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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Energieflüsse einer dezentralen Anlage, wobei die Anlage wenigstens einen Energiespeicher, dem ein Laderegler zugeordnet ist, und wenigstens einen Verbraucher aufweist, der mit dem Energiespeicher und mit einem zentralen Stromnetz gekoppelt ist.
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Unter einer „dezentralen Anlage” soll eine Service- oder Produktionseinheit verstanden werden, die ihre Leistungen für ihr unmittelbares Umfeld erbringt. Beispiele für dezentrale Anlagen sind Rechenzentren und andere lokal arbeitende IT-Umgebungen, die Aufgaben bis hinein in die Gebäudeverwaltung und, mit dem Aufkommen von Home Area Networks (HAN), in die Gebäudesystemtechnik erfüllen.
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Wenn die Erfindung hier im Kontext eines Rechenzentrums erläutert wird, so soll verstanden werden, dass deren Grundsätze auch für andere dezentrale Anlagen Anwendung finden können.
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Der Energieverbrauch beim Betrieb von Rechenzentren ist ein erheblicher Kosten- und Umweltfaktor. Es ist zu erwarten, dass die Strompreise in den kommenden Jahren weiter steigen werden, so dass beim Betreiben eines Rechenzentrums auf Energieeffizienz nicht verzichtet werden kann.
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Der Ausgleich zwischen Stromangebot und -nachfrage erfolgt heute vor allem durch die Regelung der Großkraftwerke. Dabei ist ein steigender Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion erkennbar. Diese werden in dezentralen Strom-Erzeugungsanlagen, z. B. Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, zur Stromerzeugung genutzt. Insbesondere Photovoltaikanlagen werden für Rechenzentren immer häufiger als dezentrale Strom-Erzeugungsanlage eingesetzt.
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Ein weiterer Kernpunkt ist die Verfügbarkeit des Rechenzentrums, die uneingeschränkt vorhanden sein muss und für die es somit keine Kompromisse geben darf. Daher enthält jedes Rechenzentrum mindestens ein System zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), das einspringt, wenn das zentrale Stromnetz ausfällt. Das Verhalten der USV hat ebenfalls einen Einfluss auf die Energieeffizienz eines Rechenzentrums. Eine USV, die bei optimaler Last einen Wirkungsgrad von etwa 95% hat, kann bei 50% Auslastung auf 90% und darunter fallen. Diese Situation tritt in der Praxis regelmäßig auf, da in den meisten Rechenzentren redundante Architekturen verlangt werden. Eine zusätzliche USV springt ein, um den Ausfall eines anderen Systems zu kompensieren. Je nach Grad der Redundanz, also der Anzahl der vorhandenen USVs, sinkt die Auslastung im Normalfall und damit der Wirkungsgrad. Es wäre schon von daher wünschenswert, eine USV optimal auslasten zu können.
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Als Energiespeicher in der USV dienen Batterien, die aus dem zentralen Stromnetz oder einer dezentralen Strom-Erzeugungsanlage geladen werden. Eine Überbrückungszeit von 15 Minuten durch Batterien gilt für ein betriebssicheres Rechenzentrum als Richtwert. Dies entspricht der Zeitspanne, bis eine Notstrom-Ersatzanlage, beispielsweise ein Dieselgenerator, die Versorgung der Last übernommen hat.
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Das Energie-Management spielt eine große Rolle bei den aufkommenden Micro-Grids. Ein Micro-Grid lässt sich als eine Anordnung von Stromerzeugungsquellen in verschiedenen Betriebsmodi definieren. Dabei kann die Verbindung zum Macro-Grid unterbrochen und das Micro-Grid autonom im Inselbetrieb betrieben werden. Rechenzentren mit ihrem großen Energiebedarf eignen sich insbesondere für die Anwendung dieser Technologie. Wie es in K. Meagher, J. Jennings „Mehr Intelligenz im Stromnetz – das Rechenzentrum als Micro-Grid", www.searchdatacenter.de, 12. September 2012, beschrieben ist, ermöglichen Micro-Grids ein kostenreduzierendes Energie-Management bei unübertroffener Stromverfügbarkeit und Zuverlässigkeit, wobei Stromnutzung und Belastung optimiert werden.
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Ein optimiertes Szenario für eine Kostenreduktion würde auch darin liegen, Strom billig zu nutzen, und dies auch unter Ausnutzung der möglichst günstigen Stromtarife am Wochenende oder in der Nacht. Bisher sind die in einer dezentralen Anlage vorhandenen Energiespeicher bei der Planung nur unzureichend berücksichtigt worden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Energieflüsse einer dezentralen Anlage, wie oben beschrieben, zur Verfügung zu stellen, mit der ein kostenreduzierendes Energie-Management unter Einbeziehung des oder der Energiespeicher gelingt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine erfindungsgemäße Verwendung ist in Anspruch 5 angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein dynamischer Strompreis für den im zentralen Stromnetz verfügbaren Strom in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen abgefragt. Dies kann beispielsweise durch Koppeln an den stundengenauen Spotmarkt der Strombörse geschehen. Außerdem wird der Lastbedarf des wenigstens einen Verbrauchers ermittelt. Wenn nun der Strompreis in einem vorgegebenen ersten Zeitintervall geringer ist als ein vorab definierter Schwellenwert, wird die Anlage in einem ersten Betriebsmodus betrieben, in dem der Energiespeicher geladen wird und die Versorgung des wenigstens einen Verbrauchs aus dem zentralen Stromnetz erfolgt. Außerdem wird der Ladezustand des Energiespeichers erfasst. Wenn nun der Strompreis in einem vorgegebenen zweiten Zeitintervall höher ist als ein vorab definierter zweiter Schwellenwert und wenn der Ladezustand des Energiespeichers höher ist als ein festgelegter Grenzanteil der Kapazität des Energiespeichers, dann wird die Anlage in einem zweiten Betriebsmodus betrieben, in dem der Energiespeicher entladen wird. Dabei wird der wenigstens eine Verbraucher aus dem Energiespeicher versorgt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Energie aus dem Energiespeicher in das zentrale Stromnetz zurückzuspeisen und damit sozusagen billig eingekauften Strom bei Lastspitzen im zentralen Stromnetz, die mit erhöhten Preisen einhergehen, teuer wieder zu verkaufen. Dabei ist vorgesehen, dass der Laderegler das Rückspeisen der Energie aus dem Energiespeicher in das zentrale Stromnetz nur zulässt, solange der Grenzanteil der Kapazität nicht unterschritten wird, um die Verfügbarkeit der Verbraucher in der Anlage weiter zu gewährleisten, falls das zentrale Stromnetz ausfällt.
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Am Beispiel des Rechenzentrums würde dies bedeuten, dass billig eingekaufter Strom in die Batterie der USV geladen wird, so dass angestrebt werden kann, die USV so gut wie möglich auszulasten. Die normalerweise in Rechenzentren verwendeten USV sind spannungsgeführt, d. h. sie können keine Leistung ins zentrale Stromnetz speisen. Zum Rückspeisen ins zentrale Stromnetz werden stromgeführte Wechselrichter benötigt, die in die USV eingegliedert werden. Die Technologie ist an sich bekannt und in der
EP 2 026 440 A2 beschrieben. Im Zusammenhang mit Rechenzentren ist sie allerdings noch nicht verwendet worden.
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Der Strompreis dient bei der Erfindung als Eingangsregelsignal für das Laden und Entladen des Energiespeichers. Um die USV eines Rechenzentrums als Energiespeicher verwenden zu können, muss die Verfügbarkeit erhalten bleiben. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass die Batterie der USV niemals vollständig entladen wird, sondern immer so viel Kapazität hält, dass die erforderliche Überbrückungszeit von etwa 15 Minuten gehalten werden kann.
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Die Erfindung arbeitet weiterhin mit einem ersten und einem zweiten Schwellenwert für den dynamischen Strompreis, die durchaus unterschiedlich gewählt werden können, um ein unnötig häufiges Umschalten zwischen Laden und Entladen beim Energiespeicher zu vermeiden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der erste Schwellenwert gleich dem zweiten Schwellenwert ist.
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Um den Gedanken des kostenreduzierenden Energie-Management weiter fortzuführen, kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf dezentrale Strom-Erzeugungsanlagen erweitert werden. Dazu ist vorgesehen, dass die Verfügbarkeit von Strom aus einer dezentralen Strom-Erzeugungsanlage abgefragt wird, und wenn von der dezentralen Strom-Erzeugungsanlage Strom zur Verfügung steht, der zugeordnete Strompreis abgefragt wird. Der der dezentralen Strom-Erzeugungsanlage zugeordnete Strompreis wird mit dem dynamischen Strompreis verglichen, und wenn der der dezentralen Strom-Erzeugungsanlage zugeordnete Strompreis kleiner ist als der dynamische Strompreis, wird die Anlage in einem dritten Betriebsmodus betrieben, in dem das Laden des Energiespeichers und das Versorgen des wenigstens einen Verbrauchers von der dezentralen Strom-Erzeugungsanlage her erfolgt. Damit kann das Ziel erfüllt werden, regenerativ erzeugen Strom im Energiespeicher zu speichern und dann zur Verfügung zu stellen, wenn Sonne oder Wind nicht zur Energieerzeugung ausgenutzt werden können.
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Eine Photovoltaikanlage als dezentrale Strom-Erzeugungsanlage kann gut in ein als Micro-Grid arbeitendes Rechenzentrum integriert werden, so dass dieses unter gewissen Voraussetzungen im Inselbetrieb arbeiten kann. Eine Windkraftanlage kann als extern dezentrale Strom-Erzeugungsanlage betrieben sein.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung findet seine Verwendung bevorzugt in einem Rechenzentrum, wobei der Energiespeicher, mit einem Wechselrichter ausgestattet, Bestandteil eines Systems zur unterbrechungsfreien Stromversorgung der Verbraucher im Rechenzentrum ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft für ein Rechenzentrum als dezentrale Anlage beschrieben werden, deren USV als Energiespeicher eingesetzt wird. Dabei zeigt:
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1 in schematischer Darstellung die Energieflüsse im Betrieb mit Versorgung durch das zentrale Stromnetz; und
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2 die Energieflüsse im Inselbetrieb.
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In 1 sind in einer schematisierten Darstellung die Energieflüsse im Betrieb mit Versorgung aus dem zentralen Stromnetz am Beispiel eines Rechenzentrums mit dynamischem Lastprofil dargestellt. In der Regel redundant ausgelegte Mittelspannungshauptverteiler MSHV erhalten Strom aus dem zentralen Stromnetz, wobei die Spannung über zwei Transformatoren T mit gleicher Leistung zur Umsetzung auf die Niederspannungshauptverteiler NSHV umgesetzt wird. Eine Netzersatzanlage NEA, gegebenenfalls redundant ausgelegt, liefert bei Ausfall des zentralen Stromnetzes Strom direkt auf die Niederspannungshauptverteiler NSHV. Dem Niederspannungshauptverteiler NSHV ist eine N + 1-USV mit Batterien nachgelagert. Die Verbraucher des Rechenzentrums sind durch eine IT-Komponente symbolisiert.
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Die USV hat die Aufgabe, mögliche kurze Stromausfälle zu überbrücken, die meistens im Sekundenbereich liegen. Bei totalem Stromausfall wird der Strom über die Batterien gehalten, bis die Netzersatzanlage NEA aktiv ist. Die Gesamtheit der Batterien bildet einen Energiespeicher E, der in den Figuren symbolisch durch einen Block dargestellt ist. Dieser Energiespeicher E wird so aufgeteilt, dass ein Sicherheitsbereich der Kapazität immer zur Verfügung steht, der in der Größenordnung von 30 bis 50% liegt. Andere Aufteilungen können vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Sicherheitsbereich E1 von 30% und einem Puffer E2 von 30 bis 50% der Kapazität, wobei der Rest E3 für die Spitzenlast zur Verfügung steht. Diese Aufteilung erlaubt das Abstimmen des Systems auf das dynamische Verhalten der Verbraucher des Rechenzentrums. Wenn der Strom billig ist, werden die Batterien geladen, symbolisiert durch den Pfeil A am Energiespeicher E, und die Verbraucher des Rechenzentrums aus dem zentralen Stromnetz versorgt. Diese Anbindung an das zentrale Stromnetz ist in 1 durch den geschlossenen Schalter S angezeigt.
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In der Darstellung der 2 ist der Schalter S geöffnet. Das Rechenzentrum arbeitet im Inselbetrieb, in dem keine Energiezufuhr aus dem Niederspannungshauptverteiler NSHV bzw. letztlich aus dem zentralen Stromnetz erfolgt, sonder die Versorgung aus den Batterien gesichert ist. Dabei wird gewährleistet, dass der Sicherheitsbereich E1 des Speichers immer erhalten bleibt. Auch wenn eine ungewollte Trennung vom zentralen Stromnetz erfolgen sollte, wäre somit immer noch Energie vorhanden, um das Rechenzentrum zu versorgen, bis die Netzersatzanlage NEA ihren Betrieb aufgenommen hat.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. Meagher, J. Jennings „Mehr Intelligenz im Stromnetz – das Rechenzentrum als Micro-Grid”, www.searchdatacenter.de, 12. September 2012 [0008]
