Balkonkraftwerk Teil 6: Monitoring

Balkonkraftwerk

Wer Strom mit seinem eigenen Balkonkraftwerk erzeugt, der möchte natürlich auch wissen, wie viel Ertrag es abwirft. Und am besten auch, zu welchen Tageszeiten zusätzliche Verbraucher mit dem eigenen Strom betrieben werden können. An diese Informationen zu kommen, ist die Aufgabe des Balkonkraftwerk-Monitorings. In diesem Artikel sprechen wir über die verschiedenen Möglichkeiten, ein Monitoring zu machen, über die Daten, die wir dadurch erhalten können und über die Kosten.

Auch an dieser Stelle möchte ich darauf hinweisen, dass Arbeiten am 230V-Stromnetz potentiell lebensgefährlich sind. Wer keine elektrotechnische Ausbildung hat, sollte solche Tätigkeiten dringend einem Elektriker überlassen.

Was kann man monitoren?

Hier eine kurze Auflistung an Daten, für die Monitioring interessant sein kann. Wobei nicht alle Daten von einem Balkonkraftwerker wirklich gebraucht werden und die einzelnen Monitoring-Geräte – wie wir noch sehen werden – auch nicht alle Daten liefern können:

  • aktuelle Leistung des BKWs
  • aktuelle Leistung je Solarmodul
  • gesamte bisher erzeugte Energie
  • ins öffentliche Netz eingespeiste Energie
  • erzeugte Energie pro Minute, Stunde, Tag, Woche, Jahr
  • Spannung und Strom AC (230V-Seite)
  • Spannung und Strom DC je Solarmodul

Erklärungen zu den verwendeten Elektrotechnikbegriffen gibt es in Teil 5 dieser Artikelserie.

Welche Daten braucht ein Balkonkraftwerker?

Stromstärke, Spannung und selbst die Leistung auf Ebene der einzelnen Module sind eher etwas für die Diagnose, aber niemand wird dauerhaft die Spannung auf seinen Solarmodulen überwachen oder gar aufzeichnen wollen. Was einen Balkonkraftwerker wirklich interessiert, das ist die aktuell erzeugte Leistung, denn daran kann man bemessen, ob es sinnvoll wäre, weitere Verbraucher einzuschalten um den Eigenverbrauch zu erhöhen. Und natürlich interessiert die bisher erzeugte Gesamtenergie und wie sie sich über die Zeit (Tag und Jahr) verteilt.

Womit lässt sich ein Balkonkraftwerk monitoren?

Monitoring des Wechselrichterherstellers

Glücklich kann sich der schätzen, wessen Wechselrichter bereits eine Monitoringmöglichkeit ab Werk eingebaut hat. Hier muss der Wechselrichter nur ins heimische WLAN eingebunden und am Smartphone eine entsprechende App geladen werden und schon stehen alle Daten des Wechselrichters in der App aktuell zur Verfügung. Wenn der Hersteller zusätzlich einen Cloudspeicher anbietet, an den der Wechselrichter seine Daten ständig senden kann, dann sind in der App auch Zeithistorien und entsprechenden Verlaufskurven sichtbar.

Andere Hersteller (Beispiel Hoymiles) gehen einen anderen Weg und statten ihre Wechselrichter mit einer Funkkommunikation aus. Der Kunde muss dann ein Zusatzgerät (DTU Data Transfer Unit) als Gateway zwischen der Funkschnittstelle und dem eigenen WLAN kaufen. Bei Hoymiles kostet das einen niedrigen dreistelligen Betrag, der viele Anwender veranlasst, sich nach Alternativen umzusehen.

Der Monitoringzugriff direkt auf den Wechselrichter oder über den Umweg über eine DTU hat einige Vorzüge, die mit externen Geräten nicht erreichbar sind:

  • Die Daten kommen direkt vom Wechselrichter und werden nicht extern gemessen. Das bürgt für hohe Datenqualität.
  • Nur der Wechselrichter kommt an Daten auf Ebene der einzelnen DC-Anschlüsse. Wenn pro Port nur ein Solarmodul angeschlossen ist (also keine externe Serien- oder Parallelschaltung) dann lässt sich so jedes einzelne Solarmodul monitoren und Strom-, Spannungs- und Leistungswerte auslesen.
  • Zugriff auf den Wechselrichter eröffnet potentiell auch die Möglichkeit, den Wechselrichter zu steuern (Parameter ändern, Einspeiserate reduzieren, …).

Alternatives Monitoring am Wechselrichter (nur für Hoymiles und TSOL)

Der hohe Preis der Hoymiles DTU hat Tüftler auf den Plan gerufen, die es mit einer Hardware für wenige Euro (Mikrocontroller und Funkmodul) geschafft haben, die Funkschnittstelle des Wechselrichters auszulesen. Damit kommt man auch ohne teure DTU an die Daten des Wechselrichters und hat auch Steuermöglichkeiten. Die Open Source Projekte sind AHOY DTU und OpenDTU. An die Hoymiles Cloud kommt man mit diesen Lösungen allerdings nicht, so dass man nur aktuelle Daten bekommt und auf die Datenhistorie aus der Cloud verzichten muss. Allerdings ermöglichen beide Projekte eine Datenweiterleitung per MQTT an einen eigenen Server. Für Bastler ist das eine durchaus gangbare und preisgünstige Alternative zur original Hoymiles DTU.

Monitoring mit Shellys

Wer seinen Wechselrichter nicht direkt monitoren kann, oder dies aus Kostengründen vermeiden will, der kann auch zu externen Messgeräten greifen. Das sind Messsteckdosen mit WLAN-Anschluss oder Sensoren/Aktoren aus der Hausautomatisierungswelt. Sehr beliebt bei Balkonkraftwerkern sind die Shelly-Produkte von Allterco, von denen sich mehrere fürs Monitoring eines BKWs eignen. Nachfolgend werde ich einige davon genauer vorstellen.

Allen diesen externen Monitoringlösungen ist gemeinsam, dass sie zwischen Wechselrichter und dem 230V-Hausnetz (also an der Einspeisesteckdose) platziert werden und dort die Einspeisung messen. Auf Daten der einzelnen Solarmodule kann man damit nicht zugreifen, es stehen nur Leistungswerte zur Verfügung, die in der (kostenlosen) Shelly-Cloud zu Zeitreihen und Energiebilanzen aufsummiert werden. Grafische Darstellung ist in der Shelly-App inklusive. Für viele Balkonkraftwerker ist dieses Monitoring absolut ausreichend.

Shelly Plug S

Shelly Plug S

Der Shelly Plug S ist die Steckerlösung von Shelly. Wie die anderen fest verbauten Shelly-Geräte verfügt er über WLAN- und Cloud-Integration, eine Leistungsmessung und einen Aktor, also die Ein- und Ausschaltmöglichkeit des angeschlossenen Geräts aus der Ferne.

Der Shelly Plug S ist besonders gut geeignet um im Haus die Leistung von Verbrauchern zu messen. Wer also wissen will, wie viel Energie sein Kühlschrank oder seine Fritzbox verbraucht, der steckt einfach mal für ein paar Tage den Shelly Plug S in die Leitung und kann in der App das Ergebnis ablesen. Durch das eingebaut Relais kann der Plug S auch das angeschlossene Gerät ein und ausschalten. Das funktioniert mit der Shelly App im eigenen WLAN und über die Shelly-Cloud auch von überall per Internet. Per Shelly App sind auch automatische Abläufe programmierbar, zum Beispiel: Wenn das Balkonkraftwerk (gemessen über ein anderes Shelly-Produkt) mehr als 300W liefert, dann schalte den angeschlossenen Verbraucher (Waschmaschine, Ladegerät, …) ein und unter 200W wieder aus. So lässt sich mit Shellys eine kleine Hausautomatisierung aufbauen.

Nicht geeignet ist der Shelly Plug S allerdings für den Außeneinsatz an der Einspeisesteckdose, er ist nicht wasserdicht. Was die Messgenauigkeit angeht, so wird berichtet, dass die wohl hinter der von Shelly Plus 1PM und Shelly EM zurück bleiben würde, gemessen habe ich das allerdings nicht.

Der Preis eines Shelly Plug S liegt bei etwa 20 Euro.

Shelly Plus 1PM

Shelly Plus 1PM Verdrahtung

Der Shelly Plus 1PM ist als kleines rotes Kästchen mit Schraubklemmen zum Einbau in Elektrodosen konzipiert. So kann man ihn beispielsweise direkt in die Einspeisesteckdose des Balkonkraftwerks einbauen. Und da das eingebaute Relais bis 16A packt, lässt sich damit auch das ganze BKW ferngesteuert ans und vom Netz schalten. Sonst entspricht der Plus 1PM in etwa dem Shelly Plug S, er misst aber sehr genau und ist bei einem Preis von ca. 20 Euro sehr gut geeignet um ein BKW zu monitoren.
Den älteren runden Shelly 1PM (ohne Plus) sollte man heute nicht mehr kaufen, er ist durch den Plus 1PM mit besserer Messgenauigkeit überholt.

Shelly EM

Shelly EM Verdrahtung

Der Shelly EM entspricht von der Größe her dem Plus 1PM und ist ebenfalls zum Einbau in eine Elektrodose vorgesehen. Vom Konzept her unterscheidet er sich aber in einigen Punkten vom Plus 1PM (und auch vom Shelly Plug S).

  • Die Strommessung erfolgt beim Shelly EM nicht intern, sondern über einen externen Stromwandler. Davon sind zwei Stück anschließbar, verfügbar sind Modelle bis 50A oder bis 120A. So lassen sich induktiv auch hohe Ströme recht genau messen. Unterhalb von ca. 3 Watt spricht der Stromwandler aber nicht an.
  • Der Shelly EM unterscheidet die Stromrichtung und damit Verbrauch von Erzeugung.
  • Werden bei allen anderen Shellys die verbrauchten/erzeugten Energiewerte in der App nur nach einer abgelaufenen Stunde aktualisiert, so erfolgt das beim EM im Fünfminutenabstand. Auch bei der Aktualisierung der ständigen Leistungswerte ist der EM schneller, er aktualisiert nahezu sekündlich, der Plus 1PM dagegen im Abstand von mehreren Minuten.
  • Der Shelly EM hat einen internen Speicher, der Jahresdaten auf Zehnminutenbasis vorhält, für die letzten beiden Tage sogar minütlich . Diese Datei lässt sich herunterladen. Während bei den anderen Shellys nur Zeitreihen auf Stundenbasis aus der Cloud geladen werden können.
  • Der EM besitzt zwar ebenfalls einen fernsteuerbaren Schaltkontakt, der ist aber weniger dazu geeignet, ein Balkonkraftwerk ein- und auszuschalten, sondern mit seiner maximalen Belastbarkeit von nur 2A eher zum Schalten von Leistungsschützen.

Der Shelly EM ist unter den Shellys sicher der Goldstandard unter den Leistungsmessern für Balkonkraftwerke, er kostet mit ca. 70 Euro aber auch ein Mehrfaches der anderen.

Exkurs: Wie gehen Shellys mit einem WLAN-Ausfall um?

Ein Shelly, wie viele andere Leistungssensoren auch, liefert erst mal nur einen aktuellen Leistungswert. Das kann man sehr schön sehen, wenn man per Browser direkt auf die eingebaute Webseite des Shellys geht (IP-Adresse im Browser eingeben). Energie kommt hier nicht vor. Dass die laufenden Leistungswerte über die Zeit zu Energiewerten aggregiert werden, passiert nicht im Shelly selbst (Shelly EM mal ausgenommen), das passiert in der Shelly Cloud. Wenn einem dieser Sachverhalt klar ist, dann stellt sich sofort die Frage: Was ist denn, wenn die Verbindung vom Shelly zur Cloud mal unterbrochen ist? Wegen WLAN-Ausfall zum Beispiel oder weil die Fritzbox rebootet. Und genau das habe ich getestet. Der Testaufbau sieht dabei folgendermaßen aus. Shelly EM, Shelly Plus 1PM und Shelly Plug S sind hintereinander geschaltet und ans Ende eine Last, die in etwa 10W zieht, mit gewissen Schwankungen. Da hier ein Shelly den Eigenverbrauch des anderen natürlich mit misst, schauen wir bitte nicht auf die absoluten Werte, denn die unterscheiden sich leicht. Es geht hier nur darum, wie die verschiedenen Shellys mit einem simulierten WLAN-Ausfall umgehen. Im Laufe des betrachteten Tages, den wir grafisch angezeigt bekommen, habe ich das WLAN zu folgenden Zeiten deaktiviert:

  • 07:30 bis 08:30 Uhr,
  • 16:30 bis 18:30 Uhr und
  • 20:15 bis 20:45 Uhr

Betrachten wir nun die drei Shellys:

Shellys bei WLAN Ausfall

Shelly Plug S

Die Energiegrafik des Plug S vollzieht die WLAN-Ausfälle 1:1 nach, das heißt die Daten fehlen, sie werden nicht nachgemeldet und die Tagessumme ist zu niedrig.

Shelly Plus 1PM

Ganz genau so sieht es beim Plus 1PM aus, die Daten während des WLAN-Ausfalls fehlen, sie werden nicht nachträglich ergänzt, wenn wieder Netzverbindung besteht und die Tagessumme ist ebenfalls zu niedrig,

Shelly EM

Ich gestehe, dass meine Erwartung in der Tat war, dass die EM – aufgrund des internen Speichers – die Daten nachmelden würde, sobald wieder WLAN-Verbindung besteht. Und das macht er auch, allerdings – wie man sieht – leider nicht vollständig. Ich schiebe das mal auf einen Software-Bug, der irgendwann behoben werden wird, dann könnte der Shelly EM tatsächlich in der Lage sein, mit Netzunterbrechungen umgehen zu können. Liest man den internen Speicher des EM aus, dann sind dort die Daten tatsächlich vollständig enthalten und die Tagessumme beläuft sich auf 241,5Wh.

Fazit

Keiner der Shellys kann mit Verbindungsausfällen vom Shelly zur Shelly Cloud umgehen. Die Daten fehlen für die Ausfallzeit dann einfach in der Cloud. Lediglich der Shelly EM hat durch seinen internen Speicher überhaupt die Möglichkeit, solche Daten in die Cloud nachzumelden, was allerdings in der Realität nur unzureichend funktioniert. Lediglich, die intern im Shelly EM gespeicherten Energiedaten sind vollständig.

Shellys in Betrieb nehmen

Jedem Shelly liegt in der Packung eine Anleitung bei, wie man den Shelly ans Netz und in die Cloud bekommt. In kurzen Worten funktioniert das so: In der Werkseinstellung baut ein Shellygerät ein eigenes WLAN auf mit einer Bezeichnung „Shelly…“. Diesen WLAN Accesspoint findet die Shelly-App, die man sich vorher auf dem Smartphone installiert hat (ebenso wie den Bluetooth-Namen beim Shelly Plus 1PM) und man kann den Shelly darüber ins eigene WLAN integrieren und ihm auch einen anderen Namen geben. Gleichzeitig findet der Shelly so seinen Weg in die Shelly-Cloud. Dem Shelly ordnet man nun noch einem Raum zu und kann ab sofort in der App mit ihm arbeiten.


Weitere Monitoringmöglichkeiten

Auch wenn ich den Shellys hier sehr breiten Raum eingeräumt habe, weil sie preiswert und unter Balkonkraftwerkern deshalb sehr beliebt sind, heißt das nicht, dass es nicht noch andere Lösungen gäbe, wie zum Beispiel:

  • die Tapo WLAN-Steckdosen von TP-Link,
  • weitere WLAN-Steckdosen von bekannten Anbietern wie hama oder China-NoName Produkte,
  • digitale Leistungsmessgeräte für die Hutschienenmontage mit WLAN
  • Fritz!DECT 210, das ist eine Leistungsmesssteckdose von AVM, die nicht ans WLAN geht, sondern per DECT eine Verbindung mit einer Fritzbox aufbaut. Die Reichweite soll so größer sein als per WLAN, diese Lösung funktioniert aber nur, wenn man eine Fritzbox hat. Und die Dose ist mit über 100 Euro nicht ganz billig.

Der Vollständigkeit halber möchte ich hier noch den Shelly 3EM erwähnen, da der Name im Photovoltaikumfeld öfter fällt. Das ist ein Leistungsmesser für alle drei Phasen mit WLAN. Der 3EM dient weniger dazu, den Ertrag eines BKWs zu messen, sondern den Verbrauch des ganzen Haushalts. Dazu baut man ihn hinter dem Zähler ein oder in die Wohnungsverteilung. Damit kann man Verbrauch und Einspeisung ins öffentliche Netz monitoren.

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