-
Mit steigenden Energiepreisen und dem Wunsch nach möglichst umweltfreundlich gewonnener oder verlustarm und umfassend genutzter Energie direkt beim Endkunden (Verbraucher) steigt die Bedeutung der sogenannten dezentralen Energietechnik. Im Gegensatz zur allgemein üblichen Stromerzeugung in Großkraftwerken werden bei der dezentralen Energietechnik kleinere Energiewandler direkt beim Verbraucher, z. B. im Privathaushalt betrieben, um Strom und teilweise zusätzliche Wärme aus flüssigen, festen oder gasförmigen Energieträgern oder regenerativen Quellen (z. B. Windenergie) zu gewinnen.
-
Bei diesen Systemen entfallen viele Umwandlungs- und Übertragungsverluste, die sonst bei der Stromgewinnung im Großkraftwerk und der Übertragung in den elektrischen Netzen anfallen. In der Regel sind durch die dezentrale Energietechnik deutlich bessere Nutzungsgrade erreichbar, insbesondere, wenn die Abwärme von Aggregaten und Komponenten beim Verbraucher nutzbar gemacht wird. Als Energiewandler werden elektrische Generatoren eingesetzt, die unter anderem durch Verbrennungsmotoren betrieben werden (sogenannte Kraft-Wärmekopplung) oder auch durch Windrotoren angetrieben sind (kleinere Windkraftwerke).
-
Bei den beiden genannten Technologien (dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung KWK und Windenergienutzung) bestehen aber verschiedene prinzipielle Probleme:
In der dezentralen Energietechnik werden vorzugsweise permanenterregte, seltener auch fremderregte Generatoren eingesetzt, die Wechselspannungen erzeugen, deren Spannung und Frequenz in der Regel mit den Drehzahlschwankungen des jeweiligen Antriebs deutlich variieren und somit nicht unmittelbar oder nur nach einer aufwändigen Drehzahlanpassung und Synchronisation nutzbar sind. Insbesondere bei der Nutzung regenerativer Quellen (Wind) ist die Verfügbarkeit und Intensität unregelmäßig und stark schwankend, d. h. Drehzahl, Spannung und Frequenz des Systems ändern sich erheblich.
-
Darüber hinaus besteht das generelle Problem, dass auch der Bedarf an elektrischer Energie beispielsweise eines Gebäudes oder eines Gewerbebetriebes starken Schwankungen unterliegt, die weder von einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage noch von einem Windgenerator vollständig und verlustarm abgedeckt werden können.
-
Ein anderes Problem besteht darin, dass eine KWK-Anlage im unteren Teillastbereich, d. h. bei geringem Leistungsbedarf oft verlustbehaftet und unwirtschaftlich arbeitet und unnötig verschleißt, in diesem Bereich also nicht betrieben werden sollte.
-
Aus diesen Problematiken heraus ist es für die Nutzung einer dezentralen KWK oder Windenergieanlage sinnvoll:
- – Energie für den Eigenbedarf so weit wie möglich aus der dezentralen Energieanlage zu gewinnen, d. h. soweit wie Windenergie verfügbar ist oder die KWK-Anlage in einem wirtschaftlich sinnvollen und umweltfreundlichen Leistungsbereich betrieben werden kann,
- – zusätzliche Energie aus dem Netz aufzunehmen, wenn die dezentrale Energieanlage nicht genügend Energie für die eigene Nutzung bereitstellt,
- – Energie in das Netz einzuspeisen, wenn die Energie der dezentralen Energieanlage nicht vollständig im Eigengebrauch verbraucht wird, insbesondere wenn diese vom Energieversorger sinnvoll vergütet wird und aus kostenloser und umweltfreundlicher Windenergie stammt,
- – Windenergie umzuwandeln und in Akkumulatoren zwischenzuspeichern, bis diese vom Nutzer selbst verwertet werden kann oder Energie (insbesondere kleinerer Leistung) aus den Akkumulatoren für den Eigenbedarf zu entnehmen, um dabei einen unwirtschaftlichen Betrieb einer KWK-Anlage mit geringer Leistung zu vermeiden.
-
Die vorliegende Erfindung stellt ein neuartiges Energieaufbereitungs- und Speichersystem für dezentrale Energieanlagen, insbesondere Kraft-Wärmekopplungsanlagen und kleinere Windenergieanlagen zur Verfügung, dass diese komplexen Anforderungen mit einem hohen Wirkungsgrad realisiert. Hierbei wird elektrische Energie aus dem Generator der Anlage trotz wechselnder Drehzahl, Frequenz und Spannung so aufbereitet, dass diese in einem besonderen ”Hochvolt”-Akkuspeichersystem zwischengespeichert werden kann, um diese gezielt bei Eigenbedarf in marktübliche Wechselspannungen umzuwandeln und verfügbar zu machen oder insbesondere bei Energieüberschuss (vollem Akkusystem) in das Netz einzuspeisen. Mit dem erfundenen System erfolgt insbesondere die Pufferung zwischen dem diskontinuierlichen Energieangebot einer Windkraftanlage und dem ebenso diskontinuierlichen Bedarf der Eigennutzung.
-
Die unterschiedlichen Anforderungen werden durch einen Akkuspeicher mit zusätzlichen elektronischen und mechanischen Baugruppen erreicht, der erfindungsgemäß in einer ungewöhnlichen Ausführung mit hoher Spannung vorgesehen ist, während bisherige Akkuspeicher für kleine Windenergieanlagen nur in Niederspannungstechnik, beispielsweise in 12, 24 oder 48 V bekannt und üblich sind und KWK-Anlagen (mit Ausnahme des Starterakkus für den Verbrennungsmotor) ganz ohne Akkuspeicher ausgeführt sind. Der Begriff „Hochvolt-Akkusystem” wird hier zur Abgrenzung gegenüber den bekannten Niedervolt-Akkus (in der Regel kleiner 50 V oder kleiner 100 V) verwendet, nicht im Sinne der elektrischen Normung, die unter „Hochspannung” Spannungen von mehreren 1000 Volt versteht.
-
Das Energieaufbereitungs- und Speichersystem wird durch verschiedene technologische Merkmale ergänzt, in denen die Sicherheit des Hochvolt-Akkuspeichers und die bedarfsabhängige Speicherung und Entnahme der Energie in bzw. aus dem Akkusystem im Vordergrund steht. Diese Merkmale sind in Unteransprüchen formuliert.
-
Das Energieaufbereitungs- und Speichersystem (EAS-System) wird vorzugsweise für kleine Windkraftanlagen und kleine Kraft-Wärmekopplungsanlagen mit Netzen mit haushaltsüblichen Wechselspannungen von z. B. 110 V oder 230 V oder 400 V eingesetzt, da eine elektrische Energiespeicherung in Akkumulatoren im großtechnischen Maßstab derzeit noch unwirtschaftlich ist.
-
Aufbau und Funktionsweise:
-
Das Gesamtsystem der Erfindung besteht aus einem durch eine Kraft-Wärmekopplungs-Anlage (18) (d. h. durch einen Verbrennungsmotor) oder durch einen Windrotor (17) über eine Drehverbindung (1) angetriebenen Generator (2), einem Umrichter (Steller) (5), der die Wechselspannung des Generators (2) gleichrichtet und auf ein nutzbares, meistens höheres Spannungsniveau, den sogenannten Gleichspannungs-Zwischenkreis (8) anhebt (mit z. B. ca. 350–400 V DC oder ca. 600–700 V DC Spannung) und aus einem weiteren Umrichter, dem sogenannten Ausgangsumrichter oder Netzwechselrichter (10), der die hohe Gleichspannung des Zwischenkreises mittels digitaler Taktung und Glättung mit entsprechenden Filterschaltungen (11) in nutzbare, marktübliche Wechselspannungen umwandelt, beispielsweise einphasig 110 V oder 230 V oder 3-phasig 400 V. Solche Umrichtersysteme sind dem Prinzip nach bekannt und marktüblich. Der Scheitelwert der Ausgangs-Wechselspannung liegt dabei in der Regel etwas unterhalb der Spannung des Zwischenkreises, um eine einwandfreie Sinusfunktion nachbilden zu können.
-
Die Zwischenkreisspannung wird in der Regel durch einen Zwischenkreiskondensator (9) geglättet und stabilisiert, der extern montiert oder in einen Umrichter integriert sein kann. Ebenso können Filterschaltungen (11) in den Umrichter integriert sein anstatt extern montiert zu sein. Der Steller (5) kann in ganz einfachen Systemen auch entfallen.
-
Die interne Steuerung des Ausgangsumrichters (10) erfolgt in der Regel nach einer fest eingestellten Spannungsschwelle der Zwischenkreisspannung. Wird Energie vom Generator (2) bereitgestellt und vom Steller (5) entsprechend aufbereitet, steigt die Zwischenkreisspannung über die eingestellte Schwelle, so dass der Ausgangsumrichter (10) aktiviert wird und entsprechende Leistungen in das angeschlossene Netz einspeist oder zur Eigennutzung zur Verfügung stellt.
-
Erfindungsgemäß wird in unserer Anwendung ein Hochvolt-Akkusystem (7) als Speicherorgan für elektrische Energie betrieben und direkt an den Zwischenkreis (8) angeschlossen, um aus diesem Energie zur Speicherung aufzunehmen oder an diesen wieder abzugeben. Diese bisher nicht bekannte Bauform für elektrische KWK- und Windenergiesysteme verursacht verschiedene Sicherheitsprobleme, die durch später dargestellte erfinderische Merkmale, insbesondere einen innovativen Akku-Speicherschrank, abgestellt werden, ermöglicht aber eine Speicherung der elektrischen Energie ohne weiteren Umrichteraufwand. Der Ausgangsumrichter (10) wird dabei in der erfindungsgemäßen Anwendung nicht von einer konstanten Schwelle der Zwischenkreisspannung angesteuert, sondern von einer variablen. Zur Veränderung der Spannungsschwelle des Zwischenkreises (8) wird eine marktübliche interne Programmierfunktion des Ausgangsumrichters (10) genutzt oder eine externe Steuerung (15) verwendet.
-
Mit der Kombination von Hochvoltakku (7) und variabler Zwischenkreis-Spannungsschwelle kann:
- – Energie in den Akku gelenkt werden, wenn die Zwischenkreis-Spannungsschwelle über die aktuelle Leerlaufspannung des Akkusystems gelegt wird,
- – Energie aus dem Generator am Akku vorbei in die Einspeisung oder Eigennutzung geführt werden, wenn die Zwischenkreis-Spannungsschwelle exakt auf die aktuelle Leerlaufspannung des Akkusystems gelegt wird,
- – Energie aus dem Akku entnommen und zu der momentan vom Generator erzeugten Energie addiert werden, wenn die Zwischenkreis-Spannungsschwelle unter die aktuelle Akkuspannung gelegt wird.
-
Die Intensität der Nutzung des Akkusystems wird bei dem System dadurch gesteuert wie groß die Differenz zwischen der aktuellen Akku-Leerlaufspannung und der Zwischenkreis-Spannungsschwelle gewählt wird. Der ausgangsseitige Strom steht zur Eigennutzung, z. B. in einem Gebäude (14) zur Verfügung, wobei verbleibende Überschüsse vorzugsweise zur Vergütung mit Hilfe weiterer Zähler (nicht dargestellt) in das Netz (12) zurück fließen. Die Ausgangsspannung beträgt z. B. 110 oder 230 V AC, einphasig oder 400 V AC dreiphasig.
-
Meistens soll eine hohe Eigennutzung erreicht werden, weil diese in der Regel besser vergütet wird. Erfindungsgemäß wird dies dadurch realisiert, dass eine elektronische Messstelle (13) im Stromkreis der Eigennutzung vorgesehen ist. Damit kann die Energie aus dem Akku (7) oder dem Generator (2) verfügbar gemacht werden, wenn sie benötigt wird, während sie aus dem Generator in den Akku geleitet wird, wenn keine Nutzung erfolgt. Durch Wahl einer passenden Spannungsschwelle in der Höhe der Lade-Schlussspannung des Akkus wird der Ausgangsumrichter (10) bei vollem Akku zur Netzeinspeisung aktiviert, d. h. zunächst wird der Akku geladen, dann erfolgt die Netzeinspeisung.
-
Alternativ zu der vorgesehenen externen Steuerung (15) zur Überwachung des Eigenbedarfs kann die Bereitstellung von eigengenutzter Energie auch durch eine umrichterinterne Funktionalität oder eine Zeitschaltfunktion, die auf Uhrzeiten erhöhten Strombedarfs eingestellt ist, oder auch direkt durch den Nutzer aktiviert werden.
-
Die Messstelle (13) kann ein- oder mehrphasig aus marktüblichen Messelementen aufgebaut werden. Bevorzugt wird erfindungsgemäß die Nutzung eines günstigen Energiezählers mit Hutschienenmontage und einer digitalen Zähl-Schnittstelle (Impulsausgang) oder einer analogen Schnittstelle.
-
Aufgrund der hohen Spannungen des Hochvoltakkusystems (7) (typisch ca. 600–700 V DC für Netzspannungen von 400 V AC oder ca. 350–400 V DC für Netzspannungen von 230 V AC oder ca. 150–200 V DC für Netzspannungen von ca. 110 V AC) treten besondere Sicherheitsprobleme auf, die durch nachfolgend dargestellte Merkmale der Erfindung abgestellt werden:
Das Hochvolt-Akkusystem (7) besteht aus Gruppen von Einzelakkus mit jeweils unkritischer Teilspannung der einzelnen Gruppen (z. B. 48 V DC). Die Einzelspannungen der Gruppen sind über gut isolierte Kabel unabhängig von einander an einem zentralen, berührungssicheren Ort zusammengeführt und in Reihe gelegt. An diesem Ort befindet sich ein mehrpolig schaltendes Element, beispielsweise ein Schalter oder eine lösbare Steckverbindung oder eine Gruppe von Relais, durch deren Betätigung eine sichere Unterbrechung der Einzelspannungen realisiert werden kann. Dies ist erforderlich z. B. zum sicheren Arbeiten an den Einzelakkus des Akkusystems. Ohne eine einwandfreie Trennung würde an vielen Einzelanschlüssen des Akkusystems eine gefährlich hohe Gleichspannung verbleiben.
-
Die Einzelakkus befinden sich in einem Batterieschrank, der die Berührungssicherheit der Akkuanschlüsse durch eine Tür oder durch einzelne Abdeckungen oder durch gruppenweise Einschübe sicherstellt. Der Zugang zu den Einzelakkus wird durch ein Verriegelungssystem geschützt, dass den mechanischen Zugang erst ermöglicht, wenn das o. g. Schaltelement betätigt ist und sich somit nur noch unkritische Einzelspannungen im Batterieschrank befinden. Dies kann z. B. durch eine Verriegelungsstange oder Kette realisiert sein, die mit dem Schaltelement in Verbindung steht.
-
In Ergänzung kann eine elektrische oder elektronische Steuerung vorgesehen sein, die weiteren Sicherheitsrisiken und Fehlbedienungen vorbeugt, beispielsweise ein Abschalten des Akkusystems unter Last, was aufgrund der hohen Gleichspannung und hoher Ströme eine Ausbildung von Lichtbögen und ein Verbrennen der schaltenden Kontakte hervorrufen könnte. Ebenso kann eine Sicherung gegen Kurzschluss vorgesehen sein.
-
In der Verbindung zwischen dem Generator und dem Zwischenkreis ist ein Element (Steller, Spannungsumrichter) (5) notwendig, um die Wechselspannungen des Generators mit einem integrierten oder externen Gleichrichter (3) gleichzurichten und die Spannung an die aktuelle Zwischenkreisspannung anzupassen. Bevorzugt wird erfindungsgemäß eine Kombination, bei der der Generator (2) so ausgelegt ist, dass in einem Bereich größerer Leistung und Drehzahl die Wechselspannung direkt über einen Gleichrichter (Überbrückungsgleichrichter) (4) an den Zwischenkreis gelangt, während im unteren Leistungs- und Drehzahlbereich, beispielsweise eines Windrades, eine Spannungserhöhungsfunktion über einen getaktet arbeitenden Hochsetzsteller (DC-DC-Steller) (5) oder einen, z. B. in Stufen schaltbaren Transformator (6) vorgesehen ist, um eine ausreichend hohe Spannung des Zwischenkreises (8) zu realisieren.
-
Sowohl Windräder, als auch KWK-Anlagen haben spezielle Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinien, sodass erfindungsgemäß eine spezielle Schnittstelle (16) vorgesehen ist, über die der Steller (Umrichter, Hochsetzsteller) (5) eine Information erhält, wie die aktuelle Spannungsanpassung erfolgen soll. Hiermit wird eine optimale Energienutzung der jeweiligen Anlage in Abhängigkeit von der Windsituation gesteuert, die z. B. über einen Windgeschwindigkeitssensor (nicht dargestellt) und die Schnittstelle (16) erfasst wird.
-
Alternativ zu der Schnittstelle (16) kann auch eine im oder am Steller (5) vorgesehene Funktion bzw. Steuerung vorgesehen sein, die ein Stellsignal zur Spannungs- bzw. Leistungsanpassung aus der Frequenz der Generatorspannung ermittelt.
-
Bezugszeichenliste
-
zu Fig. 1:
- 1
- Drehverbindung
- 2
- Generator
- 3
- Gleichrichter
- 4
- Gleichrichter (Überbrückungsgleichrichter)
- 5
- Steller (Spannungsumrichter, Hochsetzsteller)
- 6
- Transformator (ggf. in Stufen schaltbar)
- 7
- Hochvolt-Akku (Akkusystem)
- 8
- Zwischenkreis (Gleichspannungs-Zwischenkreis)
- 9
- Zwischenkreiskondensator
- 10
- Ausgangsumrichter (Netzwechselrichter)
- 11
- Filter (Filtersystem)
- 12
- Netz (marktübliches Niederspannungsnetz, z. B. 110 V oder 230 V oder 400 V)
- 13
- Messstelle (z. B. Energiezähler z. B. mit Impulsausgang)
- 14
- Gebäude (oder anderweitige Eigennutzung)
- 15
- externe Steuerung
- 16
- Schnittstelle (zur Ansteuerung des Stellers)
- 17
- Windkraftanlage
- 18
- Kraft-Wärmekopplungsanlage
zu Fig. 2: - 1
- Drehverbindung
- 2
- Generator
- 3
- Gleichrichter
- 4
- Gleichrichter (Überbrückungsgleichrichter)
- 5
- Steller (Spannungsumrichter, Hochsetzsteller)
- 6
- Transformator (ggf. in Stufen schaltbar)
- 7
- Hochvolt-Akku (Akkusystem)
- 8
- Zwischenkreis (Gleichspannungs-Zwischenkreis)
- 9
- Zwischenkreiskondensator
- 10
- Ausgangsumrichter (Netzwechselrichter)
- 11
- Filter (Filtersystem)
- 12
- Netz (marktübliches Niederspannungsnetz, z. B. 110 V oder 230 V oder 400 V)
- 13
- Messstelle (z. B. Energiezähler z. B. mit Impulsausgang)
- 14
- Gebäude (oder anderweitige Eigennutzung)
- 15
- externe Steuerung
- 16
-
- 17
- Windkraftanlage
- 18
- Kraft-Wärmekopplungsanlage
