DE102011055229A1

DE102011055229A1 - Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung mit einem Energiespeicher unter Ausnutzung von Toleranzen bei der Bestimmung der Frequenzabweichung

Info

Publication number: DE102011055229A1
Application number: DE102011055229A
Authority: DE
Inventors: Georg Markowz; Wolfgang Schweissthal; Carsten Kolligs; Holger Brezski; Wolfgang Deis; Prof. Michael Igel; Dr. Anna Flemming; Dennis Gamrad; Dr. Sébastien Cochet; Prof. Stefan Winternheimer
Original assignee: Evonik Degussa GmbH; Evonik Industries AG; Steag Power Saar GmbH
Current assignee: Steag Power Saar GmbH; Evonik Operations GmbH
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US9667071B2; EP2777122A1; WO2013068256A1; US20140327404A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Energiespeicher dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt und/oder aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt, wobei die Regelleistung in Abhängigkeit von einer Frequenzabweichung von einem Sollwert einer Netzfrequenz erbracht wird, wobei die Toleranz bezüglich der Frequenzabweichung genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers gleichzeitig mit der Bereitstellung der Regelleistung durch den Energiespeicher einzustellen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Steuerung und einen Energiespeicher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen oder anschließbar ist, die Steuerung mit dem Energiespeicher verbunden ist und die vom Energiespeicher abgegebene und/oder aufgenommene Regelleistung regelt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Energiespeicher dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt und/oder aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt, wobei die Regelleistung in Abhängigkeit von einer Frequenzabweichung von einem Sollwert einer Netzfrequenz erbracht wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Stromnetze werden verwendet, um Strom von meist mehreren Energieerzeugern in großen Gebieten auf viele Nutzer zu verteilen und Haushalte und Industrie mit Energie zu versorgen. Energieerzeuger meist in Form von Kraftwerken stellen dazu die benötigte Energie bereit. In der Regel wird die Stromerzeugung auf den prognostizierten Verbrauch hin geplant und bereitgestellt.
Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es jedoch zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen.
Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50,000 Hz. Diese Frequenz wird häufig auch als Sollfrequenz bezeichnet. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber dem Plan führt zu einer Erhöhung der Frequenz bei planmäßig erzeugter Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Stromproduktion gegenüber dem Plan bei planmäßigem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung der Energieerzeuger führt dagegen zu einer Verringerung der Netzfrequenz bei planmäßigem Verbrauch, gleiches gilt für eine Erhöhung des Verbrauchs gegenüber dem Plan bei plangemäßer Erzeugung.
Aus Gründen der Netzstabilität ist es erforderlich, diese Abweichungen in einem definierten Rahmen zu halten. Dazu muss je nach Höhe und Richtung der Abweichung gezielt positive Regelleistung durch Zuschalten von zusätzlichen Erzeugern oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern oder Hinzuschalten von Verbrauchern bereitgestellt werden. Es besteht allgemein der Bedarf an einer wirtschaftlichen und effizienten Bereitstellung dieser Regelleistungen, wobei die Anforderungen an die bereitzuhaltenden Kapazitäten und die Dynamik der Regelleistungsquellen beziehungsweise -senken je nach Charakteristik des Stromnetzes variieren können.
In Europa gibt es beispielsweise ein Regelwerk (UCTE Handbook), das drei verschiedene Kategorien an Regelleistung beschreibt. Darin sind auch die jeweiligen Anforderungen an die Regelleistungsarten festgelegt. Die Regelleistungsarten unterscheiden sich unter anderem in den Anforderungen an die Dynamik und die Dauer der Leistungserbringung. Außerdem werden sie unterschiedlich hinsichtlich der Randbedingungen eingesetzt. Primärregelleistung (PRL) ist unabhängig vom Ort der Verursachung der Störung europaweit von allen eingebundenen Quellen zu erbringen und zwar im Wesentlichen proportional zur aktuellen Frequenzabweichung. Die absolut maximale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von minus 200 mHz und (absolut) darunter zu erbringen, die absolut minimale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von plus 200 mHz und darüber zu erbringen. Hinsichtlich der Dynamik gilt, dass aus dem Ruhezustand die jeweils (betragsmäßig) maximale Leistung innerhalb von 30 Sekunden bereitgestellt werden muss. Demgegenüber sind Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MR) in den Bilanzräumen zu erbringen, in denen die Störung aufgetreten ist. Ihre Aufgabe ist es, die Störung möglichst schnell zu kompensieren und somit dafür zu sorgen, dass die Netzfrequenz wieder möglichst schnell, vorzugsweise spätestens nach 15 Minuten wieder im Sollbereich liegt. Hinsichtlich der Dynamik werden an die SRL und die MRL geringere Anforderungen gestellt (5 beziehungsweise 15 Minuten bis zur vollen Leistungserbringung nach Aktivierung), gleichzeitig sind diese Leistungen auch über längere Zeiträume bereitzustellen als Primärregelleistung.
In den bisher betriebenen Stromnetzen wird ein Großteil der Regelleistung von konventionellen Kraftwerken, insbesondere Kohle- und Atomkraftwerken bereitgestellt. Zwei grundsätzliche Problemstellungen resultieren hieraus. Zum einen werden die konventionellen, Regelleistung bereitstellenden Kraftwerke nicht bei Volllast und damit maximalen Wirkungsgraden, sondern leicht unterhalb derselben betrieben, um bei Bedarf positive Regelleistung bereitstellen zu können, gegebenenfalls über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum. Zum anderen sind mit zunehmendem Ausbau und zunehmender bevorzugter Nutzung der erneuerbaren Energien immer weniger konventionelle Kraftwerke in Betrieb, was aber oftmals die Grundvoraussetzung für die Erbringung von Regelleistungen ist.
Aus diesem Grund wurden Ansätze entwickelt, vermehrt Energiespeicher einzusetzen, um negative Regelleistung zu speichern und bei Bedarf als positive Regelleistung bereitzustellen.
Der Einsatz von Hydro-Pumpspeicherwerken zur Erbringung von Regelleistung ist Stand der Technik. In Europa werden die verschiedenen Regelleistungsarten von Pumpspeichern erbracht. Hydropumpspeicher werden jedoch auch immer wieder genannt als gegenwärtig wirtschaftlichste Technologie zur Ein- und Ausspeicherung von erneuerbaren Energien, um Energieangebot und -bedarf zeitlich besser aufeinander anpassen zu können. Das Potenzial zum Ausbau der Speicherkapazitäten – insbesondere in Norwegen – wird kontrovers diskutiert, da für die Nutzung beträchtliche Kapazitäten in Stromleitungen genehmigt und installiert werden müssen. Folglich steht die Nutzung für das energiewirtschaftliche Lastmanagement in Konkurrenz zur Bereitstellung von Regelleistung.
Vor diesem Hintergrund wurden im Bereich der Primärregelleistung in der jüngeren Vergangenheit immer wieder Ansätze untersucht und beschrieben, auch andere Speichertechnologien wie beispielsweise Schwungmassen- und Batteriespeicher für die Bereitstellung von Regelleistung einzusetzen.
Aus der US 2006/122738 A1 ist ein Energiemanagementsystem bekannt, dass einen Energieerzeuger und einen Energiespeicher umfasst, wobei der Energiespeicher durch den Energieerzeuger aufladbar ist. Dadurch soll ein Energieerzeuger, der im normalen Betrieb keine gleichmäßige Energieerzeugung gewährleistet, wie zum Beispiel die zunehmend favorisierten erneuerbaren Energien, wie Windkraft- oder Photovoltaikkraftwerke, in die Lage versetzt werden, ihre Energie gleichmäßiger ins Stromnetz abzugeben. Nachteilig ist hieran, dass hierdurch zwar ein einzelnes Kraftwerk stabilisiert werden kann, alle anderen Störungen und Schwankungen des Stromnetzes aber nicht oder nur sehr begrenzt abgefangen werden können.
Es ist aus der WO 2010 042 190 A2 und der JP 2008 178 215 A bekannt, Energiespeicher zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu verwenden. Wenn die Netzfrequenz einen Bereich um die gewünschte Netzfrequenz verlässt, wird entweder Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt oder in den Energiespeicher aufgenommen, um die Netzfrequenz zu regulieren. Auch die DE 10 2008 046 747 A1 schlägt vor, einen Energiespeicher in einem Inselstromnetz derart zu betreiben, dass der Energiespeicher zur Kompensation von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsminima eingesetzt wird. Nachteilig ist hieran, dass die Energiespeicher nicht die notwendige Kapazität haben, um eine längere Störung oder mehrere, hinsichtlich der Frequenzabweichung gleichgerichtete Störungen hintereinander zu kompensieren.
In dem Artikel „Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007, wird die Kapazität eines Akkumulators in Abhängigkeit von technischen und betrieblichen Randbedingungen bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen (UCTE Handbook) Primärregelleistung bereitstellen kann. Es zeigt sich, dass auf Grund der Ein- und Ausspeicherverluste langfristig immer wieder ein Aufladen des Energiespeichers in größeren Zeitabständen unvermeidbar ist. Trotzdem kann es kurzfristig beziehungsweise vorübergehend dazu kommen, dass der Energiespeicher überladen wird. In dem Artikel wird ein (begrenzter Einsatz) von Widerständen vorgeschlagen. Dies führt jedoch zu einer Energievernichtung und in der Regel einer Entwertung der Energie. Trotz dieser Maßnahme ist der Energiespeicher mit einer Volllast-Laufzeit von 1,6 Stunden immer noch vergleichsweise groß dimensioniert, jedenfalls deutlich größer als es den Minimalanforderungen des UCTE Handbooks entspricht. Die vergleichsweise hohen Kapazitäten sind mit entsprechenden Investitionskosten verbunden und machen den Einsatz von Speichern oftmals unwirtschaftlich.
Der Preis für die Bereitstellung von Regelleistung richtet sich maßgeblich danach, wie schnell die Regelleistung nach einer Anfrage, das heißt, nach einer Frequenzabweichung außerhalb der Toleranz, bereitgestellt werden kann. Bei PRL und SRL wird schon die Bereithaltung der Energie vergütet. Bei SRL und MR wird auch die Arbeitsleistung vergütet.
Im Bereich der Sekundärregelleistungsbereitstellung werden im Folgenden für das Beispiel des europäischen Verbundnetzes der UCTE die verschiedenen Anforderungen an die Dynamik der Leistungserbringung (In- und Außerbetriebnahme) der Quellen (beziehungsweise der Pools aus Quellen) erläutert.

1. Die präqualifizierbare Sekundärregelleistung (kurz SR-Leistung, SRL oder auch Nennleistung) ergibt sich aus der innerhalb von 5 Minuten aktivierten und gemessenen Leistungsänderung (jeder Regelrichtung)
2. Ein kurzzeitiges Überschwingen von maximal 10 % über den Sekundärregelleistungssollwert ist zulässig. In jedem Fall ist ein kurzzeitiges Überschwingen von bis zu 5 MW zulässig.
3. Im Fall von Sekundärregelleistungs-Pools muss nach spätestens 30 Sekunden eine Reaktion des Pools für den Übertragungsnetzbetreiber messbar sein.

Die Vergütungen für die Sekundärregelleistungs-Bereitstellung setzen sich zusammen aus einem Leistungsentgelt für die Vorhaltung der Sekundärregelleistung und einem Arbeitsentgelt für die tatsächlich erbrachte Energie im Rahmen der Sekundärregelleistungs-Bereitstellung.
Solche Vorgaben insbesondere zu Gruppen von Energieerzeugern sind aus dem Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007" vom November 2009 ersichtlich. Hierzu ist insbesondere der Anhang D2 für die Anforderungen von SRL-Pools relevant, in dem auch beschrieben ist, nach welchen Verfahren eine Leittechnik bei einem Anbieter von SRL betrieben werden kann.
Bei der Verwendung von Kraftwerken oder Verbrauchern, wie Elektrolyse-Werken zur Bereitstellung von Regelleistung ergibt sich das Problem, dass diese nicht schnell genug hochgefahren werden können, um im Ernstfall in der erforderlichen Geschwindigkeit für MR oder für SRL bereitzustellen.
Akkumulatoren und andere Energiespeicher können sehr schnell Energie aufnehmen oder abgeben, wodurch sie sich grundsätzlich zur Bereitstellung von PRL eignen. Nachteilig ist jedoch hieran, dass sehr große Kapazitäten der Akkumulatoren bereitgestellt werden müssen, um die Leistung auch über einen längeren Zeitraum oder wiederholt liefern zu können. Akkumulatoren mit sehr großer Kapazität sind aber auch sehr teuer.
Auf Grund der Verluste beim Ein- und Ausspeichern von Energie erfolgt bei statistisch symmetrischer Abweichung der Netzfrequenzen vom Sollwert durch den Betrieb früher oder später eine Entleerung des Energiespeichers, wie zum Beispiel eines Akkumulators. Es ist daher erforderlich, den Energiespeicher mehr oder weniger regelmäßig gezielt aufzuladen. Eventuell muss dieser Ladestrom separat bezahlt werden.
Aus der US 7,839,027 B2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung mit einem Energiespeicher bekannt. Dabei wird in den Zeiten, in denen keine Regelleistung benötigt wird, der Energiespeicher geladen oder entladen, um einen gewünschten Ausgangsladezustand zu erzielen. Nachteilig ist hieran, dass die Leistung aus dem Netz bezogen werden muss, also bezahlt werden muss. Ferner ist Nachteilig, dass, wenn viele Regelzyklen aufeinander folgen, der Energiespeicher noch immer stark geladen oder entladen wird. Es muss also noch immer eine große Kapazität (Energiespeicherkapazität) des Energiespeichers vorgehalten werden.
Eine konsequente Einhaltung der Leitlinien zur Präqualifizierung von Primärregeltechnologien erfordert die Bereithaltung entsprechender Leistungsreserven zu jedem beliebigen Betriebszeitpunkt und damit Ladezustand des Energiespeichers. Diese Anforderung (in Deutschland aktuell: die vermarktete Primärregelleistung über eine Dauer von 15 min) führt dazu, dass eine entsprechende, Investitionskosten erhöhende Kapazität vorgehalten werden muss. Tatsächlich würde eine solche Reserve (statistisch bedingt) nur sehr selten genutzt werden.
Es wurde im Rahmen der Erfindung gefunden, dass mitunter beträchtliche Energiemengen monoton ein- oder ausgespeist werden, wie eine Analyse von realen Frequenzverläufen der Erfinder zeigt. Dies führt bei gegebener Speicherkapazität zu entsprechend hoher Ladezustandsänderung. Große Ladezustandsänderungen wiederum führen tendenziell zu schnellerer Alterung als geringe Ladezustandsänderungen. Entweder erreicht der Speicher somit eher sein Lebensende und muss eher ausgetauscht werden, oder die Kapazität ist à priori zu erhöhen, um die relative Ladezustandsänderung zu reduzieren. Beides führt zu einer Erhöhung der Investitionskosten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Möglichkeit gefunden werden, die Wirtschaftlichkeit des Betriebs von Energiespeichern, wie Akkumulatoren, insbesondere zur Primärregelleistungsbereitstellung durch Vermeidung von ineffizienten Ladezuständen zu verbessern. Dabei soll möglichst die Bereitstellung der Primärregelleistung mit geringerer Energiespeicher-Kapazität ermöglicht werden. Zudem wäre es auch vorteilhaft, wenn eine geringere Alterungsbelastung erreicht werden könnte. Ferner wäre auch die Bereitstellung der Primärregelleistung unter Vermeidung eines zwischenzeitlichen Ladens wünschenswert. Auch soll Regelleistung bei effizienter Energieausbeute des Regelleistungslieferanten bereitgestellt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass insbesondere bei einer Verwendung von galvanischen Elementen, wie Akkumulatoren, die Kapazität des Energiespeichers möglichst gering sein soll, um die erforderliche Regelleistung bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Toleranz bezüglich der Frequenzabweichung genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers gleichzeitig mit der Bereitstellung der Regelleistung durch den Energiespeicher einzustellen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Toleranz des Betrags der zu erbringenden Regelleistung als Funktion der Frequenzabweichung genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers einzustellen, vorzugsweise gleichzeitig mit der Bereitstellung der Regelleistung durch den Energiespeicher.
Unter der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung und der Toleranz bei der Bestimmung der Frequenzabweichung ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass vom Netzbetreiber, aufgrund technischer Rahmenbedingungen, wie der Messgenauigkeit beim Bestimmen der erbrachten Regelleistung oder der Netzfrequenz, gewisse Abweichungen zwischen einer idealen Sollleistung und der tatsächlich erbrachten Regelleistung akzeptiert werden. Die Toleranz kann vom Netzbetreiber gewährt sein, könnte aber auch einer gesetzlichen Vorgabe entsprechen.
Der Vorteil dieser Vorgehensweisen ist darin zu sehen, dass es auch während des Erbringens der Regelleistung und damit auch kontinuierlich gelingt, den Ladezustand (Ladungszustand) des Energiespeichers zu regulieren. Die Begriffe Ladungszustand und Ladezustand sind erfindungsgemäß als Äquivalent anzusehen.
Als Energiespeicher kommen insbesondere LESRs (Limited Energy Storage Resources) in Frage.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Frequenzabweichung vom Sollwert der Netzfrequenz bestimmt wird und aus der Frequenzabweichung der Bedarf an positiver und/oder negativer Regelleistung bestimmt wird.
Bei der direkten Bestimmung der Netzfrequenz beziehungsweise der Frequenzabweichung können eigene Messapparaturen verwendet werden. Hierdurch bietet sich die Möglichkeit, die Frequenzabweichung mit einer höheren Genauigkeit zu bestimmen, als durch den Netzbetreiber vorgeschrieben. Dadurch kann eine größere Frequenztoleranz genutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers zu regeln.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Frequenzabweichung mit einer größeren Genauigkeit als für die Erbringung der Regelleistung notwendig gemessen wird, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von zumindest ±8 mHz, besonders bevorzugt von zumindest ±4 mHz, ganz besonders bevorzugt von zumindest ±2 mHz, speziell bevorzugt von zumindest ±1 mHz.
Je höher die Genauigkeit beim Bestimmen der Frequenzabweichung der Netzfrequenz vom Sollwert durchgeführt werden kann, desto größer ist der Spielraum, der genutzt werden kann, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass zur Nutzung der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung der Betrag der angeforderten Regelleistung überschritten wird, vorzugsweise um maximal 30 % und/oder um 10 MW, besonders bevorzugt um maximal 20% und/oder um 5 MW, wobei insbesondere die prozentuale Überschreitung des Betrags der angeforderten Regelleistung proportional der Abweichung des Ladezustands des Energiespeichers von einem gewünschten mittleren Ladezustand gewählt wird.
Eine Überschreitung ist nämlich bei der Bereitstellung von Regelleistung geeigneter als eine Unterschreitung, die zu Problemen im Stromnetz führen könnte. Daher kann der Netzbetreiber eine größere Toleranz bei einer Überschreitung der Regelleistung gewähren, als bei einer Unterschreitung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betrag der bereitgestellten Regelleistung mit einer größeren Genauigkeit als für die Erbringung der Regelleistung notwendig gemessen wird, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von zumindest ±10 kW, besonders bevorzugt von zumindest ±1 kW, ganz besonders bevorzugt von zumindest ±100 W, speziell bevorzugt 10 W, insbesondere mit einer Genauigkeit von 1%, bevorzugt 0,1% der präqualifizierten Leistung.
Eine Erhöhung der Messgenauigkeit führt auch bei der Regelleistung zu einer größeren Toleranz, die zur Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers genutzt werden kann.
Gemäß einer speziell bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand des Energiespeichers dadurch eingestellt wird, dass für den Fall, in dem der Ladezustand des Energiespeichers oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt, der Energiespeicher eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende größere Regelleistung in das Stromnetz einspeist oder eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende kleinere Regelleistung aus dem Stromnetz aufnimmt und/oder für den Fall, in dem der Ladezustand des Energiespeichers unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt, der Energiespeicher eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende kleinere Regelleistung in das Stromnetz einspeist oder eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende größere Regelleistung aus dem Stromnetz aufnimmt.
Hierdurch werden Details gegeben, wie eine erfindungsgemäße Regelung des Ladezustands erreicht werden kann. Diese Grundzüge geben allgemeingültige Eckpunkte eines erfindungsgemäßen Verfahrens wieder, das die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben löst.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Grenzwert des Ladezustands zwischen 40% und 80% der maximalen Ladung des Energiespeichers liegt, vorzugsweise zwischen 45% und 70%, besonders bevorzugt zwischen 50% und 60%, und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands zwischen 20% und 60% der maximalen Ladung, vorzugsweise zwischen 30% und 55%, besonders bevorzugt zwischen 40 % und 50%, oder der erste und der zweite Grenzwert des Ladezustands bei 50% der maximalen Ladung des Energiespeichers liegen.
Die genannten Bereiche für die Grenzwerte des Ladezustands des Energiespeichers sind erfindungsgemäß für die Realisierung erfindungsgemäßer Verfahren besonders geeignet. Insbesondere bei einer großen Kapazität des Energiespeichers können die Grenzwerte auch bei 80% beziehungsweise 20% der maximalen Ladung des Energiespeichers liegen. Die prozentualen Angaben beziehen sich auf den maximalen Energiegehalt des Energiespeichers.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass der erste und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands in Abhängigkeit davon gewählt werden, ob positive oder negative Regelleistung benötigt wird, so dass bei einer Anforderung nach positiver Regelleistung der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands bei einer größeren Ladung des Energiespeichers gewählt wird und bei einer Anforderung nach negativer Regelleistung der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands bei einer kleineren Ladung des Energiespeichers gewählt wird, wobei die Grenzwerte vorzugsweise als Funktion der Frequenzabweichung der Netzfrequenz gewählt werden.
Durch diese Maßnahmen kann der Ladezustand des Energiespeichers noch besser angepasst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator und/oder ein Batteriespeicherkraftwerk, besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
Diese Energiespeicher eignen sich zur Umsetzung erfindungsgemäßer Verfahren. Am besten eignen sich jedoch schnelle Energiespeicher, das heißt Energiespeicher die in kurzer Zeit die volle Regelleistung zur Verfügung stellen können. Deswegen sind Akkumulatoren besonders bevorzugt. Der Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass in dem Energiespeicher eine Energie von zumindest 1 kW h gespeichert werden kann, vorzugsweise von zumindest 10 kW h, besonders bevorzugt zumindest 50 kW h, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kW h.
Die Kapazität elektrochemischer Energiespeicher kann dabei bei zumindest 40 A h, bevorzugt bei zumindest 1 kA h liegen. Die einzelnen Zellen elektrochemischer Energiespeicher können bei zumindest 1 V, bevorzugt, bei zumindest 10 V, besonders bevorzugt bei zumindest 100 V arbeiten.
Diese Kapazitäten beziehungsweise diese Energiemengen sind für die Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz besonders geeignet. Kleinere Kapazitäten beziehungsweise Energiemengen sind zur Beeinflussung der Netzfrequenz beziehungsweise zur Bereitstellung von Regelleistung zumindest auf Dauer nicht ausreichend. Die im Vergleich zu handelsüblichen kleinen Energiespeichern, wie beispielsweise Handyakkumulatoren große Kapazität und das hohe Energiespeichervermögen sind geeignet, um die beträchtlichen Energien für die erfindungsgemäßen Verfahren auch bei großen Stromnetzen bereitstellen zu können.
Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einer Regelleistungsanforderung, die eine maximale Regelleistung erfordert, eine größere Regelleistung bereitgestellt wird, als eine kontrahierte Regelleistung, um den Ladezustand des Energiespeichers einzustellen.
Wiederum ist eine Überschreitung bei der Bereitstellung von Regelleistung geeigneter als eine Unterschreitung, die zu Problemen im Stromnetz führen könnte. Daher kann der Netzbetreiber eine größere Toleranz bei einer Überschreitung der Regelleistung gewähren, als bei einer Unterschreitung. Dies betrifft insbesondere die maximale Regelleistung. Unter einer kontrahierten Leistung ist diejenige Leistung zu verstehen, die im aktuellen Betrieb gegenüber dem Netzbetreiber vermarktet wird. Die kontrahierte Leistung ist maximal so groß wie die präqualifizierte Leistung.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand des Energiespeichers derart eingestellt wird, dass ein mittlerer Ladezustand angestrebt wird, vorzugsweise ein Ladezustand zwischen 20% und 80% der maximalen Ladung des Energiespeichers, besonders bevorzugt zwischen 40% und 60%, ganz besonders bevorzugt ein Ladezustand von 50% der maximalen Ladung des Energiespeichers. Die maximale Ladung bezieht sich auch hier wieder auf die maximal im Energiespeicher speicherbare Energie.
Da üblicherweise nicht bekannt ist, ob bei der nächsten Regelleistungsanfrage eine positive oder eine negative Regelleistung benötigt wird, ist es sinnvoll, den Ladezustand in einem mittleren Bereich zu halten.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher zusammen mit zumindest einem Energieerzeuger und/oder zumindest einem Energieverbraucher betrieben wird, der oder die zur Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers verwendet werden.
Energieerzeuger, wie beispielsweise Kraftwerke und Energieverbraucher, wie beispielsweise Elektrolysewerke können dauerhafte Regelleistungslasten übernehmen. Zudem können Sie auch verwendet werden, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen, ohne Strom aus dem Stromnetz aufzunehmen oder ins Stromnetz abzugeben.
Es kann hierbei erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlkraftwerk, Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher ein Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall-Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
Solche Energieerzeuger und Energieverbraucher sind zur Bereitstellung von längerfristigen Regelleistungen gut geeignet. Ihre Trägheit lässt sich erfindungsgemäß gut mit Energiespeichern ausgleichen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch realisiert, dass auch die zeitliche Toleranz genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen, wobei bei einer Änderung der benötigten Regelleistung der Zeitpunkt nach der Änderung der benötigten Regelleistung, ab dem vom Energiespeicher eine geänderte Regelleistung bereitgestellt wird, in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand des Energiespeichers gewählt wird.
Die zeitliche Toleranz bei der Erbringung von Regelleistung rührt daher, dass die meisten Quellen für Regelleistung deutlich Träger als Energiespeicher, insbesondere als Akkumulatoren sind. Daher wird den Lieferanten von PRL, SRL und MR Zeit gegeben, um auf eine Änderung der benötigten Regelleistung zu reagieren. Diese Zeit kann erfindungsgemäß genutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einer Änderung der benötigten Regelleistung eine positive Regelleistung zu einem frühen Zeitpunkt, vorzugsweise sofort in das Stromnetz eingespeist wird und/oder eine negative Regelleistung zu einem späten Zeitpunkt, vorzugsweise zum spätesten möglichen Zeitpunkt aus dem Stromnetz entnommen wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt und/oder bei einer Änderung der benötigten Regelleistung eine negative Regelleistung früh, vorzugsweise sofort aus dem Stromnetz entnommen wird und/oder eine positive Regelleistung zu einem späten Zeitpunkt, vorzugsweise zum spätesten möglichen Zeitpunkt in das Stromnetz eingespeist wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Zeitpunkt in einem Zeitintervall zwischen der Änderung der benötigten Regelleistung und einer maximalen Zeit nach der Änderung der benötigten Regelleistung liegt, wobei das Zeitintervall von der Art der nachgefragten Regelleistung abhängt, wobei insbesondere das Zeitintervall im Falle einer Bereitstellung von Primärregelleistung 30 Sekunden, im Falle einer Bereitstellung von Sekundärregelleistung 5 Minuten und im Falle einer Bereitstellung von Minutenreserve 15 Minuten beträgt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung unter Ausnutzung der zeitlichen Toleranz kann vorsehen, dass durch die Wahl des Zeitpunkts der Ladezustand des Energiespeichers angepasst wird.
Da Energie Leistung mal Zeit ist, kann auch die zeitliche Toleranz genutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass ein Regelleistungsgradient in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers gewählt wird, wobei insbesondere der zeitliche Verlauf des Betrags der Regelleistung eingestellt und die Toleranz des Betrags der bereitzustellenden Regelleistung über die Zeit genutzt wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei Änderung der Regelleistungsanfrage, insbesondere bei einer gemessenen Änderung der Frequenzabweichung, das dynamische Verhalten, mit dem der Energiespeicher auf die Änderung des Sollwertes reagiert, in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand des Energiespeichers gewählt wird, wobei bevorzugt das gewählte dynamische Verhalten von der Art der nachgefragten Regelleistung abhängt, wobei insbesondere die Zeit in der die volle Regelleistung erbracht werden muss im Falle einer Bereitstellung von Primärregelleistung 30 Sekunden, im Falle einer Bereitstellung von Sekundärregelleistung 5 Minuten und im Falle einer Bereitstellung von Minutenreserve 15 Minuten beträgt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung unter Ausnutzung der dynamischen Toleranz kann vorsehen, dass durch die geeignete Wahl des dynamischen Verhaltens des Energiespeichers auf die Änderung einer Regelleistungsanfrage reagiert wird und dadurch der Ladezustand des Energiespeichers angepasst wird.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass ein Regelleistungsgradient in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers gewählt wird, wobei insbesondere der zeitliche Verlauf des Betrags der Regelleistung eingestellt und die Toleranz des Betrags der bereitzustellenden Regelleistung über die Zeit genutzt wird.
Dabei wird genutzt, dass es beispielsweise durch den Netzbetreiber oder auch durch gesetzliche Vorgaben Toleranzen bezüglich des Anstiegs oder Abfalls der bereitzustellenden Regelleistung gibt. Diese Toleranzen können erfindungsgemäß genutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Verbesserung bei der Ladezustandsoptimierung, beziehungsweise diese Ausführungsform stellt eine besonders bevorzugte Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Dadurch kann die Größe, beziehungsweise die Kapazität des Energiespeichers weiter reduziert werden.
Ferner kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass bei einer Änderung der Frequenzabweichung um weniger als einen Unempfindlichkeitsbereich, insbesondere um weniger als 10 mHz, eine veränderte Regelleistung nur erbracht wird, um den Ladezustand des Energiespeichers einzustellen, insbesondere die veränderte Regelleistung nur dann erbracht wird, wenn sich der Ladezustand des Energiespeichers dadurch möglichst stark zum mittleren Ladezustand hin oder möglichst wenig vom mittleren Ladezustand weg lädt oder entlädt.
Die Änderung der Frequenzabweichung bezieht sich hierbei auf diejenige Frequenzabweichung, bei der die letzte Regelleistungsanpassung erfolgte. Hierbei wird eine weitere Toleranz genutzt. Diese Toleranz kann durch den Netzbetreiber oder den Gesetzgeber oder systemimmanent gegeben sein. Die Toleranz erlaubt es, dass wenn nur geringe Änderungen der Frequenzabweichung der Netzfrequenz von der Sollfrequenz auftreten, dass dann keine Anpassung der Regelleistung erfolgen muss. Um den Ladezustand des Energiespeichers in die gewünschte Richtung zu entwickeln, kann dennoch Regelleistung erbracht werden. Diese Regelleistungserbringung erfolgt gegebenenfalls in der Art, wie dies erwünscht ist, also beispielsweise direkt antiproportional zur Frequenzabweichung. Wenn also Regelleistung zur Anpassung des Ladezustands erbracht wird, würde dies zur Regelung der Netzfrequenz beitragen. Die Anpassung des Ladezustands erfolgt also immer konstruktiv im Sinne der Regelung der Netzfrequenz. Voraussetzung dafür ist, dass die Frequenzabweichung mit einer höheren Genauigkeit als der Unempfindlichkeitsbereich gemessen werden kann. Der Unempfindlichkeitsbereich ist ein Maß für die Toleranz der Änderung der Frequenzabweichung, ab der eine Änderung der Regelleistung gefordert wird oder notwendig ist.
Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Steuerung und einen Energiespeicher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen oder anschließbar ist, die Steuerung mit dem Energiespeicher verbunden ist und die vom Energiespeicher abgegebene und/oder aufgenommene Regelleistung steuert.
Unter einer Steuerung wird erfindungsgemäß vorliegend eine einfache Steuerung verstanden. Hierbei sei angemerkt, dass jede Regelung eine Steuerung umfasst, da bei einer Regelung eine Steuerung in Abhängigkeit von einer Differenz eines Istwerts zu einem Sollwert erfolgt. Bevorzugt ist die Steuerung also als Regelung ausgebildet, insbesondere bezüglich des Ladezustands. Besonders bevorzugt ist die Steuerung ein Leitsystem.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Messen einer Frequenzabweichung von einem Sollwert der Netzfrequenz des Stromnetzes, eine Vorrichtung zum Messen der eingespeisten und aufgenommenen Leistung und einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher die zu erbringende, von der Frequenzabweichung abhängige Regelleistung zusammen mit den Toleranzen gespeichert ist und vorzugsweise auch zumindest ein Ladezustand des Energiespeichers als Zielwert oder als Grenzwert gespeichert ist oder als zwei Ladezustände als Grenzwerte gespeichert sind, wobei die Steuerung auf den Speicher Zugriff hat und dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung und dem Ladezustand des Energiespeichers die vom Energiespeicher abgegebene und/oder aufgenommene Energie zu regeln.
Schließlich kann auch bezüglich erfindungsgemäßer Verfahren vorgesehen sein, dass der Energiespeicher ein Akkumulator ist, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natriumsulfid-Akkumulator und/oder ein Li-Ionen-Akkumulator und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren ist.
Diese Akkumulatoren sind für die Umsetzung erfindungsgemäßer Verfahren aufgrund ihrer Reaktionsschnelligkeit besonders geeignet.
Zu den Akkumulatoren zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Natrium-Nickelchlorid-Akkumulatoren, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren, Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Natrium-Ionen Akkumulatoren und Kalium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, werden Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und/oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet.
Die Regelenergie oder Regelleistung wird an das Stromnetz abgegeben (positive Regelenergie oder positive Regelleistung) oder aus dem Stromnetz aufgenommen (negative Regelenergie oder negative Regelleistung).
Alle genannten Regelzyklen können erfindungsgemäß und besonders bevorzugt auch beliebig oft hintereinander durchgeführt werden, indem der Energiespeicher während einem Regelzyklus immer wieder neu aufgeladen oder entladen wird, um bei einem zweiten Zyklus wieder einen geeigneten mittleren Ladezustand aufzuweisen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch sichergestellt, dass die Wünsche des Kunden, das heißt des Netzbetreibers nach einer vorhersehbaren und definierten Regelleistung erfüllt werden können und im Stromnetz keine Regelungsschwingungen erzeugt werden.
Die Nennleistung der Vorrichtung zum Bereitstellen von Regelleistung ist diejenige Leistung, die innerhalb einer bestimmten Zeit erreichbar ist. Es wird hierbei auch von der präqualifizierbaren Leistung gesprochen, da diese die Kriterien des Kunden, das heißt des Netzbetreibers erfüllt.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass Energiespeicher derart betrieben werden können, dass die von den Netzbetreibern gegebenen Toleranzen beim Erbringen von Regelleistung dazu genutzt werden, den Ladezustand des Energiespeichers in einem mittleren Bereich zu halten und so die Kapazität des Energiespeichers in einem kostengünstigen Rahmen zu halten. Dies gilt insbesondere für Energiespeicher, die Energie schnell, das heißt mit hohen Leistungsgradienten aufnehmen und abgeben können, wie zum Beispiel Schwungräder und insbesondere Akkumulatoren und Batteriespeicher. Die von den Netzbetreibern eingeräumten Toleranzen rühren daher, dass die Regelleistung derzeit zumeist von größeren Kraftwerken, wie beispielsweise Kohlekraftwerken und größeren Verbrauchern, wie beispielsweise Elektrolysewerken bereitgestellt wird. Diese Regelleistungslieferanten haben eine vergleichsweise große Trägheit bei der Aufnahme und Abgabe von Regelleistung, das heißt, dass ihre Leistungsgradienten klein sind und Effekte wie Überschwingen in einem gewissen Rahmen unvermeidbar sind. Daher werden gewisse Toleranzen beim Erbringen von Regelleistung eingeräumt. So müssen beispielsweise Regelleistungslieferanten nicht schon bei kleinsten Abweichungen Regelleistung liefern, sondern es wird eine Toleranz bei der Frequenzabweichung der Netzfrequenz eingeräumt, ab der Regelleistung zur Verfügung gestellt werden muss. Somit kann sichergestellt werden, dass die Bereitstellung von Regelleistung ausschließlich der Stabilisierung der Netzfrequenz dient. Vor allem wird eine Toleranz bei der Messung der Frequenzabweichung der Netzfrequenz eingeräumt, so dass die zu erbringende Regelleistung in einem gewissen Rahmen (in einer Toleranz) frei gewählt werden kann. Letztere Toleranz wird erfindungsgemäß genutzt, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen, in dem mehr oder weniger Energie in den Energiespeicher eingespeichert wird oder mehr oder weniger Energie aus dem Energiespeicher an das Stromnetz abgegeben wird. Eine weitere Toleranz ergibt sich auch bei der Genauigkeit welche Leistung in das Stromnetz eingespeist oder aus dem Stromnetz aufgenommen werden kann. Dabei ist es für den Netzbetreiber meist nicht so wichtig ob nun die geforderte Regelleistung erbracht wird oder ob diese um einen bestimmten Betrag überschritten oder leicht unterschritten wird.
Diese Toleranzen können genutzt werden, um mehr oder weniger Regelleistung zur Verfügung zu stellen und so den Energiespeicher gezielt stärker oder weniger stark zu laden oder zu entladen. Dadurch kann der Ladezustand gezielt beeinflusst werden. So gelingt es erfindungsgemäß den Ladezustand in einem gewünschten, beispielsweise in einem mittleren Bereich zu halten, so dass der Energiespeicher sich in einem guten oder sogar optimalen Ausgangszustand für die nächste oder eine geänderte Regelleistungsanfrage befindet.
Der Ladezustand muss dann nicht mehr oder kann mit weniger Energie aus dem Stromnetz reguliert werden. Zudem kann die Kapazität des Energiespeichers kleiner gewählt werden. Beides spart Kosten. Der Ladezustand entspricht im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge“, SOC) oder dem Energiegehalt (engl.: State-of-Energie, SoE).
Batteriespeicher (Akkumulatoren) zeichnen sich gegenüber konventionellen Technologien zur Bereitstellung von Primär- und/oder Sekundärregelleistungen unter anderem dadurch aus, dass sie deutlich schneller die erbrachte Leistung ändern können. In den meisten Fällen ist bei Batteriespeichern jedoch nachteilig, dass sie über eine vergleichsweise geringe Speicherkapazität verfügen, die erforderlichen Leistungen also nur über einen begrenzten Zeitraum erbringen können. Bei einer statistischen Auswertung der Frequenzabweichungen über die Zeit wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend gefunden, dass die angeforderten Leistungen in mehr als 75 % der aktiven Zeit (das heißt, es wird eine von Null abweichende Leistung erbracht) weniger als 20 % der Maximal-Leistung beziehungsweise der vermarkteten Leistung betragen.
Aus dieser erfindungsgemäßen Erkenntnis ergibt sich ebenfalls, dass die Kapazität des Energiespeichers und damit die bereitzuhaltende gespeicherte Regelleistungsmenge geringer gewählt werden kann und es mit einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders gut gelingen kann, die Kapazität des Energiespeichers klein zu halten.
Dabei wird erfindungsgemäß genutzt, dass es mit modernen Messvorrichtungen und Messverfahren möglich ist, die Frequenzabweichung genauer zu bestimmen, als es derzeit für die Erbringung von Regelleistung gefordert wird. Dadurch ist es möglich die zu erbringende Regelleistung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen (also innerhalb der vorgegebenen Grenzen) frei zu wählen und dadurch das Verfahren zu realisieren.
Spezielle und besonders bevorzugte Ausführungsformen der Lösungsansätze bestehen darin, dass es sich bei dem Energiespeicher um einen Akkumulator oder Batteriespeicher handelt, der zur Erbringung von Primärregelleistung eingesetzt wird.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform kann die bei negativer PR- oder SR-Leistung in den Speicher aufgenommene Energie am Spotmarkt veräußert werden, insbesondere wenn die Konditionen dort vorteilhaft sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung vorgesehen sein, dass durch den Energiespeicher insbesondere mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Verfahrensweise bevorzugt sehr viel negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Vorgehensweise bevorzugt nur die mindestens zugesicherte Leistung an positiver Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise wird durchschnittlich mindestens 0,1 % mehr an Energie aus dem Netz entnommen als eingespeist, insbesondere mindestens 0,2 %, bevorzugt mindestens 0,5 %, besonders bevorzugt mindestens 1,0 %, speziell bevorzugt 5%, wobei diese Werte auf einen Durchschnitt bezogen sind, der über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 4 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 24 Stunden und speziell bevorzugt mindestens 7 Tage gemessen wird, und sich auf die eingespeiste Energie beziehen.
Hierbei kann die zuvor dargelegte Regelleistungserbringung eingesetzt werden, um ein Maximum an Energie aus dem Netz zu entnehmen, wobei die maximal mögliche negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen nur ein Minimum an positiver Regelleistung erbracht wird.
In den Ausführungsformen zur bevorzugten und speziell zur maximalen Energieaufnahme können die hierdurch aus dem Netz entnommenen Energien über den zuvor beschriebenen Energiehandel verkauft werden, wobei dies vorzugsweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen ein höchstmöglicher Preis zu erzielen ist. Hierzu können Prognosen über die Preisentwicklung herangezogen werden, die auf historischen Daten beruhen.
Weiterhin kann der Ladezustand des Energiespeichers zum Zeitpunkt eines geplanten Verkaufs an Energie vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Speicherkapazität betragen, wobei der Ladezustand nach dem Verkauf bevorzugt höchstens 80 %, insbesondere höchstens 70 % und besonders bevorzugt höchstens 60 % der Speicherkapazität beträgt.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Energiespeicher gepoolt und in erfindungsgemäßer Verfahrensweise betrieben. Die Größe der Energiespeicher innerhalb des Pools kann dabei variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei den verschiedenen Energiespeichern eines Pools im Fall der Ausnutzung von Toleranzen der Wechsel von einer Parametereinstellung auf eine andere nicht die synchron, sondern gezielt zeitlich versetzt vorgenommen, um etwaige Störungen im Netz möglichst gering oder zumindest tolerabel zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform variieren die bei den verschiedenen Verfahrensweisen genutzten Toleranzen abhängig von der Tageszeit, dem Wochentag oder der Jahreszeit. Zum Beispiel können in einem Zeitraum von 5 min vor bis 5 min nach dem Stundenwechsel werden die Toleranzen enger definiert werden. Dies ist darin begründet, dass hier oft sehr rapide Frequenzänderungen stattfinden. Es kann im Interesse der Übertragungsnetzbetreiber liegen, dass hier geringere Toleranzen vorliegen und damit die Regelenergiebereitstellung sicherer im Sinne von schärfer erfolgt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von drei schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:
1: ein schematisches Diagramm der normierten Leistung P/P_Soll über die Frequenzabweichung ∆f zur Erbringung von Regelleistung;
2: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren; und
3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von Regelleistung.
1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm der normierten Leistung P/P_Soll über die Frequenzabweichung ∆f zur Erbringung von Regelleistung, wie es von Netzbetreibern gefordert wird. Im europäischen Stromnetz wird eine Netzfrequenz von 50,000 Hz eingestellt, die Toleranz bei der Messung der Frequenzabweichung beträgt dabei derzeit ±10 mHz. Die mittlere durchgezogene Kurve zeigt die vom Netzbetreiber gewollte Regelleistung P als dimensionslose auf die präqualifizierte oder kontrahierte Leistung P_Soll normierte Leistung P/P_Soll. Bei einem Wert von 1 wird also die Leistung P_Soll als positive Regelleistung erreicht und bei einem Wert von –1 die Leistung –P_Soll als negative Regelleistung. Vorliegend soll die Leistung P_Soll ab Frequenzabweichungen von 200 mHz von der gewünschten Netzfrequenz 50,000 Hz bereitgestellt werden.
Um zu erreichen, dass die Bereitstellung von Regelleistung ausschließlich der Stabilisierung der Netzfrequenz dient und nicht kontraproduktiv gearbeitet wird, wird keine Regelleistung in einem Totband von ±10 mHz um die gewünschte Netzfrequenz von 50,000 Hz angefordert. Das Totband wird vorliegend als eine Toleranz bei der Erbringung von Regelleistung aufgefasst. Gleichzeitig wird bei der Messung der Frequenzabweichung ∆f eine Toleranz und/oder ein Totband von ±10 mHz eingeräumt.
Es kann auch sein (anders als in 1 gezeigt), dass ab Frequenzabweichungen von +10 mHz oder –10 mHz die Regelleistung sprunghaft gesteigert werden soll. Dann wäre im Totband keine Regelleistung zu erbringen und sobald außerhalb des Totbands gearbeitet wird eine Regelleistung, die proportional der Frequenzabweichung ist.
Auch darf die bereitgestellte negative und positive Regelleistung, auch die ab einer Frequenzabweichung von 200 mHz bereitzustellende Regelleistung, um bis zu 20% überschritten, nicht aber unterschritten werden. Diese Toleranz ist im Diagramm nach 1 durch die gepunktete Linie dargestellt. Dadurch kann die Regelleistung P in einer Toleranz um die durchgezogene Kurve erbracht werden, die durch die beiden gestrichelten Kurven begrenzt ist, beziehungsweise sogar die durch die gestrichelten und gepunkteten Kurven begrenzt ist. Die gestrichelten und gepunkteten Linien (Kurven) stellen die maximale und minimale Regelleistung dar, die unter Ausnutzung dieser beiden Toleranzen bei einer gegebenen Frequenzabweichung ins Stromnetz eingespeist oder aus dem Stromnetz entnommen werden kann.
Dabei ist zu beachten, dass unter realen Bedingungen ein Abstand zu den gestrichelten und/oder gepunkteten Kurven einzuhalten ist, der durch die eigene Messgenauigkeit begrenzt ist. Dadurch wird verhindert, dass die tatsächlich bereitgestellte Regelleistung oberhalb oder unterhalb der Toleranz liegt. Je höher also die Genauigkeit der eigenen Messung der Frequenzabweichung ∆f ist, desto dichter kann die Regelleistung auch an den gestrichelten beziehungsweise gepunkteten Linien erbracht werden und desto besser lässt sich die Toleranz zwischen diesen Kurven auch ausnutzen.
Im Extremfall (bei beliebig genauer Frequenzmessung) kann also ein Energiespeicher entlang der gestrichelten beziehungsweise gepunkteten Linien gefahren werden, um den Ladezustand des Energiespeichers in einem gewünschten mittleren Bereich zu halten. Insbesondere dann, wenn der Ladezustand schon im mittleren Bereich ist oder bei einer Anfrage nach positiver Regelleistung knapp darüber oder bei einer Anfrage nach negativer Regelleistung knapp darunter, kann es jedoch durchaus auch sinnvoll sein, den Energiespeicher entlang der durchgezogenen Linie zu fahren, um Regelleistung wie gewünscht bereitzustellen. Bei einer leichten Abweichung kann es auch sinnvoll sein, in einem Zwischenbereich zwischen der durchgezogenen und den gestrichelten beziehungsweise gepunkteten Linien zu fahren.
Es kann auch eine zeitliche Toleranz gegeben sein, dass also beispielsweise erst wenige Sekunden nachdem eine Frequenzabweichung ∆f aufgetreten ist, die ein Einspeisen oder Aufnehmen von Regelleistung erforderlich macht, eine tatsächliche Bereitstellung beziehungsweise Anpassung der Regelleistung erfolgen muss. Auch diese zeitliche Toleranz kann erfindungsgemäß und gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers anzupassen, der zur Erbringung von Regelleistung genutzt wird.
Wenn der Energiespeicher relativ stark geladen ist, das heißt, der Ladezustand des Energiespeichers sich im oberen Bereich, also beispielsweise zwischen 75 % und 90 % der maximalen Ladung des Energiespeichers befindet, so wird der Energiespeicher in der Nähe der oberen rechten gestrichelten beziehungsweise gepunkteten Kurve gefahren. Wenn eine Anfrage nach positiver Regelleistung durch eine negative Frequenzabweichung ∆f festgestellt wird, wird dann also sehr frühzeitig eine positive Regelleistung bereitgestellt und auch eine tendenziell höhere Regelleistung, als durch den Netzbetreiber eigentlich gefordert und wie dies durch die durchgezogene mittlere Linie gekennzeichnet ist. Dies führt dazu, dass der Energiespeicher stärker entladen wird, als wenn er gemäß der durchgezogenen mittleren Linie betrieben würde.
Bei einer Anfrage nach negativer Regelleistung, die durch eine positive Frequenzabweichung ∆f festgestellt wird, wird dagegen möglichst spät auf die Anfrage reagiert und dann auch nur mit möglichst wenig Energieaufnahme bei niedrigeren Leistungen. Dies führt dazu, dass der Energiespeicher weniger Energie aufnimmt, als wenn er gemäß der durchgezogenen mittleren Linie betrieben würde. In beiden Fällen wird also durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass der Ladezustand des Energiespeichers sich nach einem Regelzyklus näher bei dem gewünschten mittleren Ladezustand befindet, als wenn er wie herkömmlich entlang der durchgezogenen Linie betrieben würde.
Wenn der Energiespeicher relativ gering geladen ist, das heißt, der Ladezustand des Energiespeichers sich im unteren Bereich, also beispielsweise zwischen 10 % und 25 % der maximalen Ladung des Energiespeichers befindet, so wird der Energiespeicher in der Nähe der unteren linken gestrichelten beziehungsweise gepunkteten Kurve gefahren. Wenn eine Anfrage nach positiver Regelleistung durch eine negative Frequenzabweichung ∆f festgestellt wird, wird dann also sehr spät eine positive Regelleistung bereitgestellt und auch eine tendenziell geringere Regelleistung, als durch den Netzbetreiber eigentlich gefordert und wie dies durch die durchgezogene mittlere Linie gekennzeichnet ist. Dies führt dazu, dass der Energiespeicher weniger entladen wird, als wenn er gemäß der durchgezogenen mittleren Linie betrieben würde.
Bei einer Anfrage nach negativer Regelleistung, die durch eine positive Frequenzabweichung ∆f festgestellt wird, wird dagegen möglichst früh auf die Anfrage reagiert und dann auch mit einer höheren Energieaufnahme bei höheren Leistungen. Dies führt dazu, dass der Energiespeicher mehr Energie aufnimmt, als wenn er gemäß der durchgezogenen mittleren Linie betrieben würde. Auch in diesen beiden Fällen wird also durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass der Ladezustand des Energiespeichers sich nach einem Regelzyklus näher bei dem gewünschten mittleren Ladezustand befindet, als wenn er wie herkömmlich entlang der durchgezogenen Linie betrieben würde.
Im statistischen Mittel muss also bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine geringere Kapazität des Energiespeichers bereitgehalten werden, als bei einem herkömmlichen Verfahren. Da Energiespeicher mit größeren Kapazitäten teurer sind, als solche mit geringerer Kapazität, können hierdurch Kosten eingespart werden und es werden weniger Ressourcen beim Aufbau verbraucht. Alternativ kann mit einem gleich dimensionierten Energiespeicher eine größere Regelleistung bereitgestellt werden, sofern die Leistungselektronik angepasst wird oder diese ausreicht.
Besonders geeignet sind für erfindungsgemäße Verfahren galvanische Elemente, insbesondere Akkumulatoren, ganz besonders bevorzugt Lithium-Ionen-Akkumulatoren, da diese sehr schnell reagieren können und daher die gegebenen Toleranzen besonders gut ausnutzen können. Langsamere Energiespeicher, wie beispielsweise Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellen oder Gaskraftwerke mit Erdgaserzeugern und Erdgasspeichern brauchen eine gewisse Zeit, um die Leistung bereitstellen zu können. Durch diese Trägheit können die Toleranzen, insbesondere die zeitlichen Toleranzen nicht so gut ausgenutzt werden. Zudem ist die Kapazität dieser Energiespeicher im Vergleich zu anderen Komponenten nicht so kostspielig wie bei Akkumulatoren oder Schwungrädern, so dass der Nutzen bei der Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auch nicht so groß ist.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Bei dem Verfahren werden ein Energiespeicher und eine Steuerung eingesetzt. Im Entscheidungsschritt 1 wird geprüft, ob der Ladezustand des Energiespeichers innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt oder ob er darüber oder darunter liegt.
Wenn der Ladezustand innerhalb des gewünschten Bereichs liegt, wird mit Schritt 4 fortgefahren. Liegt der Ladezustand unterhalb des gewünschten Bereichs beziehungsweise der Toleranz, soll dem Energiespeicher möglichst viel Energie zugeführt oder zumindest nur wenig weitere Energie entzogen werden und es wird mit Schritt 2 fortgefahren. Liegt der Ladezustand oberhalb des gewünschten Bereichs, soll dem Energiespeicher möglichst Energie entzogen oder zumindest nur wenig weitere Energie zugeführt werden und es wird mit Schritt 6 fortgefahren.
In den Schritten 2, 4 und 6 wird geprüft, wie groß die Frequenzabweichung ∆f der Netzfrequenz des Stromnetzes ist und anschließend mit den Schritten 3, 5 beziehungsweise 7 fortgefahren. Wenn sich der Energiespeicher im gewünschten Ladezustand befindet wird in Schritt 5, der auf Schritt 4 folgt, die aus dem Energiespeicher bereitgestellte Regelleistung P in Abhängigkeit und als Funktion der in Schritt 4 gemessenen Frequenzabweichung ∆f eingestellt und damit dem Stromnetz zur Verfügung gestellt. Wenn dem Energiespeicher möglichst Energie zugeführt oder zumindest nur wenig weitere Energie entzogen werden soll, wird dies in Schritt 3 dadurch erreicht, dass die aus dem Energiespeicher bereitgestellte Regelleistung P nicht nur in Abhängigkeit und als Funktion der in Schritt 2 gemessenen Frequenzabweichung ∆f eingestellt und damit dem Stromnetz zur Verfügung gestellt wird. Stattdessen wird auch der Ladezustand des Energiespeichers bei dem Betrag der bereitgestellten Regelleistung P berücksichtigt. Da der Ladezustand unterhalb des gewünschten Bereichs liegt, wird dem Energiespeicher mehr Energie zugeführt oder weniger weitere Energie entzogen.
Dazu werden die Toleranzen bei der Erbringung von Regelleistung genutzt, die einem der Netzbetreiber zugesteht. Die bereitgestellte positive oder negative Regelleistung bewegt sich also immer innerhalb der im Ausführungsbeispiel nach 1 dargestellten Grenzen. Wie weit diese Toleranz ausgenutzt wird, kann dabei von verschiedenen Faktoren abhängen, beispielsweise auch der Tageszeit, Jahreszeit, dem Wochentag, dem aktuellen Preis auf dem Strommarkt oder anderen zu erwartenden Ereignissen. Insbesondere kann erfindungsgemäß auch ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand des Energiespeichers und der Abweichung von der gewünschten bereitgestellten oder aufgenommenen Regelleistung bestehen.
Umgekehrt wird in Schritt 7 verfahren, wenn der Ladezustand oberhalb des gewünschten Bereichs liegt, und dem Energiespeicher möglichst Energie entzogen oder zumindest nur wenig weitere Energie zugeführt werden soll. Dies wird in Schritt 7 dadurch realisiert, dass die aus dem Energiespeicher bereitgestellte Regelleistung P nicht nur in Abhängigkeit und als Funktion der in Schritt 2 gemessenen Frequenzabweichung ∆f eingestellt und damit dem Stromnetz zur Verfügung gestellt wird, sondern auch der Ladezustand des Energiespeichers bei dem Betrag der bereitgestellten Regelleistung P berücksichtigt wird. Da der Ladezustand oberhalb des gewünschten Bereichs liegt, wird dem Energiespeicher weniger Energie zugeführt oder zusätzliche Energie entzogen.
Dazu werden wiederum die Toleranzen bei der Erbringung von Regelleistung genutzt, die einem der Netzbetreiber zugesteht. Die bereitgestellte positive oder negative Regelleistung bewegt sich also auch in diesem Fall immer innerhalb der in 1 als Beispiel dargestellten Grenzen. Wie weit dieser gewünschte Bereich ausgenutzt wird, kann dabei wiederum von den genannten Faktoren wie der Tageszeit, Jahreszeit, dem Wochentag, dem aktuellen Preis auf dem Strommarkt oder anderen zu erwartenden Ereignissen abhängen.
Insbesondere kann erfindungsgemäß auch ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Ladezustand des Energiespeichers und der Abweichung von der gewünschten bereitgestellten oder aufgenommenen Regelleistung bestehen.
Als Funktion kann beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen der Frequenzabweichung ∆f und der zu erbringenden Regelleistung P gewählt werden. Ein zusätzlicher Summand S, in dem die anderen Faktoren, wie Tageszeit, Jahreszeit, dem Wochentag, dem aktuellen Preis auf dem Strommarkt oder andere zu erwartenden Ereignisse aber auch vor allem der Ladezustand L des Energiespeichers berücksichtigt werden können, kann zusätzlich mit eingebracht werden. Ein Beispiel für einen solchen funktionalen Zusammenhang bezogen auf 1 ist für Frequenzabweichungen ∆f in einem Bereich von ±200 mHz: P/P_Soll = (∆f + S /200 mHz oder P/P_Soll = ∆f/200 mHz + S
Für die erste Funktion hat S die Dimension einer Frequenz und bewegt sich zwischen +0,2·∆f + 10 mHz und –10 mHz für positive Regelleistung und zwischen – 0,2·∆f – 10 mHz und + 10 mHz für negative Regelleistung. Für die zweite Funktion ist die Größe S keine Dimension und spiegelt die Toleranz bezüglich des Betrags der Leistung wieder. Die für S hinterlegte Funktion muss sich in beiden Fällen innerhalb der gegebenen Grenzen der Toleranz bewegen.
Außerhalb dieses Bereichs ±200 mHz wird P/P_Soll = 1 gewählt, oder, wie nach 1 mit der Toleranz bezüglich der maximalen Regelleistung: P/P_Soll = 1 + L1 0,2 bei einer positiven Regelleistungsanforderung beziehungsweise P/P_Soll = –1 – L2 0,2 bei einer negativen Regelleistungsanforderung, wobei die Faktoren L1 und L2 Funktionen des Ladezustands sind des Energiespeichers und Werte von 0 bis 1 annehmen können. Dabei kann beispielsweise einem mittleren Ladezustand L = 0,5 (50 %) der Wert L1 = L2 = 0 zugeordnet werden, beziehungsweise L1 = 1, wenn der Ladezustand bei 75 % (L = 0,75) oder darüber liegt und L1 = 0, wenn der Ladezustand bei 55 % (L = 0,55) oder darunter liegt. Analog gilt für L2: L2 = 1, wenn der Ladezustand bei 25 % (L = 0,25) oder darunter liegt und L2 = 0, wenn der Ladezustand bei 45 % (L = 0,45) oder darüber liegt. Dazwischen kann ein linearer Zusammenhang zwischen L1 beziehungsweise L2 und dem Ladezustand L des Energiespeichers angenommen werden. Beispielsweise für den Bereich des Ladezustands L zwischen 0,55 und 0,75, also von 55% bis 75% die Funktion L1 = (L – 0,55)·5 gewählt werden, beziehungsweise bei negativer Regelleistungsanforderung und stark entladenem Energiespeicher für den Bereich des Ladezustands L zwischen 0,25 und 0,45, also von 25% bis 45% die Funktion L2 = (L – 0,25)·5. Dies gilt unter der Annahme, dass die Nennleistung P_Soll um bis zu 20% überschritten werden darf.
Ähnlich dazu kann auch der Summand S abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers gewählt werden oder auch ausschließlich vom Ladezustand L des Energiespeichers abhängen. Die Abhängigkeit vom Ladezustand L kann eine wie auch immer geartete Kurve darstellen, die sich innerhalb der Grenzen bewegt, die durch die Toleranzen vorgegeben ist. Auch ein linearer Zusammenhang kann in den Grenzen der Toleranz und in den Grenzen ±200 mHz verwendet werden. Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn die Grenzen der Toleranz nicht vollständig ausgereizt werden, wenn die Messgenauigkeit der Netzfrequenz nicht genau genug ist. Der Abstand von den Grenzen der Toleranz muss zumindest dem Abstand entsprechen, der durch die Unsicherheit der eigenen Messungen entspricht. Vorzugsweise ist S proportional der Abweichung des Ladezustands von 50 % Ladung (L = 0,5).
Die vorliegenden Funktionen sind Ausführungsbeispiele dafür, wie in den Schritten 3, 5 beziehungsweise 7 der Ladezustand des Energiespeichers erfindungsgemäß angepasst werden kann.
Nach den Schritten 3, 5 beziehungsweise 7 wird wieder mit dem Entscheidungsschritt 1 fortgefahren und kann prinzipiell auch endlos geführt werden.
3 zeigt in schematischer Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 21 umfassend einen Energiespeicher 22. Eine Steuerung 23 ist mit dem Energiespeicher 22 verbunden, so dass die Steuerung 23 die Leistungsaufnahme und -abgabe des Energiespeichers 22 einstellen kann.
Der Energiespeicher 22 ist an ein Stromnetz 24 angeschlossen und kann Leistung aus dem Stromnetz 24 aufnehmen und/oder abgeben. Die Steuerung 23 ist mit einer Vorrichtung 25 zum Messen der Frequenzabweichung der Netzfrequenz des Stromnetzes 24 verbunden. Wenn ein Bedarf an Regelleistung – positiver oder negativer Regelleistung – besteht, erzeugt die Steuerung 23 ein Signal. Anschließend wird die Regelleistung des Energiespeichers 22 gesteigert. Die Vorrichtung 25 ist dazu in der Lage, die Frequenzabweichung der Netzfrequenz genauer als gefordert zu bestimmen. So kann die Toleranz bei der Bestimmung der Netzfrequenz dazu genutzt werden, den Ladezustand des Energiespeichers 22 einzustellen.
Der Ladezustand des Energiespeichers 22 kann über eine geeignete Messeinrichtung durch die Steuerung 23 bestimmt werden, um ein erfindungsgemäßes Verfahren umzusetzen.
Die Steuerung 23 kann den Energiespeicher 22 dabei also intelligent laden oder entladen, so dass ein bestimmter gewünschter Ladezustand angestrebt wird. So können Toleranzen bei der Frequenzabweichung, ab der eine Regelleistung erbracht werden soll, und Toleranzen bei dem Betrag der bei einer bestimmten Frequenzabweichung zu erbringenden Regelleistung, beziehungsweise Toleranzen bei der Bestimmung der Frequenzabweichung, sowie Toleranzen bei der maximal zu erbringenden präqualifizierten oder kontrahierten Regelleistung dazu genutzt werden, den Ladezustand des Energiespeichers 22 in die gewünschte Richtung zu entwickeln. So kann zum Beispiel die Leistung des Energiespeichers 22 schon bei einer geringeren Frequenzabweichung als bei einer Frequenzabweichung von 10 mHz bereitgestellt werden, um den Energiespeicher 22 zu laden oder zu entladen, wenn dies notwendig erscheint. Ebenso kann eine Übererfüllung, beispielsweise durch ein Überschwingen, von bis zu 20% über die maximale Regelleistung hinaus durch den Energiespeicher 22 erzeugt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers 22 zu regeln.
Insbesondere in solchen Fällen ist ein besonders schnell reagierender und leicht auf- und entladbarer Energiespeicher 22 besonders vorteilhaft. Am besten sind hierfür Akkumulatoren geeignet. Insbesondere Li-Ionen Akkumulatoren sind ohne schädliche Einflüsse auf den Akkumulator schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu müssen Li-Ionen Akkumulatoren mit beträchtlicher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40-Fuß-ISO-Containern unterzubringen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 21 ist also als Primärregelleistungsquelle oder auch als Sekundärregelleistungsquelle besonders gut geeignet.
Für Einzelheiten zur Regelung von Regelleistung und zum Informationsaustausch mit den Netzbetreibern sei auf das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007" vom November 2009 verwiesen.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

P: Leistung
P_Soll: Präqualifizierte Leistung (Nennleistung) oder kontrahierte Leistung
f: Frequenz
∆f: Frequenzabweichung
1: Entscheidungsschritt
2; 3; 4; 5; 6; 7: Verfahrensschritt
21: Vorrichtung zum Bereitstellen von Regelleistung
22: Energiespeicher
23: Steuerung
24: Stromnetz
25: Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenzabweichung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2006/122738 A1 [0012]
WO 2010042190 A2 [0013]
JP 2008178215 A [0013]
DE 102008046747 A1 [0013]
US 7839027 B2 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control“ von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007 [0014]
„TransmissionCode 2007“ vom November 2009 [0018]
„TransmissionCode 2007“ vom November 2009 [0133]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz (24) bei dem zumindest ein an das Stromnetz (24) angeschlossener Energiespeicher (22) dem Stromnetz (24) nach Bedarf Energie zuführt und/oder aus dem Stromnetz (24) nach Bedarf Energie aufnimmt, wobei die Regelleistung in Abhängigkeit von einer Frequenzabweichung von einem Sollwert einer Netzfrequenz erbracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranz bezüglich der Frequenzabweichung genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers (22) gleichzeitig mit der Bereitstellung der Regelleistung durch den Energiespeicher (22) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranz des Betrags der zu erbringenden Regelleistung als Funktion der Frequenzabweichung genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers (22) einzustellen, vorzugsweise gleichzeitig mit der Bereitstellung der Regelleistung durch den Energiespeicher (22).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzabweichung vom Sollwert der Netzfrequenz bestimmt wird und aus der Frequenzabweichung der Bedarf an positiver und/oder negativer Regelleistung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzabweichung mit einer größeren Genauigkeit als für die Erbringung der Regelleistung notwendig gemessen wird, vorzugsweise mit einer Genauigkeit von zumindest ±8 mHz, besonders bevorzugt von zumindest ±4 mHz, ganz besonders bevorzugt von zumindest ±2 mHz, speziell bevorzugt von zumindest ±1 mHz.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Energiespeichers (22) dadurch eingestellt wird, dass für den Fall, in dem der Ladezustand des Energiespeichers (22) oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt, der Energiespeicher (22) eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende größere Regelleistung in das Stromnetz (24) einspeist oder eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende kleinere Regelleistung aus dem Stromnetz (24) aufnimmt und/oder für den Fall, in dem der Ladezustand des Energiespeichers (22) unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt, der Energiespeicher (22) eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende kleinere Regelleistung in das Stromnetz (24) einspeist oder eine innerhalb der Toleranz oder der Toleranzen liegende größere Regelleistung aus dem Stromnetz (24) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grenzwert des Ladezustands zwischen 40% und 80% der maximalen Ladung des Energiespeichers (22) liegt, vorzugsweise zwischen 45% und 70%, besonders bevorzugt zwischen 50 % und 60%, und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands zwischen 20% und 60% der maximalen Ladung, vorzugsweise zwischen 30% und 55%, besonders bevorzugt zwischen 40 % und 50%, oder der erste und der zweite Grenzwert des Ladezustands bei 50% der maximalen Ladung des Energiespeichers (22) liegen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands in Abhängigkeit davon gewählt werden, ob positive oder negative Regelleistung benötigt wird, so dass bei einer Anforderung nach positiver Regelleistung der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands bei einer größeren Ladung des Energiespeichers (22) gewählt wird und bei einer Anforderung nach negativer Regelleistung der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert des Ladezustands bei einer kleineren Ladung des Energiespeichers (22) gewählt wird, wobei die Grenzwerte vorzugsweise als Funktion der Frequenzabweichung ∆f der Netzfrequenz gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher (22) ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator und/oder ein Batteriespeicherkraftwerk, besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energiespeicher (22) eine Energie von zumindest 1 kW h gespeichert werden kann, vorzugsweise von zumindest 10 kW h, besonders bevorzugt zumindest 50 kW h, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kW h.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Regelleistungsanforderung, die eine maximale Regelleistung erfordert, eine größere Regelleistung bereitgestellt wird, als eine kontrahierte Regelleistung, um den Ladezustand des Energiespeichers (22) einzustellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand des Energiespeichers (22) derart eingestellt wird, dass ein mittlerer Ladezustand angestrebt wird, vorzugsweise ein Ladezustand zwischen 20 % und 80 % der maximalen Ladung des Energiespeichers (22), besonders bevorzugt zwischen 40 % und 60 %, ganz besonders bevorzugt ein Ladezustand von 50 % der maximalen Ladung des Energiespeichers (22).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (22) zusammen mit einem Energieerzeuger und/oder einem Energieverbraucher betrieben wird, der oder die zur Einstellung des Ladezustands des Energiespeichers (22) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die zeitliche Toleranz genutzt wird, um den Ladezustand des Energiespeichers (22) anzupassen, wobei bei einer Änderung der benötigten Regelleistung der Zeitpunkt nach der Änderung der benötigten Regelleistung, ab dem vom Energiespeicher (22) eine geänderte Regelleistung bereitgestellt wird, in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand des Energiespeichers (22) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der benötigten Regelleistung eine positive Regelleistung zu einem frühen Zeitpunkt, vorzugsweise sofort in das Stromnetz (24) eingespeist wird und/oder eine negative Regelleistung zu einem späten Zeitpunkt, vorzugsweise zum spätesten möglichen Zeitpunkt aus dem Stromnetz (24) entnommen wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt und/oder bei einer Änderung der benötigten Regelleistung eine negative Regelleistung früh, vorzugsweise sofort aus dem Stromnetz (24) entnommen wird und/oder eine positive Regelleistung zu einem späten Zeitpunkt, vorzugsweise zum spätesten möglichen Zeitpunkt in das Stromnetz (24) eingespeist wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelleistungsgradient in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers (22) gewählt wird, wobei insbesondere der zeitliche Verlauf des Betrags der Regelleistung eingestellt und die Toleranz des Betrags der bereitzustellenden Regelleistung über die Zeit genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Frequenzabweichung um weniger als einen Unempfindlichkeitsbereich, insbesondere um weniger als 10 mHz, eine veränderte Regelleistung nur erbracht wird, um den Ladezustand des Energiespeichers (22) einzustellen, insbesondere die veränderte Regelleistung nur dann erbracht wird, wenn sich der Ladezustand des Energiespeichers (22) dadurch möglichst stark zum mittleren Ladezustand hin oder möglichst wenig vom mittleren Ladezustand weg lädt oder entlädt.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21) eine Steuerung (23) und einen Energiespeicher (22) umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz (24) angeschlossen oder anschließbar ist, die Steuerung (23) mit dem Energiespeicher (22) verbunden ist und die vom Energiespeicher (22) abgegebene und/oder aufgenommene Regelenergie steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21) eine Vorrichtung zum Messen einer Frequenzabweichung von einem Sollwert der Netzfrequenz des Stromnetzes (24) und einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher die zu erbringende, von der Frequenzabweichung abhängige Regelleistung zusammen mit den Toleranzen gespeichert ist und vorzugsweise auch zumindest ein Ladezustand des Energiespeichers (22) als Zielwert oder als Grenzwert gespeichert ist oder als zwei Ladezustände als Grenzwerte gespeichert sind, wobei die Steuerung (23) auf den Speicher Zugriff hat und dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung und dem Ladezustand des Energiespeichers (22) die vom Energiespeicher (22) abgegebene und/oder aufgenommene Regelleistung zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (22) ein Akkumulator ist, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Schwefelsäure-Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Natriumsulfid-Akkumulator und/oder ein Li-Ionen-Akkumulator und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren ist.