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Die Erfindung betrifft ein Biogaskraftwerk umfassend mindestens eine Biogasvorrichtung eingerichtet zum Erzeugen von Biogas aus bereitgestellter Biomasse, mindestens eine Blockheizvorrichtung eingerichtet zum Erzeugen von thermischer Energie und elektrischer Energie aus dem erzeugten Biogas, mindestens einen thermischen Zwischenspeicher eingerichtet zum Speichern der erzeugten thermischen Energie, und mindestens einen elektrischen Netzanschluss zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz bei Vorliegen einer ersten Stromnetzzustandsbedingung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Biogaskraftwerksystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Biogaskraftwerks.
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In der heutigen Zeit werden fossile Energiequellen vermehrt durch so genannte erneuerbare Energiequellen, wie Wasserkraft, Windenergie, solare Strahlung, Erdwärme und nachwachsende Rohstoffe, ersetzt. Aus den erneuerbaren Energiequellen bzw. Energien wird elektrische Energie gewonnen/erzeugt. Mit anderen Worten werden diese Energieformen mittels geeigneter Vorrichtungen in elektrische Energie umgewandelt.
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Eine beispielhafte Vorrichtung ist ein Biogaskraftwerk, welches Biomasse, insbesondere nachwachsende Rohstoffe, als Energiequelle nutzt. Biogaskraftwerke umfassen in der Regel eine Biogasvorrichtung bzw. -anlage und ein/e Blockheizvorrichtung bzw. -kraftwerk. Die Biogasvorrichtung ist eingerichtet, aus der bereitgestellten Biomasse Biogas zu erzeugen. Insbesondere wird die bereitgestellte Biomasse mittels eines biologischen Prozesses in einem Bioreaktor unter anderem in Biogas gewandelt. Es versteht sich, dass bei der Erzeugung von Biogas weitere Endprodukte anfallen, welche beispielsweise als Dünger verwendet werden können.
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Das erzeugte Biogas wird von der Blockheizvorrichtung genutzt, um sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie bereitzustellen. Insbesondere kann durch eine Verbrennungseinrichtung das Biogas verbrannt werden und elektrische Energie und thermische Energie gewonnen werden.
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Mit dem steigenden Anteil an Kraftwerken bzw. Erzeugungsanlagen, die erneuerbare Energien nutzen, sind jedoch Nachteile hinsichtlich der Stromnetzstabilität verbunden. Insbesondere der steigende Anteil an Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen führt aufgrund der Volatilität der jeweils genutzten Energiequelle zu ungewünschten Netzschwankungen. Für ein ausreichend stabiles Stromnetz ist es daher erforderlich, die verschiedenen Erzeugungsanlagen ausreichend schnell regeln und insbesondere abschalten zu können, um einen Zusammenbruch des Stromnetzes zu verhindern.
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Problematisch gestaltet sich die Regelung insbesondere bei den oben beschriebenen Biogaskraftwerken. So weist ein Biogaskraftwerk als Besonderheit auf, dass das Biogas durch einen biologischen Prozess kontinuierlich hergestellt wird, wobei dieser Prozess weder abrupt gestoppt noch in entsprechender Weise gestartet werden kann. Sind die Stromnetzschwankungen im zulässigen Rahmen, verbrennt die Blockheizvorrichtung das kontinuierlich zur Verfügung gestellte Biogas und speist die hierdurch erzeugte elektrische Energie über einen Netzanschluss in das Stromnetz ein.
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Wenn das Stromnetz jedoch überlastet ist, beispielsweise aufgrund von aktuell hoher Solarstrahlung und/oder hoher vorhandener Windenergie, ist eine zeitnahe Regelung des Biogaskraftwerks erforderlich, um insbesondere die Energieeinspeisung in das Stromnetz zu unterbrechen oder zumindest zu reduzieren. In diesem Fall kann die Blockheizvorrichtung zwar grundsätzlich ausreichend schnell geregelt und insbesondere der Verbrennungsprozess ausreichend schnell gestoppt werden. Problematisch ist jedoch, dass, wie zuvor beschrieben wurde, weiterhin Biogas kontinuierlich erzeugt wird, da der biologische Prozess nicht in entsprechender Weise geregelt werden kann. Dieses Biogas kann jedoch nicht mehr von der Blockheizvorrichtung abgenommen werden, da der Verbrennungsvorgang unterbrochen ist.
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Aus dem Stand der Technik ist zur Vermeidung einer unkontrollierten Abgabe des Biogases an die Umgebung bekannt, die während der Unterbrechung der Einspeisung von elektrischer Energie in das Stromnetz erzeugte Biogasmenge mittels einer Veredelungsanlage zu veredeln und in ein Erdgasnetz einzuspeisen. Aufgrund der insgesamt geringen Stromnetzunterbrechungszeiten (ca. 15 Minuten pro Tag) und den zusätzlich hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten ist ein effizienter Betrieb eines entsprechenden Biogaskraftwerks kaum möglich.
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Alternativ hierzu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das überschüssige Biogas in einen oder mehreren Biogasspeicher/n zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt, insbesondere nach der Unterbrechung des Einspeisevorgangs der elektrischen Energie ins Stromnetz, der Blockheizvorrichtung zuzuführen. Biogasspeicher sind in der Anschaffung zwar günstiger als die zuvor beschriebene Veredelungsanlage. Dennoch ist auch hier das Problem, dass die Anschaffungs- und Unterhaltskosten kaum durch die zusätzliche Verbrennung des gespeicherten Biogases kompensiert werden können.
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Beide Lösungen des Standes der Technik haben daher gemein, dass kein effizienter Betrieb eines Biogaskraftwerks möglich ist.
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Biogaskraftwerk zur Verfügung zu stellen, welches in ausreichender Zeit regelbar ist und gleichzeitig in effizienter Weise betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bei einem Biogaskraftwerk nach Patentanspruch 1 gelöst. Das Biogaskraftwerk umfasst mindestens eine Biogasvorrichtung eingerichtet zum Erzeugen von Biogas aus bereitgestellter Biomasse. Das Biogaskraftwerk umfasst mindestens eine Blockheizvorrichtung eingerichtet zum Erzeugen von thermischer Energie und elektrischer Energie aus dem erzeugten Biogas. Das Biogaskraftwerk umfasst mindestens einen thermischen Zwischenspeicher eingerichtet zum Speichern der erzeugten thermischen Energie. Das Biogaskraftwerk umfasst mindestens einen elektrischen Netzanschluss eingerichtet zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz bei Vorliegen einer ersten Stromnetzzustandsbedingung. Der Zwischenspeicher weist mindestens eine über eine erste Schaltereinrichtung mit der Blockheizvorrichtung elektrisch verbindbare elektrische Heizeinrichtung auf. Mindestens eine Regelvorrichtung ist vorgesehen. Die Regelvorrichtung ist zum Steuern der ersten Schaltereinrichtung eingerichtet, derart, dass bei Vorliegen einer zweiten Stromnetzzustandsbedingung die elektrische Heizeinrichtung elektrisch mit der Blockheizvorrichtung verbunden wird.
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Indem im Gegensatz zum Stand der Technik ein Biogaskraftwerk bereitgestellt wird, bei welchem der erzeugte elektrische Strom abhängig vom Stromnetzzustand entweder in das Stromnetz eingespeist oder in thermische Energie gewandelt wird, ist es nicht erforderlich, den Verbrennungsprozess zu unterbrechen. Ein besonders effizienter Betrieb eines Biogaskraftwerks ist möglich. In kostengünstiger und aufwandsarmer Weise kann die erzeugte elektrische Energie auch bei einer Unterbrechung der elektrischen Leitung zu dem Stromnetz effizient genutzt werden. Insbesondere können bereits vorhandene Biogaskraftwerke einfach nachgerüstet werden, indem in den (ohnehin) vorgesehenen Zwischenspeicher ein zusätzlicher Heizstab implementiert wird, welcher mit der erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann. Zusätzliche Anlagen, wie Biogasspeicher oder Veredelungsanlagen, können entfallen.
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Das Biogaskraftwerk umfasst eine Biogasvorrichtung und eine Blockheizvorrichtung. Die Biogasvorrichtung weist einen geeigneten Bioreaktor bzw. Fermenter auf, um aus bereitgestellter Biomasse Biogas durch einen biologischen Prozess zu gewinnen. Das Biogas kann der Blockheizvorrichtung kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden.
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Die Blockheizvorrichtung ist dazu eingerichtet, insbesondere durch einen Verbrennungsprozess, thermische Energie und elektrische Energie zu gewinnen.
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Die gewonnene thermische Energie wird insbesondere über einen Wärmetauscher einem Zwischenspeicher zugeführt. Der Zwischenspeicher kann ein geeignetes Speichermedium zum Speichern der thermischen Energie aufweisen. Beispielsweise kann der thermische Zwischenspeicher mit einem Fluid, vorzugsweise Wasser (ggf. mit Zusatzstoffen), gefüllt sein. Wasser stellt ein hervorragendes Wärmeträgermedium dar, da es durch seine hohe spezifische Wärmekapazität und seine relativ niedrige Viskosität akzeptable Anforderungen an die Technik stellt. Ferner ist das Einbringen wie auch das Austragen der gespeicherten thermischen Energie, beispielsweise mittels eines Wärmetauschers, bei einem entsprechenden Speicher gleichermaßen einfach zu handhaben.
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Die elektrische Energie kann über einen Netzanschluss in ein Stromnetz bzw. Spannungsnetz, insbesondere ein öffentliches Stromnetz, eingespeist werden. Die Einspeisung hängt vorliegend von einer ersten Stromnetzzustandsbedingung ab. Die erste Stromnetzzustandsbedingung kann insbesondere anzeigen, dass sich das Stromnetz in einem zulässigen Zustand befindet. Beispielsweise können Netzzustandsparameter, wie die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder der Netzstrom, in einem zulässigen Bereich liegen. Der zulässige Bereich kann beispielsweise von dem Stromnetzbetreiber vorgegeben werden.
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Der Zwischenspeicher ist zusätzlich mit einer elektrisch betreibbaren Heizeinrichtung ausgestattet. Die elektrische Heizeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, einen elektrischen Strom in Wärme zu wandeln. Mit anderen Worten ist die Heizeinrichtung dazu eingerichtet, elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln. Bei einem mit einem Fluid gefüllten Zwischenspeicher kann es sich bei der elektrischen Heizeinrichtung insbesondere um einen Heizstab handeln.
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Die Heizeinrichtung kann über eine erste Schaltereinrichtung elektrisch zumindest mit der Blockheizvorrichtung gekoppelt sein. Mit anderen Worten kann die Heizeinrichtung mit dem erzeugten elektrischen Strom über die erste Schaltereinrichtung gespeist/versorgt werden.
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Zum Steuern der Schaltereinrichtung ist eine Regelvorrichtung vorgesehen. Die Regelvorrichtung, beispielsweise eine analoge oder digitale Schaltung, ist dazu eingerichtet, die Schaltereinrichtung bei Vorliegen einer zweiten Stromnetzzustandsbedingung derart anzusteuern, dass die elektrische Heizeinrichtung (nur) mit der Blockheizvorrichtung elektrisch verbunden wird. Mit anderen Worten wird eine elektrische Verbindung zwischen der Heizeinrichtung und der Blockheizvorrichtung bei Vorliegen der zweiten Stromnetzzustandsbedingung hergestellt, um insbesondere den erzeugten Strom durch die Heizeinrichtung in Wärme zu wandeln. Die zweite Stromnetzzustandsbedingung kann insbesondere anzeigen, dass sich das Stromnetz in einem ersten unzulässigen Zustand befindet. Beispielsweise können Netzzustandsparameter, wie die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder der Netzstrom, in einem ersten unzulässigen Bereich liegen. Der erste unzulässige Bereich kann beispielsweise von dem Stromnetzbetreiber vorgegeben werden. Insbesondere kann die zweite Stromnetzzustandsbedingung angeben, dass eine erste Überlastung des Stromnetzes vorliegt, welche zumindest eine Unterbrechung der Einspeisung von elektrischer Energie in das Stromnetz erfordert. Vorzugsweise kann durch die Schaltereinrichtung bei Vorliegen der zweiten Stromnetzzustandsbedingung der Stromfluss derart umgelenkt werden, dass der erzeugte Strom nicht ins Stromnetz sondern der Heizeinrichtung zugeführt wird. Es versteht sich, dass die Regelvorrichtung dazu eingerichtet ist, bei Vorliegen der ersten Stromnetzzustandsbedingung die Schaltereinrichtung derart anzusteuern, dass die Blockheizvorrichtung elektrisch (nur) mit dem Netzanschluss verbunden ist.
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Die Heizeinrichtung kann insbesondere eine Leistung aufweisen, die zumindest der von der Blockheizvorrichtung erzeugbaren elektrischen Leistung entspricht. Beispielhaft kann die Blockheizvorrichtung eine elektrische Leistung von ca. 500 kW und eine Wärmeleistung von ca. 500 kW bereitstellen. In diesem Fall weist die Heizeinrichtung eine Leistung von zumindest 500 kW auf. Es versteht sich, dass die Heizeinrichtung auch eine höhere Leistung beispielsweise von bis zu 1000 kW aufweisen kann, um im Bedarfsfall weitere elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln.
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Die Regelvorrichtung und die Schaltereinrichtung sind insbesondere derart konfiguriert, dass eine ausreichend schnelle Regelung des Biogaskraftwerks, insbesondere innerhalb von weniger als 5 s, vorzugsweise innerhalb von weniger als 3 s, und besonders bevorzugt innerhalb von weniger als 1 s, durchgeführt wird.
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Es versteht sich, dass mindestens eine weitere Stromnetzzustandsbedingung vorgegeben werden kann, bei der ein Teil des erzeugten Stroms in das Stromnetz eingespeist und der weitere Teil der Heizeinrichtung zugeführt wird.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biogaskraftwerks kann die mindestens eine Heizeinrichtung mindestens einen schrittweise regelbaren Heizstab umfassen. Der schrittweise regelbare Heizstab kann insbesondere zumindest drei verschiedene Leistungsschritte bzw. Leistungsstufen aufweisen. Ein entsprechender Heizstab erlaubt es, verschiedene Energiemengen bzw. unterschiedliche Leistungen abzuführen bzw. in thermische Energie zu wandeln. Dies erlaubt insbesondere einen flexiblen Betrieb des Biogaskraftwerks. Beispielsweise kann ein Teil des erzeugten Stroms weiterhin ins Stromnetz gespeist werden und nur ein Teil in thermische Energie gewandelt werden.
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Besonders bevorzugt kann der schrittweise regelbare Heizstab ein binär regelbarer Heizstab sein. Der Heizstab kann insbesondere in binären Leistungsschritten ansteuerbar sein. Beispielsweise kann ein binär ansteuerbarer Heizstab mit einer Maximalleistung von zumindest 512 kW, insbesondere von zumindest 1024 kW, betrieben werden. Vorzugsweise kann ein derartiger Heizstab in kleinen Schritten von z. B. 1 kW betrieben werden. Der schrittweise regelbare Heizstab kann kaskadiert aufgebaut sein und einzelne Abschnitte des Heizstabs können separat schaltbar sein.
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Darüber hinaus wird gemäß einer weiteren Ausführungsform des Biogaskraftwerks vorgeschlagen, dass mindestens eine Netzzustandserfassungseinrichtung eingerichtet zum Erfassen von mindestens einem Netzzustandsparameter vorgesehen ist. Die Netzzustandserfassungseinrichtung kann zum Bestimmen der (aktuellen) Stromnetzzustandsbedingung eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Netzzustandserfassungseinrichtung eingerichtet sein, (lokal) die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder den Netzstrom zu messen. Die Netzzustandserfassungseinrichtung kann die gemessenen Werte auswerten, um den (aktuellen) Netzzustand (z. B. zulässiger Zustand, erster unzulässiger Zustand, zweiter unzulässiger Zustand, etc.) zu bestimmen und daraus die (aktuelle) Stromnetzzustandsbedingung abzuleiten. Beispielsweise können der mindestens eine gemessene Netzzustandsparameter mit vorgegebenen zulässigen Parameterbereichen verglichen werden. In einfacher Weise kann eine Stromnetzzustandsbedingung bestimmt werden.
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Die Netzzustandserfassungseinrichtung kann mit der Regelvorrichtung gekoppelt oder zumindest teilweise in der Regelvorrichtung integriert sein. Dies erlaubt es der Netzzustandserfassungseinrichtung, die bestimmte Stromnetzzustandsbedingung der Regelvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere kann eine kontinuierliche Messung, Auswertung und Bestimmung des Netzzustands erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des Biogaskraftwerks die Regelvorrichtung einen Kommunikationsanschluss eingerichtet zum Empfangen von mindestens einer Stromnetzzustandsbedingung von einer entfernt angeordneten Zentrale aufweisen. Beispielsweise kann die Regelvorrichtung einen Internetanschluss, einen Mobilfunkanschluss, etc. aufweisen. Die Zentrale kann zur Bestimmung der Stromnetzzustandsbedingung eine zuvor beschriebene Netzzustandserfassungseinrichtung umfassen oder mit einer entsprechenden Netzzustandserfassungseinrichtung gekoppelt sein. In einfacher Weise ist eine übergeordnete Regelung des Biogaskraftwerks möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biogaskraftwerks kann eine weitere Schaltereinrichtung eingerichtet zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Stromnetz und der elektrischen Heizeinrichtung vorgesehen sein. Die Regelvorrichtung kann zum Steuern der weiteren Schaltereinrichtung derart eingerichtet sein, dass bei Vorliegen einer dritten Stromnetzzustandsbedingung die elektrische Heizeinrichtung mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz versorgt wird. Die dritte Stromnetzzustandsbedingung kann insbesondere anzeigen, dass sich das Stromnetz in einem zweiten unzulässigen Zustand befindet. Beispielsweise können Netzzustandsparameter, wie die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder der Netzstrom, in einem zweiten unzulässigen Bereich liegen. Der zweite unzulässige Bereich kann beispielsweise von dem Stromnetzbetreiber vorgegeben werden. Insbesondere kann die dritte Stromnetzzustandsbedingung angeben, dass eine zweite Überlastung des Stromnetzes vorliegt, welche Abführung von elektrischer Energie in das Stromnetz erfordert. Eine Mehrzahl an unzulässigen Netzzuständen kann beispielsweise den Grad der Überlast des Stromnetzes anzeigen. In einfacher Weise kann die Heizeinrichtung für eine weitere Stabilisierung des Stromnetzes genutzt werden, wenn Überlastenergie aus dem Stromnetz in thermische Energie gewandelt wird. Das Biogaskraftwerk kann besonders effizient betrieben werden.
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Es versteht sich, dass die weitere Schaltereinrichtung in der ersten Schaltereinrichtung integriert sein kann. So kann eine Schaltereinrichtung mit einer Mehrzahl von Schaltern vorgesehen sein, um den Stromfluss zwischen Blockheizvorrichtung, Stromnetz und Heizeinrichtung zumindest in Abhängigkeit des Stromnetzzustands leiten zu können.
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Es versteht sich ferner, dass zumindest die zweite und dritte Stromnetzzustandsbedingung zumindest teilweise gleichzeitig vorliegen können. In diesem Fall kann – bei einer entsprechenden Ausbildung der mindestens einen Heizeinrichtung mit einer ausreichenden Leistung – die Heizeinrichtung mit elektrischer Energie von der Blockheizvorrichtung und aus dem Stromnetz versorgt werden. Insbesondere kann bei Vorliegen der dritten Stromnetzzustandsbedingung auch stets eine Einspeiseunterbrechung in das Stromnetz erforderlich sein.
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Zudem kann vorzugsweise mindestens eine Bedingung für die Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Stromnetz von dem Biogaskraftwerk festlegbar sein. Insbesondere kann mit der Bedingung berücksichtigt werden, welcher technische Aufwand und/oder welche Abnutzungsverluste mit der Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Stromnetz einhergehen. Beispielsweise kann die Bedingung eine Preisgrenzbedingung sein. Die Preisgrenzbedingung kann einen Strompreis angeben, ab dem das Biogaskraftwerk eine Einspeisung von elektrischer Energie aus dem Stromnetz zulässt. Es kann vorgesehen sein, dass eine Einspeisung von elektrischer Energie aus dem Stromnetz nur bei Erfüllung dieser weiteren Bedingung möglich ist.
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Die zwischengespeicherte thermische Energie kann in verschiedener Weise weiterverwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Biogaskraftwerks kann der thermische Zwischenspeicher eine erste Anschlussleitung eingerichtet zum Einspeisen der erzeugten thermischen Energie in ein Fernwärmenetz aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Energie durch einen mobilen Wärmetransport zu Endabnehmern transportiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der thermische Zwischenspeicher eine weitere Anschlussleitung eingerichtet zum Versorgen der Biogasvorrichtung mit thermischer Energie aufweisen. Darüber hinaus kann alternativ oder zusätzlich die thermische Energie für den Eigenbedarf des Biogaskraftwerks, wie eine Heizung, ein Tierstall, eine Kühlung, etc., verwendet werden.
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Vorzugsweise kann den thermischen Nutzungsarten unterschiedliche Prioritäten zugewiesen werden. Insbesondere kann die Versorgung der Biogasvorrichtung mit der höchsten Priorität versehen werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die für den biologischen Prozess in dem Bioreaktor erforderliche thermische Energie stets bereitgestellt werden kann. Eine kontinuierliche Gewinnung von Biogas kann sichergestellt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Biogaskraftwerksystem gemäß Patentanspruch 8. Das Biogaskraftwerksystem umfasst mindestens ein zuvor beschriebenes Biogaskraftwerk. Das Biogaskraftwerksystem umfasst mindestens eine entfernt angeordnete mit dem Biogaskraftwerk über ein Kommunikationsnetz verbundene Zentrale.
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Insbesondere kann das Biogaskraftwerksystem eine Mehrzahl von zuvor beschriebenen Biogaskraftwerken aufweisen. Sämtliche dieser Biogaskraftwerke können mit der entfernt angeordneten Zentrale über ein Kommunikationsnetz, wie dem Internet, dem Mobilfunknetz, etc., verbunden sein. Es versteht sich, dass mehr als eine Zentrale vorgesehen sein kann. Ferner versteht es sich, dass die Zentrale mit anderen Energieerzeugern kommunizieren kann.
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Vorzugsweise wird eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem mindestens einen Biogaskraftwerk und der Zentrale bereitgestellt. Dies ermöglicht es dem Biogaskraftwerk, Daten, insbesondere Zustandsdaten über das Biogaskraftwerk, wie dem Zustand des thermischen Zwischenspeichers, oder die zuvor beschriebene Bedingung für die Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Stromnetz, an die Zentrale zu übertragen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biogaskraftwerksystems kann die Zentrale eingerichtet sein, die Stromnetzzustandsbedingung zu bestimmen. Die Zentrale kann eingerichtet sein, die Stromnetzzustandsbedingung an das Biogaskraftwerk zu übertragen.
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Vorzugsweise kann die Zentrale eingerichtet sein, das mindestens eine Stromnetz zu überwachen. Beispielweise kann die Zentrale eine zuvor beschriebene Netzzustandserfassungseinrichtung umfassen oder mit einer entsprechenden Einrichtung eine Kommunikationsverbindung haben. Zudem kann die Zentrale eine Prognoseeinrichtung haben, um einen zukünftigen Netzzustand zu bestimmen. In Abhängigkeit von dem aktuellen Netzzustand und/oder dem prognostizierten Netzzustand und/oder den von dem Biogaskraftwerk zuvor empfangenen Daten kann die Zentrale die (aktuelle) Stromnetzzustandsbedingung ableiten bzw. bestimmen. Beispielsweise kann die dritte Stromnetzzustandsbedingung bestimmt werden, wenn eine vorgebbare Überlast des Stromnetzes vorliegt, die Heizeinrichtung eine ausreichende Leistung aufweist, der thermische Zwischenspeicher (noch) nicht die maximale Kapazität erreicht hat und die Bedingung für die Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Stromnetz erfüllt ist. Es versteht sich, dass dies durch eine bidirektionale Kommunikation erfolgen und/oder zumindest teilweise von der Regelvorrichtung übernommen werden kann.
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Neben einem effizienten Betrieb des Biogaskraftwerks ermöglicht das Biogaskraftwerksystem in einfacher Weise eine ausreichend schnelle Regelung des Stromnetzes bzw. der angeschlossenen Biogaskraftwerke, um unzulässige Betriebszustände des Stromnetzes zu verhindern.
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Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Biogaskraftwerks gemäß Patentanspruch 10. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Verbrennen von bereitgestellten Biogas zum Erzeugen von elektrischer Energie und thermischer Energie,
- – Einspeisen der erzeugten thermischen Energie in einen thermischen Zwischenspeicher,
- – Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein Stromnetz bei Vorliegen einer ersten Stromnetzzustandsbedingung, und
- – Versorgen einer elektrischen in dem thermischen Zwischenspeicher angeordneten Heizeinrichtung mit der erzeugten elektrischen Energie bei Vorliegen einer zweiten Stromnetzzustandsbedingung.
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Das Verfahren kann insbesondere zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Biogaskraftwerks und/oder eines zuvor beschriebenen Biogaskraftwerksystems verwendet werden.
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Die Merkmale der Verfahren und Vorrichtungen sind frei miteinander kombinierbar. Insbesondere können Merkmale der Beschreibung und/oder der abhängigen Ansprüche, auch unter vollständiger oder teilweiser Umgehung von Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, in Alleinstellung oder frei miteinander kombiniert eigenständig erfinderisch sein.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Biogaskraftwerk, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Biogaskraftwerks und das erfindungsgemäße Biogaskraftwerksystem auszugestalten und weiterzuentwickeln. Hierzu sei einerseits verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Biogaskraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Biogaskraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Biogaskraftwerksystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend werden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Biogaskraftwerks 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Biogaskraftwerk 2 umfasst eine Biogasvorrichtung 4 bzw. Biogasanlage 4 und eine Blockheizvorrichtung 6 bzw. ein Blockheizkraftwerk 6.
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Die von der Biogasvorrichtung 4 und der Blockheizvorrichtung 6 umfassten Einrichtungen, wie Fermenter, Verbrennungseinrichtung, Steuergeräte, etc., sind für eine bessere Übersicht nicht im Detail dargestellt.
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Über eine Zuführung 18 wird der Biogasvorrichtung 4 Biomasse zur Verfügung gestellt. Die Biomasse kann beispielsweise Gülle, Energiepflanzen, wie Mais-, Getreide- oder Grassilage, landwirtschaftliche Nebenprodukten und/oder Bioabfällen umfassen. In der Biogasanlage 4 wird die bereitgestellte Biomasse in einem oder mehreren Bioreaktor/en vergärt. Ein anaerober mikrobieller Abbau der Biomasse erfolgt. Durch die Vergärung wird unter anderem Biogas erzeugt bzw. es entsteht hierdurch Biogas.
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Das Biogas wird über eine weitere Zuführung 20 der Blockheizvorrichtung 6 insbesondere kontinuierlich zugeführt. Die Blockheizvorrichtung 6 weist eine Verbrennungseinrichtung auf, um das bereitgestellte Biogas zu verbrennen und thermische Energie sowie elektrische Energie zu erzeugen.
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Das Biogaskraftwerk 2 ist insbesondere dazu eingerichtet, die erzeugte elektrische Energie über die elektrische Verbindung 24 und den Netzanschluss 26 in ein (öffentliches) Stromnetz 40 einzuspeisen. Es versteht sich, dass ein Teil der elektrischen Energie auch für den Eigenbedarf des Biogaskraftwerks 2 genutzt werden kann.
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Die thermische Energie wird einem thermischen Zwischenspeicher 8 über eine Leitung 22 zugeführt. Insbesondere ist ein Wärmetauscher 14 vorgesehen, um die erzeugte thermische Energie in dem Speicher 8 zwischen zu speichern. Der Zwischenspeicher 8 kann als Speicherfluid 46 Wasser 46 umfassen. Die erzeugte thermische Energie wird zum einen von dem Biogaskraftwerk 2 selbst genutzt. Insbesondere kann die thermische Energie über eine Leitung 32 der Biogasvorrichtung 4, insbesondere dem mindestens einen Bioreaktor, zugeführt werden. Der oben erwähnte Vergärungsprozess wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 30°C und 35°C durchgeführt. Die thermische Energie wird insbesondere von der Blockheizvorrichtung 6 über Leitung 32 der Biogasvorrichtung 4 zur Verfügung gestellt. Der biologische Prozess des Fermenters der Biogasvorrichtung bedarf beispielsweise etwa 25% der von der Blockheizvorrichtung 6 erzeugten thermischen Energie.
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Die darüber hinaus gehende thermische Energie kann z. B. für den Eigenbedarf, wie für einen Warmwasseraufbereiter, für die Heizung der Sozialgebäude, für die Heizung eines Tierstalls, für die Getreidetrocknung, für die Milchkühlung, etc. genutzt werden. Zusätzlich kann die thermische Energie bevorzugt über eine Leitung 30 in ein Fernwärmenetz 42 eingespeist werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch ein mobiler Wärmetransport vorgesehen sein.
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Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, weist das Biogaskraftwerk 2 eine Regelvorrichtung 10 auf. Die Regelvorrichtung 10 kann eine analoge oder digitale Verarbeitungseinrichtung sein und beispielsweise Prozessormittel, Speichermittel, etc. umfassen. Beispielsweise kann die Regelvorrichtung 10 in einer ohnehin vorgesehenen Steuereinrichtung des Biogaskraftwerks 2 integriert sein.
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Die Regelvorrichtung 10 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Schaltereinrichtung 12 anzusteuern. Die Schaltereinrichtung 12 ist zwischen der elektrischen Verbindung 24 der Blockheizvorrichtung 6 und dem Netzanschluss 26 bzw. einem elektrischen Anschluss 28 angeordnet. In einem ersten Schaltzustand können die elektrischen Verbindungen 24 und 26 miteinander verbunden sein. Die erzeugte elektrische Energie kann ins Netz 40 gespeist werden. In dem ersten Schaltzustand ist die elektrische Verbindung zwischen den Leitungen 24 und 28 getrennt. In dem mindestens einen weiteren Schaltzustand sind die Verbindungen 24 und 28 miteinander verbunden. In diesem Schaltzustand ist die elektrische Verbindung zwischen den Leitungen 24 und 26 getrennt. Es kann keine elektrische Energie ins Netz 40 gespeist werden.
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Vorzugsweise kann ferner vorgesehen sein, dass die Schaltereinrichtung 12 eingerichtet ist, den Stromfluss von der Blockheizvorrichtung 6 (stufenweise) auf die elektrischen Verbindungen 26 und 28 aufzuteilen. Insbesondere kann die Schaltereinrichtung 12 von der Regelvorrichtung 10 entsprechend angesteuert werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ferner eine Netzzustandserfassungseinrichtung 34 vorgesehen. Beispielsweise kann die Netzzustandserfassungseinrichtung 34 lokal mindestens einen Netzparameter messen, wie die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder den Netzstrom. Der mindestens eine gemessene Netzparameter kann ausgewertet werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob eine Stromnetzzustandsbedingung erfüllt ist. Eine Stromnetzzustandsbedingung kann beispielsweise einen zulässiger Netzzustand oder eine Überlast des Netzes 40 anzeigen. Es versteht sich, dass ein zulässiger Netzzustand und/oder eine Überlast des Netzes in eine Mehrzahl an Unterzuständen unterteilt werden kann. Über die Kommunikationsverbindung 38 kann die Netzzustandserfassungseinrichtung 34 das Vorliegen einer Stromnetzzustandsbedingung an die Regelvorrichtung 10 melden. In Abhängigkeit der vorliegenden Stromnetzzustandsbedingung kann die Regelvorrichtung 10 die Schaltereinrichtung 12 ansteuern, wie nachfolgend erläutert wird.
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Darüber hinaus umfasst der Zwischenspeicher 8 eine Heizeinrichtung 16 in Form eines Heizstabs 16. Der Heizstab 16 ist eingerichtet, elektrische Energie in Wärmeenergie zu wandeln. Der Heizstab 16 kann einen elektrischen Strom in Wärme wandeln. Insbesondere kann der Heizstab 16 das Speichermedium 46, wie Wasser 46, erwärmen.
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Der Heizstab 16 ist bevorzugt ein schrittweise steuerbarer Heizstab 16, welcher eine Mehrzahl von unterschiedlichen Leistungsstufen aufweist. Beispielsweise kann es sich um einen Heizstab 16 mit binären Leistungsstufen handeln. Insbesondere kann der Heizstab 16 von der Regelvorrichtung 10 gesteuert werden. Es versteht sich, dass ein weiteres Steuergerät zwischengeschaltet sein kann.
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Die Funktionsweise des Biogaskraftwerks 2 wird nachfolgend näher erläutert. Im Normalbetrieb wird das erzeugte Biogas über die Zuführung 20 der Blockheizvorrichtung 6 insbesondere kontinuierlich und direkt zugeführt. Direkt bedeutet insbesondere, dass keine Zwischenspeicherung erfolgt. Durch einen Verbrennungsprozess erzeugt die Blockheizvorrichtung 6 thermische Energie und elektrische Energie. Die thermische Energie wird dem Zwischenspeicher 8 zugeführt und kann dann beispielsweise in oben beschriebener Weise weitergenutzt werden. Im Normalbetrieb, insbesondere bei Vorliegen der ersten Stromnetzzustandsbedingung, kann die Regelvorrichtung 10 die Schaltereinrichtung 12 derart ansteuern, dass der Netzanschluss 26 mit der Blockheizvorrichtung elektrisch verbunden ist. Die elektrische Energie wird in diesem Betriebszustand ins Stromnetz 40 eingespeist.
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Stellt die Regelvorrichtung 10 fest, dass die zweite Stromnetzzustandsbedingung, wie eine detektierte erste Überlast vorliegt, dann steuert die Regelvorrichtung 10 die Schaltereinrichtung 12 insbesondere derart an, dass die von der Blockheizvorrichtung 6 erzeugte elektrische Energie nicht ins Stromnetz 40 gespeist wird, sondern der Heizstab 16 mit der elektrischen Energie versorgt wird. Die Schaltereinrichtung 12 trennt die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 24 und 26 und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen 24 und 28 her. Eine schnelle Regelung des Biogaskraftwerks 2 insbesondere innerhalb weniger Sekunden wird erzielt.
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Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Biogaskraftwerks 2.1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ähnelt dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1, so dass im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen beschrieben werden und ansonsten auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Das Biogaskraftwerk 2.1 weist eine weitere Schaltereinrichtung 48 auf. Diese Schaltereinrichtung 48 ist zwischen einem Anschluss 50, welcher mit dem Netz 40 verbunden ist, und der elektrischen Verbindung 28 bzw. dem Anschluss 28 der Heizeinrichtung 16 angeordnet. Insbesondere kann durch Schließen der Schaltereinrichtung 48 die Heizeinrichtung 16 mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz 40 versorgt werden.
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Die weitere Schaltereinrichtung 48 kann insbesondere von der Regelvorrichtung 10 angesteuert werden, um einen Schaltvorgang zu bewirken. Insbesondere bei Vorliegen einer dritten Stromnetzzustandsbedingung, wie einer zweiten Überlast, z. B. einer besonders großen Überlast des Stromnetzes 40, kann die Regelvorrichtung 10 die Schaltereinrichtung 12 derart ansteuern, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromnetz 40 und der Heizeinrichtung 16 hergestellt wird.
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Die Regelvorrichtung 10 weist zudem einen Kommunikationsanschluss 44 auf, um von einer entfernt angeordneten Zentrale Signale bzw. Nachrichten zu empfangen und Daten an die Zentrale zu übertragen. Beispielsweise kann als Kommunikationsnetz das Internet, ein Intranet, ein Mobilfunknetz, etc. vorgesehen sein.
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Die entfernt angeordnete Zentrale kann zentral das Stromnetz 40 überwachen und den Netzzustand (kontinuierlich) erfassen. Die Zentrale kann die Regelvorrichtung 10 insbesondere über das Vorliegen einer Stromnetzzustandsbedingung informieren. Beispielsweise kann die Regelvorrichtung 10 von der Zentrale insbesondere bei einer Änderung der Stromnetzzustandsbedingung unmittelbar darüber informiert werden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Zentrale ein Energieabnahmeanfragesignal an die Regelvorrichtung 10 sendet. Dies kann gesendet werden, wenn beispielsweise die dritte Stromnetzzustandsbedingung (grundsätzlich) vorliegt. Als Antwort kann die Regelvorrichtung 10 beispielsweise senden, dass das Biogaskraftwerk 2.1 für einen bestimmten Zeitraum eine bestimmte Leistung und optional für/ab einen bestimmten Preis abnehmen kann. Diese Daten können vom Zustand des Biogaskraftwerks 2.1, wie der noch vorhandenen Kapazität des thermischen Zwischenspeichers 8 und/oder der Leistungsfähigkeit der Heizeinrichtung 16 abhängen. Zudem kann das Biogaskraftwerk 2.1 eine Bedingung für die Abnahme von elektrischer Energie vorgegeben.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung 10 der entfernt angeordneten Zentrale beispielsweise regelmäßig einen Zustandsbericht übermittelt. Der Zustandsbericht kann den Zustand des Zwischenspeichers 8 umfassen, beispielsweise wieviel Energie (noch) aufgenommen werden kann, die erzeugte thermische und/oder elektrische Ist-Leistung, die prognostizierte thermische und/oder elektrische Leistung für einen bestimmten Zeitraum. Zudem kann der Zustandsbericht eine weitere Bedingung umfassen, welche erfüllt sein muss, damit das Biogaskraftwerk 2.1 bereit ist, elektrische Energie aus dem Netz 40 zu importieren. Beispielsweise kann die Bedingung eine finanzielle Größe sein.
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Wenn die dritte Stromnetzzustandsbedingung vorliegt, kann die Regelvorrichtung 10 die Schaltereinrichtung 12 und vorzugsweise die elektrische Heizeinrichtung 16 derart ansteuern, dass eine bestimmte elektrische Leistung für einen bestimmten Zeitraum aus dem Stromnetz 40 abgegriffen wird.
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Es versteht sich, dass die Schaltereinrichtungen 12 und 48 in einer gemeinsamen Schaltereinrichtung integriert sein können und/oder die elektrischen Verbindungen 26, 50 eine gemeinsame Leitung bilden können. Es versteht sich ferner, dass die Regelvorrichtung 10 des Biogaskraftwerks 2 gemäß 1 mindestens einen Kommunikationsanschluss aufweisen.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Biogaskraftwerksystems 52 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Biogaskraftwerksystem 52 umfasst vorliegend eine Mehrzahl von zuvor beschriebenen Biogaskraftwerken 2, 2.1, welche an ein Stromnetz 40 angeschlossen sind. An dem Stromnetz 40 können weitere Energieerzeuger 56, 58, beispielsweise Windkraftanlagen 56 oder Photovoltaikanlagen 58, angeschlossen sein. Zudem können elektrische Verbraucher 60 an das Stromnetz 40 angeschlossen sein.
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Ferner ist eine entfernt angeordnete Zentrale 54 angeordnet. Die entfernt angeordnete Zentrale 54 kann den Stromnetzzustand in zuvor beschriebener Weise überwachen. Ferner ist die Zentrale 54 über ein Kommunikationsnetz 62 mit den Biogaskraftwerken 2.1 verbunden. Insbesondere können die Mehrzahl von Biogaskraftwerken 2.1 und die mindestens eine Zentrale 54 ein virtuelles Kraftwerke bilden, welches positive und/oder negative elektrische Energie zur Verfügung stellt. So können die Biogaskraftwerke 2.1 durch Verbrennen von Biogas positive elektrische Energie bereitstellen und aufgrund der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des thermischen Zwischenspeichers und seiner Ansteuerung zudem negative elektrische Energie bereitstellen.
