Der beste Energiemanager für PV + Wärmepumpe: SG-Ready oder Modbus, EEBus & Co.?

Wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass sich durch ein solarstromoptimiertes Energiemanagement der Wärmepumpe der Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad je nach Gebäudestandard und Systemkonfiguration unterschiedlich stark erhöhen lassen.

Mit zunehmender Elektrifizierung des Wärmesektors und dem Wunsch eines solarstromoptimierten Energiemanagements von Wärmepumpen stößt die Kommunikationstechnik zwischen den Komponenten des Energiemanagementsystems schnell an ihre Grenzen.

Welche Systeme einen ertragsgesteuerten Verbrauch des eigenen Solarstroms und eine Flexibilisierung der Wärmelasten ermöglicht, haben nun Justus Widera und Jan Holdorf von der HTW Berlin in ihrer Projektarbeit „Solarstromoptimiertes Energiemanagement von Wärmepumpen“ genauer untersucht.

Der Fokus lag dabei auf der Frage, ob sich die standardisierte SG Ready-Schnittstelle oder proprietäre, herstellerspezifische Lösungen besser zum Koppeln von PV-Anlage und Wärmepumpe eignen.

Zum einen besteht die Möglichkeit, die Wärmepumpe über die SG Ready-Schnittstelle anzusteuern und zum anderen eine Direktkommunikation zu realisieren.

Die SG Ready-Topologie bietet dabei eine standardisierte Schnittstelle für Wärmepumpen, über welche mittels zwei „an/aus“-Kontakte vier verschiedene, durch das SG Ready-Label vorgegebene und in der Wärmepumpe hinterlegte Betriebszustände, angesteuert werden können.

Die Kommunikation zwischen Wärmepumpe und Solaranlage erfolgt dabei nur unidirektional über die Sendung von Triggersignalen zur Aktivierung der Wärmepumpe im jeweiligen Betriebszustand, also ohne jegliche Art der Rückkopplung. Somit sind Status und sämtliche Betriebsparameter der Wärmepumpe seitens des Energiemanagers nicht auslesbar.

Die Ansteuerung der SG Ready-Schnittstelle wird entweder direkt mittels potentialfreier Kontakte eines Wechselrichters in Verbindung mit externen Relais realisiert oder über ein Steuergerät/Energiemanager mit meist intern verbauten Relais.

Die Umsetzung und Parametrierung der Betriebszustände erfolgt in der Wärmepumpenregelung. Das SG Ready-Signal kann diese Betriebszustände lediglich auslösen und nicht definieren. Um alle vier Betriebszustände nach SG Ready ansteuern zu können, werden seitens des schaltenden Bauteils zwei Kontakte benötigt, während für die Ansteuerung von zwei Betriebszuständen nur ein Kontakt notwendig ist.

Letztere Konfiguration betrifft die Betriebszustände „Normalbetrieb“ und „verstärkter Betrieb“ und wird von den meisten Wechselrichter- und Energiemanagerherstellern als Empfehlung ausgesprochen. Hintergrund ist, dass der verstärkte Betrieb für die Solarstromoptimierung schon ausreichend sein kann und somit keine „harten“ Aus- und Einschaltbefehle nach Betriebszustand 1 und 4 an die Wärmepumpe gesendet werden können.

Manche Wärmepumpenhersteller wie beispielsweise alpha innotec, Bosch/Buderus, Stiebel Eltron und Wolf teilen diese Auffassung und haben zusätzlich PV-Funktionen hinterlegt, welche sich mit nur einem Kontakt ansteuern lassen.

Trotz der standardisierten Schnittstelle setzen die Wärmepumpenhersteller die Betriebszustände teilweise sehr unterschiedlich um. Dies betrifft einstellbare Parameter wie beispielsweise Bandbreite der Solltemperaturanhebung, Einsatz des Heizstabs, Unterstützung von Kühlfunktionen, Bivalenzpunktverschiebung, Leistungsbegrenzung, etc. alpha innotec geht sogar so weit und verschiebt die Betriebszustände, sodass der ursprüngliche Zustand 4 faktisch entfällt und Betriebszustand 2 statt wie vorgesehen der Normalbetrieb ein reduzierter Betrieb ist.

Direktkommunikation zwischen Komponenten einer Energiemanagementlösung ermöglicht die bidirektionale Übertragung von Prozessgrößen, wie beispielsweise Leistungs- und Energiedaten.

Proprietäre Lösungen nutzen die Direktkommunikation über beispielsweise Modbus, EEBus, etc. zur Ansteuerung der Wärmepumpe. Sie heißen „proprietär“ da die dabei verwendeten Kommunikationsprotokolle nicht standardisiert sind, daher ist die Kooperation zwischen Herstellern für die datentechnische Anbindung erforderlich.

Widera und Holdorf von der HTW Berlin haben beispielhaft 5 unterschiedliche proprietäre Lösungen für ein solastromoptimiertes Energiemanagement mittels Direktkommunikation auf der Grundlage von Hersteller-Dokumentationen und Anleitungen untersucht.

Direktkommunikation wird in den Lösungen genutzt für:

• Übertragung der PV-Überschussleistung zur Leistungsanpassung der Wärmepumpe.
• Übertragung von Leistungs- und Energiedaten der Wärmepumpe für das Monitoring.
• Senden von Ein- und Abschaltempfehlungen an die Wärmepumpe.
• Übertragung von Leistungs- und Energiedaten zur Erstellung von Prognosen.
• Übertragung von PV-Leistung und Möglichkeit der Wirkleistungsbegrenzung von PV-Wechselrichtern.

Lösungen mittels SG-Ready-Schnittstelle und Direktkommunikation können den Einsatzzeitpunkt der Wärmepumpe vorziehen, eine Anhebung der Solltemperaturen bewirken und somit Solarstrom in Form von thermischer Energie speichern.

Wesentlicher Unterschied ist die Möglichkeit der Leistungsanpassung modulierender Wärmepumpen an die PV-Überschussleistung, welche den Lösungen mittels Direktkommunikation vorbehalten ist. Mittels SG Ready können die dafür erforderlichen Informationen nicht kommuniziert werden. Eine Ausnahme bieten manche Daikin-Wärmepumpen, jedoch sind weitere Komponenten dafür erforderlich.

Ein weiterer Unterschied gegenüber der SG-Ready-Schnittstelle ist die mögliche Rückkommunikation seitens der Wärmepumpe für ein proaktives Energiemanagement und ein Monitoring. Dies hat mehrere Vorteile: zum einen können dadurch Informationen ausgetauscht werden, die für ein proaktives Energiemanagement erforderlich sind und zum anderen können die Informationen vor dem Hintergrund eines Monitorings vom Energiemanager verarbeitet werden.