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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrauchssteuerung eines mit einer Fotovoltaikanlage und einem thermischen Speicher gekoppelten elektrischen Wärmeerzeugers.
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Es sind Verfahren zur Steuerung des Eigenverbrauchs in einem lokalen Netz mit wenigstens einer Fotovoltaikanlage bekannt, die mit einer direkten Rückkopplung des erzeugten oder überschüssigen Fotovoltaik-Stroms arbeiten. Diese steuern die am lokalen Netz angeschlossenen Geräte so, dass überschüssiger Strom, der lokal über die Fotovoltaik-Anlage erzeugt wurde, möglichst nicht einem öffentlichen Netz zugeführt wird, sondern lokal, d. h. in der Nähe der Erzeugung verbraucht wird. Die Schwierigkeit besteht darin, dass der Ertrag einer Fotovoltaik- Anlage tageszeitlich und jahreszeitlich stark schwank.
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DE 10 2012 003 227 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Bereitstellung von Wärme, wobei das System einen Wärmeerzeuger und einen Wärmespeicher mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur an einem Punkt im Wärmespeicher oder in einer daran angeschlossenen Rohrleitung aufweist. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln einer von dem Wärmeerzeuger in den Wärmespeicher eingebrachten Energiemenge, ein Ermitteln eines Zeitverlaufes einer an einer Entnahmestelle aus dem Wärmespeicher entnommenen Energiemenge, sowie ein Ermitteln eines Ladezustandes des Wärmespeichers. Es wird eine Prognose eines Zeitverlaufes einer zukünftigen Energieentnahme an der Entnahmestelle und ein Betriebsplan für den Wärmeerzeuger erstellt anhand von mindestens einem der Parameter Temperatur, Ladezustand und prognostizierter Energieentnahme. Ein entsprechendes System, das über das beschriebene Verfahren angesteuert werden kann, ist ebenfalls offenbart.
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Um überschüssige Leistung einer Fotovoltaik-Anlage im Haushalt einfacher nutzen zu können, sind Systeme marktbekannt, die elektrische Energie thermisch zu speichern, also mit dem Strom Wasser oder andere Materie in einem Wärmespeicher zu erwärmen und dieses zu einem späteren Zeitpunkt für die Warmwasserversorgung oder Raumbeheizung zu nutzen. Im tageszeitlichen Verlauf werden dazu mit zunehmender Sonneneinstrahlung Heizelemente aktiviert, die der Beladung des thermischen Speichers dienen, und später wieder deaktiviert. Die elektrische Energie wird somit mit sehr geringen Verlusten in thermische Energie umgewandelt und gespeichert. Diese Art des Eigenverbrauchs ist sehr viel einfacher durchführbar als ein ständiger Abgleich zwischen lokal erzeugtem Strom, Netzstrom und dem momentanen lokalen Verbrauch.
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Marktbekannt sind weiterhin Verfahren, bei denen eine physikalische Messung der eigenerzeugten elektrischen Energie, wie einem Fotovoltaikstrom, mittels Messinstrumenten erfolgt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Steuerung des Verbrauchs bei einem mit einer Fotovoltaikanlage gekoppelten thermischen Speicher weiter zu vereinfachen.
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Die Erfindung schlägt als Lösung ein Verfahren zur Verbrauchssteuerung eines mit einer Fotovoltaikanlage und einem thermischen Speicher gekoppelten elektrischen Wärmeerzeugers mit den Merkmalen des Anspruch 1 vor.
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Nach der Erfindung kann auf eine aufwändige Erfassung und Abstimmung der mit der Fotovoltaik-Anlage erzeugten elektrischen Energie und dem Momentan-Verbrauch im lokalen Netz verzichtet werden. Bevorzugt wird sogar auf eine Übertragung der tatsächlich erzeugten Energie ins öffentliche Netz ganz verzichtet und die Leistung wird direkt auf der Basis einer Ertragsprognose für den Installationsort ausgeführt.
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Der besondere Vorteil liegt darin, dass die Beladung des thermischen Speichers durch die Einbeziehung einer Ertragsprognose steuerbar ist und die Beladung durch Bezug elektrischer Leistung aus dem öffentlichen Versorgungsnetzt minimiert wird, und dies mit einem erheblich verringertem Installationsaufwand im Vergleich zu Lösungen, bei denen eine Messung bzw. Berechnung des tatsächlich existierenden Überstromangebotes erfolgt.
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Insbesondere wird auf eine Entladung folgend, z. B. durch Warmwasserverbrauch am Abend oder Heizen am frühen Morgen, nicht automatisch ein neuer Beladungszyklus über aus dem öffentlichen Netz bezogenen Strom durchgeführt. Eine solche Beladung erfolgt nur ausnahmsweise, wenn ein vom Nutzer definierter Mindestkomfort unterschritten wird.
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Ausführungsbeispiel 1:
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Ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Heißwasser-Untertischgerät. Dieses ist elektrisch mit einer Hausinstallation verbunden, bei welcher Strom aus einer Fotovoltaik-Anlage eingespeist wird, der vorzugsweise als Fotovoltaik- Strom bezeichnet wird.
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Das Heißwasser-Untertischgerät besitzt zur Abbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine kleine Steuerungseinheit, die z. B. mit einem Funkmodem ausgestattet ist, um über WLAN aus dem lokalen Netzwerk oder über Mobilfunk eine standortbezogene Einstrahlungsprognose abzurufen. Aus dieser wird eine Einschalt- und eine Ausschaltschwelle definiert, ab der die elektrische Heizeinrichtung im Heißwasser-Untertischgerät ein bzw. ausgeschaltet wird.
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Da die Ertragsprognose eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür gibt, dass die Erwärmung des Speichers in diesem Zeitraum über lokal erzeugten Strom aus der PV-Anlage erfolgen kann, wird keinerlei Rückkopplung mit übrigen Anlagenteilen benötigt, so dass über die Herstellung des Internetzugangs hinaus keine aufwendige elektrische Installation erforderlich ist. Das Heißwasser-Untertischgerät kann wie jedes herkömmliche von Sanitärfachleuten, womit eine einzelne handelnde Person umfasst ist, montiert werden. Bei dem Vorteil der einfachen Bauweise, Installation und der geringen Fehleranfälligkeit einer autonomen Einheit wird in Kauf genommen, dass in Einzelfällen wegen einer Wetteränderung die Aufheizung nicht über Fotovoltaik-Strom erfolgt.
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Ausführungsbeispiel 2
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Ein elektrisch beheizter Speicher besitzt zwei Ladetemperaturen. Eine niedrige Temperatur (Komforttemperatur) definiert den Mindestkomfortwert, z. B. 50 °C. Auf diese Temperatur wird die Beheizung immer geregelt, damit der Mindestkomfortanspruch des Nutzers befriedigt wird. Eine höhere Speicherladetemperatur (Speicherladetemperatur) dient dazu, zusätzliche elektrische Energie in Form von thermischer Energie im Speicher zu speichern.
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Über das Internet wird der Anlage eine standortbezogene Einstrahlungsprognose übermittelt. Diese wird mit den von wenigstens einer Person oder den Nutzern vorgegebenen Installationsparametern der lokalen Fotovoltaik-Anlage in eine elektrische Ertragsprognose umgerechnet.
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Durch Beobachtung und Vergleich mit den realen Erträgen kann diese Umrechnung mit einem Korrekturfaktor von der Person optimiert werden. Entsprechende Prognosedaten werden der Person angezeigt.
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Über einen Schwellwert legt die Person nun fest, wann die Anlage auf die höhere Speicherladetemperatur umschaltet und so die Ladung aktiviert. Mit diesem Schwellwert berücksichtigt die Person den im Haus zu erwartenden Strombedarf. Der Leistungsbedarf der Anlage wird der Person angezeigt.
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Die Person kann optional über ein Zeitprogramm bestimmte Zeiten von der Aufladung ausschließen, z.B. Zeiten, in denen ein hoher Verbrauch im Gebäude zu erwarten ist, bei dem auch der potentielle Überschuss eingeschränkt ist.
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Die Anlage nutzt und speichert so Energie vorzugsweise zu Zeiten, in denen ein Überschuss an Fotovoltaikstrom zu erwarten ist.
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Die Abstützung auf reine Prognosedaten führt zwar möglicherweise dazu, dass eintretende Wetteränderungen eher zu einer Senkung als zu einer Erhöhung der nutzbaren Energiemenge führen, denn bei erwartetem schlechten Wetter wird eine Aufladung gar nicht erst vorgenommen, auch wenn die tatsächlichen Wetterverhältnisse sich in Abweichung von der Prognose später besser entwickeln als erwartet. Auf der anderen Seite kann es vorkommen, dass die Fotovoltaik-Anlage in einem gemäß der Prognose als geeignet bestimmten Zeitintervall den Wärmeerzeuger aufladen soll, obwohl die reale Sonneneinstrahlung viel niedriger ist als erwartet.
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Diesem systembedingten Nachteil steht jedoch ein nach der Erfindung deutlich gesenkter Aufwand bei der Anlageninstallation und der Vorteil einer einfachen Steuerung im Betrieb gegenüber, die für handwerkliche Installationsbetriebe wie Hausbesitzer wesentlich einfacher handhabbar ist als eine komplexe Regelungsstrategie, bei der in Echtzeit Messdaten erfasst und ausgewertet und Leistungsanpassungen vorgenommen werden .
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Zum Zwecke der Beladung des thermischen Speichers kann die Steuerung der Heizleistung in Stufen oder stufenlos erfolgen.
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Die nutzbare thermische Speicherkapazität kann über einen höheren Temperatursollwert optimiert werden.
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Der höhere Temperatursollwert erlaubt eine Beladung des thermischen Speichers über die normal eingestellten Vorlauf- bzw. Heißwassertemperaturen hinaus. Bei der Abgabe von Heißwasser aus dem Speicher kann möglicherweise vor Einspeisung in die Hauswasserverteilung eine direkte Mischung mit Kaltwasser erforderlich sein, um z. B. eine Verbrühungsgefahr auszuschließen.
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Mit der zeitlichen Bedarfsvorgabe kann der Energiebedarf des in einem künftigen Bezugszeitraum exakter geplant werden, insbesondere wenn anlagentechnisch nicht vorhersehbare Ereignisse eintreten, die durch die Bewohner verursacht werden. Beispiele dafür sind eine vollständige Abwesenheit der Person oder von Bewohnern wegen Urlaubs oder eine geplante Aufheizung eines Schwimmbeckens oder Whirlpools.
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Beim Bedienen der Steuerungseinheit kann die Person Parameter zur Fotovoltaik-Anlage und Angaben über ihr Verbrauchsprofil machen. Diese Informationen können genutzt werden, um die Leistung des Wärmeerzeugers an den zu erwartenden Fotovoltaik Überschuss anzupassen.
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Das Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm für das Verfahren nach der Erfindung an
- 2 ein Gebäude mit einer Fotovoltaik-Anlage und einem Speicher in schematischer Ansicht; und
- 3 Schaltzeiten und Sonneneinstrahlung über der Zeit aufgetragen;
- 4 Schaltzeiten und variierende Sonneneinstrahlung über der Zeit.
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1 gibt ein Ablaufdiagramm für das Verfahren nach der Erfindung an, bei dem ein sehr einfaches Gerät, mit einem thermischen Speicher, wie zum Beispiel das bereits beschriebene Untertisch-Heißwassergerät aufgeheizt wird.
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Die Schritte F-a 201 und VW-a 202 werden nur im Rahmen einer Startsequenz nach Erstinstallation oder nach einer Außerbetriebnahme des Energiemanagements durchgeführt. In Schritt 201 F-a werden Parameter der Fotovoltaik-Anlage eingelesen, um Prognosedaten, die aus öffentlichen Quellen nur allgemein für den Anlagenstandort abrufbar sind, an spezielle Gegebenheiten der örtlichen Installation anzupassen. Beispielsweise können Hindernisse in der Nachbarschaft bei einer bestimmten Konstellation von Azimut und Himmelsrichtung der Sonneneinstrahlung zu einer Verschattung der Kollektoren führen.
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Ein folgender Schritt AW-e 203 stellt den Anfang in einer sich wiederholenden Abfolge von Schritten 203 ... 207 des Verfahrens dar. Im Schritt AW-e 203 werden Wetter-Prognosedaten aus dem Internet bezogen. Unter Einbeziehung der Prognosedaten und der Parameter der eigenen Anlage wird in einer Prozedur bei Schritt FAW204 eine prognostizierte Fotovoltaik-Anlagenleistung berechnet.
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Aus der Anlagenleistung wiederum werden in den Schritten FAE 205, FAA 206 durch Vergleich mit einer Einschaltschwelle und mit einer Ausschaltschwelle wenigstens zwei Zeitpunkte bestimmt, zu denen die Wärmespeicherung gemäß Block Wa 210 aktiviert bzw. gemäß Block Wd11 211 deaktiviert wird. Im Falle des Untertisch-Heißwassergeräts geschieht dies einfach durch Anheben oder Absenken der Solltemperatur, was ein Ein- und Ausschalten des elektrischen Heizelements zur Folge hat, zu den im Voraus festgelegten Zeitpunkten, ohne dass eine Überprüfung, mit der zu diesen Zeitpunkten tatsächlich vorliegenden Anlagenleistung, vorgesehen ist.
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Ein letzter Schritt Ea 207 ist als Abbruchkriterium eingefügt. Sofern nach Durchlaufen des einmaligen Speicherzyklus das automatische Energiemanagement nicht weiter ausgeführt werden soll, wird das Verfahren beendet, vorteilhaft die Wärmespeicherung gemäß Block Wd12 212 deaktiviert, ansonsten wird es durch Rückkehr zur Prozedur bei Schritt AW-e 203 erneut begonnen.
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In einem Block Wa 210 wird eine Wärmespeicherung aktiviert und in den Blöcken Wd
11 211 und / oder Wd
12 212 deaktiviert.
| Schritt 201 | Fotovoltaik- Anlagenparameter einlesen (F-a) |
| Schritt 202 | Verbindung zum Wetterdienst aufbauen (VW-a) |
| Schritt 203 | Aktuelle Wetterdaten einlesen (AW-e) |
| Schritt 204 | Fotovoltaik- Anlagenleistung mit Wetterdaten und Anlagenparameter berechnen (FAW) |
| Schritt 205 | Fotovoltaik- Anlagenleistung >= Einschaltschwelle? (FAE) |
| Schritt 206 | Fotovoltaik- Anlagenleistung < Ausschaltschwelle? (FAA) |
| Schritt 207 | Energiemanagement aktiv? (Ea) |
| Block 210 | Wärmespeicherung aktivieren (Wa) |
| Block 211 | Wärmespeicherung deaktivieren (Wd11) |
| Block 212 | Wärmespeicherung deaktivieren (Wd12) |
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2 zeigt eine mögliche komplexe Anlagenkonfiguration, bei welcher das Verfahren durchführbar ist. An einem Gebäude 10 ist ein Fotovoltaik-Modul 11 montiert, das über einen Wechselrichter 14 mit einem lokalen Wechselspannungsnetz verbunden ist. Im Gebäude 10 sind außerdem ein thermischer Speicher in Form eines Warmwasserspeichers 12 und ein Wärmeerzeuger in Form einer Wärmepumpe 13 installiert.
- - Eine für den Standort des Fotovoltaik-Moduls 11 geltende Ertragsprognose wird internetbasiert von einem Wetterdatendienst bezogen. Dazu ist eine Steuerungseinheit 15 über ein WLAN- oder GSM-Modul 16 mit dem Internet verbindbar.
- - Ggf. sind aufgrund von abweichenden Werten für Azimut und Neigung des Fotovoltaik-Moduls 11 auf dem Gebäudedach im Vergleich zu den normierten Daten der Ertragsprognose Korrekturen vorzunehmen.
- - Der Beobachtungszeitraum wird festgelegt, beispielsweise auf 2 Tage.
- - Der durchschnittliche Eigenbedarf an thermischer Energie wird festgelegt. Als Vorschlag wird die in einem gleich langen vergangenen Bezugszeitraum aus dem Speicher 12 abgerufene Energie zugrunde gelegt. Der Eigenbedarfswert kann vom Benutzer überschrieben werden.
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Die Steuerungseinheit 15 steuert die Leistung der Wärmepumpe 13 so, dass die in den thermischen Speicher 12 eingebrachte Leistung abhängig von der über den Internetzugang 16 übertragenen Ertragsprognose ist. Das heißt, die Wärmepumpe 13 wird vor allem dann durch die Fotovoltaik-Anlage gespeist, die aus dem Fotovoltaik-Modul 11 und dem Wechselrichter 14 besteht, wenn nach der Prognose ein Zeitintervall mit ausreichender Sonneneinstrahlung gegeben ist. Die Erfindung sieht primär keine Schaltpunkte vor, die abhängig von den tatsächlichen Echtzeit-Wetterbedingungen sind.
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Von der Wärmepumpe 13 führt eine Leitung 12.1 in den Speicher 12 und eine Leitung 12.2 daraus heraus. Ein Temperatursensor 18 im Speicher 12 ist mit der Steuerungseinheit 15 verbunden, um den Beladungsgrad ermitteln zu können. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Integralsensoreinheit mit mehreren Wärmefühlern, um trotz unterschiedlich warmer Wasserschichten im Speicher den Beladungsgrad präzise bestimmen zu können. Außerdem ist ein zusätzliches elektrisches Heizelement 17 im Speicher 12 vorgesehen.
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3 zeigt zwei übereinander liegende Diagramme. Im unteren Diagramm sind mehrere Graphen 1, 2 übereinander dargestellt, die den Leistungsverlauf der Fotovoltaik -Anlage über der Tageszeit beispielhaft wiedergeben.
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Die durchgezogene Linie 1 entspricht der aus Wetterdaten vorab bezogenen Ertragsprognose. Demnach ist an einem wolkenlosen Tag im Sommer zu erwarten, dass vom Sonnenaufgang um 5 Uhr die Sonnenstrahlung bis zum höchsten Stand am Mittag zunimmt, dort ein Maximum erreicht und dann bis Sonnenuntergang um kurz vor 22 Uhr wieder abnimmt.
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Nach diesem prognostizierten Verlauf ist in der Steuerungseinheit 15 das Schaltintervall definiert, in welchem eine elektrische Verbindung zwischen dem Fotovoltaik-Modul 11, dem Wechselrichter 14 und der Wärmepumpe 13 hergestellt ist. Wie am oberen Graphen 3 in 3 erkennbar, welcher die Schaltzeit darstellt, erfolgt die Umschaltung jeweils bei einem Schwellwert P1. Dieser entspricht einer elektrischen Leistung, mit der die Wärmepumpe 13 besonders effizient zu betreiben ist, plus eines zu erwartenden Verbrauchs im Haushalt.
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Die gestrichelte Linie 2 entspricht dem realen Verlauf an dem Tag, für den die Prognose ausgestellt wurde. Das Leistungsmaximum wird demnach etwas später erreicht und fällt auch etwas niedriger aus, weil sich beispielsweise erst Frühdunst auflösen muss. Die Schaltzeit ist davon aber nicht beeinflusst; sie richtet sich strikt nach dem Prognosezeitraum. Dennoch wird im Schaltintervall elektrische Energie über das Fotovoltaik-Modul 11 erzeugt und der Speicher 12 wird damit nach Umwandlung in thermische Energie mittels der Wärmepumpe 13 beladen.
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Bei einer volatilen Sonneneinstrahlung ist die zu erwartende Ertragsprognose der Leistung der Fotovoltaikanlage schwankend. Gemäß 4 ist ein entsprechender Graph 4 der zu erwartenden Ertragsprognose eingezeichnet, der einen volatilen Verlauf, der von der Fotovoltaikanalge erzeugten Leistung über der Zeit, vorhersagt. Durch Wolken wird die eigentlich im Zenit am stärksten strahlende Sonne voraussichtlich zumindest partiell abgedeckt und die Fotovoltaik Leistung gemindert.
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Wie am oberen Graphen 5 in 4 erkennbar ist, welcher die Schaltzeit darstellt, erfolgt die Umschaltung jeweils bei einem Schwellwert Po. Dieser entspricht einer elektrischen Leistung, mit der die Wärmepumpe 13 oder ein anderes Hausgerät vorteilhaft gerade betrieben werden kann. Dabei steht eine Mindestleistung für den Betrieb einer drehzahlgesteuerten Wärmepumpe von der Fotovoltaikanlage zur Verfügung. Auch wenn die Leistung einbricht wird die Wärmepumpe weiter betrieben, wenn danach wieder mit einem Leistungsanstieg zu rechnen ist. Vorteilhaft erfolgt erst dann eine Abschaltung der Wärmepumpe, wenn keine ausreichende Leistung mehr in Aussicht steht, beispielsweise wenn der Abend naht oder Wolken die Einstrahlung der Sonne nicht mehr in einem ausreichenden Maße erwarten lassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012003227 A1 [0003]
