SMA Home Manager - Lösungen zum Energiemanagement in Gebäuden

Der Eigenverbrauch selbst erzeugter Energie ist angesichts fallender Kosten für Solarstromanlagen günstiger geworden als der Bezug bei seit Jahren ständig steigenden Preise und wird somit für den privaten Haushalt, wie die obige Folie 5 als eine der Darstellungen des Paradigmenwechsels "Versorgen statt Erzeugen" (Folien 3 und 4) zeigt, immer interessanter. Im Vortrag wurden der von SMA entwickelte Home Manager als Teil einer privaten Photovoltaikanlage mit Entwicklungs- und Feldtesterfahrungen, die Architektur des Gesamtsystems, bisher erkannte Betriebsführungsstrategien, die Flexibilität der für das Netz erforderlichen Systemdienstleistungen und die Geschäftsmodelle vorgestellt. Nachfolgend hier einige wenige Beispiele aus den insgesamt 52 Folien und aus Sicht des Unterzeichners kommentiert.

Für ein Energiemanagement und -monitoring besteht angesichts des dargestellten Paradigmenwechsels in Deutschland wie die obige Folie 7 zeigt ein großes Marktpotenzial: Unter den insgesamt gut 18 Mio. Wohngebäuden sind rund 12 Mio. eigengenutzte Ein- und Zweifamilienhäuser, Doppelhaushälften und Reihenhäuser. Aber bei nur 1,4 Mio. existierenden PV-Anlagen haben derzeit lediglich ca. 12 % davon eine PV-Anlage und nur ein sehr geringer Teil davon versorgt sich selbst, weil er üblicherweise in das Netz des Versorgers einspeist. Motivation für ein Energiemanagementsystem (EMS) im privaten Haushalt mit PV-Anlage auf dem Dach, in Abhängigkeit von diesem System gesteuerten, aber auch nicht gesteuerten Verbrauchern (Folie 8) kann für den Anlagenbetreiber als Endkunde die Senkung der eigenen Stromkosten, des Netzbetreibers u. a. die Vermeidung von Netzüberlastungen sein. Ein EMS muss daher teilweise konkurrierende Anforderungen erfüllen.

Wie sieht nun in einem Smart Home mit PV-Anlage und Wechselrichter mit integriertem Speicher die Kommunikation der einzelnen Komponenten eines EMS aus? Diese stellte der Vortragende am Beispiel des vor wenigen Wochen für den Vertrieb freigegebenen SMA Sunny Boy Smart Energy vor. Über einen Router (siehe obige Folie 10) kommunizieren der Wechselrichter, eine Bezugs- und Einspeisemessung SMA Energy Meter in der häuslichen Verteilung und der SMA Home Manager untereinander und über das Internet mit dem bei der SMA Solar Technology AG bestehenden SMA Sunny Portal. Weiterhin können vom Home Manager Funksteckdosen geschaltet werden und es besteht die Möglichkeit einer speziellen Kommunikation zu bestimmten Haushaltsgeräten.

Der SMA Home Manager erhält für ein räumlich eng begrenztes Gebiet über das Internet Erzeugungsprognosen der eigenen PV-Anlage (siehe Folie 11 unten). Er erstellt, in gewisser Weise durchaus vergleichbar dem erlernten Verhalten des Motor- oder Getriebesteuergeräts im Pkw eines eher sportlichen oder eher gelassenen Autofahrers, auf der Basis eines erlernten Lastprofils des Haushalts eine Planung. Diese kann zu einer automatischen Steuerung von verbrauchsrelevanten Geräten wie Waschmaschine, Wäschetrockner oder Geschirrspüler verwendet werden, da speziell diese Geräte im Gegensatz zu Elektroherden (Kochen des Mittag- oder Abendessens) nicht unbedingt zu definierten Zeiten betrieben werden müssen.

Da kaum ein bestehender Haushalt über eine steuerbare Zu-/Abschaltung einzelner Steckdosen in der häuslichen Verteilung für diese Verbraucher verfügt und faktisch alle Haushaltsgeräte im derzeitigen Bestand nicht fernsteuerbar sind, erfolgt deren Betrieb über SMA Funksteckdosen (Folie 12): Der Besitzer schaltet z. B. die Waschmaschine im manuellen Modus der Funksteckdose nach dem Befüllen, der Waschmittelzugabe und dem Öffnen des Wasserhahns ein, lässt sie kurz anlaufen und schaltet sie dann in den Automatikbetrieb. Quasi simuliert er hierdurch an nur dieser einen Steckdose einen Spannungsausfall, der bei ausreichender selbst erzeugter PV-Leistung vom SMA Sunny Portal über den SMA Home Manager aufgehoben wird. Und die letzte wesentliche Funktion des SMA Home Managers besteht in der Live-Anzeige aller Energieflüsse, welche zunächst dem SMA Sunny Portal über Internet mitgeteilt und nach deren Aufbereitung dem Betreiber wieder über Internet auf dem eigenen Computer visualisiert wird. Die in der Folie dargestellte Steuerung von Verbrauchern über das Miele@Home-Gateway ist in die Zukunft der Haushaltsgeräte gerichtet.

Ein weiteres Glied in dieser Kette der auf Eigenverbrauch der erzeugten PV-Energie ausgerichteten Komponenten ist der SMA Energy Meter (Folie 13), welcher in der häuslichen Verteilung eingebaut wird und den Energiebezug aus dem bzw. die Energieeinspeisung in das Netz des Versorgers misst und ebenfalls über den eigenen Router und das Internet dem SMA Sunny Portal mitteilt. Und die letzte Komponente in dieser Smart-Home-Anlage ist der Wechselrichter selbst mit seinem Integrierten Li-Ion-Akku (Folie 14 oben), aber auch andere SMA-Wechselrichter mit und ohne Speicherung.

Im nächsten Kapitel seines Vortrags kam Herr Rudolph auf das Energiemanagement und Monitoring des Systems in der Praxis zu sprechen. Da bereits 10.000 SMA Sunny Home Manager und etwa 500 SMA Sunny Boy Smart Energy mit integriertem Akku im Feld installiert sind, liegt seines Erachtens eine ausreichende Datenbasis vor, die vorrangig neben weiteren Punkten die Kundenanforderungen nach Erhöhung des Autarkiegrades und Eigenverbrauchsanteils sowie die automatische zeitliche Lastverschiebung ohne Komforteinbußen zu erfüllen hat. In zweiter Linie soll eine Lastverschiebung mit einer Änderung des Kundenverhaltens folgen und zukünftig auch eine Teilnahme der Kundenanlage an noch zu schaffenden Smart-Grid-Geschäftsmodellen wie einer - wie auch immer dimensionierten - Spitzenlasteinspeisung.

Leider können hier mit den statischen Folien aus dem PDF-Dokument nicht die Abläufe wieder gegeben werden, die die Zuhörer während der Erläuterungen von Herrn Rudolph sahen:

Der SMA Home Manager kann, neben weiteren Eigenschaften, im Zusammenwirken mit dem SMA Sunny Portal aufgrund des erlernten Nutzerverhaltens mit Messwerten der Vergangenheit sowie der prognostizierten Sonneneinstrahlung und somit möglichen PV-Erzeugung eine Prognose für die Zukunft erstellen und somit die Freigabe von steuerbaren Verbrauchern planen (Folien 18 oben und 19 unten). Er erhält hierzu für räumlich eng begrenzte Gebiete über Internet Wetterprognosen und erstellt daraus eine Erzeugungsprognose für die PV-Anlage. Das Lastprofil des Haushalts ermittelt er aus den fortlaufend vom SMA Energy Meter gelieferten Daten für Netzeinspeisung und Netzbezug. Verbraucher kann er gezielt ein- und ausschalten über die SMA Funksteckdosen. Hierzu ermittelt er anhand der Erzeugungsprognose und des erlernten Lastprofils die Zeitpunkte, die zu einer Erhöhung der Eigenverbrauchsquote des erzeugten Stroms führen sollen.

Typische Verbraucher zur Erhöhung der Eigenverbrauchsquote sind die leistungsstarken Waschmaschinen und Geschirrspüler, in Zukunft vielleicht weniger die noch teureren Wäschetrockner mit Wärmepumpen. In aller Regel lassen sich diese Maschinen nach kurzem Anlauf nach dem Beladen abschalten (simulierter Spannungsausfall) und später über die SMA Funksteckdosen starten, wenn ausreichend PV-Leistung zur Verfügung steht und Netzbezug vermieden werden kann (Folie 20). Wie sieht nun ein vom Home Manager gesteuerter Tagesablauf aus:

An einem schönen Tag mit praktisch idealem Verlauf der blau markierten Sonneneinstrahlung (Folie 26 oben) wird beispielsweise die Spülmaschine morgens nach dem Frühstück beladen, aber erst eine halbe Stunde später gestartet, wenn ausreichend PV-Leistung zur Verfügung steht, deutlich an den beiden Aufheizzyklen zu erkennen, im Laufe des Vormittags wird die Waschmaschine beladen und, da die Sonne inzwischen höher steht, auch sofort automatisch gestartet, und gleiches gilt für den Wäschetrockner.

Zwei Tage später hingegen (Folie 40 oben) wurden Spülmaschine und Wäschetrockner schon am Vorabend beladen, am frühen Morgen traf über Internet eine neue Leistungsvorhersage für einen sehr wechselhaften Tag ein (erkennbar an den relativ kurz andauernden blauen Spitzen in der PV-Erzeugung), die Spülmaschine wird daher erst am späteren Vormittag gestartet, eine Beladung der Waschmaschine führt zunächst nicht zu deren Start, der am Vorabend beladene Wäschetrockner wird gestartet und etwas später auch die Waschmaschine, und da nachmittags die Sonne ausreichend Energie liefert kann sogar der Wäschetrockner ein zweites Mal betrieben werden.

Resümee nach Auswertung des gesamten Tages: Trotz des wechselhaften Wetters konnten die Geräte zu 70 % aus der eigenen PV-Anlage versorgt werden.

Wie sieht nun die Auswertung der im Home Manager erfassten und über Internet an das SMA Sunny Portal weitergeleiteten Daten aus:

Auf einem an das Internet angeschlossenen PC, Tablet oder - sicherlich etwas kleiner in der Darstellung - auf jedem Smartphone unterwegs werden der aktuelle Status der eigenen Energiemanagement-Anlage aus PV-Wechselrichter, Home Manager, Energy Meter und Funksteckdosen sowie die Prognose und daraus folgenden Handlungsempfehlungen visualisiert. Wie die obige Folie 42 zeigt werden oben die von der PV-Anlage erzeugte Leistung, der Gesamtverbrauch und die Netzeinspeisung dargestellt. Bei Wechselrichtern mit integrierter Batterie werden deren Ladezustand in Prozent und die derzeitige Ladeleistung, generell der momentane Grad der Selbstversorgung, also die Autarkiequote, und die Eigenverbrauchsquote der PV-Anlage angezeigt. Im unteren Bereich der Prognose und Handlungsempfehlungen stellen die üblichen Wettersymbole die Erzeugungsprognose und die Glühlampensymbole die Empfehlung für den Eigenverbrauch dar.

Bei der Betrachtung der Energiebilanz eines Tages liegt in der obigen Folie 43 der Fokus auf der Erhöhung der Autarkie, oben dargestellt als Gesamtleistung des Haushalts in Watt über der Zeit, unten dargestellt als Erzeugungsleistung der PV-Anlage und deren aufsummierte Verteilung in Watt:

die beige gefärbten Flächen stellen die Batterieentladung während der Nacht bis zum nächsten Morgen und zur eigenen Spitzenlastabdeckung während des Tages dar, die grün gefärbten den Eigenverbrauch der durch die PV-Anlage erzeugten Leistung, die orange gefärbten die zusätzlich zum Eigenverbrauch für die Batterieladung benötigte Leistung, die gelb gefärbten die Netzeinspeisung die wenigen rot gefärbten den Netzbezug

Da die eingefärbten Flächen keine Leistung, sondern deren Produkt mit der Zeit darstellen, also die Arbeit oder auch Energie genannt, werden ganz unten die jeweiligen Kilowattstunden (kWh) aufgelistet. Der als Beispiel dargestellte 14. Mai 2014 war zweifellos ein recht sonniger Tag mit nur wenigen Wolken wie die hier nicht dargestellte, aber gedachte Hüllkurve über der unteren Darstellung beweist. Und sie führte zu einer Autarkiequote von 94 %, als der fast vollständigen Eigenversorgung des Haushalts, und darüber hinaus zu einer Eigenverbrauchsquote von nur 32 %, also ungefähr einer Netzeinspeisung von zwei Dritteln der an diesem Tage erbrachten PV-Energie.

Ganz anders der 10. März 2014 mit dem Fokus auf der Netzentlastung: Es muss sehr sonnig gewesen sein, denn er führte zur typischen Hüllkurve eines derartigen Tages und zur Begrenzung der maximalen Einspeiseleistung. Die am Vortag aufgeladene Batterie war gegen Mitternacht entladen, es folgten knapp 2 kWh Netzbezug. Aber dann schien die Sonne so kräftig, dass die Anlage gegen 10:00 Uhr durch Vollladung der Batterie "abgeregelt" wurde. Netzentlastung kann auch aufgrund der Belastungssituation vom Netzbetreiber verlangt werden, um aufwendige Ausbauten zu vermeiden (siehe unseren Bericht über die regelbare Ortsnetzstation in Felsberg-Niedervorschütz).

Wie Herr Rudolph vortrug, hat die SMA Solar Technology AG festgestellt, dass in den typischen Haushaltsanwendungen eine Batterie mit 2 kWh nutzbarem Energieinhalt eine deutliche Erhöhung der Autarkiequote ermöglicht und gleichzeitig einen Beitrag zur in vielen Fällen dringend notwendigen Netzentlastung bringt (Folie 45 oben). Da der Investitionsbedarf mit steigender Batteriekapazität speziell bei Lithium-Ionen-Akkus ansteigt (Anm. des Unterzeichners: Siehe derzeit noch sehr teure Elektrofahrzeuge mit Batterien um die 20 - 25 kWh!) steigt deren Nutzen nicht mit dem Investitionsbedarf (Anm. des Unterzeichners: Und wer will noch im Bereich der Vollladung zwar billigere, ggf. aber gasende Blei-Akkumulatoren mit Be- und Entlüftungsanlagen im Keller seines Hauses?).

Letztendlich muss jeder Haushalt mit eigenem Dach und existenter oder noch zu beschaffender PV-Anlage eine Analyse seines eigenen Verbrauchs anstellen und - wenn er sich zur Anschaffung oder Nachrüstung einer PV-Anlage entschließt - seine eigene, auf ihn bezogene Konfiguration erstellen (Folie 46 unten):

er sollte seine Zeitfenster, in denen er verbrauchsrelevanten Geräte laufen lässt, prioritätsbezogen definieren er sollte sich eine Übersicht über die Leistung und den Verbrauch seiner Haushaltsgeräte verschaffen und grafisch deren Tageslastgänge unter Zuhilfenahme der Funksteckdosen darstellen

Zusammenfassend kann ausgesagt werden, dass mit den jetzt auf dem markt erhältlichen Geräten eine deutliche Reduzierung bis etwa Halbierung des Strombezugs aus dem Netz möglich ist, die auf einer hohen Eigenverbrauchsquote beruht und dass eine nahezu vollständige Verwertung des erzeugten Solarstroms auch bei einer Wirkleistungsbegrenzung von 70 % durch die Netzbetreiber bzw. sogar 60 durch die mögliche KfW-Förderung nach Programm 275 möglich ist (Folie 47 unten). Der aktuelle niedrige Erlös aus den eingespeisten Strommengen führt allerdings zu einer deutlich längeren Amortisationszeit der Anlage.