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!

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.

Die Datenkrake – Reloaded

Unsere Datenkrake wächst und mutiert still und heimlich. Nachdem Irgendwer ein Tentaktel einen Teilaspekt beleuchtet hat, wird es Zeit für ein umfassenderes Update.

Unter Datenkrake verstehen wir Infrastruktur und Software zur Auswertung von Messdaten des Wärmepumpensystems LEO_2 oder von weiteren ‚Energie-relevanten‘ Systemen wie Photovoltaik-Generator und Stromverbrauch.

Sensoren und Original-Messdaten

Am Anfang der Datenlawine stehen die Messdaten diverser Sensoren – diese müssen in kurzen Zeitintervallen auf einem Logger abgelegt werden. Vom Logger werden die Daten über Ethernet weiter transportiert in ein 0815-Computernetz-Netzwerk.

In der Siedler-Infrastruktur ist der wesentliche Datenlogger das zu den Steuerungen UVR1611 und UVR16x2 gehörende C.M.I – Control and Monitoring Interface. Alle 1,5 Minuten werden über den CAN-Bus Werte für Temperatur, Durchfluss, Strahlung, Druck etc. gesendet. Die aktuellen Werte sind auch im Online-Schema sichtbar – einer Darstellung, die vom Webserver auf dem CMI erzeugt wird:

Online-Schema: CMI punktwissen

Der Zugriff auf das Online-Schema ist nur mit einem registrieren Benutzer möglich. Wir wiederholen unser Angebot, interessierten Siedlern (temporären) Zugriff zu geben – bitte E-Mal an:
punkt [ät] punktwissen [dot] at

Die Sensoren sind …

  • direkt an den Eingang einer der Steuerungen angeschlossen,
  • über den DL-Bus an die UVR1611 oder UVR16x2
  • oder über Erweiterungsmodule wie CAN-IO – hier ist z.B. der Globalstrahlungssensor angeschlossen – oder CAN-EZ, von den Siedlern als Stromzähler für Verbrauch der Wärmepumpe verwendet.

Das CMI ist ebenso ein Gerät am CAN-Bus, der insgesamt momentan so aussieht:

CAN-Bus punktwissen, Darstellung CMI

BL-NET ist der Vorgänger-Logger, der nur zu ‚Forschungszwecken‘ angeschlossen bleibt. Dieses parallele Logging wird vom Hersteller nicht empfohlen!

Neben Logging und Online-Schema dient das CMI auch als Fernbedienung für die Regler, zur Einstellung von Parametern oder Firmware-Updates. Über das Webportal der Technischen Alternative ist das CMI (optional) auch von extern über das Internet erreichbar.

2015 wurde die Siedler-Infrastruktur um zwei weitere Datenquellen mit Logger erweitert, beide sind über WLAN angebunden:

Einen Fronius Symo-PV-Wechselrichter mit eingebautem Datalogger (mit einem USB-Stick als lokalem Speicher) …

Fronius Symo Wechselrichter mit Data Logger - WLAN-Antenne und USB-Stick

… und ein Smart Meter zur Messung des Eigenverbrauchs:

Smart Meter EM210 mit WLAN-Antenne, montiert im Zählerkasten über dem Siemens-Zähler des EVU.

Nähere Details zu den Features dieser Logger wurden hier beschrieben. Wichtig war für die Siedler, dass Messdaten immer lokal – also nicht nur über eine ‚Hersteller-Cloud‘ zur Verfügung stehen und dass sich die Daten einfach zusammenführen lassen mit den UVR-Daten, um z.B. den Haushaltsstromverbrauch mit dem Strom für den Kompressor der Wärmepumpe vergleichen zu können oder eine Korrelation von Außentemperatur und PV-Ausbeute zu finden.

Die CSV-Datei als das ultimative Austauschformat

Das endgültige Ziel des Messdatensammlers ist eine einfache Auswertung der interessanten Kenndaten, wie z.B. der monatlichen Arbeitszahlen der Wärmepumpe oder der Autarkiequote für die PV-Anlage.

Man kann die Daten vom eigentlich Logger sofort abzugreifen und in eine Datenbank schreiben – das ist z.B. der Ansatz des UVR Data Logger Pro, der CMI (oder den Vorgänger BL-NET) wie ein CAN-Ethernet-Gateway verwendet.

Die Siedler als IT-Dinosaurier verlassen sich auf simple Textdateien als Zwischenspeicher: CSV-Dateien können in beliebige Datenbankserver importiert werden, und die Daten anderer Siedler können analysiert werden auch wenn man  in deren Infrastruktur nicht direkt eingreifen kann.

Der Datenbankserver …

… stammt von jener Firma, deren Gründer heute sehr aktiv im Bereich erneuerbarer Energien ist.

Logfiles werden von den drei Loggern CMI, Fronius Data Logger und EM210-Zähler abgeholt und mittels SQL-Skript in einen Microsoft SQL Server importiert. Zusätzlich wird der Server mit einer CSV-Tabelle von einigen Daten gefüttert, die noch oder zusätzlich manuell abgelesen werden (z.B. dem Wärmemengenzähler in der Wärmepumpe).

Die wesentliche Herausforderung, diese Krake bei Laune zu halten, besteht in der laufenden Änderung des Systems durch neu hinzugekommene Sensoren oder neue Auswertungen. Die SQL-Scripts werden so angepasst, dass die komplette Datenbank jederzeit neu aus den sich langsam ändernden Logfiles aufgebaut werden kann.

SQL Server Manager - Views und Scripts

Auswertung und ‚Front-End‘

Die Ansichten in jener Datenbank enthalten alle gewünschten Berechnungen, wie z.B. Mittelwerte und Arbeitszahlen. Bei Mittelwerten muss berücksichtigt werden, dass viele Messdaten nur während bestimmten Betriebszuständen Sinn machen: Z.B. dürfen bei der Ermittlung der Kollektorernte nur Zeitintervalle beitragen, in denen der Kollektor auch zugeschaltet war. Da es sich um reale Messwerte handelt, ist insbesondere das automatische Ausblenden von ‚Sensor-Auszuckern‘ wichtig.

Wie Experten an unseren Diagrammen sicher schon gesehen hatten, wird Microsoft Excel zur Darstellung der Daten verwendet. Die Siedler schätzen die Möglichkeit, gewisse Details wie Farben von Linien manuell einzustellen und andererseits die gewünschten Zeiträume oder Auswahl von Feldern aus der Datenbank zu automatisieren.

Excel 'Plottomat' - zur automatischen Erstellung von Diagrammen aus SQL-Daten

Die puristische Excel-All-in-One-Variante

Jeder IT-Dinosaurier weiß, dass ein Haufen CSV-Dateien eigentlich schon eine Datenbank ist. Zur Analyse von Kundendaten wurde daher eine spezielle Variante der Auswertung entwickelt – auf dieses Tool bezieht sich auch Irgendwessen Posting.

Wesentliche Kennzahlen, wie sie in den SQL-Server-Ansichten definiert wurden, wurden in diesem Tool durch einen direkten Zugriff auf die monatlich erstellten UVR-CSV-Logs ersetzt. Um z.B. Summen oder Mittelwerte über Messwerte unter bestimmten Bedingungen zu erstellen (wie: Temperatur X für Tag Y wenn Wärmepumpe ein), kommt man um Excel-Matrixformeln nicht herum.

Wenn man es noch genauer wissen will:

Die Standard-Krake enthält UVR-Daten für alle 90 Sekunden, PV-Daten alle 5 Minuten und Zählerdaten alle Minuten. Daraus werden Ansichten für Tage, Monate, Kalenderjahre und Heizsaisonen gebildet.

Will man aber ausnahmsweise Daten sekündlich auslesen, stehen je nach Logger diverse Profi-Schnittstellen zur Verfügung wie Modbus TCP (einige wurden hier beschrieben). Was aber praktisch immer geht, ist das direkte Abgreifen der Daten von der entsprechenden Website zum ‚Mitschauen‘.

Greift man z.B. die große blaue Zahl hier jede Sekunde ab…

PV: Aktuelle Leistung, Anzeige Webportal

… kann man auch kurze Spannungspitzen sehen, die im 5-Minuten-Logging weggemittelt würden:

PV-Leistungsspitzen - nur wenige Sekunden breit

 

 

 

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.

Sonne und Wölkchen (5)

Nachdem sich die Gerüchte schon in Windeseile verbreitet hatten, können die Siedler die Neuigkeiten jetzt nicht mehr zurückhalten: Ihre Sonnenstromanlage wurde über ein Smartmeter, das aber nicht als solches betrieben wird, an das Stromnetz angebunden.

Die Siedler hatten nun lange überlegt, wie der sichere Betrieb ihrer besonders sicheren Anlage am besten zu gewährleisten ist. Gute Piktogramme zu erstellen ist ja bekanntlich eine Kunst.

Die Siedler starteten hierzu eine Feldstudie. Wie sollte der Raum der Energietransformation gekennzeichnet werden?

Durch den klassischen Blitz – aufgeppt in hippem Öko-Grün?

Schild - Blitz

Aber man sollte doch nicht zu sehr tiefstapeln, oder?

Schild - Elektrischer Betriebsraum

Oder sollte man zu Verschleierungsmethoden greifen, um eventuelle Wechselrichter- und Feuerwehrschalter-Diebe mit nicht 100% korrekten Informationen abzuschrecken – oder zumindest zu verwirren?

Schild - Triebwerksraum

Schild Rattenköder

Schild AnschlusskellerLetztendlich gewann doch das Bedürfnis der Siedler, wie immer Informationen wissenschaftlich-technsich korrekt auf den Punkt zu bringen.

Ausgangspunkt ist der Zählerkasten:

Schild - Zählerkasten

(Hinweis für Leser aus DE / CH: Kammerl = Kämmerchen, kleiner Raum.) Was noch fehlt ist der Hinweis auf die Zielgruppe der Pannonischen Einsatzkräfte, evtl. mit Übersetzung.

Hinter dieser geschmackvollen Holztüre mit Retro-Klinke befindet sich nun endlich die Sicherheitstechnik!

Schild - Wechselrichter-Kammerl

Damit gliedert sich das High-Tech-Equipment harmonisch in die Siedlerhütte ein – trotz der sehr speziellen Anbringung des Innenteiles an der Decke des Siedler-Büros konnte man den Feuerwehrschalter leicht vergessen:

Im Zuge der feierlichen Montage des Zählers musste die Stromversorgung der Siedlerhütte natürlich kurz gekappt werden. Dann kam endlich der ersehnte Moment, in dem der DC-Leistungsschalter des Wechselrichters umgelegt wurde. Aber es passierte… nichts! Tumultartige Panik brach aus, Notebooks und Manuals wurden hervorgekramt und das Wölkchen befragt (die Cloud). Der Chefingenieur allerdings grinste nur schadenfroh, als er in Zen-Meister-mäßiger Ruhe eine Leiter holte:

Hobts es leicht den Feuerwehrschalter ausglöst beim Trennen vom Netz?

(Deutsch: Habt ihr etwa den Feuerwehrschalter ausgelöst…?)

Für diese geistesgegenwärtige Reaktion wurde er daraufhin zum Feuerwehrschalter-Beauftragten ernannt und darf in Zukunft bei jedem Stromausfall den Schalter betäigen!

Ansonsten können sich die Siedler eine Woche nach Inbetriebnahme über folgende fast perfekte Sonnenverfolgungskurve freuen:

PV-Leistung am 2015-05-11

Der kleine Einbruch um 10:00 könnte durch ein Wölkchen oder einen Vogelschwarm ausgelöst worden sein. (Für Letzteres sprechen gewisse Spuren, die glücklicherweise nicht regensicher sind. Diesem Kollektor wird doch nicht dasselbe Schicksal drohen wie dem solarthermischen?)

Pro Tag wurden in der Siedlerhütte seit 5. Mai ca. 11kWh verbraucht; davon kamen  6kWh von der PV-Anlage. Erzeugt wurden im Schnitt 23kWh / Tag – ergibt derzeit eine Autarkiequote von 55% und eine Eigenverbrauchsquote von 27%.

Sonne und Wölkchen (3)

Die Siedler hatten dem Naturschauspiel erwartungsvoll entgegen geblickt. Erleichtert hatten Sie einer Postille des Pannonischen Netzbetreibers entnehmen können, dass sich jener „umfassend auf die Sonnenfinsternis am 20. März vorbereitet hatte und gut gerüstet war“. Es bestand

„…. keine unmittelbare Bedrohung für die Versorgungssicherheit in Österreich…“

Was lag also näher, als wie angekündigt selbst am nächsten Anschlag auf die Netzstabilität mitzuarbeiten?

Geheimnisvolle dunkle Energieschildee (?). Zeitpunkt: Vor Sonnenaufgang am Tag der Sonnenfinsternis.

Geheimnisvolle dunkle Energieschilde (?). Zeitpunkt: Vor Sonnenaufgang am Tag der Sonnenfinsternis.

Gerade am Tag der Sonnenfinsternis sollten die Photovoltaik-Paneele montiert werden. Aber bereits zum Beginn der Arbeiten wurden die Siedler vor eine unerwartete Herausforderung gestellt. Die Architektur der Siedlerhütte mit ihrem ortsunüblichen Kommandodeck (Obergeschoß mit hohem Mansardendach) sowie die geringfüg zu kurz geratene Aufstiegshilfe erforderten Improvisationstalent:

PV Installation Range Extender

Um die Patentierung des Biomasse-basierten, modularen ‚PV Installation Range Extender‘ nicht zu gefährden, können wir nicht alle Details preisgeben.

Bestens vorbereitet durch das mehrfache Studium aller Filme der Bourne-Serie wussten die Siedler von Geheimprogrammen zur genetischen Manipulation und heuerten einen Spezialtrupp an. Nur die Spiderman-artigen bionischen (Hand-)Schuhe machten die Montage auf dem schmalen Dach der Siedler möglich.

Vor Sonnenuntergang

Arbeiten am südwestseitigen Dach – kurz vor Sonnenuntergang.

Da das Foto-Equipment der Siedler technologisch weniger ausgereift war als die Kamera-Augen-Implantate der Spezialagenten, konnte der Abschluss der Montagearbeiten bei völliger Dunkelheit leider nicht dokumentiert werden. Wie dieses Foto zeigt, ist es außerdem gar nicht einfach, die neuen Energieschilde aus der Perspektive des unvoreingenommen Passanten auszumachen.

Einzig vom Chefsessel des Chefingenieurs aus können die neuen Module in Zukunft bei der Stromernte bewundert werden:

PV-Module, südostseitige Dachfläche

PV-Module auf der südost-seitigen Dachfläche. In dezentem schwarz, passend zur Farbe des Kollektors, ganz rechts im Hintergrund sichtbar.

Die Siedler freuen sich, die Energie der Sonne nun in Zukunft auf drei Arten ernten zu können. Die eigenwillige Dachform hatte sich letzendlich als überaus vorteilhaft herausgestellt!

  • Die effektivsten Solarkollektoren mit steilem Anstellwinkel sind optimal für die direkte Strahlungsernte bei tiefstehender Wintersonne.
  • Die Photovoltaik-Module auf der oberen Dachfläche mit einem optimalen  Neigungswinkel von 30° ernten die elektrische Energie für die Wärmepumpe.
  • Der Kollektor nimmt neben der Sonnenstrahlung auch bei niedrigen Temperaturen und in der Nacht Energie durch Konvektion aus der Luft aus und erntet damit die Umweltenergie für die Wärmepumpe.

Fortsetzung folgt…