Solarspeicher (stationär)

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Kurzbeschreibung

Das vorliegende Open Source Projekt „Soldorado Solarspeicher“ von OPEN SOLAR SYSTEMS basiert auf der Idee unabhängig von teuren kommerziellen Solarspeicherprodukten sowie unabhängig von der EEG Vergütung einen professionellen, kostengünstigen und intelligenten Solarspeicher zu entwickeln, der es ermöglicht auch bei PV Anlagen auf kleineren Dach- oder Balkonflächen den Grundlaststrom in einem Haushalt regenerativ abzudecken. Schon mit 4 Solarmodulen (ca. 1 kWP) und einer Speichergröße von 1,8 kW können ca. 35 % des eigenen Stromjahresverbrauches durch Eigenerzeugung selbst gedeckt werden.
Die Investitionskosten liegen weit unter den kommerziell angebotenen Produkten. Somit besteht auch für Menschen mit wenig zur Verfügung stehender Fläche die Möglichkeit aktiv etwas für die Umwelt und langfristig etwas für den eigenen Geldbeutel und die eigene Unabhängigkeit zu tun.

Da im ersten möglichen Fall keine Einspeisung ins öffentliche Stromnetz erfolgt, wird der nicht benötigte Strom im Akkumulator zwischengespeichert und nach Erreichen der vollen Akkumulatorkapazität zur Brauchwassererwärmung genutzt.
Im zweiten möglichen Fall erfolgt die Beladung des Akkumulators und die Einspeisung ins Netz parallel (Rücklaufsperre bzw. Zweirichtungszähler vom Netzbetreiber notwendig).
Um die optimale Speicher- und PV Anlagengröße in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit und Amortisation des Gesamtsystems zu ermitteln, wird zuerst eine detaillierte, stündlich aufgelöste Jahressystemsimulation in Abhängigkeit des Stromlastprofiles des jeweiligen Haushaltes durchgeführt.
Zur optimalen Auslegung steht ein umfangreiches Exceltool zur Verfügung. Zur Erhöhung des elektrischen Eigenverbrauchs können Funksteckdosen von der intelligenten Regelung gezielt angesteuert werden, um in Zeiten hoher Solareinstrahlung elektrische Verbraucher wie E-Bikeladung, Wasch- oder Geschirrspülmaschinen zu aktivieren.
Die Onlinevisualisierung erfolgt auf zwei Weboberflächen. Für die detaillierte Datenauswertung des Gesamtsystems erfolgt dies über das Web Frontend des „Volkszählers“. Um einen schnellen Überblick über aktuelle Verbrauchsdaten, Wetteraussichten, Speicherladung, Speicherstatus und eingesparte CO2 Summe zu erhalten, erfolgt dies über das Dashboard von Node-red, einer Plattform zur Integration und Programmierung von Akteuren des sogenannten Internet of things (Internet der Dinge).
Die offenen und hier dokumentierten Schnittstellen über Arduino, Raspberry bzw. Volkszähler bieten Entwickler darüber hinaus die Möglichkeit den Programmiercode weiter zu verfeinern und bspw. die Onlinevisualisierung ihren Bedürfnissen individuell anzupassen oder weitere intelligente Verbraucher anzusteuern.

Der hier dokumentierte Aufbau des Solarspeichers basiert auf Open-Source Hard- und Software und unterliegt der GNU General Public License v3.0.
Hinter Soldorado Open Solar Systems stehen wir freien Entwickler Thomas Plaz und Frank Richter. Sämtliche Verbesserungen und Weiterentwicklungen sind von uns Entwicklern ausdrücklich erwünscht, um eine schnelle Verbreitung zu ermöglichen und die Energiewende zu unterstützen. Alle Quelldaten werden mittelfristig bei GitHub verfügbar sein. Sofort verfügbar sind die Dateien momentan unter den entsprechenden Verlinkungen auf dieser Seite.

Projektbeschreibung

Motivation

Am Anfang dieses Projektes stand der Wille, endlich aktiv etwas für die eigene Umweltbilanz direkt Zuhause zu tun. Wir leben in Miete in einem kleinen Häuschen mit sehr beschränkter Dachfläche mit verschachteltem Dach in Ost und Westrichtung (max. 4 Solarmodule, insgesamt 1 kWP). Unser Jahresstromverbrauch liegt für die mittlerweile vierköpfige Familie bei etwa 1700 kWh/a. Unsere Wärmeerzeugung erfolgt (aufgrund der Mietverhältnisse) nach wie vor konventionell mit Öl.
Eine normale PV Einspeiseanlage kam für uns mit lediglich vier Modulen aufgrund des Mietverhältnisses und dem bürokratischen Aufwandes nicht in Frage. Wir wollten so viel Energie wie möglich selbst erzeugen und direkt verbrauchen. Laut Internetrecherche im Jahr 2015 waren aber kaum finanzierbare Systeme zu finden, die unseren Anforderungen genügten. Am Ende haben wir es mit dem 4 Panel Controller von Solarelectrix kombiniert mit zwei geschlossenzelligen 75Ah Bleiakkumulatoren (35Ah effektive Batteriekapazität) versucht. Ansatz war hier die Verwendung eines leistungsgeregelten Miniwechselrichters für die Grundlastdeckung im Haus. Die Auslegung des Speichers und des Wechselrichters erfolgte durch die Ermittlung eines wirtschaftlichen Optimums zwischen Eigenverbrauch, maximal zu erwartenden Energieertrag der zur Verfügung stehenden Dachfläche, Batteriegröße und Amortisationszeit. Die Amortisationszeit wurde mit ca. 13 Jahren berechnet. Die jährliche Co2 Einsparung liegt bei ca. 40 kg/a. Überschussstrom wird in der Batterie gespeichert, kein Strom sollte ins Netz zurück fließen. In den folgenden Monaten konnten wir mithilfe des open source Systemmonitorings „Volkszähler“ das Verhalten der Anlage genau studieren und optimieren. Nach und nach ersetzten wir alle Funktionen des 4 Panel Controllers durch eigene Regelalgorithmen mithilfe des Arduinoboards und erreichten deutlich höhere Leistungsumsätze des Systems sowie eine zuverlässige Batterieschutzfunktion. Unseren "fliegenden" Aufbau montierten wir 2017 in einen Schaltschrank. 2018 ersetzten wir die Bleiakkumulatoren durch ein Batteriemanagementsystems (BMS) und einen 60 AH Lithiumakkumulator. Immer mehr Funktionen wie z.B. eine Heizstabregelung zum Verbrauch des überschüssigen Stromes an sonnenreichen Sommertagen zur Trinkwarmwassererwärmung, eine schaltbare Steckdose zum Laden des E-Bike Akkumulators, VPN Zugang via App oder Browser auf alle Systemdaten von überall auf der Welt, Schalter für die Volleinspeisung des Wechselrichters und eine detaillierte Simulation des Gesamtsystems kamen nach und nach hinzu. Inzwischen deckt die Solaranlage im Jahresschnitt ca. 35% des Jahresstromverbrauches, trotz morgendlicher Verschattung und suboptimaler Solarmodulausrichtung. Da wir in vielen Fällen auf die Produkte der Open Source Community zurückgegriffen haben, ist es uns nun ein Vergnügen eine ausführliche Dokumentation unserer Entwicklung zu schreiben und unser Wissen öffentlich allen zur Verfügung zu stellen. Alle Bastler und Entwickler sind eingeladen mit uns ins Gespräch zu kommen und die Soft- und Hardware weiterzuentwickeln oder zu modifizieren. Wir hoffen damit viele begeistern zu können entweder selbst einen Solarspeicher zu bauen oder sich einen bauen zu lassen. Es gibt noch viele Dachflächen, die bisher aufgrund ihrer kleinen Fläche als unrentabel abgetan wurden, die mit diesem System nun auch effektiv und wirtschaftlich erschlossen werden können. Wir hoffen damit einen kleinen Teil zur konkreten Umsetzung der Energiewende und zur Vergrößerung der eigenen Unabhängigkeit beitragen zu können.

Mietobjekt ohne und mit PV Speichersystem

Einige Vorteile des Solarspeichersystems auf einen Blick

• Kompletter Eigenverbrauch der erzeugten Energiemenge möglich als Strom und Wärme
• System auch als Einspeisesystem zu benutzen
• Hoher Systemwirkungsgrad (ca. 88-89%) durch DC gekoppelten Speicher (siehe Kapitel Systemwirkungsgrad)
• Dezentrale Stromerzeugung zur Entlastung und Stabilisierung der Stromnetze
• Anlage optimiert für kleine Dach- oder Balkonflächen (ab drei Modulen 1,66m^2, Höhe: 1,68m; Breite: 0,99m z.B. insgesamt 900WP) für die sich i.d.R. der Aufwand (EEG Anmeldung) für eine Einspeiseanlage nicht lohnt
• EEG Anmeldung bei Verwendung der Überschussenergie als Wärme nicht notwendig
• größere Unabhängig gegenüber Strompreissteigerungen
• weniger Bürokratie bei Anlagenanmeldung
• Verbesserung der eigenen CO2 Bilanz, Vermiedene Co2 Emissionen direkt ablesbar
• kein Zugriff des Netzbetreibers auf die Steuerung des Stromspeichers oder gar auf Ihre individuellen Erzeugungs- und Verbrauchsdaten, aufgrund lokaler Datenspeicherung
• Möglichkeit der Skalierung des Systems bis zu 25 Modulen (7,5kWP)
• Amortisation des Solarspeichersystems innerhalb von 12 Jahre
• Für Weiterentwickler und Interessierte liegt der komplette Programmiercode und alle Schnittstellen offen zu Verfügung
• Kostengünstige Lösung im Vergleich zu Mitbewerbern
• Sekundengenaues Systemmonitoring über einen Webbrowser oder App im Heimnetzwerk oder verbunden über eine VPN Verbindung ermöglicht dem Nutzer über ein elektronisches Endgerät wie Smartphone oder Computer ständig Überblick über alle Systemparameter zu behalten
• Optimierung des Eigenverbrauchs durch intelligent programmierbare schaltbare Steckdosen in zwei Betriebsmodi
• Solares Laden des eigenen E-Bike Akkumulators möglich
• Power to heat des Überschussstromes unterstützt im Sommer die Warmwasserbereitung und reduziert somit Co2 Emissionen und Laufzeiten der konventionellen Energieerzeugungsanlage
• Systemkomponenten wie Wechselrichter und Akkumulator nur so groß gewählt, um ein optimales Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und gewünschter solarer Deckung zu erreichen

Projekthistorie und Ziele

2015:

• Erste Ideen und Visionen, Kauf des Smappee Energiemnonitors zur Aufnahme des eigene Lastprofiles
• Entwicklung eines Exceltools zur Jahressimulation des Speichers und Auslegung der Batterie und Wechselrichtergröße
• Kauf und Montage von vier PV Modulen, von 2x 70Ah Bleibatterien (geschlossene), und als Regelung der 4 Panel Controller von Solarelectrix.

2016:

• sukzessiver Ersatz der Funktionen des 4 Panel Cotrollers, um die volle Leistungsfähigkeit des Mikrowechselrichters von 300W ausschöpfen zu können, sowie sinnvolle Akkumulatorschutzfunktionen zu integrieren wie Tiefentlade- und Überladungsschutz.

2017:

• Integration des Systems in einen Schaltschrank und Integration der Anlagenüberwachung mithilfe eines Raspberyy Pi‘s
• Anschluß eines geregelten Heizstabes zur Beheizung des Brauchwarmwasserspeichers bei Überschussstrom im Hochsommer.

2018:

• Ersatz der Bleiakkumulatoren durch einen 60Ah LiFePo mit Batteriemanagementsystem von Libre Solar.
• Integration von Funksteckdosen angesteuert über das MQTT Protokoll über Node Red
• Integration der Anlagenvisualisierung über das Dash Board von Node Red
• Konstruktion und Herstellung eines Gehäuses für das BMS

2019:

• Verbesserung der Hard- und Software des BMS von Libre Solar
• Ansteuerung des Wechselrichters über Softserial
• Platinenredesign mit den nunmehr notwendigen Aufbauten, Zusammenlegen von Arduino- und Mosfetplatine zur Kostengünstigeren Produktion
• Untersuchung der Skalierung des Systems auf 48V Systemspannung
• Integration der Heizstabregelung

Zukünftige Ziele:

• Fertigstellung der Parameterauslesung über Node Red v.a. Errorfunctions
• Integration der Projektdokumentation und Quelldaten in GitHub
• U.U. Integration eines Watchdogs im Arduinocode
• Freiwerdende serielle Arduinoschnittstelle soll bidirektionalen Kontakt zu Victron Ladereglern aufnehmen
• Gehäusekonstruktion Arduino- und Mosfetplatine
• Überarbeitung des Schaltschrankes auf Normkonformität
• Redesign des Schaltschrankes / Integration des Akkumulators in den Schaltschrank / Bau des 3. Protoypen

Systemaufbau

Systemaufbau

1. Der Stromzähler 1 erfasst die PV Einspeisung und den elektrischen Verbrauch auf allen drei Phasen im Haus und kommuniziert mit der Steuereinheit 2
2. Die Steuereinheit 2 regelt kontrolliert die Akkumulator(ent-)ladung 4 sowie die Wechselrichterleistung 3 den Heizstab 5 und die intelligente Zuschaltung elektr. Verbraucher und Smart Home Akteure 6
3. In folgendem Diagramm ist die Wechselrichtereinspeisung orientiert am momentanen Hausverbrauch (grün) (1x INV 350 – 60 von AE Conversion max. 300W) sowie der Solarertrags (rot) und der momentanen elektrischen Hausverbrauches (blau) dargestellt.

Solarertrag (rot), Stromverbrauch (blau) und Stromeinspeisung ins Hausnetz (grün)

Der Solarertrag hat seinen Höhepunkt gegen 13Uhr erreicht. Der Wechselrichter bezieht seine Energie tagsüber direkt von den Solarmodulen und nachts aus dem Akkumulator. Solarenergie die nicht direkt verwendet werden kann wird tagsüber in den Akkumulator eingespeichert. Ist der Akkumulator voll wird die Überschüssige Energie entweder mithilfe eines Heizstabes in Wärme z.B. für die Trinkwarmwassererwärmung oder ins Netz eingespeist. Die solare Deckung beträgt für den 5.6.2019 59%. Im Vergleich hierzu ist in Abbildung 4.1 das System ohne Akkumulator und Heizstab in herkömmlicher Volleinspeisung dargestellt.

Datei:Abbildung 4.2 Stromeinspeisung ins Hausnetz (grün) und Stromverbrauch (blau).pdf

Systemaufbau

Es wurden hierzu zwei INV 500 – 90 von AE Conversion max. jeweils 480W eingesetzt. Ein Großteil der erzeugten Solarenergie kann aufgrund der Gleichzeitigkeit nicht für den eigenen Stromverbrauch verwendet werden.

1. Ziel der Systemauslegung ist es die Deckung der elektrischen Grundlast im Haushalt (je nach Wechselrichtertyp 300W oder 500W) von ca. 0-300W/500W zu decken.
2. Die intelligente Verbrauchssteuerung (2) ermöglicht mithilfe von Funksteckdosen (7) z.B. elektrische Verbraucher wie ein E-Bike Akkumulator, Wasch- und Spülmaschine bei vorhandener Überschussenergie zuzuschalten und erhöht somit den solaren Eigenverbrauch.

Funktionsprinzip

Solarenergie steht nicht zu jeder Tageszeit zur Verfügung. Die Grundlast eines Einfamilienhaushaltes liegt bei ca. 100-500W, je nach Anzahl elektrischer (Dauer-) Verbraucher. Die sinkende EEG Einspeisevergütung, sowie die begrenzte Belastbarkeit unseres Stromnetzes lässt zunehmend PV Systemkonfigurationen wirtschaftlich werden, die nicht auf maximalen Ertrag bei maximaler Fläche optimiert sind, sondern im jeweiligen Haushalt eine möglichst hohe Eigenverbrauchsquote bzw. solare Deckung erzeugen. Dies wird durch die Zwischenspeicherung der Solarenergie im Akkumulator sowie mit intelligenter Steuerung der elektrischen Verbraucher erreicht. Energie soll zunehmend dort verbraucht werden wo sie entsteht. Angepasst auf das individuelle elektrische Verbrauchsprofil entsteht ein System mit wirtschaftlich optimierter Akkumulator-Größe und PV-Fläche. Für kleine Haushalte sind schon PV-Speichersysteme mit 3 PV Modulen (750WP) sinnvoll und ermöglichen auch bei begrenzter Dachfläche (z.B. bei Stadt-, oder Reihenhäusern, Haushälften) wirtschaftlich etwas für die eigene Co2 Bilanz sowie für die Versorgungssicherheit zu tun. Größere Systeme haben Vorteile durch die niedrigeren spezifischen Installationskosten beim Handwerker. Bei kleinen Systemen kann dafür ggf. mehr in Eigenleistung erbracht werden.

Detaillierter Systemaufbau

Folgende Abbildungen zeigen die relevanten Systemkomponenten schematisch mit deren Schnittstellen sowie im realen Aufbau.

Systemkomponenten und deren Schnittstellen

Datei:Abbildung 6 Systemkomponenten im realen Aufbau.pdf

Abbildung 6 Systemkomponenten im realen Aufbau

Komponentenwahl und deren Spezifizierung

Wechselrichter

Es wurde ein kostengünstiger, in seiner Leistung regelbarer Miniwechselrichter gesucht, der mit Systemspannungen von 24-48V umgehen kann und gleichzeitig über einen integrierten NA-Schutz nach VDE-AR-N 4105 verfügt. Der INV 350-60 bzw. INV 500 – 90 von AE Conversion mit RS485 Schnittstelle genügt diesen Anforderungen. Bei einer maximalen DC seitigen Stromaufnahme von 11A erreicht er AC seitig bei einer Systemspannung von 32V ca. 300W bzw. bei 48V ca. 450W. Der Miniwechselrichter INV 350-60 RS 485 ist ab 250€ brutto excl. Versand und der INV 500-90 RS 485 für 297 € bis 320€ brutto excl. Versand erhältlich. Nachteilig ist der hohe Platzbedarf im Schaltschrank aufgrund der wasserdicht ausgeführten Anschlusskabel. Das neueste Modell von AE Conversion INV 315-50 (ab 150€ brutto) ist deutlich kleiner, verfügt aber über keine RS485 Schnittstelle sondern nr über eine kabellose Schnittstelle.

Protokoll und Kommunikation

Mit dem Miniwechselrichter kann über zwei verschiedene Protokolle kommuniziert werden:

1. KACO/Schueco Protokoll (ASCII String): bidirektionale Kommunikation

2. AESGI-Protokoll (HEX String): bidirektionale Kommunikation

Grundsätzlich ist die Kommunikation mit dem WR nur bei ausreichender Energieversorgung über die angeschlossenen PV Module bzw. Akkumulator möglich. Tritt eine Versorgungslücke ein, so sind die im WR gespeicherten Werte (z.B. Tagesenergieertrag) verloren. Ein Abschalten des MPP Tracking Modus im WR für den Betrieb an einer Konstantspannung aus einem Akkumulator ist nur mit dem AESGI Protokoll möglich (siehe Abschnitt AESGI Protokoll). Die Kommunikation erfolgt über die RS 485 Schnittstelle. Mehrere Wechselrichter können in Reihe an die serielle Kommunikation angeschlossen werden. Jeder WR besitzt eine WR-Adresse, die für eine eindeutige Kommunikation notwendig ist. In der Regel sind das die 3 letzten Stellen der Seriennummer. Alternativ ist es möglich, die Seriennummer sowie die Softwareversion schnell und komfortabel über das per Download frei erhältliche Programm AE Solar von AE Conversion herauszufinden. Hierfür sind folgende Anschlussdetails zu beachten: Für die Kommunikation werden nur zwei Adern (Paar3) des CAT 5 Kabels benötigt. Draht A des RS-485-Bus wird an Pin 6 angeschlossen und Draht B auf Pin 3. Zusätzlicher Pin 8 und der Kabelschirm werden an Erde angeschlossen, um gegen elektromagnetische Einflüsse zu schützen.

Datei:Abbildung 7 Anschluss der RS485 Schnittstelle des Wechselrichters.pdf

Abbildung 7 Anschluss der RS485 Schnittstelle des Wechselrichters

Um einen Kommunikation mit dem Computer herzustellen wird noch ein RS485 USB Adapter benötigt (z.B. Reichelt: RPI USB RS485 Raspberry Pi - USB-RS485-Schnittstelle, CH340C) den es für wenige Euro im Internet zu kaufen gibt. Für Kommunikationstests zwischen Computer und Wechselrichter empfiehlt sich das Programm HTherm, das frei zum Download im Internet erhältlich ist. Folgende Voreinstellungen sind für die serielle Kommunikation notwendig:

	Serial port configuration
Baud rate	19200
Data bits	8
Parity	None
Stop bits	1
Flow control	None

Im Programm AE solar besteht nun, wie in nachfolgender Abbildung dargestellt, die Möglichkeit den WR über einen Suchlauf zu suchen und damit dessen WR Adresse zu ermitteln. Ebenfalls in der Abbildung dargestellt ist die Antwort des Programms AE Solar auf den Kommunikationstest.

Datei:Abbildung 8 Kommunikationstest mit dem Wechselrichter mit dem Programm AE Solar.pdf

Abbildung 8 Kommunikationstest mit dem Wechselrichter mit dem Programm AE Solar

Weiterhin besteht die Möglichkeit sich die Leistungsdaten in einer Verlaufsgraphik darstellen zu lassen oder die Wechselrichterleistung zu steuern. Der Standbyverbrauch beträgt ca. 30 mW (INV350-60).

3. Details KACO/(Schueco) Protokoll
Dieses Protokoll liefert vom Miniwechselrichter gemessene AC-Leistung, AC-Spannung, AC-Strom, Tagesenergie, DC-Leistung, DC-Spannung, DC-Strom, WR-Temperatur und WR-Status in einem einfach lesbaren ASCII String. Weiterhin ist es möglich dem WR eine Leistungsreduzierung in Prozent der Maximalleistung des WR vorzugeben Ursprüngliche Beschreibung und Aufschlüsselung des AESGI Protokolls sind zu finden unter: [1]

4. AESGI-Protokoll
Das AESGI Protokoll basiert im Gegensatz zum KACO Protokoll auf dem hexadezimalen Zahlensystem und hat den großen Vorteil, dass das MPP Tracking des Wechselrichters ausgeschalten und dieser somit optimal zum gesteuerten Entladen eines Akkumulators verwendet werden kann. Diese Option gibt es ab der Software Version 0.9.16. Grundlage für die hier dokumentierten Befehle stellt folgender Foreneintrag im Photovoltaikforum dar (S.8 Eintrag J. Becker 16. Juli 2016): [2]

Folgende Tabelle schlüsselt die wesentlichen Befehle auf, die umgewandelt in das hexadezimale Zahlensystem dem Wechselrichter direkt über die serielle Schnittstelle zugesendet werden kann.

Kurzzeichen	Überschrift
<ID>	zweistellige WR-Nummer
<_>	Leerzeichen
<z>	Prüfsumme
<LF>	Zeilenumbruch (line feed)
<CR>	Zeilenumbruch (carriage return)