n\u00e4chst ein buntes Bild:<\/p>\r\n
OpenEMS ist eine OpenSource-Plattform auf der mittlerweile zahlreiche Apps in kommerziellen Speicher- und Management-L\u00f6sungen basieren, z.B. FEMS der Firma Fenecon<\/a>. Wie aus der Grafik zu entnehmen ist, besteht das komplette Projekt aus mehreren Komponenten auf die noch ausf\u00fchrlicher eingegangen wird. Die Heizungsanlage ist hier „nur“ von der elektrischen Seite (Stromz\u00e4hler) abgebildet.<\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Historien-Funktion von OpenEMS. Sch\u00f6n zu erkennen ist der ZickZack-Verlauf im Verbrauch. Das entspricht den Ein\/Ausschaltungen der 3 Phasen des E-Heizstabs<\/em>. Der Peak gegen 7 Uhr ist der Kaffeemaschine geschuldet<\/em>…<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n 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 Kapazit\u00e4t und ein Grid-Meter angeschlossen. Die Einbindung anderer Ger\u00e4te in\u00b4s OpenEMS geschieht haupts\u00e4chlich per Modbus. Viele aktuelle Stromz\u00e4hler, sowie Wechselrichter haben Modbus RTU (RS485-Schnittstelle) bereits an Bord. F\u00fcr die Umsetzung auf Modbus TCP (\u201eNetzwerk\u201c) werden Gateways eingesetzt. Gute Erfahrungen habe ich mit den g\u00fcnstigen Ger\u00e4ten von Waveshare<\/a> gemacht. Folgende Komponenten sind bei meiner Installation per Modbus<\/strong> eingebunden:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Andere externe Ger\u00e4te \/ Schnittstellen:<\/p>\r\n Alle erfassten Daten werden von OpenEMS zus\u00e4tzlich ebenfalls per Modbus f\u00fcr andere Ger\u00e4te, bzw. Steuerungen, zur Verf\u00fcgung gestellt, z.B. das Heimautomatisierungssystem. 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 au\u00dfer Kraft gesetzt, bzw. ersetzt. Bemerkungen<\/em>: Punkt 7<\/em> ist zwar funktionsbereit, kann aber noch nicht umgesetzt werden, da noch kein Smart-Meter verbaut ist. F\u00fcr einen variablen Strom-Tarif, z.B. Tibber<\/a>, ist dies notwendig.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Punkt 3 und 4 <\/em>beschreiben die Sektorenkopplung<\/strong> zwischen Strom- und W\u00e4rmeenergie. Hier ergeben sich m.E. die gr\u00f6\u00dften Einspar-Potentiale \u2013 aber auch gleichzeitig die gr\u00f6\u00dften Schwierigkeiten bei der Umsetzung.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Die erste Phase meines Projekts nutzte eine Siemens Logo! als Netzwerkrelais um die SGready-Schnittstelle der W\u00e4rmepumpe zu bedienen. SGready ist eine einfache potentialfreie ZweiDraht-Schnittstelle, welche 4 Schaltzust\u00e4nde abbildet:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Die verwendete W\u00e4rmepumpe von Wolf mit integriertem 6kW E-Heizstab lie\u00df sich relativ frei konfigurieren. So konnte z.B. \u00fcber den Einschaltbefehl (4) festgelegt werden, dass sich das Brauchwasser auf 20\u00b0C \u00fcber Soll, bzw. Heizwasser auf 15 \u00b0C \u00fcber Soll, aufheizen soll. Lag die zu erreichende Temperatur oberhalb der \u201e50\u00b0C-Schmerzgrenze\u201c der W\u00e4rmepumpe, so wurde automatisch der interne E-Heizstab mit verwendet. Diese Umst\u00e4nde haben mich dazu bewogen die Heizungssteuerung komplett selbst zu \u00fcbernehmen. Ein 4,5, kW Elektro-Heizstab wurde als eigenst\u00e4ndiger W\u00e4rmeerzeuger zus\u00e4tzlich eingebaut. Auch hier w\u00e4re ich ohne die Hilfe meines Installateurs Stefan Teubner (HT Haustechnik in K\u00f6ln\/Wesseling) wahrscheinlich nicht zum Ziel gekommen. Ich denke, wir haben beide dabei viel gelernt! Folgende Komponenten:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Um folgendes zu erreichen:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Die folgende Grafik zeigt einen Blick auf das Logo!-eigene Webfrontend. Die Darstellung der Hydraulik ist nur schematisch und dient nur der Darstellung.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n <\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n Abb5: W\u00e4rmeenergie der letzten 2 Jahre<\/p><\/div>\r\n – Rot:\u00a0 Gas (kWh W\u00e4rmeengerie) Zun\u00e4chst einmal muss gesagt werden, dass Mitte 2022 das Dach neu ged\u00e4mmt wurde. Allein dies erkl\u00e4rt die Energie-Ersparnis zwischen 2022\/23. Abb6: Elektrische Energie f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeuger<\/p><\/div>\r\n Abbildung 6 zeigt den Verbrauch von elektrischer f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeuger E-Heizung („Allgemein“) und W\u00e4rmepumpe. Zu beachten: Hier ist keine Summe auf den einzelnen Balken abgebildet. Die Zahlen stellen die absolten Verbr\u00e4uche der beiden Komponenten dar. Die anderen Unterz\u00e4hler (Klinkenberg, Garage, usw.) sind ausgeblendet da sie f\u00fcr die folgende Betrachtung nicht relavant sind. Eine Analyse der elektrischen Energie darf nat\u00fcrlich nicht fehlen. Zu n\u00e4chst ein buntes Bild:<\/p>\r\n
Das System<\/a> ist vollst\u00e4ndig modular aufgebaut und wird, dank der gro\u00dfen Community<\/a>, st\u00e4ndig weiterentwickelt. OpenEMS setzt dabei auf offene und verbreitete Standards, z.B. Modbus, CAN-Bus, REST, usw.
Das System hat relativ geringe Hardware-Anforderungen. Beispielsweise w\u00fcrde ein Raspberry Pi, sinnvollerweise als Industrie-Variante<\/a>, ausreichen. Mein eigenes System sitzt auf einem Mini-PC (l\u00fcfterlos, stromsparend), da noch andere Applikationen installiert sind deutlich Ressourcen-hungriger sind. OpenEMS vollst\u00e4ndig ist Java-basiert, es wird nur eine Java-Runtime (aktuell 17) und ein Webserver (Apache, NginX) ben\u00f6tigt. Das Frontend kann \u00fcber 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.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/figure>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/a>PV-Anlage \/ Elektroinstallation<\/h1>\r\n
Der Wechselrichter hat eine zus\u00e4tzliche Modbus-RTU Schnittstelle \u00fcber die gesamte Kommunikation (Lesen\/Schreiben) l\u00e4uft. Etwas problematisch ist, dass die Schnittstelle (Modbus-Slave) nur einen Modbus-Master gleichzeitig zul\u00e4sst. Hei\u00dft: nur ein externes Ger\u00e4t darf gleichzeitig mit dem Wechselrichter kommunizieren.
Das war bei der Entwicklung und den damit einhergehenden praktischen Tests bisweilen etwas hinderlich. Grunds\u00e4tzlich kann man aber sagen, dass die Kommunikation zwischen EMS und Wechselrichter sehr stabil l\u00e4uft. Als problematisch hat sich die Entwicklung der Software-Schnittstelle herausgestellt. Die Dokumentation seitens SolarEdge ist relativ d\u00fcrftig und an manchen Stellen schlicht und ergreifend falsch!
Daher musste sehr viel Zeit in Recherche und Reverse-Engineering investiert werden. Ohne die Unterst\u00fctzung durch die OpenEMS-Community h\u00e4tte ich das wohl auch nicht geschafft. Aber eben aus jender Community wei\u00df ich mittlerweile, dass die Anpassungen bei anderen Herstellern, speziell bei hybriden Systemen, sehr schwierig sein k\u00f6nnen.
Die Installation von PV und den notwendigen Erweiterungen der elektrischen Schaltanlage habe ich von Cousin Elektrotechnik<\/a> aus Euskirchen durchf\u00fchren lassen. Die Jungs waren wirklich top – haben zus\u00e4tzliche (von mir gewollte \u00c4nderungen) schnell und ohne Aufpreis umgesetzt. Au\u00dferdem habe ich speziell bei dieser Baustelle sehr viel gelernt. Nicht jeder Handwerker l\u00e4sst sich gerne auf die Finger gucken und muss dann auch noch dem Kunden dumme Fragen beantworten. Nein, ich werde nicht f\u00fcr Werbung bezahlt ;o)
Nach 1,5 Jahren Betrieb kann ich sagen, dass die Ost\/West-Ausrichtung sehr gut funktioniert und \u00fcber den Tag verteilt gut liefert. Aus diesem Grund habe ich auch den 10kVA-Wechselrichter gew\u00e4hlt. \u00dcber die Mittagszeit – wenn Ost- und Westteil des Dachs beschienen werden – l\u00e4ge der Ertrag etwas h\u00f6her (gesch\u00e4tzt 3-5kW). Aber davor haben mich die Installateure vorher gewarnt und eine andere Konstellation vorgeschlagen.
Aber: im Winter k\u00f6nnte es durchaus die eine oder andere Kilowattstunde mehr sein. Wenn die W\u00e4rmepumpe betrieben wird, bleibt nicht mehr viel von der Ladung des Batteriespeichers \u00fcbrig.
Eine Erweiterung der PV-Anlage auf das Garagendach mit reiner S\u00fcd-Ausrichtung und steiler Aufst\u00e4nderung (optimal w\u00e4ren 50\u00b0) ist schon in Planung…<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nKommunikation<\/h2>\r\n<\/div><\/div>\r\n\r\n\r\n\r\n
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Die o.g. Schnittstellen\/Protokolle sind nur die aktuell von mir genutzten – OpenEMS unterst\u00fctzt von Haus aus noch deutlich(!) mehr Ger\u00e4te, Schnittstellen und Protokolle<\/a>
<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\nFunktion\/Steuerung<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n
Folgende UseCases wurden bereits von mir umgesetzt:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n
\u00dcber das sog. Peakshaving (Lastspitzenkappung) werden bei einem hohen Strombezug einzelne Gro\u00dfverbraucher kurzzeitig abgeschaltet. Umgesetzt habe ich bei meinem Arbeitgeber, der partec GmbH<\/a> in Meckenheim, unter Anderem:
– das Herunterfahren von gro\u00dfen L\u00fcftern (2 x 30kW)
– dynamische Herunterregeln von insg. 10 Wallboxen
– Abschalten von Trocken\u00f6fen, bzw. das Setzen einer Abschaltungsanforderung<\/li>\r\n<\/ol>\r\n\r\n\r\n\r\n
Punkt 2<\/em> erfordert die Anbindung des Heimautomatisierungssystems. \u00dcber die kostenfreie WebAPI vom Anbieter Solcast<\/a> kann eine t\u00e4gliche Prognose zum Solarertrag abgefragt werden. Diese Prognosen haben sich als recht genau erwiesen. Eine Anbindung an Solar-Prognosen in OpenEMS ist bereits angedacht.<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n<\/a>W\u00e4rmeerzeugung<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n
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In der Praxis gab es allerdings Probleme:<\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n
Realisiert wurde das Projekt mit insgesamt 3 Siemens Logo! SPS. Diese haben eigene Temperatur-Sensoren f\u00fcr den Heizungsspeicher, Vor\/R\u00fccklauf, Mischer f\u00fcr Fu\u00dfbodenheizung, usw.
Die Logos steuern in Abh\u00e4ngigkeit von:<\/strong><\/em><\/p>\r\n\r\n\r\n\r\n\r\n
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\r\nAnalyse:<\/h2>\r\n\r\n\r\n\r\n
W\u00e4rmeenergie:<\/h3>\r\n
<\/a>Erkl\u00e4rung:<\/h4>\r\n
– Blau: E-Heizstab (kWh W\u00e4rmeengerie)
– Gr\u00fcn: W\u00e4rmepumpe (kWh W\u00e4rmeengerie)
– \u00dcber den jeweiligen Balken ist die Summen-Energie dargestellt
– Die W\u00e4rmeenergie wurde f\u00fcr Heiz- und Brauchwasser aufgewandt
– Einbau der W\u00e4rmepumpe im Juni 2022
– Einbau E-Heizung als externer W\u00e4rmeerzeugung Februar 2023
– Ersetzen der Heizungssteuerung durch Siemens Logo! Februar 2023
– Einbau PV-Pufferbatterie November 2022<\/p>\r\n
Weiter ist zu erkennen, dass in den Sommermonaten 2022\/23 praktisch kaum Gas bezogen werden musste. Auch die W\u00e4rmepumpe lief relativ wenig.
Wie beschrieben sorgte allein der E-Heizstab in den Sommermonaten f\u00fcr das Aufheizen des Pufferspeichers. In 2022 wurde der interne Heizstab der W\u00e4rmepumpe genutzt – ab Februar 2023 kamen die neue Heizungssteuerung, sowie ein 4,5kW E-Heizstab als externer W\u00e4rmeerzeuger zum Einsatz.
Ab diesem Punkt zeigt sich das Potential des Energie-Managements. Ein gutes Beispiel ist der Mai 2023. Dieser war relativ k\u00fchl, brachte aber viel PV-Ertrag. Somit kam das System W\u00e4rmepumpe\/E-Heizung sehr oft in die \u00dcberschuss-Regelung und erhitzte den Pufferspeicher bis auf 70\u00b0C. Der gesamte Engerie-Aufwand hat sich gegen\u00fcber Mai 2022 deutlich erh\u00f6ht. Ein Grund ist sicherlich der vergleichsweise warme Mai 2022, der Andere aber die Ausnutzung des \u00dcberschusses: der Pufferspeicher wurde thermisch st\u00e4rker aufgeladen als eigentlich n\u00f6tig – nur durch Energie die sonst als Einspeisung in\u00b4s Netz „verschenkt“ worden w\u00e4re.<\/p>\r\n<\/a>
Interessant ist hier die deutliche Steigerung des Energie-Einsatzes f\u00fcr die W\u00e4rmeerzeugung, sowie der Anteil der E-Heizung daran. Ab Juni kam die W\u00e4rmepumpe kaum noch zum Einsatz (im Juni 12,5kWh). Die Temperatur im Pufferspeicher lag in den Sommermonaten kaum unter 50\u00b0C was den Einsatz der W\u00e4rmepumpe unwirtschaftlich macht.
Hier sei auch wieder der Mai 2023 erw\u00e4hnt: Aus 274kWh machte die W\u00e4rmepumpe 980kWh Heizleistung, also einen Durchschnitts-COP-Wert<\/a> von 3,6.<\/p>\r\nElektrische Energie:<\/h3>\r\n
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<\/a>![\"Eigenverbrauchsanalyse\"](\"https:\/\/www.klinki.com\/wp-content\/uploads\/2023\/10\/Eigenverbrauch-1024x233.png\")
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