Heimenergiemanagement: Erster Schritt zum Performance-Ranking

Die Datenbasis in der Marktübersicht Heimenergiemanagement-Systeme, die pv magazine in der Kooperation mit dem HEMS-Finder aus dem Forschungsprojekt der Hochschule Ansbach erhalten hat, zeigt den Erfolg des Segments und gleichzeitig das Dilemma. Innerhalb eines Jahres hat sich die Zahl der verfügbaren Systeme von 43 auf 75 fast verdoppelt. Der Markt ist attraktiv, in der neuen Energiewelt werden die Systeme benötigt, doch die Auswahl wird immer schwieriger. Es ist schwer, die Unterscheidungsmerkmale zu finden, was zum einen daran liegt, dass es gar nicht so viele Möglichkeiten gibt, sich zu differenzieren. Und zum anderen daran, dass man die Unterschiede, die es gibt, oft gar nicht erkennt. Denn eigentlich ist klar, was die Systeme tun sollen: Wenn Solarstrom absehbar ist, sollen sie zum Beispiel den Speicher leer halten. Wenn Solarstrom da ist, sollen sie Verbraucher einschalten.

Thomas Haupt, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter der HS Ansbach gerade seine Dissertation zu dem Thema geschrieben hat und jetzt den HEMS-Finder weiter entwickelt, hat daher an einem Messstand fünf Systeme genauer unter die Lupe genommen. „Ich bilde ein vollelektrisches Haus in einem realen Ende-zu-Ende-Test ab“, sagt er.

Haupts Testaufbau simuliert eine Photovoltaikanlage mit sechs Kilowatt Leistung, wahlweise an einem sonnigen Tag mit typischer glatter Erzeugungskurve oder an einem wolkigen Tag mit vielen Fluktuationen. „Ich habe mir angesehen, wie bei verschiedenen Heimenergiemanagmentsystemen die Wärmepumpe, das Elektroauto, der Wechselrichter und die Batterie gesteuert werden“, sagt Haupt. Dabei gab es dann doch offensichtliche Unterschiede.

In Test 1 mussten die Geräte zeigen, wie sie den Befehl „sofort Laden“ umsetzen, wenn die Sonne nicht scheint. „Hems 1 bis Hems 4 entladen aus der Batterie ins Elektroauto, Hems 5 nicht“, sagt Haupt. Bei Hems 5 kann man einstellen, ob Netzstrom oder Batteriestrom verwendet wird. Es scheint so zu sein, dass ein Teil der Kunden explizit die Umladung aus der Batterie ins Elektroauto abschalten können will. Prinzipiell sieht Haupt aber keinen ökonomischen Grund dafür, das grundsätzlich abzulehnen. Im Gegenteil – wenn der Batteriestrom ins Auto fließt, geschieht das bei hohen Leistungen, bei denen die Effizienz des Wechselrichters besser ist als bei den typischen niedrigen Lasten im Haushalt. Wenn der Haushalt allerdings dynamische Tarife verwendet und der Strompreis in den darauffolgenden Stunden steigt, würde auch eine Optimierung ergeben, dass die Energie in der Batterie für diese Stunden zurückgehalten wird.

In Test 3 zeigen Hems 3 und 4 Schwächen. Sie unterstützen bei Wallboxen keine Phasenumschaltung. Das bedeutet, dass bei reinem Solarstrom-Überschussladen erst ab einer Photovoltaikerzeugung von 4,2 Kilowatt geladen wird. Die anderen Systeme können ab 1,4 Kilowatt laden, so dass auch bei geringerer Photovoltaikerzeugung kein Strom aus dem Netz bezogen werden muss. Allerding zeigt sich bei näherer Betrachtung, dass es nur Hems 1 gelingt, am Netzanschlusspunkt perfekt auf null Kilowatt auszuregeln. Die anderen speisten teilweise etwas Energie ein oder bezogen sie aus dem Netz. Der Effekt ist allerdings nicht so groß, dass er große Auswirkungen haben sollte.

Auch bei der Wärmepumpensteuerung über SG Ready, analysiert in Test 4, regelten alle Systeme unterschiedlich. „Sie haben unterschiedliche Schwellwerte, unterschiedliche Mindestlaufzeiten und Wiedereinschaltzeiten, mit denen sie steuern, ob sie auf überhöhten Betrieb schalten um Photovoltaik-Überschuss nutzen zu können“, sagt Haupt. Dabei ist schwer zu entscheiden, nach welchen Kriterien diese zu beurteilen sind. In der Realität entscheidet die Wärmepumpe, wie der Einschaltimpuls umgesetzt wird. Bei dem SG Ready Konzept ist das nur eine Präferenz, die endgültige Entscheidung trifft der in dem Test nicht betrachtete Controller der eingebauten Wärmepumpe. Im Test übersetzt Haupt die SG Ready Signale direkt in eine Last.

Am Sommertag unterschiedliche Speichernutzung

Der erste wirkliche Härtetest ist ein fluktuierender Sommertag (Test 5), bei dem sowohl Wärmepumpe als auch die Wallbox bevorzugt nur mit Solarstrom betrieben werden dürfen. Haupt analysiert wieder, wie die Systeme die Komponenten ein- und ausschalten. Die Kurven sehen bei keinen zwei Systemen gleich aus. Den größten Unterschied macht es, wenn ein Heimenergiemanagementsystem keine Phasenumschaltung umsetzen kann. Bei größeren Photovoltaikanlagen spielt diese Eigenschaft allerdings eine geringere Rolle. Hems 3 schaltet die Wallbox nur sehr zurückhaltend an und setzt dafür die Wärmepumpe auf überhöhten Betrieb. Hems 4 macht es genau umgekehrt. Es schaltet die Wallbox frühzeitig ein und lässt sie einfach durchlaufen. Wenn der Solarstrom nicht ausreicht, springt die Batterie ein und verhindert Netzbezug. Das funktioniert, da die Batterie bei Testbeginn zu 90 Prozent geladen war. Die anderen Systeme nutzen die Batterie nur sehr wenig. Manchmal hört man von Herstellern, dass sie die Batterie nicht belasten wollen.

Das auf den ersten Blick erstaunliche Ergebnis: Hems 4, mit dem relativ simplen Verhalten, einfach die Wallbox einzuschalten und eingeschaltet zu lassen, erreicht mit 99 Prozent die höchste Eigenverbrauchsquote und schafft es, dass am Netzanschlusspunkt am wenigsten Solarstrom eingespeist und am wenigsten Energie aus dem Netz in das Haus fließt. „Das heißt nicht, dass diese Strategie immer am besten ist“, sagt Haupt. „Aber bei den im spezifischen 8-Stunden Test, den verwendeten Leistungen und dem verwendeten Erzeugungsprofil hat die Strategie gut gepasst.“ Hems 2 wiederum hatte 52 Ladestarts. „Das darf nicht sein, da muss ein Software-Update kommen“, so Haupt. In der Realität kann es auch bei den Systemen, die hier wenig Netzbezug hatten, anders aussehen. Denn wenn das Haus kalt ist, springt die Wärmepumpe im temperaturgeführten Betrieb ein, auch wenn kein Schaltimpuls durch das Hems zu überhöhtem Betrieb vorliegt. Das bildet der Test nicht ab.

Test 6 lässt Netzbezug explizit zu. „Es ist sehr intransparent, wie diese Modi bei den einzelnen Systemen funktionieren“, sagt Haupt. Sie führen dazu, dass in allen Systemen die Eigenverbrauchsquote für den Testzeitraum von acht Stunden deutlich steigt. Die Werte liegen zwischen 87 und 100 Prozent. Dabei hat nur Hems 3 auch signifikanten Netzbezug. Es startet die Wallbox direkt mit 4,2 Kilowatt Ladeleistung und mehr.

Nächster Schritt: Performance-Test

Allerdings lässt sich aus diesen Ergebnissen nicht darauf schließen, welches System am besten oder am schlechtesten ist. Dazu spiegeln die Tests zu sehr einen Einzelfall wider mit der spezifischen Größe der Photovoltaikanlage und ohne Vorgaben, wann und wieviel zum Beispiel das Auto geladen sein soll. „In erster Linie war das weniger ein Test der Performance, mehr eine Analyse des Verhaltens der verschiedenen Systeme“, sagt Haupt: „Ich habe mir die Frage gestellt: ‚Wie soll ein Nutzer das verstehen?‘ Ein zukünftiger Hems-Nutzer sollte sich damit nicht beschäftigen müssen.“ An einem einfachen Performance-Parameter arbeiten er und einige Kollegen derzeit. Das sei aber eine große Herausforderung.

Außer dem Eigenverbrauch spielen bei Heimenergiemanagementsystemen auch grundsätzliche technische Funktionen eine Rolle. In einem weiteren Test überprüft Haupt daher die Umsetzung der Paragraphen 14a EnWG und 9 EEG. Er koppelt dafür eine Steuerbox mit dem Hems über die EEbus-Schnittstelle. Bei drei der Systeme ist es möglich, den sogenannten LPC-Befehl für die Dimmung von Wärmepumpe, Wallbox und anderen steuerbaren Verbrauchern nach Paragraf 14a EnWG zu geben. „Die Hems reagieren genauso, wie sie sollen, und setzen die Lastreduktion innerhalb von 30 Sekunden um“, so Haupt. Zwei der Systeme würden auch berücksichtgen, wenn während der Reduktion die Photovoltaikanlage Strom liefert und dann entsprechend weniger dimmen.