DE102014008930A1

DE102014008930A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von elektrischer Energie in einer gebäudeeigenen nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbundenen Energieverteilungsanlage

Info

Publication number: DE102014008930A1
Application number: DE102014008930.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung von elektrischer Energie in einer gebäudeeigenen nicht mit dem öffentlichen Stromnetz verbundenen Energieverteilungsanlage. In üblichen Energieverteilungsanlagen ohne Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz wird üblicherweise elektrische Energie, welche aufgrund eines zeitweisen Leistungsüberangebots des Generators für erneuerbare elektrische Energie, beispielsweise eines Photovoltaikgenerators, aufgrund mangelnder Speichermöglichkeit für elektrische Energie oft nicht genutzt. Eine höherer Nutzungsgrad der zeitweise erzeugbaren elektrischen Leistung wird im Sinne der Erfindung durch veränderliche Leistungszuteilung an einen Verbraucher bewirkt. Die veränderliche Leistungszuteilung wird durch einen Regelvorgang bestimmt, der eine Netzkenngröße wie Netzfrequenz oder Netzspannung als Anhaltspunkt für die Ausnutzung der erzeugbaren Leistung des Generators verwendet. Der Verbraucher setzt die zugeteilte Energie vorzugsweise in Wärme oder in Elektrolysearbeit um.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieverteilung in einer Energieverteilungsanlage für ein Gebäude oder einer Gruppe von Gebäuden, welche nicht mit einem öffentlichen Energieverteilungsnetz verbunden ist. Derartige Anlagen sind insbesondere im Zusammenhang mit regenerativen gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtungen bekannt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im folgenden wird eine Energieverteilungsanlage für ein Gebäude oder eine Gruppe von Gebäuden, welche nicht mit einem öffentlichen Energieverteilungsnetz verbunden ist und Stromerzeugungseinrichtung, Energiespeicher für elektrische Energie und elektrische Verbraucher umfasst, als Inselanlage bezeichnet.
In einem Gebäude mit einer Inselanlage werden üblicherweise Verbraucher mit veränderlichem elektrischen Energieverbrauch betrieben.
Ist die regenerative Stromerzeugungsanlage ein Photovoltaikgenerator oder ein Windkraftgenerator, ist bekannt, dass deren mögliche Erzeugungsleistung abhängig von Witterung, Tageszeit und Jahreszeit stark schwankt, und nicht steuerbar ist.
Darüber hinaus schwankt die Verbraucherleistung in der Inselanlage nutzungsabhängig.
Aufgrund dieser beiden Umstände, sind erzeugbare elektrische Leistung und benötigte elektrische Leistung nur über sehr kleine Zeitbereiche gleich groß.
Aufgrund dieser mangelnden zeitlichen Deckungsgleichheit von Leistungsangebot und Leistungsbedarf in der Inselanlage werden solche Anlagen gewöhnlich mit Energiespeichern für elektrische Energie, im folgenden Akku genannt, ausgestattet. Diese Energiespeicher nehmen bei Leistungsüberschuss beispielsweise des Photovoltaikgenerators elektrische Energie höchstens bis zu ihrem maximalen Speicherungsvermögen auf, und geben die Energie in die Inselanlage ab, wenn der Leistungsbedarf der Verbraucher höher ist als das Leistungsangebot der Stromerzeugungsanlage.
Die Leistungsfähigkeit des Photovoltaikgenerators wird in Inselanlagen gewöhnlich so groß gewählt, dass auch bei Witterungsverhältnissen mit geringer Sonneneinstrahlung im Durchschnitt genügend elektrische Energie bereitgestellt wird, um den Bedarf der Verbraucher zu decken. Dies hat zur Folge, dass bei günstigen Witterungsverhältnissen deutlich mehr elektrische Energie vom Photovoltaikgenerator zur Verfügung gestellt werden kann, als von den Verbrauchern benötigt wird. Ein Teil der überschüssigen Energie kann im Akku gespeichert werden. Wenn der Akku seine Aufnahmefähigkeit ausgeschöpft hat, und weiterhin mehr Leistung zur Verfügung steht, als von den Verbrauchern benötigt wird, kann die maximal verfügbare elektrische Leistung im System nicht mehr umgesetzt werden. Dies hat zur Folge, dass in jeder Inselanlage ein Mechanismus vorgesehen sein muss, der beispielsweise den Photovoltaikgenerator in seiner tatsächlichen Abgabeleistung begrenzen kann. Dieser Mechanismus wird im folgenden Leistungsbegrenzung genannt.
Die Leistungsbegrenzung ist eine physikalische Notwendigkeit, da das Gesamtsystem zu jedem Zeitpunkt eine ausgeglichene Leistungsbilanz haben muss: Die Leistungsabgaben und Leistungsaufnahmen von Photovoltaikgenerator, Akku und Verbrauchern einschließlich der Leitungsverluste und Speicherverluste addieren sich zu jeder Zeit zu null.
Die vorliegende Erfindung beschreibt in Anspruch 1 ein Verfahren zur Nutzung von durch die gebäudeeigene Stromerzeugungsanlage erzeugter elektrischer Energie, bekannt auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 090 141 A1 . In der genannten Schrift wird in Anspruch 1 vorgeschlagen, die Differenz zwischen der von der Stromerzeugungseinrichtung erzeugten Energie und der von den Verbrauchern verbrauchten elektrischen Energie zu messen, und die Differenz daraus, den Leistungsüberschuss, in einem regelbaren Verbraucher zur Erzeugung von Heizwärme zu verwenden. Diese Art der Leistungsdifferenzmessung ist nur möglich, wenn die Energieverteilungsanlage mit einem öffentlichen Energieverteilungsnetz verbunden ist, da an der Schnittstelle zum öffentlichen Energieverteilungsnetz die Möglichkeit besteht, Leistungsüberschuss, der aus der gebäudeeigenen Energieverteilungsanlage in das öffentliche Energieverteilungsnetz fließt, tatsächlich in Größe und Richtung eines elektrischen Stromes zu messen.
Dieses Verfahren ist in einer Inselanlage nicht möglich, da die elektrische Leistungsbilanz dieser Anlage wie oben beschrieben zu jeder Zeit ausgeglichen sein muss, und daher ein zeitweiser Leistungsüberschuss der Stromerzeugungseinrichtung nicht gemessen werden kann, da diese zum Zeitpunkt eines möglichen Leistungsüberschusses in ihrer tatsächlichen Abgabeleistung so weit begrenzt ist, dass gerade der Leistungsbedarf der Verbraucher und die Leistungsaufnahme des Akkus gedeckt ist.
1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Energieverteilungsanlage für elektrische Energie in einem Gebäude 2 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung 1 zur Nutzung eines zeitweisen möglichen Leistungsüberschusses der Stromerzeugungseinrichtung 3 basiert auf einem Regelvorgang, der einen Verbraucher 12 beispielsweise zur Erzeugung von Heizwärme in seiner Leistungsaufnahme kontinuierlich und stufenlos steuert und gleichzeitig anhand von vorhandenen elektrischen Netzkenngrößen 17, Kenngrößen der netzhaltenden Komponenten 8, beispielsweise eines bidirektionalen Ladereglers, oder Kenngrößen 14 des Generators 3 ermittelt, ob der Leistungsbedarf aller an der Inselanlage angeschlossenen Verbraucher 4, 5, 6, 12 einschließlich des vom Regelvorgang beeinflussten Verbrauchers 12 und eines Akkus 7 genau so groß ist, wie die von der Stromerzeugungseinrichtung 3 erzeugbare Leistung. Besteht zwischen der erzeugbaren Leistung und der benötigten Leistung eine Differenz, wird die Leistungsabgabe 18 an den variablen Verbraucher 12 so lange verändert, bis sich erzeugbare Leistung des Generators 3 und die Summe der benötigten Leistung aller Verbraucher 4, 5, 6, 12 und des Akkus 7 möglichst gleich groß sind, und damit die Stromerzeugungseinrichtung 3 in ihrer Abgabeleistung 10 möglichst geringfügig oder gar nicht begrenzt wird. Dieser Regelvorgang wird pausenlos durchgeführt und bewirkt aufgrund von wechselnder erzeugbarer Leistung und wechselndem Leistungsbedarf der Verbraucher 4, 5, 6 ein andauerndes Annähern an die bestmögliche Ausnutzung der durch den Generator 3 erzeugbaren Leistung. Als Anhaltspunkt für das Erreichen der bestmöglichen Ausnutzung dient eine Netzkenngröße. Die Netzkenngröße kann unter anderem die Netzfrequenz oder die Netzspannung sein, die aber nicht in einem direkten Zusammenhang mit einem möglichen Leistungsüberschuss des Generators 3 stehen muss, sondern nur einen indirekten Anhaltspunkt für die Richtung des Regelvorgangs liefern muss.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, dass vorhandene Erzeugungskapazität einer Stromerzeugungseinrichtung möglichst vollständig genutzt wird. In einer Inselanlage kann die Differenz zwischen erzeugter und verbrauchter elektrischer Leistung nicht gemessen werden, da diese beiden Größen aufgrund der Geschlossenheit des Systems immer gleich groß sein müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aber anhand von elektrischen Kenngrößen, wie Netzfrequenz oder Netzspannung ermittelt, ob der Photovoltaikgenerator oder Windkraftgenerator sich in einem Zustand der Leistungsbegrenzung befindet, und demnach mehr Leistung abgeben könnte, als dies der Fall ist. Dieser Umstand wird dazu genutzt um den variablen Verbraucher zur Erzeugung von Heizwärme in seiner Leistungsaufnahme so zu regeln, dass der Photovoltaikgenerator oder der Windkraftgenerator genau so viel Leistung abgibt, wie er gerade abgeben kann. Somit wird ein höherer Ausnutzungsgrad des Generators erreicht.
Es sind Inselanlagen bekannt, welche die Leistungsbegrenzung des Photovoltaikgenerators oder des Windkraftgenerators durch das Verändern der Netzfrequenz innerhalb bestimmter Grenzen feststellbar machen. Bei dem beschriebenen Verfahren kann somit geprüft werden, ob die Netzfrequenz von der Nennfrequenz abweicht, und der variable Verbraucher zur Erzeugung von Heizwärme kann dadurch geregelt werden.
Es ist möglich, die Leistungsbegrenzung des Photovoltaikgenerators oder des Windkraftgenerators durch das Verändern der Netzspannung innerhalb bestimmter Grenzen feststellbar zu machen. Bei dem beschriebenen Verfahren kann somit geprüft werden, ob die Netzspannung von der Nennspannung abweicht, und der variable Verbraucher zur Erzeugung von Heizwärme kann dadurch geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011090141 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung (1) und Verfahren zur Nutzung von elektrischer Energie in einer Energieverteilungsanlage für ein Gebäude (2) oder eine Gruppe von Gebäuden (2a) mit einer oder mehreren gebäudeeigenen Erzeugungseinrichtung/en (3) für elektrische Energie, mit einem gebäudeinternen Energieverteilungsnetz (13), mit einem oder mehreren Verbrauchern (4, 5, 6, 12), wovon mindestens einem Verbraucher (12) nach dem Verfahren der Erfindung veränderliche elektrische Leistung (18) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird (14, 15, 16, 17), ob die erzeugbare Leistung einer oder mehrerer Energieerzeugungseinrichtungen (3) für elektrische Energie aufgrund des Leistungsbedarfs eines oder mehrerer nicht nach dem Verfahren der Erfindung gesteuerten Verbraucher (4, 5, 6) vollständig ausgeschöpft wird, und dem nach dem Verfahren der Erfindung gesteuerten Verbraucher (12) genau so viel Leistung zugeführt wird, dass die erzeugbare Leistung der Energieerzeugungseinrichtungen (3) möglichst vollständig ausgeschöpft wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Netzspannung im gebäudeeigenen Energieverteilungsnetz (13) ermittelt wird (17), ob die erzeugbare Leistung der Energieerzeugungseinrichtungen (3) vollständig ausgeschöpft wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Netzfrequenz im gebäudeeigenen Energieverteilungsnetz (13) ermittelt wird (17), ob die erzeugbare Leistung der Energieerzeugungseinrichtungen (3) vollständig ausgeschöpft wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Gleichspannung an der Energieerzeugungseinrichtung, beispielsweise einem Photovoltaikgenerator (3), ermittelt wird (14), ob die erzeugbare Leistung der Energieerzeugungseinrichtungen (3) vollständig ausgeschöpft wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung von Daten (16), die von einer netzerzeugenden und netzhaltenden Komponente (8), beispielsweise einem bidirektionalen Wechselrichter, gesendet werden, ermittelt wird, ob die erzeugbare Leistung der Energieerzeugungseinrichtungen (3) vollständig ausgeschöpft wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem durch das Verfahren gesteuerten Verbraucher (12) aufgenommene elektrische Leistung (18) möglichst vollständig in Wärme umgewandelt wird.
Vorrichtung (1) und Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem durch das Verfahren gesteuerten Verbraucher (12) aufgenommene elektrische Leistung (18) zum Zweck der Elektrolyse von Wasser genutzt wird.