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Bild 1: Der Verbraucher wird zeitverzögert (Pfeil) eingeschaltet und ist daher nicht während der gesamten Periodendauer am Netz.
Grafik zur PV Überschussleistung im Vergleich zur benötigten Leistung des Heizstabs
Bild 2: benötigte Leistung des Heizstabs (blaue Linie) und aktueller Überschuss der PV Anlage (rote Fläche)
Grafik zum Funktionsprinzip des Phasenanschnitts
Bild 3: Mittels Phasenanschnitt wird die Leistungsaufnahme (blaue Fläche) auf den verfügbaren Überschuss begrenzt.
Grafik zur Darstellung des Resultats durch Phasenanschnitt
Bild 4: Einspeisung (blaue Fläche), Netzbezug (rote Fläche) und tatsächlicher Eigenverbrauch (grüne Fläche)

Es ist nicht egal, welchen PV-Heizstab Sie verwenden

Sogenannte PV-Heizstäbe, die mit dem (überschüssigen) Strom der eigenen Photovoltaikanlage die Warmwasserbereitung im Sommer übernehmen, werden immer beliebter. In diesem Beitrag wollen wir zwei kritische Themen besprechen, die bei den meisten erhältlichen Lösungen zu Problemen führen können.

„Power-to-Heat“ Lösungen mittels Heizstab gibt es seit Jahren und bestehen üblicherweise aus einer Steuereinheit und einem Heizstab. Die Information ob und wieviel Überschuss im Moment vorhanden ist, liefern Energiezähler (oder „Power Meter“). Der Heizstab wiederum wird über (meist externe) Leistungssteller geschaltet. Studiert man verschiedene Marktübersichten, kommt man schnell zum Schluss, dass es zwei Kriterien gibt: welche Leistung hat der Heizstab und wie wird er geregelt? Manche Heizstäbe sind stufenlos regelbar, andere in Stufen zu 200 Watt, manchmal auch zu 1000 Watt, aber meist irgendwo dazwischen. Wo liegen aber nun die relevanten Unterschiede?

Das Szenario

Üblicherweise will man in den sonnigeren Monaten die Heizung schonen und im Optimalfall über mehrere Monate gar nicht brauchen. Stattdessen soll der Heizstab aktiviert werden, sobald am Messpunkt eine gewisse Menge an Stromüberschuss festgestellt wird. Liefert die Photovoltaikanlage eine Zeit lang doch zu wenig Energie, will man entweder den Heizstab mit Netzstrom betreiben oder – falls günstiger – doch die Heizung zur Warmwasserbereitung nutzen.

Wie exakt wird der Überschuss verbraucht?

Je nachdem, was und wie man im jeweiligen Produkt konfigurieren kann, lässt sich der Heizstab ab einer gewissen Menge an Überschuss einschalten. Hier hat man beispielsweise bei den in 500-Watt-Stufen regelbaren Heizstäben bereits den ersten Nachteil: Entweder wird alles unter 500 Watt bzw. zwischen den einzelnen Stufen ungenutzt eingespeist, oder man nimmt von Haus aus eine gewisse Menge an Netzbezug in Kauf.

Noch viel schwieriger ist übrigens der zeitlich korrekte Verbrauch. Wenn ein „Power Meter“ den Überschuss an den zentralen Regler und dieser die zu verbrauchende Leistung einem Leistungssteller übermitteln muss, um den Heizstab zu regeln, lässt sich eine gewisse Ungenauigkeit schlichtweg nicht vermeiden. Das macht an wolkenlosen Tagen wahrscheinlich nicht viel aus. Doch gerade bei leicht bewölktem Himmel mit schwankendem Ertrag möchte man natürlich jedes kostenlose Watt nutzen um die Temperaturen im Speicher zumindest halten zu können.

Eine schnelle Kommunikation zwischen Energiezähler, Regler, Leistungssteller und Heizstab ist in diesem Fall entscheidend. Der Heizstab verbraucht (zum Teil oder auch zur Gänze) jene Leistung, die bereits eingespeist wurde und aufgrund der nächsten Wolke am Himmel gar nicht mehr zur Verfügung steht. Ein gewisses Überschwingen ist oftmals die Folge davon.

Stufenlose Regelung als (Teil-)Lösung?

Für einen (wenn auch nicht zeitlich) exakteren Verbrauch sorgen stufenlos regelbare Heizstäbe. In der Regel wird hier, weil technisch einfacher und auch günstiger, auf Phasenanschnitt als Steuerungsart gesetzt.
Phasenanschnitt ist eine weit verbreitete Art zur Leistungsregelung von ohmschen Verbrauchern und bei kleineren Leistungen relativ problemlos. E-Heizstäbe haben in der Regel eine Leistung von 3 kW aufwärts, bei der durch den Phasenanschnitt allerdings eine nennenswerte Phasenverschiebung verursacht wird. Die genormten Anschlussregeln für Niederspannungsnetze in Deutschland (VDE-AR-N 4100) und Österreich (TOR D1 2004) sowie die darauf aufbauenden Technischen Anschlussbedingungen der EVUs (TAB 2007 und TAEV 2016) erlauben die Phasenanschnittsteuerung für Geräte zur Warmwassererzeugung nur bis 200 Watt Leistung.

Auch für Kunden spürbar

Abgesehen davon verursacht das zeitversetzte Durchschalten des Stroms zuerst die Einspeisung (Bild 4, blaue Fläche) und danach den Netzbezug (Bild 4, rote Fläche). Je kleiner also der PV Überschuss ist, desto größer sind Einspeisung und Bezug im Vergleich zum tatsächlichen Eigenverbrauch (Bild 4, grüne Fläche). Die zukünftigen Smart Meter erkennen sowohl Bezug als auch die Einspeisung sehr genau, was dem Kunden in der Regel mehr Geld kostet als die Einspeisung bringt.

Kurzer Kommunikationsweg ohne Phasenanschnitt

Wir haben hierfür eine technisch interessante Lösung entwickelt. Einerseits werden die notwendigen Hardwarekomponenten auf den Energiezähler und den stufenlos regelbaren 3 kW-Heizstab reduziert. Der Energiezähler ermittelt über die angeschlossenen Klappsensoren den Überschuss und gibt diesen über Funk direkt an den Heizstab weiter. Die ausgefeilte Elektronik im Heizstab schaltet diesen wiederum mit 20.000 Impulsen pro Sekunde ein und aus. Das Resultat ist ein sinusförmiger, verzögerungsfreier und möglichst exakter Verbrauch der verfügbaren Überschussleistung.

Abgesehen von den technischen Vorteilen hat der ATON weiters den Vorteil, dass der Energiezähler frei programmierbar ist. Das ermöglicht wiederum die Anpassung der Werkseinstellungen, um beispielsweise zusätzliche Heizstäbe einzubinden. Über zusätzliche Leistungssteller, Erweiterungsmodule oder Regler lassen sich weitere Verbraucher ansteuern – von der Wärmepumpe über Infrarotpaneele bis zur E-Ladestation ist vieles möglich. Die Profis im TA-Support beraten Sie dazu gerne.