Eigenverbrauch maximieren

Auf einer Anhöhe in der Nähe des Bahnhofs von Uzwil liegt die neue Über­bauung Park 2022. Die Dächer der drei aus technischer Sicht identischen Mehr­familien­häuser mit je sieben Eigentums­wohnungen sind mit PV-Anlagen ausgestattet, die von den Gehwegen der Siedlung aus nicht sichtbar sind. Der von ihnen erzeugte Strom ladet die Elektro­autos in der Tief­garage, erwärmt das Warmwasser und heizt die Wohnungen mittels Wärmepumpen. Und zwar auf eine Weise, dass diese zu einem Zusammenschluss Eigen­verbrauch, ZEV, verbundenen Häuser den Solar­strom in den privaten und gemeinsamen Verbrauchern optimal nutzen, um möglichst wenig Strom vom Verteil­netz beziehen zu müssen.

Den Strom selber erzeugen

Jedes der drei Häuser ist mit einer PV-Anlage mit einer Nenn­leistung von 16,5 kW ausgestattet. Die Module basieren auf der Perc-Technologie und kommen dadurch auf einen Wirkungs­grad von bis zu 20,9%. Jedes einzelne installierte Modul des Herstellers Longi kann bis zu 370 W liefern. Dies ist an sich nichts Ausser­gewöhnliches. Das Besondere an der Über­bauung ist die zentrale Steuerung, die die Energie­flüsse zwischen den Häusern und zwischen den Verbrauchern wie Heizung und Elektro­mobilität optimiert. Dabei sind alle Gewerke – Wasser, Wärme und Elektrizität – miteinander verbunden. Für die drei Häuser genügt ein einziger Netz­anschluss.

Welcher Anteil der erforderlichen Energie durch die Solar­anlagen erzeugt wird, ist noch nicht im Detail klar, denn die Anlagen sind noch nicht so lange in Betrieb. Patrick Speck, der Leiter Service- und Elektro­installationen im Bereich Prosumer bei SAK, schätzt, dass man etwa einen Drittel der elektrischen Energie lokal erzeugen und möglichst auch lokal nutzen kann. Dies hängt aber hauptsächlich vom Anteil an elektrischen Fahr­zeugen ab, die in der Tief­garage während der Mittags­zeit angeschlossen sind.

Potenzial für Elektro­mobilität

Aktuell sind lediglich drei Lade­stationen in der Tief­garage installiert, denn die meisten Wohnungs­besitzer fahren konventionelle Verbrenner­fahrzeuge. Aber da die Elektro­mobilität – extrapoliert man die aktuellen PKW-Zulassungs­zahlen – deutlich zunehmen dürfte, ist es sehr wahrscheinlich, dass in Zukunft weitere Lade­stationen installiert werden. Die Parkplätze sind dafür vorbereitet: Ein Flach­band­kabel mit 63 A, an dem die Lade­stationen direkt angeschlossen werden können, führt an allen Park­plätzen vorbei. Wohnungs­eigentümer können sich jederzeit eine Lade­station von der SAK installieren lassen, mit der sie dann mit bis zu 11 kW laden können. Für Mieter bietet die SAK ein Mieter­modell an, so dass auch Wohnungs­mieter eine kurzfristige Lösung bekommen.

Die Lade­stationen sind in der Lage, miteinander zu kommunizieren, um beispielsweise ein Last­management zu ermöglichen. Wenn viele Fahr­zeuge nur einphasig angeschlossen sind, merkt es das System und gleicht die Phasen­ströme aus. Patrick Speck sagt: «Wenn dann zehn bis zwanzig Autos vorhanden sind und der Besitzer gewillt ist, solar­optimiert zu laden, kann die Eigen­verbrauchs­quote massiv erhöht werden.» Besonders wenn die Energie teurer wird, wird dies für Benutzer interessant, denn es steigert den Anreiz, sich für ein elektrisch angetriebenes Auto zu entscheiden.

Aus technischer Sicht geht es gemäss Patrick Speck mit der Elektrizität grundsätzlich in die richtige Richtung. Seit zweieinhalb Jahren fährt Speck auch elektrisch. Erfahrungs­gemäss genügt ihm die kleinste Lade­leistung von 3,7 kW für seine täglichen Fahrten. Die vorgesehenen 11 kW seien in vielen Fällen ein Luxus.

Wenn die Elektro­mobilität stärker wächst, gewinnt das vom Netz­betreiber vorgeschriebene Last­management an Bedeutung. Obwohl es zurzeit mit drei Lade­stationen noch nicht nötig ist, wurde es bei der Siedlung bereits eingebaut und ist aktiv, aber es regelt noch nicht. Bei grösserem Verbrauch könnte es so programmiert werden, dass die Vorgaben des Netz­betreibers erfüllt werden können. Für die Nutzer sollten allfällige negative Auswirkungen gering sein, denn Autos stehen meist lange und sind bezüglich dem Lade­vorgang flexibel.

Behagliche Wohnungen bei geringem Energie­verbrauch

Beheizt wird die Siedlung mit drei Vitocal-Wärme­pumpen­anlagen von Viessmann, mit rund 27 kW thermischer Leistung pro Haus. Die Nenn-Wärme­leistung wird durch den Hersteller mit 28,7 kW und die Kälte­leistung mit 23,0 kW angegeben. Die dafür benötigte elektrische Leistung beträgt 5,9 kW. Die Wärme­pumpen zeichnen sich durch einen hohen COP-Wert (Coefficient of Performance) von bis zu 4,9 aus.

Jedes Haus ist mit einem Erd­sonden­feld ausgestattet. Die Wärme der Wärme­pumpen wird in einen Puffer­speicher und in einen Speicher für die Trink­wasser­erwärmung eingespeist. Die SAK ist der Contracting-Betreiber und somit der Eigentümer der Heizungs­anlage bis und mit Puffer. Die Kunden kaufen bei der SAK die thermische Energie. Somit muss sich der Kunde nicht um Technik und Funktionalität kümmern, das wird alles vom Contractor übernommen.

Das Warm­wasser wird mittels Frisch­wasser­station aufbereitet. Dies hat den Vorteil, dass die Wasser­qualität stets möglichst hoch ist und die Legionellen­quelle Boiler ausgeschlossen werden kann. Da man nicht ständig gezwungen ist, das Warm­wasser auf über 60°C aufzuheizen, spart man Energie, unter anderem, weil die Verluste des im Haus stets zirkulierenden Warm­wassers kleiner sind. Im Sommer wird das Warm­wasser auf 58°C statt auf 50°C erhitzt, um den Solar­strom besser nutzen zu können. Damit man wirklich auf der sicheren Seite ist, sorgt die Legionellen­schaltung wöchentlich dafür, dass das Wasser auf über 60°C erhitzt wird.

Regeneration der Erdsonden im Sommer

Im Sommer wird je nach Aussen­temperatur automatisch Free­cooling in den Wohnungen aktiviert. Die Abkühlung von 2°C entspricht zwar nicht der einer Klima­anlage, aber man reduziert die Ober­flächen­temperaturen, wodurch die Wohnungen spürbar angenehmer werden. Für das Wohl­befinden wirken sich nämlich die Ober­flächen­temperaturen stärker aus als die Luft­temperatur.

Für dieses Free­cooling wird der Sekundär­kreis­lauf der Wärme­pumpe genutzt, indem die Wärme­energie der Wohnungen direkt im Sonden­feld abgegeben wird. Dabei wird der Leistungs­teil der Wärme­pumpe nicht aktiviert. Wenn man nun im Sommer etwa 26°C in den Wohnungen hat, erwärmt sich das Wasser der Boden­heizung auf Raum­temperatur und gelangt anschliessend via Wärme­tauscher in die Erd­sonden, wo es erneut auf rund 13°C abgekühlt wird. Danach wird es wieder in die Wohnungen geführt, um zu kühlen. Auf diese Weise wird das Erd­reich im Sommer erwärmt, um im Winter regeneriert zu sein und effizient Wärme liefern zu können. Wie viel diese sommerliche Regenerierung wirklich bewirkt, lässt sich heute noch nicht beziffern, da die Erfahrungen fehlen.

Mit ihrer kontrollierten Wohn­raum­lüftung entsprechen die Wohnungen dem Minergie-Standard. Eigentümer können sich so verhalten, dass sie das Energie­spar­potenzial maximieren. Um dies quantifizieren zu können, werden alle Energie­flüsse der Boden­heizung und des Warm­wassers in den Wohnungen durch die SAK gemessen und Ende Quartal verrechnet. Die Heizungen werden in den Wohnungen manuell mit einem Thermostat eingestellt. Gewisse Wohnungs­besitzer haben sich für Smart-Home-Lösungen für ihre Wohnung entschieden und können die Raum­temperaturen mit einer App vorgeben.

Energieflüsse mit dem Energie­system und manuell optimieren

Die Energieflüsse können mit einer zentralen Steuerung im Kraft­werks­verbund gesteuert werden. Beispiels­weise wird die Warm­wasser­aufbereitung bei einem Haus gestartet und sobald sie abgeschlossen ist, im nächsten Haus fortgesetzt. So lässt sich der Solar­strom optimal nutzen.

Das dafür eingesetzte Energie­system ist eine Eigen­entwicklung. Im Hoch­tarif macht man damit Peak Shaving bei den Lasten, indem man die Leistungs­grenzen begrenzt, also ein Last­management. Man hat einen Maximal­bezug von 30 kW oder 60 kW, geht man darüber hinaus, kostet es bei der SAK 7 bis 8 Fr. pro kW-Spitze. Das wirkt sich finanziell stark aus. Wenn nun alle kochen, fährt das Energie­management-System gewisse weniger heikle Lasten wie Wärme­pumpen herunter. Die Puffer haben eine grosse Kapazität und die Heizung ist genügend träge, dass sich dies ausnützen lässt. Wenn man später deutlich mehr Elektro­fahrzeuge in der Tief­garage angeschlossen hat, kann auch hier teilweise abgeregelt werden.

Der im Energie­system eingesetzte Energie­manager überwacht die Energie­flüsse beim Haus­anschluss­punkt und die Produktions­daten kontinuierlich. Diese Werte ermöglichen es, bei den drei Häusern die Warm­wasser­produktion bzw. die Heizungs­überhöhung entsprechend auszulösen, um die Eigen­verbrauchs­quote zu steigern und somit den preis­günstigeren eigenen Strom sinnvoll zu nutzen. Der Manager ist ein Mini­server von Loxone, der sich gegen die über ein Dutzend Energie­manager anderer Hersteller durchsetzen konnte. Die SAK ist auf Loxone-Energie­manager spezialisiert, weil sie die erforderlichen Funktionalitäten und Anschluss­möglichkeiten aufweisen, individuell programmierbar sind und offene Schnitt­stellen haben. Sie funktionieren zudem auch im Offline-Modus, wenn die Internet­verbindung ausfällt oder instabil ist. Zudem sind sie für künftige Anwendungen erweiterbar und zeichnen sich durch eine zuverlässige Hardware aus. Programmiert werden sie mit der Config von Loxone und einem Anteil eigener Programmierung.

Patrick Speck betont: «Mit der ZEV wird keine Energie gespart. Es wäre ein Trug­schluss, wenn man meinen würde, mit der ZEV könne man Energie einsparen. Aber man kann Netz­dienst­leistungen einsparen. Die Kosten des eigen­produzierten Stroms liegen somit niedriger als die des eingekauften Stroms.»

Eine App zeigt den Kunden die Energie­flüsse praktisch in Echt­zeit. Sie sehen darauf sowohl den gesamten Energie­haushalt der Siedlung als auch die individuellen Daten ihrer eigenen Wohnung – in verschiedenen Zeit­räumen. So können sie sich mit der Energie­situation aus­einander­setzen und lernen, wie gross ihr Verbrauch ist und wie sie ihn der Solar­strom­erzeugung entsprechend gestalten können. Dies ist einer­seits ein Anreiz zum Energie­sparen und anderer­seits motiviert es, gewisse Verbraucher wie Wasch­maschinen möglichst erst dann zu nutzen, wenn die Sonne intensiv scheint. Zusätzlich lassen sich auch historische Daten anzeigen, beispiels­weise die Energie­verbräuche und die entsprechenden Energie­kosten der letzten drei Tage oder des letzten Monats.

Ein allfälliger Ausfall des Energie­managers würde von den Bewohnern nicht bemerkt werden, denn der Manager ist nur eine Optimierung. Die Anlagen würden gewöhnlich weiter funktionieren und das Piket­tteam von SAK würde benachrichtigt.

Gemäss Patrick Speck sollten die Investitionen in den Energie­manager nach fünf Jahren durch den verbesserten Eigen­verbrauch kompensiert sein. Es ist aber auch denkbar, dass ein deutlich höherer Strom­preis im 2023 – zusammen mit einer Zunahme der Elektro­mobilität – diese Zeit verkürzt. Auf alle Fälle wird durch die Optimierung der Energie­flüsse der Solar­strom attraktiver gemacht und das Verteil­netz geschont. Und die Befürchtung entkräftet, ein Ausbau der Photo­voltaik würde gleichzeitig einen Ausbau des Verteil­netzes erfordern.