Logging-Forschung: Beim Fenster raus und bei der Türe wieder rein

Die Datenkrake wird täglilch herausgefordert: So viele Möglichkeiten gibt es, neue Tentakel in bisher unerforschte Gebiete auszustrecken!

Das CMI ist seit einiger Zeit selbst eine Datenkrake: In den Einstellungen können Ein- und Ausgänge am CAN-Bus oder für Modbus-TCP konfiguriert werden.

Logisch und physisch getrennt von Wärmepumpe und Hydraulik arbeitet der PV-Wechselrichter der Siedler (Fronius Symo 4.5-3-M). Die PV-Daten werden lokal auf einen USB-Stick geloggt; das minimale Loggingintervall beträgt 5 Minuten. An manchen dunklen Abenden werden die gesammelten Daten dann an die Krake verfüttert. Der Fronius-Datenlogger hat eine WLAN-/Internet-Verbindung und einen lokalen Webserver, aber direkt ‚online runterkopieren‘ von diesem Stick kann man die Daten nicht.

Aber es gibt eine Modbus-TCP-Schnittstelle: Damit können die aktuellen Daten von einem Computer im  lokalen Netzwerk abgefragt werden oder von einem anderen Dings im Internet of Things. Die Siedler wollten nun wissen, ob der Modbus-Client des CMI das USB-Logging ersetzen könnte. Oder könnte gar die künstliche Intelligenz der Regelung auf die aktuelle PV-Leistung reagieren? Der Wechselrichter hat eine Energiemanagement-Funktion, aber 1) er könnte nur sehr schlicht über ein Relay ‚kommunizieren‘ und 2) das natürlich nicht über WLAN.

Nötige Schritte und einige Erkenntnisse:

Modbus wird aktiviert am Datenlogger des Wechselrichters. Wir entscheiden uns für echte Kommazahlen und erlauben keine Änderungen über Modbus:

Modbus-Einstellungen am lokalen Webserver des Fronius-Symo-Wechselrichters. 502 ist der Modbus-Standardport. Die Alternative zu float wären Ganzzahlen mit Skalierungsfaktor SF (Faktor steht dann in anderem Register).

Check der Modbus-TCP-Dokumentation von Fronius: Benötigt werden die Register (‚Speicherplätze‘) der interessanten Werte, z.B. die aktuelle Outputleistung. Das ausführliche PDF ist aktuell hier zu finden. Eventuell Logging-würdige Werte sind in verschiedenen Tabellen (‚Models‘) zu finden – z.B. Daten die dem Wechselrichter ‚als Ganzes‘ zugeordnet werden oder nur einem String von PV-Modulen.

Dokumentation S.30, Common Inverter Model. Zum Loggen der Wechselstrom-Leistung werden folgende Angaben benötigt: Adresse 40092, Registertyp 3 (read and hold), Datentyp float32 (Platz entspricht zwei 16bit-Register, daher ist die Endadresse 40093) und die Einheit Watt.

Wichtig dazu ist dieser Hinweis auf S.15:

D.h. auf einem Modbus-Client muss bei der Abfrage der Leistung 40091 angegeben werden.

Mit diesen Infos und der IP-Adresse des Wechselrichters in lokalen Netz wird ein entsprechender analoger Modbus-Eingang am CMI festgelegt:

Modbus-Analogeingang 1 liest die aktuelle PV-Leistung vom Wechselrichter. Der ‚Eingangswert‘ ergibt sich, wenn die Daten als Integerzahl interpretiert werden. ‚Aktueller Wert‘: Der Integer-Teil der ‚wahren‘ Gleitkommazahl.

Ja, wir haben uns das in einem Netzwerk-Trace angeschaut 😉 nachdem uns das Dropdown-Menü zur Byte-Reihenfolge etwas verwirrt hatte: Modbus-TCP sollte immer Big Endian verwenden laut Protokollspezifikation.

Faktoren und Datentypen: Am CAN-Bus werden nur Integer-Werte verarbeitet – evtl. mit einem Skalierungsfaktor als Zusatzinformation. Bei der Leistung in Watt gibt es da glücklicherweise keinen Handlungsbedarf. Würde man aber z.B. die 15A Strom mit einer Kommazahl loggen wollen, müsste man den Faktor auf 10 setzen um eine Kommastelle aus der Floatzahl ‚mitzunehmen‘. Vorher am Symo Integer + Skalierungsfaktor einzustellen ist nicht sinnvoll, da dieser Faktor in einem anderen Register des Wechselrichters steht … das das CMI natürlich nicht kennt.

Wenn man statt relativ stabilen Werten irgendwelche Zahlen zwischen ca. -32000 und + 32000 sieht 😉 merkt man, dass hier etwas schiefgegangen ist.

Diese Einstellung bedeutet noch nicht, dass das CMI die Modbus-Daten schon ‚hat‘ und mitloggt. Alles, was man bis jetzt davon ‚hat‘, ist die Anzeige des aktuellen Wertes in der CMI-Modbus-Einstellung. Zur Weiterverarbeitung inklusive dem Logging am CMI selbst muss wieder ein passender Ausgang definiert werden. Das CMI kann nur über CAN- oder DL-Bus loggen. Also brauchen wir einen…

… analogen CAN-Bus-Ausgang am CMI:

Das CMI hat die Standard-Knotennummer 56. Jedes andere Gerät am CAN-Bus kann damit diesen Wert auslesen durch Angabe der Knotennummer und der Nummer des Analogausgangs – 1.

Diese Geräte nutzen aktuell den CAN-Bus:

Darstellung der Geräte durch das CMI. Beim Klick auf (unterstützte) Geräte kommt man in das entsprechende Konfigurationsmenü.

Wenn man sich die Logging-Einstellungen am CMI ansieht, könnte man in Versuchung kommen, einfach das CMI selbst – CAN 56 – auszuwählen:

Am CMI konfiguriertes lokales CAN-Logging (Nutzung mit Winsol) – von UVR1611 (1), UVR16x2 (2) und dem Energiezähler CAN-EZ (41).

Erkenntnis: Das CMI kann aber seinen eigenen CAN-Ausgang nicht loggen. Man kann zwar CAN 56 als Logging-Quelle im Dropdown-Menü anklicken, aber das endet dann so:

CAN-Fehler am CMI – ausgelöst durch den Versuch, das CMI als Logging-Quelle einzutragen (so dass es gleichzeitig Logger und Quelle spielt).

Hier ist das ‚Durchschleifen‘ des Wertes durch die ‚loggingfähige‘ UVR nötig – womit endlich der Titel des Postings erklärt wäre!

An der UVR16x2 wird der CAN-Ausgang des CMI jetzt als CAN-Eingang (‚Netzwerkvariable‘) verbunden:

Definition des Netzwerkeingangs auf der UVR16x2. Quelle ist der CAN-Ausgang am CMI (Knoten 56, Ausgang 1).

Die Leistung in Watt wird als Integer übergeben. Hätte man am Modbuseingang einen Faktor 10 verwendet, müsste hier die Einheit auf ‚dimensionslos,1‘ gesetzt werden.

Aktueller Wert am CAN-Netzwerkeingang.

Die UVR16x2 kennt damit die PV-Leistung. Dieser Wert steht für Regelungszwecke zur Verfügung und Irgendwer kann beginnen, das Warmwasser-Zeitprogramm durch eine Digitalisierte Smarte 4.0 Big Data AI Bot Version abzulösen. Skynet entwickelt ein Bewusstsein!

Andererseits kann der Wert durch das CMI von der UVR geloggt werden – als Teil des immer schon genutzten CAN-Loggings:

Anzeige der geloggten Daten mit Winsol (Zugriff auf lokale Logfiles): PV-Leistung, Globalstrahlung auf die senkrechte Fläche des Kollektors, Kollektortemperatur, Außentemperatur.

… bzw. kann das ‚Portal-Logging‘ auf cmi.ta.co.at konfiguriert werden …

Konfiguration des Loggings direkt am Portal cmi.ta.co.at – als mögliche Loggingquellen stehen nur UVR1611 und UVR16x2 zur Verfügung. Die interessanten CAN-Ausgänge müssen in den rechten Bereich gezogen werden – dann kann dieser Parameter in einem Profil ausgewählt werden und das Diagramm des Werteverlaufs wird online angezeigt.

… und online mitverfolgt …

Anzeige Logging-Profil auf cmi.ta.co.at. In diesem Fall werden die Daten beim Logging vom CMI an das Portal gesendet und dort gespeichert.

Würde man alle Outputwerte des Fronius-Datamanagers auf diese Art loggen, hätte man außerdem schnell die Limits betreffend Netzwerkvariablen und Loggingplätzen erreicht. Wenn man unbedingt jede Minute die Spannung zwischen Phase 1 und 2 oder die Blindleistung wissen will, verwendet man besser einen eigenen Logger, z.B. Rasperry Pi. Hier ist ein perfekt dokumentiertes Projekt: Logging der Daten von Fronius Symo mit Python über Modbus TCP, plus Datenbank und Weboberfläche.

Nur Werte, die tatsächlich auch zum  Regeln benötigt werden, sollten beim Fenster rausgeworfen und bei der Türe wieder hereingebeten werden!

Independence Day

Es war am 26. Februar 2017, als jene historischen Worte unter dem Betreff ‚Independence Day‘ mittels elektronischer Post bis nach Pannonien gelangt waren:

„… Wir feiern den Anschluss der Hausheizung. Die Gasuhr steht 🙂 …“

‚Hinter den Deichen‘ war eine neue Ära angebrochen! Aber alles der Reihe nach. Eine Eisspeicher-Chronologie im Originalton:

07.01.2016: [Die Anfrage war schon einmal vielversprechend]:

„… Hallo Forscher im weiten pannonischen Süden. Irgendwas im hohen Norden hinter den Deichen, wo das Elend so groß ist, das selbst die Möwen rückwärts fliegen, damit sie das Elend nicht sehen müssen, sagt mir, dass ich von Irgendwem einmal Checklisten anfordern sollte …“

27.01.2016: [Bestandsaufnahme. Die Rüsselpest und ein Delirium bringen das Projekt fast zum Scheitern, bevor es begonnen hat]:

“ … Werde nun meine Hausaufgaben abarbeiten. Hier ist leider die Rüsselpest ausgebrochen. 1640, als die Pest nach London kam, hatte das ja den „Newton-Effekt“. Ein noch wenig erforschter Effekt, bei dem ein kluger Mensch von der Stadt aufs Land zieht um so wenig wie möglich anderen Menschen zu begegnen. In dem dann zwangsläufig entstehenden Kommunikationsvakuum steigt die Wahrscheinlichkeit sprunghaft, wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen …“

14.03.2016: [Detailplanung für den Eisspeicher]:

„… Den Tiefbauer für mein Mausoleum habe ich schon …“

21.03.2016: [Go!]:

„… Es geht in der letzten Aprilwoche los. In 3 Tagen will der Tiefbauer ca. 60 m³ Erde aus dem Garten schaffen … Nebenbei habe ich ein PV-Projekt angeschoben. Schließlich bin ich nun auf der Suche nach Strom …“

29.04.2016: [Es geht voran]:

“ … Die Solarmodule sind auf dem Dach. Der Eisspeicher ist immer noch virtuell. Dafür ist die Baugrube aber schon real. Anfang der Woche wird die Bodenplatte von uns gegossen. Danach geht es Stein für Stein in Richtung Sonne …“

ID-Bagger

23.05.2016: [Abenteuerurlaub]:

“ … Ich hatte Arbeitsurlaub 🙂 Der Speicher ist jetzt auf Sollhöhe 2.20 m.  Jetzt lassen wir das Ganze erst mal schön aushärten … „

08.06.2016: [Opa ist ein alter Fuchs im Baugewerbe]:

“ … Die Hohlkehle innen unten ist fertig. Jetzt kommt noch eine Zementschlämme mit Wasserglas und dann planen wir einen Bitumen-Kaltanstrich von innen, in der Hoffnung dass das Wasser auch da bleibt wo es sein soll …“

ID-Eisspeicher

22.08.2016: [Meilenstein Eisspeicher und erste Erfolge als Kraftwerksbauer]:

“ … Decke auf dem neuen Eisspeicher ist fertig und das Ganze ist jetzt schön ausgehärtet … Da kann ein Panzer drüber fahren … Seit die Photovoltaik-Anlage läuft sind wir stromautark. Na ja, im Sommer keine Kunst. Der Tesla-Speicher rettet uns locker über die Nacht …“

22.08.2016: [Ästhetik ist im Heizungskeller zweitrangig]:

„… Da der alte Kessel einfach dort stehen bleiben soll, wo er ist, wird das hinterher aussehen wie eine Molkerei (viele Rohre) 🙂 Aber ich wohne ja nicht im Keller …“

31.08.2016: [Beschaffung Wärmetauscher/Kollektor]:

„… die gemeine schwarze, von Luft und Sonne lebende, Zaunanakonda hat so ihre Tücken 😉 …“

14.09.2016: [Eine Herausforderung: Wie bringt man einen 1000 Liter Hygienespeicher in den Heizungskeller]:

“ … z.Z. prüfen wir gerade in einem interdisziplinären Arbeitskreis mit Hilfe einer aufwendigen 3D-Simulation, ob wir den Kessel nicht doch die Treppe runter und in den Keller bekommen (also kein Kellerwanddurchbruch). Motto in Deutschland: Wenn Du nicht mehr weiter weißt, bilde einen Arbeitskreis 😉 …“

[Ein Kindheitstraum wird wahr]:

„… Am Wochenende will ich den Graben vom Keller zum Eis-Speicher mit einem Minibagger ziehen, endlich kann ich auch mal Bagger fahren 😉 …“

[Aber bring bitte vorher deine Familie in Sicherheit!].

ID-I-Diagramm

21.09.2016: [Verrohrungsdetails Heizungskeller – ’spannende‘ I-Diagramme]:

“ … Ah spannend, Deine I-Diagramme sind echt gut. Hast Du Dir die Icon-Sprache schon patentieren lassen? …“

29.09.2016: [Fortschritte in der Schlangengrube]:

“ … Bin jetzt mit dem Wärmetauscher fast durch. Die Schläuche und Kabel sind vom Heizkeller zum Eisspeicher verlegt und der Graben ist wieder zu. Der Keller ist wieder zu gemauert (wir sind doch durch die Wand). Die WP und der Kessel sind im Keller …“

ID-Wärmetauscher

03.011.2016: [Die Arbeit hält einen von der Arbeit ab]:

“ … Ich brauche immer etwas länger. Muss ja nebenbei arbeiten gehen 😊. Aber der Bau vom Kollektor hat Spaß gemacht … Wir schließen jetzt die Außenarbeiten ab und basteln dann im Keller weiter 😊 …“

ID-Kollektor

30.11.2016: [Reglerkomponenten]:

„…Das Paket ist angekommen. Ist ein bisschen wie Weihnachten 😉 …“

[Die Weisheit des Alters kommt zu spät]:

„… BTW Opa meint, den 1. Eisspeicher baut man für seinen Feind, den 2. für seinen Freund und erst den 3. für sich selbst. Scheint so, dass er Recht hat … jedenfalls was die Erfahrung anbelangt …“

13.12.2016: [Beim Verkabeln der Regelung wird streng nach Norm vorgegangen]:

„… Habe erstmal nach der „strengen“ Industrienorm „Open Free Scale“ im Keller alles wild verdrahtet, um Ergebnisse zu haben. Winsol ist auch bereits am tun. Cool…“

ID-OpenFreeScale

[Unerklärliche (?) Temperaturabweichung der Eisspeichersensoren]:

„… Wir sind gerade beim Auffüllen des Eisspeichers (ca. bei 30 m³). Interessanterweise sind wir dabei auf eine alle 133,33 Jahre auftretende mysteriöse Temperaturanomalie gestoßen. Oder es haben sich ein paar Erdstrahlen verfangen …“

[Zeitgerechte Öffentlichkeitsarbeit]:

„… aber ich prahle hier schon mal mächtig vor den Kollegen 😉 …“

03.01.2017: [Letzte Vorbereitungen]:

„… Habe über Weihnachten den Keller aufgeräumt und die Anlage an ihren endgültigen Platz verbaut … Also eigentlich müsste ich am Start sein. 🙂 … Das Unternet will ich auch wieder einbinden …“

09.01.2017: [Wärmepumpen-Test]:

“ … so, gestern am 08.01.2017 haben wir unseren ersten Test der WP durchgeführt. Wir haben uns im Anschluss einen Whisky mehr gegönnt (als sonst). Schließlich haben wir vor 1 Jahr mit den Planungen angefangen …“

ID-ErsterWPTest

18.01.2017: [Rüsselpest & Delirium 2]:

“ … Ich pflege gerade meine alljährliche Rüsselpest (zu wenig Eisbaden, aber das kann ja noch kommen, ist ja jetzt gleich um die Ecke) … Habe dann versucht, Hausaufgaben zu machen. Nachdem ich jetzt den Grundkurs in Quantengravitation durch habe und im letzten Kapitel stand, Thermodynamik sei weitestgehend noch unverstanden, und im Grunde ist das relativ, bin ich wieder etwas ruhiger geworden … „

06.02.2017: [Schrittweiser Umstieg]:

„… Ich habe jetzt seit 2 Tagen das Hygienewasser am Laufen. Als nächstes gehen wir an die Einbindung der Heizung ran …“

15.02.2017: [Ein falsch konfigurierter Sensor wird entlarvt]:

„… Die aktuellen Messwerte bestätigen die Hypothese Deines Wissenschaftsoffiziers. Der Controller meldet jetzt ca. 3800 l/h … Aber cool, dass Ihr auf Eurem Holodeck so eine gute Arbeitsmoral habt …“

[Wenn die Sonne scheint]:

“ … Ansonsten sind wir hier gerade sehr zufrieden mit den energetischen Zuständen. 3 Tage Sonne satt, Strom umsonst für alles mit leichtem Überschuss, und der Eisspeicher ist auch wärmer als vorher. Ziemlich cool 😊 …“

26.02.2017: [Jener historische Moment]:

„… wir feiern den Anschluss der Hausheizung. Die Gasuhr steht 😊… Da wir ja nun im Hochenergie-Zeitalter angekommen sind, und daran denken, die Anlage auf eine Umlaufbahn zu schießen, hat Opa die WP schon mal Satelliten-startklar gemacht …“

ID-SatellitenWärmepumpe

27.02.2017: [Ein edler Tropfen zu einem würdigen Anlass]:

„… ein großes Dankeschön für die beste Projektleitung ever. 😊 Ich weiß nicht, welche Whisky-Sorte Du trinkst. Das ist jedenfalls ein Single Malt Speyside …“

ID-SigleMaltSpeyside

LEO, NEO & QUADRO

Wie schön doch das Geräusch einer Wärmepumpe sein konnte! Besonders jetzt, da sie das erste Mal nach dem Bau seiner neuen LEO_2-Anlage angesprungen war und beruhigend vor sich hin brummte!

162tage-waermepumpe-2

Wie schön doch das Brummen der Wärmepumpe sein konnte …

Irgendwo weit, weit weg von Pannonien fiel einem verwegenen Siedler, der über den Sommer seine Heizung umgebaut hatte, ein großer Stein vom Herzen. Nicht auszumalen, was passiert wäre, wenn er die Anlage nicht rechtzeitig zum Laufen gebracht hätte! Nachdem ihm der sommerliche September noch etwas Aufschub gewährt hatte, war dann doch schön langsam die Kälte in seine Siedlerhütte gekrochen und hätte binnen kürzester Zeit zu einer Meuterei seiner ‚Mannschaft‘ geführt. Aber diese Gefahr war nun definitiv abgewendet!

162tage-ol-schema-jpg

Mit dem Online-Schema hatte er die ganze Anlage im Überblick und konnte sich damit rasch von deren korrektion Funktion überzeugen …

Während er gespannt auf die Anzeigen der Sensorwerte blickte, fiel langsam die Spannung des vergangenen halben Jahres von ihm ab. Er hatte nicht damit gerechnet, wie intensiv diese Zeit werden würde, nachdem er damals die Tüftler aus dem fernen Pannonien kontaktiert hatte…

Aber er hatte ja nicht nur in Rekordzeit ‚irgendein LEO_2‘ gebaut, sondern auch seine eigenen ganz speziellen Ideen verwirklicht, die er in vielen E-Mails und Online-Sitzungen mit Irgendwem diskutiert und verfeinert hatte.

So hatte er zusätzlich zur bestehenden Regenwasserzisterne einen weiteren Eisspeicher verbuddelt. Aber nicht irgendeinen, sondern den Fetten Blauen Ring-Wurm, wie ihn Irgendwer bezeichnete (was der immer mit seinem Gewürm hatte …). Aufgrund des hohen Grundwasserspiegels und der Zugänglichkeit seines Grundstückes hatte es aber nicht wirklich eine bessere Alternative gegeben.
Es war zwar nicht ganz einfach gewesen, das Trägergestell und den Wärmetauscher einzubauen, aber schließlich hatte er gemeinsam mit Irgendwem doch noch eine Lösung ausgetüftelt. Nach ‚einigen‘ unvergesslichen Stunden im Inneren von ‚NEO‘ hatte er sogar noch das alte ‚Quadro‘-Kinderspielzeug wiederverwertet, das ohnehin nur im Keller verstaubt war …

162tage-innereien-von-neo

Die perfekt ausgetüftelte Lösung: Wiederverwertung des ausgedienten Kinderspielzeugs ‚Quadro‘ für ein Trägergestell im NEO-Eisspeicher …

Auf den Schlauchkollektor hatte er zunächst verzichtet. Stattdessen hatte er seine Photovoltaik-Module an der Rückseite mit einem Wärmetauscher versehen, der statt dem Schlauchkollektor in den Solekreis eingebunden war. Damit wollte er einerseits Umweltenergie aus Luft und Sonne für LEO_2 sammeln, und andererseits die PV-Module kühlen und damit deren Effizienz steigern. Ob dieses Kalkül aufging, würde er dann spätestens nächstes Frühjahr wissen …

162tage-pv-kollektor

Der kommende Winter wurde spannend: Konnten die Wärmetauscher auf der Rückseite seiner Photovoltaik-Module den Schlauchkollektor wirklich vollständig ersetzen …?

Und ein paar weitere Ideen hatte er noch im Hinterkopf, die er aufgrund der begrenzten Zeit im ersten Anlauf noch nicht in die Tat umsetzen konnte. Im Gesamtkonzept waren sie bereits vorgesehen, mussten aber noch ein wenig auf ihre Realisierung warten …

Photovoltaik und Wärmepumpe: Jahresbilanz

Nach einigen ausgewählten Tageskurven folgt hier die Jahresübersicht: Das war des erste Solarstromjahr der Siedler. Von Juni 2015 bis Mai 2016 …

  • … hatte die Siedlerhütte 6.600 kWh Strom verbraucht.
  • Davon verbrauchte die Wärmepumpe ca. 3.600 kWh
  • … um daraus 16.800 kWh Heizenergie zu erzeugen (inkl. Warmwasserbereitung) – in einer milden Heizsaison.
  • Damit bleiben 3.000kWh sonstiger Stromverbrauch für Haushalt, Büro, Steuerung und Hilfspumpen.

Die Photovoltaikanlage ….

  • hatte insgesamt 5.600 kWh ‚erzeugt‘ – kein schlechter Wert für eine 4,8kW-Anlage mit SO- und SW-orientierten Modulen.
  • Davon wurden 2.000 kWh direkt verbraucht und der Rest eingespeist.
  • Pro Tag wurden maximal 33,24kWh erzeugt (am 22.05.2016)

Die Monatsbilanzen zeigen den krassen Unterschied zwischen Sommer und Winter: Im Sommer kann der Bedarf der Wärmepumpe leicht durch die PV-Ernte abgedeckt werden, aber im Winter wird nur ein Bruchteil der täglich benötigten Heizenergie überhaupt erzeugt.

In den folgenden Diagrammen wird…

  • die monatliche PV-Erzeugung dargestellt als Summe aus der sofort im Haus verbrauchten PV-Energie und der ins Netz eingespeisten Energie.
  • Der monatliche Stromverbrauch ist die Summe von direkt verbrauchter PV-Energie und aus dem Netz bezogener Energie und
  • … und wird zum Vergleich dargestellt als Summe des Energieverbrauchs der Wärmepumpe und aller anderen Geräte.

Monatliche Energiebilanzen zur Photovoltaik-Anlage: Direktverbrauch, Einspeisung, Netzbezug,

Monatliche Energiebilanzen: Stromverbrauch des Kompressors der Wärmepumpe und aller anderen Geräte im Haushalt

Im Juni werden nur 300kWh benötigt – davon werden 200kWh direkt von der PV-Anlage geliefert (die insgesamt über 700kWh produziert). Im Januar dagegen werden 1100kWh benötigt und die PV-Anlage produziert nicht einmal 200kWh – da würde auch keine Batterie helfen.

In Januar sieht die Bilanz auch für jeden einzelnen Tag eher jämmerlich aus:

Tagesbilanzen PV-Energie Januar 2016: Direktverbrauch, Netzeinspeisung

Tagesbilanzen Januar 2016: Gesamter Stromverbrauch, Kompressor Wärmepumpe

Oft werden nur einige kWh geerntet, aber die Wärmepumpe benötigt fast immer mehr als 25kWh. Wenn die Siedlerhütte heute in Niedrigenergiebauweise neu gebaut würde, würde sich der Heizenergiebedarf bestenfalls halbieren – aber selbst dann würde die PV-Energie bei Weitem nicht ausreichen.

Im gesamten Jahr wurden 30% des Stromverbrauchs direkt von der PV-Anlage gedeckt (Autarkiequote = PV-Direktverbrauch / Stromverbrauch) und 35% der PV-Produktion wurden sofort genutzt (Eigenverbrauchsquote = PV-Direktverbrauch / PV-Erzeugung):

Kennzahlen zur Photovoltaik-Anlage: Eigenverbrauchsquote und Autarkiequote

Diese Quoten sind jetzt nicht wesentlich höher als typische Kennwerte, wie sie für Häuser ohne Wärmepumpenheizung angegeben werden. Trotzdem bewerten die Siedler diese Zahlen positiv aus wirtschaftlicher Sicht:

‚Rendite‘: Insgesamt haben die Siedler € 575 gewonnen – durch Netzeinspeisung um ca. € 0,06 / kWh und zu einem größeren Teil durch Eigenverbrauch von Strom, der sonst € 0,18 / kWh kosten würde. Bei typischen Anlagenkosten von € 2.000 pro kW-Peak ist das eine Rendite von fast 6% – nicht schlecht in Zeiten von Diskussionen über Negativzinsen.

Vergleich mit den Heizkosten: Die Wärmepumpen-Stromkosten (€ 0,18 / kWh) haben in diesem Jahr ca. € 650 betragen. Damit konnten die Heizkosten fast mit dem PV-Gewinn abgedeckt werden und die Siedler waren zu 88% ‚finanziell heizenergieautark‘.

‚Regionalpolitiker-Pseudoautarkie‘: Wie die regionalen Fürsten könnten sich auch die Siedler damit brüsten, dass ihre persönliche Region übers Jahr gerechnet fast autark ist: 85% der verbrauchten elektrischen Energie wurden von der PV-Anlage geliefert – wenn auch nicht unbedingt immer zum richtigen Zeitpunkt.

Würde sich eine Batterie rechnen? Auf der Basis typischer Lastprofile und Kennwerte könnte die Autarkiequote von 30% auf 55% gesteigert werden (für eine ausführlichere Rechnung und Verweise siehe diesen elkementaren Artikel). Damit könnten weitere ca. 2.000kWh selbst verbraucht werden und der Profit würde entsprechend der Differenz von Stromkosten (€ 0,18) und Gewinn beim Einspeisen (€ 0,06) steigen – um € 240 pro Jahr. Wenn eine Batterie also 20 Jahre leben würde, dürfte sie nicht mehr als ca. € 5.000 kosten, damit sie sich während ihrer Lebensdauer rechnet.

Photovoltaik und Wärmepumpe: Tagesverläufe

… aber den Strom, den kann ich mir auch selber machen – im Gegensatz zu Pellets, Holz, Gas oder Öl  …

So ähnlich begründen viele Siedler und Wärmepumpenfreaks die Wahl ihrer PV-Anlage. Auch auf diesem Blog wurde zu diesem Thema schon berichtet und philosophiert – mit der gebotenen Vorsicht: Die täglichen Energiebilanzen zeigten, dass es ohne Batterie nur schwer gelingt, Eigenverbrauch und ‚Autarkie‘ deutlich zu steigern gegenüber einem Haushalt ohne Wärmepumpe – trotz des Energiehungers der Wärmepumpe, der Optimierung des Warmwasserprogrammes und der obsessiven Beschäftigung mit den Eigenheiten sämtlicher Stromverbraucher.

Die folgenden Bildchen aus dem ersten Betriebsjahr sollen das an einigen täglichen ‚Leistungskurven‘ im Lauf eines Jahres zeigen. Uhrzeiten werden ohne Berücksichtigung der Sommerzeit dargestellt.

Verglichen wird jeweils der tägliche Verlauf …

  • … der vom PV-Generator gelieferten elektrischen Leistung (Geloggt am Fronius-Symo-Wechselrichter)
  • … der benötigten Leistung für den Kompressor der Wärmepumpe (Gemessen mittels Energiezähler CAN-EZ an der Steuerung UVR1611)
  • … dem Nettostromverbrauch des gesamten Hauses inklusive Wärmepumpe, wobei die Überschusseinspeisung positiv gezählt wird (Smart Meter EM210, direkt hinter dem Siemens-AMIS-Zähler des Netzbetreibers angebracht).

Eine (nicht modulierende) Wärmepumpe liefert immer die nominelle Heizleistung und benötigt daher als Input ca. 1/4 dieser Energie. Die Siedler verwenden eine 7kW-Wärmepumpe. Damit muss der PV-Wechselrichter – je nach aktuell benötigter Heizungs- oder Warmwasservorlauftemperatur – zwischen 1,5 und 2,5kW liefern. Je mehr Heizenergie benötigt wird, umso länger / öfter läuft die Wärmepumpe. Der PV-Generator muss also genau zum richtigen Zeitpunkt eine relativ hohe Leistung zur Verfügung stellen.

Das bestmögliche Ergebnis im tiefsten Winter

An einem sonnigen Tag nahe der Wintersonnenwende kann im besten Fall zwischen 10:00 und 14:00 durch Sonnenenergie alleine geheizt werden:

2015-12-31: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Diese Tage sind aber selten und in der kalten und langen Nacht wird ein wesentlicher Teil der Heizenergie benötigt.

Sommerlicher Überschuss

Im Sommer liefert die PV-Anlage untertags genug Energie um den Haushaltsstrombedarf zu decken und sogar zweimal Warmwasser aufzuheizen – in der Früh und am Nachmittag:

2015-07-01: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Aber selbst wenn die Spitzen wolkenbedingt abgeschnitten würden, würde es an der gesamten Tagesbilanz gar nicht so viel ändern: Die Wärmepumpe benötigt im Sommer nur einen Bruchteil der gesamten verbrauchten Energie – 1-2kWh von 10-11kWh pro Tag.

Fette Ernte im Frühling

An einem ebenso schönen Frühlingstag ist der PV-Output aufgrund der geringeren Außentemperatur höher als an einem heißen Sommertag. Da noch geheizt wird, können neben der Warmwasserbereitung auch weitere Heizintervalle abgedeckt werden – die optimale Situation.

2016-04-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Die elektrischen Leistungen für den Kompressor der Wärmepumpe liegen in der gleichen Größenordnung wie die Leistungsspitzen von Haushaltsgeräten wie Herd oder Wasserkocher zum Erhitzen benötigt werden. Kochen während eines Heizintervalls könnte man ’stromautark‘ mit der 5kW-PV-Anlage der Siedler nur zu Mittag an solchen Tagen.

Der Normalfall: Schlechtes Timing

An einem typischen Tag in der Übergangszeit wechseln Wolken und Sonnenschein rasch ab. In diesem Beispiel passt das Timing der Warmwasserbereitung genau nicht zu den optimalen Ernteintervallen.

2016-03-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Zu Mittag wurden an dem Tag mehr als 3,5kW verbraucht (negative blaue Spitze) – hier siegte das unkontrollierbare Bedürfnis nach Kaffee oder Tee über die Energiespar-Begeisterung. Auch die smarteste Regelung könnte diesen raschen Wechsel von Sonne und Wolken nicht vorhersehen (außer man verfolgt einzelne Wolken…). Aus diesem Grund sind die Siedler auch etwas skeptisch, was das Anfordern der Wärmepumpe durch ein Signal der PV-Anlage betrifft.

Wärmepumpe und Photovoltaik: Neues aus der Zählwerkstatt

In Diskursen mit anderen Siedlern kommt immer wieder die Frage auf, ob man mit einer Photovoltaikanlage im Winter (in sinnvollem Ausmaß) Strom für die Wärmepumpe bereitstellen kann. Wir befragen daher wieder die Datenkrake!

Seit der ersten Optimierung des täglichen Warmwasserprogrammes hinsichtlich Photovoltaikstrom sind nun einige Monate vergangen: Das tägliche Maximum hat sich im Winter in den Vormittag verschoben (Winterzeit!) und wurde natürlich geringer. Allerdings liegt die PV-Leistung auch um die Wintersonnenwende bei Sonnenschein immer noch über der 2kW-Grenze:

PV-Leistung über Tageszeit, Dezember versus Mai

AC-Output-Leistung des PV-Generators(10 Module SO, 8 Module SW)  am Rekordtag mit der höchsten bisher gemessenen Tagesausbeute (32,9kWh) – im Vergleich zu dem ’schönsten‘ Tag in der Nähe des 21. Dezember. 2kW ist die Leistung, die die Wärmepumpe für die Warmwasserbereitung benötigt. Die Dezemberdaten sind nach der Umstellung auf Winterzeit um eine Stunde ‚verschoben‘.

Für die Raumheizung können damit im Winter theoretisch noch die Zeiten unmittelbar vor und nach der mittäglichen ‚Warmwasser-Stunde‘ genutzt werden – wenn das Zentralgestirn sich denn auch zeigen würde!

In den folgenden Grafiken wird die tägliche und monatliche ‚Bilanz der elektrischen Energie‘ auf drei Arten dargestellt:

  1. Der Stromverbrauch der Siedlerhütte als Summe von direkt verbrauchtem PV-Strom und dem vom Netz bezogenen.
  2. Der erzeugte PV-Strom als Summe des direkt verbrauchten und des ins Netz eingespeisten Stroms.
  3. Der interne Stromverbrauch – also die Summe in (1) – aber dieses Mal als Summe der Energie für den Kompressor der Wärmepumpe und dem restlichen Haushaltsstrom inkl. Energie für Steuerung und Hilfspumpen.

Zum ersten Mal werden damit die Daten aus dem UVR1611-CMI-Logging, dem PV-Wechselrichter (Fronius Symo) und dem Smart Meter EM210 für den Eigenverbrauch friedlich vereint präsentiert.

Monatlicher Überblick, seit Start des Betriebes am 6. Mai 2015:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im jahr 2015, seit Inbetriebnahme Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Mai-Dez 2015

Mit Beginn der Heizsaison steigt ’schlagartig‘ der Eigenverbrauchsanteil (Direktverbrauch / Erzeugung), dafür fällt die Autarkiequote (Direkverbrauch / gesamter Verbrauch).

PV: Autarkiequote versus Eigenverbrauchsquote, Mai-Dez 2015

Sommer

Die Tagesbilanzen im Juli zeigen, dass es relativ einfach ist, im Sommer den Strombedarf der Wärmepumpe (für die Warmwasserbereitung) abzudecken. Der ist nämlich deutlich geringer als die sonstige Grundlast des Hauses.

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Januar 2016

Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Juli 2015

Winter

Im Dezember ist der tägliche Verbrauch dagegen deutlich höher als die gesamte tägliche Erzeugung, wofür die unersättliche Wärmepumpe verantwortlich ist. Der sonstige Strom ist im Winter ebenfalls leicht erhöht – durch mehr Licht und die Heizkreispumpen – was aber im Vergleich zum Kompressorstrom wenig ins Gewicht fällt.

Die Siedlerhütte hat einen Energiejahresbedarf inklusive Warmwasser von ca. 20.000kWh; der tägliche Heizenergiebedarf an einem sehr kalten Tag sind ca. 130kWh – das bedeutet ca. 33kWh WP-Strom bei einer Arbeitszahl von 4. Im milden Dezember 2015 wurden meist nicht einmal 25kWh inklusive Warmwasser benötigt:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Dezember 2015

Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Dezember 2015

Im Januar dagegen zeigt dann ein eher grimmiger Pannonischer Winter sein unfreundliches Gesicht: In den ersten Tagen waren die mittleren Außentemperaturen deutlich unter Null. Leider konnten die Siedler aber mangels Sonnenschein auch die bei Kälte höhere Effizienz ihres PV-Generators nicht ausnutzen – damit blieb der Solarertrag jämmerlich:

PV: Verbrauch, Erzeugung und Netzbezug im Januar 2016 Stromverbrauch: Haushaltsstrom und Kompressor der Wärmepumpe, Januar2015

Zusammenfassung

Man erkennt aus den Tagesbilanzen, dass im Sommer wie im Winter maximal ca. 10kWh PV-Strom pro Tag direkt verbraucht werden können (z.B. 5.7. im Vergleich zu 31.12.). Der wesentlich höhere Verbrauch an Heizstrom im Winter kann den maximalen Direktverbrauch damit nicht wesentlich erhöhen.

Die typische ‚Büro-Tagesgrundlast‘ in der Siedlerhütte sind ca. 500W. An einem langen (sonnigen) Sommertag können bis zu 6 kWh PV-Strom durch die Tagesdauerverbraucher genutzt werden. Die Wärmepumpe benötigt während der Mittagszeit weitere 1-2kWh (‚Warmwasser-Peak‘). Weitere Lastspitzen diverser Elektrogeräte wie Wasserkocher und Herd ergänzen die Gesamtsumme zu ca. 10kWh.

An einem kurzen (sonnigen) Wintertag kann der Bürobetrieb nur 3-4kWh verbrauchen. Zu Mittag kann die maximale PV-Leistung die Grundlast und den daraufgesetzten ‚Warmwasser-Peak‘ der Wärmepumpe gerade abdecken. Die Wärmepumpe liefert nun weitere Lastspitzen über den Tag verteilt – nur können diese nur teilweise durch PV Strom abgedeckt werden, genauso wie der Bedarf von Herd, Wasserkocher & Co.

Die detaillierte Datenauswertung zeigt anschaulich, was die Siedler intuitiv schon vermutet hatten:

  1. Bei guten Bedingungen lag an 7 sonnigen Tagen im Dezember 2015 die PV-Ernte zwischen 10 und maximal 13,5 kWh pro Tag. Der Tagesdurchschnitt kam in diesem Monat über bescheidene 5,3 kWh nicht hinaus.
  2. Bei einem täglichen Energiebedarf der Siedlerhütte von bis zu 45 kWh (ca. 10kWh Grundlast und 35kWh für die Wärmepumpe) werden zwar fast 80% des produzierten PV-Stromes direkt selbst verbraucht, angesichts der Grundlast ist der Beitrag für die Wärmepumpe dabei aber eher gering.
  3. Trotz Wärmepumpe können 20% der PV-Ernte nicht direkt genutzt werden. Das entspricht im Dezember 2015 ca. 35 kWh, also etwa dem Wärmepumpenstrombedarf von 1 Tag.
  4. Wenn man annimmt, dass der im Dezember 2015 direkt verbrauchte PV-Strom ausschließlich für die Wärmepumpe verwendet worden wäre, hätte man damit ca. 21% des Bedarfes decken können.

Siedler-Sonnenenergie: Zwischenstand

Einige Monate sind ins Land gegangen, seitdem die Siedler ihr Solarkraftwerk in Betrieb genommen hatten, ihre Zählerlandschaft erweitert und die Messdaten in ihre persönlichen Datenkrake integriert.

Wie sehen ‚die Zahlen‘ aus?

Besondere Tage und Effekte

Der Mai begann vielversprechend: Der absolute tägliche High Score seit der Inbetriebnahme wurde bereits am 11. Mai erzielt. Dagegen war die geringste gemessene Ausbeute an einem verregneten Septembertag eher jämmerlich:

PV: Tage mit max. und min. Ausbeute, Mai-Sept 2015

Der beste Tag: 11.Mai mit einer Ausbeute von fast 33 kWh. Der schlechteste Tag: 25.September bis nicht einmal 1 kWh. AC = Wechselspannung, Output-Leistung. DC = Gleichspannungs-Leistung der beiden Strings – 10 Module Richtung SO, 8 Module Richtung SW, 4,77 kWp insgesamt.

Die höchsten Leistungsspitzen wurden an sonnigen, aber nicht zu heißen, Tagen mit durchziehenden Quellwolken beobachtet – im Datenlogging (Intervall 5 Minuten) finden sich an drei Tagen einige wenige Spitzen mit 4,3 kW:

PV: AC-Leistung 2015-06-21

Typische Leistungsspitzen nahe an der Nennleistung des Wechselrichters (4,5 kW), abwechselnd mit Einbrüchen beim Durchzug von Wolken (Datenlogging Fronius Symo).

Noch weitere Details – und das ‚dramatische Ausmaß‘ dieser Spitzen – wird deutlich, wenn das Logging-Intervall auf 1-2 Sekunden erniedrigt wird:

PV: Leistung, Logging-Intervall 1-2 Sekunden

Leistung beim Durchzug von Wolken. Die Daten wurden einige Stunden lang mit einem Script direkt von der Website des Wechselrichters abgegriffen.

Die besonders hohe Leistung nach dem Durchzug von Wolken wird durch zwei Effekte verursacht:

  • Die ‚Fokussierung‘ von Strahlung (Reflexion oder Brechung) am Rand der Wolken – damit gelangt auf das ‚Loch‘ zwischen den Wolken mehr Strahlung (Details dazu siehe z.B. hier)
  • die zwischenzeitliche Abkühlung der Module, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.

Ohne Temperatursensor in der Nähe der Module lässt sich nicht sagen, welcher Effekt überwiegt. Generell können die Siedler aber den negativen Effekt sehr hoher Temperaturen qualitativ nachweisen:

Als Referenzwert dient die gemessene Tagessumme der Globalstrahlung auf eine senkrechte nach SO ausgerichtete Fläche. Wir suchen zwei fast perfekte Tage mit gleicher gemessener Referenzstrahlung, mit wenigen Tagen dazwischen (daher geringem Unterschied im Sonnenstand) und sehr unterschiedlichen Temperaturen. Am Tag mit der höheren Lufttemperatur ist die Energieausbeute deutlich geringer:

PV: Vergleich von PV-Ausbeute, Globalstrahlung und Lufttemperaturen.

Vergleich der täglichen PV-Energie-Ernte mit der Globalstrahlung pro m2 auf eine senkrechte nach SO ausgerichtete Fläche und der mittleren und maximalen Lufttemperatur. Mit grün gepunkteten Linien markiert: 1.August und 12.August mit gleichen Globalstrahlungswerten, aber sehr unterschiedlichen Temperaturen und PV-Ernten.

Am 1. August war der Ertrag trotz einigen Wölkchen höher als am 12. August, dem Rekordhitzetag dieses pannonischen Sommers:

PV: Vergleich heißer und kühlerer Tag im August.

An diesen beiden Tage wurde am Kollektor die gleiche Globalstrahlungssumme gemessen. Die Unterschiede in der PV-Leistung können in erster Linie durch die sehr unterschiedlichen Lufttemperaturen erklärt werden. (Logging Symo-Wechselrichter, kombiniert mit Daten UVR1611 / CMI).

Statistik

Zur Beurteilung wie gut die Anlage zum Eigenverbrauch ‚passt‘ kann man den direkt in der Siedlerhütte verbrauchten PV-Strom entweder mit dem eigenen Gesamtverbrauch vergleichen oder der gesamten täglichen PV-Ausbeute:

PV: Direktverbrauch, Netzbezug, Netzeinspeisung monatlich.

Monatsübersichten. Der Mai ist nicht vollständig, da die Anlage mit Zähler erst am 5.5. in Betrieb genommen wurde. Eigenverbrauchsdaten wurden bis Mitte Juni täglich manuell vom ’smarten‘ Zähler des Netzbetreibers abgelesen (Siemens AMIS TD-3511 und ab dann aus dem Logging des eigenen, zusätzlichen (wirklich) smarten Zählers ermittelt (B-Control EM210, Intervall 15 Minuten).

In der Sprache der PV-Kennzahlen: Die Siedler konnten Juni-August 60% ihres Bedarfs ‚direkt von der Sonne‘ decken (Autarkiequote) bei einer Eigenverbrauchsquote von ca. 25%; im September sinkt die Autarkiequote und steigt der Eigenverbrauch:

PV: Autarkiequote vs. Eigenverbrauchsquote

Autarkiequote: PV-Direktbezug zu Siedlerhüttenverbrauch. Eigenverbrauchsquote: PV-Direktbezug zu PV-Ernte.

Dieses Bild wird sich in der Heizsaison schlagartig ändern. Am ‚jämmerlichsten‘ Tag, dem 25. Sept., konnte z.B. eine Eigenverbrauchsquote von 100% erreicht werden, da die Solarausbeute gering war und sich der Herzschlag von LEO_2 an diesem Tag mit dem ersten Heiz-Lebenszeichen bemerkbar gemacht hatte:

PV: September 2015, tägliche Energiebilanz

Wie man aus dieser Darstellung erahnen kann, bieten die Energieverbrauchsdaten auch einen Fingerabdruck des nicht allzu aufsehenerregenden Lebens der Siedler. ‚Aus Sicherheitsgründen‘ werden diese Messdaten daher immer erst nachträglich veröffentlicht. (Na ja, im Voraus wäre es ohne Zeitmaschine ohnehin nicht möglich…)

Im Juli beispielsweise konnten die Siedler während einer dreitägigen Forschungsreise ihrem minimalen täglichen Stromverbrauch ermitteln:

PV: Juli 2015, tägliche Energiebilanz

Die Siedlerhütte hatte tatsächlich täglich 4 kWh benötigt, um sich mit sich selbst zu beschäftigen. Die genaue Analyse und Reduktion dieser Grundlast ist Thema eines neuen Forschungsprojektes und zukünftiger Geschichten.