KI in Photovoltaikanlagen

Home Energy Management System (HEMS)

Ein Home Energy Management System, kurz HEMS, steuert die Energieflüsse einer modernen Photovoltaikanlage. Es verbindet alle wichtigen Komponenten miteinander und entscheidet automatisch, wie der erzeugte Strom genutzt wird.

Zu diesen Komponenten gehören unter anderem die Photovoltaikanlage, der Batteriespeicher, der Wechselrichter, das Smart Meter sowie Verbraucher wie eine Wärmepumpe oder eine Wallbox. Damit das HEMS möglichst effizient arbeiten kann, verarbeitet es verschiedene Informationen:

• Aktuelle Stromerzeugung der Photovoltaikanlage
• Stromverbrauch im Haushalt
• Ladezustand des Batteriespeichers
• Wettervorhersagen
• Strompreise bei dynamischen Tarifen
• Angelernte Gewohnheiten

Falls vorhanden, können auch historische Daten verwendet werden, um das System anzulernen. Aus diesen erstellt das HEMS eine Prognose für die nächsten Stunden oder sogar für den nächsten Tag. Es erkennt beispielsweise, wann viel Solarstrom erzeugt wird und wann der Stromverbrauch im Haushalt besonders hoch ist. Zusätzlich lernt das HEMS typische Gewohnheiten der Bewohner kennen und kann dadurch den Energieverbrauch immer besser planen.

Priorität der Energienutzung

Sobald die Photovoltaikanlage Strom erzeugt, wird dieser nach einer individuell bestimmbaren Reihenfolge genutzt, da es hierfür keine feste Vorgabe gibt.

Die Prioritäten, was zuerst versorgt oder geladen werden soll, kann man ganz individuell festlegen. In der Standardeinstellung wird der Strom zunächst direkt im Haushalt verbraucht. Dies wird als Eigenverbrauch bezeichnet und hat die höchste Priorität, da dadurch kein teurer Netzstrom bezogen werden muss.

Wird mehr Strom erzeugt als aktuell benötigt wird, lädt das HEMS die Verbraucher und Speicher, die ihm vom Anlernen bekannt sind. Die überschüssige Energie kann dadurch später genutzt werden, zum Beispiel in den Abendstunden oder nachts. Sind diese vollständig geladen, werden flexible Verbraucher mit Strom versorgt. Dazu gehören beispielsweise eine Wärmepumpe, ein Warmwasserspeicher oder eine Wallbox zum Laden eines Elektroautos.

Erst wenn alle Verbraucher versorgt und die angelernten Speicher vollständig geladen sind, wird überschüssiger Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Nutzung dynamischer Stromtarife

Viele Stromanbieter bieten mittlerweile dynamische Stromtarife an. Dabei verändert sich der Strompreis stündlich oder sogar viertelstündlich.

Das HEMS kann diese Preise automatisch berücksichtigen. Sind die Strompreise nachts besonders niedrig, lädt das System den Batteriespeicher gezielt mit günstigem Netzstrom auf. Dadurch steht am nächsten Tag ausreichend Energie zur Verfügung, ohne dass teurer Strom gekauft werden muss.

Dieses Verfahren ist besonders im Winter sinnvoll, wenn die Photovoltaikanlage aufgrund kurzer Tage weniger Energie erzeugt.

Das öffentliche Stromnetz

Auch moderne Photovoltaikanlagen können den Strombedarf nicht jederzeit vollständig decken.

In der Nacht oder bei schlechtem Wetter übernimmt deshalb das öffentliche Stromnetz die Stromversorgung. Der Wechsel zwischen Solaranlage, Batteriespeicher und Netzstrom erfolgt automatisch über einen Hybrid-Wechselrichter.

Für die Bewohner ist dieser Wechsel nicht bemerkbar. Alle Geräte werden weiterhin ohne Unterbrechung mit Strom versorgt.

Das öffentliche Stromnetz dient somit als zusätzliche Absicherung, falls die eigene Stromerzeugung nicht ausreicht.

Sektorenkopplung

Unter Sektorenkopplung versteht man die gemeinsame Nutzung und Vernetzung der drei zentralen Energiebereiche Strom, Wärme und Mobilität.

Dabei werden alle verbrauchenden Geräte im Haus intelligent miteinander verbunden. Zum Wärmesektor gehören beispielsweise die Wärmepumpe, eine reine Warmwasseraufbereitung oder die Klimatisierung im Sommer. Der Mobilitätssektor umfasst nicht nur die Wallbox für das Elektroauto, sondern auch das Laden von E-Bikes oder Mährobotern.

Ergänzt wird das Ganze durch klassische Stromverbraucher wie smarte Haushaltsgeräte oder Pooltechnik. Das HEMS kann dadurch alle Geräte aus diesen drei Bereichen perfekt aufeinander abstimmen und den erzeugten Solarstrom möglichst effizient verteilen. Steht beispielsweise mittags viel Solarstrom zur Verfügung, kann das System automatisch das Elektroauto laden oder die Wärmepumpe einschalten. Dadurch wird der Eigenverbrauch erhöht und weniger Strom in das öffentliche Netz eingespeist.

Wirtschaftlichkeit

Der Bezug einer Kilowattstunde Strom aus dem öffentlichen Netz kostet private Haushalte derzeit durchschnittlich etwa 37 Cent. Selbst erzeugter Solarstrom kostet dagegen nur etwa 6 bis 14 Cent pro Kilowattstunde. Die genauen Kosten hängen unter anderem von der Größe der Anlage und den Anschaffungskosten ab.

Für eingespeisten Strom erhalten Betreiber aktuell nur rund 7,7 Cent pro Kilowattstunde. Diese gesetzliche Vergütung gibt es allerdings nur bis zu einer bestimmten Anlagengröße von 10 kWp (Kilowatt-Peak, maximale elektrische Leistung). Ist die Anlage größer, fällt die Vergütung für den Schwellenwert darüber hinaus etwas geringer aus. Deshalb ist es wirtschaftlich deutlich sinnvoller, möglichst viel des eigenen Solarstroms selbst zu verbrauchen.

Ohne Batteriespeicher liegt der Eigenverbrauch häufig nur zwischen 30 und 40 Prozent. Mit einem Batteriespeicher und einem Home Energy Management System kann dieser Wert auf über 70 Prozent gesteigert werden. Dies nennt man dann auch eine Steigerung des Autarkiegrades. Der Autarkiegrad definiert das Maß der Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und zeigt an, wie viel Prozent des insgesamt benötigten Stroms selbst erzeugt und verbraucht wurden.

Unter Berücksichtigung aller zuvor genannten Aspekte amortisiert sich die Photovoltaikanlage in vielen Fällen auch deutlich schneller.

Gesetzliche Vorgaben

Für viele neue Photovoltaikanlagen ist inzwischen ein Smart Meter vorgeschrieben.

Ein Smart Meter ist ein digitaler Stromzähler, der den Stromverbrauch und die Stromerzeugung kontinuierlich erfasst und an das HEMS übermittelt.

Dadurch kann das System den Energieverbrauch in Echtzeit überwachen und die Energieflüsse entsprechend anpassen.

Smart Meter bilden außerdem die Grundlage für das intelligente Stromnetz der Zukunft. Sie ermöglichen es, dass Millionen Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher und Verbraucher miteinander zusammenarbeiten und das Stromnetz entlasten.

Fazit

Moderne Photovoltaikanlagen sind weit mehr als reine Stromerzeuger. Gemeinsam mit Smart Metern und Energiemanagementsystemen bilden sie einen wichtigen Baustein eines intelligenten und nachhaltigen Energiesystems.