Jedes Haus braucht einen Steuermann

In den Zeiten der Konsolidierung suchen Photovoltaikunternehmen nach Alleinstellungsmerkmalen, mit denen sie sich von Wettbewerbern absetzen können. Viele setzen dabei im Moment auf das Thema Energiemanagement. Jeder Anbieter meint, das beste System dafür zu haben. Manche Firmen rüsten sogar Speichersysteme anderer Hersteller mit dem eigenen Energiemanagementsystem (EMS) aus und geben an, damit die Energieflüsse noch besser lenken zu können.

Das Problem: Eigentlich könnten derzeit praktisch alle Anbieter von Energiemanagementsystemen damit werben, das beste zu haben. Der Grund dafür ist aber nicht, dass alle tadellos und gleich gut funktionieren. Es ist nur so, dass ein Qualitätsvergleich derzeit kaum möglich ist. Bisher gibt es keine Normen oder Standards für solche Geräte. Und auch daran, was ein gutes Energiemanagementsystem überhaupt leisten muss, scheiden sich die Geister. Das kommt ganz auf den Einzelfall an, also auf das individuelle Anlagendesign und die Erwartungshaltung des Betreibers.

Setzen Anbieter von Energiemanagern also absichtlich auf dieses Produkt, weil man die Qualität nicht wirklich messen kann, oder gibt es tatsächlich Qualitätsunterschiede?

Eigenverbrauch steigern Um die Qualität zu beurteilen, muss man zunächst betrachten, welche Anforderungen an Energiemanagementsysteme für Photovoltaikanlagen gestellt werden. Der Markt für solche Geräte entwickelt sich im Grunde, seit der Eigenverbrauch von Solarstrom für Anlagenbetreiber attraktiv wurde, also seit ungefähr zwei bis drei Jahren. Anfangs ging es vor allem darum, den direkten Verbrauch von Sonnenstrom im eigenen Haushalt oder Gewerbe möglich zu machen und gleichzeitig Lastmanagement zu betreiben. Das bedeutet, der Energiemanager sollte größere Verbraucher, zum Beispiel Elektrogeräte im Haushalt, erst dann einschalten, wenn die Sonne scheint. Als klassisches Beispiel gilt hier die Waschmaschine, die erst dann zu laufen beginnt, wenn genügend Solarstrom vom eigenen Dach zur Verfügung steht. Ohne Lastmanagement lässt sich in einem Standardhaushalt bis zu 30 Prozent Eigenverbrauch erreichen, mit gezielter Lastverschiebung kann man diesen Wert unter günstigen Bedingungen um rund zehn Prozentpunkte steigern.

Heutzutage wird eine weitere Fähigkeit immer wichtiger: die Bewirtschaftung eines Batteriespeichers. Der Speicher soll den überschüssigen Sonnenstrom tagsüber speichern und abends oder nachts, wenn keine Sonne mehr scheint, wieder zur Verfügung stellen. Die meisten Speichersysteme haben daher einen eigenen Energiemanager integriert. Damit sind dann Eigenverbrauchsquoten von 60 Prozent und mehr möglich.

Erzeugungsspitzen glätten Die Maximierung des Eigenverbrauchs ist mittlerweile aber nicht mehr die einzige Anforderung an Energiemanagementsysteme. Seit der EEG-Novelle von 2012 müssen sich Photovoltaikanlagen am sogenannten Einspeisemanagement beteiligen, um die öffentlichen Stromnetze zu entlasten. Das bedeutet für viele Anlagen mit weniger als 30 Kilowatt Nennleistung, dass die Einspeiseleistung auf 70 Prozent der Nennleistung reduziert werden muss. Wenn man für die Anschaffung des Speichersystems eine Förderung der KfW-Bank in Anspruch nimmt, muss die Leistung sogar auf 60 Prozent reduziert werden.

Bei größeren gewerblichen Eigenverbrauchsanlagen gibt es noch keine gesetzlichen Vorgaben zur pauschalen Kappung der Einspeisespitzen. Hier kann aber eine Senkung der nachgefragten Stromspitzen aus dem öffentlichen Netz durchaus sinnvoll sein. Denn viele Gewerbebetriebe müssen eine Grundpauschale für die maximal nachgefragte Leistung pro Monat zahlen. Die Minimierung der Spitzenlast ist für solche Betriebe daher bare Münze wert.

Wenn die Spitzen nicht durch direkten Eigenverbrauch geglättet werden, sondern dadurch, dass der Strom in einer Batterie zwischengespeichert wird, kommt eine weitere Denkaufgabe auf das Managementsystem zu. Es muss dann entscheiden, ob der gespeicherte Strom zu einem späteren Zeitpunkt selbst verbraucht oder gegen Einspeisevergütung in das öffentliche Netz eingespeist werden soll. Dies ist mittlerweile bei vielen Speichersystemen möglich, hängt aber unter anderem von der gewählten Betriebsweise des Speichers ab.

„Wenn man die Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage zum Beispiel wegen des Einspeisemanagements auf 70 Prozent der Nennleistung reduzieren muss, dann muss sich auch der Algorithmus des Energiemanagers ändern“, sagt Christoph Wittwer, Leiter der Abteilung Smart Grids am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Es gibt dann nämlich zwei Bedingungen: zum einen den Eigenverbrauch zu erhöhen und zum anderen die Erzeugungsspitze zu glätten. Das ist nicht so trivial, weil man den Algorithmus dann aus zwei Optimierungskriterien ableiten muss.“ Unter anderem hier zeigt sich die Güte des Systems. Mit einem schlechten Algorithmus kann es passieren, dass regelmäßig ein Teil des selbst erzeugten Solarstroms ungenutzt bleibt. „Im Zweifelsfall bemerkt der Kunde dann noch nicht einmal, dass er Energie wegschmeißt“, sagt Wittwer.

Die Zukunft vorhersagen lernen Um die Energieflüsse in diesem Sinne optimieren zu können, berücksichtigen viele Energiemanagementsysteme Wetterprognosen. So zum Beispiel auch der Sunny Home Manager des Wechselrichterherstellers SMA. Tom Rudolph, Leiter der Solution Unit Energy Management bei SMA, hält dies für eine sehr wichtige Fähigkeit. „Es geht dabei aber nicht nur um die Wetterprognose. Jede Anlage ist individuell. Sie hat eine spezielle Ausrichtung und Dachneigung. Dazu kommt vielleicht eine Verschattung durch einen Baum oder einen Kamin“, erklärt Rudolph. „Diese besonderen Gegebenheiten bilden sich dann auch im individuellen Erzeugungsprofil der Anlage ab. Ein Energiemanager muss dieses Profil aus der Wetterprognose ableiten.“ Dann könne das System berücksichtigen, dass die Solaranlage zu einer bestimmten Uhrzeit trotz hoher Sonneneinstrahlung nicht viel Energie erzeugt, weil in dieser Zeit zum Beispiel ein Schatten über mehreren Modulen liegt. Der SMA Sunny Home Manager berücksichtigt diese individuellen Eigenschaften bereits.

Damit ein Energiemanagementsystem flexibel auf solche spezifischen Besonderheiten reagieren kann, braucht es noch eine weitere Fähigkeit: Es muss selbstständig lernen, sich an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten anzupassen. Dabei reicht es nicht aus, einfach nur die Stromerzeugung richtig vorherzusagen. Genauso wichtig ist es auch, das individuelle Verbrauchsprofil des Haushalts oder des Gewerbebetriebs zu erlernen.

So geht Energiemanagement Zumindest nach Angaben der Hersteller gibt es schon einige Energiemanagementsysteme, die selbstlernende Algorithmen verwenden. So zum Beispiel auch der Sunny Home Manager von SMA und das Speichersystem Sonnenbatterie von Prosol Invest, das ein eigenes Energiemanagement integriert hat. Christoph Ostermann, Geschäftsführer von Prosol, erklärt: „Der Servicetechniker kann im Vorfeld schon gewisse Werte konfigurieren. Das Finetuning geht aus meiner Sicht aber nur über ein adaptives, sprich selbstlernendes System.“ Das liege auch daran, dass viele Kunden ihr eigenes Nutzungsverhalten gar nicht richtig benennen können. „Ein paar Dinge kann man zwar mit einem Fragebogen herausfinden“, meint Ostermann. „Aber damit wird man nicht so präzise Angaben bekommen wie mit einer genauen Messung und Analyse, die Aussagen über die Zukunft erlauben.“ Wie dann genau das Energiemanagement in der Sonnenbatterie funktioniert, erklärt Ostermann folgendermaßen: Die Ertragsprognose gibt Aufschluss, ob in den kommenden drei Tagen ein Ertrag zu erwarten ist, der oberhalb der erlaubten Spitzenleistung liegt. Dieser Ertragsprognose wird dann zunächst die Verbrauchsprognose für die kommenden drei Tage gegenübergestellt. Das Energiemanagementsystem gleicht beide Kurven miteinander ab. Danach weiß das System zum Beispiel, ob die solare Erzeugungsspitze am nächsten Tag ausreichend durch direkten Eigenverbrauch von Solarstrom geglättet werden kann – auch durch gezieltes Einschalten von Verbrauchern, sprich Lastmanagement.

Ist dies nicht der Fall, reagiert der Energiemanager entsprechend. Dann wird der Batteriespeicher am nächsten Tag nicht schon um neun Uhr morgens geladen. „Zu dieser Zeit kann die Anlage den Solarstrom ja noch problemlos gegen Vergütung in das Stromnetz einspeisen. Das wird dann auch gemacht.“ Erst wenn mittags die kritische, nicht mehr zulässige Einspeiseleistung erreicht wird, beginnt das System damit, den Akku zu laden und so die Einspeiseleistung zu reduzieren. „Das ist dann ein netzdienlicher Betrieb durch Peak Shaving“, sagt Ostermann.

Unendliche Möglichkeiten Für eine simple Systemkonstellation, bestehend aus Solaranlage, Speichersystem und Einfamilienhaus, klingt die von Ostermann beschriebene Betriebsweise noch relativ leicht nachvollziehbar. Ein guter Energiemanager muss aber unter Umständen viel mehr Komponenten ausbalancieren – vor allem in Zukunft. Immer öfter werden Wärmepumpen oder andere Heizsysteme mit in das Photovoltaiksystem integriert (siehe Artikel auf Seite 98).

„Wir arbeiten im Moment intensiv an der Verbindung von elektrischer Energie und Wärmeenergie“, sagt beispielsweise Rudolph von SMA. „Die Wärmepumpe ist einer der größten Verbraucher im Wohnhausbereich. Damit bekommt man die fluktuierende Stromerzeugung von Photovoltaikanlagen ziemlich gut in den Griff.“ Generell gelte aber: Je mehr Komponenten in das Energiemanagement eingebunden werden, desto komfortabler und effizienter laufen die Systeme.

Smart Home Auch weitere Stromerzeuger können hinzukommen. In der Praxis gibt es schon erste Anwendungen, in denen Photovoltaikanlagen und Mini-Blockheizkraftwerke (BHKW) kombiniert werden (siehe Artikel auf Seite 95). Die Sonnenbatterie hat laut Aussage von Ostermann schon vorkonfektionierte Anschlüsse für ein Mini-BHKW, und auch das integrierte Energiemanagementsystem könne damit umgehen. Auch Kleinwindräder zu integrieren ist bei vielen Anbietern theoretisch schon möglich. Andere Unternehmen arbeiten derzeit zum Beispiel an der intelligenten Einbindung von Elektrofahrzeugen in ein solches System.

Wenn man das Konzept des Energiemanagers im Wohnhausbereich konsequent zu Ende denkt, landet man unweigerlich beim Thema Smart Home, sprich der intelligenten Steuerung aller Erzeuger und Verbraucher im Haushalt, inklusive Licht, Poolpumpe und elektrischen Rollläden. Der Wechselrichterhersteller Fronius hat kürzlich bekanntgegeben, gemeinsam mit dem Unternehmen Lexone ein Energiemanagementsystem für die intelligente Hausautomatisierung entwickeln zu wollen. „Das heißt, dass mehr von dem selbst erzeugten Strom auch selbst verbraucht werden kann“, heißt es bei Fronius. Dies führe wiederum zu einer schnelleren Amortisationszeit der Photovoltaikanlage und zu mehr Unabhängigkeit in der Energieversorgung.

Das Unternehmen RWE Effizienz bietet mit SmartHome seit Kurzem ebenfalls ein intelligentes System für die Haussteuerung an. Dieses soll Speichersysteme beim Management der Energieflüsse unterstützen. Die automatische Steuerung der Haushaltsgeräte und des Lichts sowie die Berücksichtigung des Verhaltens der Bewohner biete weiteres Einsparpotenzial, heißt es bei RWE. Außerdem könne damit „ein Haushalt auch über die Kommunikation des dezentralen Energiemanagementsystems mit dem Stromnetz (Smart Grid) als Einheit in das netzseitige Lastmanagement einbezogen werden und somit zur optimierten Nutzung der Netzinfrastruktur beitragen“.

Der beste Manager Was den Vergleich zwischen den vielen verschiedenen Systemen im Moment so schwierig macht, ist, dass nicht klar ist, welcher Wert überhaupt als Maßstab gelten soll, um zu entscheiden, welches System die ihm gestellte Aufgabe am besten erfüllt. Hinzu kommt, dass es in unterschiedlichen Projekten auch unterschiedliche Zielsetzungen gibt. Soll das System einen möglichst hohen Eigenverbrauch erreichen oder möglichst autark sein? Soll die Rendite möglichst hoch sein oder soll das Stromnetz, so weit es geht, entlastet werden. Das hängt ganz vom jeweiligen Projekt ab.

Ein Vorreiter in der Entwicklung und Verifikation von Energiemanagementsystemen ist das Fraunhofer ISE. Dort werden einzelne Systeme in einem Labor auf ihre Funktionalität geprüft. „Wir können dort reale Szenarien nachbilden, also bestimmte Stromverbräuche und Solarstromerträge“, sagt Wittwer vom ISE. Wenn man dann die Ziele des Energiemanagements klar definiert, lässt sich genau prüfen, wie gut das Energiemanagementsystem der Anlage funktioniert. Ein Projekt, in dem existierende Energiemanagementsysteme unterschiedlicher Hersteller miteinander verglichen werden, gibt es aber bislang noch nicht.

„Wir können kaum einen systematischen Vergleich für Energiemanagementsysteme durchführen, weil es noch gar keine entsprechende Systematik gibt“, sagt dazu Jan Ringelstein, Leiter der Gruppe Energiemanagement-Anwendungen am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES. Aus seiner Sicht ist es daher zunächst nötig, entsprechende Tests und Prüfprozeduren zu entwickeln und auch in Normungsgremien aktiv zu werden. Denn „um sagen zu können, welches das beste Energiemanagementsystem ist, müsste man erst mal Kriterien dafür definieren“.

Für eine Vergleichsstudie müsste man im Idealfall mehrere Energiemanager an einer Referenzanlage testen, damit die Bedingungen für alle Geräte gleich sind. Dann könnte man das System mit verschiedenen Zielsetzungen laufen lassen und dabei schauen, welcher Energiemanager die jeweilige Aufgabe am besten erfüllt. Auch wenn sich die Ergebnisse dann nicht beliebig auf andere Projekte übertragen ließen, könnte man wenigstens für ein definiertes Anlagendesign einen nachvollziehbaren Qualitätsvergleich vornehmen.

Bisher gibt es allerdings noch kein solches Forschungsprojekt. Die Umsetzung wäre auch nicht ganz einfach. Rudolph von SMA gibt zum Beispiel zu bedenken, dass dafür Langzeit nötig wären oder eine Art beschleunigtes Verfahren entwickelt werden müsste.

„Die selbstlernenden Algorithmen, die viele Geräte benutzen, müssen erst mal über ein paar Wochen das Verhalten der Anlage, das Verhalten des Gebäudes und das Verhalten der Verbraucher lernen“, so Rudolph. „Dann gibt es auch noch Geräte, die Schwellwerte anstatt von Algorithmen verwenden. Diese schneiden dann vielleicht unter bestimmten Bedingungen besser ab und bei anderen Bedingungen schlechter. Das zu vergleichen ist aus meiner Sicht äußerst schwierig.“ An Soft Skills orientieren Solange es noch keine verlässlichen Vergleichsstudien zu den am Markt erhältlichen Energiemanagern gibt, ist also erst mal Vertrauen in die Anbieter nötig – zumindest was den optimalen Fluss der Energieströme betrifft. Bis dahin können Anwender zumindest darauf achten, dass bestimmte Grundfähigkeiten vorhanden sind, zum Beispiel Lastverschiebung, selbstlernende Algorithmen oder die Berücksichtigung von Ertrags- und Verbrauchsprognosen. Es gibt aber auch noch andere Faktoren, die ebenfalls wichtig sind und an denen sich Käufer orientieren können. Dazu zählen unter anderem Bedienbarkeit, Interoperabilität und Datenschutz, ebenso der Preis und der Energiebedarf des Geräts.

In puncto Bedienbarkeit gibt es bei den Herstellern unterschiedliche Philosophien. Manche wollen ihren Kunden möglichst viel eigenen Spielraum bei der Konfiguration lassen, andere setzen auf vollautomatische Systeme, um die Kunden nicht zu überfordern. SMA ermöglicht beim Sunny Home Manager zum Beispiel, dass der Anlagenbetreiber selbst an der Programmierung seines Systems feilen kann. „Das geht über ein Webinterface von SMA“, sagt Tom Rudolph. Er räumt aber ein, dass dafür „ein gewisser technischer Sachverstand“ beim Kunden vorhanden sein muss. Das System sei aber leicht verständlich und die Weboberfläche unterstütze bei der Bedienung.

Bei Prosol Invest verfolgt man mit der Sonnenbatterie einen anderen Ansatz. „Unser Ansatz ist ein vollintegriertes Komplettsystem, das der Installateur praktisch Plug-and-play installieren kann“, sagt Ostermann von Prosol. In die Konfiguration könne der Installateur im Moment nur sehr begrenzt eingreifen, auch um Fehler bei der Installation zu vermeiden. „Die Konfigurationsmöglichkeiten, die es gibt, sind sehr simpel, und die soll und kann der Kunde selbst vornehmen. Da geht es zum Beispiel darum, dass er die Prioritäten der Verbraucher richtig einstellt und die Funksteckdosen sinnvoll verteilt.“ Schnittstellenprobleme überwinden Wenn viele Komponenten intelligent miteinander verschaltet werden sollen, ergibt sich ein weiteres Problem, das Anbietern derzeit noch zu schaffen macht: einheitliche Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle. „Wichtig ist, dass die Systeme nicht nur einen bestimmten Hersteller unterstützen“, meint zum Beispiel Ringelstein vom Fraunhofer IWES. „Die Interoperabilität ist daher auch ein sehr wichtiges Kriterium.“ Er und seine Forscherkollegen vom IWES und zwei weiteren Fraunhofer-Instituten arbeiten derzeit an einer Art Betriebssystem für Energiemanagementsysteme mit der Bezeichnung OGEMA. Damit ist es möglich, spezielle Softwarelösungen für unterschiedliche Energiemanagement- und Smart-Home-Anwendungen zu entwickeln. So sei es dann auch möglich, verschiedene Kommunikationsstandards miteinander zu verbinden, zum Beispiel Zig Bee, Enocean, Z-Wave oder KNX. „Man muss dafür dann nur die entsprechenden Kommunikationstreiber installieren“, sagt Ringelstein. Aber auch schon jetzt auf dem Markt befindliche Systeme kommen oft mit mehreren Schnittstellen beziehungsweise Kommunikationsprotokollen zurecht und können teilweise bei Bedarf auch nachgerüstet werden.

Anforderungen steigen Ein weiteres Merkmal, das in diesem Zusammenhang für viele Kunden von Bedeutung ist, ist die Datensicherheit. Aber auch hier gibt es keine Standards, an die man sich halten könnte. „Das ist alles noch in Arbeit“, sagt Jan Ringelstein. „Es wird zwar derzeit ein Schutzprofil vorbereitet, das ist aber etwas in den Hintergrund gerückt, weil man erst mal versuchen will, die Datenschutzbestimmungen für Smart Meter zu klären.“ Ebenfalls eine wichtige Frage ist, wie viel Strom das Energiemanagementsystem selbst verbraucht. „Oft werden zum Beispiel die eigenen Regelgeräte und schöne bunte Bildschirme mit Energie versorgt“, sagt Wittwer vom Fraunhofer ISE. „Wenn die dann Dauerstrom brauchen, muss man das natürlich mit in der Energiebilanz berücksichtigen.“ Bei der Entscheidung für ein bestimmtes Energiemanagementsystem gibt es also eine Menge zu beachten. Planer und Betreiber von Anlagen sollten dabei immer im Hinterkopf haben, welches Ziel das System im jeweiligen Projekt genau haben soll und wie dies am besten zu erreichen ist. Auch wenn der zugrunde liegende Algorithmus von Außenstehenden kaum im Detail bewertet werden kann, ist es möglich, auf gewisse Grundfähigkeiten zu achten. Dabei schadet es nicht, auch ein bisschen in die Zukunft zu denken, denn die Anforderungen an Energiemanagementsysteme werden tendenziell steigen. Und spätestens wenn es irgendwann möglich ist, flexible Strompreise zu berücksichtigen, kommt ein weiteres Optimierungskriterium für den Energiemanager hinzu.

Unterschiede zwischen den Energiemanagern

Am besten wissen Großhändler, die mehrere Energiemanager im Angebot haben, was diese unterscheidet. Armin Richter, Teamleiter Qualitätssicherung & Produktmanagement bei Energiebau, und Kai Langel, Senior Produktmanager Wechselrichter, erklären, was man bei der Auswahl der Geräte beachten sollte.

Welche Energiemanager haben Sie im Angebot, die man zusätzlich zum Energiemanagement des Speichersystems kaufen kann?

Richter: Wir bieten den Sunny Home Manager von SMA, das Smart Home System von RWE Effizienz und ein Gerät von Allnet an.

Was sind die Unterschiede?

Langel: Der Home Manager von SMA ist eher für die Energieflusssteuerung geeignet und das Smart Home System von RWE eher auf den Bereich Komfort und Sicherheit fokussiert.

Was heißt das?

Langel: Komfort und Sicherheit heißt, dass viele Komponenten in das System implementierbar sind. Zum Beispiel Rauchmelder, Lichtsensoren, Rollladensteuerung, Alarmfunktion, Heizungssteuerung und vieles mehr.

Aber wenn es mir wirklich darum geht, den Eigenverbrauch zu optimieren, werden die Geräte dann, wenn sie in dem RWE-Gerät implementiert sind, ähnlich funktionieren?

Langel: Die künftige Funktionalität hat eine vergleichbare Zielsetzung. Beide Systeme haben eine unterschiedliche Grundidee. Von dem heutigen Leistungsumfang sind sie an den beiden entgegengesetzten Enden. Sie müssen die Stärken des jeweils anderen konsequent zu Ende definieren.

Richter: Hier sind wir beim Grundproblem der Home Manager, die derzeit auf dem Markt angeboten werden. Sie kommen von einer bestimmten Anwendung her und haben nicht unbedingt die Laststeuerung im Fokus oder die Einbindung sämtlicher elektrischer Verbraucher im Haus. Jetzt haben die Hersteller erkannt, das dies bei steigenden Verkaufszahlen der Speichersysteme ein Thema ist und damit die Eigenverbrauchsoptimierung endverbraucherfreundlich gestaltet wird.

Wenn ich einen Speicher mit Förderung kaufe, habe ich die 60-Prozent-Abregelungsregel. An der Stelle müssen Energiemanagementsysteme doch wirklich etwas leisten. Wie kann der Kunde einschätzen, welches System das besser kann?

Langel: Das ist in der Tat noch relativ schwierig. Eigentlich können das sowieso immer nur die herstellerspezifischen Systeme. Ein SMA Home Manager kann einen SMA-Wechselrichter aktiv und dynamisch begrenzen. Er kann allerdings kein Fremdgerät steuern.

Haben Sie den Eindruck, dass die alle ähnlich gut funktionieren?

Langel: Mit der bisherigen Datenbasis, die wir haben, kann man davon fast ausgehen. Es ist momentan schwer, einen aussagekräftigen Vergleich zu ziehen, welches Speichersystem am Ende leistungsfähiger als ein anderes ist. Da kommen sehr viele Faktoren zusammen.

Sind diese Systeme eigentlich auch für die Anwendung in Gewerbetrieben interessant?

Langel: Auf jeden Fall. Der SMA Home Manager ist beispielsweise nicht limitiert, es sei denn im Megawattbereich.

Das Gespräch führte Michael Fuhs.