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Automatische Freigabe und Modulation einer Elektro-Wärmepumpe zur indirekten Speicherung von überschüssigem Solarstrom als Wärme

Zielsetzung und Erläuterungen

Wer zur jetzigen Zeit (2017) in eine Photovoltaikanlage investiert, der hat bereits eine große Auswahl an Stromspeichern.

Da es zu meinem Tagesgeschäft gehört die Wirtschaftlichkeit von Stromerzeugungsanlagen zu prüfen, habe ich für mich nachgewiesen, dass, basierend auf Prognosen für meine Anlage, eine Amortisation des Stromspeichers nach ca. 12 bis 13 Jahren eintritt. Nach 6 - 8 Jahren sind jedoch längst die ersten Speichermodule gegen neue zu ersetzen. Folglich sah ich in der Verwendung eines Stromspeichers keinen Sinn.

Stattdessen entschied ich mich für die Variante der thermischen Speicherung. Hier im Wiki gibt es den Vorschlag dies mit einem E-Heizstab zu tun. Diese Variante ist leicht nachzurüsten und erfordert nur geringfügigen zusätzlichen Aufwand. Nachteilig bei dieser Variante ist jedoch, dass die Umwandlung des Stroms bestenfalls mit einem Wirkungsgrad erfolgt der gegen 1 strebt.

Eine Wärmepumpe hingegen setzt den Strom mit einer Leistungszahl um, diese liegt, abhängig von der Wärmequelle, bei 2,0 - 4,0 und teilweise höher.

Einspeisung und Strombezug

Heizstab, Wirkungsgrad 95 %: 1,0 kWhWärme benötigt 1,05 kWhPV => Keine Verkaufsstrommenge verfügbar

Wärmepumpe, JAZ 2,0: 1,0 kWhWärme benötigt 0,5 kWhPV => Verkaufsstrommenge verfügbar entsprechend 0,5 kWhPV

Wärmepumpe, JAZ 3,0: 1,0 kWhWärme benötigt 0,34 kWhPV => Verkaufsstrommenge verfügbar entsprechend 0,66 kWhPV

Die vorstehende Berechnung ist eine vereinfachte Darstellung und soll lediglich verdeutlichen:

Eine Wärmespeicherung mit einer Wärmepumpe beeinflusst die Wirtschaftlichkeit der Anlage positiv, da durch die Anwendung der Jahresarbeitszahl der Anteil des veräußerbaren Stromes steigt und somit gegenüber der einfachen Wärmespeicherung mit E-Heizstab noch ein zusätzlicher Ertrag aus dem Stromverkauf begünstigt wird.

Energie-Management-Relais von Fronius

Für die Freigabe der Wärmepumpe habe ich mich an das Energie-Management-Relais (Abk. EMR) der Fronius Wechselrichter angelehnt, siehe hier. Diese EMR ist ein potenzialfreier Kontakt welcher als Schließer oder als Öffner programmiert werden kann.

Fronius sieht hier für dieses EMR die folgenden Funktionen vor:

Über die Funktion ‘Energie-Manager‘ kann der potentialfreie Schaltkontakt so angesteuert werden, dass dieser als Aktor fungiert.

Ein am potentialfreien Schaltkontakt angeschlossener Verbraucher kann somit durch die Vorgabe eines von der Einspeise-Leistung abhängigen Ein- oder Ausschalt-Punktes gesteuert werden.

Der potentialfreie Schaltkontakt wird automatisch ausgeschaltet,

  • wenn der Wechselrichter keinen Strom in das öffentliche Netz einspeist,
  • wenn der Wechselrichter manuell in den Standby-Betrieb geschaltet wird,
  • wenn eine Wirkleistungs-Vorgabe < 10 % der Nennleistung vorliegt,

[...]

Hinweise zum Auslegen des Ein- und Ausschalt-Punktes

Die Schaltstelle des Energiemanagement-Relais bezieht sich immer auf die Ausgangsleistung des Wechselrichters, welche beim Hybridsystem nicht zwangsweise mit der PV-Erzeugung übereinstimmt.

Eine zu geringe Differenz zwischen Einschalt-Punkt und Ausschalt-Punkt sowie Wirkleistungs-Schwankungen können zu vielfachen Schaltzyklen führen.

Um ein häufiges Ein- und Ausschalten zu vermeiden, sollte die Differenz zwischen Einschalt-Punkt und Ausschalt-Punkt min. 100 - 200 W betragen.

Bei der Wahl des Ausschalt-Punktes die Leistungsaufnahme des angeschlossenen Verbrauchers berücksichtigen.

Bei der Wahl des Einschalt-Punktes auch Wetterverhältnisse und zu erwartende Sonneneinstrahlung berücksichtigen.

Diese Abschnitte sind z. B. unter 42_0426_0222_DE_543813_snapshot.pdf auf Seite 50 oder 42_0410_1909_287063_snapshot.pdf auf Seite 34 vollständig nachlesbar.

Für Fronius WR-Modelle ohne EMR lässt sich dies anscheinend als gesondertes Bauteil nachrüsten. Da ich von Fronius kein Geld für Werbung bekomme, sei dies hier nur kurz erwähnt, bzw. weitere Info ist hier zu finden: SE_DOC_DBL_Fronius_Energy_Management_Relay_4000063186DE_1__354731_snapshot.pdf 

In den vorgenannten Dokumenten wird auch eine Anwendungsbeispiel wie folgt gegeben:

Anwendungsbeispiel Fronius

Einschalt-Punkt = 2000 W, Ausschalt-Punkt = 1800 W

Liefert der Wechselrichter mindestens 2000 W oder mehr, wird der potentialfreie Schaltkontakt des Wechselrichters eingeschaltet.

Sinkt die Wechselrichter-Leistung unter 1800 W, wird der potentialfreie Schaltkontakt ausgeschaltet.

Mögliche Anwendungen:

Betrieb einer Wärmepumpe oder Klimaanlage mit möglichst viel Eigenstrom-Nutzung

Dazu gibt Fronius diese Parameter vor, bzw. können diese Eingestellt werden:

  • Einschaltwert: variabel
  • Ausschaltwert: variabel
  • Mindestlaufzeit: 7 Minuten
  • Maximale Laufzeit je Tag: variabel, Standard 60 Minuten
  • Solllaufzeit je Tag: variabel, Standard 10 Minuten
  • Erreicht bis: variabel, Standard 18:00 Uhr

Diese Werte lassen sich am WR einfach einrichten. Wie Jeder dieses phsysische Relais am WR nutzen möchte bleibt Ihm/ Ihr überlassen, ich werde die Funktionen innerhalb des WR deshalb nicht weiter ausführen und mich der Umsetzung des EMR in der Programmierung der Loxone zuwenden.

Energie-Management-Relais mit Loxone

Angelegt mittels Funktionsbausteinen kann das Relais aus folgenden vier Komponenten:

  1. Ermittlung der Grundwerte
  2. Freigabe/ Sperre der Auto-Freigabe
  3. Energiemanagement-Relais mit Taktungsschutz
  4. Modulation der EWP in Abhängigkeit des verfügbaren Stroms

Mit diesem Aufbau erziele ich für mein System die optimale Auslastung der Wärmepumpe unter Anforderung durch die Automatik.

 

Komponente 1: Ermittlung der Grundwerte

Die Formel für die Berechnung der Werte ist: I1-I2+I3-I4 = EMR_Pverfügbar

Es wird kalkuliert wieviel Leistung für die Wärmepumpe überhaupt zur Verfügung steht:

  • I1 – Der WR sendet die aktuelle Produktionsleistung (HTTP): _Pp Aktuell Produktion

  • I2 – Der Smart-Meter des Wechselrichters ermittelt die aktuelle Verbrauchslast (HTTP via WR): P_Verbrauch 

  • I3 – Der Wärmepumpenzähler erfasst die aktuelle Leistungsaufnahme der EWP (s0, 2000 Impulse pro kWh): EWP_Leistung  
  • I4 – Konstante als Puffer für Verbrauchspeaks aus dem Gebäude. Dieser Wert könnte beliebig hoch gesetzt werden, um z. B. die max. Last des größten Verbrauchers im Objekt zu decken. Dies würde aber auch die Schaltschwelle des EMR deutlich erhöhen (bei mir funktionieren 500 W sehr gut): EMR_Reservelast

Komponente 2: Freigabe/ Sperre der Auto-Freigabe

Komponente 3: Energiemanagement-Relais mit Taktungsschutz

Hier der Aufbau des EMR mit Funktionsbausteinen. Es wird eine Mindestlaufzeit von 7 Minuten angelegt mit einer kleinsten Wartezeit von 3 Minuten bis zur Einschaltung mittels Ein-/ Ausschaltverzögerung. Diese vermeidet Taktungen durch vorbeiziehende Bewölkung.

Darüberhinaus ist eine zweite Sicherheit eingerichtet, praktisch als Taktungsschutz der zweiten Ebene: Ein Stepper zählt mit, wie oft die Wärmepumpe innerhalb 1 Stunde angefordert wird. Überschreitet dies 4 Anforderungen, wird die EMR-Freigabeautomatik für 1 Stunde ausgesetzt.

 

Verwendung der EMR-Freigabe

Bitte unbedingt beachten, dass die Art des Signals für die Freigabe einer Wärmepumpe gedacht ist. Es kann auch für andere Verbraucher wie Klimageräte, Lüftungen, Heizstäbe, etc. verwendet werden. Das hier ermittelte Freigabesignal ist auf meine Anlagenkonfiguration und Wärmepumpe abgestimmt. Es werden sich für andere Anlagen auch andere Werte/ Zeiten ergeben!

Komponente 4: Modulation der EWP in Abhängigkeit des verfügbaren Stroms

In meinem System wird die Wärmepumpe solange Freigegeben, bis die Solltemperatur erreicht wird.

Bis zum Erreichen dieser Temperatur moduliert die Wärmepumpe Ihre Leistung mittels PI(D)-Reglers entlang der verfügbaren PV-Leistung. Der D-Anteil erwies sich im laufenden Betrieb als obsolet. Hier nachfolgend wie ich diese Modulation aufgebaut habe:

Durch diese Modulation erziele ich eine schöne Nachführung der Wärmepumpenlast entlang der verfügbaren PV-Leistung, siehe Abschnitt "Reale Leistungsdeckung mittels PV-Anlage".

Was ist von der Ansteuerung einer Wärmepumpe mit EMR zu erwarten?

In jedem Fall wird diese Form der Freigabe dafür sorgen, dass der Eigenverbrauchsanteil erhöht wird. Um diese weiter zu optimieren habe ich weitere Schritte auf die bloße Freigabe folgen lassen.

Erhöhung der Wassertemperatur

Aus Statistikdaten meiner Heizungs- und Brauchwasserinstallation habe ich eine höhere Brauchwassertemperatur ermittelt, als ich sie fahren würde, wenn ich mit Netzstrom heizen muss.

Diese erhöhte Temperatur wird parallel mit der Freigabe als Sollwert für die Wärmepumpe angelegt und sorgt i. d. R. dafür, dass der Speicher einmal auf die hohe Temperatur gebracht wird und ein- bis max. zweimal wieder nachgeheizt wird. Diese Temperatur hält dann üblicherweise bis am nächsten Tag wieder die EMR-Freigabe anliegt.

Reale Leistungsdeckung mittels PV-Anlage

Die nachfolgenden Grafiken sind Statistikwerte aus meiner Anlage, jeweils aus einem regulären Wochentag und dazu Samstag und Sonntag. Mein Belegungsprofil ist, dass die gesamte Familie am WE ganztätig im Hause ist.

Beispiel Wochentag (01.06.2017)

Beispiel Wochenende (03. und 04.06.2017)

Roadmap

  • Einbindung einer Prädiktion des nächsten Tages zur besseren Ansteuerung in Verbindung mit Wärmespeicherung durch eine EWP
  • Erweiterung der EMR-Freigabe um eine Vorrangschaltung, z. B. solange große, möglichst dauerhafte Verbraucher Last ziehe (Backofen, Trockner, Klimaanlage, etc.) läuft, soll EMR ausgesetzt werden

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2 Kommentare

  1. Chris Bowles sagt:

    Besten Dank für deinen hilfreichen Beitrag. 

    In der Komponente 4 hast du einen PI Regler implementiert. Hast du demnach eine Wärmepumpe die Frequenzgesteuert die Pumpenleistung anpasst? 

    Wenn ich deinen Beitrag richtig verstanden habe, nützt der PI Regler nichts bei einer WP mit fixer Leistung / Drehzahl. 

    Gruss

    Chris

  2. Hi Chris Bowles,

    da ich mein System vollständig selbst kontrollieren wollte, habe ich eine MHI Zubadan-Wärmepumpe mit Zeeh Geysir (Direktkondensationsspeicher) bei mir eingebaut. Die hat eine Interfaceplatine mit 0-10 V-Eingang - diesen benutze ich unter Freigabe durch das Energiemanagement-Relais als stetige Regelung.

    Bei EWP ohne Inverterregelung kannst du eigentlich nur Freigabe geben. Ungeregelte EWP sind jedoch meist Sole-/ oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Die haben sehr definierte Quelltemperaturen entsprechend könntest du den Nennverbrauch entsprechend der Quelltemperatur mit der PV-Leistung abgleichen und daraus eine Freigabe generieren.

    Gruß Baldur alias Purgator