DE102010017277A1

DE102010017277A1 - Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010017277A1
Application number: DE102010017277A
Authority: DE
Inventors: Frank Thole
Original assignee: Schueco International KG
Current assignee: Schueco International KG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-08
Also published as: WO2011154387A2; EP2580831A2; WO2011154387A3

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung (1) weist folgende Verfahrensschritte auf: Bestimmen einer Anzahl von Regeln, Ermitteln einer Anzahl von Parametern und Herstellen oder Unterbrechen einer Leistungsverbindung zwischen wenigstens einer Energiequelle der Anzahl von Energiequellen (3, 10) mit wenigstens einem Energieverbraucher der Anzahl von Energieverbrauchern (3, 17, 24), abhängig von wenigstens einer Regel und/oder wenigstens einem Parameter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung.
Unter einer Energieversorgungseinrichtung wird im Kontext der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung verstanden, die einen Verbraucher mit Energie, beispielsweise mit elektrischer Energie, versorgt. Bei dem Verbraucher kann es sich dabei von einer haustechnischen Einrichtung eines Einfamilienhauses bis hin zu einer haustechnischen Einrichtung eines gewerblichen Gebäudes, beispielsweise eine Produktionshalle oder ein Bürogebäude, handeln.
Die Komplexität derartiger Energieversorgungseinrichtungen hat in den letzten Jahre ständig zugenommen. So haben neue Energiequellen, beispielsweise photovoltaische Anlagen (PV-Anlagen), zunehmend an Bedeutung gewonnen. Weiterhin zeichnen sich bei Tarifstrukturen für elektrische Energie weitreichende Änderungen ab. So ist in Zukunft zu erwarten, dass auch für Kleinverbraucher variable Stromtarife angeboten werden. Unter einem variablem Stromtarif wird ein Stromtarif verstanden, bei dem der Strompreis für eine bestimmte Menge an elektrischer Energie mit der Zeit variiert und beispielsweise an eine Stromnachfrage bzw. ein Stromangebot angepasst wird.
Mit zunehmender Komplexität derartiger Energieversorgungseinrichtungen wächst der Bedarf an Verfahren, die eine Steuerung derartiger Energieversorgungssysteme ermöglichen, welche dieser Komplexität Rechnung tragen.
Die Erfindung schafft vor diesem Hintergrund das Verfahren des Anspruchs 1.
In vorteilhafter Weise können derart Anforderungen, welche ein Energieanbieter, beispielsweise ein Energievorsorgungsunternehmen (EVU) und ein Energieverbraucher, beispielsweise ein Bewohner eines Wohnhauses, an eine Steuerung im Sinne einer Betriebsführung eines Energieversorgungssystems stellen, auf eine einfache Weise berücksichtigt werden.
Hierzu wird ein Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung mit einer Anzahl von Energiequellen, einer Anzahl von Energieverbrauchern, einer Anzahl von Mess/Zähleinrichtungen, mit Kommunikationsmitteln und mit einer Steuereinrichtung, vorgeschlagen, welches besonders bevorzugt folgende Verfahrensschritte ausweist:

– Bestimmen einer Anzahl von Regeln,
– Ermitteln einer Anzahl von Parametern; und
– Herstellen oder Unterbrechen einer Leistungsverbindung zwischen wenigstens einer Energiequelle der Anzahl von Energiequellen mit wenigstens einem Energieverbraucher der Anzahl von Energieverbrauchern, abhängig von wenigstens einer Regel und/oder von wenigstens einem Parameter.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem Versorgungsnetz Regeln definiert werden, die nicht nur für ein Gebäude, sondern für mehrere Gebäude übergreifend Geltung haben. So kann eine Mehrzahl von Gebäuden in einer Zeitspanne in der ein Überangebot an elektrischer Energie, insbesondere regenerativer elektrischer Energie, herrscht, als Energiespeicher verwendet werden. Derart wird es auf einfache Weise möglich, ein Überangebot an regenerativer Energie z. B. an einem besonders windreichen Tag (Windenenergie), dennoch sinnvoll genutzt werden. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 beispielhaft eine schematische eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, und
2 beispielhaft eine schematische Darstellung zweiten Ausführungsbeispiels.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1, die der Versorgung von Gebäuden 2 (beispielsweise Wohn- und Geschäftsgebäude) mit Energie dient. Hierzu weist die Energieversorgungseinrichtung 1 ein Versorgungsnetz 3 auf, beispielsweise ein von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) betriebenes öffentliches Stromnetz. Über eine symbolisch dargestellte elektrische Verbindung, die je nach Erfordernis ein- oder mehrphasig ausgeführt ist, ist das Netz 3 mit einer Mess/Zähleinrichtung 5 verbunden. Die Mess/Zähleinrichtung 5 ist dazu ausgeführt Energiemengen, die aus dem Netz 3 entnommen werden [ΣWh(–)] und Energiemengen, die in das Netz 3 eingespeist werden [ΣWh(–)] detailliert zu erfassen und beispielsweise auch Leistungsverläufe detailliert zu erfassen und für eine spätere Auswertung zu speichern. Derartige Mess/Zähleinrichtungen 5 werden auch als „smart meter” bezeichnet. Dementsprechend kann das Netz 3 sowohl als Energiequelle (bereitstellen von elektrische Energie) wie auch als Energieverbraucher (aufnehmen von elektrischer Energie) bezeichnet werden.
Weiterhin ist die Mess/Zähleinrichtung 5 über symbolisch dargestellte Verbindungen 6, 8 sowie über eine Schalteinrichtung 7, beispielsweise über ein Schutz, mit einem zentralen Übergabepunkt 9, beispielsweise ein Stromschienensystem in einem nicht gezeigten Schaltschrank, im Gebäude 2 verbunden.
Ebenfalls am zentralen Übergabepunkt angeschlossen ist eine Photovoltaikanlage 10 (PV-Anlage) mit einem PV-Generator 11, einem Wechselrichter 12 und einem Anlagemähler 13 zur Erfassung der von der PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie. Die vom PV-Generator erzeugte elektrische Energie gelangt über eine symbolisch dargestellte Verbindung 14 zum Wechselrichter 12, wird dort entsprechend den gegebenen Anforderungen umgewandelt und über eine symbolisch dargestellte elektrische Verbindung 15 an den Anlagemähler geleitet. Dieser wiederum ist mittels einer symbolisch dargestellten elektrischen Verbindung 16 mit dem zentralen Übergabepunkt 9 verbunden.
Dargestellt ist auch eine Kältemaschine 17 zur Bereitstellung von Kälteleistung, die beispielsweise für Kühl und/oder Klimatisierungsaufgaben im Gebäude 2 benötigt wird. Zur Spannungsversorgung der Kältemaschine 17 ist diese über symbolisch dargestellte elektrische Verbindungen 18, 19 und über eine Schalteinrichtung 20, beispielsweise ein Schütz, mit dem zentralen Übergabepunkt 9 verbunden. Der Kältemaschine ist ein Kältespeicher 21 zugeordnet. Mit diesem ist die Kältemaschine 17 über eine symbolisch dargestellte Kälteleitung 22 verbunden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein von der Kältemaschine gekühltes Medium für eine spätere Verwendung zwischengespeichert werden. Über eine symbolisch dargestellte Kälteleitung 23 kann das gekühlte Medium aus dem Speicher entnommen werden und bei Bedarf an nicht dargestellte kältetechnische Einrichtungen im Gebäude 2 weiter geleitet werden.
Weiterhin dargestellt ist eine Wärmepumpe (WP) 24 (beispielsweise eine Luft-Luft-Wärmepumpe). Zur Spannungsversorgung der Wärmepumpe 24 ist diese über symbolisch dargestellte elektrische Leitungen 25, 26 und über eine Schalteinrichtung 27, beispielsweise ein Schütz, mit dem zentralen Übergabepunkt 9 verbunden. Der Wärmepumpe 24 ist ein Wärmespeicher 28 zugeordnet und über eine symbolisch dargestellte Wärmeleitung der WP 24 verbunden. Im Wärmespeicher 28 kann ein von der Wärmepumpe 24 erwärmtes Medium zu Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt zwischengespeichert werden. Das erwärmte Medium kann über eine symbolisch dargestellte Wärmeleitung 30 an nicht dargestellte wärmetechnische Einrichtungen (beispielsweise Einrichtungen zur Warmwasserbereitung und/oder Einrichtungen mit Heizungsaufgaben) des Gebäudes 2 weitergeleitet werden. Der WP 24 kann ein weitere Speicher, beispielsweise ein Erdwärmespeicher 31, zugeordnet sein. Diesem kann ebenfalls über eine symbolisch dargestellte Wärmeleitung 32 Wärme zur Zwischenspeicherung zugeführt werden. Weiterhin kann auch dem Erdwärmespeicher 31 über eine symbolisch dargestellte Wärmeleitung 33 Wärme entnommen werden und nicht dargestellten wärmetechnischen Einrichtungen im Gebäude 2 zugeführt werden.
Um die 1 möglichst übersichtlich zu halten, werden beispielsweise Mischer, Ventile und viele weitere zur Funktion der Einrichtung 1 erforderlichen Elemente nicht dargestellt, dass diese jedoch erforderlich sind, ist dem Fachmann bekannt und wird daher an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt.
Selbstverständlich können am zentralen Übergabepunkt 9 auch weitere, nicht dargestellte, elektrische Verbraucher des Gebäudes 2 angeschlossen werden, beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen, Haushaltsgeräte usw. Diese zusätzlichen elektrischen Verbraucher können einzeln oder in Gruppen ebenfalls über nicht dargestellte Schalteinrichtungen schaltbar ausgeführt sein.
Weiterhin können am zentralen Übergabepunkt 9 weitere, nicht gezeigte, Energiequellen, wie beispielsweise Wind- oder Wasserkraftanlagen angeschlossen werden. Selbstverständlich können diese zusätzlichen Energiequellen ebenfalls einzeln oder in Gruppen über nicht dargestellte Schaltelemente schaltbar an den zentralen Übergabepunkt 9 angeschlossen sein. Weiterhin können auch die zusätzlichen Energiequellen einzeln oder in Gruppen mit nicht gezeigten Mess/Zähleinrichtungen ausgestattet sein, um gelieferte Energiemengen zu erfassen.
Sämtliche Komponenten der Energieversorgungseinrichtung 1 weisen Kommunikationsmittel (nicht gezeigt) auf. Mittels dieser Kommunikationsmittel sind sämtliche Komponenten in der Lage, Daten untereinander auszutauschen. Ein derartiger Datenaustausch findet über nicht dargestellte Datenverbindungen statt, beispielsweise über drahtlose und/oder drahtgebundene und/oder optische Datenverbindungen. Auch über Leitungen, die primär zur Leitung von elektrischer Leistung vorgesehen sind, kann eine Datenkommunikation stattfinden. Die auszutauschenden Daten sind vielfältiger Art und können u. A. Messwerte, Einstellwerte, Ein/Ausschaltsignale und/oder Statusmeldungen aufweisen.
Die Steuerung der Einrichtung 1 wird von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung übernommen, diese kann in einem mit Energie zu versorgenden Gebäude 2 oder bei einem Betreiber des Netzes 3 angeordnet sein. Weiterhin kann die Steuereinrichtung auch mehrere Teile aufweisen von denen eine erste Gruppe beispielsweise bei einem Betreiber des Netzes 3 und eine zweite Gruppe nicht bei dem Betreiber des Netzes 3, beispielsweise im Gebäude 2, angeordnet sind.
Wie oben ausgeführt, ist selbstverständlich auch die Steuereinrichtung, bzw. die einzelnen Teile der Steuereinrichtung, so ausgestattet, dass zwischen der Steuereinrichtung und sämtlichen Komponenten der Energieversorgungseinrichtung 1 eine Datenkommunikation stattfinden kann.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen die Steuerung der Energieversorgungseinrichtung 1 nach dem folgenden Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten durchzuführen:

– Bestimmen einer Anzahl von Regeln,
– Ermitteln einer Anzahl von Parametern, und
– Herstellen oder Unterbrechen einer Leistungsverbindung zwischen wenigstens einer Energiequelle der Anzahl von Energiequellen und wenigstens einem Energieverbraucher der Anzahl von Energieverbrauchern, abhängig von wenigstens einer Regel und/oder von wenigstens einem Parameter.

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Beispielen für Regeln erläutert.
So kann eine Maßgabe für die Steuerung der Energieversorgungseinrichtung 1 sein, die WP 24 nur dann in Betrieb zu nehmen, wenn der Preis für die hierfür benötigte elektrische Energie, die ggf. aus dem Netz 3 zu entnehmen ist, unter einem bestimmten Wert in [EUR/kWh] liegt. Dann lautet die aufzustellende Regel, die beispielsweise in der Steuereinrichtung (bzw. in einem Teil der Steuereinrichtung) hinterlegt sein kann: Stelle eine Leistungsverbindung des Energieverbrauchers WP 24 mit der Energiequelle Netz 3 dann her, wenn ein Parameter Strompreis [EUR/kWh] unter einem bestimmten Wert X_MAX liegt. Die Steuereinrichtung ermittelt beständig die Anzahl der erforderlichen Parameter, hier „aktueller Strompreis” und den Wert X_MAX. Ist (sind) die Bedingung(en) dieser Regel erfüllt, sendet die Steuereinrichtung über die Datenkommunikationsmittel ein Steuersignal „EIN” – zur Herstellung einer Leistungsverbindung zwischen der Energiequelle Netz 3 und dem Energieverbraucher WP 24 – an die Schalteinrichtung 27 und setzt die WP 24 damit in Betrieb.
Wiederum eine weitere Maßgabe für die Betriebführung der Energieversorgungseinrichtung 1 kann lauten, die WP 24 nur dann zu betreiben, wenn die PV-Anlage 10 die hierfür erforderliche elektrische Energie bereitstellt. Die zu definierende Regel lautet: Stelle eine Leistungsverbindung zwischen dem Energieverbraucher WP 24 und der Energiequelle PV-Anlage 10 dann her, wenn die für den Betrieb der WP 24 erforderliche elektrische Energie von der PV-Anlage 10 bereitgestellt werden kann. Die Steuereinrichtung ermittelt die erforderlichen Parameter „von der PV-Anlage bereitgestellte Energie” und „für den Betrieb der WP 24 erforderliche Energie” beständig und sendet, falls die Bedingung(en) diese Regel erfüllt ist (sind), über die Datenkommunikationsmittel ein Steuersignal „EIN” – zur Herstellung einer Leistungsverbindung zwischen der Energiequelle Netz 3 und dem Energieverbraucher WP 24 – an die Schalteinrichtung 27 und setzt die WP 24 damit in Betrieb.
Weiter Maßgaben können durch die angebotenen Tarife entstehen. So ist es denkbar das beispielsweise Hoch- und Niedrigtarife für Wärmepumpen angeboten werden. Für ein Energieversorgungsunternehmen ergeben sich mit einem derartigen Tarif Vorteile hinsichtlich einer Lastverteilung. In Zeiten, in denen eine geringe Nachfrage nach elektrischer Energie besteht wird elektrische Energie zu einem Niedrigtarif angeboten, beispielsweise nachts. So ergibt sich für den Energieversorgung eine Vergleichmäßigung der Energielieferung. In einem derartigen Fall lautet eine Regel: „Stelle eine Leistungsverbindung zwischen der WP 24 und dem Netz 3 dann her, wenn ein Niedrigtarif gültig ist”. Die Steuerungseinrichtung arbeit dann entsprechend den oben gemachten Ausführungen.
Zur Vermeidung von hohen Kosten kann eine weitere Regel lauten: „Stelle eine Leistungsverbindung zwischen einem Energieverbraucher und einer Energiequelle nicht her, wenn ein Hochtarif gültig ist”. So kann beispielsweise verhindert werden, dass die WP 24 während einer Hochtarifzeit eingeschaltet wird, weil beispielsweise eine Temperatur in dem Speicher 28 unter einen bestimmten Sollwert gesunken ist.
Im Zuge der zu erwartenden Veränderungen werden zunehmend auch komplexe Tarifstrukturen angeboten werden (vgl. Strombörse Leipzig). Hier sind variable Strompreise auch für Kleinverbraucher, beispielsweise für Betreiber von haustechnischen Anlagen in Einfamilienhäusern zu erwarten. Es handelt sich hierbei um Tarife, bei denen einem bestimmten Zeitpunkt oder einer bestimmten Zeitspanne kein fester Strompreis mehr zugeordnet werden kann, sondern sich dieser dynamisch auf Grund von vorherrschenden Gegebenheiten in der Energieversorgungseinrichtung 1 bestimmt, beispielsweise durch ein Angebot an und eine Nachfrage nach elektrischer Energie.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch bei diesen Tarifen Regeln definiert werden, die beispielsweise festlegen, dass der Betrieb der Kältemaschine 17 nur dann erfolgt, wenn sich der Strompreis in einem bestimmten Bereich bewegt.
Für bestimmte Energiequellen, beispielsweise für eine PV-Anlage 10, erhält der Betreiber dieser Anlagen, beispielsweise der Gebäudeeigentümer, eine sogenannte Einspeisevergütung. Hierbei handelt es sich um die Zahlung eines bestimmten Betrags den der Betreiber für jede Kilowattstunde elektrischer Energie erhält, die seine PV-Anlage 10 in das Netz 3 eingespeist hat. Der Betrag der Einspeisevergütung ist i. d. R. höher als der Preis den der Betreiber für elektrische Energie bezahlen muss, die er aus dem Netz 3 bezieht. Es kann daher sinnvoll sein, eine Regel zu definieren, die der Einspeisung von durch die PV-Anlage 10 erzeugter elektrischer Energie den Vorrang vor dem Eigenverbrauch diese Energie gibt und beispielsweise auf den Betrieb von bestimmten Energieverbrauchern zu verzichten.
2 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gezeigt ist ein Versorgungsnetz 3 und ein Verbindungssystem 34 mit elektrischen Verbindungen mit denen eine Anzahl von Gebäuden 2a–2d an das Netz 3 angeschlossen ist. In einer derartigen Anordnung können Regeln definiert werden, die nicht nur für ein Gebäude, sondern für mehrer Gebäude übergreifend Geltung haben. Beispielsweise kann eine Anzahl von Gebäuden 2a–2d in einer Zeitspanne in der ein Überangebot an elektrischer Energie herrscht als Energiespeicher verwendet werden. So kann beispielsweise die Raumtemperatur in dieser Anzahl von Gebäuden geringfügig angehoben werden, obwohl dies von den klimatischen Bedingungen nicht erforderlich wäre. In eine nachfolgenden Zeitspanne, in der dann möglicherweise eine hohe Nachfrage an elektrischer Energie besteht, wird dann die Raumtemperatur wieder abgesenkt. Regeln, die ein derartiges Verhalten steuern können beispielsweise in einem Teil der Steuerungseinrichtung implementier werden, der EVU-seitig angeordnet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere ist es möglich die genannten Merkmale in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen.
Es ist insbesondere denkbar Regeln durch logische „UND” bzw. „ODER” Verknüpfungen zu kombinieren, weiterhin können auch Gruppen von Regeln, die ihrerseits bereits durch eine Kombination von einzelnen Regeln definiert sind, weiter mit einer weiteren Gruppe von Regeln oder mit einer einzelnen Regel verknüpft/kombiniert werden.
Weiterhin ist es auch möglich das erfindungsgemäße Verfahren auf Einrichtungen anwendbar, die zumindest zeitweise in einer Inselbetriebsart betrieben werden. In diesem Fall ist die Schalteinrichtung 7 geöffnet.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf elektrische Energieversorgungseinrichtungen beschränkt. Es kann auch auf Einrichtungen angewendet werden, in denen Gasnetze, Wärmenetze (beispielsweise Nah- und Fernwärmenetze) und Wassernetze zum Einsatz kommen. Eine entsprechende Anpassung der Parameter und Regeln ist dann vorzunehmen.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung (1) mit einer Anzahl von Energiequellen (3, 10), einer Anzahl von Energieverbrauchern (3, 17, 24 ), einer Anzahl von Mess/Zähleinrichtungen (5, 13), mit Kommunikationsmitteln und mit Steuerungsmitteln, aufweisend die Schritte: a) Bestimmen einer Anzahl von Regeln b) Ermitteln einer Anzahl von Parameter c) Herstellen oder Unterbrechen einer Leistungsverbindung zwischen wenigstens einer Energiequelle der Anzahl von Energiequellen mit wenigstens einem Energieverbraucher der Anzahl von Energieverbrauchern, abhängig von wenigstens einer Regel und/oder von wenigstens einem Parameter.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regel angewendet wird, nach der die Herstellung oder die Unterbrechung einer Leistungsverbindung dann erfolgt, wenn ein Strompreis-Parameter einen vorbestimmbaren Wert unter- oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regel angewendet wird, nach der die Herstellung oder die Unterbrechung einer Leistungsverbindung dann erfolgt, wenn ein Strompreis-Parameter innerhalb eines vorbestimmbaren Bereichs liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regel angewendet wird, nach der die Herstellung oder die Unterbrechung einer Leistungsverbindung unter Berücksichtigung eines Einspeisevergütungs-Parameters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regel angewendet wird, nach der die Herstellung oder die Unterbrechung einer Leistungsverbindung dann erfolgt, wenn eine Energiequelle (10) in der Lage ist oder nicht in der Lage ist, eine bestimmte Leistung zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Regeln mit einer logischen „UND” Verknüpfung verknüpft wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Regeln mit einer logischen „ODER” Verknüpfung verknüpft wird.
Verfahren, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Versorgungsnetz (3) Regeln definiert werden, die nicht nur für ein Gebäude, sondern für mehrere Gebäude übergreifend Geltung haben.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Gebäuden (2a–2d) in einer Zeitspanne in der ein Überangebot an elektrischer Energie herrscht, als Energiespeicher verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Gebäuden (2a–2d) in einer Zeitspanne in der ein Überangebot an regenerativer elektrischer Energie herrscht, als Energiespeicher verwendet werden.