Solarstrom-Energiemanagement

für Eigenverbrauch

Letzte Änderung: 13.9.2021

Motivation:

Nachdem meine 4kW-PV-Anlage aus der EEG-Förderung herausgefallen ist und für eingespeisten solarstrom nur ein Almosen gezahlt wird, habe ich den Einspeisepunkt nach intern vor den Stromzähler umgeklemmt. Damit kann ich Solarstrom selbst verbrauchen und nur noch die Überschüsse ins öffentliche Stromnetz einspeisen.

Da mein Verbrauchsschwerpunkt auf den Abend und die Nacht fällt, bietet sich ein Speicher für die Erhöhung des Eigenverbrauch-Anteils an. Kommerzielle Solarstromspeicher sind angesichts meines geringen Stromverbrauches und des vorhandenen, einphasigen Wechselrichters unrentabel, daher habe ich eine preisgünstige Lösung gesucht und sie in einem mobilen, Lithium-Ionen-Aggregat mit einphasigem 1kW-Wechselrichter und separatem Ladegerät gefunden:

Dessen Kapazität ist mit 2,4kWh ganz gut bemessen, der Wechselrichter aber nicht für größere Motorgeräte wie Staubsauger, Regenwasserpumpe, etc. geeignet. Grundsätzlich finde ich das auch ganz gut, weil dann der Akku nicht zu heftig belastet wird und (hoffentlich) länger hält.

Um sie dennoch möglichst viel mit Solarstrom nutzen zu können, habe ich ein kleines Energiemanagement-Gerät gebaut und programmiert, das die Daten der optischen Schnittstelle elektronischer Stromzähler auswertet und abhängig von der eingespeisten Leistung 4 Verbraucher unterschiedlicher Leistungsstufen auf der Phase frei schaltet, auf der der Wechselrichter einspeist.

Eigentlich wäre die Phase egal, da der Stromzähler nur die summarische Leistung aller 3 Phasen zur Abrechnung hernimmt, mir geht es aber um eine auch physikalisch möglichst saubere Lösung, denn die Natur lässt sich nicht betrügen.
Der Aufwand ist überschaubar, nur die Programmierung des Empfangsprotokolles war etwas komplizierter als gedacht: Mit kleinen Modifikationen ließe sich das Gerät beispielsweise auch zum solaren Laden von Elektroautos nutzen.

Konzept:

Herzstück des Gerätes ist ein seit Jahren bewährter, preisgünstiger Mikrocontroller (ATTiny2313), der den seriellen Datenstrom vom Stromzähler decodiert, den aktuellem Leistungswert auf einem LCD anzeigt und die Schaltstufen ansteuert.
Realisiert habe ich folgende 4 Stufen: Die Freigabe bzw. Rücknahme jeder Stufe richtet sich immer nach der aktuell eingespeisten Leistung und die zuletzt zugeschalteten Stufen werden bei Netzbezug zuerst wieder abgeschaltet.

Damit ergibt einerseits sich eine Priorisierung für die niedrigsten Stufen, die zum Nachladen dienen, andererseits werden andere Verbraucher aber auch nicht behindert, wenn die Leistung niedrigerer Stufen nicht ausgenutzt wird.

Die höchste Schaltstufe steuert einige ausgewählte Steckdosen im Haus an, an die sich dann beliebige Elektrogeräte anschließen lassen.
Die Anzahl der Schaltstufen ist prinzipiell nur durch die Anzahl der Anschlüsse begrenzt, mehr Stufen wären mit einer größeren Variante des Controllers realisierbar.

Größter Nachteil ist die Einphasigkeit:
Will man möglichst viele Verbraucher versorgen, muss man in der Elektroverteilung entweder mehrere Phasen zusammen legen oder die gewünschten Verbraucher auf die eine Phase umklemmen.
Ich versorge 2 Phasen mit dem Speicher und mit der dritten (an der der Wechselrichter einspeist) Geräte mit hoher Priorität, wie den Gefrierschrank.
Für den Fall, dass der Speicher leer oder defekt ist, kann ich die 2 Speicher-Phasen wieder zurück ans Stromnetz schalten.

Virtuelle Speicher:

Flankiert und ergänzt wird das durch einen Regenwasserspeicher auf dem Dachboden, mit dem die Nächte und auch trübe Tage überbrückt werden und eine Zeitschaltuhr, die meinen Gefrierschrank, der nicht am Speicher hängt, über Nacht vom Stromnetz trennt.
Eingeschaltet wird derzeit um 8:30, wenn im Sommer normalerweise genug Leistung zur Verfügung steht. Dass er nicht am Speicher betrieben wird, hat den Vorteil, dass er dann auf jeden Fall wieder kühlen kann und dazu ggf. Priorität vor dem Laden bekommt.
Zur Sicherheit habe ich die Solltemperatur tiefer eingestellt als vorher und eine Zeit lang die Innentemperatur gemessen, die im Sommer um ca. +-5°C schwankt. Da thermische Vorgänge langsam ablaufen, wirkt das wie ein zusätzlicher virtueller Speicher.

Hardware:


Das Gerät selbst hat neben dem optischen Sensor und dem Display nur Transistor-Schaltausgänge mit denen Leistungsrelais angesteuert werden können, die dann an geeigneten Stellen im Haus plaziert sind und somit zusätzlichen Verkabelungsaufwand minimieren.

Damit das Display gut zugänglich ist, habe ich es über etwa eine halben Meter Kabel vom Gerät abgesetzt und im Flur montiert, während das Gerät selbst hinter einer Tür direkt neben der Elektroverteilung plaziert ist.

Versorgt wird das Gerät mit 5V Gleichspannung, entweder durch ein kleines 5V-Netzteil oder über einen zusätzliuchen Spannnungsregler aus einer 12V-Gleichspannung, die bei mir zusätzlich für die Relais verwendet wird und aus meiner alten solar geladenen Gleichstromversorgung stammt.
Den 5V-Ausgang des Speichers sollte man tunlichst nicht verwenden, da der nicht galvanisch von der 230V-Ausgangsspannung des Wechselrichters ist! An dem Punkt merkt man doch, dass der Speicher nicht für netzgebundenen Betrieb konzipiert ist.

Zweitanzeige:


Da es mir zu aufwändig war, für einen kurzen Blick auf das Display immer die Treppe herunterzugehen, lasse ich die angezeigten Daten über einen seriellen Ausgangskanal ausgeben, der ein (oder mehrere) zuätzliche Anzeigen ansteuern kann.
Das Zweitdisplay ist ebenfalls mit einem Mikrocontroller ausgestattet, der auch die Schaltstufen repliziert.
So lassen sich die Schaltstufen mit einer Datenleitung auf jedes Stockwerk führen, ohne dass man dicke Stromkabel durch die Decken führen muss.

Hauswasserspeicher:

Das Hauswasserwerk dient bei mir vorwiegend zur Füllung der Toiletten-Spülkästen:
Da die natürlich auch nachts nach gefüllt werden müssen, habe ich meine alte Idee eines Wasserspeichers auf dem Spitzboden realisiert, der befüllt wird wenn die Sonne scheint und die Spülkästen per Schwerkraft speist.


Mit 300 Litern bei voller Füllung kann er einige trübe Tage überbrücken, was vor allem im Winter nötig sein kann.
Für den Fall, dass die Sonne zu lange gar nicht scheint, gibt es einen Mindestfüllstandsschalter, der für die Füllung mit Netzstrom sorgt.


Beim Aufbau der Schwimmer-Mechanik sollte man auf wasser- und korrosionsfeste Materialien (z.B. Kunststoffe, Aluminuim, Edelstahl) und eine ausreichende und dauerhafte Befestigung achten.


Damit das Regenwasser im Sommer nicht anrüchig wird, habe ich die Tonne mit gut 20cm Wärmedämmung umbaut und lasse sie nur zur Hälfte füllen.
Zur einfachen Umstellung sind zwei Schwimmer auf unterschiedlicher Höhe eingebaut, zwischen deren Kontakten man von Hand umschalten kann.

^ Hinweis:

Diese Seite verfolgt keine kommerziellen Interessen, sie soll Anregungen zu Energie sparen und Klimaschutz im persönlichen Umfeld geben und wächst daher nebenbei soweit es meine Zeit erlaubt.

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