Photovoltaik Eigenverbrauch mit Automatisierung optimieren

Wenn man eine PV-Anlage installiert hat, dann ist es u.a. das Ziel, möglichst viel von dem erzeugten Strom selbst zu nutzen. Eine Lösung dafür ist möglicherweise ein Batteriespeicher. Wie ich in einem meiner letzten Beiträge an einer kleinen Simulation erläutert habe, sind Stromspeicher aktuell abern och zu teuer und damit absolut unwirtschaftlich.

Die beste Option zur Erhöhung des Eigenverbrauchs einer Photovoltaikanlage ist es, insbesondere die großen Verbraucher im Haushalt zu Zeiten mit besonders viel Sonnenschein zu starten. Das kann man natürlich manuell machen, in dem man die Wettervorhersage sowie das aktuelle Wetter betrachtet. Dürfte in der Praxis aber meist etwas zu lästig sein und wird den- oder diejenige(n), die dafür im Haushalt zuständig ist, meist nicht erfreuen ;-).

Die wohl bessere Variante dürfte eine automatische Steuerung der Geräte sein, die idealerweise die Verbrauchssituation im Hause lernen kann und auch die Wettervorhersage berücksichtigt. Die Automatisierung hat zusätzlich den Vorteil, genau den Moment zu finden, indem dann gleichzeitig auch möglichst wenig Netzbezug notwendig ist. Nur so lässt sich der Eigenverbrauch in Summe tatsächlich optimieren.

Sunny Home Manager

Für PV-Anlagen gibt es hierzu meist enstsprechende Steuerungsgeräte und zusätzliche Funktionen, die man optinal erwerben kann. Eine weitere Variante sind allgemeine Haussteuerungssysteme, die Schnittstellen zur PV-Anlage bzw. zu Stromzählern haben und so entsprechende Automatisierungen unterstützen.

In meinem Fall nutze ich tatsächlich beide Möglichkeiten. Wesentlicher Baustein meiner Automatisierung ist der Sunny Home Manager. In Verbindung mit dem Sunny Portal von SMA können damit diverse Geräte gesteuert und die jeweiligen Stromverbräuche ermittelt werden. Die Logik des Sunny Portal lernt dabei auch die jeweiligen Verbrauchsverläufe der Geräte und versucht in Verbindung mit einer Wettervorhersage die Geräte zur optimalen Zeit zu schalten.

Bei mir kommt zusätzlich noch meine FHEM Haussteuerung dazu. Hiermit versuche ich einige Mankos, die das Sunny Portal aktuell noch hat, sowie ein paar Spezialfälle, insbesondere in Bezug auf die Beladung der E-Autos, zu realisieren. Wesentlicher Bestandteil der Lösung sind diverse schaltbare Steckdosen, die auch den Stromverbrauch messen können. Die entsprechende Verbindung von meiner Haussteuerung und der PV-Anlage habe ich in einem anderen Artikel schon einmal erläutert.

Mögliche Verbraucher für die Steigerung des Eigenverbrauchs

Damit man den selbst erzeugten Strom optimal nutzen und seinen Eigenverbrauch erhöhen kann, eignen sich natürlich in erster Linie Geräte mit relativ hohem Verbrauch und solche, die nur zu bestimmten Zeiten laufen müssen. Ein Kühlschrank oder die Gefriertruhe kommen hierbei also nicht in Frage. Ein Herd oder ein Ofen wird zwar nur zu einer bestimmten Zeit am Tag benötigt aber man wird wohl kaum seine Essenszeiten nach dem Sonnenschein ausrichten wollen.

Schaut man sich in seinem Haushalt um, dann kommen eigentlich in erster Linie tatsächlich die Spülmaschine, die Waschmaschine und der Trockner in Frage. Auch der Einsatz von Klimaanlagen kann den Eigenverbrauch deutlich verbessern. Vielleicht hat man auch eine Poolpumpe, die man individuell steuern kann. Wer ein E-Auto hat, welches tagsüber wenigstens ab und zu vor dem Haus steht, hat auch damit eine recht gute Option, den Eigenverbrauch zu erhöhen.

Auch nicht geeignet sind Kleingeräte, wie beispielsweise das Ladegerät für ein Smartphone. Natürlich kann man das Handy am besten bei Sonnenschein aufladen, allerdings ist der Verbrauch so gering, dass dies nicht weiter auffallen wird.

In meinem Szenario, welches ich nachfolgend näher erläutern möchte, geht es tatsächlich um die Spülmaschine, die Waschmaschine, eine Wallbox sowie ein „Schuko-Ladegerät“ für unsere E-Autos. Der Trockner lässt sich leider nicht über eine schlatbare Steckdose starten und fällt daher bei der automatisierten Steuerung aus. Zusätzlich läuft der Trockner eigentlich auch immer direkt, nachdem die Waschmaschine fertig ist und würde auch nur selten wirklich automatisiert gestartet.

Unnötige Verbraucher abschalten

Oben hatte ich bereits kurz erwähnt, dass man ja nicht nur den Eigenverbrauch erhöhen möchte, sondern idealerweise gleichzeitig auch den Netzbezug auf ein Minimum reduzieren sollte. Idealerweise findet man also den Zeitpunkt, indem während der gesamten Laufzeit des Geräts genug Sonnenenergie für dessen Verbrauch erzeugt wird. Parallel laufen natürlich auch noch diverse andere Geräte. Die Aufgabe besteht also darin, dass alle gleichzeitig laufenden Geräte mit Sonnenenergie versorgt werden.

Dies führt uns nun zu Geräten, die man ggf. zeitweise abschalten kann, um den aktuellen Verbrauch zu senken und damit auch bei geringerer Sonnenenergie die großen Verbraucher laufen zu lassen. Meist sind das Geräte, die eher dem „Vergnügen“ dienen. Bei uns im Wohnzimmer nutze ich beispielsweise einen LED Fernseher als Diashow. Tagsüber werden also alle möglichen Fotos auf diesem Fernseher gezeigt. In der Vergangenheit lief der Fernseher immer von morgens bis abends durch, wenn jemand im Haus ist. Erst wenn keiner mehr im Haus ist, wurde der Fernseher von der Haussteuerung ausgeschaltet. Nun bin ich dazu übergegangen den Fernseher nur morgens zum Frühstück laufen zu lassen und dann ab abends wieder. Ähnliches könnte man mit einem Springbrunnen machen, der auch bei uns tagsüber läuft.

Steuerung der Verbraucher über den Sunny Home Manager

Wie bereits erwähnt, setze ich zur Steuerung der Großverbraucher auf die SMA Geräte und Funktionen aus dem Sunny Portal. Hierzu habe ich die entsprechenden Verbraucher über Fritz!Dect Steckdosen angeschlossen. Im Portal können dann die notwendigen Einstellungen hinsichtlich der angeschlossenen Geräte vorgenommen werden und zusätzlich lassen sich Zeitfenster definieren, in denen die Verbraucher automatisch gesteuert werden sollen.

Grundsätzlilch wird zwischen „Muß-Verbrauchern“ und „Kann-Verbrauchern“ unterschieden. Muß-Verbraucher sind solche Geräte, die auf jeden Fall in den definierten Zeitfensterns laufen müssen, wenn sie initial eingeschaltet wurden. Hierzu gehört beispielsweise die Wasch- oder die Spülmaschine. Wenn sie einmal gefüllt sind, wird man wohl nicht warten wollen, bis der Tag gekommen ist, an dem ausreichend Sonnenschein vorhanden ist. In der Regel startet man die Maschinen ja, weil sie voll sind bzw. weil es Zeit wird, die Wäsche zu waschen.

Im Gegensatz dazu ist bei „Kann-Verbrauchern“ nicht klar, wann diese tatsächlich laufen. Wie der Name sagt, kann der Verbraucher in der angegebenen Zeit gestartet werden aber wenn nicht genug Sonnenschein vorhanden sein sollte, dann wird das Gerät eventuell auch für einen längeren Zeitraum nicht eingeschaltet. Aus diesem Grund kann man bei Kann-Verbrauchern auch angeben, wie hoch der Anteil der PV-Energie sein soll. Bei 100% PV-Energie startet das Gerät also erst, wenn für die Betriebsdauer angenommen wird, dass die ganze Zeit ausreichend Sonnenenergie vorhanden ist, ohne das Strom aus dem Netz bezogen werden muß.

Einstellungen im Sunny Portal für Muß-Verbraucher

Bei der Integration von Verbrauchern in das Sunny-Portal muß man zunächst allgemeine Einstellungen für die jeweiligen Geräte vornehmen. Das erste Kennzeichen fragt danach, ob der Verbraucher programmgesteuert ist. Bei Waschmaschinen, Spülmaschinen usw. ist dies immer der Fall. Geräte also, die eine eigene Steuerung je nach eingestelltem Programm haben. Sie bestimmen also auch selbst, wann sie ausgeschaltet werden und dürfen nicht durch eine Schaltung der PV-Anlage ausgeschaltet werden.

Dann sollte man die Leistungsaufnahme des Geräts angeben. Diese findet man in der Regel auf dem Gerät oder in entsprechenden Beschreibungen. Schließlich ist die maximale Programmzeit noch wichtig. Für programmgesteuerte Geräte gibt es keine Abschalterkennung. Die Logik geht also davon aus, dass nach der max. Programmlaufzeit das Gerät ausgeschaltet werden kann.

Die Abschaltautomatik kann nur für Geräte eingestellt werden, die nicht programmgesteuert sind. Hier wird angegeben, bei welcher Unterschreitung des Stroms über einen definierten Zeitraum davon auszugehen ist, dass das Gerät seine Tätigkeit beendet hat. Zusätzlich gibt man bei nicht programmgesteuerten Geräten noch an, wie lange diese mindestens laufen solllen, nachdem sie eingeschaltet wurden bzw. wie lange sie ausgeschaltet bleiben sollen, nachdem sie ausgeschaltet wurden. Damit kann man z.B. eine Pumpe so steuern, dass sie mindestens 20 Minuten am Stück läuft und nicht zu häufig hintereinander an- und ausgeschaltet wird.

Einstellungen der Waschmaschine im Sunny Portal

Zur Priorisierung der Verbraucher untereinander wird die Einstellung der Priorität benötigt. Verbraucher mit höherer Prio werden vorrangig gesteuert.

Dann gibt man an, wie der Zustand nach Betrieb des Verbrauchers sein soll. Wendet man schaltbare Steckdosen an, dann sollten diese idealerweise eingeschaltet sein. Insbesondere, wenn die Steckdose nicht direkt erreichbar ist. Sonst müsste man immer erst die Steckdose einschalten, wenn man das Gerät starten will. Schließlich gibt man noch an, ob nur der Strom gemessen werden soll oder ob das Gerät auch über das Portal geschaltet werden soll.

Mit den Parametern zur Anlauferkennung kann man dem Sunny Portal mitteilen, woran es erkennt, dass das Gerät gestartet wurde. Der Ablauf sieht dann so aus, dass man das Gerät ganz normal einschaltet. Dieses startet dann auch und sobald das Portal den Anlaufstrom erkennt, schaltet es das Gerät wieder aus und geht in den Automatikmodus.

Im Portal kann man nun noch die Zeitfenster definieren, in denen das Gerät innerhalb der Woche laufen soll. Hier gibt man dann an, ob das Gerät in den jeweiligen Zeitfenstern laufen muß oder laufen kann. Bei einem Muß-Gerät bedeutet das Zeitfenster dann immer, dass das Gerät in diesem Zeitraum gestartet wird und zwar so, dass es innerhalb der Zeitfensters auch beendet wird. Hier kommt also die Einstellung der maximalen Laufzeit ins Spiel.

Definition der Zeitfenster für Muss-Verbraucher im Sunny Portal

Einstellungen im Sunny Portal für Kann-Verbraucher

Die Haupteinstellungen des Kann-Verbrauchers erfolgen genauso, wie beim Muß-Verbraucher. Wesentliche Unterschiede gibt es in erster Linie bei der Definition der Zeitfenster. Hier kann ich einmal angeben, welche Betriebsdauer insgesamt für das Gerät innerhalb des Zeitfensters gilt. Wenn eine Pumpe also maximal 300 Minuten insgesamt laufen soll, dann kann dies mit der maximalen Betriebsdauer eingestellt werden.

Schließlich kann bei Kann-Verbrauchern noch definiert werden, wieviel Sonnenenergie verfügbar sein muß, damit das Gerät geschaltet wird. Stellt man diesen Wert auf 100%, dann wird das Gerät nur geschaltet, wenn es komplett mit Sonnenenergie betrieben werden kann. Im Sommer funktioniert das meist sehr gut, im Winter kann es evtl. dazu führen, dass das Gerät zu selten eingeschaltet wird. Stellt man den Schieber über 100%, dann kann damit angegeben werden, wieviel Sonnenenergie über der 70%-Regelung verfügbar sein muß, damit das Gerät eingeschaltet wird.

Einstellung eines Schuko-Ladegeräts im Sunny Portal

Die 70%-Regelung besagt, dass man nie mehr als 70% seiner möglichen PV-Leistung in Bezug auf die installierten kWp einspeisen darf. Bei einer optimal ausgerichteten Anlage in Südrichtung kann das durchaus immer wieder mal passieren. Normalerweise regelt die Anlage dann die Energieerzeugung runter, der mögliche Ertrag wird also reduziert. Wenn man genau diesen Überschuß auch nutzen möchte, dann kann dies über die entsprechende Einstellung im Zeitfenster erfolgen.

Zeitfenster für Kann-Verbraucher im Sunny Portal einstellen

Automatische Steuerung der Wallbox

Bei der Wallbox nutze ich mit dem EV Charger 22, ein Gerät von SMA. Diese Wallbox wird damit optimal in die Steuerung integriert und sorgt dafür, dass möglichst viel Sonnenenergie zum Laden des Elektro-Autos genutzt wird. Die Integration ins Sunny Portal ist daher auch ziemlich simpel und benötigt nur wenige Einstellungen.

Bei der Wallbox kann man nur die Priorität definieren sowie einstellen, mit wieviel Sonnenenergie das E-Auto beladen werden soll. Der Rest funktioniert dann vollautomatisch bzw. kann über die SMA Energy App gesteuert werden. In der Regel habe ich die Wallbox so eingestellt, dass sie intelligent gesteuert wird. In diesem Fall wird das E-Auto immer dann geladen, sobald der Stecker angeschlossen ist und wenn die Priorität mit anderen Geräten sowie die verfügbare Sonnenenergie dies zulässt.

Muß das Auto einmal unabhängig von der Sonnenenergie geladen werden, dann kann dies über die App gesteuert werden. Diese Funktion habe ich aber über meine Haussteuerung automatisiert, so dass ich die App eigentlich nie nutze. Wie diese Lösung bei mir in FHEM aussieht, werde ich in einem der nächsten Artikel nochmal genauer beschreiben.

Die Mankos des Sunny Portal bei der Verbrauchersteuerung

Ein paar Punkte bereiten in der Praxis ein paar Problem bei der Steuerung der Geräte durch das Sunny Portal. Einige davon habe ich durch entsprechende Funktionen innerhalb meiner Haussteuerung beheben können. Auch diese Lösungsansätze werde ich nochmals im Detail vorstellen.

Das erste Problem kann im Prinzip auch über die Weboberfläche des Sunny Portal behoben werden, ist aber in der Bedienung entsprechend umständlich. Es gibt zwar auch eine zweite App von SMA mit der sich die Geräte steuern lassen sollten aber diese App funktioniert bei mir überhaupt nicht.

Möchte man eines der automatisch gesteuerten Geräte einmal manuell starten, so ist dies nicht so einfach möglich. Insbesondere die Programm-gesteuerten Geräte sorgen hier für Probleme. Startet man beispielsweise die Spülmaschine, dann wir diese danach wieder ausgeschaltet und befindet sich im Automatikmodus. Soll diese jetzt aber sofort starten, dann muß man die schaltbare Steckdose wieder einschalten und so den Automatikmodus wieder deaktivieren.

Tablet Oberfläche meiner Haussteuerung für die PV-Infos

Wenn nun die Steckdose nicht erreichbar ist, muß diese wieder über eine App, die Haussteuerung oder per Sprachbefehl verfügbar gemacht werden. Bei mir nutze ich dazu ein paar einfache Buttons von Flic. Wenn nun die Spül- oder Waschmaschine direkt laufen soll, muß einfach nur der kleine Button, der jeweils in der Nähe oder am Gerät angebracht ist, gedrückt werden.

Eine ähnliche Problemstellung ergibt sich, wenn beispielsweise zwei Waschmaschinenladungen hintereinander gewaschen werden sollen. Die Steuerung ist eigentlich nur darauf ausgelegt, dass die jeweiligen Programme einmalig laufen. Auch dieses Problem konnte ich mit einer Logik in meiner Haussteuerung beheben. In Prinzip wird nach jedem Waschgang der Button für den manuellen Start automatisch eingeschaltet.

Was auch nicht abgebildet werden kann ist die Abhängigkeit von Geräten untereinander. Wenn man beispielsweise den Trockner immer nach einem Waschgang starten möchte, dann wäre es hilfreich, dass quasi beide Geräte bei der Ermittlung der optimalen Laufzeit gleichzeitig betrachtet werden. Da unser Trockner sowieso nicht automatisiert angesteuert werden kann, habe ich das Problem nur mittels des Zeitfensters für die Waschmaschine einigermaßen gelöst. Das Ende des Zeitfensters ist immer so gewählt, dass ein anschließender Trocknerlauf spätestens zur gewünschten Zeit fertig ist.

PV-gesteuerte Schaltungen von Elektrogeräten in der Praxis

Zum Schluß möche ich euch am Beispiel einer Grafiken aus der Praxis einmal zeigen, wie sich die automatisierte Steuerung von Elektrogeräten unter verschiedenen Bedingungen verhält. Nachdem man alle Geräte mit entsprechenden Parametern versorgt hat, versucht das Sunny Portal den täglichen Strombedarf zu erlernen und in Verbindung mit der Wetterprognose die optimalen Schaltzeitpunkte zu identifizieren. Dies kann man dann in der Prognoseübersicht erkennen. Mit den Glühlämpchen in der Grafik wird zusätzlich eine Empfehlung angezeigt, an denen weitere Verbraucher mit möglichst viel Sonnenenergie versorgt werden können.

Sunny Portal – Prognoseübersicht

In der Grafik werden die Zeitfenster der automatisierten Geräte angezeigt. Der dunkle Bereich zeigt dann den aktuell ermittelten optimalen Zeitpunkt für die Laufzeit des jeweilligen Geräts. Im obigen Bild wird beispielsweise die Spülmaschine um kurz nach 11:00 Uhr eingeschaltet.

Die beiden folgenden Grafiken zeigen, wie die Automatisierung auch unter durchschnittlich guten Bedingungen recht gut funktioniert. Die vielen Zacken bei der gelben Linie, die den PV-Ertrag darstellt, deutet auf relativ viel Wolken hin. Kann-Geräte sollte also immer wieder individuell an- und ausgeschaltet werden.

Automatische Verbrauchersteuerung an einem wolkigen Tag

In den Grafiken habe ich zur besseren Darstellung nur die Geräte angezeigt, die automatisch geschaltet werden. In grün ist die Wallbox dargestellt und man sieht hier sehr schön, wie der Ladestrom regelmäßig angepasst wird. Ab ca. 14:00 Uhr wurde dann die Spülmaschine gestaret und ab ca. 15:00 liefen dann sogar Spülmaschine, Wallbox und die Schuko-Ladestation für das zweite E-Auto gleichzeitig.

In der nachfolgenden Grafik sieht man, dass morgens die Spülmaschine gestartet wurde und gegen Mittag dann die Waschmaschine lief. Danach gab es sogar genug Sonnenenergie, dass neben dem Trockner, der ja nur manuell gesteuert wird, auch die Ladestation angesteuert werden konnte. Die rote Linie stellt den Netzbezug dar. Man erkennt, dass immer auch Netzbezug anfällt, was sich gerade an wolkigen Tagen nicht ganz ausschließen lässt, da ja auch Mindestlaufzeiten der Geräte definiert wurden. Die Ladestation läuft bei mir immer 20 Minuten. Wenn es in dieser Zeit woklig wird, muß eventuell mit Netzstrom gearbeitet werden.

Automatische Verbrauchersteuerung an einem wolkigen Tag

Die nachfolgende Grafik zeigt, dass man mit manueller Steuerung der Großverbraucher, insbesondere bei schlechteren Bedingungen, meist im Nachteil ist.

Hier wurde die Waschmaschine recht früh manuell gestartet und anschließend der Trockner. Eine automatische Steuerung hätte den Start der Waschmaschine wahrscheinlich auf etwa 12:30 Uhr gelegt. Dann hätte in diesem Fall vielleicht sogar der Trockner noch einen hohen Anteil Sonnenergie mitbekommen. Die Laufzeit der Spülmaschine wäre dann wahrscheinlich in den Nachmittag gewandert und das Ladegerät wäre ggf. noch seltener gestartet worden.

Manuelle Verbrauchersteuerung trifft nicht die optimale PV-Energie

Man sieht also, wie eine automatische Steuerung von Großverbrauchern den Nutzungsgrad der Sonnenenergie deutlich steigern kann. Natürlich gilt auch hier, dass die Prognose nur so gut ist, wie die zu Grunde liegende Wettervorhersage. Ob gerade tatsächlich eine größere Wolke durchzieht, kann auch die beste Automatik nicht vorhersagen. Ein Grund, warum ich die Steuerung des Ladegeräts für das Elektroauto zusätzlich auch nochmal über meine Haussteuerung optimiert habe. Hier kann ich auf kurzfristige Schwankungen reagieren und sorge zusätzlich für eine optimale Auslastung meiner PV-Anlage. Auch diese Steueurng werde ich euch natürlich nochmals ausführlich vorstellen.

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