Eltern mit Kind beim Steuern des Energiemanagements

HEMS

Wie funktioniert ein Home Energy Management System?

 

Mit der Verbreitung dezentraler Erzeugungs- und Verbrauchseinrichtungen – wie Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen – steigt die Komplexität der lokalen Energieflüsse. Zur effizienten Abstimmung dieser Komponenten werden Heim-Energiemanagementsysteme (HEMS) eingesetzt.

Ein HEMS dient als zentrale Steuerungseinheit zur Erfassung, Überwachung und Optimierung aller elektrischen Energieströme innerhalb eines Gebäudes.

Die folgenden Abschnitte beschreiben die technischen Grundlagen, die Funktionsweise sowie die betrieblichen Eigenschaften eines HEMS im Zusammenwirken mit Photovoltaikanlagen und steuerbaren Verbrauchern.
Ein Mann sitzt auf dem Sofa und steuert sein Home Energy Management System per Tablet.

Was ist ein Home Energy Management System?

Ein Heim-Energiemanagementsystem (HEMS) ist eine steuerungstechnische Einheit aus Soft- und Hardware, die Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher sowie steuerbare Verbrauchseinrichtungen (z. B. Ladestationen für Elektrofahrzeuge oder Wärmepumpen) digital miteinander vernetzt.

Das HEMS erfasst und analysiert kontinuierlich die Daten zur Stromerzeugung, zum Speicherzustand sowie zum Gebäudeenergiebedarf. Auf Basis dieser Parameter regelt das System die Verteilung der elektrischen Energie im lokalen Netz. Hauptfunktionalität ist die Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils des vor Ort erzeugten Photovoltaikstroms, um den Netzbezug zu minimieren und die Auslastung der Erzeugungs- und Speicherkomponenten zu koordinieren.

Aufbau und Funktionsweise eines HEMS

Ein Heim-Energiemanagementsystem (HEMS) besteht aus einer zentralen Steuereinheit, die über standardisierte Kommunikationsschnittstellen (z. B. Modbus, EEBUS oder LAN/WLAN) mit den einzelnen Systemkomponenten verbunden ist.

Die Hardware-Basis für die Steuerungssoftware variiert je nach Anlagentyp:

  • Integrierte Systeme: Bei modernen Batteriespeichern oder Wechselrichtern ist die HEMS-Funktionalität häufig direkt in die Gerätesteuerung der jeweiligen Hauptkomponente integriert.
  • Externe Systeme: Alternativ kommen eigenständige Steuerungsboxen (Gateway- oder HEMS-Hardware) zum Einsatz, welche die Daten der verschiedenen Schnittstellen herstellerübergreifend zusammenführen.
Die Grafik zeigt ein HEMS als zentrales System zur Steuerung von PV-Anlage, Stromspeicher, Smart-Home, Wärmepumpe, E-Mobilität und weiteren Bereichen.

Die Kernfunktion eines HEMS besteht in der zeitnahen Abstimmung von Erzeugung, Speicherung, Verbrauch und Netzbezug. Voraussetzung für diese Regelung ist die kontinuierliche Messung und Auswertung betrieblicher Systemparameter:

  • Erzeugungsdaten: Aktuelle elektrische Leistung der Photovoltaikanlage.
  • Speicherparameter: Lade- und Entladeleistungen sowie der Ladezustand (State of Charge, SoC) des Batteriespeichers.
  • Verbrauchsdaten: Leistungsaufnahme einzelner Endgeräte und steuerbarer Verbrauchseinrichtungen (Wärmepumpen, Klimageräte, Ladestationen).
  • Netzkopplungsdaten: Leistungswerte am Netzverknüpfungspunkt (Einspeisung oder Netzbezug).

 

Prognosebasierte Betriebsführung und Laststeuerung

Das HEMS aggregiert die erfassten Messwerte und stellt historische sowie echtzeitnahe Auswertungen bereit. Durch den Abgleich der historischen Verbrauchsmuster mit externen Wetterprognosedaten berechnet das System Erzeugungs- und Lastprofile für die nachfolgenden Zeitfenster.

Auf Basis dieser Prognosen erfolgt die automatische Ansteuerung regelbarer Verbraucher und Speicherpfade:

  • Einspeiseorientierte Lastverschiebung: Flexible Lasten (z. B. der Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs) werden bevorzugt bei Vorhandensein von Photovoltaik-Überschussleistung zugeschaltet, um eine Begrenzung der Netzeinspeisung zu vermeiden.
  • Kaskadierte Speicherbewirtschaftung: Sobald vorrangige Verbraucher versorgt sind oder die maximale Ladeleistung der Fahrbatterie erreicht ist, wird die verbleibende Überschussleistung zur Ladung des ortsfesten Batteriespeichers genutzt, um die spätere Abdeckung der Grundlast sicherzustellen.
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Was ist aktives Energiemanagement?

Aktives Energiemanagement bezeichnet die automatisierte Regelung steuerbarer Erzeuger, Speicher und Verbrauchseinrichtungen auf Basis echtzeitnaher Messdaten und vordefinierter Regelstrategien. Sobald die Photovoltaikleistung den aktuellen Grundbedarf des Gebäudes übersteigt, priorisiert das Heim-Energiemanagementsystem (HEMS) die Verteilung der Überschussleistung nach festgesetzten Hierarchien. 

An erster Stelle steht die Direktversorgung flexibler Lasten durch die Ansteuerung regelbarer Verbrauchseinrichtungen, wie etwa die Aktivierung von Wärmepumpen zur Erwärmung von Warmwasserspeichern, das Einschalten von Klimageräten oder die Freigabe von Ladevorgängen an Ladestationen. Reicht die Erzeugungsleistung darüber hinaus, folgt im nächsten Schritt die Speicherbewirtschaftung, bei der die verbleibende Überschussleistung zur Ladung des stationären Batteriespeichers bis zum Erreichen der maximalen Kapazität (State of Charge, SoC = 100 %) genutzt wird. 

Erst nach vollständiger Deckung des Direktverbrauchs und der Speicherladung wird die verbleibende Restleistung am Netzverknüpfungspunkt zur Netzeinspeisung an das öffentliche Verteilnetz übergeben.
Ein Senec-Mitarbeiter berät eine Kundin zum Thema Stromspeicher.

Vorteile eines Heim-Energiemanagementsystems (HEMS)

Die Flexibilisierung des Stromverbrauchs zur Anpassung an die fluktuierende Erzeugung aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen bildet eine wesentliche Grundlage für die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz. Heim-Energiemanagementsysteme (HEMS) übernehmen in diesem Kontext die technische Steuerung auf Gebäudeebene. 

Sie ermöglichen eine zeitgleiche Abstimmung von lokaler Erzeugung und Verbrauch, was zur Entlastung der Verteilnetze beitragen und durch die Optimierung des Eigenverbrauchs sowie die Nutzung zeitvariabler oder dynamischer Stromtarife die laufenden Bezugskosten reduzieren kann.

Die Einbindung eines Heim-Energiemanagementsystems (HEMS) führt zu spezifischen systemischen Eigenschaften in der Gebäudeenergieversorgung:

  • Datenvisualisierung und Transparenz: Das HEMS erfasst Erzeugungs- und Verbrauchsdaten kontinuierlich und stellt diese über Schnittstellen, wie mobile Applikationen oder Webportale, zur zeitbezogenen Auswertung (z. B. auf Tages-, Wochen- oder Monatsbasis) bereit.
  • Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils: Durch die zeitnahe Abstimmung der Erzeugung mit den Lastprofilen der Verbraucher wird der Anteil der direkt vor Ort genutzten Photovoltaik-Energie maximiert, was den Fremdstrombezug aus dem öffentlichen Netz reduziert.
  • Automatisierte Betriebsführung: Das HEMS steuert regelbare Lasten in Haushalt, Wärme- und Mobilitätssektor anhand hinterlegter Priorisierungsregeln und Prognosedaten eigenständig an, unabhängig von manuellen Eingriffen.
  • Systemoffenheit und Schnittstellenintegration: Über standardisierte Protokolle lassen sich zusätzliche Komponenten oder externe Energiedienstleistungen – wie virtuelle Speicher- oder Bilanzierungskonzepte – in die lokale Steuerungsstruktur einbinden.
  • Verarbeitung externer Preissignale: Das System kann stündliche Börsenstrompreise verarbeiten und steuerbare Verbraucher gezielt in Phasen niedriger Börsenpreise aktivieren. In Kombination mit dynamischen Stromtarifen passt dies den Strombezug an die aktuelle Marktlage an.
  • Integration zukünftiger Systemfunktionen: Die Vernetzung der Komponenten bildet die technische Grundlage für erweiterte Anwendungsfälle, darunter bidirektionales Laden (Vehicle-to-Grid/Vehicle-to-Home) oder die direkte Vermarktung von Überschussstrom an der Börse.

Anpassungen der Steuerungsparameter oder die Einbindung neuer Verbrauchseinrichtungen können vom Betreiber über die jeweiligen Systemoberflächen vorgenommen werden, um die Regelstrategie an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen.

Praxisbeispiel: So arbeitet ein HEMS im Einfamilienhaus

Die Funktionsweise eines Heim-Energiemanagementsystems (HEMS) lässt sich anhand des tageszeitlichen Erzeugungs- und Verbrauchsprofils eines Einfamilienhauses darstellen.

Systemkonfiguration:

  • Photovoltaikanlage: 10 kWp Nennleistung
  • Stationärer Batteriespeicher: 7 kWh Nutzkapazität
  • Jahresenergiebedarf: ca. 7.500 kWh (inklusive Wärmepumpe und Ladestation für Elektrofahrzeuge)

Tageszeitlicher Regelungsverlauf:

  • Morgenstunden (Steigende Erzeugung, mittlere Last): Die einsetzende Photovoltaikerzeugung wird vorrangig zur Abdeckung der direkt auftretenden Grund- und Spitzenlasten im Gebäude genutzt (z. B. Haushaltsgeräte, Warmwasserbereitung).
  • Vormittag (Hohe Erzeugung, geringe Direktlast): Bei geringer Grundlast im Gebäude priorisiert das HEMS steuerbare Lasten. Der Photovoltaik-Überschuss wird zur thermischen Speicherung über die Wärmepumpe in den Pufferspeicher geleitet.
  • Mittagszeit (Fluktuierende Erzeugung durch Bewölkung): Sinkt die Erzeugungsleistung unter den Schwellenwert für den Wärmepumpenbetrieb, schaltet das HEMS auf die Ladung des stationären Batteriespeichers um, um geringere Überschussleistungen aufzunehmen.
  • Nachmittag (Erneuter Erzeugungsanstieg, zusätzliche Lasten): Bei vollgeladenem Batteriespeicher und Netzkopplung eines Elektrofahrzeugs gibt das HEMS die Ladeleistung der Wallbox frei, um den Überschussstrom zur Fahrzeugladung einzusetzen.
  • Abend- und Nachtstunden (Keine PV-Erzeugung, Grund- und Freizeitlast): Nach Beendigung der Solarstromerzeugung erfolgt die Abdeckung des elektrischen Energiebedarfs (Beleuchtung, Unterhaltungselektronik, Kochen) durch die Entladung des stationären Batteriespeichers, bis dessen minimale Entladegrenze erreicht ist.

Für wen lohnt sich ein HEMS?
Ein Hems wird mit einem modernen Display gesteuert.

Der Einsatz eines Heim-Energiemanagementsystems (HEMS) eignet sich für Gebäude mit mehreren dezentralen Erzeugungs-, Speicher- und Verbrauchseinrichtungen. Die technische und wirtschaftliche Relevanz bestimmt sich nach folgenden Faktoren:

  • Sektorübergreifende Komponenten: Vorhandensein von steuerbaren Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf, wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge (Wallboxen), Wärmepumpen oder Klimageräten, in Kombination mit einer Photovoltaikanlage und einem Batteriespeicher.
  • Erhöhung des Eigenversorgungsgrads: Maximierung der Direktnutzung von vor Ort erzeugtem Photovoltaikstrom zur Reduzierung des Fremdstrombezugs aus dem öffentlichen Netz.
  • Nutzung zeitvariabler oder dynamischer Tarife: Ansteuerung regelbarer Lasten in Abhängigkeit von Preissignalen der Strombörse zur Reduzierung der Beschaffungskosten.
  • Regulatorische und technische Systemanforderungen: Vorbereitung auf gesetzliche Vorgaben zur Steuerung von Verbrauchseinrichtungen (z. B. nach § 14a EnWG) sowie auf künftige Betriebsmodi wie die PV-Direktvermarktung oder bidirektionale Ladekonzepte.

Systemische Treiber für die Standardisierung von Heim-Energiemanagementsystemen (HEMS)

Der Einsatz von Heim-Energiemanagementsystemen in der Gebäudeenergieversorgung wird durch drei wesentliche technische und regulatorische Entwicklungen bestimmt:

  • Integration dynamischer Stromtarife: Der zunehmende Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien erfordert eine zeitliche Anpassung der Lastprofile an das jeweilige Energieangebot. In Kombination mit stündlichen Börsenstrompreisen steuert das HEMS den Strombezug aus dem Netz bevorzugt in Phasen geringer Marktpreise. In Zeiten hoher Börsenpreise erfolgt die Deckung des Gebäudeenergiebedarfs vorrangig aus der eigenen Photovoltaikanlage oder dem Batteriespeicher. Dies führt zu einer Reduzierung der Beschaffungskosten und entlastet die übergeordneten Netzinfrastrukturen.
  • Erforderliche Steuerung bei der PV-Direktvermarktung: Neben der festen Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) stellt die Direktvermarktung von Photovoltaikstrom an der Strombörse ein alternatives Einspeisemodell dar. Das HEMS erfasst und prognostiziert Erzeugungs- und Verbrauchsmengen, um Einspeisezeiten in Phasen höherer Börsenpreise zu koordinieren. Die primäre Betriebsstrategie verbleibt dabei in der Optimierung des Eigenverbrauchsanteils zur Minimierung des Fremdstrombezugs.
  • Koordination steuerbarer Verbrauchseinrichtungen (§ 14a EnWG): Mit der Zunahme von Wärmepumpen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge steigt die zeitgleiche Belastung der Niederspannungsnetze. Bei netzorientierten Steuerungseingriffen durch den Verteilnetzbetreiber gemäß § 14a EnWG ermöglicht das HEMS die gebäudeinterne Leistungsverteilung innerhalb des vorgegebenen Reduzierungsbetrags. Das System priorisiert dabei die Stromversorgung einzelner Verbraucher nach vordefinierten Parametern oder deckt den Bedarf über den stationären Batteriespeicher ab, um Einschränkungen im Lade- oder Heizbetrieb zu vermeiden.

Welche Heim-Energiemanagementsysteme gibt es?

Bestehende Photovoltaikanlagen und Speicherinfrastrukturen lassen sich in der Regel mit einem HEMS ausstatten oder erweitern. Je nach Anlagendesign, Vernetzungsgrad und vorhandener Hardware kommen unterschiedliche Systemarchitekturen zum Einsatz.

Bei speicherintegrierten HEMS-Lösungen ist die Steuerungssoftware direkt in die Elektronik des Batteriespeichers oder Wechselrichters eingebunden. Die Hauptkomponente dient hierbei als zentrale Schnittstelle zur Erfassung aller Daten bezüglich Photovoltaikerzeugung, Haushaltsverbrauch, Netzbezug und angebundener Verbrauchseinrichtungen. Da kein zusätzliches Steuergerät erforderlich ist, wird diese Architektur bevorzugt bei der Neuauslegung integrierter Gesamtsysteme eingesetzt.

Eine weitere Ausführung bilden externe HEMS-Geräte (Stand-alone-Hardware), die als eigenständige Steuerungsboxen meist im Zähler- oder Verteilerkasten montiert werden. Sie dienen der herstellerübergreifenden Vernetzung von Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Ladestationen über kabelgebundene oder kabellose Netzwerkschnittstellen. Die Montage und Konfiguration der Regelungsparameter erfordert eine fachgerechte Installation vor Ort, wodurch sich diese Variante für die Nachrüstung bestehender Systemlandschaften eignet.

Als softwarebasierte Variante fungieren HEMS auf universellen lokalen Plattformen (Edge Devices). Das Edge Device nutzt Schnittstellen des lokalen Netzwerks sowie des Smart-Meter-Gateways eines intelligenten Messsystems (iMSys), um Erzeugungs- und Verbrauchsdaten zu empfangen und zu verarbeiten. Diese Architektur ermöglicht die flexible Aktualisierung und Aufschaltung digitaler Steuerungslogiken über Software-Updates ohne physische Hardwareanpassungen.