DE102013002633A1

DE102013002633A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung überschüssigen Stroms

Info

Publication number: DE102013002633A1
Application number: DE201310002633
Authority: DE
Inventors: Heinz Henneck; Christoph Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-08-21

Abstract

Heizungen ohne elektrische Energiequellen werden bisher ohne jede Rücksicht auf den Auslastungsgrad des öffentlichen Stromnetzes betrieben. Es wird also auch dann Brennstoff verheizt, wenn Wind und Sonne elektrischen Strom im Überfluss liefern. Weil Großkraftwerke nicht schnell genug auf die wechselnden Lastzustände reagieren können und der Heizsektor den überschüssig produzierten Strom ebenfalls nicht aufnimmt, wird so die Stabilität des öffentlichen Stromnetzes gefährdet. Heizungen sind gegenwärtig meistens rein auf Brennstoffbetrieb ausgelegt und damit für die Aufnahme und Verwertung überschüssigen Stroms nicht geeignet. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Aufnahme überschüssigen Stroms sollen es ermöglichen, überschüssig produzierten Strom unmittelbar für Heiz- und Kühlzwecke zu verwenden, anstatt ihn zu verschenken oder gar Solar- bzw. Windstrom abzuschalten. Gemäß dem Verfahren wird überschüssig produzierter Strom zu niedrigen Marktpreisen an die Verbraucher angeboten, welche ihn direkt zu Heiz- oder Kühlzwecken verwenden können. Vorzugsweise wird der jeweilige Strompreis aufgrund von Angebot und Nachfrage in Echtzeit aktualisiert und bekannt gemacht. Die dazugehörige Vorrichtung besteht aus einer Heizung, die zusätzlich mit mindestens einer elektrischen Energiequelle und einem Steuergerät versehen wird, mittels welchem (anhand des bekannt gemachten Strompreises) möglichst automatisch die für den Betreiber günstigste Betriebsart ermittelt und zur Anwendung gebracht wird. Auf diese Weise erhöht sich die negative Regelleistung und der Zustand des Stromnetzes wird erheblich stabilisiert. Das Verfahren wird vorzugsweise dezentral, insbesondere in Gebieten mit besonders volatiler Netzleistung eingesetzt, da hier der größte Bedarf an negativer Regelleistung besteht. Die beschriebene Vorrichtung erweitert die Möglichkeiten herkömmlicher Heiz- bzw. Kühlanlagen und macht sie u. a. tauglich für das beschriebene Verfahren. Sie sollte daher möglichst überall zur Anwendung kommen. Dazu müssen vorhandene Heizungen und Kühlungen nicht zwangsläufig ausgetauscht werden; einfache Nachrüstung mit elektrisch betriebenen Wärme oder Kältequellen und der Steuergeräts genügt in der Regel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung überschüssigen Stroms und eine dazu passende Vorrichtung in Form einer Hybridheizung mit einem als Wertermittlungsmodul ausgestaltetem Steuergerät.
Beschreibung:
Überschüssiger Strom aus dem öffentlichen Stromnetz tritt vor allem dann auf, wenn zusätzlich zum normal produzierten Strom aus konventionellen Kraftwerken große Mengen an Wind- und Solarstrom eingespeist werden.
Das Verfahren funktioniert so, dass überschüssig produzierter Strom direkt und ohne Umwege für die Nutzung zu Heizzwecken verwendet wird. Dieses Verfahren kann im Prinzip auf Heizungen aller Art angewendet werden (dazu gehören auch Fernwärmesysteme, Anlagen für Prozesswärme, Warmwasseraufbereitung und insbesondere Blockheizkraftwerke). Diese werden lediglich mit zusätzlichen elektrischen Wärmequellen (Heizstifte, -schlangen, Rohrummantelungen) ausgestattet, welche den überschüssig produzierten Strom aus dem öffentlichen Stromnetz direkt für die Aufheizung der Heizkreisläufe verwenden.
Die Vorrichtung in Form einer Hybridheizung mit angeschlossenem Wertermittlungsmodul ist für das beschriebene Verfahren geeignet. Sie verfügt über mindestens eine elektrisch betriebene Wärmequelle und mindestens eine andere Wärmequelle. Die Heizung ist an ein als Wertermittlungsmodul ausgestaltetes Steuergerät angeschlossen, welches darüber befindet, ob beispielsweise mit Brennstoffen oder aber im elektrischen Modus mit Strom aus dem öffentlichen Stromnetz geheizt wird. Das Wertermittlungsmodul ermittelt dazu jederzeit die günstigste Betriebsart und stellt das System vorzugsweise automatisch entsprechend der Betreibervorgaben darauf ein. Unter Anwendung des gegenständlichen Verfahrens stabilisieren solche Hybridheizungen das öffentliche Stromnetz, denn der überschüssige Strom wird durch sofortigen Verbrauch für die Wärmeversorgung so schnell abgebaut wie er entsteht.
Eine Weiterentwicklung der monodirektionalen Heizung stellt das bidirektionale Blockheizkraftwerk (BHKW) mit Wertermittlungsmodul dar. Es arbeitet ebenso wie die oben beschriebene Heizung in Hybridbauweise und ist für das beschriebene Verfahren ganz besonders gut geeignet. Wie die beschriebene Heizung verfügt es über mindestens eine elektrisch betriebene Wärmequelle für den Heizkreislauf und mindestens eine andere Wärmequelle. Das BHKW ist an ein als Wertermittlungsmodul ausgestaltetes Steuergerät angeschlossen, welches darüber befindet, ob das BHKW im Modus Blockheizkraftwerk, also als Wärme- und Stromlieferant, oder im Modus elektrische Heizung/elektrische Warmwasseraufbereitung (also als Stromverbraucher) genutzt werden soll. Das Wertermittlungsmodul ermittelt dazu jederzeit die günstigste Betriebsart und stellt das System vorzugsweise automatisch entsprechend der Betreibervorgaben darauf ein. Bei Anwendung des oben genannten Verfahrens und entsprechender Verbreitung stabilisiert ein solches BHKW das öffentliche Stromnetz in hohem Maße, denn es tritt je nach Bedarf entweder als Stromlieferant oder als Verbraucher in Erscheinung. Voraussetzung ist wiederum, dass der überschüssig produzierte Strom für den Betreiber als solcher erkennbar ist. Eine solche Konstellation wird vorzugsweise über den aktuellen Strompreis angezeigt.
Stand der Technik:
Bisher werden Heizungen ohne jede Rücksicht auf den Auslastungsgrad des öffentlichen Stromnetzes betrieben. Es werden auch dann Brennstoffe verheizt, wenn Wind und Sonne elektrischen Strom im Überfluss liefern und damit sogar die Stabilität des öffentlichen Stromnetzes gefährden.
Stromproduzenten nehmen ebenfalls keine Rücksicht auf den Auslastungsgrad des öffentlichen Stromnetzes. Stromproduzenten in diesem Sinn sind neben den Energieversorgunternehmen auch Betreiber von Blockheizkraftwerken, Wind- und Photovoltaikanlagen. Die beiden Letzteren haben aufgrund ständig wechselnder Wetterwerte keinerlei Einfluss auf ihre Stromproduktion, die Ersteren wenden das hier beschriebene Verfahren Mangels Interesse und mangels geeigneter Gerätschaft nicht an.
Folglich wird bei der Stromeinspeisung von erneuerbaren Energien nach starren Tarifen (Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz bei Blockheizkraftwerksbetreibern und Erneuerbare-Energien-Gesetz bei Photovoltaikbetereibern) eingespeist und abgerechnet. Energieversorgungsunternehmen stellen mittels eigenen Großkraftwerken eine so genannte Grundlast bereit und betrachten daher Wind- und Solarstrom im Prinzip als Störung des Gesamtsystems, genau so wie eine stark wechselnde Stromnachfrage der Kunden. Andere Stromversorger und Kunden werden nicht mehr als unbedingt erforderlich in das Gesamtsystem mit einbezogen. Automatische Stromhandelssysteme werden bestenfalls erörtert, aber nicht eingeführt. So werden in immer stärkerem Maße Stromüberschüsse produziert, weil die konventionellen Kraftwerke auf den unregelmäßig eingespeisten Wind- und Solarstrom nur unzureichend oder gar nicht reagieren bzw. reagieren können. Und so bezahlen die Energieversorger zwar für Stromüberschusse, verkaufen diesen Strom aber nicht zu marktgerechten Preisen an den Endkunden.
Problemstellung:
Selbst in den neusten veröffentlichten Studien werden Stromversorgung einerseits und Wärmeversorgung andererseits als zwei völlig getrennte Systeme betrachtet, so als ob sie generell inkompatibel seien. Untersuchungen und Szenarien befassen sich auf dem Heizsektor fast ausschließlich mit Einsparpotentialen durch verbesserte Technik und Gebäudedämmung, mit Wärmepumpen und Solarthermie, nicht aber mit der direkten Nutzung überschüssigen Solar- und Windstroms für den Heizsektor. Allenfalls über den Umweg Power-to-Gas wird die Verwertung überschüssigen Wind- und Solarstroms für Heizzwecke diskutiert.
Stromnetzbetreiber kämpfen mit hohen und unregelmäßigen Einspeisungen von Wind- und Solarstrom, welche die Stromnetze bis an den Rand ihrer Leistungsfähigkeit bringen. Bisher konnten sie die Stromüberschüsse von Wind- und Solarstrom exportieren; es ist jedoch zu erwarten, dass dies nicht immer so bleiben wird, denn diese Praxis greift in die Autonomie der Nachbarländer ein, ohne dass auch diese davon profitieren würden.
Energieversorgungsunternehmen klagen ebenfalls über die hohen Einspeisungen, da sie nach der Rechtslage Strom aus erneuerbaren Energien auch dann bezahlen müssen, wenn sie diesen nicht verkaufen können. Sie bieten bisher allerdings keine Ökotarife oder gar automatische Stromhandelssysteme an, um überschüssigen Strom zu reduzierten Preisen an den Verbraucher anbieten und verschenken diese Überschüsse an Nachbarländer, da kein Verfahren zur Verfügung steht, den überschüssigen Strom in ortsnahen Heizungen zu verwerten.
Betreiber von Blockheizkraftwerken heizen aus diesem Grund an kalten Tagen selbst dann mit Brennstoffen aller Art, wenn Strom aufgrund hoher Einspeisungen von Wind- und Solarenergie im Überfluss zur Verfügung steht.
Dabei wird wissentlich in Kauf genommen, dass die Umwandlung einer Energieform in eine Andere überflüssige Kosten verursacht und zwar Kosten für die Technologie der Energieumwandlung selbst und indirekt Kosten der Umwandlungsverluste in Form einer Verringerung des Gesamtwirkungsgrades.
Aufgabenstellung
Aufgabenstellung des Erfinders war es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung dafür zu finden, überschüssigen Strom direkt für die Nutzung für die Warmwasseraufbereitung, Prozesswärmeherstellung und zu Heizzwecken, insbesondere bei Blockheizkraftwerken zu nutzen.
Dies ist mit dem Verfahren zur Nutzung überschüssigen Stroms nach Patentanspruch 1 und der Vorrichtung in Form der beschriebenen Hybridheizung mit Wertermittlungsmodul nach dem Patentanspruch 2 gelungen. Vorzugsweise findet Letztere als das ebenfalls beschriebene bidirektionale Blockheizkraft-werk mit Wertermittlungsmodul gemäß Patentanspruch 3 Anwendung.
Das Verfahren nach Patentanspruch 1 besteht darin, dass überschüssig produzierter Strom vorzugsweise mit in Echtzeit ermittelten marktgerechten Preisen an die Verbraucher angeboten wird, welche diesen Strom für Heizzwecke umgehend und direkt verbrauchen.
Die Hybridheizung mit Wertermittlungsmodul nach den Patentanspruch 2 verfügt über zwei Wärmequellen, wovon mindestens Eine elektrisch betrieben wird. Dazu wird der Heizungskreislauf zusätzlich mit einer elektrischen Wärmequelle versehen und diese mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Ein Steuergerät, hier Wertermittlungsmodul genannt, erfasst den Wärmebedarf, vergleicht die normalen Betriebskosten der Hybridheizung mit dem momentan angebotenen Strompreis und schaltet nach den Betreibervorgaben vorzugsweise automatisch auf die für ihn günstigste Betriebsart.
Das bidirektionale Blockheizkraftwerk nach Patentanspruch 3 verfügt sowohl über einen Ausgang für den erzeugten Strom in Richtung öffentliches Stromnetz als auch einen Eingang zur Nutzung öffentlicher Stromüberproduktion für Heizzwecke. Dabei wird der Heizungskreislauf ebenso wie beider einfacheren Hybridheizung mit einer elektrischen Wärmequelle versehen und diese mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Das Steuergerät in Form eines Wertermittlungsmoduls erfasst den Wärmebedarf, vergleicht die Betriebskosten des BHKW mit dem momentan angebotenen Strompreis und schaltet vorzugsweise automatisch auf den für ihn günstigsten Modus. In Diesem wird entweder Strom und Wärme bzw. in der benötigten Menge erzeugt (BHKW-Modus) oder aber aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen (elektrischer Heizmodus): Bei negativem Strompreis und ausreichender Wärme werden dann typischerweise nur noch reine Stromverbraucher zugeschaltet und auf die erzeugte überschüssige Wärme verzichtet.
Damit ergeben sich Vorteile für Alle, die dieses Verfahren sowie die hier beschriebenen Geräte und dessen Möglichkeiten nutzen. Dies sind Heizungs- und BHKW-Betreiber, Energieversorger, Netzbetreiber und letztlich auch die ganze Volkswirtschaft.
Der Vorteil für die Stromnetzbetreiber liegt darin, dass mit zunehmender Verbreitung des hier beschriebenen Verfahrens und der Hybridheizungen mit Wertermittlungsmodul immer weniger Stromüberlastungen auftreten werden, weil ja der überschüssige Strom sofort und direkt in den Heizungen verbraucht wird. Das hier beschriebene bidirektionale BHKW ersetzt darüber hinaus bei entsprechender Verbreitung einen Großteil der geplanten Stromspeicher und Gaskraftwerke. Bei Stromunterversorgung steigen die realen Strompreise und die bidirektionalen BHKWs beginnen schon allein aus Rentabilitätsgründen umgehend mit der Stromproduktion und speisen den benötigten Strom umgehend in das öffentliche Stromnetz ein. Wenn der benötigte Strom aus BHKWs bei Bedarf jederzeit zur Verfügung gestellt wird, erübrigt sich der Bau von Stromspeichern (z. B. Akkus, Pumpspeicherkraftwerke usw.) weitestgehend und der Bedarf an zusätzlichen Gaskraftwerken sinkt. Außerdem ist damit zu rechnen, dass der Strom tendenziell mehr vor Ort verbraucht wird, womit auch noch teure Fernleitungen entfallen.
Der Vorteil für Energieversorger liegt darin, dass mit der hier beschriebenen Technik ein vollwertiger Ersatz für die zum Verbot anstehenden bzw. bereits verbotenen Nachtspeicherheizungen zur Verfügung steht. Es obliegt den Energieversorgern dann nur, besondere Echtzeittarife für überschüssigen Strom oder noch besser, gleich automatische Stromhandelssysteme, so wie in Patentanmeldungsnummer 10 2011 106 683.0 von Dipl.-Ing. Christoph Müller beschrieben, anzubieten. Zusätzlich ergeben sich für die Energieversorger Vorteile, weil im Fall des massenhaften Einsatzes von BHKWs der beschriebenen Art im Bedarfsfall jederzeit Strom produziert wird und verkauft werden kann. Es erübrigt sich damit der Bau ansonsten unrentabler Gas- und Speicherkraftwerke sowie teuerer Stromfernleitungen.
Der Vorteil für die Betreiber von Hybridheizungen mit Wertermittlungsmodul bzw. der hier beschriebenen bidirektionalen BHKWs liegt darin, dass ihre Anlagen generell mit den günstigsten Betriebskosten arbeiten. Insbesondere sparen sie Brennstoffe ein, welche durch den überschüssigen Strom direkt ersetzt werden. Außerdem bietet die Hybridbauweise auch die Möglichkeit, den geplanten gesetzlichen Eigenverbrauch von Strom aus gegebenenfalls vorhandenen Photovoltaikanlagen ohne weitere technische Einrichtungen für die Heizung oder Warmwasseraufbereitung zu nutzen. Die Anlagen sind außerdem besonders zukunftssicher, weil sie auch im Fall von Brennstoffmangel (beispielsweise durch Störungen oder Unterbrechungen im Gasnetz) oder Störungen bzw. Blackouts im Elektrizitätsnetz sicherer arbeitet. Der besondere Vorteil des bidirektionalen BHKWs liegt bei entsprechender technischer Konfiguration darüber hinaus in der weitgehenden Autarkie des mit damit ausgestatteten Anwesens.
Der Vorteil für die Volkswirtschaft liegt in der Einsparung von Brennstoffen, die bei Anwendung dieses Verfahrens von Wind- und Solarstrom ersetzt werden und in der dadurch sinkenden Abhängigkeit von Rohstoffen. Der Bau von Fernleitungstrassen und Speicheranlagen wird weitgehend obsolet, da etwa der Strom aus Offshore-Windparks direkt zu Heizzwecken in Küstennähe eingesetzt werden kann.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims

Verfahren für die Nutzung überschüssigen Stroms dadurch gekennzeichnet, dass überschüssig produzierter Strom mittels Hybridheizungen mit Wertermittlungsmodul umgehend und unmittelbar zu Heizzwecken verbraucht wird, wobei dieser überschüssig produzierte Strom vorzugsweise in Echtzeit und zu realen Marktpreisen an die Betreiber der gegenständlichen Hybridheizungen angeboten wird.
Vorrichtung für die Nutzung von überschüssigem Strom für Heizzwecke in Form einer Hybridheizung mit Wertermittlungsmodul dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridheizung neben anderen möglichen Wärmequellen mit mindestens einer zusätzlichen elektrischen Wärmequelle ausgestattet ist, wobei die Hybridheizung an ein als Wertermittlungsmodul ausgestaltetes Steuergerät angeschlossen wird, welches jederzeit nach mindestens zwei Kriterien die günstigste Betriebsart errechnet und vorzugsweise nach Betreibervorgaben und automatisch auf diese günstiger Betriebsart schaltet, mit der wiederum in Folge geheizt wird.
Verfahren für die Nutzung überschüssigen Stroms und Hybridheizung mit Wertermittlungsmodul nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridheizung vorzugsweise als bidirektionales Blockheizkraftwerk mit Wertermittlungsmodul ausgeführt wird.
Vorrichtung für die Nutzung von überschüssigem Strom für Heizzwecke nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Steuergerät nach Anspruch 2 innerhalb oder außerhalb der Hybridheizung befinden kann, also auch Bestandteil eines anderen Datenverarbeitungsgeräts sein kann (z. B. Rechenzentrum eines Energieversorgungsunternehmens, PC, Notebook, Tablet PC, Handy usw.) und die Datenübertragung zur Hybridheizung in jeder Form (mittels Stecker, Draht, drahtlos, per Funk usw.) erfolgen kann.
Vorrichtung für die Nutzung von überschüssigem Strom für Heizzwecke nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen nicht notwendigerweise das gleiche Wärmeträgermedium beheizen müssen und auch örtlich getrennt sein können.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiger Strom auch zu Kühlzwecken genutzt werden kann, wobei die Steuerung vorzugsweise mittels Wertermittlungsmodul nach Anspruch 2 durchgeführt wird.
Vorrichtung für die Nutzung von überschüssigem Strom für Heizzwecke nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass „beheizen” und „Heizzwecke” auch das elektrisch betriebene Kühlen umfasst, wobei die Steuerung ebenfalls mittels Wertermittlungsmodul nach Anspruch 2 erfolgt.