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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Speicheranordnung für elektrische Energie, wobei die Speicheranordnung über ein elektrisches Versorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgbar ist und mindestens ein elektrischer Verbraucher von der Speicheranordnung und dem Versorgungsnetz mit elektrischer Energie speisbar ist.
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Entsprechende Speicheranordnungen sind beispielsweise als unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) bekannt. Derartige Speicheranordnungen werden zum Beispiel eingesetzt, um bei einem Stromausfall im öffentlichen Versorgungsnetz die Energieversorgung empfindlicher oder sicherheitskritischer Verbraucher sicherzustellen. Beispielsweise werden derartige Speicheranordnungen in Krankenhäusern zur Notstromversorgung verwendet. Ein anderes Einsatzgebiet liegt im Bereich der Kommunikationstechnik, da beispielsweise in Deutschland die Funktion des öffentlichen Telefonnetzes auch dann gewährleistet sein muss, wenn das öffentliche elektrische Versorgungsnetz gestört ist.
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Häufig haben der oder die elektrischen Verbraucher, die mit einer Speicheranordnung abgesichert werden, einen relativ hohen Energiebedarf. Dabei ist dieser Energiebedarf über die Zeit relativ konstant, er ist also nur relativ geringen tageszeitabhängigen Schwankungen unterworfen. Dementsprechend muss dem elektrischen Verbraucher über das elektrische Versorgungsnetz kontinuierlich eine relativ gleich bleibende Energiemenge geliefert werden.
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Andere an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossene Verbraucher, wie beispielsweise Privathaushalte, haben demgegenüber einen schwankenden Energiebedarf, der in der Regel um die Mittagszeit und in den Abendstunden am höchsten ist, während er in den Nachtstunden eher gering ist.
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Dementsprechend wird das elektrische Versorgungsnetz über die Mittagszeit und in den Abendstunden relativ stark belastet, während in den Nachtstunden die Kapazitäten des Versorgungsnetzes nicht ausgenutzt werden. Schlimmstenfalls kann es während der Stoßzeiten zu einer Überlastung des Versorgungsnetzes und damit zu Störungen kommen.
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Die zunehmende Verbreitung von Anlagen zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind oder Sonnenstrahlung trägt weiter zur Problematik bei. Wenn beispielsweise die Sonne scheint, steht viel Strom zur Verfügung, auch wenn dafür aktuell kein Bedarf besteht.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das elektrische Versorgungsnetz zu stabilisieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass während einer Energielieferbereitschaft des elektrischen Versorgungsnetzes ein Ladeniveau der Speicheranordnung über jeweils einen vorgebbaren ersten Zeitraum durch Versorgung des elektrischen Verbrauchers auf ein niedriges Niveau abgesenkt wird, bis zum Eintritt mindestens einer vorbestimmten Bedingung auf dem niedrigen Niveau gehalten wird und beim Eintritt der vorbestimmten Bedingung durch Versorgung mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz auf ein hohes Niveau angehoben wird.
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Diese Vorgehensweise hat mehrere Vorteile. So wird die ohnehin vorhandene Kapazität der Speicheranordnung, die nach dem Stand der Technik bisher immer auf einem maximalen Ladeniveau gehalten wurde, ausgenutzt, um einen Puffer oder Zwischenspeicher zur Aufnahme von elektrischer Energie zu bilden. In Zeiträumen, in denen eine hohe Belastung des elektrischen Versorgungsnetzes anliegt, folgt eine Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers aus der Speicheranordnung, so dass dem Versorgungsnetz keine Energie entnommen werden muss. Das Versorgungsnetz wird dadurch entlastet. Auch können Unregelmäßigkeiten beim Energieverbrauch des elektrischen Verbrauchers durch die Speicheranordnung vergleichmäßigt werden, so dass dadurch keine zusätzliche Belastung des Versorgungsnetzes erfolgt. Da das Ladeniveau der Speicheranordnung über einen bestimmten Zeitraum auf dem niedrigen Niveau gehalten wird, erfolgt nicht unmittelbar nach der Energieentnahme aus der Speicheranordnung eine erneute Energiezufuhr zu der Speicheranordnung aus dem Versorgungsnetz. Vielmehr wird die Energiezufuhr aus dem Versorgungsnetz auf einen späteren Zeitpunkt verschoben, kann also zu einem Zeitpunkt erfolgen, in dem das elektrische Versorgungsnetz nur gering belastet ist, so dass vereinfacht ausgedrückt ”mehr Strom zur Verfügung steht”. Um das Ladeniveau der Speicheranordnung auf einem konstanten Niveau zu halten, ist nur relativ wenig Energie erforderlich. An der Speicheranordnung wird dabei eine Spannung angelegt, so dass aus der Speicheranordnung kein Strom fließt. Die Zeiträume, in denen das Ladeniveau abgesenkt wird bzw. angehoben wird, und in denen das Ladeniveau konstant gehalten wird, sind dabei frei einstellbar. Dadurch ist eine individuelle Anpassung möglich und damit eine maximale Entzerrung der Netzbelastung. Gleichzeitig ist es für den Anwender möglich, die Energiekosten zu senken, da zu Zeiten, in denen das Versorgungsnetz nicht stark ausgelastet ist, die Energiepreise vielfach niedriger sind. In diesen Zeiten wird dann ein Anheben des Ladeniveaus der Speicheranordnung vorgenommen werden, während zu Zeiten, in denen die Energiekosten maximal sind, der elektrische Verbraucher durch die Speicheranordnung mit elektrischer Energie versorgt wird, so dass das Ladeniveau der Speicheranordnung abgesenkt wird. Neben der Stabilisierung des Versorgungsnetzes durch eine Entzerrung der Netzbelastung erfolgt also auch eine Kosteneinsparung. Die jeweiligen Zeiträume und/oder Bedingungen, bei deren Auftreten das Ladeniveau geändert wird, können von einem Nutzer vorgegeben werden.
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Vorzugsweise wird das Ladeniveau über einen vorbestimmten zweiten Zeitraum auf dem hohen Niveau gehalten. Es erfolgt also nicht unmittelbar nach dem Anheben des Ladeniveaus der Speicheranordnung auf das hohe Niveau durch Energieversorgung aus dem Versorgungsnetz eine Versorgung des elektrischen Verbrauchers aus der Speicheranordnung, sondern die Speicheranordnung wird zunächst auf dem hohen Niveau gehalten. Das Aufladen und das Entladen der Speicheranordnung kann dann relativ weit auseinander liegen.
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Vorzugsweise werden die jeweiligen Bedingungen und/oder Zeiträume durch Verbrauchsanforderungen des elektrischen Verbrauchers, dem Versorgungszustand des Versorgungsnetzes und insbesondere der Energiekosten, durch Tageszeiten und/oder individuelle Vorgaben beeinflusst, die beispielsweise durch ein Gebäudemanagement vorgegeben werden. Für die Bestimmung der Bedingungen und/oder Zeiträume können also eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden. Dadurch ist eine individuelle Anpassung des Verfahrens möglich und damit eine optimale Nutzung der Speicheranordnung.
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Dabei ist bevorzugt, dass das Absenken des Ladungsniveaus stetig über einen Zeitraum von ein bis zwei Stunden erfolgt. Die Versorgung des elektrischen Verbrauchers erfolgt also über einen relativ langen Zeitraum ausschließlich oder größtenteils durch die Speicheranordnung, so dass keine bzw. kaum Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogen wird. Dadurch kann eine Entlastung des elektrischen Versorgungsnetzes in Zeiten erfolgen, in denen es besonders belastet ist, wie beispielsweise während der Mittagszeit.
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Vorzugsweise wird die Höhe des Ladeniveaus, insbesondere des niedrigen Niveaus, mit einem Laderegler eingestellt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass dem Laderegler ein entsprechender Sollwert vorgegeben wird. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch auch bei bereits bestehenden Speicheranordnungen sehr einfach. In vielen Fällen ist eine einfache Anpassung der bereits vorhandenen Steuerung ausreichend, um den Sollwert des Ladereglers und damit das Ladeniveau der Speicheranordnung verändern zu können. Dabei ist es auch möglich, mehr als zwei Niveaus vorzusehen, beispielsweise drei oder vier.
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Vorzugsweise ist das niedrige Niveau ausreichend, den elektrischen Verbraucher mindestens eine Stunde oder länger aus der Speicheranordnung mit elektrischer Energie zu versorgen. Auch wenn das Ladeniveau der Speicheranordnung auf das untere Niveau abgesenkt worden ist, kann mit Sicherheit gewährleistet werden, dass der elektrische Verbraucher ausschließlich aus der Speicheranordnung über einen ausreichend langen Zeitraum mit elektrischer Energie versorgt werden kann, falls eine Störung des elektrischen Versorgungsnetzes auftreten sollte.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass das niedrige Niveau mindestens 60% bis 80% des hohen Niveaus beträgt. Die Speicheranordnung muss dann nicht unbedingt größer als üblich dimensioniert werden, um das Verfahren verwenden zu können. In der Regel reichen 80% des Ladeniveaus aus, um den elektrischen Verbraucher bei Notstromversorgung über einen ausreichend langen Zeitraum mit elektrischer Energie versorgen zu können, ohne die Speicheranordnung tief zu entladen. Gleichzeitig kann aus der Speicheranordnung genug Energie entnommen werden, um während Stoßzeiten, in denen das elektrische Versorgungsnetz stark belastet ist, den Verbraucher aus der Speicheranordnung mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Vorzugsweise wird das Ladeniveau über einen längeren Zeitraum auf dem niedrigen Niveau gehalten als auf dem hohen Niveau. Zum Halten des Ladeniveaus auf dem niedrigen Niveau ist etwas weniger Energie erforderlich als zum Halten auf dem hohen Niveau. Vielfach ist die Belastung des Versorgungsnetzes über einen größeren Zeitraum relativ hoch, und nur über einen relativ kurzen Zeitraum gering. Dieser kurze Zeitraum, in dem die Belastung des Versorgungsnetzes gering ist, wird dann dazu ausgenutzt, das Ladeniveau der Speicheranordnung auf das hohe Niveau anzuheben, wobei dieses hohe Niveau solange konstant gehalten wird, bis die Belastung des elektrischen Versorgungsnetzes zugenommen hat.
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Vorzugsweise werden Änderungen des Ladeniveaus periodisch wiederholt, wobei eine Periodendauer insbesondere 24 Stunden beträgt. Über eine Periode wird das Ladeniveau von einem hohen Niveau auf ein unteres Niveau abgesenkt, anschließend auf dem niedrigen Niveau gehalten und dann wieder auf das hohe Niveau angehoben, wobei das Ladeniveau über einen gewissen Zeitraum auch auf dem hohen Niveau bleiben kann. Durch eine periodische bzw. zyklische Wiederholung über 24 Stunden erfolgt also immer zu den jeweils gleichen Zeiten eine Änderung des Ladeniveaus der Speicheranordnung. Dabei ist es durchaus denkbar, beispielsweise durch externe Beeinflussung die einzelnen Zeiträume oder die Höhe des Ladeniveaus individuell zu verändern. Die sich periodisch wiederholenden Zeiträume dienen dann sozusagen als Grundlage.
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Vorzugsweise hält man eine über 24 Stunden aus der Speicheranordnung entnommene Energiemenge konstant. Jeden Tag ist also eine feste Energiemenge aus dem Versorgungsnetz der Speicheranordnung zuzuführen. Dabei kann der Zeitraum und die Tageszeit, zu denen die Speicheranordnung mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz versorgt werden soll, festgelegt werden und insbesondere jeden Tag gleich sein. Dadurch kann die Auslastung des elektrischen Versorgungsnetzes besser vorgeplant werden. Insbesondere kann der Zeitraum, in dem ein Anheben des Ladeniveaus der Speicheranordnung durch Energieversorgung aus dem Versorgungsnetz erfolgt, immer in Zeiten erfolgen, in denen das elektrische Versorgungsnetz nicht ausgelastet ist.
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Die Speicheranordnung weist z. B. mindestens eine aufladbare Batterie auf. Aufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren sind übliche Speichermittel zum Speichern von elektrischer Energie und in der Regel bei unabhängigen Stromversorgungen eingesetzt. Aufladbare Batterien sind auch mit hohen Kapazitäten zu relativ geringen Stückpreisen erhältlich. Dabei sind sie relativ störunanfällig.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
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1 ein Diagramm mit dem Ladeniveau der Speicheranordnung und weiteren elektrischen Parametern und
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auslastung eines Versorgungsnetzes.
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In 1 ist in einem Diagramm das Ladeniveau 1 einer Speicheranordnung für elektrische Energie über einen Zeitraum von 24 Stunden, also über einen Tag, dargestellt. Das Ladeniveau 1 befindet sich über einen Zeitraum zwischen 10:00 Uhr vormittags bis etwa 1:15 Uhr in der Nacht auf einem niedrigen Niveau, das in etwa 80% der maximalen Kapazität der Speicheranordnung bzw. eines hohen Ladeniveaus 1 entspricht. Das Ladeniveau 1 wird also über einen Zeitraum von fast 15 Stunden auf dem niedrigen Niveau konstant gehalten.
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Von 1:15 Uhr bis etwa 6:00 Uhr, also über fast fünf Stunden, wird das Ladeniveau 1 vom niedrigen Niveau auf ein hohes Niveau angehoben. Es erfolgt also ein Laden der Speicheranordnung. Das hohe Niveau wird anschließend über etwa 2 Stunden konstant gehalten. Darauf folgt ein Absenken des Ladeniveaus 1 vom hohen Niveau auf das niedrige Niveau durch Energieabgabe aus der Speicheranordnung an einen elektrischen Verbraucher. Während dieser Zeit benötigt der Verbraucher keine Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz.
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Über den gesamten Zeitraum, also über die gesamten 24 Stunden, wird dem elektrischen Verbraucher ein im Wesentlichen konstanter Strom 2 zugeführt. Der elektrische Verbraucher wird also konstant mit elektrischer Energie versorgt, die jedoch zeitweise von der Speicheranordnung und zeitweise vom öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird.
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Ein Strom 3, der zur oder von der Speicheranordnung fließt, ist nur in Zeiträumen, in dem sich das Ladeniveau 1 ändert, ungleich Null. Während des Absenkens des Ladeniveaus 1 vom hohen Niveau auf das niedrige Niveau wird dabei von der Speicheranordnung Strom abgegeben, während beim Anheben des Ladeniveaus 1 vom niedrigen Niveau auf das hohe Niveau Strom von der Speicheranordnung aufgenommen wird. Dieser Strom wird der Speicheranordnung dabei vom elektrischen Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt, während die Speicheranordnung ihren Strom wiederum dem elektrischen Verbraucher übermittelt.
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Eine Spannung 4 der Speicheranordnung ist in Bereichen, in denen das Ladeniveau 1 konstant gehalten wird, ebenfalls nahezu konstant. Diese Spannung wird dabei auf einem Niveau gehalten, bei dem kein Strom aus oder zu der Speicheranordnung fließt.
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Die Speicheranordnung wird also so betrieben, dass über gewisse Zeiträume eine Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers ausschließlich oder größtenteils durch die Speicheranordnung erfolgt, während über andere Zeiträume das Ladeniveau der Speicheranordnung konstant gehalten oder erhöht wird. Dargestellt sind dabei nur zwei Ladeniveaus, also ein hohes und ein niedriges Ladeniveau. Denkbar ist auch, beispielsweise ein drittes Ladeniveau einzuführen, das noch unterhalb des niedrigen Ladeniveaus liegt und beispielsweise dann durch Abgeben der Energie an den elektrischen Verbraucher angesteuert wird, wenn kurz darauf ein Anheben des Ladeniveaus auf das hohe Niveau erfolgt. Die Wahrscheinlichkeit, dass gerade in dem Zeitraum vor dem gewünschten Anheben des Ladeniveaus, in dem Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz bezogen werden muss, eine Störung des elektrischen Versorgungsnetzes erfolgt, ist relativ gering. Das Ladeniveau sollte allerdings nie auf ein Niveau abgesenkt werden, bei dem eine ausreichende Versorgung des elektrischen Verbrauchers über einen größeren Zeitraum nicht gewährleistet werden kann.
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Dargestellt ist, das Ladeniveau auf ein niedriges Niveau abzusenken, das 80% der maximalen Kapazität der Speicheranordnung bzw. des hohen Niveaus entspricht. Je nach Verhältnis der Kapazität der Speicheranordnung zum Energiebedarf des elektrischen Verbrauchers und möglicherweise auch weiteren Faktoren kann die Höhe des niedrigen Niveaus auch höher oder niedriger als 80% des hohen Niveaus sein, beispielsweise 75% oder 85% In 2 ist in einem Diagramm die Auslastung eines öffentlichen, elektrischen Versorgungsnetzes an zwei verschiedenen Wochentagen dargestellt. Sowohl die Höhe der durchschnittlichen Auslastung 5, 6 als auch der Verlauf der aktuellen Auslastung über die Zeit (24 Stunden), die in Kurven 7, 8 dargestellt ist, sind relativ ähnlich. Es ist zu erkennen, dass in den Nachtstunden, insbesondere zwischen 3:00 Uhr und 5:00 Uhr, eine geringe Auslastung des elektrischen Versorgungsnetzes vorhanden ist, während zwischen 8:00 Uhr und 14:00 Uhr und zwischen 19:00 Uhr und 21:00 Uhr eine relativhohe Auslastung vorliegt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der elektrische Verbraucher in Zeiten, in denen das elektrische Versorgungsnetz besonders belastet ist, größtenteils oder ausschließlich durch die Speicheranordnung mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein Laden der Speicheranordnung erfolgt aber in Zeiträumen, in denen die Auslastung des elektrischen Versorgungsnetzes gering ist, beispielsweise zwischen 3:00 Uhr und 5:00 Uhr nachts. Dadurch kann das elektrische Versorgungsnetz zu Stoßzeiten entlastet werden und gleichzeitig eine größere Auslastung während der Zeiten erfolgen, in denen die Auslastung gering ist.
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Da die Strompreise bzw. Energiekosten in der Regel mit der jeweiligen Ausnutzung des Versorgungsnetzes korrelieren, ergibt sich für den Anwender des Verfahrens ein hohes Einsparpotential.
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Durch die Veränderung des Ladeniveaus der Speicheranordnung, das bisher immer konstant gehalten wurde, um eine ausreichende Sicherheit bei Ausfall des elektrischen Versorgungsnetzes zu gewährleisten, kann also zum einen die Netzbelastung des Versorgungsnetzes vergleichmäßigt werden und können zum anderen Kosten gespart werden.
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Bei einer Anlage mit einer Nennleistung von beispielsweise 72 kW wird üblicherweise eine Speicheranordnung zur Notstromversorgung mit einer Kapazität von ca. 5:000 Ah eingesetzt. Eine derartige Kapazität reicht aus, die Anlage über einen Zeitraum von etwa 4,5 Stunden mit elektrischer Energie zu versorgen, falls das elektrische Versorgungsnetz gestört ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nun elektrische Energie aus der Speicheranordnung der Anlage zugeführt, wenn das elektrische Versorgungsnetz stark ausgelastet ist und dementsprechend die Kosten pro MWh sehr hoch sind. Die aus der Speicheranordnung entnommene Energie wird aus dem elektrischen Versorgungsnetz wieder der Speicheranordnung zugeführt, wenn die Auslastung des Versorgungsnetzes gering ist und dementsprechend die Kosten pro MWh gering sind. Beispielsweise beträgt der Unterschied je MWh zwischen dem Maximalpreis und dem Mindestpreis derzeit 38,00 EUR.
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Wird nun die Anlage bzw. der elektrische Verbraucher über einen Zeitraum von einer Stunde aus der Speicheranordnung mit Energie versorgt und damit das Ladeniveau der Speicheranordnung gesenkt, ist damit eine Kosteneinsparung von 25,00 EUR pro Tag erreichbar. Pro Jahr ergeben sich damit Kosteneinsparungen von über 9.000 EUR. Das niedrige Niveau liegt dabei etwa 20% unterhalb des hohen Niveaus.
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Bei Anlagen mit höherer Leistung, also elektrischen Verbrauchern mit höherer Energieanforderung, und Speicheranordnungen mit entsprechend größerer Kapazität, ergeben sich noch größere Kosteneinsparungen. Bei einer Anlage mit einer Leistung von 150 kW und einer Speicheranordnung mit einer Kapazität von beispielsweise 12.000 Ah kann die Anlage circa 5,5 Stunden ausschließlich von der Speicheranordnung mit Energie versorgt werden. Wird nun über einen Zeitraum von einer Stunde während der Höchstbelastung des Versorgungsnetzes die Anlage durch die Speicheranordnung mit elektrischer Energie versorgt, wobei das Ladeniveau der Speicheranordnung auf ein unteres Niveau abgesenkt wird, das etwa 70% des hohen Niveaus entspricht, können Kosteneinsparungen von derzeit etwa 50,00 EUR pro Tag erreicht werden, was etwa 18.000,00 EUR im Jahr entspricht. Bei einer weiteren Absenkung des niedrigen Niveaus auf ca. 65% des hohen Niveaus und einer entsprechenden Verlängerung des Zeitraums, in dem die Anlage bzw. der elektrische Verbraucher aus der Speicheranordnung versorgt wird, beispielsweise auf zwei Stunden, ergeben sich Kosteneinsparungen pro Tag von etwa 100,00 EUR.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt also nicht nur eine Vergleichmäßigung der Auslastung öffentlicher Versorgungsnetze, sondern es sind auch große Kosteneinsparungen zu erwarten.
