DE102017007616A1

DE102017007616A1 - Ausgleich von Erzeugung (PV, BHKW, Wind) und Verbrauch mit Hilfe einer Kopfstation in Abschnitten des Verteilnetzes mit Regelstrategien, Speichern und Aufladung von E-Mobilen

Info

Publication number: DE102017007616A1
Application number: DE102017007616.2A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Kuth; Othmar M. Verheyen
Original assignee: Individual
Current assignee: KUTH, KARL-HEINZ, DE
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-05-02

Abstract

Erzeugungsanlage (,Kopfstation‘) ist in der Lage, dezentral erzeugten Strom aus EE aufzunehmen und mit Hilfe von Strom, erzeugt aus Kraft-Wärme-Kopplung, konstant zu halten.Die Konstanthaltung durch eine Prozesssteuerung („Goldenex“): Im gleichen Maße wie EE erzeugt und in die Kopfstation eingespeichert wird, wird die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage heruntergefahren. Die eingesparte Menge Brennstoffe (bis zu 50%) entspricht der Menge der zugeführten EE.Überschüsse in der Erzeugung werden nicht in die Verteilnetze, sondern in die Speicher eingespeist. Ebenfalls kann bei Rückgang des Verbrauchs, wenn die Speicherung es erfordert, die Erzeugung erhöht werden (konstante Erzeugung im Rahmen der Frequenz- und Spannungsnormen).Prozesssteuerung durch Goldenex weiter darin,- Überwachung der Speicher der Fern- und Nahwärme, der E-Mobilität und der Akku-Aufladung- Optimierung der Energie-Nutzungs-Pauschale- Brennstoffeinsparung, die für eine Konstanthaltung des Verteilnetzes bestimmt istBesonderheit der Kopfstation: getrennt regelbare Ein- und Ausgänge in das Verteilnetz.Vorteil: Überschüsse gelangen in die Speicher. Kopfstation kann einzeln oder in Gruppen betrieben werden. Die Goldenex-Anbindung sorgt für den Austausch der Funktionsdaten.

Description

Mit Aufkommen der Erneuerbaren Energien (EE) entstanden im Verteilnetz Probleme, die es bisher bei Stromerzeugung in Kraftwerken nicht gab.
Diese Patentschrift soll dazu dienen, Wege aufzuzeichnen, die zu einer Lösung führen.
Grundsätzlich ist zu sagen, dass der in Kraftwerken hergestellte Strom sich nicht ohne technische Hilfsmittel mit emeuerbarem Strom mischen lässt. Der in Kraftwerken erzeugte Strom hat eine konstante Leistung, der Strom aus EE kann naturbedingt in der Erzeugung fluktuieren.
Ferner wird zur herkömmlichen Erzeugung einer bestimmten Menge Strom eine entsprechende Menge Brennstoff benötigt. Bei EE sind, so lange es die natürlichen Bedingungen zulassen, die Brennstoffkosten unerheblich. Erst wenn Schwankungen eintreten, muss Regelenergie zugekauft werden. War bisher der in Kraftwerken hergestellte Strom in der Menge voraussehbar und durch Regelungen im Verbundnetz regelbar, treten bei stärkerem Einsatz von EE Lastspitzen auf, die abgeregelt werden müssen.
Hier, an dieser Stelle, treten die Reaelstrategie ein!
Zur Konstanthaltung des Verbrauchnetzes dienen folgende Maßnahmen:

- Energie-Nutzungs-Pauschale
- Kopfstation
- Speicher

Erklärung der Energie-Nutzungs-Pauschale
War es bisher üblich, den Stromverbrauch des in Kraftwerken erzeugten Stroms nach Menge und Zeit, bedingt durch eine konstante Erzeugung, abzurechnen (KWH), fällt bei erneuerbarem Strom die konstante Herstellung fort und muss bei naturbedingten Schwankungen in der Herstellung mit Regelenergie unterstützt werden.
Hier setzt meine Überlegung ein, Verbraucher, die zum Zeitpunkt der Herstellung nicht dringend benötigt werden, kurzzeitig von der Versorgung auszuschließen. Um diesen Vorgang einzuleiten, wird mit dem Verbraucher eine Vereinbarung über die in etwa in Frage kommende Verbrauchsmenge getroffen; der genaue Verbrauch kann am Schluss abgerechnet oder als Flatrate pauschalverrechnet werden.
Zu dieser Vereinbarung kommt eine zweite Vereinbarung, die festlegt, dass der Verbraucher bereit ist, vorher im Anschlusswert festgelegte Verbrauche im Rahmen der Erzeugung zu festgelegten Zeiten zu- oder abschalten zu lassen.
Je höher der Anschlusswert und je günstiger der Zeitrahmen des Verbrauchs in die Erzeugung fällt, umso höher liegt der Rabatt, der auf die vorher vereinbarte Strommenge gewährt wird. Schaltgeräte und Formalen, die für den Betrieb der Energie-Nutzungs-Pauschale benötigt werden, sind Gegenstand der Patentanmeldung. Sie werden in der separaten Patentanmeldung gesondert behandelt.
Erklärung der Kopfstation
Den Mittelpunkt der Kopstation bildet eine Gruppe von BHKW, die bis zu 20% ihrer Leistung moduliert werden können.
Um diese Gruppe bilden sich folgende Einheiten:

- Einspeisung Verteilnetz, geregelt über einen Leistungssteller, der die Menge des Stromes aus dem Verteilnetz regelt
- Separate Ausspeisung aus der Kopfstation in das Verteilnetz
- Einspeisung EE in die Kopfstation solar, Wind
- Ausspeisung des Stromes aus der Kopfstation in das Verbrauchernetz
- Ausspeisung Stromerzeugung aus der Kopfstation in den Stromspeicher (Akku)
- Ausspeisung Stromerzeugung aus der Kopfstation in den Wärmebereich Nah- und Fernwärme über Leistungssteller
- Ausspeisung Stromerzeugung aus der Kopfstation in die Verteilung E-Mobile über Leistungssteller
- Eingang Bus-Systeme aus dem messtechnischen Bereich des Verbrauchernetzes
- Eingang Bus-Systeme aus dem messtechnischen Bereich des Verteilnetzes
- Ausspeisung der Stromerzeugung für den Eigenverbrauch der Kopfstation

Funktionsweise der Kopfstation
Die weltweiten Klimaziele (außer den USA) gehen im Rahmen des Klimaschutzes davon aus, einen hohen Anteil - in einigen Ländern bis zu 80% - der Stromerzeugung aus EE zu erzeugen.
Das ist leichter gesagt als getan.
Wie in den vorstehenden Seiten beschrieben, verursachen fluktuierende Energiequellen im Stromnetz erhöhten Regelbedarf.
Die Netzfrequenz ist in vielen Teilen Europas und in Deutschland auf 50 Hz genormt, Abweichungen von 0,2 Hz sind erlaubt.
Ähnliche Normen gibt es für die Netzspannung. Hier sind 10% Abweichung erlaubt.
Bei zu niedriger Frequenz muss beispielsweise die Einspeisung erhöht oder die Netzlast reduziert werden. Die Bereitstellung von Regelenergie wird hauptsächlich von Großkraftwerken übernommen, obwohl der Trend in Richtung zunehmender Dezentralisierung und Errichtung von kleinen Energie-Erzeugungsanlagen geht. Für diesen Bereich bieten sich zur Erzeugung von positiver und negativer Regelenergie im besonderen Maße die effizienten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an.
Zur Regulierung der vorher dargestellten Zu- und Abgänge dient ein Touchpanel. Über diese Einstellung können die Funktionen für einen vollautomatischen Betrieb einer dezentralen Erzeugungsanlage zur Versorgung von Objekten, Straßenzügen und Arealen eingestellt werden.
Wie in Bild 1 dargestellt, befindet sich auf der rechten Seite des Touchpanels die Anzeige des Leistungsberechs, für die die Anlage ausgelegt ist (Einstellung werksseitig). Hier werden die zur Verfügung stehenden Erzeugung in ihrer Leistung und die von der Einspeiseseite vorhandene Absicherung in einem Balken in grüner Farbe angezeigt.
Beispiel: Maximale Werte

Netzeinspeisung	200Amp.
BHKW 1	100 Amp.
BHKW 2	50 Amp.
BHKW 3	50 Amp.
Stromspeicher Akku	30 Amp.

Grüner Balken Anzeige	430 Amp.

Auslegung der Schaltgeräte und Schaltschränke 35% Zuschlag
Neben diesem grünen Balken befindet sich eine Anzeige mit rotem Balken, die den Stand der zu fahrenden Leistung anzeigt.
Bei der Berechnung der zu erwartenden Leistung sollte von einer Reserve von 10% bis 15% ausgegangen werden, sodass eine zu erwartende Lastspitze

von 430 Amp. ./. 15% 365 Amp.

zu erwarten ist.
Auf dieser roten Balkenanzeige können Merker für die 5 Erzeuger aufgesetzt werden, die den Ein- und AusSchaltpunkt bestimmen.
Beispiel:
Netzeinspeisung bis 140 Amp.

dann Einschaltung BHKW 1 100 Amp.

dann Einschaltung BHKW 2 50 Amp.

dann Einschaltung BHKW 3 50 Amp.

dann Stromspeicher Akku 30 Amp.

Zur Verfügung stehende Erzeugung 370 Amp.
Neben diesen beiden Anzeigen befindet sich eine dritte gelbe Balkenanzeige, die den zeitnahen Verbrauch anzeigt.
Auf der rechten Seite des Touchpanels befindet sich eine Balkenanzeige, die den Anschlusswert von EE anzeigt.
Maximale Werte

Solar-Anlage 1	50 Amp.
Solar-Anlage 2	25 Amp.
Solar-Anlage 3	25 Amp.
Solar-Anlage 4	70 Amp.

Solar-Erzeugung	170 Amp.

Links von der Anzeige zeigt eine zweite Balkenreihe die zeitnahe Erzeugung an.

Die Solar-Anlage 1 steht mit BHKW 1 in Verbindung.

Die Solar-Anlage 2 steht mit BHKW 2 in Verbindung.

Die Solar-Anlage 3 steht mit BHKW 3 in Verbindung.
Die Solar-Anlagen 1 - 3 bringen die BHKW 1 - 3 je nach Leistungsabgabe dazu, bis zu 50% hoch- oder runterzufahren.
Die Solar-Anlage 4 steht mit der Netzeinspeisung in Verbindung.
Die Anlage ist so programmiert, dass der auf der linken Seite „rote Balkenanzeige“ mit der zeitnahen Solar-Erzeugung auf der rechten Seite in Verbindung steht und zeitgleich die Menge des zur Speicherung zur Verfügung stehenden Stromes unter Abzug des zeitnahen Verbrauchs ermittelt.
Beispiel:

Leistungsspitze (linke Seite Touchpanel)		370 Amp.
Zeitnaher Verbrauch	.I.	275 Amp.
Solare Erzeugung		170 Amp.
Zur Speicherung		265 Amp.

Die Menge des zeitnahen Verbrauchs und die Menge der erneuerbaren Stromerzeugung sind die Werte, die für die Speicherung den Ausschlag geben.
Speicher
Die Erzeugung von Strom und Wärme über die Kraft-Wärme-Kopplung (bereits von Edison erfunden) ist so ein ,alter Hut‘, dass man nur gähnen könnte. Jetzt aber, wo weltweit sich die meisten Länder für die E-Mobilität entschieden haben, kommt der ,alte Hut‘ wieder zum Leben. Wofür? Weil die Menge E-Mobilität mit der bestehenden Stromerzeugung nicht zu bewältigen ist, wenn man sagt, wir haben Sonne und Wind, um alles in Betrieb zu setzen. Nur was in diesem Konzept fehlt, das ist die Regelenergie.
Um die Speicherung der E-Mobilität vorzunehmen, werden benötigt:

- Wind
- Sonne
- Kraft-Wärme-Kopplung
- Energie-Nutzungs-Pauschale

In der von uns vorgestellten Patentanmeldung werden in die Kopfstation Wind- und Sonnen-Energie eingeleitet und mit Strom aus dem Verteilnetz und mit Strom aus der Kraft-Wärme-Kopplung für die Frequenz und Stromerhaltung positiv oder negativ geregelt.
Die Energie-Nutzungs-Pauschale die bei der E-Mobilität zwingend ist, legt den Zeitpunkt und die Menge der zu betankenden Fahrzeuge fest.
Die Kopfstation ist in der Lage eine zweite Speicherung vorzunehmen und zwar ,Power to Heat‘: Diese erzeugte Wärme wird dem durch die Kraft-Wärme-Kopplung schon erzeugten Warmwasser beigemischt und hilft ein Nah- oder Fernwärme-Netz zu betreiben.
Die beiden Speicher E-Mobilität und ,Power to Heat‘ stehen gemeinsam oder wechselseitig zur Verfügung und helfen, die bei der Erzeugungsanlage entstehenden Lastspitzen auszugleichen.
Das Nahwärme-Netz wird mit einer Temperatur von 20 - 25 Grad betrieben. Wärmepumpen mit einer HD-Zahl von 3,5 erhitzen das Wasser bis auf 70 Grad und ersetzen oder entlasten bestehende Heizungsanlagen.
Der eingesparte Brennstoff Gas wird verwendet, um die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zu betreiben, die wiederum dafür sorgt, Strom zu erzeugen, Wärme zu erzeugen, E-Mobilität zu betreiben.
Manche Experten bewerten den Betrieb von Kraft-Wärme-Anlagen als klimaschädlich und verlangen die Abschaltung von Anlagen. Diese Experten sind ferner der Meinung, dass Wind und Sonne benötigt werden, um Heizungen mit Wärmepumpen und E-Mobilität mit Strom zu versorgen. Die benötigte Regelenergie soll wie bisher die Braun- und Steinkohle übernehmen.
Die E-Mobiltät benötigt laut Westnetz 21 KW und die Wärmepumpe ca. 3,5 KW pro Haushalt.
Man kann davon ausgehen, dass die Stromversorgung im Augenblick ausreichend ist.
Bei einem zusätzlichen Anschluss von schätzungsweise 15 Millionen Haushalten x 24,5 KW (versorgt mit Wind und Sonne) würde der Bau von Steinkohle- und Braunkohle-Kraftwerken zur Erzeugung der Regelenergie 10 - 15 Jahre dauern, bei unserem Patentvorschlag wären es 3 Jahre.
Jedes Jahr zählt! Wir müssen etwas unternehmen.

Claims

In einem seit 100 Jahren voll funktionsfähigem Stromnetz sollen aus Klimaschutzgründen Veränderungen vorgenommen werden (Hinzufügung von EE). In ca. 20 Jahren soll aus dem Hinzufügen ein voll funktionsfähiges erneuerbares Netz werden. Dies zu erreichen, halte ich für machbar. Aus diesem Grund erhebe ich Patentanspruch auf die auf Seiten 1 - 9 beschriebene und an Beispielen erklärte - Kopfstation, - Energie-Nutzungs-Pauschale sowie - der zur Regelung der Kopfstation notwendigen Prozesssteuerung „Goldenex“.