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.

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