Aufbau der Datenerfassung und Auswertung
Bei der Vorüberlegung zur tagesaktuellen Verbrauchserfassung automatisiert auszuwerten führte zum Shelly 3EM.
Es wurden drei Abrufwebseiten auf Basis von PHP geschrieben, die die Daten über einen Webserver (Raspberry PI4) per Cronjob einmal täglich um 23:59 abruft und in drei CSV-Datei des Webserververzeichnisses schreibt. Durch die drei Abruf- und CSV-Dateien wird jede Phase einzeln abgerufen und kann über ein Excel-Data-Sheet zusammengeführt ausgewertet werden.
Shelly 3EM Features
- Strommessung von 3-Phasen Netzen mit bis zu je 120A
- Ausgang für Schützsteuerung oder Last bis zu 10A
- 365 Tage interner Speicher, falls WiFi nicht verfügbar ist
- Spannungsmessung und konfigurierbare Alarmmeldung
- Messen der Rückspeisung von Energie ins Netz bei Solar oder Windanlagen
- Cronjob auf Webserver
- PHP-Skripte auf Webserver zur täglichen Speicherung der Datendatei (CSV)
- Excel-Datenauswertung per Datenanbindung an Datendatei (CSV)
- Cronjob
59 23 * * * * /<Pfad zum PHP>/php7.3 /<Pfad zum Webserver>/shelly3-xxx.php >/<Pfad zum Webserver>/data-xxx.csv
- PHP-Skripte
<?php
$_url = "http://<User:Passwort@Ihr Webserver>/emeter/<0; 1 o. 2>/3em_data";
$_buffer = date("d.m.Y H:i:s") . " " . implode('', file($_url));
//Datei öffnen zum anfügen, lesen und schreiben
$text = "$_buffer\n";
//Ersetzungen in buffer
$ersatz0 = array("{", "}", ",", "\"power\":", "\"pf\":", "\"current\":", "\"voltage\":", "\"is_valid\":", "\"total\":", "\"total_returned\":");
$new_text0 = str_replace($ersatz0, " ", $_buffer)."\n";
echo $new_text0;
$dateiname = "<Datendateiname>.csv";
$handler = fopen($dateiname, "a+");
while ( $inhalt = fgets ($handler, 4096))
{
echo "<li> $inhalt ";
}
fwrite($handler, $new_text0);
fclose($handler);
?>
Die in braun gekennzeichneten Abschnitte müssen auf Ihre Anforderungen angepasst werden. Z.B. bei:
$_url = "http://Mustermann:Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!/emeter/0/3em_data";*
$dateiname = "phase0.csv";
Username und Passwort nur notwendig *, wenn Ihr Shelly 3EM den Datenabruf nur passwortgeschützt erlaubt. Anstelle des qualifizierten Domainnamens können Sie auch die IP-Adresse (z.B. 192.168.33.1) nutzen, wenn Sie das System nur aus Ihrem lokalen Netzwerk nutzen wollen.
- Excel-Datenauswertung
Erste Abbildung zeigt den Gesamtverbrauch und den aktuell berechneten Zählerstand an. In meinem Fall sind die Messungen sehr genau und der berechnete Zählerstand stimmt exakt mit dem tatsächlichen Zählerstand überein.
Ich gehe hier nicht auf die Details zu Excel ein, wie man eine Datenanbindung herstellt. Es ist nicht besonders kompliziert eine Datenanbindung aus dem Web zu realisieren. Es gibt gute HowTo im Web.
Username und Passwort nur notwendig *, wenn Ihr Shelly 3EM den Datenabruf nur passwortgeschützt erlaubt. Anstelle des qualifizierten Domainnamens können Sie auch die IP-Adresse (z.B. 192.168.33.1) nutzen, wenn Sie das System nur aus Ihrem lokalen Netzwerk nutzen wollen.
Hausautomation
In der Zwischenzeit wurden der Verbrauchdatenerfassung weitere IoT's (Internet der Dinge) beigefügt und mit Home Assistant in komfortabler Form integriert.
Es wurden Shelly -Relais, -Schalter und -Thermometer, sowie weitere Komponenten, wie beispielsweise ein NAS, Router und Kameras integriert. Diese lassen sich über die oben dargestellte Oberfläche auch im WAN erreichen und ermöglichen per Skript automatisierte Szenen. Hier können bestimmte Befehle in Abhängigkeit von Sensor- und Schaltzuständen ausgeführt werden. Beispielsweise sollte die gewünschte Temperatur in einem Bereich unterschritten werden, wird z.B. eine Heizquelle eingeschaltet. Oder erkennt eine der Kameras eine Bewegung erfolgt eine Meldung direkt auf das Smartphone usw.
Auch die Datenauswertung wurde nochmals überarbeitet und stellt sich jetzt wie in nachfolgender Abbildung dar.
Per Makro werden die Verbrauchsdaten für jede Phase, der Gesamtverbrauch, Zählerstand und tägliche Verbrauch abgerufen. Der Zählerstand ist somit jederzeit aktuell auch aus der Ferne kontrollierbar. Der Schutz vor unberechtigtem Zugriff auf das Haussystem ist durch mehrfache Authentifizierung gewährleistet. Daten und Schaltvorgänge können nur von zugelassenen Endgeräten eingesehen und vorgenommen werden. Diese Endgeräte lassen sich nur über das interne Netzwerk freischalten.
Photovoltaikanlage mit Energiepuffer
Die Planung ist in Kürze noch eine Photovoltaikanlage mit 1,5 kWp aufzuschalten und weitere Automatisierungen zu integrieren. Es soll eine sogenannte Balkon-Solaranlage zum Einsatz kommen, die bis zu 50% des Netzstrombezuges reduzieren soll. Hier wird über einen Warmwasserpuffer (elektrische Nachheizung) auch an Tagen mit viel Energieausbeute überschüssige Energie gespeichert.
Parameter:
An Tagen mit geringer Energieausbeute, oder hohem Strombedarf des Haushaltes wird der oben beschriebene Puffer per Temperatur-bypass ausgeschaltet und der Pufferspeicher wird auf Normaltemperatur mit 45° C betrieben. Sobald wieder mehr Energie verfügbar ist, wird dann wieder bis auf die maximal erreichbare Temperatur gepuffert. Logischerweise ist das nicht täglich die maximale Betriebstemperatur des Speicherpuffers, da tatsächlich nur überschüssige Energie genutzt wird. Damit wird ein Abregeln des Wechselrichters und die wenig lukrative Netzeinspeisung verhindert. Bei der kleinen Photovoltaikanlage mit nur 1,5 kWp wird so eine hoher Eigenversorgungsanteil mit maximaler Ausbeute gewährleistet. Bei Stromkosten von rund 30 Cent pro Kilowattstunden, der optimalen Ausrichtung der Anlage und der Pufferspeicherung sind rund 1700 kWh pro Jahr an Ertrag möglich und eine Amortisation bei Investitionskosten von rund 1.500,- Euro in weniger als drei Jahren realistisch.
Bei einem durchschnittlichen Energiebedarf während der Tageszeit (12 Stunden im Jahresmittel) von rund 250 Wh ohne Warmwasserspeicher ergibt das einen Energieverbrauch von 3 kWh.In den Monaten April bis Oktober stehen durchschnittlich bei einer 1,5 kWp-Anlage monatlich Erträge von rund 200 kWh zur Verfügung. Das ergibt einen täglichen Ertrag von rund 6,7 kWh. Subtrahieren wir den Energieverbrauch (ohne Speicher) von rund 3 kWh bleibt somit für den Pufferspeicher eine Leistung von 4,7 kWh übrig. Es darf gefolgert werden, dass durch den Pufferspeicher Qeff mit 3,96 kWh keine Energie abgeregelt oder eingespeist werden muss. In den übrigen Monaten (Winterzeit) stehen monatlich nur rund 100 kWh zur Verfügung. Das sind täglich rund 3,3 kWh. In dieser Zeit wird keine Pufferspeicherung zu erwarten sein. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die Anlage den Energieverbrauch in den Tagesstunden deckt und insgesamt die Anlagenleistung mit annähernder Effizienz von 100 Prozent den Netzstrombedarf mit 1700 kWh/p.a. reduziert und dabei eine relevante CO2-Einsparung leistet.
Selbstverständlich könnte man darüber nachdenken eine größere Anlagenleistung vorzuhalten. Hier müssten dann jedoch teure Batteriespeicher angeschafft werden, aus denen dann der Nachtstrom generiert wird. Geht man jedoch bei den hohen Anschaffungs- und Wartungskosten von rund 1000 Ladezyklen aus, lässt sich schnell das sich weniger schnell amortisierende betriebswirtschaftliche Ergebnis ableiten. Bedenkt man dass tausend Ladezyklen bereits nach knapp drei Jahren erreicht werden, wird die Fragwürdigkeit einer solchen Investition klar.