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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Energieversorgungsnetzen.
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Es ist bekannt, dass das Energieversorgungsnetz, insbesondere das Verbundnetz Deutschland durch Leistungssteuerung der Stromerzeuger stabilisiert wird.
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1 zeigt schematisch das öffentliche Energieversorgungsnetz (Verbundsystem) Deutschlands. Es gliedert sich in Höchstspannungsnetz 1, Hochspannungsnetz 2, Mittelspannungsnetz 3 und Niederspannungsnetz 4. Die Stromnetze sind durch Umspannstationen über Transformatoren miteinander gekoppelt.
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Große Kraftwerke auf Braunkohle/Steinkohle/Kernkraft/Laufwasserbasis, auch zukünftige große Offshore-Windparks speisen in das Höchstspannungsnetz 1 ein. Stromabnehmer und -einspeiser sind auch Pumpspeicherwerke. Die Auswahl ist auf eine Mindestleistungsstärke, hier z. B. 600 MW bzw. MVA begrenzt.
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Geringere Leistungen von Energieerzeugern, in 1 sind dies 63 bis 30 MW bzw. MVA (z. B. Gaskraftwerke; Spitzenlastkraftwerke, Stadtwerke) speisen in das Hochspannungsnetz 2, geringere Leistungsgrößen von z. B. Biogas-Heizkraftwerken und, kleinere Wind- und Fotovoltaikparks, große Windkraft-Einzelanlagen speisen in das Mittelspannungsnetz 3 ein.
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Sondervertragskunden (S), wie z. B. große Industriebetriebe und Anlagen mit unruhiger Last (Lichtbogenöfen, Walzwerke) beziehen Ihren Energiebedarf aus dem Höchstspannungsnetz 1, Industriebetrieb und Stadtwerke aus dem Hoch- und Mittelspannungsnetz 2; 3.
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Das Mittelspannungsnetz 3 speist weiterhin die Niederspannungs-Ortsnetze 4 der öffentlichen Energieversorgung mit den Millionen Tarifkunden (T) und Sonderkunden (S) im Gewerbereich, welche beide parallel auch ihre eigenen Fotovoltaikanlagen nutzen und Überschussstrom 9 ins Niederspannungsnetz 4 mit 400/230 Volt einspeisen.
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In Europa wird für das allgemeine Stromnetz eine Netzfrequenz von 50 Herz (Hz) verwendet. Diese Netzfrequenz ist der direkte Qualitätsindikator für die Erzeugung angebotener Momentanleistungen der Anlagen-Einspeisung von 6; 7; 8 und 9 und Abnahme der Momentanleistung aller Verbraucher S und T der Stromnetze 1; 2; 3 und 4.
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Wird zeitgleich zu viel Strom eingespeist, steigt die Frequenz, wenn zu wenig eingespeist, fällt die Frequenz.
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Die Netzfrequenz im kontinentaleuropäischen Verbundsystem ist überall gleichsynchron, wird zwischen 49,980 und 50,020 Hz gehalten. Das sichert die Primärregelleistung (PRL) der in der UCTE (Union der Übertragungsnetzbetreiber) vertretenen Übertragungsnetzbetreiber mit Hilfe der Turbinendrehzahlregelungen der Kraftwerke ab. Die derzeit vorgehaltene Leistung für Deutschland beträgt cirka +/–612 MW (Stand 2012, www.regelleistung.net).
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Die nach einem solchen Regelfall auftretende Nachregelung von Leistungsungleichgewichten erfolgt durch den Einsatz der Sekundärregelung (SLR). Für Deutschland sind dafür vier Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) zuständig, welche entsprechend lang- oder kurzfristiger vertraglicher Bindung Strommengen/leistungen zeitabhängig von Stromversorgern aller Größenordnung am Markt binden und preisabhängig automatisch zum Einsatz bringen.
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Gleiches trifft für extrem kurzfristig bei Störungen bereitzustellende Leistung der Minutenreserveleistung (MRL) zu. Deren Abruf erfolgt auf Grundlage der so genannten „Merit Order List” abhängig vom Arbeitspreis der Stromanbieter.
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Treten darüber hinaus große Störungen im Verbundnetz oder regionalen Netzen auf, stellen sich dynamische Frequenzänderungen ein. In diesem Falle muss der Zusammenbruch des gesamten Netzes vermieden werden. Zusätzliche Maßnahmen sind zwischen den Mitgliedern Übertragungsnetzbetreiber, ÜNB bzw. UCTE vereinbart. Für das ÜNB sind dies in Abhängigkeit von der stufenweise sinkenden Netzfrequenz 49,9-49,4-48,4-47,6 Hz: Warnung des Personals mit Einsatz aller verfügbaren Reserven – Abschaltung ausgewählter Abnehmer, Abtrennen von Eigenbedarfsanlagen. Auftrennen des Verbundsystems in einzelnen Inselnetze und Abtrennen aller Kraftwerke vom Netz.
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Außerhalb der Netzgrenzen von 49,5 und 50,5 Hz treten erhebliche Schäden an elektrischen Maschinen auf, so dass vorher zwingend Frequenzkorrekturen durch Lastabwurf von Energieerzeugern oder Netzabschaltung von Abnehmern erfolgen. Eine Sekundär- oder Netzregelung ist der Primärregelung der einzelnen Erzeuger (Stromgeneratoren) überlagert und mit vielseitigen hier nicht näher erläuterten Einrichtungen gekoppelt. Außerdem erfolgt ein Stromaustausch (Ausland 10) mit Nachbarländern im Rahmen des Europäischen Verbundsystems.
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Jede Abweichung von zeitgleicher Einspeis- und Abnahmemenge des Stromes wirkt sich innerhalb des Zeitbereichen von 0,2 Sekunden auf Netzfrequenzschwankungen an allen Orten und Abnehmern aus.
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Je größer das mögliche Stromangebot gegenüber der möglichen Stromabnahme ist, umso besser kann das Verbundnetz über Reservehaltung Netzschwankungen ausgleichen. Bisher war in Deutschland das normale Angebotpotential ca. 30 bis 40% größer als der Stromabnahmebedarf. Außerdem ist die Einspeisung Erneuerbarer Energie durch fehlende Netzkapazität gegenüber dem möglichen Angebot gebremst.
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Diese komfortable Situation wird sich in Zukunft grundsätzlich ändern, weil die ins Netz einspeisbare Kraftwerksleistung sinkt. Ursache dafür ist die Abschaltung der Kernkraftwerke, fehlende Netzkapazität für die Einspeisung von Windkraftanlagen und verzögerte konventioneller Neubau-Kraftwerks-Inbetriebnahme, zusätzlich verstärkt durch fehlende Gesetzgebung für CO2-freie Neubaukraftwerke (CCS-Technik).
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Durch diese zukünftig fehlende Reservekapazität wird die Regelfähigkeit des Verbundnetzes extrem verschlechtert. Der Ausgleich von Stromdefizit durch Gaskraftwerks-Spitzenlast, Pumpspeicherwerke, zeitweilige und momentane Zufuhr ausländischer Stromreserven wird zunehmen. Da gleiche Tendenzen in den Nachbarländern zu erwarten sind, wird der Stromhandel über die Strorbörsen zu extremen Spitzenlastpreisen fahren. Die Preise schwanken nachfragebedingt schon zwischen Nullniveau und über 1000% der variablen Produktionskosten (Ockenfels, Uni Köln 2007, „Strombörse und Marktmacht”).
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Treten bei verringerter Reservekapazität im Reglerenergiemarkt (Bereitstellung vertraglich vereinbarter Havariekapazität) Kraftwerksstörungen mit -ausfällen auf, erhöht sich der Strompreis des kurzfristig bereitgestellten Stromes (über den Spotmarkt der Strombörsen mit Off-Peak bezeichneten Stromblöcken, welche im 15 min-Bereich bereitgestellt werden) an den Strombörsen extrem. Aus der Praxis ist bekannt, dass im Extremfall für Sofortstrom schon 20 Euro/kWh gehandelt wurden. Große Stromverbund-Einspeiser (VATTENFALL/Batterieanlagen, LAUSITZER RUNDSCHAU 24.12.2011) erproben über Elektro-Auto-Projekte mit Fotovoltaik- und Batterieanlagen gekoppelt bei Bedarf Reservestrom ins Verbundnetz einzuspeisen. Die geringe Stückzahl der Anlagen und Elektroautos wird im nächsten Jahrzehnt kaum die oben genannten Probleme lösen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche die Einhaltung der Soll-Frequenz von Stromnetzen verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird unter anderem die Einhaltung des Sollwertes der Netzfrequenz von 50,00 Herz (Hz) mit deren zulässigen Abweichung zum Sollwert +/–20 mHz und einer Regelleistungsabweichung bis +/–200 mHz im Stromverbundnetz oder regionalen Stromnetzen durch zusätzliche Regelkapazität auf der Stromabnehmerseite stabilisiert. Dadurch wird zusätzlich zu errichtende oder über Strompreissteigerung am Strommarkt zu aktivierende Regelkapazität zur Einhaltung des Frequenzsollwertes vermieden und erfindungsgemäß durch Vorrichtungen mit Frequenz abhängiger Abschaltung/Zuschaltung von Stromabnehmern insbesondere im kleinteiligen Konsumentenbereich bei Haushalten und Kleinverbrauchern ersetzt.
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Erfindungemäß erfolgt die Abschwächung der Stromnachfrage bei den Sondervertrags- und Tarifkunden insbesondere im Niederspannungsnetz durch Geräteabschaltung im Bereich Haushalte und Kleinverbraucher. Der Zeitpunkt derartiger Stromabschaltungen wird unter anderem über direkt beim Verbraucher gemessene Frequenzabsenkung oder über zentrale Signale, insbesondere unter einen Grenzwert von 49,90 Hz, bei einer weiteren Lösung 49,80 Hz, festgelegt.
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Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren mit ihrer Vorrichtung auch in entgegen gesetzter Richtung bei Frequenzüberschreitungen des Sollbereiches mit dem Zuschalten von Stromabnehmern im Bereich Haushalte und Kleinverbraucher eingesetzt.
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Die Erfindung mit ihrem technischen Umfeld wird anhand der 2 bis 4 beschrieben. Diese stellen nur bevorzugte Ausführungen dar. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungen begrenzt.
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Sie zeigen:
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2: Stromnetz von Tarif- (T) und Sonderkunden (S) mit Frequenzdose
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3: Frequenzdose mit Frequenzmesseinrichtung
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4: Frequenzdose mit Frequenzsignalempfänger
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Fig. 2
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Vom 400/230 V-Ortnetz 4 (1 und 2) führen in bekannter Weise mit Hauptsicherungen 11 versehene Stromkreise 12 zu den Tarifkunden T bzw. Sonderkunden S. Deren interne Stromverteilung 13 führt zu einzelnen mit weiteren Sicherungen 11 geschützten Stromkreisen 14, welche die einzelnen Verbraucher beliefern.
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In 2 ist beim Tarifkunden T ein Stromkreis 14 als Ringleitung 15 für drei Steckdosen 16 (teilweise nicht dargestellt) installiert. Eine Steckdose 16 versorgt den Kühlschrank 17. Erfindungsgemäß ist zwischen Steckdose 16 und Stecker 18 für den Kühlschrank 17 eine nach der Erfindung gestaltete Frequenzdose 19 zwischengeschaltet. Zusätzlich/Wahlweise ist bei einem weiteren Stromkreis 14 der Sicherung 11 eine Frequenzdose 19 für den gesamten frequenzgesteuerten Stromkreis 20 nachgeschaltet.
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Für einen weiteren Stromabnehmer S mit Hausanschluss 12 und Sicherung 11 ist im Stromkreis 14 mit Steckdose 16 ein gewerblich genutzter größerer Kühl/Gefrierschrank 17 über den Stecker 18 eingebunden. In diesem Kühl/Gefrierschrank 17 ist schon bei der Fertigung eine Frequenzdose 19 fest installiert.
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Fig. 3
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Die Frequenzdose 19 besitzt einen Stecker 18, eine Steckdose 16 mit Schutzkontakt 21 und die Schalteinrichtung 22, welche mit einer Betätigungsvorrichtung 23 gekoppelt ist. Steuerseitig ist eine Frequenzmesseinrichtung 24 installiert, welche mit Signalgebern 25 gekoppelt ist. Die Signalleitung A führt direkt zur Betätigungseinrichtung 23, die Signalleitung E zur Betätigungseinrichtung 23 über ein Zeitglied 26.
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Fig. 4
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In einem Kühlschrank 17 ist das Kühlaggregat 27 an die Stromversorgungsleitungen L1/N angeschlossen. Der Stromleiter L1 ist durch eine Schalteinrichtung 22 unterbrechbar. Die Schalteinrichtung 22 ist mit einem Schaltrelais 28 gekoppelt, welches mittels Infrarot-Diode 29 für das Signal A und Infrarot-Diode 30 für das Signal E über Operationsverstärker 31; 32 mit dem Schaltrelais 28 über Steuerleitungen 33 verbunden ist. Im Raum oder Gebäude 34 mit dem Kühlschrank 17 befindet sich der Schaltschrank für die Stromverteilung oder/und der „intelligente” Stromzähler 35 mit einer Signalempfangsanlage gekoppelt mit dem Infrarotsender 36 für die Signalgebung 37 an die IR-Empfängerdioden 29; 30.
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Die Wirkungsweise wird nachfolgend beschrieben:
2 zeigt die vereinfachte Handhabung des Verfahrens mit einer Vorrichtung. Zwischen Steckdose 16 und Stecker 18 des Kühlschrankes 17 wird die erfindungsgemäß vom Handel angebotene Frequenzdose 19 beim Tarifkunden T zwischengeschaltet. Diese beinhaltet die gesamte Technik der Stromunterbrechung für den Kühlschrank: Frequenzmessung des anliegenden regionalen Niederspannungsnetzes des Hausanschlusses, Auswertung der gemessenen Frequenz und Vergleich mit den in der Frequenzdose vorgegebenen Frequenzgrenzen, welche innerhalb oder an den Grenzen des Regelbereiches des Verbundnetzes vorgegeben sind, die dafür erforderliche Ab- und -Zuschaltvorrichtung für die Stromversorgung des Kühlschrankes und einen Zeitschalter, welcher die Mindest-Ausschaltzeit festlegt. Letzteres wirkt nur im Rahmen der Schaltungsvorgänge der Frequenzdose, ohne dass der normale Kühlschrankbetrieb beeinflusst wird.
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Bei dem Sonderkunden S wird die Frequenzdose 19 innerhalb des Kühlschrankes 17 fest installiert oder deren zur Funktion des Zu- und Abschalten notwendigen Bauteilkombination je nach Erfordernis als Einzelteile getrennt an den konstruktiven Vorzugsorten im Kühlschrank installiert und miteinander verbunden.
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Beide Lösungen besitzen Zeitrelais/Zeitschalter zum Festlegen der max. Ausschaltzeit, wenn die Frequenzunterschreitung über die Mindestausschaltzeit hinaus anhält.
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Die Netzfrequenz des Verbundsystems wird zwischen 49,98 und 50,02 Hz bei Normalbetrieb durch die Leistungssteuerung aller Stromversorger gehalten. Die Leistungsreserven aller Stromeinspeiser ermöglichen in der Regel die Einhaltung dieser Regelungsgrenzen. Treten Störungen ein, tritt in Deutschland auf der Grundlage der „Netzund Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber” Maßnahmen zur Kompensation bzw. zum Schutz des Netzes in Kraft, welche stufenweise den Einsatz von „Regelleistung bis 49,8 Hz, sofortigen Abwurf von 10...15% der Netzlast bis 49 Hz, weiterem sofortigen Abwurf von 10...15% Netzlast ab 48,7 Hz, sofortigem Abwurf von weiteren 10...15% Netzlast” vorschreiben.
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Die eingangs beschriebene zukünftig fehlende Reservekapazität wird die Anzahl dieser Maßnahmen extrem vervielfachen. Dies ist umgehbar durch den Verbund mit den Stromnetzen der Nachbarländer. Jede der beschriebenen Regelmöglichkeiten einschließlich Stromim/ex/port ist aber mit unplanmäßigen Handlungen verbunden (Spitzenstromzufuhr, plötzlich eintretender Lastausgleich durch fremde Betreiber, Lastabwurf). All diese Stromdefizite werden mit extremen Stromkosten belastet einschließlich der Versteigerung von unplanmäßiger plötzlicher Stromzufuhr/abnahme über die internationalen Strombörsen. Zusätzlich steigt dabei die Gefahr der Abschaltung von Teilnetzen bis zum „Schwarzfall” (totaler Ausfall aller Stromerzeuger des Landes mit Trennung vom internationalen Verbundnetz).
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Erfindungsgemäß wird die summierte Wirkung vieler elektrischer Verbraucher mit Frequenzdosen, deren Stromversorgung zeitweilig oder kurzzeitig unterbrachen wird, ohne dass deren Versorgungsaufgabe technologisch gestört wird, bei Unterschreitung einer im Beispiel festgelegten Grenzfrequenz fg = 49,90 Hz für einen festgelegten Mindestzeitraum, von z. B. t = 10 Minuten abgeschaltet, danach bei der erneuten Unter/Überschreitung von fg wieder zugeschaltet.
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Im Beispiel werden große Teile des Kühlschrankbestandes von Deutsachland mit Frequenzdosen gekoppelt und somit als Frequenzregelung des Elektro-Verbundnetzes eingesetzt.
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Im hier beschriebenen Beispiel erfordern 50 Millionen deutschlandweite Kühl/Gefrierschränke mit einem jährlichen Strombedarf lt. Statistik von 250 TWh eine gemittelte Gesamtleistung von 4500 MW. Wenn nur 20% der Geräte mit Frequenzdosen 19 ausgerüstet sind und davon zeitgleich wiederum nur 20% in Betrieb sind, dann ergibt das eine rekrutierbare Reserveleistung von 900 MW. Diese würde in den Spitzenzeiten früh und abends, wegen der erhöhten Schaltfolge durch Öffnen der Kühlschränke im Haushaltsbereich mindestens verdoppelt. Dieser Minderstrombedarf würde bei Unterschreitung der Frequenz fg sofort im Verbundnetz wirksam werden. Das bringt erhebliche Vorteile für die Lastregelung der Stromeinspeiser und mindert erheblich die extremen Stromkosten von unplanmäßiger Sofortstrom-Einspeisung.
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Es muss davon ausgegangen werden, dass die Europäische Union und die Deutsche Bundesrepublik neben der Verbrauchskennzeichnung von elektrischen Geräten zukünftig weitere Maßnahmen festlegt, unter welche auch derartige administrative zeitweilige Abschaltung von Elektrogeräten zählt. Der Bund und die regionaler Energieversorger werden durch Förder- oder Subventionsmaßnahmen der Gerätetechnik und des Strompreises für derartige abschaltbare Geräte dessen Markt unterstützen.
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Bei einem weiteren Beispiel sind in einer Kaufhalle Kühlboxen, gekühlte Getränkeschränke, Kühlschränke und Kühlfächer an den frequenzgesteuerten Stromkreis 20 von 2 angeschlossen. Die kurzzeitige Abschaltung des Stromkreises über die Frequenzdose 19 hat auf den Kühleffekt minimale Auswirkungen.
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Bei einer weiteren Lösung werden vom örtlichen oder vertraglichen Energieversorger, welcher die frequenzgesteuerte Reserveleistung von mit Frequenzdosen 19 ausgestatteten Stromverbrauchern versorgt, diese Frequenzdosenanschlüsse an den einzelnen frequenzgesteuerten Verbraucher oder den frequenzgesteuerten Stromkreis 20 verplombt, um deren Wirkung gegen Missbrauch zu sichern.
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Die Wirkung der Frequenzdose nach 3 ist folgende:
Die Frequenzdose dient dazu, die Stromversorgung eines Kühlschrankes oder anderer Verbraucher erforderlichenfalls zu unterbrechen. Kriterien für die Ab- und Zuschaltung durch die Schalteinrichtung 22 ist die von der Frequenzmesseinrichtung 24 gemessene Netzfrequenz. Die Frequenzmesseinrichtung 24 wird hier nicht näher beschrieben, sie entspricht dem jeweiligen Stand der Technik. Da Netzfrequenz als Indikator der Netzauslastung und die Netzspannung physikalisch verbunden sind, wird auch die Netzspannung bzw. deren Veränderung als Spannungsgradient als Maß für die Frequenzveränderung verwendet. Die Spannungsmessung ist nach dem Stand der Technik mit geringem Aufwand verbunden.
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Unterschreitet diese Netzfrequenz eine einstellbare Frequenz/Grenzfrequenz, gibt der Signalgeber 25 das Signal A an die Betätigungsvorrichtung 23. Diese schaltet die Schaltvorrichtung 22 aus. Die zeitliche Dauer des Signals A ist von der Signalverarbeitung der Betätigungsvorrichtung 23 abhängig.
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Wenn die Netzfrequenz größer als die Grenzfrequenz wird, gibt der Signalgeber 25 das Signal E über das Zeitglied 26 zum Einschalten an die Betätigungsvorrichtung 23 ab. Dieses Zeitglied 26 besitzt eine einstellbare Verzögerungszeit. Sie wird benötigt, um häufiges Ein- und Ausschalten in kurzer Zeitfolge bei wechselnden Frequenzen über die Grenzfrequenz zu verhindern. Die Einschaltung erfolgt nur, wenn innerhalb der Verzögerungszeit/Mindest-Ausschaltzeit kein erneutes Signal A gegeben wurde. Die Stromversorgung bleibt dann über die eingestellte Verzögerungszeit unterbrochen.
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Fig. 4
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In 4 sind die Funktionselemente der Vorrichtung//Frequenzdose im Kühlschrankgehäuse getrennt, je nach konstruktivem Erfordernis angeordnet. Bei dem Erreichen der Grenzfrequenz wird die Signalempfangsarlage 36 über zentrale Signale 39 aktiviert und die Signalgebung 37 als Infrarotsignale A:Ausschalten oder E:Einschalten an die IR-Empfängerdioden 29 und 30 senden. In Abhängigkeit von den Signalen A und E wird über die Operationsverstärker 31 und/oder 32 und die Steuerleitungen 33 das Schaltrelais 28 aktiviert und wahlweise die Schalteinrichtung 22 wird die Stromzufuhr zum Kühlschrank 17 Zu- oder Abschalten.
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Zentrale Signale 39 und Signalgebung 37 können leitungs- oder/und nicht leitungsgebunden übermittelt werden.
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Bei einer weiteren Lösung wird der „intelligente Stromzähler” 35, welcher den Stromverbrauch der einzelnen Haushaltsgeräte bewertet mit Signalempfängern 36 der zentralen Frequenzsteuerung und Signalgebung 37 genutzt und/oder die Ein/Aus-Schaltzeiten der Geräte 17 bilanziert oder/und für die Abrechnung von Strommengen im Normalbetrieb, Spitzenlastzeiten und so genannten „Frequenzdosenbetriebszeiten”, mit unterschiedlichen Preisstufen verwendet.
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In diesem Fall wird die Stromabschaltung der Vorrichtung 19 eine außerordentlich hohe Stromgutschrift gegenüber dem Strompreis des Normalbetriebes erbringen. In einer weiteren Ausführung werden durch die Signal-Empfangseinrichtung die Signale A und E zentrale Signale von der zentralen Einrichtung/Leitwarte eines Übertragungsnetzbetreibers oder eines regionalen Energieversorgungsunternehmens empfangen. Dafür nutzt eine Lösung die im Internet veröffentlichte aktuelle Frequenzmessung unter „www.netzfrequenz.de”, welche mit einer Verzögerung von 0,8 Sekunden im Datennetz verfügbar ist und Online den zeitlichen Verlauf der Netzfrequenz wiedergibt. Diese aktuelle Netzfrequenz wird zur Generierung von Steuersignalen/zentralen Signalen mit Auswertung angeboten.
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Das zentrale Signal kann auch von der öffentlich verfügbaren Online-Frequenzmessung übernommen werden.
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Für die Übermittlung der Daten oder deren Auswertung an die vorgeschlagene Vorrichtung/Frequenzdose 19 oder Daten-Übergabestation 35 werden Funk, interaktive Dienste des Internet, aber auch Datentransport über herkömmliche Telefonleitungen über Breitband, drahtlose Datenübertragung mit Richtfunk, Datenübertragung mittels der Stromversorgungsleitungen als zentrale Signale genutzt, was hier nicht weiter beschrieben wird. Diese Signalübertragung ist insofern mit geringem Datenverkehr. Aufwand und Kosten verbunden, da dafür neben der wahlweisen Signal-Verschlüsselung und/oder deren Kennzeichnung, welche unterschiedliche Stromversorger mit ihren zu versorgenden Frequenzdosen 19 kennzeichnet, nur das Signal „Aus” oder „Ein” für den Schaltvorgang, allenfalls noch eine Zeitbegrenzung der Außerbetriebnahme bzw. eine Begrenzung der Anzahl der Schaltfolgen pro Zeiteinheit erforderlich ist.
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Insbesondere der geringe Datentransport über Satelliten liegt bei einer Verzögerung von ca. 300 Millisekunden.
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Bei einer weiteren Lösung wird das zentrale Signal direkt/zentral vorn Betreiber der Stromverbund-Regelung an die Frequenzdose 19 ausgesandt. In diesem Fall wird das zentrale Signal auch im Rahmen des gesamten Regelbereiches der Netzregelung bei kritischen Lastschwankungen zur Regenerierung von Stromreserven genutzt. Ein Regelblockführer, vorzugsweise AMPRION GmbH, welcher Schwankungen des deutschen Regelblockes gegenüber dem gesamten europäischen Verbundnetz der UCTE ausgleicht (www.amprion.net), wird das hier dargestellte Verfahren schon im Bereich der Sekundärregelung bei voraussehbaren Leistungsengpässen einsetzte, um die Minutenreserve (Tertiärregelung) nicht zu beanspruchen.
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Bei einer weiteren Lösung wird dieses zentrale Signal nach einer regionalen Frequenzmessung vorn regionalen Stromversorger, welche seine Strom-Vertragskunden mit Frequenzdosen 19 ohne Frequenzmessung ausgerüstet hat, direkt an die Dosen 19 übermittelt.
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In einem weiteren Beispiel sind zusätzlich elektrische Geräte, welche Regelabschaltungen zulassen mit Frequenzdosen ausgestattet. Die sind zum Beispiel:
Warmwasser-Speicher/-Boiler, Spül- und Waschmaschinen, Trockner.
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Dafür kann mit Stückzahl von je 1 Million und Leistungsaufnahmen von ca. 1 kW eine Sofort-Minderleistung bei zeitgleicher Inbetriebnahme von nur 5% und Unterschreitung des Grenzwert fg von mindestens 500 MW im Verbundnetz aktiviert werden.
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Bei einer weiteren Lösung erfolgt eine gestaffelte Festlegung der Grenzfrequenz fg derart, dass eine Klassifizierung der Haushaltsgeräte nach Stromleistungsbedarf und/oder Notwendigkeit des Weiterbetriebes berücksichtigt wird, somit die Geräte bei unterschiedlichen Netzfrequenzen außer Betrieb genommen werden.
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Bei einer weiteren Lösung wird eine zentrale Signaleinrichtung zur Absperrung und Wiederzuschaltung der Frequenzdose, welche dieses Signal empfängt, verwendet.
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In einer weiteren Ausführung wird die Frequenzmesseinrichtung 24 durch eine Empfangseinrichtung ersetzt. Die empfängt die von einer zentralen Einrichtung/Leitwarte eines Übertragungsnetzbetreibers oder eines regionalen Energieversorgungsunternehmens gesendete Netzfrequenz. Die Verarbeitung der Frequenz erfolgt dann wie in der Beschreibung zu 3 ausgeführt.
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Alle beschriebenen Lösungen können beliebig gekoppelt werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die aufgezeigten Lösungen.
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Durch die Erfindung treten folgende Vorteile auf:
Vorteile der zusätzlichen Regelreserve im Netz durch Abschalten von elektrischen Geräten im bereich Haushalte und Kleinverbraucher treten vorwiegend bei den 4 großen Energieerzeugern Deutschlands ein, kommen aber dem gesamten Netz zugute. Insofern wird der Gesetzgeber an dieser Lösung interessiert sein. Es ist Interesse bei Elektrogeräteherstellern und Stromerzeugern vorhanden. Damit ist eine mögliche Pflichtausrüstung zukünftiger Stromverbrauchsgeräte aber auch das Vorschaltung von Frequenzdosen 19 ökologische Notwendigkeit, um die Netzprobleme der Zukunft mit der Überwindung der durch Kernkraftreduzierung und dezentralen Erneuerbare Energieanlagen-Ersatz auftretende Regelunsicherheit ökonomisch zu verbessern.
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Mit Einführung der ”Intelligenten Stromzähler” kann ein ”Netzlast abhängiger Stromtarif” eingeführt werden, bei dem dann die Erfindung zur direkten Stromkosteneinsparung beim Verbraucher führt!
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Der Effekt der erfindungsbedingten Stromverbrauchsminderung tritt insbesondere dort ein, wo zukünftig durch die Abschaltung der Kernkraftwerke der stärkste Leistungsmangel eintritt und somit die Frequenzminderung ausgelöst wird. In Süddeutschland mit hoher Industrieballung wird auch wegen der dortigen hohen Bevölkerungsdichte der größte Effekt durch die Realisierung der Erfindung entstehen. Parallel schwächt sich damit auch negative Effekt fehlender Stromleitungskapazität von Nord- nach Süddeutschland ab.
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Der hohe Investitionsaufwand für den Neubau von Spitzenlastkraftwerken mit zukünftig geringeren Auslastung führt zu ökonomischen Nachteilen, welche durch das neue Verfahren mit seiner Vorrichtung bei größerer Schnelligkeit der Strombereitstellung zur Netzregelung ersetzt werden können.
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Mit der erfindungsgemäßen Realisierung des Verfahrens werden die Grundlagen für eine automatische Netzfrequenzregelung geschaffen. Damit besteht die Möglichkeit die derzeitigen konventionellen Regelmechanismen effektiver zu gestalten (Primär-, Sekundär, -Minutenregelung)
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Bei einer Lösung wird der regionale Stromversorger die Abschalteinrichtung/Frequenzdose subventionieren und als Ausgleich bei Wirksamwerden der Stromunterbrechung beim Konsumenten diesen Strom als Gutschrift zum zeitgleichen Spotpreis am Strommarkt angerechnet bekommen.
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In einer weiteren Lösung wird der Gesetzgeber den Einbau dieser Einrichtung in Neugeräte vorschreiben.
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In einer weiteren Lösung wird der Hersteller dieser Abschalteinrichtung/Frequenzdose diese subventioniert bekommen und der Nutzer vom Stromlieferer eine subventionierte Strompreisminderung erhalten.
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Wie beim freiwilligen Erwerb von „Grünen Strom” werden bei einer weiteren Lösung umweltbewusste Bürger diese Einrichtung trotz Mehrkosten nutzen.
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Der wirtschaftpolitische Effekt des Verfahrens wird mit den Jahren steigen, weil der voraus gesagte Strommangel insbesondere durch Kapazitätsminderung der Kern- und Kohlekraftwerke durch Exportgas- und Öl-Kraftwerke, insbesondere aber durch Anlagen erneuerbarer Energien die Stromgrundlast im herkömmlichen Sinne nicht ersetzen kann. Somit wird die so genannte Reservekapazität Stromerzeugung geringer und die Störanfälligkeit des Stromnetzes zunehmen.
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Wind- und Sonnenenergie können zwar durch Wettervorhersagen und die große Anzahl der Einzelanlagen gemeinsam mit Pumpspeicherwerken die Lastkurve nach dem Strombedarf regeln. Aber auch „klarer Himmel” laut Wetterbericht verhindert nicht, dass einzelne Schönwetterwolken oder Gewitter in Sekunden unkontrolliert 60 MW-Photovoltaik-Parks praktisch außer Betrieb setzt. Besonders in diesen Situationen wird das erfinderische Verfahren sich positiv bewähren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Höchstspannungsnetz
- 2
- Hochspannungsnetz
- 3
- Mittelspannungsnetz
- 4
- Niederspannungsnetz
- 5
- Transformatorenstationen/Umspannwerke
- 6
- Große Kraftwerke (Braunkohle, Steinkohle, Gas, Kernkraft), Pumpspeicherwerke, Wind-Offchor-Anlagen mit Leistungen z. B. größer 200 MW
- 7
- Energieerzeuger mittlerer Leistung, z. B. 5 bis 200 MW (Gaskraftwerke, Spitzenlastkraftwerke, Stadtwerke usw.)
- 8
- Energieerzeuger mit geringer Leistung, z. B. kleiner 5 MW (Biogas-HKW, Windanlagen, große Fotovoltaik-Parks usw.)
- 9
- Energieerzeuger mit Ortsnetzspannung, z. B. Tarifkunden (T) oder/und Sondervertragskunden (S) mit Dach-Fotovoltaik-Anlagen
- 10
- Ausland: Stromaustausch mit Nachbarländern
- 11
- Hauptsicherung; Sicherung
- 12
- Stromkreis
- 13
- interne Stromverteilung
- 14
- Stromkreis
- 15
- Ringleitung
- 16
- Steckdose
- 17
- Kühl/Gefrierschrank/einrichtung
- 18
- Stecker
- 19
- Frequenzdose
- 20
- frequenzgesteuerten Stromkreis
- 21
- Schutzkontakt
- 22
- Schalteinrichtung
- 23
- Betätigungsvorrichtung für Schalteinrichtung
- 24
- Frequenzmesseinrichtung
- 25
- Signalgeber
- 26
- Zeitglied
- 27
- Kühlaggregat
- 28
- Schaltrelais
- 29
- IR-Empfängerdiode A
- 30
- IR-Empfängerdiode E
- 31
- Operationsverstärker A
- 32
- Operationsverstärker E
- 33
- Steuerleitungen
- 34
- Raum/Gebäude
- 35
- Schalt/Sicherungsschrank/”intelligenter” Stromzähler
- 36
- Signalempfangsanlage/Infrarotsender/Übergabestation
- 37
- Signalgebung
- 38
- Stromversorgung für Frequenzmesseinrichtung
- 39
- zentrales Signal
- S
- Sonderkunden
- T
- Tarifkunden
- A
- Signal A: Ausschalten
- E
- Signal E: Einschalten
- t
- Zeit/Verzögerungszeit (Sekunden/Minuten/Frequenzfolgen)
- f
- Frequenz, gemessen (Hz)
- fg
- Grenzfrequenz (Hz)
- L1/N
- Stromversorgungsleitungen
