Fronius hat das energieautonome Wohnhaus entwickelt

Die Speicherung von erneuerbaren Energien kann prinzipiell auf verschiedenen Ebenen erfolgen. Zentrale Konzepte sind in Europa in Diskussion. Die grundlegende Idee sind große Offshore-Windparks im Norden, zentrale PV-Anlagen im Süden und große Pumpspeicherkraftwerke. Solche Konzepte werden kontrovers diskutiert, da sie zusätzliche, starke Fernleitungsnetze quer durch Europa benötigen, diese viel Fläche verbrauchen und teuer sind. Eine Alternative bietet die dezentrale Speicherung vor Ort.

Bei fluktuierenden Energien, wie etwa der Photovoltaik (PV), ist die Synchronisierung zwischen Erzeugung und Verbrauch nur teilweise gegeben. Wenn der Energiebedarf eines Haushaltes sich annähernd mit dem PV-Anlagenertrag deckt, sprechen Studien von einem durchschnittlich erreichbaren Eigenverbrauchsanteil von 30 Prozent. Um diesen Anteil signifikant zu erhöhen, sind Speichertechnologien notwendig. Mit dem hier beschriebenen Energiekonzept kann dieser auf 100 Prozent angehoben werden. Das Konzept wird erstmals an einem Fronius-Standort in Österreich umgesetzt.

Die Fronius-Energiezelle verfolgt diesen dezentralen Ansatz auf der Ebene eines Einfamilienhauses, um dort Energie zu erzeugen, wo sie auch benötigt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die entstehende Abwärme direkt für Warmwasseraufbereitung und Heizzwecke genutzt werden kann.

Tagsüber und bei ausreichender Sonneneinstrahlung können die Stromverbraucher direkt über den PV-Wechselrichter betrieben werden. Stromüberschüsse werden auf mehrere Arten genutzt. Einerseits werden damit Batterien geladen, die in den Abend- und Nachtstunden die benötigte Energie zur Verfügung stellen (Kurzzeitspeicherung). Andererseits wird mit den Stromüberschüssen der Sommermonate ein Elektrolyseur in der Fronius-Energiezelle versorgt. Dieser erzeugt Wasserstoff, der im externen Tank gespeichert wird. Im Winter wird der gespeicherte Wasserstoff mit der Brennstoffzellenfunktion der Fronius-Energiezelle wieder zurück in Strom gewandelt (Langzeitspeicherung). Diese Umwandlungsprozesse erzeugen zusätzlich Abwärme, die zur Warmwasseraufbereitung und zur Heizungsunterstützung verwendet wird. Das Energiemanagementsystem sorgt im Gesamtsystem für die optimierte Energienutzung und -verteilung. Durch eine Kombination der beiden Speichertechnologien entstehen wichtige Synergien: Im Kurzzeitspeicherbereich werden der gute elektrische Wirkungsgrad sowie die Fähigkeit der Batterien, Spitzenleistung zu liefern, genutzt. Energie über längere Zeiträume mit einer vergleichsweise sehr hohen Energiedichte zu speichern und diese dann in Form von Strom und Wärme nutzbar zu machen, ist die Stärke des Wasserstoffs. Weitere Komponenten sind die Wasseraufbereitung, bei der deonisiertes Wasser für die Elektrolyse erzeugt wird, sowie der Wärmepufferspeicher zur Nutzung der Energiezellen-Abwärme. Der Wechselrichter verknüpft PV-Generator, Wechselstromnetz und Speichereinheiten.

Das Energiemanagement

Die optimale Energieeffizienz innerhalb eines Gebäudes erfordert stets die simultane Kontrolle aller im Haus auftretenden Energieströme. Basierend auf dem EY-Modulo-System der Firma Sauter in Basel erfüllt das Energiemanagementsystem (EM) die geforderte Aufgabe, indem es autark, über alle Gewerke hinweg, sowohl die thermischen als auch elektrischen Bedarfe innerhalb des Hauses erfasst und dadurch für eine bedarfsgerechte Bereitstellung sorgt. Durch eine mögliche Ankopplung des Energiemanagers an das zukünftige intelligente Stromnetz rücken weitere Anwendungen, wie die vom EVU zur Reduzierung von Netzlastschwankungen gesteuerten dezentralen Energiespeicher oder gar private Strombörsen, in greifbare Nähe.

Technik im Detail

Modellstation von Fronius

Modellstation von Fronius

• für 4-Personen-Haushalt in Mitteleuropa
• Kopplung an das öffentliche elektrische Netz
• beheizte Wohnfläche: 170 m²
• elektrischer Energiebedarf (ohne Wärmepumpe): 3000 kWh/a
• Heizenergiebedarf: 2500 kWh/a; 15 kWh/(m² a), Niedrigstenergiehaus nach EU-Gebäuderichtlinie
• Warmwasserbedarf: 1500 kWh/a (25 Liter pro Tag und Person)
• PV Ertragsleistung: 6000 kWh/a; entspricht einer 60 m² PV-Anlage
• für die Aufteilung des PV-Ertrages wird je 1/3 Direktverbrauch, Kurzzeitspeicher und Langzeitspeicher angesetzt.

Gesamtwirkungsgrad unter Berücksichtigung der Abwärmenutzung: >80 %. Abwärmeniveau: bis 80 °C. Die Energiezellenabwärme deckt über 2/3 des jährlichen Warmwasserbedarfs

Zentrale Führungsgröße für die Regelung der elektrischen hausinternen Energieströme ist der bidirektionale Leistungszähler am öffentlichen Stromnetz (Smart Meter). Dieser erkennt Laständerungen im Haus und veranlasst das EM, den Mehrbedarf über den Kurz- und Langzeitspeicher zu decken. Gleiches gilt bei solarer Überkapazität: hier entscheidet das EM, mit welcher Priorität die Speicher geladen werden, um dann bei erreichter Füllung mit der Netzeinspeisung zu beginnen.

Nicht alle thermischen Bedarfe im Haus können ausschließlich durch die Abwärme der Fronius-Energiezelle gedeckt werden. Deshalb wird in einem weiteren Projektschritt ein zusätzlicher Wärmeerzeuger in das Sauter-Energiemanagement-System integriert. Über die Summe aller gemessenen Temperatur- und Verbrauchsdaten, werden vom EM, beim Einsatz einer Wärmepumpe sowohl die optimale Vorlauftemperatur als auch die benötigte Warmwassermenge bestimmt und an diese übertragen. Die Einbindung von Pellet-Öfen oder gar Wasserstoff-Thermen ist gleichfalls denkbar und setzt nur eine Übertragung von Schaltsignalen zu den Geräten voraus. Die hausinterne Regelung beider Energieströme basiert somit stets auf einer umfangreichen gewerkeübergreifende Kommunikation mit Sensoren und Stellgliedern. Deshalb ist das EM vorwiegend mit renovationstauglichen Schnittstellen wie Powerline und Funk ausgestattet. Eine LAN-Schnittstelle mit Webserver ergänzt die kabellose als auch -gebundene Visualisierung aller hausinternen Anwenderdaten. Ein zusätzlicher Cloud-Server bietet den Datenzugriff auch von extern und unterstützt damit Servicetätigkeiten über Fernwartung. Sollte ergänzend die Notwendigkeit für ein Lastmanagement bestehen, lassen sich selbst ältere Verbraucher über Steckdosenadapter in das System integrieren. fa

Autoren: Dipl.-Ing. Michael Schubert, Fronius und Dr.-Ing. Thomas Laux, Sauter

Kooperation

Fronius und Loxone bieten umfassendes Energiemanagement

Seit kurzem kooperieren die Fronius International GmbH, Qualitätsführer im Bereich Solarelektronik und Loxone, Erfinder, der Miniserver-basierten Lösung zur Hausautomatisierung. Ziel ist es, den Kunden beider Unternehmen ein umfassendes Energiemanagement anzubieten. In Folge können diese den Eigenverbrauch erhöhen und Kosten sparen.

Erhöhung des Eigenverbrauchs durch intelligente Hausautomatisierung

Der Loxone Miniserver regelt alles im Eigenheim, von der Beschattung bis zur Heizung. Die Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage und Fronius Wechselrichter ermöglicht dem Hausbesitzer ein bequemes Energiemanagement zur Steigerung des Eigenverbrauchs. Das heißt, dass mehr von dem selbst erzeugten Strom auch selbst verbraucht werden kann.

Die Kombination aus Fronius Wechselrichter und der Miniserver-basierten Lösung zur Hausautomation von Loxone ist einfach umsetzbar und hilft Kosten zu sparen.

Dies führt zu einer schnelleren Amortisationszeit der Photovoltaik-Anlage. Darüber hinaus entsteht mehr Unabhängigkeit in der Energieversorgung. „Ein umfassendes Energiemanagement für unsere Kunden anzubieten, ist das Ziel der Kooperation mit Loxone“, sagt Martin Hackl, Spartenleiter Solarelektronik, Fronius International GmbH. Der Fronius Wechselrichter kann ganz einfach mit dem Loxone Miniserver verbunden werden. Viele praktische Anwendungen wie z.B. das Ansteuern verschiedenster Verbraucher, in Abhängigkeit der erzeugten Strommenge oder das Aufladen eines Elektroautos, entstehen dadurch für den Kunden.