Kilojoule smart

Inhaltsverzeichnis

Eigenverbrauchsoptimierung

Das Energiemanagementsystem (z.B. Solar Manager) und dem Algorithmus von Kilojoule smart bietet eine innovative Lösung zur intelligenten Nutzung der Solarenergie. Wir optimieren den Eigenverbrauch, senken die Energiekosten und gestalten die Energiezukunft nachhaltig. Damit der Eigenverbrauch maximiert und möglichst viel Solarstrom selbst verbraucht werden kann, schalten wir die grössten eingebundenen Verbraucher automatisch zu, sobald ein Solarstrom-Überschuss vorhanden ist. Dadurch muss weniger Strom eingekauft und es kann Geld gespart werden, was wiederum die Amortisationsdauer der PV-Anlage reduziert. Mit dem Algorithmus von Kilojoule smart optimieren & verschieben wir den Verbrauch möglichst in die günstigen Sonnenstunden des Tages.

Wärmepumpen

Warum sind Wärmepumpen besonders geeignet zur Optimierung des Eigenverbrauchs?

Wärmepumpen bieten in Verbindung mit thermischen Speichern hervorragende Möglichkeiten zur Verbesserung des Eigenverbrauchs. So kann beispielsweise die Warmwasseraufbereitung im Sommer vollständig durch Solarstrom von einer Photovoltaikanlage (PV) abgedeckt werden. Auch in den Übergangsmonaten, wie im Frühling und Herbst, lässt sich die Heizleistung gut an die PV-Erträge anpassen. Im Winter wird der Großteil des erzeugten Solarstroms direkt von der Wärmepumpe genutzt. Moderne Wärmepumpen verfügen heute über spezielle Schnittstellen, die eine Integration in ein Energiemanagementsystem ermöglichen. Durch diese Schnittstellen können die Geräte gezielt bei Überschuss an PV-Strom aktiviert und die überschüssige Energie zur Wärmespeicherung verwendet werden. Darüber hinaus zeichnen sich Wärmepumpen durch ihre hohe Effizienz aus, was zu Energieeinsparungen über das gesamte Jahr führt.

Wichtig: Optimal eingestellte Wärmepumpen

Eine entscheidende Voraussetzung für den effizienten Betrieb ist eine richtig dimensionierte und optimal eingestellte Wärmepumpe. Dazu zählt unter anderem die genaue Abstimmung der Heizkurve auf die jeweiligen Anforderungen des Gebäudes. Ebenso spielt ein korrekt durchgeführter hydraulischer Abgleich eine wichtige Rolle, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten. Es wird empfohlen, das Wärmepumpensystem im ersten Betriebsjahr – möglichst noch ohne PV-Optimierung – genau einzuregulieren. Erst wenn das System optimal eingestellt ist, sollte die Optimierung erfolgen.

Grafische Darstellung von Eigenverbrauchsoptimierungen mit Wärmepumpen

Die folgende Abbildung zeigt den typischen Tagesverlauf einer Wärmepumpe, die zur Warmwassererwärmung genutzt wird. Im Regelfall sollte ausschließlich die Wärmepumpe für diesen Zweck eingesetzt werden. Der Einsatz von elektrischen Heizstäben vor dem Start der Wärmepumpe ist strikt untersagt, auch wenn diese über eine „smarte“ Steuerung mit variabler Leistung verfügen. Dies liegt daran, dass der elektrische Energieverbrauch bei Verwendung von Heizstäben erheblich höher ist. Wenn der Elektroeinsatz vorzeitig aktiviert wird, kommt die Wärmepumpe nicht zum Einsatz, und die Erwärmung erfolgt durchgehend elektrisch.
Ein Einsatz von elektrischen Heizstäben nach dem Betrieb der Wärmepumpe ist lediglich in Ausnahmefällen zulässig, etwa bei einem übermäßigen PV-Überschuss.

(Abbildung entnommen aus: Wärmepumpen, Photovoltaik und Elektormobilität – Planungsgrundlagen für Wohnbauten (EFH und MFH), 2023, Abschnitt 5.4 – Abbildung 14, Energie Schweiz)

Zur genauen Einstellung der Taganhebung sollte der übliche Verlauf der Aussentemperaturen beobachtet werden. Typischerweise steigen die Temperaturen einige Stunden nach Sonnenaufgang deutlich an, sodass ein Start der Taganhebung beispielsweise um 10:00 Uhr erfolgen könnte. Am Abend bleiben die Temperaturen oft länger hoch, fallen jedoch nach Sonnenuntergang rasch ab, sodass ein Ende der Taganhebung gegen 20:00 Uhr sinnvoll wäre. Die Taganhebung lässt sich in jedem handelsüblichen Wärmepumpenregler programmieren. Zudem kann sie mit einer intelligenten Steuerung durch ein Energiemanagementsystem kombiniert werden, der die Zeitpunkte und Höhe der Taganhebung dynamisch an die PV-Stromproduktion anpasst.

Eine weitere Optimierungsmöglichkeit besteht darin, die Tarifstruktur zu berücksichtigen. Oft werden die Stromkosten nach festgelegten Zeitfenstern berechnet, wobei tagsüber höhere Tarife (Hochtarif) und nachts niedrigere Tarife (Niedertarif) gelten. In der Optimierung könnte dies genutzt werden, um speziell in den Wintermonaten die Kosten zu senken, indem im Hochtarif gezielt der Verbrauch gesenkt wird. Mithilfe unserer intelligenten Regelung könnte auch hier eine flexible Optimierung erfolgen, jedoch sollte die Heizkurve aus Effizienzgründen nicht im Niedertarif angehoben werden. Ebenso sollten keine Pufferspeicher bei Strombezug im Niedertarif unnötig überladen werden.

Bereits heute ändern sich teilweise die starren Tarifstrukturen. Bei vielen Energieversorgern wurde der Niedertarif bereits angehoben, und es ist zu erwarten, dass Strompreise tagsüber bei hoher PV-Erzeugung sinken werden. Dies könnte zu flexiblen Tarifen mit dynamischen Strompreisen führen. Intelligente Energiemanagementsysteme sind bereits heute in der Lage, mit solchen variablen Tarifsystemen umzugehen.

E-Mobility

Warum sind Elektroautos besonders geeignet zur Optimierung des Eigenverbrauchs?

Elektrofahrzeuge sind aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität (etwa 20 bis 80 kWh) ideal, um den Eigenverbrauch von Strom zu optimieren. Zudem können sie mit unterschiedlichen Ladeleistungen (zwischen 1,4 und 22 kW, je nach Fahrzeug und Ladestation) geladen werden. Dadurch lässt sich ein Elektroauto von Frühling bis Herbst nahezu vollständig mit Strom aus einer Photovoltaikanlage (PV) versorgen, wenn es tagsüber an eine Steckdose angeschlossen ist. Insbesondere im Sommer kann der Überschuss der PV-Anlage effizient genutzt werden. Im Winter hingegen ist eine geringe Belastung des Stromnetzes entscheidend. Hierfür ist ein Lastmanagement erforderlich, das die Ladeleistung gleichmäßig verteilt und Spitzenlasten vermeidet – besonders relevant in Mehrfamilienhäusern mit mehreren Ladestationen.

In naher Zukunft könnten Elektrofahrzeuge auch als Energiespeicher fungieren, die Energie ins Gebäude zurückspeisen (Vehicle-To-Home). Dies könnte stationäre Batteriespeicher ersetzen oder ergänzen. Außerdem sind Elektrofahrzeuge deutlich effizienter als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, was zu einem erheblich niedrigeren Gesamtenergieverbrauch führt, einschließlich der Reduzierung von Treibstoffimporten.

Optimiertes Laden im EFH

Im optimierten Ladevorgang eines Einfamilienhauses wird vorrangig der tagsüber erzeugte Solarstrom genutzt, wie in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Sobald eine bestimmte Einschaltschwelle erreicht ist (festgelegt durch die minimale Ladeleistung), beginnt das Aufladen des Elektroautos mit einer Leistung, die dem überschüssigen Solarstrom entspricht. Die Ladeleistung des Fahrzeugs passt sich also dynamisch an die PV-Erzeugung an. Da die Ladeleistung der Ladestation sehr schnell geregelt werden kann, ist eine vollständige Nutzung des überschüssigen Solarstroms möglich. Andere Verbraucher im Haushalt werden ebenfalls berücksichtigt, sind hier jedoch aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.

(Abbildung entnommen aus: Wärmepumpen, Photovoltaik und Elektormobilität – Planungsgrundlagen für Wohnbauten (EFH und MFH), 2023, Abschnitt 6.3 – Abbildung 16, Energie Schweiz)

Leider sind die Fahrzeuge tagsüber häufig unterwegs, insbesondere bei Pendlern. Daher muss auch abends die Möglichkeit zum Laden bestehen (idealerweise zu Zeiten mit günstigeren Tarifen). Der wesentliche Unterschied zum manuellen Laden besteht jedoch darin, dass das Nachladen nachts mit einer möglichst geringen Leistung erfolgt. Da die typischen Fahrstrecken tagsüber meist kurz sind, kann die benötigte Ladeenergie gleichmäßig über die gesamte Nacht verteilt werden, wodurch unnötige Lastspitzen vermieden werden.

Ein Beispiel dazu: Ein Vielfahrer legt täglich 100 Kilometer zurück, was bei einem größeren Elektroauto einem Energieverbrauch von 20 kWh entspricht. Dafür würde eine Ladeleistung von 2 kW über einen Zeitraum von 10 Stunden ausreichen. Bei einer Ladeleistung von 4 kW wäre das Fahrzeug bereits nach 5 Stunden vollständig aufgeladen. Im Vergleich zum manuellen Laden mit 11 kW konnte die Ladeleistung um 7 kW gesenkt werden, ohne dabei an Komfort einzubüßen.

Weitere Anwendungsthemen folgen:

• Energieassistent
• Haushaltgeräte
• Lastmanagement
• Dynamische Stromtarife
• ZEV – Zusammenschluss zum Eigenverbrauch
• LEG – Lokale Elektrizitätsgemeinschaft
• Dynamische & fixe Einspeisetarife

Ihre Vorteile

Unabhängigkeit von Herstellern

In einem modernen Haushalt gibt es zahlreiche energieverbrauchende Geräte, die jeweils über eigene Steuerungssysteme verfügen – etwa Wärmepumpen oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Herausforderungen entstehen, wenn mehrere Geräte verschiedener Hersteller parallel genutzt werden, da sie in der Regel unabhängig voneinander arbeiten und keine zentrale Steuerung erfolgt. Mit Kilojoule smart können diese Systeme jedoch miteinander verbunden werden. Die dazugehörige App ermöglicht es den Nutzern, Prioritäten zu setzen und das gesamte Energiesystem im Blick zu behalten. Das Energiemanagementsystem agiert als zentrale Schnittstelle, wodurch verschiedene Geräte, unabhängig vom Hersteller, miteinander verknüpft werden können – eine Abhängigkeit von einzelnen Herstellerlösungen entfällt.

Ohne eine zentrale Steuerung, die alle Geräte koordiniert, kann es dazu kommen, dass diese sich gegenseitig beeinträchtigen und dadurch instabil arbeiten. Zudem fehlt es dem Nutzer an der Möglichkeit, die Reihenfolge und Priorität der Geräte selbst zu bestimmen; stattdessen müssen die voreingestellten Abläufe akzeptiert werden, die oft nicht optimal sind. Ein häufiges Beispiel ist die Wärmepumpe: Sie reagiert aufgrund ihrer langsamen Betriebsweise oft zu spät, obwohl sie eine höhere Priorität haben sollte.

Das Energiemanagementsystem von Kilojoule bietet eine herstellerunabhängige Lösung, die eine flexible Reaktion auf unterschiedliche Situationen ermöglicht. Bestehende Geräte müssen dabei nicht ersetzt werden, um sie in das System zu integrieren. Bei einer geschlossenen Systemlösung eines einzelnen Herstellers besteht jedoch die Gefahr, dass wichtige Funktionen oder Kompatibilitäten fehlen, wenn der Hersteller keine regelmäßigen Updates liefert.

Integriertes Energiemanagement

Für eine optimale Steuerung des Energieverbrauchs ist es entscheidend, große Stromverbraucher im Haushalt intelligent zu managen. Besonders Geräte mit hoher Speicherkapazität oder einer trägheitsbedingten flexiblen Nutzung sind ideal für Optimierungsstrategien. Auch bei Elektroautos ist eine solche Optimierung sinnvoll, da moderne Batterien oft so groß dimensioniert sind, dass sie nicht täglich geladen werden müssen. Viele Nutzer können ihre Fahrzeuge beispielsweise über eine gesamte Arbeitswoche hinweg allein mit Solarstrom betreiben, ohne zusätzliche Energiequellen zu nutzen.

(powered by Solar Manager)

Ein Tag im Juni mit viel Wolken und gezielter Optimierung: Elektroauto und Speicher waren am Abend gefüllt

Mit einer Photovoltaikanlage und einem passenden Energiemanagementsystem lässt sich der Eigenverbrauch erheblich steigern, was die Amortisationszeit der Anlage verkürzt und gleichzeitig eine dezentrale Energieerzeugung unterstützt. Ein effizientes Energiemanagementsystem sollte möglichst viele Geräte im Haushalt einbinden können, um den spezifischen Anforderungen der Nutzer gerecht zu werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Kommunikation mit dem System einfach und benutzerfreundlich erfolgt. Über eine App sollte der Nutzer das System leicht an seine aktuellen Energiebedürfnisse anpassen können.