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

Sonne und Wölkchen (4)

Gespannt warten die Siedler auf die Startfreigabe ihrer pannonischen Kommandozentrale – die letzte Phase des Projektes Sonne und Wölkchen muss noch gezündet werden.

Leider konnte ihr Held, der Solarzwerg, immer noch nicht in Betrieb gehen. Aber nach den letzten Erfahrungen beginnen die Siedler die Argumente der Amtsstuben zu verstehen: So eine Sonnenstromanlage ist nämlich unglaublich gefährlich und dementsprechend aufwändig sind die Sicherheitsmaßnahmen!

Mit dem üblichen Argument…

Waunn ma scho amoi dabei san…

(Deutsch: Wenn wir nun schon dabei sind…)

wurde endlich auch das Teilprojekt Blitzuschutz abgewickelt. Das Blitzortungssystem liefert für den Standort der Siedlerhütte eine Einschlagswahrscheinlichkeit von weniger als 1x in 1000 Jahren – diese galt es zu minimieren. Dank einer stetigen Weiterentwicklung der Normen in den letzten Jahren gelang es den Siedlern zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen:

  1. Die lokale Wirtschaft, Sparte: Blitz im Logo, wurde überaus kräftig angekurbelt.
  2. Die Siedler können sich nun mit den mutmaßlich höchsten Fangspitzen und dem engmaschigsten Faraday-Käfig in Nord-Pannonien brüsten.

Die Abwehranlage bietet Schutz vor Angriffen mit EMP-Kanonen oder vor Waffen extraterrestrischen Ursprungs sowie konventionellen Blitzen. Also eine perfekte Ergänzung zu den schwarzen Alien-Abwehrschilden!

Photovoltaik und Blitzschutz

Ein eventuellen Einbruch der PV-Leistung durch die Verschattung mit diesen Spitzen wird gerne in Kauf genommen – vor allem, da der Blitzschutz so gut zu den innovativen aufputz verlegten Alurohren für die Wechselrichterverkabelung passt:

Alien-Abwehr-Anlage

Weitere Kunstwerke wie die Anlage für die Kommunikation mit außerirdischen Lebensformern bilden einen spannenden Kontrast:

Alien-Abwehr

An Sicherheit wird nicht gespart! Das ist fast ein Slogan aus dem aktuellen Wahlkampf im gefährlichen pannonischen Grenzland!

Natürlich wurde ein mit Prüfzertifikaten überhäufter Wechselrichter eines namhaften Österreichischen Herstellers eingebaut, sowie ein externer Überspannungsableiter. Aber am meisten erfreut die Siedler ihr Feuerwehrschalter:

Rote Nase für die Sicherheit

Obwohl man ihn eine clevere PR-Maßnahme für die Clini-Clowns vermuten könnte, wird damit wird die DC-Leitung vom Wechselrichter zu den Modulen stromlos geschaltet.

Will man den Strom wieder einschalten, muss das Gegenstück am Dach aktiviert werden. Auch bei einem Ausfall des öffentlichen Stromnetzes wird der Feuerwehrschalter aktiv. Das ist sehr interessant, weil die unterbrechungsfreie Stromversorgung der EDV-Anlage der Siedler täglich um 16:00 per Fiepen einen kurzen Spannungseinbruch meldet.

Das häufige Wiedereinschalten am Dach würde nun – vor allem bei unwirtlichen Wetterverhältnissen – das ganze Konzept zur Erhöhung der Sicherheit für die Lebensformen in der Siedlerhütte gefährden!

Nachdem die Siedler nicht über einen klassischen Dachboden verfügen bzw. in diesem forschen und leben, stellte das eine innenarchitektonische Herausforderung dar. Aber sie haben Glück: Die benötigte ‚Dacheinheit‘ muss für zwei MPP-Tracker ausgelegt sein –  von allen Schaltern der Baureihe hat dieses Ding das größte Verhältnis von Größe des Kastens zum Inhalt, passend zur strategischen Bedeutung dieser Komponente:

Eine graue Box fuer eine rote Nase

Das ist genau jene Art von Deko, die sich die Siedler immer schon in ihrer verwinkelten Dachlandschaft gewünscht hatten:

Feuerwehrschalter als Kunstwerk

Feuerwehrschalter als Gestaltungselement in der Innenarchitektur

Was jetzt noch fehlt,  um das Gesamtkunstwerk abzurunden, ist eine ebenso ansprechende Gestaltung des Leitsystems für die Einsatzkräfte!

PV-Schild

Fortsetzung folgt

Sonne und Wölkchen

Um dem Image als Rastlose Siedler gerecht zu werden, sind eben diese ständig auf der Suche nach neuen Herausforderungen.

Als Inspiration kam das Blog des Solarzwergs gerade recht: Ein innovativer urbaner Siedler im einsamen Kampf gegen gnadenlose Bürokraten. Das wollten die Pannonischen Siedler auch.

Leider wurden sie bis jetzt enttäuscht, vielleicht auch weil sie sich für die Errichtung eines Solargiganten (vulgo: 5kWp-Photovoltaikanlage) interessieren: Die für die Genehmigung einer netzparallelen Erzeugungsanlage bzw. eines geringfügigen Bauvorhabens zuständigen Amtsstuben erweisen sich überraschenderweise als sehr kundenorientiert.

Nur ein kleines Wölkchen des Zweifels zieht auf – auch Cloud genannt: Die Siedler sind ja bekanntermaßen Logging-Freaks und haben gerne volle Kontrolle über ihre Datenkrake. Eine Recherche verschiedener Smart Energy Management Solutions zeigt, dass das nicht alle Hersteller von Photovoltaik-Wechselrichtern so sehen.

In einschlägigen subversiven Kreisen (vulgo: PV-Freak-Foren) vernimmt man so manche Horrorgeschichte. Batterien wurden durch ein Remote-Firmwareupdate (…. hier gehen uns die Metaphern aus…) lahmgelegt und der dunkle Herrscher über das so genannte Portal musste wochenlang bekniet werden, die zuletzt funktionierende Firmware wieder einzuspielen.

Das 'Portal' ...

Mit gesundem Misstrauen hält Irgendwer Respektabstand zu diesem Portal …

Skeptisch stimmt die Siedler auch, dass das allwissende Portal ihre kompletten Messdaten kennen soll. Das El(k)ement kann sich nur mühsam zurückhalten, die propagierten Lösungen zu testen die irgendwas mit einer Himbeere zu tun haben müssen: Fieserweise könnte man ja versuchen, die für das dunkle Portal bestimmten Daten abzufangen…

Natürlich sind die Siedler verwöhnt von ihren vorhandenen Logging-Spielzeugen und der als selbstverständlich vorausgesetzten Funktion, uneingeschränkt auf die eigenen Daten zuzugreifen, die primär auf einem lokalen Datenträger abgespeichert werden.

Daneben sollten durch den Solargiganten auch folgende Anforderungen erfüllt werden:

  • Die verwinkelte Dachlandschaft der Siedlerhütte soll möglichst optimal zur Energiegewinnung genutzt werden.
  • Die Ernüchterung darüber, dass man zwar einen Solarstrom-Generator besitzt, aber bei Netzausfall dann trotzdem keine elektrische Energie zur Verfügung hat, soll den Siedlern erspart bleiben. Der Chefingenieur würde sich freuen, wenn man dafür keinen Schaltschrank braucht, der Scotty’s Maschinenraum in den Schatten stellt.
  • Trotz hoher Technikaffinität und der Freude über viele Kästchen mit Kabelanschlüssen und bunten Lichtern soll die Anzahl eben jener minimiert werden. Die Siedler hätten ansonsten einen knallgelben Inselwechselrichter (mit SD-Karte zur lokalen Datenablage!) und seinen roten Freund, den Netzwechselrichter, schon fast ins Herz geschlossen gehabt.
  • Auch die Ästhetik darf nicht zu kurz kommen und die Photovoltaik-Module sollen in dezentem Schwarz auch zum Kollektor passen.

Würde nicht konkrete Hoffnung bestehen, dass die Sonne dieses Wölkchen des Zweifels durchbrechen wird, würde es dieses Posting wahrscheinlich nicht geben.

Platz für ein unsichtbares Solarkraftwerk

Selbst wenn es hier ein Solarkraftwerk geben sollte – es wird anderen Siedlern verborgen bleiben.

Fortsetzung folgt…