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Die
Erfindung betrifft ein System sowie ein Verfahren zur Steuerung
miteinander gekoppelter Energieerzeugungs-, Speicher- und/oder Verbrauchseinheiten
mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche
1 bzw. 14.
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Private
Haushalte und wirtschaftliche Einheiten benötigen unterschiedliche
Arten von Energie, in erster Linie Wärmeenergie und elektrische
Energie. Die elektrische Energie wird üblicherweise über
ein öffentliches Leitungsnetz geliefert und von einem Energieversorgungsunternehmen
bereit gestellt, während es für die Wärmeversorgung
zahlreiche unterschiedliche Möglichkeiten der Lieferung,
Erzeugung und/oder Nutzung gibt. Eine zunehmend eingesetzte Variante
zur Wärmeversorgung von größeren Wirtschaftseinheiten,
jedoch auch von Privathaushalten besteht in der Verwendung eines
Blockheizkraftwerks, das neben Wärme auch elektrische Energie liefern
kann, die wahlweise selbst verbraucht oder in ein öffentliches
Leitungsnetz eingespeist werden kann. Darüber hinaus können
weitere Energieerzeuger zum Einsatz kommen, bspw. Fotovoltaikelemente
zur Wandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrischen Strom
oder Solarkollektoren zur Wärmeerzeugung. Werden mehrere
Energiequellen eingesetzt, ist deren Einsatz sinnvoll aufeinander
abzustimmen, um einen möglichst effizienten und Kosten sparenden
Einsatz zu ermöglichen.
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Die
DE 10 2005 036 703
A1 beschreibt ein System zur Bereitstellung von Warmwasser
und Heizenergie, zur Kühlung, Klimatisierung und gleichzeitiger
mechanischer Leistungs- bzw. Stromerzeugung mittels einer thermischen
Solaranlage und/oder Abwärmenutzung für den stationären
oder mobilen Einsatz.
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Aus
der
DE 296 05 939
U1 ist ein System zur Prognose, Einsatzplanung und Komponentenoptimierung
bei der Energieerzeugung bekannt, bei dem elektrischer und/oder
thermischer Bezug oder Brennstoffbezug einerseits sowie Bereitstellung,
Management oder Planung von elektrischer und thermischer Energie
andererseits nach aktuellem Lastgang erfolgt. Hierbei soll der minimale
Brennstoffeinsatz bei jeweils bestem Gesamtwirkungsgrad ermittelt
werden.
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Die
Vernetzung einer Vielzahl von Energieverbrauchern und verschiedenen
Energieerzeugungseinheiten unter der Randbedingung eines optimalen
Versorgungszustandes, eines geringen Brennstoffeinsatzes und eines
optimierten Gesamtwirkungsgrades ist eine komplexe Steuerungsaufgabe,
die jedoch zusätzlich erschwert werden kann, wenn weitere
Randbedingungen zu berücksichtigen sind, bspw. die Zwischenspeicherung
von Wärmeenergie oder elektrischer Energie.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System miteinander
gekoppelter Verbraucher und Energieerzeuger möglichst effizient
betreiben zu können, wobei bedarfsgerechte Steuerungseingriffe
ermöglicht sein sollen.
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Dieses
Ziel der Erfindung wird mit den Gegenständen der unabhängigen
Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Der unabhängige Verfahrensanspruch definiert ein Steuerungs-
und/oder Betriebsverfahren zur Erreichung des oben skizzierten Ziels
der Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren
dient zur gemeinsamen und/oder zur aufeinander abgestimmten Steuerung
miteinander gekoppelter Energieerzeugungs-, Speicher- und/oder Verbrauchseinheiten. Hierbei
ist die wenigstens eine Energieerzeugungseinheit mit wenigstens
einer Verbrauchseinheit derart gekoppelt, dass die von dieser benötigte
Energie mittels eines Prognosealgorithmus zumindest näherungsweise
auf Grundlage eines Verbrauchsprofils in der Vergangenheit über
den Zeitverlauf abgeschätzt und von der Energieerzeugungseinheit
zur Verfügung gestellt wird. Grundsätzlich soll
das mit den unabhängigen Ansprüchen definierte
System und Verfahren dazu dienen, Energieerzeugungseinheiten und
Verbraucher in Haushalten und/oder gewerblichen Wirtschaftseinheiten
zu steuern und zu regeln sowie auch zu überwachen, um gleichzeitig
die Versorgungssicherheit und einen möglichst hohen Anteil an
selbst erzeugter Energie sicherstellen zu können. Die Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Systems
liegen insbesondere in den geringen Betriebskosten und der reduzierten
Emission von Schadstoffen wie bspw. dem klimaschädlichen
Kohlendioxid, das von den Energieerzeugern oder auch von den Verbrauchern
emittiert wird. In erster Linie werden in Haushalten und gewerblichen
Wirtschaftseinheiten elektrischer Strom, Wärme und Kälte
benötigt. Diese unterschiedlichen Energiearten werden aus
Primärenergie wie bspw. solarer Strahlungsenergie (Sonnenenergie),
aus Wind, Wasserenergie, Biomasse, Erdwärme oder aus fossilen
Energieträgern vor Ort erzeugt und bereit gestellt. Kennzeichnend
für das erfindungsgemäße Verfahren und
System ist dabei die möglichst umfassende Eigenversorgung,
so dass ein möglichst geringer Anteil von elektrischer Energie,
Wärme oder Kälte aus externen Quellen bezogen
und damit letztlich zugekauft werden muss.
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Weiterhin
kann es von Vorteil sein, eine zu bestimmten Zeitpunkten benötigte
und nicht von der Energieerzeugungseinheit zur Verfügung
stellbare Mehrkapazität von einer mit den Einheiten gekoppelten
Speichereinheit zu beziehen, die eine Pufferkapazität zur
Verfügung stellt. Diese Speichereinheit kann wahlweise
ein stationärer, fest mit den übrigen Einheiten
gekoppelter Speicher oder bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante
ein mobiler Speicher sein. Bei einer solchen Konfiguration kann die
Speichereinheit oder zumindest eine von mehreren Speichereinheiten
bspw. durch eine Akkumulatoreinheit eines temporär mit
der Energieerzeugungseinheit gekoppeltes, elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug
gebildet werden. So bietet das erfindungsgemäße
System und Verfahren den besonderen Vorteil, dass Elektrofahrzeuge
in das Konzept integriert werden können und auf diese Weise
die Kosten zur Aufladung dieser Fahrzeuge erheblich gesenkt werden
können. Von Vorteil ist darüber hinaus, dass auch
die Batterie des Elektrofahrzeugs als Energiezwischenspeicher eingesetzt
werden können, um auf diese Weise Strombedarfsspitzen im
Haushalt oder in der Wirtschaftseinheit decken zu können, ohne
dass zusätzliche Energie aus dem öffentlichen Leitungsnetz
bezogen werden muss. Eine geeignete Steuerung des Systems kann in
diesem Zusammenhang sicherstellen, dass eine ausreichende Mindestmenge
an gespeicherter Energie gewährleistet wird, um die Einsatzfähigkeit
des Elektrofahrzeugs zu jedem Zeitpunkt aufrecht zu erhalten.
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Wenn
im vorliegenden Zusammenhang von Haushalten, Wirtschafteinheiten
o. dgl. die Rede ist, so sind damit nicht zwingend physisch abgeschlossene
Einheiten gemeint. Ebenso kann eine solche Einheit auch ein Verbund
mehrerer Haushalte, eine größere Betriebsstätte
wie bspw. eine Fabrik oder auch ganze Ortsteile oder Stadtteile
eine Einheit gekoppelter Energieverbraucher, Energieerzeuger und Energiespeichereinheiten
bilden, die sich für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eignen können.
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Grundsätzlich
besteht neben der erwähnten Möglichkeit, elektrisch
betriebene Fahrzeuge in das Energiemanagement mit einzubeziehen,
insbesondere als Energiepuffer für die elektrische Energie
mit einer gezielten Ladung und/oder Entladung der mobilen Batterien,
auch die Möglichkeit, das Fahrzeug über das Energiemanagement
zu kühlen und/oder zu heizen. Wahlweise kann das erfindungsgemäße
Energiemanagementsystem (womit auch das erfindungsgemäße
Verfahren gemeint ist) über eine geeignete Schnittstelle
(z. B. Bluetooth, Netzwerkkabel, WLAN etc.) mit dem Fahrzeug verbunden
werden, so dass auch nahezu beliebige andere Daten übertragen
werden können. Dies können bspw. Musikdaten, Videodaten
oder sonstige Informationen sein, die dem Fahrzeugführer
und/oder den Insassen zur Verfügung gestellt werden können.
Ermöglicht es der Fahrzeughersteller und/oder -ausstatter
bzw. -nachrüster bspw., dem Kunden seine Anzeige- und/oder Bedien-
bzw. Eingabegeräte selbst zu konfigurieren, so sollte dies
entsprechend der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auch
mit dem bzw. über das Energiemanagementsystem möglich
sein.
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Der
oben erwähnte Aspekt der Nutzung von Batterien als elektrische
Energiespeichereinheiten, ob stationär oder mobil, lässt
sich um weitere Aspekte ergänzen und/oder verfeinern. Grundsätzlich
können elektrische Akkumulatoren aller Art mit dem erfindungsgemäßen
Energiemanagementsystem – im vorliegenden Zusammenhang
auch als EMS bezeichnet – gekoppelt werden. So können
bspw. Batterien für Fahrzeuge wie z. B. Kraftfahrzeuge
und Flurförderfahrzeuge oder stationäre Stromversorgung
vom EMS aufgeladen und diesem bei Bedarf als ergänzende
Energiequelle zur Verfügung gestellt werden. Dies senkt
den Energiebedarf und die Kosten. Gleichzeitig kann durch entsprechend
ausgelegte Ladezyklen die Batterielebensdauer verlängert werden
und/oder die Batteriekapazität aufrechterhalten werden.
Zu diesem Zweck wird die Batterie bzw. das Fahrzeug an das EMS angeschlossen.
Das EMS erfasst den Batteriezustand eigenständig und zyklisch
oder permanent und entscheidet anhand eines Algorithmus, welcher
Ladezyklus notwendig bzw. aus Optimierungsgründen sinnvoll
ist. Diese Beurteilung kann auch vom Benutzer vorgegeben bzw. zumindest
beeinflusst werden, wenn beispielsweise die Batterie aufgefrischt
werden soll, was gewöhnlich mehrere Stunden dauert.
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Die
zumindest temporär angeschlossenen Batterien können
auch verwendet werden, um die Stromleistung des EMS zu erhöhen. Übersteigt
z. B. der Energiebedarf die Leistung der an das EMS angeschlossenen
Stromerzeuger und soll kein Strom von extern, d. h. fremd bezogen
werden, so kann aus der Batterie oder den Batterien dieser Bedarf
gedeckt werden (vorausgesetzt die Batteriekapazität(en)
sind groß genug). Erst wenn die Leistung auch in diesem Fall
nicht ausreicht, wird entweder Strom zugekauft oder einzelne oder
mehrere Verbraucher – abgestuft nach ihrer Wichtigkeit
bzw. nach bestimmten Prioritätsbedingungen – abgeschaltet.
Vom Benutzer können individuell die Vorgaben für
Stromkauf oder Leistungsreduzierung gemacht werden.
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Wird
das EMS im Verbund eines virtuellen Kraftwerks betrieben, kann auch
aus den Batterien Leistung zur Verfügung gestellt werden.
Ob und wie viel Strom an das virtuelle Kraftwerk geliefert wird, kann
wahlweise vom Benutzer festgelegt und/oder vom EMS ermittelt werden.
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Um
sicherzustellen, dass bei Verwendung von Fahrzeugbatterien für
mindestens den nächsten Fahrzyklus noch ausreichend Energie
in der Batterie verbleibt, werden auch die Fahrzeugdaten in das EMS
eingelesen und/oder durch den Benutzer vorgegeben. So kann der Batterielade-
und -entladezyklus individuell vom EMS auf das Benutzerverhalten
angepasst werden. In Abhängigkeit von den erhaltenen Daten
entscheidet dann das EMS, welcher Ladezyklus für die Batterie
unter den gegebenen Randbedingungen sinnvoll ist und gewählt
wird.
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Die
Fahrzeugdaten werden entweder von der vom Fahrzeughersteller eingebauten
Steuerung ausgelesen oder es wird eine zusätzliche autarke Steuerung
vom EMS im Kundenfahrzeug eingebaut, um das Benutzerverhalten bei
Fahrten mit dem Fahrzeug zu erhalten. Benötigt werden beispielsweise Dauer
und Länge der letzten Fahrzyklen, ein durchschnittlicher,
minimaler und maximaler Energieverbrauch sowie typische Standzeiten
des Fahrzeugs.
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Ist
jede Batterie oder jedes Fahrzeug mit einer einmaligen Kennzeichnung
(z. B. Barcode oder Seriennummer) ausgestattet und wird diese mit
in das EMS eingelesen, speichert das EMS über einen konfigurierbaren
Zeitraum die Daten der Batterie bzw. des Fahrzeugs. Dies ermöglicht
die Auswertung über das Langzeitverhalten, die Verbesserung
des Lade-/Entladealgorithmus und reduziert die Kosten für
Reparatur und Wartung. In diesem Zusammenhang kann es weiterhin
von Vorteil sein, wenn bestimmte oder alle Lade- und Entladezyklen
für die wenigstens eine Akkumulatoreinheit unter Berücksichtigung
eines aktuellen Ladezustandes und ggf. unter zusätzlicher
Berücksichtigung einer vorgebbaren Rest- bzw. Mindestkapazität und/oder
unter Berücksichtigung der Benutzergewohnheiten und/oder einer
Optimierung der Lebensdauer der Akkumulatoren steuerbar bzw. vorgebbar
sind.
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Auch
kann das EMS verwendet werden, um das Fahrzeug und andere angeschlossene
Geräte und Maschinen zu überwachen. Zusätzlich
kann das EMS die Werkstatt oder den Handwerker über fällige Wartungstermine
und über den Zustand des Fahrzeugs und/oder des Gerätes
etc. informieren. So können schon vor dem Wartungstermin
Ersatzteile bestellt oder die zeitliche Dauer des Werkstattaufenhaltes
bzw. der Wartung ermittelt und eingeplant werden. Dies erhöht
die Kundenzufriedenheit, senkt Kosten und lastet die Werkstatt bzw.
den Handwerker besser aus.
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Selbstverständlich
kann eine sinnvolle Ausführungsvariante vorsehen, dass
eine zu bestimmten Zeitpunkten benötigte und nicht von
der Energieerzeugungseinheit zur Verfügung stellbare Mehrkapazität
von einem mit den Einheiten gekoppelten öffentlichen Leitungsnetz
zur elektrischen Energieversorgung und/oder zur Wärmeenergieversorgung
geliefert wird.
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Die
Prognosedaten zur Bildung des Prognosealgorithmus können
bspw. aus Verbrauchsverläufen der Verbrauchseinheiten,
aus Nutzungsverläufen des mit den Einheiten koppelbaren
Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs (auch im Plural zu verstehen) sowie aus
Wetterdaten und/oder anderen externen Parametern gebildet werden.
Die Wetterdaten können zudem unterstützend zur
Vorhersage und Planung von geschätzten und/oder zu erwartenden
Verbrauchsverläufen der Verbrauchseinheiten verarbeitet
werden.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass eine zu bestimmten Zeitpunkten von den
Energieerzeugungseinheiten gelieferte und verfügbare und
gleichzeitig nicht von den Verbrauchseinheiten benötigte und/oder
nicht von der wenigstens einen Speichereinheit aufnehmbare elektrische
Energie dem öffentlichen Leitungsnetz und/oder benachbarten
Verbrauchseinheiten zur Verfügung gestellt wird. Auch kann
eine zu bestimmten Zeitpunkten von den Energieerzeugungseinheiten
gelieferte und verfügbare und gleichzeitig nicht von den
Verbrauchseinheiten benötigte und/oder nicht von der wenigstens
einen Speichereinheit aufnehmbare Wärmeenergie benachbarten
Verbrauchseinheiten zur Verfügung gestellt werden. Generell
schwankt der Energiebedarf in Haushalten und gewerblichen Wirtschaftseinheiten in
Abhängigkeit von der Tageszeit wie auch im Jahresverlauf
sowie der Aktivitäten der Bewohner bzw. der Geschäftstätigkeit.
Zum Ausgleich von Bedarfssenken und Lastspitzen ist es deshalb besonders vorteilhaft,
Pufferspeicher zu verwenden. Ist die Stromproduktion dagegen höher
als der Strombedarf, so kann der überschüssige
Strom in das öffentliche Netz eingespeist und die hierfür
erhaltene Vergütung ggf. als Einnahme, als Gutschrift für
eine zukünftige Stromlieferung oder auch auf andere Weise verbucht
werden.
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Die
wenigstens eine Energieerzeugungseinheit kann vorteilhaft durch
eine Kraft-Wärme-Koppelungseinheit (KWK-Einheit) gebildet
sein, die elektrische Energie erzeugt und deren Abwärme
zur Lieferung von Wärmeenergie genutzt wird. Als Energieerzeugungseinheit
kann grundsätzlich auch eine Kraft-Wärme-(Kälte)-Koppelungseinheit (KWK(K)-Einheit)
in Frage kommen. So kann die wenigstens eine Energieerzeugungseinheit
beispielsweise durch ein Blockheizkraftwerk gebildet sein, das über
einen Antriebsmotor verfügt, der mit einem Generator zur
Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt ist, und dessen Motorabwärme
zur Lieferung von Wärmeenergie genutzt wird. Bei einer
sinnvollen Steuerung kann das Blockheizkraftwerk vorzugsweise wärmegeführt
betrieben werden, so dass weitgehend die gesamte von dem Blockheizkraftwerk
gelieferte Wärmemenge dezentral verbraucht wird, während
bei der Wärmeerzeugung gleichzeitig anfallende elektrische
Energie wahlweise unmittelbar verbraucht, in einem der Speicher
zwischengespeichert und/oder dem öffentlichen Leitungsnetz
zur Verfügung gestellt wird. Generell ist es von Vorteil,
die Steuerung so konfigurieren zu können, dass bestimmten
Energieerzeugungseinheiten ein Vorrang eingeräumt wird.
Sind im erfindungsgemäßen System bspw. Fotovoltaik-
und/oder Thermosolaranlagen integriert oder wird das Blockheizkraftwerk
bzw. die Kraft-Wärme-Koppelungseinheit (KWK-Einheit) mit
Biomasse betrieben, so ist es vorteilhaft, die Steuerung so zu konfigurieren,
dass die erneuerbaren Energieträger und/oder dezentralen
Energieerzeuger bei der Versorgung Vorrang besitzen. Alternativ
können bis zu 100% des mit erneuerbaren Energien erzeugten
elektrischen Stroms in das private und/oder öffentliche
Stromnetz eingespeist und damit anderen Verbrauchern nutzbar gemacht
werden, wenn dies dem Kunden bspw. aufgrund der erzielbaren Einspeisevergütung
attraktiv und damit ggf. sinnvoller erscheint. In diesem Zusammenhang
können auch die regionalen Wetterdaten und Wetterprognosen
zur Konfiguration und Steuerung des Systems herangezogen werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich und sinnvoll,
die KWK-Einheit wärmegeführt und/oder in einer
Kombination aus wärmegeführtem und stromgeführtem
Modus zu betreiben. Eine weitere vorteilhafte Variante kann vorsehen, die KWK-Einheit
bedarfs- und/oder situationsabhängig netzparallel oder
in einem Inselbetrieb zu betreiben. So kann bspw. eine Unregelmäßigkeit
oder ein Ausfall im öffentlichen oder lokalen Netz erkannt
werden, was zu einer Auftrennung der elektrischen Verbindung führen
kann, so dass die Energieerzeugereinheit bzw. die KWK-Einheit in
einem sog. Inselbetrieb weiterlaufen kann. Hierbei werden nur die
direkt gekoppelten Komponenten mit Wärme und/oder elektrischem
Strom versorgt, während entfernt angekoppelte Verbraucher
solange abgetrennt bleiben, bis eine reguläre Netzverbindung
wieder zur Verfügung steht. In diesem Fall kann eine erneute
Aufschaltung der KWK-Einheit erfolgen. Der Inselbetrieb lässt
sich ggf. – nach Erfüllung weiterer Randbedingungen – zur
Aufrechterhaltung einer Notstromversorgung nutzen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung besonders vorteilhaft
mit KWK- oder KWK(K)-Einheiten kombinieren lässt, die beispielsweise
durch Blockheizkraftwerke o. dgl. gebildet sein können.
Dies ist jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen,
da auch andere Energiewandlungseinrichtungen in Kraft-Wärme-Koppelung
betrieben werden können, so bspw. Brennstoffzellen, Dampfkolbengeneratoren
oder ähnliche Einheiten.
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Vorzugsweise
sind alle Erzeuger, Verbraucher, Speicher über eine zentrale
Steuereinheit gekoppelt, die relevante Betriebsparameter erfasst,
verarbeitet und aufbereitet, speichert und/oder an eine Anzeige-
und Eingabeeinheit liefert. Die Anzeige- und/oder Eingabeeinheit
kann insbesondere Teil einer Steuerungszentrale und mit dieser unmittelbar oder über
eine Funk- und/oder Leitungsverbindung über eine Entfernung
gekoppelt sein. Das Anzeigegerät kann wahlweise eine Funkverbindung
oder eine Kabelverbindung oder auch eine entfernte Verbindung (z.
B. Internet, Mobilfunknetz etc.) zu der Steuereinheit aufweisen,
um dem Benutzer an jedem Ort zu ermöglichen, die Daten
der Anlage auszuwerten und ihre Betriebsparameter zu überprüfen,
zu beeinflussen oder in gewünschter Weise zu verändern, um
bspw. eine Anpassung oder Neukonfiguration vorzunehmen.
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Eine
besonders vorteilhafte weitere Konfiguration kann eine Anordnung
mehrerer bzw. einer Vielzahl von miteinander über ein öffentliches
und/oder privates Leitungsnetz gekoppelter Systeme gemäß einer
der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten vorsehen,
die mit einer zentralen Steuerungszentrale kommunizieren und bei
einer erhöhten Nachfrage nach elektrischer Energie so konfigurierbar
sind, dass einzelne, mehrere oder alle der miteinander gekoppelten
Systeme zur Lieferung elektrischer Energie an das öffentliche
Netz herangezogen werden. Auf diese Weise können je nach
Strombedarf einzelne, mehrere oder alle der miteinander gekoppelten Systeme
zur Lieferung elektrischer Energie an das öffentliche Netz
herangezogen werden und damit ein virtuelles Kraftwerk bilden oder
Teil eines virtuellen Kraftwerkes sind. Hierzu ist jeweils eine
Schnittstelle der Einheiten zur Vernetzung mit der Zentrale eines virtuellen
Kraftwerks oder eines öffentlichen Leitungsnetzes vorgesehen,
so dass das erfindungsgemäße System bzw. die erfindungsgemäßen
Systeme und/oder Einheiten Teil eines virtuellen Kraftwerks ist/sind.
Wird in der Zentrale ein erhöhter Strombedarf ermittelt,
so werden alle angeschlossenen Systeme kontaktiert, die der Zentrale
mitteilen, über welchen Zeitraum und welche Menge an elektrischer
Energie dem virtuellen Kraftwerk zur Verfügung gestellt werden
kann. Sind die Pufferspeicher eines der erfindungsgemäßen
Systeme für Wärme und Kälte voll oder
wird aktuell keine Wärme oder Kälte benötigt, teilt
das jeweilige System das Ende der Stromproduktion mit. Alternativ
kann auch eine Vorrichtung zum System gehören, die es ermöglicht
die anfallende Wärme an die Umgebungsluft abzugeben. Dies
soll aber nur in Ausnahmefällen geschehen, da diese Art des
Betriebes eine Verschwendung von Energie darstellt. Gleichzeitig
kann ein anderes System mit der Stromproduktion beginnen, so dass
auf diese Weise die Gesamtleistung des virtuellen Kraftwerks konstant
gehalten werden kann. Je nach Größe und Füllstand
des Strompuffers innerhalb der einzelnen Systeme kann dem virtuellen
Kraftwerk auch Solar- oder Windstrom zur Verfügung gestellt
werden. Der Strompuffer dient dabei zum Ausgleich von Schwankungen
in der Stromproduktion von Wind- und Solaranlagen.
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Eine
Variante einer solchen Vernetzung kann auch als „Smart
Grid” bezeichnet werden. Während bis zur heutigen
Zeit meist regionale Stromanbieter die Netzversorgung sicherstellen,
sind moderner strukturierte Stromnetze überregional oder
sogar länderübergreifend vernetzt. Der gleichzeitig
zu erkennende Trend zu einer weniger zentral organisierten Stromerzeugung
durch zahlreiche Kleinkraftwerke – oftmals auch durch Nutzung
regenerativer Energieformen – führt gleichzeitig
zu einer stark erhöhten Komlexizität der Netzstrukturen.
Das sog. „Smart Grid” bezeichnet die umfassende
Organisation solcher Stromnetze zur Steuerung, (Lasten-)Verteilung, Speicherung
und Erzeugung von elektrischer Energie. Mittels eines sog. Grid
Asset Management können Informationen über die
zur Verfügung stehenden Ressourcen und Abnehmer bereitgestellt
werden. Es können auf diese Weise Versorgungsengpässe, Qualitätsmängel
und Wertschöpfungspotenziale als auch Kostenfaktoren erkannt
und optimiert werden. Ein wesentlicher Aspekt solcher intelligenten
Netze liegt bspw. in der Möglichkeit der Energieversorger, einen
Stromverbrauch der Endkunden zu prognostizieren und/oder zu erfassen,
ohne dass hierzu noch herkömmliche Stromzähler
vonnöten wären.
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Auch
die Nutzung sog. intelligenter Stromzähler mittels eines
sog. „Smart Metering” kann ganz wesentlich zur
sinnvollen Umsetzung der Erfindung beitragen. Ein intelligenter
Zähler (auch Smart Meter genannt) ist ein elektronischer
Stromzähler, mit dem es über eingebaute Zusatzfunktionen
oder nachträgliche Module möglich ist, die erfassten
Zählerstände vom Energieversorgungsunternehmen über
die Ferne auszulesen. Zur Datenfernübertragung stehen bspw.
die Möglichkeiten von GPRS, GSM, LAN, WLAN oder Stromleitung
zur Verfügung.
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Bei
allen diesen erwähnten Kombinationsvarianten der Koppelung
der Einheiten mit privaten und/oder öffentlichen Netzen
sowie bei der Nutzung der Einheiten selbst ist immer auch die Alternative des öffentlichen
Strombezugs zu berücksichtigen. So sind vorzugsweise im
erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem alle
verfügbaren Strompreise und deren variable oder feste Parameter
(Hochtarif, Niedertarif, verschiedene Anbieter etc.) hinterlegt, sowohl
was den Strombezug als auch die Einspeisevergütung betrifft.
Auf diese Weise kann der Betrieb der Anlage bzw. das Verfahren sehr
kosteneffizient gesteuert werden, wenn bspw. gekaufter Strom zu bestimmten
Zeitpunkten kostengünstiger ist als Solarstrom inklusive
des damit erzielbaren Zuschusses oder wenn der Kunde das Energiemanagementsystem
ohne Berücksichtigung erneuerbarer Energien betreiben will.
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Wenn
im vorliegenden Zusammenhang von „Einheiten” die
Rede ist, so sind damit weitgehend alle denkbaren Varianten von
dezentralen oder virtuellen Erzeugungs- oder Verbrauchseinheiten
umfasst. Das erfindungsgemäße System kann ganz
individuell nach Kundenwunsch konfiguriert werden. So ist die Anzahl
der verwendeten bzw. angeschlossenen Energieerzeuger und -verbraucher
grundsätzlich frei wählbar. Für einen
reibungslosen Betrieb sollten alle Energieerzeuger und mindestens
alle wichtigen Energieverbraucher erfasst werden. Auf der Erzeugerseite
besteht eine Basiskonfiguration zumindest aus einer KWK- bzw. KWK(K)-Einheit
bzw. einem Blockheizkraftwerk für die Versorgung mit Strom und
Wärme. Darüber hinaus können weitere
Erzeuger wie z. B. Fotovoltaikanlagen, Thermosolaranlagen, Wärmepumpe,
Windkraftanlage etc. an die Steuereinheit des Systems angekoppelt
werden. Auf der Verbraucherseite können je nach Bedarf
oder Kundenwunsch bis zu 100% aller Verbraucher angeschlossen und
erfasst werden.
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Das
erfindungsgemäße Energiemanagementsystem bzw.
das entsprechende Verfahren ist allgemeingültig zu verstehen
und keinesfalls auf die Anwendung bzw. Koppelung von Haushaltseinheiten und/oder
gewerblichen Wirtschaftseinheiten beschränkt. Diese Einheiten
können zwar zur Verdeutlichung der erfindungswesentlichen
Aspekte dienen, doch lassen sich grundsätzlich alle Größenordnungen
von Energieerzeugungs-, Energiespeicher- und/oder Energieverbrauchereinheiten
auf eine der beschriebenen Arten miteinander verschalten und koppeln,
bspw. auch auf Kraftwerksebene oder in mobilen Bereichen, bspw.
auf Schiffen oder in Kolonien, die in lebensfeindlichen Gebieten
eingerichtet sind und auf eine weitgehend autarke Energieversorgung
angewiesen sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Blockdiagramm-Darstellung einer Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Systems.
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2 zeigt
anhand eines weiteren Blockdiagramms die wesentlichen Bestandteile
eines Batteriemanagementsystems.
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Die 1 zeigt
eine schematische Blockdiagramm-Darstellung einer Ausführungsvariante
eines erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems. Ein
zentraler Bestandteil des dargestellten Energiemanagementsystems
(EMS) ist die zentrale Steuereinheit, in der ein Berechnungsalgorithmus
für eine sinnvoll und möglichst energieeffiziente
und/oder bedarfsgerechte Verknüpfung der zur Verfügung
stehenden Energieerzeuger sowie der existierenden Verbraucher sorgt.
Der Bedarf an den unterschiedlichen Energiearten wird in diesem
Zusammenhang als „Eingänge” bezeichnet,
während die „Ausgänge” die unterschiedlichen
Betriebsarten und die Lieferung von Informationsdaten und Betriebsparametern kennzeichnen.
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Es
kann bspw. ein aktueller Strombedarf, ein aktueller Wärmebedarf
sowie ein aktueller Kältebedarf ermittelt und in der EMS
erfasst werden. Darüber hinaus können wahlweise
Füllstände der Speicher, Wetterdaten und weitere
externe Daten erfasst werden. Auch eine Anforderung einer externen
virtuellen Kraftwerkszentrale kann berücksichtigt werden.
Der Benutzer kann über eine Schnittstelle und/oder Anzeigeeinrichtung
auf Einstellungsparameter der EMS zugreifen bzw. diese abfragen,
ebenso wie aktuelle Betriebszustände aller Energieerzeuger
und Energieverbraucher.
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Auf
der Ausgangsseite können alle Arten von angeschlossenen
Verbraucher (Strom, Wärme, Kälte) und Energieerzeuger
zu- und abgeschaltet werden. Alle relevanten Betriebsparameter und
Zustandsdaten können visualisiert, gespeichert, einer externen
Stelle oder dem Benutzer auf beliebige Weise zur Verfügung
gestellt werden. So können die Betriebsdaten bspw. an die
virtuelle Kraftwerkszentrale geliefert werden, um dieser eine gezielte
Ansteuerung der EMS und damit des Energieerzeugungssystems zu ermöglichen.
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Die
schematische Darstellung der 2 zeigt
anhand eines weiteren Blockdiagramms die wesentlichen Bestandteile
eines Batteriemanagementsystems. So lassen sich Batterien als elektrische
Energiespeichereinheiten in das EMS integrieren. Die gezeigte Darstellung
bezieht sich auf die Variante eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs,
dessen Akkumulatoren durch ein geeignetes Management auf optimierte
Weise betrieben und/oder in das oben beschriebene EMS integriert
werden. So können die Batterien des Kraftfahrzeugs über
das bereits installierte EMS (Energiemanagementsystem) aufgeladen und
diesem bei Bedarf als ergänzende Energiequelle zur Verfügung
gestellt werden. Dies senkt den Energiebedarf und kann die Gesamtkosten
des Systems bzw. dessen Betriebs reduzieren. Gleichzeitig kann durch
entsprechend ausgelegte und optimierte Ladezyklen die Batterielebensdauer
verlängert werden und/oder die Batteriekapazität über
einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Zu diesem
Zweck wird die Batterie bzw. das Fahrzeug an das EMS angeschlossen.
Das EMS erfasst den Batteriezustand eigenständig und zyklisch
oder permanent und entscheidet anhand vorgegebener Algorithmen,
welcher Ladezyklus notwendig bzw. aus Optimierungsgründen
aktuell am sinnvollsten ist. Diese Beurteilung kann auch vom Benutzer
vorgegeben bzw. zumindest beeinflusst werden, wenn beispielsweise
die Batterie aufgefrischt werden soll, was gewöhnlich mehrere
Stunden dauert.
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Um
sicherzustellen, dass bei Verwendung von Fahrzeugbatterien für
mindestens den nächsten Fahrzyklus noch ausreichend Energie
in der Batterie verbleibt, werden auch die Fahrzeugdaten in das EMS
eingelesen und/oder durch den Benutzer vorgegeben. So kann der Batterielade-
und -entladezyklus individuell vom EMS auf das Benutzerverhalten
angepasst werden. In Abhängigkeit von den erhaltenen Daten
entscheidet dann das EMS, welcher Ladezyklus für die Batterie
unter den gegebenen Randbedingungen sinnvoll ist und gewählt
wird. Die Fahrzeugdaten werden entweder von der vom Fahrzeughersteller
eingebauten Steuerung ausgelesen oder es wird eine zusätzliche
autarke Steuerung vom EMS im Kundenfahrzeug eingebaut, um das Benutzerverhalten
bei Fahrten mit dem Fahrzeug zu erhalten. Benötigt werden
beispielsweise Dauer und Länge der letzten Fahrzyklen,
ein durchschnittlicher, minimaler und maximaler Energieverbrauch
sowie typische Standzeiten des Fahrzeugs.
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Ist
jede Batterie oder jedes Fahrzeug mit einer einmaligen Kennzeichnung
(z. B. Barcode oder Seriennummer) ausgestattet und wird diese mit
in das EMS eingelesen, speichert das EMS über einen konfigurierbaren
Zeitraum die Daten der Batterie bzw. des Fahrzeugs. Dies ermöglicht
die Auswertung über das Langzeitverhalten, die Verbesserung
des Lade-/Entladealgorithmus und reduziert die Kosten für
Reparatur und Wartung.
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Auch
kann das EMS verwendet werden, um das Fahrzeug und andere angeschlossene
Geräte und Maschinen zu überwachen. Zusätzlich
kann das EMS die Werkstatt oder den Handwerker über fällige Wartungstermine
und über den Zustand des Fahrzeugs und/oder des Gerätes
etc. informieren. So können schon vor dem Wartungstermin
Ersatzteile bestellt oder die zeitliche Dauer des Werkstattaufenhaltes
bzw. der Wartung ermittelt und eingeplant werden. Die erhöht
die Kundenzufriedenheit, senkt Kosten und lastet die Werkstatt bzw.
den Handwerker besser aus.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung
sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und
Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken
Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005036703
A1 [0003]
- - DE 29605939 U1 [0004]