Beim Energiesparen wird die Raumtemperatur abgesenkt oder auch die Beleuchtung reduziert. Diese Maßnahmen sind rasch umzusetzen und zeigen schnell Wirkung, gehen jedoch mit Komfortverlust einher. Ein anderer Ansatz ist die Optimierung vorhandener Anlagen, um über die Erhöhung des Effizienzgrades Strom zu sparen. Dieses Zusammenspiel von PV-Anlage und Wärmepumpe kann jedoch passend aufeinander ausgerichtet werden.
Erklärtes Ziel der Bundesregierung ist es, Deutschland unabhängiger von fossilen Energien werden zu lassen. Unter anderem mithilfe einer sukzessive eingeführten Solarpflicht für Neubauten und Sanierungen ab 2023 und einem angestrebten Zubau von 4 bis 6 Millionen Wärmepumpen bis 2030. Vor diesem Hintergrund ist es wahrscheinlich, dass die Kombination in den kommenden Jahren zum vorrangigen Heizkonzept avancieren wird.
Umso wichtiger wird es sein, darauf zu achten, dass sowohl jede Anlage für sich optimal eingestellt ist als auch, dass sie aufeinander abgestimmt laufen. Denn falsch eingestellte PV-Anlagen liefern nicht die angestrebte Leistung und falsch eingestellte Wärmepumpen führen zu einem erhöhten Energieverbrauch. Darüber hinaus belasten nicht aufeinander abgestimmte Anlagen enorm die Niederspannung in Spitzenzeiten mit zu hohem Verbrauch oder zu hoher Einspeisung.
Intelligentes Lastmanagement
Das erklärte Ziel des intelligenten Lastmanagements ist es in diesem Zusammenhang, eine Kombination aus Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe zu analysieren und regelbasiert zu schalten, um den Eigenverbrauch zu optimieren. In diesem Anwendungsfall wird überschüssiger Strom nicht ins Netz gespeist (Überschusseinspeisung), sondern als Wärme in der Gebäudehülle gespeichert. Mit diesem Verfahren wird insbesondere in den Übergangszeiten wie Frühling und Herbst eine bessere Ausnutzung des produzierten Stroms erreicht.
Komponenten und Aufgaben
Um diesen Regelkreislauf technisch umsetzen zu können, werden verschiedene Komponenten eingesetzt. Diese werden im Folgenden kurz aufgeführt:
Anlagen und Zähler: Diese sind in der Regel bereits vorhanden und befinden sich innerhalb der Liegenschaft. Sie sollten entweder im lokalen Netzwerk erreichbar sein oder via Kabel beziehungsweise wM-Bus verbunden werden.
Gateway zur Erfassung von Zähler-, Sensor- und Zustandsdaten: Das Gateway bildet das Herzstück der gesamten Lösung. Sein modulares Treiberkonzept ermöglicht es ihm, Anlagen und Zähler unterschiedlicher Hersteller zu erfassen. Von diesen soll es die Leistungs- und Zustandsdaten auslesen, auf deren Grundlage fehlende Werte in berechneten Registern bilden und alle Daten an einen Cloud-Speicher übermitteln.
Beispiel für ein berechnetes Register ist: Der Smart Meter der PV-Anlage liefert über die Zuordnung durch ein positives beziehungsweise negatives Vorzeichen auf einem Register Einspeisung und Entnahme. Das Gateway schreibt je ein Register für Einspeisung und eines für Entnahme. Darüber hinaus soll das Gateway – aufbauend auf einer kontinuierlichen Überwachung von Umgebungsvariablen – in der Lage sein, Schwellwerte für Anlagen zu ändern beziehungsweise bedarfsoptimiert zu steuern.
Beispiel für eine Ereignissteuerung ist: Das Gateway überwacht den Durchschnittswert eines Registers und vergleicht diesen mit hinterlegten Schwellwerten. Werden diese über- oder unterschritten werden bestimmte Parameter in den Anlagen gesetzt.
Cloud-Speicher: Als Speicherort für Energiedaten, Fachapplikationen und Dashboards wird eine Cloud-Lösung genutzt, um bei Datenablage und –zugriff weitgehend flexibel agieren zu können. Für das Gateway bildet die Cloud das Backend-System zur Datenübernahme und –speicherung, wohin die Daten über unterschiedliche Übertragungswege abgelegt werden sollen. Der Anwender kann über ein Browser-basiertes Dashboard jederzeit auf den Status seiner Anlagen zugreifen.
Dashboard: Auf dem Dashboard werden alle Daten an einem zentralen Ort miteinander in Beziehung gebracht und grafisch aufbereitet. Es ermöglicht dem Kunden Analyse und Monitoring der eingesetzten Anlagen und Sensoren.
Beispielhafte Umsetzung
Das zuvor beschriebene Systemkonzept wurde in einem Feldtest erprobt. Die handelsüblichen Anlagen-Komponenten des Systems sind eine PV-Anlage mit Speicher DC/DC gekoppelt (Wechselrichter: 2x Huawei SUN2000 10KTL M1, Batteriespeicher: Luna 2000 15 kWh, PV-Anlage: 20 kW P_p), eine Heizungsanlage (Stiebel Eltron Pufferspeicher Warmwasser + Heizung) und eine Luft-/ Wasser-Wärmepumpe (Stiebel Eltron WPL 24A). Hinzu kommen der Vivavis enQube als Gateway, die Vivavis Cloud als Speicher und das Vivavis Dashbord als grafisches Backend. Wichtig zu beachten: Für die Integration neuer Anlagen ist die Unterstützung des Modbus-TCP Protokolls von Vorteil. Die Zähler werden meist in allen marktüblichen Protokollen unterstützt.
Über die Applikation pro.monitor des enQube ist es möglich, Umgebungsvariablen der PV-Anlage zu überwachen und auf deren Basis Ereignisse zu definieren. Tritt ein Ereignis ein, werden dem Treiber für die Wärmepumpe Heizvorgaben für die Heizkreisläufe und die Warmwasserbereitung übergeben. Die folgenden Parameter können beispielhaft zur Definition von Ereignissen beziehungsweise zum Setzen von Heizvorgaben herangezogen werden: Leistung Einspeisung (Positive Werte), aktueller Ladestand, Werte für Komforttemperatur und ECO Temperatur der Heizung, Komforttemperatur Wasser, Uhrzeit.
Ablauf der Optimierung
Der Optimierungsprozess „Strom zu Wärme“ kann auch als intelligentes Heizen bezeichnet werden. Er sorgt dafür, dass bei Überschusseinspeisung in einer festzulegenden Höhe und Batterieladung in einer festzulegenden Grenze die Heizvorgaben der Wärmepumpe angehoben werden beziehungsweise bei einer Unterschreitung der Werte die Heizvorgaben der Wärmepumpe wieder auf den Standard zurückgestellt werden.
Hier ein Beispiel mit der Festlegung des Grenzwerts auf einen Überschuss von 6 kW und Batterieladung 95 Prozent:
Übersteigt die durchschnittliche Einspeiseleistung über zehn Minuten 6 kW und ist die Batterieladung größer 95 Prozent, dann schalte die Wärmepumpe auf maximale Leistung.
Unterschreitet die durchschnittliche Einspeiseleistung über zehn Minuten 3 kW und ist die Batterieladung kleiner 95 Prozent, dann schalte die Wärmepumpe auf die eingestellte Standardleistung zurück.
So wird im besten Fall abends beziehungsweise bei schwacher PV-Leistung weniger Strom aus dem Netz bezogen werden, da das Gebäude noch über die tagsüber beziehungsweise bei hoher PV-Leistung erzeugte Wärme beheizt werden kann. Voraussetzung für die Eigenverbrauchsoptimierung ist beim Anlagenbetreiber das Messkonzept „Überschusseinspeisung“ beziehungsweise „PV-Eigenverbrauch“. Bei einer Volleinspeisung ist diese Funktion nicht nutzbar. Um das Programm zum intelligenten Heizen auch im netzdienlichen Kontext zu nutzen, wird die Steuerung zusätzlich an die Systemzeit, etwa die Mittagszeit, gekoppelt.
Das Dashboard
Das Dashboard stellt einen Überblick über die aktuellen Anlagendaten und Leistungskennzahlen zusammen, auf die der Anwender jederzeit über einen Browser zugreifen und so den Status im Detail überprüfen kann. Neben den Standardeinstellungen ermöglicht das Dashboard auch individuelle Zeitbereiche zu definieren. Auf diese Weise können anwenderspezifische Verdichtungen über Wochen oder Monate beziehungsweise datumsscharf eingestellt werden.
Fazit
Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die ausgewählten Grenzwerte für die Photovoltaik und die Wärmepumpe immer auf die jeweilige Anlage und Liegenschaft möglichst genau angepasst werden. Dann stellt die Eigenverbrauchsoptimierung sowohl für private Haushalte als auch für Stadtwerke, hier speziell zur Verbesserung in kommunalen Gebäuden, eine gute Ergänzung zu anderen Energiesparmaßnahmen dar. Mit dem Ausblick auf die verstärkte Nutzung der Elektromobilität lassen sich dedizierte Vorgaben für Ladezyklen und Kapazitäten fließend in das Gesamtkonzept integrieren.
