Ein wachsendes Marktsegment zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs - PV-Eigenstromverbrauch über Smart Metering und intelligentes Energiemanagement

Die PV-Branche befindet sich derzeit im Umbruch. Hierzu zählen nicht nur die neuen Entwicklungen im Bereich der Modul- und Wechselrichtertechnologien, sondern auch der Einsatz von Eigenstromverbrauchsmanagementsystemen. Unter Verwendung eines Monitoring- und Energiemanagementsystems wird die effiziente und steuerbare Nutzung des selbst erzeugten Solarstroms für die gebäudeinternen Haushaltsgeräte (Beleuchtung, Kühlschrank, Trockner, Waschmaschine etc.) sowie für die elektrischen Verbraucher (Wärmepumpen und ggf. RLT-/Klimaanlagen etc.) realisiert. Der Anlagenbetreiber kann zudem nicht nur die Fehlermeldungsfunktionen des Überwachungssystems, sondern auch den aktuellen Stromertrag und die Stromernte (Energy-Havesting) abfragen sowie die Steuerung des Eigenstromverbrauchs durchführen.

Rechtliche Rahmenbedingungen
Aus wirtschaftlichen Gründen sollten bereits in der Entwurfsphase die Auswahlmöglichkeiten einer energieeffizienten PV-Anlage für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie für größere Wohn-, Kleingewerbe-und Gewerbeimmobilien nach den unterschiedlichen Vergütungsmodellen des EEG 2012 berücksichtigt werden.
Auch nach der Abschaffung der Eigenverbrauchsvergütung durch die neuen Änderungen des EEG 2012 bleibt der Eigenverbrauch für den Endverbraucher aus zwei Gründen noch interessant: Für Kleinanlagen mit einer Erzeugungsleistung von bis zu 10 kW erhält der PV-Anlagenbetreiber nur noch 80% des erzeugten Solarstroms bei Einspeisung in das Netz vergütet. Aus diesem Grund ist es sinnvoller, den erzeugten Strom selbst zu nutzen. Der zweite und noch wesentlichere Aspekt liegt in den anhaltend steigenden Strompreisen begründet, die für den Haushaltsstrom deutlich über den EEG-Fördersätzen für eingespeisten Solarstrom liegen.
Die laufenden Strompreiserhöhungen und die Novellierung des Erneuerbare Energien Gesetzes (EEG) machen den Eigenstromverbrauch aus PV-Anlagen zunehmend lukrativer. Das zum 1.1.2012 in Kraft getretene EEG bietet dem Investor einer Solarstromanlage drei Optionen zur Auswahl: Einspeisung, Eigenverbrauch oder Direktvermarktung, wobei hier nach § 33a bis § 33f die dritte Vergütungsvariante (Direktvermarktung) völlig neu gefasst wurde.

Datenerfassung, Eigenverbrauchsanalyse und Verbrauchssteuerung
Die Stromkunden reagieren zudem sehr sensibel auf die ständig steigenden Strompreise der Versorgungsnetzbetreiber (VNB). Im Umkehrschluss reagieren die steigenden Strompreise auch als Initialzündung und Investitionsimpuls für innovative Konzepte, Laststeuerung, Eigenstromverbrauchsmanagement und Speicherlösungen. Die Tendenz geht verstärkt zu Investitionen von Solarstromanlagen, um damit Strom zu günstigeren Preisen (niedrige Stromgestehungskosten) selbst zu erzeugen und zu nutzen, anstatt teuren Netzstrom zu beziehen.
Die Aufzeichnung und grafische Darstellung ist für den kontrollierten Eigenstromverbrauch wichtig, denn nur so kann der Nutzer seinen Anteil an selbst verbrauchtem Strom auch optimieren, insbesondere in den Fällen, wenn der Eigenverbrauch über 30% des produzierten Solarstroms beträgt.
Wie hoch der individuelle Eigenverbrauch ausfällt, hängt primär von zwei Faktoren ab. Einerseits vom Verbrauchsverhalten, d.h. welche elektrischen Geräte zu welchen Zeiten am meisten Strom verbrauchen. Und andererseits vom Verhältnis der PV-Anlagengröße zum Jahresstromverbrauch.
Die Berechnung des Eigenstromverbrauchs setzt voraus, den Anteil des Eigenstromverbrauchs exakt zu ermitteln. Um die Faktoren der Anlagenplanung zu berücksichtigen und verlässliche Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der Solarstromanlage machen zu können, bietet sich die Nutzung einer softwaregestützten Anlagensimulation und Dimensionierung als ideales Planungswerkzeug. Aus diesem Grund ist es umso wichtiger, bereits zum Zeitpunkt der Planungsphase sämtliche wichtigen Einflussfaktoren zu erfassen.
Seit Januar 2010 besteht in Deutschland die Pflicht zur Energieverbrauchserfassung in Neubauten und in komplett sanierten Gebäuden, intelligente Stromzähler zu installieren. Mit dem Smart Metering als kommunikationsfähige, elektronische Messeinrichtung für Strom, Gas, Wärme oder Kälte wird eine selbstständige Kommunikation zwischen Zähler und Energieverteilnetz ermöglicht.
Bei Eigenstromverbrauchslösungen ist u.a. die Messgenauigkeit des „SmartMetering“ entscheidend. Mit der Einführung der Digitalzählung werden die Zählinformationen in Verbindung mit der integrierten neuesten Elektronikgeneration in abrufbaren Registern gespeichert. Die Registrierung bzw. Messung jeder einzelnen Phase erfolgt separat. Die Geräte bilden erst im Anschluss daran die Summe aller drei Phasen und registrieren sie als Zu- oder Abgang. Hierdurch können die Verbraucher mit lastvariablen und tageszeitabhängigen Tarifen abgerechnet oder vom Versorgungsnetzbetreiber auch neue Stromprodukte für Haushaltsstromkunden entwickelt werden.
Aus der Verknüpfung von KNX mit dem intelligenten Zählermanagement „SmartMetering“ ergibt sich eine Kombination, die einen energiebewussten Umgang mit Strom, Wasser und Heizenergie ermöglicht. Die Kombination bietet zudem die Möglichkeit, eine zeitnahe Ablesung der Verbrauchsdaten durchzuführen. Hierbei können die Daten sowohl über PC´s via Internet  als auch auf mobilen Geräten, wie z.B. Smartphones, abgerufen werden. Für den Anlagennutzer erweisen sich zudem die Visualisierungen und Verbrauchsanalysen von KNX als sehr praxisfreundlich.

Monitoring und Energiemanagement
Ein Energiemanagementsystem muss entweder preiswert sein oder so langlebig, dass sich die Investition auch ganz sicher rechnet. Ob und wann sich die Investition eines Energiemanagementsystems für den Eigenstromverbrauch lohnt, lässt sich mit einer realitätsnahen Wirtschaftlichkeitsberechnung und Amortisation beurteilen. Dem PV-Fachplaner stehen etliche Instrumente zur Verfügung, um den Anlageninvestor die geeignetste  Systemlösung präsentieren zu können. Einerseits könnte in Abhängigkeit von der PV-Anlagengröße eine Erhöhung der Eigenstromnutzung über den Jahresstromverbrauch optimiert werden. Andererseits wäre eine Erhöhung des Eigenstromverbrauchs durch Pumpen und Kühlgeräte sowie durch das Verlagern weiterer stromintensiver Abläufe (Waschen, Trocknen und Kochen) in die solare Spitzenzeit um die Tagesmitte möglich.
Zur Auswertung der Ertragswerte und Anlagenanalyse werden seitens der Produkthersteller unterschiedliche Systeme mit zusätzlichen Optionen angeboten. Eine komfortable Lösungsvariante mit detaillierter grafischer Auswertung bietet sich durch Anbindung des Überwachungsgeräts an das Internet und somit direkt an den PC des Anlageneigners an. Insofern lassen sich auch die Daten auf der eigenen Homepage bzw. auf der Website des Solarteurs einbinden. Neben dem Ertrag (kWh) oder dem aktuellen Wirkungsgrad des Wechselrichters wird in der  Online-Ansicht auch der reduzierte CO2-Schadstoffemission dokumentiert.

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Produkthersteller (Auszug)
Um den Direktverbrauchsanteil zu maximieren, hat Conergy Deutschland, Hamburg, die „VisionBox“ entwickelt, die sowohl in PV-Neu- als auch in -Bestandsanlagen integriert werden kann. Sie stellt die aktuellen Werte der Solarstromproduktion dar und steuert den Stromverbrauch vor Ort. Auf dem Touchscreen der „Conergy VisionBox“ werden sämtliche Daten der Solarstromanlage und der angeschlossenen Energiezähler sowie die produzierte Strommenge, Einspeisung, Eigenverbrauch und Strombezug detailliert dargestellt.
Vor der Nutzung des Direktverbrauchs muss die Eigenverbrauchslösung mit der hausinternen Verdrahtung sowie mit den optionalen Komponenten und die Verkabelung zum LAN-Netzwerk installiert werden. Hierzu wird es auch erforderlich, den Energiezähler zu integrieren, der den gesamten Stromverbrauch loggt und zur „VisionBox“ überträgt.
Die „VisionsBox“ hat den Vorteil der kurzen Messintervalle von unter einer Minute, sodass auch die Strommenge der kleinsten und kürzesten Verbraucher, wie z.B. ein Wasserkocher, erfasst werden.
Wenn innerhalb eines Gebäudes eine LAN-Verbindung vorhanden ist, lassen sich mit dem „SunReader-Portal“ sämtliche finanziellen Erträge darstellen. Die „Vision
Box“ sendet die Daten an das Internetportal. Die Daten werden dann analysiert und grafisch aufbereitet. Der Anlageneigner sieht jeden Tag den erwirtschafteten Geld­ertrag. Neben der Vergütung und den reduzierten Strombezugskosten zeigen die Diagramme auch die von der Solarstromanlage produzierte Strommenge, den Eigenverbrauchs- und Einspeisungsanteil sowie den zusätzlichen Strombezug an.
Auch Bestandsanlagen können mit Eigenstromverbrauchslösungen nachgerüstet werden. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass im Falle der „VisionBox“ dieses nur funktioniert, wenn innerhalb der Solarstromanlage auch ein Congergy-Wechselrichter montiert wurde. Eine Nach- bzw. Umrüstung lohnt sich allerdings nicht in jedem Fall. Bei Solarstromanlagen, die vor 2009 in Betrieb genommen wurden, wird der Eigenstromverbrauch nicht gefördert. Theoretisch wäre hier zwar eine Umrüstung möglich, aber die Investitionskosten würde sich wirtschaftlich nicht rechnen.
Zur Optimierung der Eigenstromversorgung hat Conergy in Kooperation mit dem französischen Unternehmen Saft das Modell „Sonnenspeicher“ mit integriertem Lithium-Ionen-Speicher entwickelt.  
Mit dem neuen „Energiemanagement-Relais“ bietet Fronius International, Wels (A), eine Lösung zur Optimierung der Eigenverbrauchsnutzung des Solarstroms an. Damit lässt sich bei den Wechselrichtern „Fronius IG Plus“, „IG TL“ und „CL“ eine Leis­tungshysterese konfigurieren. Das bedeutet, dass die Ein- und Ausschaltschwellen in Form von Leistung (W) am Wechselrichter eingestellt werden können.
Wenn der Wechselrichter mehr als die eingestellte Leistung liefert (z.B. 2000 W), wird ein Relaisausgang aktiviert und mit dem erzeugten Solarstrom ein Verbraucher betrieben, anstatt ins öffentliche Netz einzuspeisen. Sollte demgegenüber der Energieertrag unter einen festgelegten Wert absinken (z.B. 1800 W), wird der Relaisausgang deaktiviert.
Das neue Energiemanagementsystem von SMA Solar Technology, Niestetal, besteht aus dem „Sunny Home Manager“ zur Optimierung des Eigenverbrauchs und dem „Sunny Portal“ in Kombination mit modernen Solarprognosefunktionen. Der „Sunny Home Manager“ erfasst sämtliche Funktionen für eine lückenlose Anlagenüberwachung und bietet ein intelligentes Energiemanagement mit integrierter Energiemanagement-Lösung.
Mit der neuen Software-Version 1.03 des „Sunny Home Managers“ wird die Begrenzung der ins öffentliche Stromnetz abgegebenen Wirkleistung auf einen beliebigen prozentualen Anteil zwischen 10 und 100% der installierten Generatorleistung realisiert. Zudem vermeidet der „Sunny Home Manager“ Ertragsverluste durch unnötig starke Begrenzung der Solarstromerzeugung, indem der aktuelle Eigenverbrauch des Haushaltsstroms berücksichtigt wird. Das Gerät erfüllt so die Anforderungen der EEG 2012 in Bezug auf die „Wirkleistungsbegrenzung“ bzw. „70-% -Regelung“.
Die SMA entwickelt derzeit den „Sunny Boy Smart Energy“, einen Solarwechselrichter mit integrierter Lithium-Ionen-Batterie. Um eine optimale Wirtschaftlichkeit für den Anlagenbetreiber zu erreichen, wird die Batteriegröße sowie die Anzahl der Zyklen auf die kalendarische Lebensdauer der Batterie abgestimmt.
Aufgrund der neuen Vorschriften im Einspeisemanagement präsentiert Solare Datensysteme, Geislingen-Binsdorf, die Produktserie „Solar-Log“ mit neuen Funktionen und Erweiterungen. Die neue Serie „Solar-Log PM+“ erfüllt die gesetzlichen Anforderungen, indem die PV-Leis­tung auf 30% der Generatorleistung reduziert wurde. Mit dem „Solar-Log PM+“ wird – in Verbindung mit einem digitalen Stromzähler – laufend der aktuelle Stromverbrauch gemessen und parallel zum abgeleiteten Abregelungswert an den Wechselrichter gesendet. Dieser ist so berechnet, dass in keinem Fall mehr als 70% der DC-Leistung am Einspeisepunkt des Netzbetreibers ankommt.
Der „Solar-Log PM+“ wird beim vereinfachten Einspeisemanagement mit Blindleistungsbereitstellung und bei ferngesteuerter Leistungsbegrenzung zwischen dem Rundsteuerempfänger und Wechselrichter geschaltet. Das Gerät wandelt die Signale um und regelt den Wechselrichter.
Um  die Anforderungen der Netzbetreiber bei PV-Anlagen über 100 kW (größere Wohn-, Kleingewerbe– und Gewerbeimmobilien) zu erfüllen, bietet Solare Datensysteme je nach Anforderungsprofil des VNB spezielle Lösungen an. Die technische Umsetzung besteht z.B. darin, dass das Monitoringsystem der „Solar-Log1000 PM+“ mit einem universellen Messgerät (Utility Meter) kombiniert wird und so die Regelung der Blindleistung und für die Rückmeldung der Ist-Einspeisung realisiert wird.
Mit der grafischen Visualisierung wird der Eigenstromverbrauch für unterschiedliche Zeiträume analysiert sowie automatisch die Eigenverbrauchsquote berechnet. Insofern lassen sich die Verbrauchsoptimierungen langfristig überwachen. Empfohlen wird der Einsatz des Internet-Portals „Solar-Log WEB“.
Zu den Innovationen der Solare Datensysteme gehört auch der Überspannungsschutz „Solar-Log PM+“ zur Absicherung bei Gewitter oder beim Auftreten elektromagnetischer Induktionen. Mit dem neuen Überspannungsmodul sollen Schäden an den Schnittstellen RS485/422 des „Solar-Log PM+“ minimiert werden.
Das neue Monitoring- und Energiemanagementsystem von Solarwatt, Dresden, verbindet die PV-Anlagenüberwachung in Kombination mit einem intelligenten Energiemanagement der angeschlossenen elektrischen Verbraucher im Privatbereich und im Gewerbeobjekt. Die Systemlösung besteht aus den Hauptkomponenten „Energiemanager“ und dem „Online-Monitoring-Portal“. Mit dem „Energymanager“ kann der Nutzer einerseits die gesamte PV-Anlagenüberwachung durchführen und zum anderen die angeschlossenen elektrischen Verbraucher steuern. Neben den Anlagenereignissen werden auch die Leistungsdaten und Erträge der Solarstromanlage sowie der Energieverbrauch erfasst. Die Daten werden teilweise im „Energymanager“ selbst angezeigt sowie an das „Monitoring-Portal“ weitergeleitet. Bei entsprechender Konfiguration informiert der „EnergyManager“ den Anlagenbetreiber im Falle von Störungen bzw. Unregelmäßigkeiten innerhalb der PV-Anlage.
Der „Energymanager“ startet die elektrischen Verbraucher nach individuellen Vorgaben per online über PC, Tablet oder Smartphone selbstständig zu den gewählten günstigen Tarifzeiten und optimiert somit den Stromverbrauch. Insofern lassen sich neben den steuerbaren Haushaltsgeräten auch die Wärmepumpen und ggf. RLT-/Klimaanlagen automatisch oder manuell starten, sobald die PV-Anlage ausreichend Solarstrom zur Anwendung produziert. Die elektrischen Verbraucher werden vom „Energymanager“ über Funkschnittstellen gesteuert.
SolarWorld, Bonn, hat ein Energiemanagementsystem entwickelt, das aus den Komponenten Einspeise-, Strom- sowie Solarstromzähler, dem „SunnyBoy“, Umschalter, „SunnyBackup“ und „SunPac“-Stromspeicher besteht. Zwischen dem „SunnyBoy“ und dem Einspeise- und Stromzähler wird die „Sunny WebBox“ integriert.  Mit dieser Eigenverbrauchslösung kann der tagsüber erzeugte Solarstrom gespeichert werden. Bei schlechten Witterungsbedingungen oder in der Nacht kann dieser gespeicherte Strom zur Versorgung der angeschlossenen Verbraucher verwendet werden. Der im System integrierte Wechselrichter „Sunny Backup-2200“ ist für einen einphasigen Anschluss konzipiert.
Der Stromzähler misst den Energiefluss zwischen dem Netz und den Haushaltsverbrauchern. Wenn mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, lädt das System die Batterie auf. Fordern die Verbraucher einen höheren Strombedarf an, dann speist die Batterie die zusätzliche Energie ins Hausnetz. Die Systeme bestehen in der Regel aus Blei-Gel-Akkus, die von SolarWorld mittelfristig mit Lithium-Ionen-Akkus ersetzt werden.
Das  Batteriesystem „SunPac“ hat eine Leistung von 6,9 kWh und wird standardmäßig auf eine nutzbare Kapazität von 50% eingestellt. SolarWorld hat bereits seit Januar 2012 einen neuen Ladeakku zur Speicherung des Solarstromes entwickelt, der als „SunPac“ eine erweiterte Speicherkapazität von ca. 14 kWh erreicht und sowohl in neue als auch in bestehende Solarstromanlagen integriert werden kann.
Gegenüber denen der Mitbewerber basiert das Energiemanagement der Entwickler von Solutronic, Köngen, auf einer anderen Systemfindung. Solutronic bietet den PV-Anlageneignern ein modernes Energiemanagement mit „Solcombox“ und „Solplus“ (Software) sowie „Solplus-Impulszähler“ an, das auch in PV-Bestandsanlagen integriert werden kann.
Vor Inbetriebnahme der Steuerung des Eigenverbrauchs wird eine Analyse des individuellen Verbrauchsverhaltens der Nutzer erforderlich. Zur Ermittlung des Eigenverbrauchs wird der „Solplus-Impulszähler“ in den Zählerkasten integriert und direkt bzw. über ein Kommunikationsmodul mit einem PV-Anlagen-Wechselrichter verkabelt. Die Auswertung des Verbrauchsverhaltens erfolgt über ein Analysetool.
Nach der Konfiguration des Datenloggers kann die Verbrauchssituation in einem separaten Fenster abgelesen werden. Insofern lassen sich Rückschlüsse und Analysen auf das Verbrauchsverhalten und den Stromverbrauch der einzelnen Verbraucher durchführen. Der Wechselrichter wird über die Relais und digitalen Ausgänge an die Verbraucher angeschlossen. Pro Wechselrichter können vier Verbraucher angeschlossen werden. Zudem lassen sich auch die Erträge externer Wechselrichter einbinden.
Bei der Schaltung über Relais erfolgt der Anschluss an die Verbraucher in Abhängigkeit von den Verbrauchertypen über Kabelanbindung und die Zwischenschaltung eines wahlweise ein- bis dreiphasigen Schützes oder einer Zwischensteckdose. Beim Anschluss an die digitalen Ausgänge erfolgt die Ansteuerung über die Zwischenschaltung eines elektronischen Lastrelais. In jedem Fall wird eine Kabelverbindung (strom- oder signalführend) zwischen dem Wechselrichter und Verbraucher erforderlich.
Der „Solplus-Impulszähler“ wird direkt an die „Solplus“-Wechselrichter angeschlossen und dient zur internen unabhängigen Ertragsberechnung. Die Darstellung des über den Solplus-Impulszähler ermittelten Eigenverbrauchs erfolgt mit der neuen Softwareversion von „Solplus“. Die Schaltung der Verbraucher wird dann über die einzelne Parametrierung der Relais realisiert.
Als Option hat Solutronic für den Eigenheimbereich eine Speicherlösung zur wirtschaftlichen Nutzung des selbst erzeugten Solarstroms mit einem Strombedarf bis zu 6 kWh entwickelt.
Der neue „SOL-Energymanager“ besteht aus einer Kombination von Solarwechselrichter, Batteriewechselrichter, Energiemanagementsystem und Lithium-Ionen-Speicher. Der Anschluss erfolgt über einen in den Zählerschrank integrierten „Solplus-Impulszähler“.
Bei Abwesenheit kann der Anlageneigner das System über ein Smartphone fernsteuern. Sämtliche Daten sind über eine eigene Software und Applikationen abrufbar.

Stromspeicher immer wichtiger
Eine Optimierung des Eigenstromverbrauchs wird jedoch nur erreicht, wenn in das PV-Anlagensystem ein Stromspeicher integriert wird. Je mehr der PV-Anlageneigner den Solarstrom auch selbst verbrauchen kann, umso höher wird die Anlagenrendite ausfallen. Dieser Effekt verstärkt sich automatisch bei steigenden Strompreisen. Zwischenzeitlich werden in der PV-Branche bereits unterschiedliche Speicherlösungen angeboten, die sich nicht nur in der Energieeffizienz und der zu erwartenden Lebensdauer, sondern auch in der Größe und letztlich im Preis unterscheiden. Die Anwendungen mit Blei-Gel-Akkumulatoren als Kurzzeitspeicher werden zunehmend von Lithium-Ionen-Speichern bzw. hocheffizienten Lithium-Eisen-Phosphat-Speichern abgelöst. Entscheidend sind primär die Leistung und Lebensdauer sowie die Ladezyklen (jährliche Lade- und Entladevorgänge) der Speichereinheiten. Wenn die Stromspeicher vorzeitig erneuert werden müssen, verringert sich auch die Rentabilität der Solarstromanlage erheblich.
Eine alternative Lösungsvariante zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs würde sich auch anbieten, wenn z.B. eine Wärmepumpe zur Gebäudebeheizung zeitweise den erzeugten Solarstrom in der Heizperiode nutzt oder durch den Einsatz einer Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de