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

 

 

 

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.

An der Kippe …

Die Zähl- und Messabenteuer der Siedler hatten zu folgendem Forschungsergebnis geführt:

Stromverbrauch in der Siederhuette, mit und ohne Lebensformen

Sommerlicher täglicher Stromverbrauch der Siedlerhütte – Haushalt, Warmwasser, Büro –  mit und ohne Lebensformen, Letzteres blau markiert. In der lebensformenfreien Zeit war auch die Wärmepumpe (zur Warmwassererzeugung) nicht in Betrieb.

Die Siedlerhütte beherbergt zwei Personen und ein Kleinstunternehmen. Somit erscheinen rund 10kWh pro Tag nicht so hoch, verglichen mit dem statistischen Durchschnitt von ca. 3500kWh/Jahr für einen Haushalt (Quelle, ohne Raumheizung).

Allerdings benötigt die Siedlerhütte schon alleine zur Aufrechterhaltung ihrer eigenen Lebensfunktionen (in Abwesenheit stromverbrauchender Siedler) 4 kWh pro Tag: Das entspricht einer durchschnittlichen Leistung von ca. 167W. Die Wärmepumpe benötigt dagegen täglich nur 1,5kWh für das Aufheizen von Warmwasser.

Also machten sich die Siedler auf die Suche nach den Grundlastverbrauchern. Datenblätter und Richtwerte wurden gegoogelt, unzählige Schalter und Stecker betätigt, und der Verlauf der benötigten Leistung gemessen…

Smart Meter EM210: Waschmaschine

Verlauf des aktuellen Verbrauchs minus Photovoltaik-Erzeugung. Beispiel-Messung: Waschmaschine an einem regnerischen Tag (Zähler mit Logger und LAN/WLAN-Anschluss, EM210 von B-Control)

Dabei drangen sie in Galaxien vor, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat…

abenteuer-kippschalter

Die Forschungen rückten liebgewordene, aber unaufdringliche Errungenschaften der Zivilisation wieder einmal in den Brennpunkt:

zahnbuerste-ohne-bluetooth Eine elektrische Zahlbürste benötigt dauerhaft 1,5 W – also immerhin 6% der Leistung dieses sehr offensichtlichen Verbrauchers:

kuehles-licht

Insgesamt konnten alle 160W gefunden werden:

Die unaufdringlichen Kleinverbraucher benötigen ca. 12W: Klingel, Bewegungsmelder, Wasserenthärter, Zahnbürste, Uhr am Herd, Standby Mikrowelle, Nachtverbrauch PV-Wechselrichter.

Diverse Telefone und Headsets: 9W.

Der schlichte Siedlerkühlschrank (…kein Eiswürfelspender, keine Nuklearsprengkopfsteuerungen…) benötigt ca. 27W im Schnitt, 0,65kWh pro Tag.

Überraschung 1: Das Druck-/Scan-/Fax-Multifunktionsgerät benötigt per ‚Softbutton‘ ausgeschaltet fast genau die gleichen 8W wie im ‚Standyby‘-Modus!

Überraschung 2: Es war doch nicht so eine gute Idee, die betagte USV – zusätzlich zur neuen – noch weiterzuverwenden, für ein einziges angeschlossenes Gerät: Dauerverbrauch 4W.

backup-ups-es-war-einmal

Historische USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung), angeschafft vor der Jahrtausendwende, als durch eine Unpässlichkeit des Pannonischen Stromnetzes ansonsten jeden Tag pünktlich um 16:00 der Computer ‚kalt gestartet‘ wurde.

Überraschung 3: Auch im Hibernate-Zustand braucht so ein kleiner Siedler-Server 4W.

Keine Überraschung: Wie wir aus der Quantenphysik wissen, beeinflusst der Beobachter die Messung. D.h. unsere eigene Mess-, Monitor- und Steuerwut trägt die Hauptschuld an der Grundlast.

Server-/Technikraum im Büro – 35W Dauerverbrauch durch: CMI und BL-NET (die Logger von UVR1611 bzw. UVR16x2), die neue USV, Switch, unseren Router + WLAN-Access-Point, Modem des Internetproviders, ISDN-Netzabschluss.

Maschinenraum und Zählerkasten im Untergeschoß: 12W für die UVR, 10W für die Wärmepumpen-interne Steuerung, 22W für drei verschiedene Stromzähler: Siemens-AMIS-Zähler (TD-3511) des Netzbetreibers, unser Smart Meter (EM210) und ein unscheinbarer Subzähler für die Wärmepumpe. Dass Letzterer ohne ‚Smart‘ und ohne Logger immerhin 8W braucht, war eigentlich Überraschung 4.

Testlabor-Sünden: Ein Router ‚zum Testen‘, der dann doch immer an war, der Leckstrom alter ‚Test-Notebooks‘ , Bildschirm auf Standby, ein alter Drucker ‚in Reserve‘ und auf Stand-By‘, eine Zeitschaltuhr die wahrscheinlich mehr verbraucht als sie mangels Smartness bringt: ca 11W.

Zum sinnlosesten Gadget wurde gewählt: Ein Radiowecker mit 5W.

Auf der Basis dieser Liste wurde ein Einsparungspotential von ca. 40W erkannt und kompromisslos umgesetzt. Die alte USV, der Radiowecker, einige Telefone und der alte Drucker wurden außer Betrieb genommen. Der Multifunktionsdrucker, der Server und die ‚Test‘-Netzwerk-Ausrüstung auf Kippschalter-Betrieb umgestellt.

Ein schönes Ritual am Ende des Arbeitstages! Die Strompolizei drängt darauf, Geräte nicht nur ausgeschaltet, sondern auch wirklich ge-kipp-schaltert werden.

Kippschalter im Auge behalten

Die durch das Kippschaltern eingesparten 40W Dauerleistung mögen auf den ersten Blick vielleicht lächerlich erscheinen, wenn man an eine entsprechende Glühbirne denkt, die gerne zum Vergleich herangezogen wird. Aufs Jahr gerechnet (24h am Tag, 365 Tage im Jahr) ergibt das aber beachtliche 350kWh, also ein Zehntel (!) des durchschnittlichen Stromverbrauchs eines österreichischen Haushaltes …

Damit die Siedler jetzt nicht ob ihrer spartanischen Kippschalter-Lebensweise bedauert werden, hier noch ein Bild eines echten Lifestyle-Gadgets. Unser R2D2 sorgt seit heuer für einen feuchtigsärmeren Sommeralltag … genau dann, wenn Photovoltaik-Strom zur Verfügung steht.

R2D2

Die Kunst des Zählens

Es gibt drei Sorten von Menschen:
Die, die zählen können und die anderen.

–Quelle: Das Internet.

Zählen als Kunst und als Handwerk darf wahrlich nicht gering geschätzt werden. Das letzte Technologie-Auswahl-Projekt der Siedler zeigte dies wieder deutlich. In diesem Posting geht es um mehr oder weniger Intelligente Messgeräte zur Erfassung der elektrischen Energieströme zu und von der Siedlerhütte.

Derzeit kennen die Siedler die momentane Ausbeute ihres Kraftwerks genau, aber nicht ihren eigenen Verbrauch. Entsprechend dem ursprünglichem Anforderungskatalog im Projekt Sonne und Wölkchen loggt der Siedler-Wechselrichter alle 5 Minuten Messdaten (auf einen USB-Stick). Die Diagramme in den letzten Postings basieren auf diesen Daten.

Die sprichwörtliche Wankelmütigkeit der erneuerbaren Energie lässt sich veranschaulichen, wenn man in noch kürzeren Zeitabständen die aktuelle Leistung direkt von der Website des Wechselrichter abgreift (Danke, Powershell!) oder eine der anderen offenen Schnittstellen verwendet.

PV-Leistung, teilweise Wolken

Leistung nach Messung des Wechselrichters, beim Durchzug von Wolken. Durch die zwischenzeitliche Kühlung der Module fallen die Spitzen besonders hoch aus (4,77 kWp, verteilt auf SO- und SW-Dach)

Aber auch der Stromverbrauch der Siedler ist wankelmütig. Insgeheim hatten sie gehofft, dass ihr neuer elektronischer Zweirichtungszähler die 15-minütigen Messwerte schon in die Smarte Pannonische Cloud speichern würde. Aber: Der Zähler ist Borg, und nur schlau, wenn er an sein Kollektiv angeschlossen ist. Allerdings existiert die entsprechende Infrastruktur (PLC-Datenverbindungen, Datenkonzentratoren in Trafostationen) in Pannonien noch nicht.

Siemens-amis-td-3511-smart-meter

Links der neue Siemens-Zähler (TD-3511); im oberen linken Eck die IR-Schnittstelle.

Nach Jahren des Selbstablesens und Auf-der-Website-Abschickens des Zählerstandes von alten Ferraris-Zählers wurden die Siedler mit dem neuen Zähler wieder zurückgeworfen in eine Ära des Es-kommt-jährlich-irgendwer-ablesen. Dieser Irgendwer (nicht zu verwechseln mit Irgendwem, dem Chefingenieur!) kommt aber mit Hightec-Equipment – einem Infrarot-Lesekopf. Der bedauernswerte neue Zähler ist auch nur eine Zwischenlösung und wird vom Netzbetreiber in einigen Jahren durch einen wirklichen schlauen ersetzt werden.

Womit wir schon mitten in unserer spannenden Forschungsreise durch die Welt der möglichen technischen Lösungen sind, derweil wir noch täglich am Abend manuell die Messwerte vom Display des Zählers ablesen.

Die Anforderungen:

  • Mitloggen des Eigenverbrauchs, mindestens im Abstand von 15 Minuten, entsprechend dem offiziellen Messintervall. Output sollte eine simple CSV-Datei sein, die sich dann auf die bewährte Weise in die Datenkrake der Siedler importieren lässt.
  • Wenn möglich: Erfassung von Daten für die drei Phasen – auch wenn das die Schieflastigkeit der über Jahrzehnte gewachsenen Elektro-Infrastruktur der Siedlerhütte schonungslos demonstrieren wird.
  • Idealerweise mit Option zum ‚Mitschauen‘ in kürzeren Abständen, z.B. um eine Spannungsspitze beim Einschalten eines Gerätes zu verfolgen.
  • Speichern der Daten in einem energiesparenden Logger, also ohne Notwendigkeit, einen ‚Datenerfassungs-PC‘ laufen zu haben.
  • Zugriff über ein auch für Computer-Fuzzis interpretierbares Protokoll – auch wenn es sehr interessant wäre, sich in weitere Protokolle einzuarbeiten.
  • Idealerweise auch über WLAN, also Minimierung der zusätzlich nötigen Verkabelung.
  • Wenn Funkprotokoll, dann möglichst so, dass man dieses nicht 24/7 aktiviviert haben muss, um den Energieverbrauch des Zählers zu optimieren.

Folgende Lösungen hatten die Siedler ins Auge gefasst:

M-Bus-Modul des offiziellen Smart Meters: Der Siemens-AMIS-Zähler (TD-3511) verfügt über die Option, ein Modul für die Datenerfassung über M-Bus anzuschließen. Dieses Modul wurde früher den Kunden im Herkunftsland der Siedler angeboten (zur Selbstinstallation). Die Siedler-Steuerung könnte prinzipiell mittels Buskonverter M-Bus auf CAN-Bus umsetzen. Diese Lösung scheitert an zwei Dingen:

IR-Schnittstelle des Zählers: Diese Schnittstelle (IEC 62056-21) wird für Service-Zwecke verwendet, kann aber auch die vom Großen Regulator gewünschte unidirektionale Kundenschnittstelle darstellen. Jener eben erwähnte innovative Netzbetreiber aus der Siedler-Heimat nutzt die IR-Datenausgabe als Kundenschnittstelle und bietet seinen Siedlern hier ein ‚Paket‘ an (Edit 2017: Link zum Paket ging nicht mehr, ersetzt durch archivierte Version).

Siedler aus einem anderen Bundesland müssten die Einzelkomponenten kaufen  – Loxone Miniserver Go oder klassischer Loxone Miniserver plus Loxone Air Base Extension, und das Zählerinterface Air. Zur Inbetriebname ist der individuelle Zähler-/Kundenschlüssel nötig; diesen würden die Siedler von Ihrem Pannonischen Netzbetreiber erhalten. Dann müsste noch ein Logging-Baustein konfiguriert werden und der Miniserver wird zum Datenlogger.

  • Vorteil und Versuchung: Endlich wieder in eine neue Steuerungswelt einarbeiten – Spielzeug-Alarm!
  • Nachteil: Eben dieses.

Elektronik-Bastlerei: Genau für den Zähler TD-3511 bietet volkszaehler.org auch eine Anleitung zur Datenkommunikation und zum Selber-Löten der entsprechenden Bauteile. Vor- und Nachteile wie gerade beschrieben, nur krasser (dafür viel billiger).

Das fremdkontrollierte Smart Meter zum Wechselrichter. Jeder Wechselrichterhersteller hat mittlerweile nicht nur eine Cloud, sondern googleartige künstliche Intelligenz (inkl. Konsultation eines Internet-Wetterorakels) und natürlich diverse Apps. Um diese schönen animierten Bildchen vom Energietransport zwischen Wechselrichter, Batterie und Hausnetz anzeigen zu können, muss die App auch die lokalen Eigenverbrauchsdaten kennen. Das wird durch den Einbau eines Smart Meters des Wechselrichterherstellers gelöst, der mit dem Wechselrichter kommuniziert (Z.B.: SMA Smart Meter, Fronius Smart Meter).

  • Vorteil: Logging integriert mit denen der PV-Erzeugung – im Fall der Siedler am gleichen Logging-USB-Stick, also nur ein CSV-Import, bzw. Nutzung der gleichen sonstigen Schnittstelle am Wechselrichter (wie Modbus TCP)
  • Nachteile: (1) Warum muss die Cloud den Siedler-Eigenverbrauch kennen, der einen Fingerabdruck ihres aufregenden Lebens liefert? (2) Noch ein Kabel vom Wechselrichter zum Zählerkasten, da der Zähler ja unmittelbar hinter dem ‚offiziellen‘ montiert wird.

Glücklicherweise ist es nicht so schwierig herauszufinden, welches OEM-Gerät hinter den ‚re-brand-eten‘ Zählern steckt und so stoßen die Siedler auf diese Variante:

Ein eigenes Smart Meter mit Loggerfunktion misst – unabhängig vom Logger des Wechselrichters – direkt hinter dem dummen schlauen Siemenszähler die eingepeiste und gelieferte Energie auf den drei Phasen und speichert sie lokal in einem Logfile. Diese Datei kann über LAN oder WLAN abgeholt werden.

In der Endauswahl waren folgende Typen – alles Zweirichtungs-Drehstromzähler mit Logging und TCP/IP-Schnittstelle:

  • EM210 von TQ-Systems / B-Control: Daten im Logfile alle Minuten, Echtzeit-‚Mitschauen‘ in höherer Auflösung über eine Website, WLAN und LAN. Allerdings kein Echtzeit-Logging über Protokolle wie Modbus TCP.
  • EM300 von TQ-Systems / B-Control: Gleiches Gerät wie der EM210, aber Echtzeitlogging in konfigurierbaren und viel kleineren Abständen – über Modbus RTU, Modbus TCP. Der Webserver wird nur zur Konfiguration verwendet. Es wäre interesant, Tools wie dieses zu verwenden, aber: Damit muss beim Loggen immer ein PC mitlaufen.
  • EMU Professional mit TCP/IP-Modul: Ähnlicher Funktionsunmfang wie der EM210, aber ohne WLAN (und mit einem Firmenlogo, das die Siedler unmittelbar anspricht). Pluspunkt: die ausführliche Doku der Schnittstelle.

Nach einem langen Auswahlprozess wurde es dann der EM210. Die Siedler sind zuversichtlich, ggf. das fehlende hochaufgelöste Echtzeitlogging über die bewährte Methode ‚Live-Logging-HTTP-Parsen‘ lösen zu können. Trotz aller Begeisterung für hochauslösendes Logging sollte nicht vergessen werden, dass auch der abrechnungsrelevante Zähler einen Lastgang mit 15-Minuten-Werten speichert.

Hier ist er jetzt – mit einem entzückenden Produktnamen!! – und wartet auf seine Installation.

herzstueck-em210_______________________

Der übliche Disclaimer: Die Siedler betreiben keinen Handel mit Elektronik. Die Nennung von Produkt- und Herstellernamen stellt keine Werbung dar und soll aussschließlich anderen Siedlern Recherche-Arbeit ersparen – hier gibt es keine ’sponsored posts‘. Wir recherchieren sorgfältig, sind aber auch nur menschliche Lebensformen: Fehler nicht ausgeschlossen.

Der Cyber-Security-Thriller, der nie geschrieben wurde

Das Elkement ist ein Science-Fiction-Fan. Insbesondere, wenn es um Hacker geht, die von ihrer Programmierhöhle aus die essenzielle Infrastruktur dieses Planeten lahmlegen:

Ist Science Fiction der richtige Begriff? Im gleichen Jahr, als Stirb Langsam 4.0 die Kinos kam, entstand in den USA auch dieses Video.  Ein elektrischer Generator in einem Test-Kraftwerk haucht nach einer Cyber-Attacke sein Leben aus:

Als subversiver Möchtegern-Schriftsteller fasste das Elkement natürlich sofort den Entschluss, auf den rollenden Zug des Cyber-Paranoia-Genres aufzuspringen und die von CNN dokumentierten Folgen des Cyberangriffs literarisch auszuschlachten: Blackout – eine Katastrophe schlimmer als die Wirtschaftskrise der 1930er Jahre und 50 Hurricanes.

Unter dem Deckmantel so genannter wissenschaftlicher Recherchen machte sich das Elkement auf, die Geheimnisse des Smart Grid zu erkunden (Das ist Englisch und bedeutet: „Schlaues Gitter“. Das Elkement folgt mit dieser treffenden Übersetzung dem Stil der täglich in der Siedlerhütte eingeworfenen Postillen, in denen auch Smart Home übersetzt werden muss mit „Schlaues Haus“).

Doch das Elkement war zu spät dran – den Edutainment-Thriller Blackout gibt es schon: Gehackte Smart Meter führen zu einer europaweiten, episch beschriebenen apokalyptischen Katastrophe.

Aber das hatte das Elkement einen zündenden Einfall: Wäre es nicht viel unterhaltsamer (und auch als Comedy verwertbar), wenn nicht finstere Gestalten die Stromversorgung lahmlegen würden, sondern [politisch korrekt] eine unglückliche Verkettung von Umständen und/oder menschliches Versagen [/korrekt]?

Man könnte sich ja durch folgende Anekdote inspirieren lassen: ein Programmierer und Geek testet das Versenden von Botschaften mit net send (Liebe Smartphone- und iPad-Generation: das ist wie Facebook-Nachrichten, nur ohne Bilder).

Jener Geek sendet nun eine sinnige Testbotschaft ähnlich „Hallo, Du Tölpel!“ … nicht an seinen Testcomputer sondern … an ganz „Europa“. Nicht an den Erdteil, sondern an die Europäischen Niederlassungen eines Cyber-Imperiums. Nur die Schaltknoten eines modernen IT-Netzwerks (auch „Switches“ genannt) lassen diese Cyberattacke an der Stadtgrenze versickern.

Wie würde man diese Anekdote „auf Stromnetz“ ändern und möglichst plump und unrealistisch überhöhen?

  1. Eine humanoide Lebensform in der Energiebranche schickt einen Testbefehl „an alle“  wie „Hallo, ihr schlauen Zähler dort draußen! Seid ihr alle da?“
  2. Der Befehl kommt nicht aus dem Stromnetz, sondern „von ganz woanders“ – nur ein Schriftsteller würde einen Zusammenhang krampfhaft herstellen wollen. Z.B. aus einem Youtube-Video. Oder aus dem Gasnetz.
  3. Der Befehl verbreitet sich pandemisch in ganz Europa.

Leider wurde die erste Euphorie des Elkementes von seinem Literaturagenten gleich wieder eingedämmt: „Zu realistisch, das gibt’s ja schon!“ (mutmaßlich, es gilt die Unschuldsvermutung etc.):

Blackout-Gefahr in Österreichs Stromnetzen:

Es handelte sich dabei um eine an sich triviale Abfrage der Zählerstände aller Komponenten eines regionalen Gasleitungsnetzes in Bayern. Diese Abfrage „an alle“ zum Test eines neuen Segments im süddeutschen Gasnetz war allerdings in die Steuerung des europäischen Stromnetzes gelangt und hatte sich dort multipliziert.

Die Zählerstandsabfrage an ein paar Dutzend Komponenten des Erdgasnetzes wurde vom Stromleitsystem in Folge als Steuerungsbefehl akzeptiert. Die Folge war eine Datenflut, die das europäische Steuerungssystem regional für Stunden lahmlegte.

Lasttrennschalter

Ein Bild dieser Art darf in keinem populärwissenschaftlichen Artikel über das Stromnetz fehlen (Lasttrennschalter, Wikimedia)