DE102008063954B3 - Verfahren zum Regeln mindestens einer dezentralen Energieversorgungsanlage nach zumindest ökologischen Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen umfassen, sowie nach dem Verfahren geregelte dezentrale Energieversorgungsanlage - Google Patents

Verfahren zum Regeln mindestens einer dezentralen Energieversorgungsanlage nach zumindest ökologischen Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen umfassen, sowie nach dem Verfahren geregelte dezentrale Energieversorgungsanlage Download PDF

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    • Y02E20/14Combined heat and power generation [CHP]

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von dezentralen Energieversorgungsanlagen nach ökologischen und ökonomischen Zielvorgaben, wobei die zu regelnden Energieversorgungsanlagen thermische und elektrische Energie bereitstellen können und die Bereitstellung einer oder beider dieser Energien auf mindestens zwei unterschiedlichen Pfaden erfolgt. Alternativ oder zusätzlich sollen die Energieversorgungsanlagen eine oder beide der thermischen und elektrischen Energien speichern können. Die Zielvorgaben umfassen dabei insbesondere die Minimierung von CO-Emissionen und/oder sonstigen Schadstoffemissionen und/oder Primärenergieeinsätzen. Das Verfahren regelt die Energieversorgungsanlage so, dass den Zielvorgaben bestmöglich Rechnung getragen wird und findet vorzugsweise bei Anlagen zur Kraft-Wärme-gekoppelten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie Anwendung, die über zusätzliche elektrothermische Energiewandler und/oder thermische bzw. elektrische Energiespeicher verfügen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung alle dezentralen Energieversorgungsanlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt sind.

Description

  • Verfahren zum Regeln mindestens einer dezentralen Energieversorgungsanlage nach zumindest ökologischen Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen umfassen, sowie nach dem Verfahren geregelte dezentrale Energieversorgungsanlage.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von dezentralen Energieversorgungsanlagen nach ökologischen und ökonomischen Zielvorgaben, wobei die zu regelnden Energieversorgungsanlagen thermische und elektrische Energie bereitstellen können und die Bereitstellung einer oder beider dieser Energien auf mindestens zwei unterschiedlichen Pfaden erfolgt. Alternativ oder zusätzlich sollen die Energieversorgungsanlagen eine oder beide der thermischen und elektrischen Energien speichern können. Das Verfahren regelt die Energieversorgungsanlage so, dass den Zielvorgaben bestmöglich Rechnung getragen wird und findet vorzugsweise bei Anlagen zur Kraft-Wärme-gekoppelten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie Anwendung, die über zusätzliche elektrothermische Energiewandler und/oder thermische bzw. elektrische Energiespeicher verfügen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung alle dezentralen Energieversorgungsanlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt sind.
  • Seit Jahren sind verstärkt Anstrengungen zu beobachten, die Energieversorgung von Gebäuden ökologisch und ökonomisch zu verbessern. Angetrieben wurden diese Bemühungen nicht zuletzt aus der Notwendigkeit, Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Zentrale Faktoren sind dabei die möglichst effiziente Nutzung der Ressourcen und die umweltschonende Energiebereitstellung.
  • Eine wichtige Entwicklung ist dabei der Ausbau der Blockheizkraftwerke (BHKW). Mit dieser Technik wird erreicht, dass die bei der Energiewandlung entstehende thermische und elektrische Energie gleichermaßen genutzt werden kann. Diese Entwicklung wird in Deutschland durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz forciert.
  • Zur Verbesserung des Betriebs von BHKW sind verschiedene Verfahren bekannt. Bereits die US 4,510,756 beschreibt beispielsweise ein BHKW, das nach einem Verfahren arbeitet, welches zur Spitzenlastzeit so viel Strom produziert und in das Elektrizitätsnetz einspeist, dass mit der dabei entstehenden Wärme unter Verwendung eines Pufferspeichers ein Gebäude den ganzen Tag über mit Wärme versorgt werden kann.
  • Die DE 195 35 752 A1 beschreibt ein Verfahren zum autarken Betrieb eines BHKW, welches das Verhältnis von erzeugter thermischer zu erzeugter elektrischer Energie an die Jahreszeit anpasst.
  • Die DE 202 21 770 U1 beschreibt ein System zur Steuerung eines BHKW, das an Energieversorgungsnetze angeschlossen ist und das auf Basis historischer Informationen Lastprognosen erstellt, die durch aktuelle Informationen angepasst werden können. Anhand dieser Lastprognosen wird die Eigenenergieerzeugung optimiert, Fremdenergie nur bei Bedarf kostenoptimiert hinzugeschaltet und selbst erzeugter Strom ggf. auch in das Netz eingespeist.
  • In der WO 9516296 A1 ist ein Verfahren zum Steuern von im Verbund betriebenen Energieerzeugungsanlagen beschrieben, das physikalische Größen der Anlagen misst und hinsichtlich des zu bedienenden Energiebedarfs Optimierungsrechnungen durchführt.
  • Die WO 01/55577 A2 beschreibt ein Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme mit einer Anlage, in der Strom und Wärme gespeichert werden können und Strom in Wärme umgewandelt werden kann. Der Bedarf an Strom und Wärme wird unter Zuhilfenahme der Speicher optimiert gedeckt.
  • In der WO 97/38210 A1 ist ein Verfahren beschrieben, das die Erzeugung von Strom und Wärme anhand von Bedarfsprognosen optimiert und diese Bedarfsprognosen an aktuelle Betriebsparameter anpasst. Die Optimierung bezieht sich dabei ausschließlich auf die Betriebskosten.
  • Die EP 1764 562 A1 beschreibt ein Verfahren, das die Bereitstellung von thermischer und elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle betriebskostenoptimiert unter Zuhilfenahme einer mathematischen Optimierungsfunktion erlaubt.
  • Die DE 60 2004 003 870 T2 beschreibt ein Regelungsverfahren für eine an verschiedene Energieversorgungsnetze angeschlossene Anlage zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme, bei dem Energieerzeuger, Energiespeicher und Verbraucher miteinander kommunizieren, um Erzeugungs- von Verbrauchsprofil optimal aufeinander abzustimmen.
  • In der WO 01/55577 A2 ist ein Verfahren beschrieben, das Lastverläufe statistisch auswertet und die Möglichkeit besitzt, elektrische in thermische Energie umzuwandeln. Thermische und elektrische Energie kann zusätzlich gespeichert oder in ein Netz eingespeist werden. Dadurch kann der Betrieb energetisch verbessert werden. Ähnliches gilt für die WO 03/087674 A1 .
  • Bei Wärmepumpenheizanlagen bieten deutsche Versorger einen speziellen, vergünstigten Wärmepumpentarif an, der es dem Versorger gestattet, die Stromversorgung zu Spitzenlastzeiten zu unterbrechen. Dabei wird vermieden, dass die Wärmepumpenanlagen zu Zeiten laufen, in denen der Strom sehr teuer und eventuell auch mit hohen CO2-Emissionen verbunden ist. Versorger und Verbraucher profitieren gleichermaßen von diesem Modell.
  • Ein weiterer Ansatz, den eigenen Stromverbrauch besser dem Lastverlauf des Elektrizitäts-netzes anzupassen, bieten neuerdings sog. „Intelligente Stromzähler”. Hier kann der Stromkunde jederzeit überwachen, welchen Stromverbrauch und welche CO2-Emissionen er im zeitlichen Verlauf verursacht und in einem gewissen Rahmen sein Verbrauchsverhalten anpassen. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn der Versorger ein Tarifmodell anbietet, das den Stromkunden zu einem zeitlichen Verbrauchsverhalten motiviert, welches sich ökologisch und ökonomisch günstig auf das Betriebsverhalten des Kraftwerksparks auswirkt. Möglich ist in diesem Zusammenhang auch das automatisierte Zu- und Wegschalten von Verbrauchern in Abhängigkeit vom jeweiligen Stromtarif.
  • Im Bereich der dezentralen Energieerzeugung wird das Konzept der „virtuellen Kraftwerke” diskutiert und erprobt, bei dem durch die Regelung mehrerer dezentraler Energieversorgungsanlagen von einer zentralen Warte aus ein energietechnisch verbesserter Betrieb der Gesamtkonfiguration beabsichtigt ist.
  • Keiner der bisherigen Ansätze zielt jedoch auf ein geeignetes Verfahren ab, das in der Lage ist, jede einzelne dezentrale Energieversorgungsanlage so zu regeln, dass ihr Betriebsverhalten durch eine umfassende Einbeziehung von ökologischen Informationen zu den verwendeten Endenergien sowie unter Einbeziehung von aktuellen technischen Betriebsparametern der Energieversorgungsanlage und unter Einbeziehung von Lastverläufen möglichst gut bestimmten Zielvorgaben, die insbesondere die CO2-Emissionen umfassen, genügt.
  • Die meisten BHKW produzieren Energie nach einem fest vorgegebenen Schema. Thermische Energie wird abhängig vom jeweiligen Bedarf erzeugt, überschüssige elektrische Energie wird in das Elektrizitätsnetz eingespeist, fehlende elektrische Energie aus dem Elektrizitätsnetz bezogen. Die aktuellen ökologischen Randbedingungen bei der Stromerzeugung im Kraftwerkspark spielen dabei keine Rolle. So wird bei Wärmebedarf im Gebäude das BHKW laufen und Strom auch dann einspeisen, wenn die ökologischen Rahmenbedingungen im Elektrizitätsnetz günstig sind, beispielsweise zu Zeiten mit hohem Anteil regenerativer Energien bei der Stromerzeugung. Dies wirkt sich ökologisch und oft auch ökonomisch ungünstig auf das Betriebsverhalten des Kraftwerksparks insgesamt aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das das Betriebsverhalten dezentraler Energieversorgungsanlagen, die thermische und elektrische Energie bereitstellen, hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen umfassen, optimiert. Das Verfahren und entsprechend geregelte dezentrale Energieversorgungsanlagen sollen durch schnelles und flexibles Anpassen an ökologische Rahmenbedingungen dazu beitragen, Ressourcen effizienter zu nutzen, CO2-Emissionen und sonstige Schadstoffemissionen weiter zu reduzieren und die Stabilität in Energieversorgungsnetzen zu erhöhen.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Dieses Verfahren kann bei allen dezentralen Energieversorgungsanlagen angewendet werden, die thermische bzw. elektrische Energie auf mehr als einem Pfad bereitstellen können und/oder eine oder beide dieser Energieformen speichern können. Wesentlich für die Anwendbarkeit des Verfahrens ist zudem, dass aktuelle energietechnische Informationen zu den von den Energieversorgungsanlagen verwendeten Endenergien verfügbar sind. Bei den energietechnischen Informationen handelt es sich vorwiegend um ökologische Informationen, denkbar sind aber auch ökonomische oder technische Informationen.
  • Die in diesem Zusammenhang häufig vorkommenden Begriffe „Energiebereitstellung” und thermischer bzw. elektrischer „Energiebereitstellungspfad” sollen im Folgenden zunächst näher verdeutlicht werden.
  • Der Begriff Energiebereitstellung umfasst die Bereitstellung von thermischer bzw. elektrischer Energie an Endverbraucher oder an Energieversorgungsnetze. Die Energiebereitstellung kann mit einer Energiewandlung, Entladung eines Energiespeichers oder aber einer direkten Durchleitung von Energie einhergehen.
  • Mehr als ein thermischer Energiebereitstellungspfad liegt dann vor, wenn die Energieversorgungsanlage thermische Energie über mindestens zwei der folgenden Möglichkeiten bereitstellen kann:
    • • Wandlung chemischer in thermische Energie (z. B. durch ein BHKW, einen Heizkessel oder eine Absorptionswärmepumpe)
    • • Wandlung elektrischer Energie in thermische Energie (z. B. durch eine Kompressionswärmepumpe oder durch einen Elektroheizer)
    • • direkt aus einem Wärmeversorgungsnetz
  • Mehr als ein elektrischer Energiebereitstellungspfad liegt dann vor, wenn die Energieversorgungsanlage elektrische Energie über mindestens zwei der folgenden Möglichkeiten bereitstellen kann:
    • • Wandlung chemischer in elektrische Energie (z. B. durch ein BHKW mit Verbrennungskraftmaschine oder Brennstoffzelle)
    • • Wandlung thermischer in elektrische Energie (z. B. durch ein BHKW mit Sterling-Motor oder durch einen thermoelektrischen Generator)
    • • direkt aus einem Elektrizitätsnetz
  • Im Kern besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, mindestens eine dezentrale Energieversorgungsanlage der oben genannten Art so zu betreiben, dass diese Anlage möglichst gut entsprechend bestimmter Zielvorgaben geregelt wird. Dazu ist es nötig, dass zunächst für die Zielvorgaben relevante energietechnische Informationen erfasst werden. Diese Informationen werden dann unter Berücksichtigung von ebenfalls erfassten Betriebsparametern der Energieversorgungsanlage in Daten umgerechnet, die den verschiedenen von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten zugeordnet sind. Unterschiedliche Betriebsarten lassen sich hinsichtlich des Energiebereitstellungspfades und nach Art und Umfang der Energiespeicherung differenzieren. Die zu den jeweils zur Verfügung stehenden Betriebsarten errechneten Daten stellen dabei ein Maß für das Erreichen der Zielvorgaben beim Betrieb der Energieversorgungsanlage dar. Mittels eines Entscheidungsprozesses werden dann anhand der Daten diejenigen Betriebsarten der Energieversorgungsanlage gewählt, die bei der Bedienung aktueller und/oder künftiger Lasten den Zielvorgaben am besten entsprechen.
  • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur näheren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Regelungszyklus, der iterativ durchlaufen wird.
  • Wie aus 1 ersichtlich, werden bei einem ersten Durchlauf des Regelungszyklus zunächst energietechnische Zielvorgaben 1 festgelegt. Diese Zielvorgaben 1 werden in der Regel vom Betreiber der Energieversorgungsanlage festgelegt und über geeignete Schnittstellen dem Verfahren verfügbar gemacht. Energietechnische Zielvorgaben 1 sind vorrangig ökologischer Natur, können aber auch technischer und ökonomischer Natur sein. Zielvorgaben 1 sind beispielsweise die Minimierung von CO2-Emissionen, sonstigen Schadstoffemissionen, Primärenergieeinsätzen oder Energiebereitstellungskosten sowie die Bevorzugung bestimmter Energiequellen beim Betrieb der dezentralen Energieversorgungsanlage. Zielvorgaben 1 bleiben in der Regel nach ihrer Ersteingabe über viele Regelungszyklen hinweg konstant.
  • Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, werden nach der Festlegung der Zielvorgaben 1 die für die Regelung der Energieversorgungsanlage nach diesen Zielvorgaben 1 erforderlichen energietechnischen Informationen 2 zu den verwendeten Endenergien erfasst. Diese energietechnischen Informationen 2 sind entsprechend den Zielvorgaben 1 vorrangig ökologischer Natur. Energietechnische Informationen 2 beziehen sich beispielsweise auf Schadstoffemissionen (z. B. CO2-, Schwefel- und Stickoxidemissionen) und Primärenergieeinsätze zu den von der Energieversorgungsanlage verwendeten Endenergien sowie auf zugehörige Energiemixe oder auf Energiepreise. Energietechnische Informationen 2 können sich aber auch auf das Lastverhalten in Energieversorgungsnetzen beziehen. Konkrete Beispiele für energietechnische Informationen 2 wären CO2-Emissionen, Primärenergieeinsätze oder Preise bezogen auf die Masse oder das Volumen des von der Energieversorgungsanlage verwendbaren Brennstoffs bzw. bezogen auf die Kilowattstunde der von der Energieversorgungsanlage aus einem Elektrizitätsnetz erhaltbaren Energie.
  • Die Erfassung der energietechnischen Informationen 2 zu den Endenergien kann durch externen Bezug über das Internet und/oder das Elektrizitätsnetz und/oder eine drahtlose Datenverbindung und/oder durch manuelle Eingabe über eine entsprechende Schnittstelle erfolgen.
  • Entscheidend über Häufigkeit und Art der Erfassung der energietechnischen Informationen 2 ist deren Änderungsgeschwindigkeit. So ist es bei Informationen 2 zu dem im Elektrizitätsnetz angebotenen Strom auf Grund der hohen Änderungsgeschwindigkeit der Informationen 2 (z. B. durch zeitweise Einspeisung aus Windenergieanlagen) erforderlich, stets aktuelle energietechnische Informationen 2 vom Stromversorger über eine Kommunikationsverbindung zu beziehen. Bei Informationen 2 zum Brennstoff kann es ausreichend sein, diese manuell einzugeben, beispielsweise bei der Verwendung von Heizöl (handelt es sich immer um die gleiche Heizölsorte, reicht eine einmalige manuelle Eingabe).
  • Zusätzlich zu den energietechnischen Informationen 2 werden, wie aus 1 ersichtlich, auch die für die Regelung der Energieversorgungsanlage nach den Zielvorgaben 1 erforderlichen Betriebsparameter 3 der Energieversorgungsanlage erfasst bzw. gemessen.
  • Betriebsparameter 3 sind technischer bzw. physikalischer Natur, sie beschreiben aktuelle Betriebszustände und relevante Umgebungsbedingungen der dezentralen Energieversorgungsanlage. Beispiele für Betriebsparameter 3 sind Wirkungsgrade (beispielsweise eines Elektroheizers), Nutzungsgrade (beispielsweise einer Motor-Generator-Anordnung), Leistungszahlen (beispielsweise einer Wärmepumpe), gemessene Betriebstemperaturen, Außentemperaturen oder Speicherverluste.
  • Die Erfassung der Betriebsparameter 3 kann durch automatische Erfassung bzw. Messung und auch durch direkte Eingabe über eine entsprechende Schnittstelle erfolgen. Betriebsparameter 3 können dabei als Einzelwerte oder Kennlinienfelder erfasst werden.
  • Neben den energietechnischen Informationen 2 und Betriebsparametern 3 werden, wie in 1 ersichtlich, auch Lasten 4 der an der dezentralen Energieversorgungsanlage angeschlossenen Verbraucher (z. B. die Heizlast) erfasst.
  • Verfahrensgemäß werden, wie ebenfalls in 1 dargestellt, zu den energietechnischen Informationen 2, zu den Betriebsparametern 3 und zu den Lasten 4 auch Prognosen erstellt. Die Prognosen beschreiben die Wahrscheinlichkeiten für künftige Werte der Informationen 2, Betriebsparameter 3 und Lasten 4. Prognosen können auf der statistischen Auswertung der erfassten Informationen 2, Betriebsparameter 3 und Lasten 4 beruhen oder auch von externen Stellen kommen. Beispiele für statistische Auswertungen wären Statistiken über den Warmwasserbedarf oder zu den jahreszeitabhängigen Außentemperaturen. Beispiele für Prognosen von externen Stellen wären Lastprognosen von Stromversorgungsunternehmen oder Temperaturprognosen von Wetterdiensten.
  • Wie in 1 gezeigt, werden in einem nächsten Schritt die von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten 5 bestimmt. Entscheidend für die einnehmbaren Betriebsarten 5 sind insbesondere die Ladungszustände der vorhandenen Energiespeicher. Es ist also möglich, dass bei manchen Regelungszyklen bestimmte Betriebsarten 5 nicht verfügbar sind (z. B. sind bei vollen Energiespeichern diejenigen Betriebsarten 5 nicht verfügbar, die eine Einspeicherung von Energie beinhalten).
  • Anschließend werden, wie ebenfalls aus 1 ersichtlich, unter Einbeziehung der erfassten und prognostizierten Informationen 2 und Betriebsparameter 3 Daten 6 zu den von der Energieversorgungsanlage im aktuellen Zyklus einnehmbaren Betriebsarten 5 errechnet. Diese Daten 6 erlauben es, den Erreichungsgrad der Zielvorgaben 1 zu beurteilen bzw. zu prognostizieren.
  • Die errechneten Daten 6 decken die gleichen energietechnischen Aspekte ab, wie die Zielvorgaben 1 bzw. die erfassten Informationen 2, berücksichtigen aber die Betriebsparameter 3 der dezentralen Energieversorgungsanlage. Beispielsweise werden Informationen 2 zu CO2-Emissionen, die bei der Erzeugung und dem Transport des im Elektrizitätsnetz angebotenen Stroms verursacht wurden, über den Wirkungsgrad eines elektrothermischen Energiewandlers in Daten 6 umgerechnet, welche sich auf die CO2-Emissionen der von der Energieversorgungsanlage zur Bedienung der anliegenden Last 4 bereitstellbaren Wärmemenge beziehen.
  • Daten 6 werden auch zu Energien, die sich ggf. in Energiespeichern der Energieversorgungsanlage befinden, berechnet und im Zeitverlauf unter Berücksichtigung der Betriebsparameter 3 ständig angepasst. Zum Beispiel werden Daten 6 zu den CO2-Emissionen, welche die in einem Energiespeicher befindliche thermische Energie bei ihrer Erzeugung und Speicherung bisher insgesamt verursacht hat, nach jedem Regelungszyklus unter Berücksichtigung der Speicherverluste des Energiespeichers angepasst.
  • Wie ebenfalls in 1 gezeigt, werden in einem letzen Zyklusschritt anhand eines Entscheidungsprozesses auf Basis der im vorherigen Schritt berechneten Daten 6 diejenigen Betriebsarten 5 gewählt, die den Zielvorgaben 1 unter Berücksichtigung der anliegenden Lasten 4 und der prognostizierten Lastverläufe am besten Rechnung tragen.
  • Entscheidend für die Wahl der Betriebsarten 5 ist dabei die Größe der jeweils zugehörigen Daten 6 im Verhältnis zu den gegebenen Zielvorgaben 1 unter Berücksichtigung der aktuellen Lasten und prognostizierten Lasten.
  • Der Entscheidungsprozess wird vorzugsweise durch ein aus der Entscheidungstheorie bekanntes Mehrzieloptimierungsverfahren umgesetzt. Bei dem einem solchen Verfahren zu Grunde liegenden Entscheidungsfeld stellen die Zielvorgaben 1 das Zielsystem, die Betriebsarten 5 den Alternativenraum, die energietechnischen Informationen 2 und Betriebsparameter 3 den Zustandsraum und die Daten 6 die Einträge der Ergebnis- bzw. Nutzenmatrix dar.
  • Im Falle nur einer einzigen Zielvorgabe 1, wie der Minimierung der CO2-Emissionen bei der Energiebereitstellung, wählt der Entscheidungsprozess diejenigen Betriebsarten 5, welche zu den geringsten CO2-Emissionen führen bzw. aufgrund der Prognosen voraussichtlich führen werden. Bei einer Energieversorgungsanlage, die über zwei Pfade zur Bereitstellung von Energie verfügt, werden somit die jeweils mit den geringsten CO2-Emissionen verbundenen Pfade der Energiebereitstellung gewählt, um den Zielvorgaben 1 zu genügen. Verfügt die Energieversorgungsanlage stattdessen oder zusätzlich über die Möglichkeit, Energie zu speichern, wird Energie zwischengespeichert, wenn aufgrund der Prognosen zu erwarten ist, dass durch die Zwischenspeicherung von Energie die Zielvorgabe 1 einer Minimierung der CO2-Emissionen besser erfüllt ist, als durch die Bereitstellung dieser Energie direkt zum Zeitpunkt des prognostizierten Bedarfs ohne Zwischenspeicherung.
  • Im Falle mehrerer Zielvorgaben 1, wie beispielsweise der Minimierung von CO2-Emissionen, Kosten und Primärenergieeinsätzen bei der Energiebereitstellung, werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren diejenigen Betriebsarten 5 gewählt, die sämtlichen, ggf. gewichteten, Zielvorgaben 1 bestmöglich Rechnung tragen.
  • Der gerade geschilderte Zyklus wird wie aus 1 ersichtlich nach Abschluss des Entscheidungsprozesses in geeigneten Zeitintervallen so oft erneut durchlaufen, bis er abgebrochen wird. Ändern sich die Zielvorgaben 1 nicht, kann der Prozessschritt zu deren Festlegung, wie ebenfalls in 1 gezeigt, bei den nachfolgenden Durchläufen ausgelassen werden.
  • 2 zeigt eine Regelungseinheit 10 zur Umsetzung des Verfahrens und deren Einfügung in eine dezentrale Energieversorgungsanlage sowie die hierzu benötigten Schnittstellen.
  • Die zugehörige sehr umfassende Energieversorgungsanlage stellt thermische und elektrische Energie bereit, wobei thermische Energie auf drei Pfaden und elektrische Energie auf zwei Pfaden bereitgestellt werden und sowohl thermische als auch elektrische Energie gespeichert werden kann.
  • Die Bereitstellung thermischer Energie kann über die Kraft-Wärme-Kopplungs-Komponente (KWK-Komponente) 11, den elektrothermischen Energiewandler 12 oder auch direkt aus dem Wärmenetz 22 erfolgen. Die Bereitstellung elektrischer Energie kann wiederum über den elektrothermischen Energiewandler 12 oder auch direkt aus dem Elektrizitätsnetz 21 erfolgen.
  • Für die Anwendbarkeit des Verfahrens sind, wie oben bereits beschrieben, nicht alle in 2 gezeigten Komponenten erforderlich.
  • Die in 2 gezeigte KWK-Komponente 11 kann eine Motor-Generator-Anordnung oder eine Brennstoffzelle sein. Dabei kann es sich um eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Stirling-Maschine mit angekoppeltem elektrischem Generator bzw. um eine Brennstoffzelle handeln. Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Verbrennungsmotor (z. B. Dieselmotor, Gasmotor) oder eine Turbomaschine (z. B. Mikrogasturbine) sein. Die Energie für die Verbrennungskraftmaschine wird aus Heizöl, Erdgas, Biogas, Pflanzenöl oder sonstigen für solche Anlagen jeweils üblichen Brennstoffen zur Verfügung gestellt. Für die Stirling-Maschine eignen sich weitere Brennstoffe wie z. B. Biomasse.
  • Der ebenfalls in 2 gezeigte elektrothermische Energiewandler 12 kann eine Wärmepumpe oder ein Elektroheizer sein.
  • Neben dem Elektrizitätsnetz 21 kann die Anlage auch an ein Wärmeversorgungsnetz (z. B. ein Nahwärmenetz) oder an ein Brennstoffnetz 20 angekoppelt sein, sofern der Brennstoff nicht aus einem Brennstoffbehälter (z. B. Heizöltank) bezogen wird.
  • Der dargestellte thermische Speicher 13 ist ein Heizungspufferspeicher bzw. ein Warmwasserspeicher, denkbar sind aber auch Prozesswärmespeicher oder Latentwärmespeicher.
  • Der elektrische Energiespeicher 14 ist vorzugsweise ein Akkumulator oder Kondensator (Doppelschichtkondensator). Weiterhin kann der elektrische Energiespeicher durch einen Drehmassenspeicher oder Magnetfeldspeicher dargestellt werden.
  • Der vorhandene elektrische Energiespeicher 14 kann auch um den elektrischen Energiespeicher von Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen erweitert werden. Durch die elektrische Ankoppelung solcher Fahrzeuge kann die Speicherkapazität des elektrischen Energiespeichers 14 vergrößert werden. Die Traktionsbatterie des Fahrzeugs kann dabei als eine zu bestimmten Zeitpunkten zu bedienende Last aufgefasst werden (bei Gebrauch des Fahrzeugs zu bestimmten Zeiten).
  • Bei Vorhandensein eines elektrischen Energiespeichers 14 ist es ohne großen zusätzlichen technischen Aufwand auch möglich, Solarzellen anzukoppeln bzw. Gleichstromverbraucher 23 anzuschließen. Beim Anschluss von Gleichstromverbrauchern 23 können Netzteile, die ansonsten das Bauvolumen, das Gewicht, den Preis, die Verluste der Verbraucher und die von ihnen verursachten inneren Wärmeeinträge erhöhen, entfallen.
  • Um Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 gleichzurichten und in den elektrischen Speicher 14 einzutragen und andererseits, um Gleichstrom aus dem elektrischen Speicher 14 wechselzurichten und in das Elektrizitätsnetz 21 einzuspeisen bzw. damit Wechselstromverbraucher 24 mit Wechselstrom zu versorgen, verfügt die dezentrale Energieversorgungsanlage auch über einen Umrichter 15.
  • Für Fälle, bei denen die bei Stromerzeugung mit der KWK-Komponente 11 anfallende thermische Energie nicht von Wärmeverbrauchern 22 verwendet werden kann, ist es zweckmäßig, dass die Anlage einen Kühler 16 umfasst, der die Wärme ggf. an die Umgebung abgeben kann.
  • Entscheidend ist nun, dass die Energieversorgungsanlage die in 2 gezeigte Regelungseinheit 10 umfasst, die die eben beschriebenen Anlagekomponenten unter anderem auf Basis der Informationen 2 zu den verwendeten Endenergien entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren so regelt, dass die Zielvorgaben 1 möglichst gut erfüllt sind. Dazu verfügt die Regelungseinheit zweckmäßigerweise auch über Schnittstellen zur Erfassung bzw. manuellen Eingabe der für das Verfahren relevanten Informationen 2, Betriebsparameter 3 und Lasten 4 und trifft die entsprechenden Prognosen.
  • Daraus errechnet die Regelungseinheit 10 die oben beschriebenen Daten 6 zu den von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten 5 und wählt anschließend anhand des Entscheidungsprozesses diejenigen Betriebsarten 5, die den Zielvorgaben 1 am besten genügen.
  • Im Folgenden soll das Verfahren anhand einer beispielhaften Energieversorgungsanlage verdeutlicht werden.
  • 3 zeigt eine Motor-Generator-Anordnung 30 als KWK-Komponente und eine Wärmepumpe 33 als elektrothermischen Energiewandler sowie zwei thermische Energiespeicher 34 und 35 und einen elektrischen Energiespeicher 36. Wesentlich ist hierbei wieder, dass die Energieversorgungsanlage eine Regelungseinheit 10 umfasst, auf der das oben beschriebene Verfahren abläuft.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 31 der Motor-Generator-Anordnung 30 wird mit Erdgas aus dem Erdgasnetz betrieben. Elektrische Energie kann aus dem Elektrizitätsnetz 21 bereitgestellt werden. Bei dem Generator 32 handelt es sich um eine Gleichstrommaschine, der elektrothermische Energiewandler ist eine Luft/Wasser-Wärmepumpe 33. Die Energiespeicher umfassen einen Warmwasserspeicher 34, einen Heizungspufferspeicher 35 und einen Lithium-Ionen-Akku 36. Über den elektrischen Umrichter 15 kann ein bidirektionaler Energieaustausch zwischen Lithium-Ionen-Akku 36 und Elektrizitätsnetz 21 erfolgen. An den Lithium-Ionen-Akku 36 sind direkt ein Gleichspannungsnetz 23 und ein Solarpanel 37 angekoppelt. Weiterhin kann an den Lithium-Ionen-Akku 36 ein Elektrofahrzeug angekoppelt werden.
  • Schließlich ist noch ein Kühler 16 vorhanden, der nicht benötigte bzw. speicherbare thermische Energie an die Umgebung abgeben kann.
  • Durch die Möglichkeit, Wärme einerseits entweder mit der Motor-Generator-Anordnung 30 oder mit der Wärmepumpe 33 zu erzeugen und andererseits Strom entweder mit der Motor-Generator-Anordnung 30 zu erzeugen oder direkt aus dem Elektrizitätsnetz 21 bereitzustellen sowie durch die Möglichkeit, thermische und elektrische Energie zu speichern, verfügt die Anlage über viele verschiedene mögliche Betriebsarten.
  • Bei einem Betrieb der Energieversorgungsanlage entsprechend dem beschriebenen Verfahren soll die Zielvorgabe in einer Minimierung der CO2-Emissionen bestehen.
  • Basierend auf nach dem oben beschriebenen Verfahren ermittelten Daten entscheidet die Regelungseinheit 10 zwischen verschiedenen Betriebsarten der Energieversorgungsanlage, um dieser Zielvorgabe zu genügen. Dabei entscheidet sie unter anderem, ob:
    • • elektrische Energie aus dem Elektrizitätsnetz 21 entnommen und damit thermische Energie erzeugt und evtl. auch gespeichert wird. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die Werte der zu den CO2-Emissionen berechneten Daten bei Wärmeproduktion aus Netzstrom geringer sind als bei einer Wärmeproduktion durch die Motor-Generator-Anordnung 30 (unter Berücksichtigung der bei letzterer Variante ggf. auch verwertbaren elektrischen Energie). Dies ist beispielsweise zu Zeiten der Fall, bei denen ein hoher Anteil von regenerativen Energieträgern an der Stromerzeugung im Elektrizitätsnetz 21 beteiligt ist.
    • • die Motor-Generator-Anordnung 30 wärmegeführt betrieben wird und Differenzen zwischen erzeugter und benötigter elektrischer Energie mit dem Elektrizitätsnetz 21 ausgeglichen werden. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die Werte der Daten zu den CO2-Emissionen bei Eigenproduktion von Strom- und Wärme niedriger sind, als beim Bezug von Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 und der Produktion von thermischer Energie aus diesem Strom.
    • • Strom gezielt in das Elektrizitätsnetz 21 eingespeist wird und die bei der Stromerzeugung mit der Motor-Generator-Anordnung 30 entstehende Wärme, soweit nicht unmittelbar benötigt, möglichst in einen der beiden thermischen Speicher 34 und 35 eingetragen und ansonsten über den Kühler 16 an die Umgebung abgegeben wird. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die entsprechend dem Verfahren berechneten Werte der Daten zu den CO2-Emissionen bei der Stromproduktion durch die Motor-Generator-Anordnung 30 unter Berücksichtigung der verwendbaren Wärme niedriger sind, als die Werte der energietechnischen Informationen zu den durch den Kraftwerkspark bei der Stromproduktion verursachten CO2-Emissionen.
    • • die Anlage auch ohne aktuellen Bedarf Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 in den Lithium-Ionen-Akku 36 einspeichert, um später auftretenden Eigenbedarf an Strom oder Wärme zu decken oder um die elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder in das Elektrizitätsnetz 21 zurück zu speisen. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn anhand der Daten die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie das Erreichen der Zielvorgabe einer Minimierung der CO2-Emissionen wahrscheinlicher macht, als der Strombezug zum Zeitpunkt des prognostizierten Bedarfs.
    • • die Anlage Strom und Wärme kombiniert mit der Motor-Generator-Anordnung 30 erzeugt, um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken und dabei nicht benötigte elektrische Energie in den Lithium-Ionen-Akku 36 einspeichert und die gespeicherte elektrische Energie später zur Strom- bzw. Wärmeversorgung des Gebäudes verwendet oder wieder in das Elektrizitätsnetz 21 einspeist. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die Prognosen der Informationen zu den CO2-Emissionen im Netzstrom vergleichsweise hoch sind und so durch Eigenverwendung oder Netzeinspeisung des selbst produzierten Stroms der Zielvorgabe einer Minimierung der CO2-Emissionen Rechnung getragen werden kann.
  • Das oben beschriebene Verfahren ist insbesondere in ökologischer Hinsicht vorteilhaft. Beispielsweise werden mit einem verfahrensgemäß geregelten BHKW im Vergleich zu einem konventionell betriebenen BHKW Zustände vermieden, in denen das BHKW Strom in das Elektrizitätsnetz einspeist, obwohl die ökologische Bilanz der Energie im Elektrizitätsnetz sehr gut ist bzw. ausreichend Angebot im Netz vorhanden ist.
  • Dies ist insbesondere im Hinblick auf den weitreichenden Ausbau regenerativer Stromerzeuger im Netz von Bedeutung, da das Verfahren es erlaubt, solche dezentralen Energieversorgungsanlagen ökologisch optimiert an die Dynamik der Einspeisung von regenerativen Energien anzupassen.
  • Durch eine große Anzahl entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelter dezentraler Energieversorgungsanlagen wird es möglich, signifikante Einsparungen an Treibhausgasen zu erreichen sowie Ressourcen effizienter zu nutzen, wodurch insbesondere fossile Ressourcen geschont werden.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Regeln mindestens einer dezentralen Energieversorgungsanlage nach zumindest ökologischen Zielvorgaben (1), wobei die Energieversorgungsanlage thermische und elektrische Energie bereitstellt und wobei • eine oder beide dieser Energien auf jeweils mindestens zwei unterschiedlichen Pfaden bereitstellbar sind und/oder • die Energieversorgungsanlage eine oder beide dieser Energien speichern kann und das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Festlegen zumindest einer Zielvorgabe (1), die auf die Minimierung von CO2-Emissionen und/oder sonstigen Schadstoffemissionen und/oder Primärenergieeinsätzen gerichtet ist b) Erfassen und prognostizieren von energietechnischen Informationen (2) ökologischer Natur zu den von der Energieversorgungsanlage verwendeten Energien c) Erfassen und prognostizieren von Betriebsparametern (3) der Energieversorgungsanlage unter Berücksichtigung der CO2-Emissionswerte und/oder sonstigen Schadstoffemissionen und/oder Primärenergieeinsätze der Energieversorgungsanlage selbst d) Erfassen und prognostizieren der an der Energieversorgungsanlage anliegenden thermischen und/oder elektrischen Lasten (4) e) Bestimmung der von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten (5) f) Berechnung von Daten (6), die ein Maß für das Erreichen der mindestens einen Zielvorgabe (1) darstellen, zu den von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten (5) unter Berücksichtigung der erfassten und prognostizierten energietechnischen Informationen (2) sowie der erfassten und prognostizierten Betriebsparameter (3) g) Entscheidung über die Wahl der Betriebsarten (5) so, dass unter Berücksichtigung der berechneten Daten (6) und der erfassten und prognostizierten Lasten (4) die mindestens eine Zielvorgabe (1) der Minimierung von CO2-Emissionen und/oder sonstigen Schadstoffemissionen und/oder Primärenergieeinsätzen am besten erfüllt wird, wobei der Entscheidungsprozess durch ein Einzieloptimierungsverfahren oder bei festgelegten weiteren ökologischen und/oder zusätzlichen ökonomischen Zielvorgaben (1) durch ein Mehrzieloptimierungsverfahren umgesetzt ist h) Wiederholung der Verfahrensschritte b) bis g) in geeigneten Intervallen, die die hohe Änderungsgeschwindigkeit der energietechnischen Informationen (2) ökologischer Natur berücksichtigen,
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der energietechnischen Informationen (2) durch externen Bezug über das Internet und/oder das Elektrizitätsnetz und/oder eine drahtlose Datenverbindung und/oder durch manuelle Eingabe über eine entsprechende Schnittstelle erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Betriebsparametern (3) um Wirkungsgrade und/oder Nutzungsgrade und/oder Leistungszahlen und/oder Verlustinformationen und/oder Speicherkapazitäten und/oder Temperaturinformationen handelt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Betriebsparameter (3) durch automatische Messung und/oder durch direkte Eingabe über eine entsprechende Schnittstelle als Einzelwert oder Kennlinienfeld erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosen zu den energietechnischen Informationen (2) und Betriebsparametern (3) und Lasten (4) auf statistischen Auswertungen bisher erfasster Werte beruhen und/oder auf externen Nachrichten über zukünftig zu erwartende Werte basieren.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Lasten (4) zusätzlich das gezielte Zu- und Wegschalten bestimmter Verbraucher berücksichtigt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mehrzieloptimierungsverfahren ein Entscheidungsfeld zu Grunde liegt, bei dem die, ggf. gewichteten, Zielvorgaben (1) das Zielsystem, die Betriebsarten (5) den Alternativenraum, die energietechnischen Informationen (2) und Betriebsparameter (3) den Zustandsraum und die Daten (6) die Einträge in die Ergebnis- bzw. Nutzenmatrix darstellen.
  8. Dezentrale Energieversorgungsanlage, die thermische und elektrische Energie bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 geregelt ist.
  9. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Regelungseinheit (10) umfasst, die die energietechnischen Informationen (2) und die Betriebsparameter (3) erfasst sowie die die Daten (6) berechnet und anhand des Entscheidungsprozesses diejenigen Betriebsarten (5) wählt, die der zumindest einen Zielvorgabe (1) der Minimierung von CO2-Emissionen und/oder sonstigen Schadstoffemissionen und/oder Primärenergieeinsätzen am besten genügen.
  10. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Komponente zur Kraft-Wärme-gekoppelten Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie (11) umfasst, die insbesondere eine Motor-Generator-Anordnung (30) oder eine Brennstoffzelle ist.
  11. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie an mindestens ein Energieversorgungsnetz angekoppelt ist, das insbesondere ein Elektrizitätsnetz (21) und/oder ein Brennstoffversorgungsnetz (20) und/oder ein Wärmeversorgungsnetz (22) ist.
  12. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen elektrothermischen Energiewandler (12) umfasst, der vorzugsweise eine Wärmepumpe (33) ist.
  13. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen thermischen Energiespeicher (13) und/oder einen elektrischen Energiespeicher (14) umfasst.
  14. Dezentrale Energieversorgungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (14) durch einen elektrischen Energiespeicher eines Elektro- und/oder Hybridfahrzeugs erweitert ist.
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