Integration von Solarkomponenten in Gebäudesysteme – Solarenergie und
intelligente Stromnetze

In vielen Fällen gibt die bessere Vermarktbarkeit eines Gebäudes den Ausschlag für den Einbau eines Solarsystems. Doch Solarenergie ist trotz ihrer Vorteile als erneuerbare und saubere Energiequelle in den meisten Regionen mit einem hohen Preis pro produzierter kWh verbunden. Diese hohen Kosten sind zum einen durch den systembedingt geringen Wirkungsgrad von Solaranlagen begründet und zum anderen durch die Verwendung geschlossener und häufig redundanter Systeme zur Integration von Solarsystemen in bestehende Anlagen. Dennoch ist Deutschland ein wachsender Markt für Photovoltaik (PV).
Warum vor allem Deutschland so einen ausgeprägten Photovoltaikmarkt hat, ist auf die folgenden vier Gründe zurückzuführen:
– Es gibt günstige staatlich geförderte Kredite bis 2003
– Ebenso hohe Einspeisetarife bis 0,57Euro/kWh bei Dachanlagen auf geschäftlich genutzten Gebäuden
– Staatliche Zuschüsse zusätzlich zur Einspeisungsförderung
– Nachweisliche Schaffung von Arbeitsplätzen
Dies alles sind Gründe, warum der deutsche Photovoltaikmarkt auch weiterhin eine solide Geschäftsgrundlage bieten wird. In anderen Regionen, wie beispielsweise den USA, sorgen ökologische Bestrebungen in Form von staatlicher Förderung, strengeren Standards und umfangreichen Technologieinvestitionen für eine Neubelebung des Photovoltaikmarkts im Gefolge des Trends hin zu ‚grünen‘ Gebäuden. Der US Green Building Council schätzt, dass in den USA eine ökologische Ausrichtung den Wert einer Immobilie um ca. 20US-$ pro eingespartem Dollar durch geringeren Energieverbrauch erhöht. Außerdem geht die Organisation davon aus, dass sich die Zahl der nach LEED- Standard zertifizierten Gebäude bis 2012 von 6.000 auf über 100.000 erhöhen wird.

Solarenergie im Überblick

Auf Photovoltaik basierende Solarstromsysteme wandeln die Energie der Sonne in Gleichstrom um. Solar-Wechselrichter, die meist nach einem prozentualen MW-Anteil klassifiziert werden, wandeln den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in im Gebäudenutzbaren Wechselstrom um. Wechselrichter überwachen in der Regel den Zustand der Solarmodule. Ohne Sensoren wird der Zustand durch eine Differentialrechnung ermittelt. Der Wechselstrom ergänzt, die vom lokalen Stromversorger gelieferte, Energie. Die meisten Photovoltaikanlagen für den Einsatz auf geschäftlich genutzten Gebäuden werden auf dem Dach montiert, zum einen aus Platzgründen und zum anderen, weil sie den ganzen Tag lang direktes Sonnenlicht benötigen (um eine maximale Leistung zu liefern). Photovoltaiksysteme zeichnen sich dadurch aus, dass sie Energie am Verbrauchspunkt erzeugen, was vor allem in städtischen Umgebungen besonders vorteilhaft ist. Und da bekannt ist, über welchen Zeitraum der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls abnimmt, ist die durch dieses erzeugte Energie genau im Voraus kalkulierbar.

Solarstrom im Lastmanagement

Häufig sind Stromnetze stark belastet und es wird mehr Energie benötigt, als durch die Primärstromerzeugung geliefert werden kann. In diesen Fällen müssen dann weniger vorteilhafte Erzeugungskapazitäten zugeschaltet werden. Diese Generatoren sind meist älter sowie weniger effizient und belasten die Umwelt stärker. Oder es handelt sich um moderne, aber sehr teure Anlagen. So kann zwar mehr Energie zur Verfügung gestellt werden, doch geht dies zulasten der Umwelt und ist obendrein noch sehr kostspielig. Lastmanagement ist ein neuer Trend im deutschen Markt. Seine Vorteile liegen auf der Hand: Geschäftliche Abnehmer verbrauchen weniger Strom zu Spitzenlastzeiten. Dies wird durch Günstigtarife, Energieguthaben, Rabatte oder eine Kombination dieser drei Vergünstigungen erreicht. Beim Lastmanagement stehen zwei primäre Kriterien im Vordergrund: erstens die Bedarfsmenge, die sich reduzieren lässt, und zweitens die Schnelligkeit der Bedarfsanpassung. So bieten viele Programme höhere Vergünstigungen an, je schneller der Kunde seinen Verbrauch reduzieren kann. Moderne Gebäudeleittechnik (GLT bzw. im Englischen BAS – Building Automation System) ist bereits voll auf das Lastmanagement ausgerichtet. Dabei leitet das Steuersystem bei zu hoher Belastung des Stromnetzes die ent sprechenden Gegenmaßnahmen ein: Reduzieren von Lüftergeschwindigkeiten, Abschalten von Klimaanlagen, Dimmen der Beleuchtung oder Absenken von Jalousien. Auf diese Weise lässt sich der Energieverbrauch eines Gebäudes innerhalb weniger Minuten um bis zu 30% senken, ohne jegliches menschliches Eingreifen. Die vereinheitlichte Benutzeroberfläche einer GLT eignet sich auch ideal, um eine Photovoltaikanlage zu überwachen und zu verwalten. Mit ein paar kleinen Änderungen kann diese Oberfläche dazu genutzt werden, die Leistung eines Solarsystems insgesamt sowie momentan zu erfassen. Spitzenlasten fallen meist mit großer Hitze und Sonneneinstrahlung zusammen. Da eine Photovoltaikanlage gerade unter diesen Bedingungen die meiste Energie erzeugt, eignet sie sich hervorragend zum Lastmanagement. In einem Lastmanagementkonzept dienen Solarsysteme zur Senkung des Energieverbrauchs eines Gebäudes, sodass dessen Eigner oder Betreiber einen größeren ‚Puffer‘ zur Verfügung haben, bevor sie Maßnahmen zum Lastmanagement einleiten müssen. Außerdem ermöglichen Photovoltaikanlagen eine gleichmäßigere Stromabnahme beim Versorgungsunternehmen, mit einem gleich bleibenden Verbrauch, der durch günstigere Basisstromtarife belohnt wird.

Architektur von Solarsystem und GLT

Kernstück einer Photovoltaikanlage ist der Wechselrichter. Gewöhnlich wird ein einzelner Wechselrichter für eine bestimmte Anzahl an Solarmodulen eingesetzt, je nach Kapazität des Wechselrichters, beispielsweise 1/4MW. Jeder Wechselrichter umfasst eine Steuer- und Datenerfassungseinheit, die Daten an die Systemsoftware liefert. Häufig besteht die Schwierigkeit bei der Integration einer Photovoltaikanlage in ein GLT darin, dass die GLT-Systemsoftware nicht mit dem Protokoll der Steuereinheit des Wechselrichters kommunizieren kann. Dies wird durch eine spezifische Benutzeroberfläche umgangen, die speziell für die Verwaltung der Module konzipiert wurde. Die unten stehende Abbildung zeigt, wie eine Photovoltaikanlage derzeit mit einer lokalen Benutzeroberfläche sowie zur Fernüberwachung eingesetzt wird. In diesem Fall ist das Gebäudenetzwerk von dem Solarsystem getrennt. Bestehende Anlagen wie dachmontierte Einheiten werden über eine ModBus-Verbindung angeschlossen. Die Verbrauchszähler sind entweder über eine Impulszählerverbindung oder über eine LonWorks-Netzwerkverbindung angeschlossen. In der unten stehenden Abbildung nutzt eine integrierte Photovoltaikanlage die GLT sowie die programmierbaren Fähigkeiten der Energie-Manager. In diesem Fall liegt ein Schwerpunkt auf der Nutzung vorhandener GLT-Technologien und Standardverfahren, insbesondere in Hinblick auf die SOAP/XML-Schnittstelle zwischen der zentralen Überwachungsanwendung und der Photovoltaikanlage. Zusätzlich sind erweiterte Messfunktionen wie Nettoverbrauch und Stromqualität in dem intelligenten Zähler enthalten. Und schließlich wird anstelle der dedizierten Wechselrichtersteuereinheit, die in der Energie-Manager vorgesehene Unterstüt­zung der spezifische Treiber sowie die native Integration, in die auf LonWorks-Netzwerken basierende GLT dazu genutzt, eine einzige Benutzeroberfläche zu ermöglichen.

Integration Solarsystem und GLT

Die vollständige Integration einer Photovoltaikanlage in eine umfassendes GLT bietet Vorteile in Hinblick auf Kosten, Komplexität, Zuverlässigkeit, Gesamtleistung, Nachweis der Einhaltung gesetzlicher Vorgaben sowie Immobilienwert. Entscheidend ist dabei der Einsatz einer flexiblen Energie-Manager zur Optimierung der Kommunikation so vieler Systeme wie möglich. Moderne Gebäude verwenden häufig Protokolle, die nur für einen sehr beschränkten Verwendungszweck konzipiert wurden. Durch die Verwendung offener Schnittstellen, wie im letzten Bild dargestellt, können dagegen GLT-Integratoren und Solarsystemanbieter optimal von ihrer gemeinsamen Expertise profitieren.

Hauptvorteile

Energie-Manager
– Spezifische Treiber belassen proprietäre Wechselrichterprotokolle intakt.
– ModBus-Schnittstelle macht dedizierten ModBus zu IP-Hardware überflüssig
– LonWorks-Netzwerk liefert Solarsystemdaten an bestehende GLT-Verwaltungs- und Überwachungs-Software.
– Webservices-IP-Verbindung für Zugriff auf die Software zur Fernverwaltung der Photovoltaikanlage
– Datenerfassung für lokale Berichtsfunktionen und Datenbackup im Falle von Übertragungsfehlern

Intelligenter Zähler
– M-Bus-Schnittstelle ermöglicht Erfassung von Zählerdaten für Heizung, Wasser und Gas

Die Möglichkeit, Daten des Solarsystems lokal und per Fernzugriff zu nutzen, eröffnet sowohl dem Photovoltaikanbieter als auch dem Betreiber des Gebäudes einen besseren Überblick und mehr Verwaltungsoptionen, sodass die Überwachung des Energieverbrauchs, das Lastmanagement und die Überwachung der Performanz einfacher und kostengünstiger werden.

Fazit

Der globale Trend hin zu nachhaltigen Konzepten, ‚grünen‘ Gebäuden und alternativen Energiequellen bedingt die verstärkte Verwendung von Solarsystemen in enger Verknüpfung mit intelligenten Gebäudesystemen. Das hier beschriebene moderne System bildet eine grundlegende Voraussetzung für wettbewerbsfähige Geschäftsimmobilien. Vor dem Hintergrund einer abflauenden wirtschaftlichen Entwicklung werden mit Solarsystemen ausgestattete und an intelligente Stromnetze angeschlossene Gebäude, hochgradig integrierte Systeme sowie exakte Erfassungsmethoden immer wichtiger. Dieser Trend mag zwar zunächst mit höheren Ausgaben verbunden sein, dennoch sollten aber die heute verfügbaren Technologien genutzt werden, um aus der Bedrohung eine Chance zu machen.