DE102018109956A1

DE102018109956A1 - Energiespeicher mit Steuerung für Stromtankstelle

Info

Publication number: DE102018109956A1
Application number: DE102018109956.8A
Authority: DE
Inventors: Uli Erich Schumacher
Original assignee: Egs Entw und Forschungs GmbH; Egs Entwicklungs- und Forschungs- GmbH
Current assignee: Egs Entw und Forschungs GmbH; Egs Entwicklungs- und Forschungs- GmbH
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31
Also published as: EP3784520A1; WO2019207068A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher (1) für Stromtankstellen (10) umfassend eine Energiespeichereinheit (11) und ein damit verbundenes Steuerungsmodul (12) zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen (13) zur Aufnahme (E) von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen (14) zur Abgabe (A) von elektrischer Energie, wobei das Steuerungsmodul (12) mehrere entsprechend angesteuerte Spannungswandler umfasst, um die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung (E, A, W) der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen (13, 14) gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung zu ermöglichen, wozu das Steuerungsmodul (12) die an den Einspeise-Stromanschlüssen (13) ankommende elektrischen Energie und die an den Ausspeise-Stromanschlüssen (14) abgefragte elektrische Energie überwacht und mittels der Spannungswandler geeignet an den jeweiligen Bedarf anpasst. Die Erfindung betrifft außerdem eine Stromtankstelle (10) mit einem solchen Energiespeicher (1) und ein Verfahren (100) zum Betreiben dieser Stromtankstelle (10).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für Stromtankstellen mit einem Steuerungsmodul zur Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung von elektrischer Energie zwischen den Stromanschlüssen des Energiespeichers gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung, eine Stromtankstelle mit einem solchen Energiespeicher und ein Verfahren zum Betreiben dieser Stromtankstelle.
Hintergrund der Erfindung
Ein Elektrofahrzeug mit einem Elektroantrieb ist einem gewöhnlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor in vielen Eigenschaften überlegen. Elektroautos sind obendrein als emissionsfreie Fahrzeuge insbesondere in Ballungsräumen sehr geeignet. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verfügen aktuelle Elektrofahrzeuge jedoch aufgrund der geringen Ladekapazitäten der Energiespeicher im Fahrzeug, typischerweise Batterien (Akkus), zumeist über erheblich geringere Reichweiten und müssen daher oft geladen werden. Längere Fahrten mit Elektrofahrzeugen benötigen heutzutage immer noch eine Ladeplanung. Bei einer Ladestation für Elektrofahrzeuge handelt es sich um eine speziell für Elektrofahrzeuge konzipierte Ladestationen, die in ihrer Bauweise meist einer Zapfsäule für konventionelle Kraftstoffe nachempfunden ist. Die Verbreitung von Ladestationen zur Förderung der Elektromobilität ist ein wichtiger Baustein der Verkehrswende. Um die Nutzerfreundlichkeit von Elektrofahrzeugen zu steigern, wird eine schnellere Ladung (Strombetankung) angestrebt. Ladezeiten von einer Stunde sind zwar technisch gut erreichbar, aber für den Fernfahrbetrieb von Elektrofahrzeugen immer noch deutlich zu lang. Mit sogenannten Schnellladestationen könnte die elektrische Energie für über 150 Fahrkilometer (rund 30 kWh) in 10 bis 20 Minuten aus dem Netz in schnellladefähige Fahrzeugbatterien geladen werden.
Die derzeitige Ladeinfrastruktur ist aber auf bestehende Anschlusswerte aus dem lokalen Stromnetz angewiesen. Das Bereitstellen sehr hoher Ströme für die parallele Schnellaufladung mehrerer Fahrzeuge ist aufgrund der durch das allgemeine Stromnetz bedingten Restriktionen (beispielsweise die Beschränkung der verfügbaren Strommenge durch die Hauptsicherung des Netzanschlusses) meist nicht möglich.
DE 10 2010 002 237 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Energieverteilung in einer Stromtankstelle mit mehreren an ein internes Versorgungsnetz der Stromtankstelle angeschlossene Ladestationen zum parallelen Aufladen mehrerer Elektrofahrzeuge, wo mit Hilfe einer intelligenten Steuereinrichtung ein Beladungsplan mit zeitlich gestaffelten Ladezeiten für eine Mehrzahl an Elektrofahrzeugen in der Stromtankstelle erstellt wird, der eine Aufladung der Elektrofahrzeuge ohne Überlastung des internen Stromnetzes der Stromtankstelle und des Anschlusses an das allgemeine Stromnetz ermöglicht. Die intelligente Steuereinrichtung ist dabei als Schnittstelle zwischen dem allgemeinen Stromnetz und dem internen Versorgungsnetz angeordnet. Hierbei versorgt die intelligente Steuereinrichtung das interne Versorgungsnetz mit einer einzigen für das Versorgungsnetz vorgesehenen Spannung, sodass die Ladestationen der Stromtankstelle in ihrer Gesamtheit auf die vom internen Versorgungsnetz festgelegte Spannung und maximal transferierbare Leistung zur Ladung der Elektrofahrzeuge angewiesen sind.
Zur Bereitstellung zusätzlicher Leistung können alternativ weitere lokale Stromquellen wie beispielsweise Wind- oder Solarkraftanlagen mit einer auf den Bedarf der Stromtankstelle angepasste maximal lieferbare Energiemenge pro Zeiteinheit zusätzlich zum allgemeinen Stromnetz an eine Stromtankstelle angeschlossen werden, um in Perioden mit hoher Last für die Stromtankstelle das allgemeine Stromnetz nicht zu überlasten. Allerdings liefern diese zusätzlichen Stromquellen den benötigten Strom im Vergleich zum allgemeinen Stromnetz in einer mit den äußeren Bedingungen (Windstärke, Sonneneinstrahlung) zeitlich stark variierenden Menge und zusätzlich mit anderen Parametern, beispielsweise mit unterschiedlicher Spannung wie Niederspannung, Mittelspannung oder Hochspannung und/oder einer anderen Wellenform (Gleichspannung statt Wechselspannung).
Zur Speicherung der Energie können entsprechende Energiespeicher eingesetzt werden. Allerdings gibt es keine Speicher für die Anwendung in Stromtankstellen, die gleichzeitig sowohl an Niederspannung als auch an Mittel- und Hochspannung als Eingangsquelle angeschlossen werden und flexibel unterschiedlichste Spannungen von 230 Volt bis 50 kV als Ausgangsquelle liefern können. Dies wäre wünschenswert, damit die Ladestation für die unterschiedlichsten Elektrofahrzeuge die elektrische Energie flexibel ohne Strombegrenzung durch die Ladestation mit der jeweils optimalen Spannung und Leistung liefern kann
Es wäre daher wünschenswert, eine Stromtankstelle betreiben zu können, die sehr flexibel unterschiedlichste Spannungen als Eingangsspannungen verarbeiten und flexibel an unterschiedlichste Abnehmer mit unterschiedlichen Bedingungen und Mengen liefern kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für Stromtankstellen bereitzustellen, mit der eine Stromtankstelle betrieben werden kann, die sehr flexibel unterschiedlichste Spannungen als Eingangsspannungen verarbeiten und flexibel an unterschiedlichste Abnehmer mit unterschiedlichen Bedingungen und Mengen liefern kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Energiespeicher für Stromtankstellen umfassend eine Energiespeichereinheit und ein mit der Energiespeichereinheit verbundenes Steuerungsmodul zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen zur Aufnahme von elektrischer Energie und mit mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen zur Abgabe von elektrischer Energie, wobei das Steuerungsmodul zur Weiterleitung der über die Einspeise-Stromanschlüssen aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit und/oder an die Ausspeise-Stromanschlüsse sowie der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen und/oder der Energiespeichereinheit über die Ausspeise-Stromanschlüsse zur bedarfsgerechten Abgabe an ein oder mehrere Ladesäulen für Elektrofahrzeuge vorgesehen ist, wobei das Steuerungsmodul mehrere entsprechend angesteuerte Spannungswandler umfasst, um die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung zu ermöglichen, wozu das Steuerungsmodul die an den Einspeise-Stromanschlüssen ankommende elektrische Energie und die an den Ausspeise-Stromanschlüssen abgefragte elektrische Energie überwacht und mittels der Spannungswandler geeignet an den jeweiligen Bedarf anpasst.
Der Begriff „Energiespeicher“ bezeichnet alle reversibel ladbaren Energiespeicher, die eine für eine Ladung eines Elektrofahrzeugs geeignete Kapazität und Leistungsaufnahme beziehungsweise Leistungsabgabe bereitstellen können, beispielsweise für die Aufnahme im Bereich von 230V bis 50kV, wobei die Energie als Gleichspannung und/oder Wechselspannung angeboten beziehungsweise abgenommen werden kann.
Die Energiespeichereinheit im Energiespeicher ist die Einheit, die die Energie innerhalb des Energiespeichers speichert. Dazu wird die über die Einspeise-Stromanschlüsse aufgenommene Energie zur Speicherung in der Energiespeichereinheit durch das Steuerungsmodul des Energiespeichers in eine für die jeweilige Energiespeichereinheit geeignete Spannung umgewandelt. Gleiches gilt bei der Abgabe von Energie aus der Energiespeichereinheit an die Ausspeise-Stromanschlüsse. Beispielsweise ist die Energiespeichereinheit eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit mehreren Batteriezellen beziehungsweise eine Anordnung aus einer Vielzahl solcher Batterien.
Der Begriff „Stromanschlüsse“ zum Einspeisen und Ausspeisen von Energie bezeichnet alle Schnittstellen, die geeignet sind, an ein Stromkabel angeschlossen zu werden, um den darüber bereitgestellten Strom aufzunehmen beziehungsweise diesen an das Stromkabel abzugeben. Stromanschlüsse umfassen Steckverbindungen oder induktive Verbindungen zum Transfer von Strom in das oder aus dem jeweiligen Stromkabel. Der oder die Stromanschlüsse zum Anschluss an das allgemeine Stromnetz sind dem Fachmann bekannt, ebenso die Stromanschlüsse zum Verbinden des Energiespeichers mit Solar- und/oder Windkraftanlagen, die beispielsweise Mittelspannung bis circa 50kV liefern könnten. Die Anzahl der jeweiligen Einspeise-Stromanschlüsse und die der Ausspeisestromanschlüsse können je nach Anwendung variieren. Der erfindungsgemäße Stromspeicher umfasst dabei zumindest zwei separate Einspeise-Stromanschlüsse und zumindest zwei separate Ausspeisestromanschlüsse, wobei zumindest ein Ausspeise-Stromanschluss auch als Rückspeiseanschluss für das allgemeine Stromnetz dienen kann.
Das Steuerungsmodul umfasst zur geeigneten Aufnahme, Weiterleitung und Abgabe von Energie bei den jeweils unterschiedlich abgebotenen Einspeiseströmen beziehungsweise den jeweils unterschiedlich benötigten Ausspeiseströmen und der entsprechenden gleichzeitigen Umwandlung innerhalb des Steuerungsmoduls von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt sowie der Anpassung des Spannungswertes beziehungsweise der Spannungsamplitude Spannungswandler in Form von ein oder mehrere Transformatoren und Umrichter pro Stromanschluss auf der Einspeise- und Ausspeiseseite und entsprechende Steuerungselektronik zur Steuerung der aktiven Komponenten der Transformatoren und Umrichter. Die Energiespeichereinheit kann bei der Umwandlung als balancierende Einheit zur Stabilisation der Umwandlung beziehungsweise zum Hinzufügen fehlender Energie oder zur Aufnahme überschüssiger Energie verwendet werden. Das Steuerungsmodul umfasst zumindest eine Prozessoreinheit und einen Datenspeicher, auf denen entsprechende Steuerprogramme ausgeführt und gespeichert werden, um die bedarfsgerechte Weiterleitung von Energie steuern zu können. Das Steuerprogramm steuert entsprechend die Spannungswandler.
Der Begriff „Stromtankstelle“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet alle Arten von Einrichtungen, die in der Lage sind, mehrere Elektrofahrzeuge parallel zueinander (gleichzeitig) und unabhängig von den jeweiligen Typen an Elektrofahrzeugen und ihren Ladeanforderungen mit elektrischer Energie mit jeweils für die jeweiligen Elektrofahrzeuge besonders geeigneten Parametern für Wellenform (Gleichstrom / Wechselstrom), Spannung und Leistung zum Aufladen deren Fahrzeugbatterien zu versorgen, ohne dabei die Stromkabel beziehungsweise Versorgungsnetze zu überlasten. Der Begriff „bedarfsgerechte Abgabe“ bezeichnet dabei die dynamische Anpassung der Abgabe von Energie in Form und Menge über die jeweiligen Ausspeise-Stromanschlüsse durch das Steuerungsmodul, damit an den Ladestationen immer die tatsächlich benötigte Energie mit optimierten Spannungs- und Leistungswerten zur Ladung des oder der Elektrofahrzeuge bereitgestellt wird. An jedem Ausspeise-Stromanschluss können durch die dynamische Steuerung des Steuermoduls unterschiedliche Spannungen und Leistungen individuell angepasst für das jeweils gerade angeschlossene Elektrofahrzeug bereitgestellt werden. Die Anforderungen an Strom und Leistung definiert durch die Gegebenheiten des Elektrofahrzeugs kann dem Steuermodul durch Art der Steckverbindung oder durch Eingabe an einer Ladesäule oder durch eine geeignete Datenkommunikation zwischen Steuermodul und dem Elektrofahrzeug mitgeteilt werden, wonach das Steuermodul mittels seiner Transformatoren und Umrichter an dem betreffenden Ausspeise-Stromanschluss Strom, Leistung und Wellenform (Gleichspannung oder Wechselspannung) in der gewünschten Form mit maximal möglicher Leistung bereitstellt.
Der erfindungsgemäße Energiespeicher für Stromtankstellen ermöglicht es somit, eine Stromtankstelle zu betreiben, die sehr flexibel unterschiedlichste Spannungen als Eingangsspannungen verarbeiten und flexibel an unterschiedlichste Abnehmer mit unterschiedlichen Bedingungen und Mengen liefern kann.
In einer Ausführungsform ist einer der Einspeise- Stromanschlüsse dazu vorgesehen, mit dem allgemeinen Stromnetz verbunden zu werden und ein oder mehrere andere der Einspeise-Stromanschlüsse sind zum Anschluss zumindest an eine regenerative Energiequelle, vorzugsweise an eine Wind- und/oder Solarenergieanlage, ausgestaltet. Das allgemeine Stromnetz kann dabei die Grundversorgung der Stromtankstelle mit Ladestrom für die Elektrofahrzeuge sicherstellen, während die regenerativen Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie einerseits als Zusatzenergiequellen für Spitzenbelastungen zur Vermeidung einer Überlastung des Energiespeichers beziehungsweise des Versorgungsnetzes der Stromtankstelle dienen als auch als CO₂-freie Energiequellen zur Verbesserung des Energiemixes.
In einer weiteren Ausführungsform sind jeweils mindestens einer der Ausspeise-Stromanschlüsse für einpolige und/oder dreipolige Anschlüsse zur Abgabe von Gleichstrom- und/oder Wechselstrom ausgestaltet. Hierbei können die Ausspeise-Stromanschlüsse beispielsweise als einphasige 230V/10A/2,3 kW-Anschlüsse, einphasige 230V/16A/3,6kW-Anschlüsse, dreiphasige 400V/16A/11kW-Anschlüsse, dreiphasige 400V/32A/22kW-Anschlüsse, dreiphasige 400V/63A/43kW-Anschlüsse, 230V/47kW-Anschlüsse, Ladetyp-1-Anschlüsse, Ladetyp-2-Anschlüsse, CCS-Combo-1 -Anschlüsse, CCS-Combo-2-Anschlüsse, CHAdeMO-Anschlüsse oder Tesla-135kW-Supercharger-Anschlüsse ausgeführt sein. Die Energieübertragung kann dabei mittels Kabelsteckverbindung oder induktiv geschehen. Eine induktive Energieübertragung vermeidet verschleißende Steckverbindungen an den Stromanschlüssen. Die Ladeleistung ist ein wesentlicher Faktor für die Ladedauer. Wechselstrom-Anschlüsse von Typ-2 bieten 11kW oder 22kW an. Höhere Leistungen bieten Gleichstromanschlüsse, wo für CHAdeMO und CCS derzeit bis zu 50kW üblich sind. Die erfindungsgemäßen Ausspeise-Stromanschlüsse können für den Verbraucher (Elektrofahrzeug) bis zum 600kW anbieten. Ein Rückspeiseanschluss für das allgemeine Stromnetz kann als 20KV-Anschluss ausgeführt sein. Die erfindungsgemäßen Ausspeise-Stromanschlüsse liefern Strom mit einer maximalen Ladeleistung für alle angeschlossenen Ladestationen und ermöglichen daher immer die schnellstmögliche Ladezeit für den Abnehmer, hier das Elektrofahrzeug, wobei die Ladezeit nur durch die Gegebenheiten beim Abnehmer selber beschränkt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuerungsmodul dazu ausgestaltet, neben der Weiterleitung von elektrischer Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen zu den Ausspeise-Stromanschlüsse zur Abgabe der elektrischen Energie an die Ladestationen eine Lastprüfung in mindestens einem an die Ausspeisestromanschlüsse angeschlossenen Versorgungsnetz durchzuführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit für das jeweilige Versorgungsnetz bereitzustellen. Hiermit wird eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse und der Ausspeise-Stromanschlüsse sowie in dem Versorgungsnetz zwischen Ladesäule und Energiespeicher vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuerungsmodul mit ein oder mehreren Lastsensoren zur Lastprüfung in dem jeweiligen angeschlossenen Versorgungsnetz ausgestattet. Hierbei können Stromwandler als Wechselstromsensoren oder Gleichstromsensoren wie Hallsonden, Sensoren mit Reed-Schaltern oder thermische Sensoren verwendet werden. Sofern alle Versorgungsnetze mit Lastsensoren überwacht werden, kann das Steuerungsmodul des erfindungsgemäßen Energiespeichers eine Überlastung in allen Versorgungsnetzen feststellen und mit einer entsprechenden Stromregelung darauf reagieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuerungsmodul im Falle keiner durch die Lastprüfung festgestellten Überlastung des Versorgungsnetzes zur Weiterleitung zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse aufgenommenen elektrischen Energie an die Energiespeichereinheit vorgesehen. Somit kann die Energiespeichereinheit als Vorbereitung für eventuell zusätzlich für die gleichzeitige Ladung von Elektrofahrzeugen benötigte Energie geladen werden, um diese dann im Bedarfsfall auch tatsächlich den Ausspeise-Stromanschlüssen zur Verfügung stellen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuerungsmodul dazu ausgestaltet, die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen, Energiespeichereinheit und Ausspeise-Stromanschlüssen auf Basis von erhaltenen Wetterdaten und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an Energie zu steuern. Dadurch wird nicht nur die momentane Situation auf Seiten der Einspeise- und Ausspeisestromanschlüsse für die Steuerung des Energiespeichers berücksichtigt, sondern sichert eine hinreichend große im Energiespeichermodul gespeichert Energiemenge für Zeiten mit geringer Einspeisung durch die regenerativen Energiequellen, um dennoch den Ausspeise-Stromanschlüssen im Bedarfsfall Energie zusätzlich zur Versorgung aus dem allgemeinen Stromnetz zur Verfügung stellen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Energiespeicher des Weiteren mindestens einen Wasserstoffspeicher verbunden mit mindestens einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen an zumindest einen der Einspeise-Stromanschlüsse. Damit besitzt der Energiespeicher eine weitere Energiequelle zum Bereitstellen von zusätzlicher Energie.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Energiespeicher dabei zusätzlich mindestens einen Elektrolyseur angeschlossen an den oder die Wasserstoffspeicher, der mittels des Steuermoduls mit Strom zur Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher gespeichert wird. Somit stellt das Wasserstoffspeicher in Verbindung mit der Brennstoffzelle nicht nur eine zusätzliche Energiequelle dar, sondern kann als Energiespeicher zur Zwischenspeicherung von Energie in Form von Wasserstoff bei einem Überangebot von elektrischer Energie, wo ein Teil zur Elektrolyse von Wasser verwendet wird, genutzt werden. Sofern der Wasserstoff im Elektrolyseur nicht aus Wasser sondern aus einem anderen Rohstoff erzeugt wird, so ist dies ebenfalls mit von der Erfindung mit umschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt das Steuermodul nach den Wetterdaten und Verbrauchsparametern automatisch eine dafür geeignete Speichermenge in der Energiespeichereinheit und in dem oder den Wasserstoffspeichern und passt Füllstände in der Energiespeichereinheit und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch entsprechend an, beispielsweise unter Berücksichtigung der Wetterprognose für die nächsten 24 Stunden. Hiermit lässt sich besonders zuverlässig eine ausreichende gespeicherte Energiemenge im Energiespeicher sicherstellen, um jederzeit den Strombedarf bei der Ladung von Elektrofahrzeugen unabhängig von der vom allgemeinen Stromnetz und den anderen Energiequellen eingespeiste Energie decken zu können. Damit wird auch eine manuelle Bedarfsermittlung und Bedienung des Wasserstoffspeichers beziehungsweise der Brennstoffzelle vermieden. Über die Verbindung von Solarkraft und Windkraft mit wasserstoffbasierter Energiespeicherung kann der Anteil der „grünen“ Energie bei der Stromversorgung von Elektrofahrzeugen auf lokaler Basis deutlich gesteigert werden. Selbst bei wenigen Rückumwandlungen der Energie wäre diese Art der Stromversorgung günstiger als über den Netzanschluss an das allgemeine Stromnetz.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Energiespeichereinheit zumindest einen oder mehrere geeignet mit dem Steuerungsmodul verbundene Batteriespeicher. Ein Batteriespeicher kann reversibel und bei geringen Verlusten geladen und entladen werden und ist in der Lage, Energie über längere Zeiträume verlustarm zu speichern. Ebenso ermöglicht der geringe Platzbedarf von Batteriespeichern eine kompakte Bauweise des Energiespeichers, insbesondere der Energiespeichereinheit. Der Batteriespeicher kann eine Kapazität zwischen 600kWh und 5MWh umfassen, wobei der Batteriespeicher dazu modular mit einer Vielzahl an Batteriezellen betrieben werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Stromtankstelle zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge umfassend mehrere über ein oder mehrere Versorgungsnetze der Stromtankstelle miteinander verbundene Ladesäulen und mindestens einen erfindungsgemäßen Energiespeicher, der zur Abgabe von elektrischer Energie über das oder die internen Versorgungsnetze an die Ladesäulen angeschlossen ist und zur Aufnahme von elektrischer Energie zumindest mit dem allgemeinen Stromnetz verbunden ist. Das Versorgungsnetz der Stromtankstelle ist dabei ein zum allgemeinen Stromnetz separates Versorgungsnetz lediglich auf der Ausspeiseseite des Steuerungsmoduls und ist nur über das Steuerungsmodul mit dem allgemeinen Stromnetz und gegebenenfalls den weiteren regenerativen Energiequellen verbunden. Die Stromtankstelle kann dabei je nach Ausführungsform beispielsweise über acht AC/DC Powersäulen als Ladestationen verfügen, an denen in Abhängigkeit von den Vorgaben des Elektrofahrzeugs eine Leistung von 12kW bis zu 200kW zur Ladung des Elektrofahrzeugs angeboten werden. Die Ladesäulen können dabei so ausgeführt sein, dass die Ladestecker der Elektrofahrzeuge entweder direkt oder mit Adapter an die Ladesäulen angeschlossen werden können. Zusätzlich kann die Stromtankstelle eine oder mehrere Hochleistungs-Ladesäulen mit bis zum 600kW für Klein- oder Großtransporter, dem Schwerlastverkehr oder Bussen ausgestattet sein. Kleine Stromtankstellen können aber auch weniger Ladesäulen, beispielsweise vier Ladesäulen mit einer Leistung von 12kW bis 200kW umfassen. Die Anzahl der Ladesäulen ist frei skalierbar, ebenso die Kapazität des Energiespeichers zur zusätzlichen Versorgung der Ladesäulen in Verbindung mit der Versorgung durch das allgemeine Stromnetz. Als Ladecenter kann die Stromtankstelle mit bis zu 50 Ladesäulen aufgerüstet werden. Die Ladesäulen können dabei über Datenleitungen mit dem Steuerungsmodul verbunden sein, um nach Erkennung der benötigten Ladeparameter für das betreffende Elektrofahrzeug (beispielsweise durch Erkennung des Ladekabels, durch Nahfeldkommunikation mit dem Elektrofahrzeug, durch Eingabe durch den Nutzer des Elektrofahrzeugs) die gewünschten (günstigen) Ladeparameter dem Steuerungsmodul zu übertragen, damit dieses die Energie bedarfsgerecht mittel entsprechender Ansteuerung der Spannungswandler an den entsprechenden Ausspeise-Stromanschlüssen bereitstellt.
Die erfindungsgemäße Stromtankstelle ist dank des erfindungsgemäßen Energiespeichers unabhängig vom Typ des Elektrofahrzeugs, egal ob es Wechselstrom oder Gleichstrom benötigt. Durch den erfindungsgemäßen Energiespeicher kann die erfindungsgemäße Stromtankstelle somit sehr flexibel unterschiedlichste Spannungen als Eingangsspannungen verarbeiten und flexibel an unterschiedlichste Abnehmer mit unterschiedlichen Bedingungen und Mengen liefern.
In einer Ausführungsform der Stromtankstelle umfasst diese des Weiteren eine Wind- und/oder Solarkraftanlage, die über jeweilige Einspeise-Stromanschlüsse und über den Energiespeicher mit dem internen Versorgungsnetz verbunden sind. Eine solche Stromtankstelle verbessert die CO₂-Bilanz bei der Ladung von Elektrofahrzeugen durch die Nutzung von CO₂-freien Energiequellen und sichert über das weiter angeschlossene allgemeine Stromnetz und den Energiespeicher eine ständige und zuverlässige Energieversorgung der Ladestationen.
In einer weiteren Ausführungsform der Stromtankstelle sind ein oder mehreren Lastsensoren an das oder die Versorgungsnetze angeschlossen und mit dem Steuerungsmodul des Energiespeichers verbunden. Damit kann das Steuerungsmodul eine Lastprüfung in dem jeweiligen Versorgungsnetz ausführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit für das jeweilige Versorgungsnetz bereitstellen, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stromtankstelle zumindest zum Empfang von Wetterdaten und zur Übermittlung dieser Wetterdaten an das Steuermodul ausgestattet. Damit kann das Steuermodul die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen, Energiespeichereinheit und Ausspeise-Stromanschlüssen auf Basis der Wetterdaten und/oder statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an Energie sehr effektiv steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stromtankstelle dazu zum Empfang der Wetterdaten eine Wetterstation. Die Wetterstation bezeichnet hierbei eine Zusammenstellung verschiedener Messgeräte, die zur Messung meteorologischer Größen und damit der Wetterbeobachtung am Ort der Stromtankstelle dienen. Eine digitale Wetterstation bietet dabei den Vorteil, dass sie Wetterdaten der entsprechenden Sensoren mittels Datenübertragung an eine Auswerteeinheit weiterleiten kann, die beispielsweise in der Wetterstation oder im Steuerungsmodul angeordnet sein kann. Die Sensoren werden an den gewünschten Messpunkten angebracht, an denen sie Daten sammeln und zur Weiterverarbeitung übermitteln können.
In einer weiteren Ausführungsform der Stromtankstelle ist zumindest einer der Ausspeisestromanschlüsse als Rückspeiseanschluss für das allgemeine Stromnetz vorgesehen. Durch diesen Rückspeiseanschluss kann überschüssiger Strom in das allgemeine Stromnetz eingespeist werden, wodurch einerseits Einspeise-Erlöse erzielt werden können und andererseits das allgemeine Stromnetz bei geeigneter Einspeisung zusätzlich stabilisiert werden kann.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer Stromtankstelle zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge umfassend mehrere über ein Versorgungsnetz der Stromtankstelle miteinander verbundene Ladesäulen und mindestens einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfassend eine Energiespeichereinheit und ein mit der Energiespeichereinheit verbundenes Steuerungsmodul zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen zur Aufnahme von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen zur Abgabe von elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher zur Abgabe der elektrischen Energie über das interne Versorgungsnetz an die Ladesäulen angeschlossen ist und zur Aufnahme der elektrischen Energie zumindest mit dem allgemeinen Stromnetz verbunden ist, wobei das Steuermodul nachfolgende Schritte ausführt:

- Weiterleiten der über die Einspeise-Stromanschlüsse aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit und/oder an die Ausspeise-Stromansch lüsse;
- Überwachen der an den Einspeise-Stromanschlüssen ankommenden elektrischen Energie und der an den Ausspeise-Stromanschlüssen abgefragten elektrischen Energie;
- Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung durch entsprechend angesteuerte Spannungswandler im Steuerungsmodul; und
- bedarfsgerechtes Abgeben der elektrischen Energie mittels Weiterleitung der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen und/oder der Energiespeichereinheit über die Ausspeise-Stromanschlüssen an das Versorgungsnetz zur Versorgung der Ladestationen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, eine Stromtankstelle zu betreiben, die sehr flexibel unterschiedlichste Spannungen als Eingangsspannungen verarbeiten und flexibel an unterschiedlichste Abnehmer mit unterschiedlichen Bedingungen und Mengen liefern kann.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren die zusätzlichen Schritte:

- Durchführen einer Lastprüfung im Versorgungsnetz mittels ein oder mehrerer Lastsensoren, die an geeigneter Stelle im Versorgungsnetz angeordnet sind;
- Bereitstellen zusätzlicher elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit für das Versorgungsnetz bei Bedarf, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse zu vermeiden; und
- Weiterleiten zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse aufgenommenen elektrischen Energie an da Energiespeichereinheit, falls durch die Lastprüfung keine Überlastung des Versorgungsnetzes festgestellt wurde.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren den zusätzlichen Schritt des Steuerns der Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen, Energiespeichereinheit und Ausspeise-Stromanschlüssen auf Basis von erhaltenen Wetterdaten und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an den Ladestationen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, bei der der Energiespeicher des Weiteren mindestens einen Wasserstoffspeicher verbunden mit mindestens einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen an zumindest einen der Einspeise-Stromanschlüsse und einen Elektrolyseur angeschlossen an den oder die Wasserstoffspeicher umfasst, wobei der Elektrolyseur mittels des Steuermoduls mit Strom zur Elektrolyse von Wasser versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher gespeichert wird, umfasst das Verfahren des Weiteren die zusätzlichen Schritte:

- automatisches Bestimmen einer nach den Wetterdaten und Verbrauchsparametern geeigneten Speichermenge in der Energiespeichereinheit und in dem oder den Wasserstoffspeichern; und
- entsprechendes Anpassen der Füllstände in der Energiespeichereinheit und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch.

Die voranstehen aufgelisteten Ausführungsformen können einzeln oder in beliebiger Kombination zueinander zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens verwendet werden.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.

1: schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichers;
2: schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichers mit Wasserstoffspeicher, Brennstoffzelle und Elektrolyseur;
3: schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromtankstelle;
4: schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Stromtankstelle.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 für Stromtankstellen 10, der eine Energiespeichereinheit 11 und ein mit der Energiespeichereinheit 11 verbundenes Steuerungsmodul (12) zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen 13 zur Aufnahme E von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen 14 zur Abgabe A von elektrischer Energie umfasst. Das Steuerungsmodul 12 ist zur Weiterleitung W der über die Einspeise-Stromanschlüssen 13 aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit 11 und/oder an die Ausspeise-Stromanschlüsse 14 sowie der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen 13 und/oder der Energiespeichereinheit 11 über die Ausspeise-Stromanschlüsse 14 zur bedarfsgerechten Abgabe an ein oder mehrere Ladesäulen 2 für Elektrofahrzeuge vorgesehen. Die hier gezeigte Anzahl an jeweils drei Einspeise-und Ausspeise-Stromanschlüsse 13, 14 stellt nur ein Beispiel dar. Die Anzahl beider Anschlusstypen kann je nach Anwendung stark variieren. Dazu umfasst das Steuerungsmodul 12 mehrere entsprechend angesteuerte Spannungswandler (beispielsweise mehrere Transformatoren und/oder Umrichter in einer dafür geeigneten Anzahl und Anordnung) umfasst. Damit wird die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung E, A, W der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen 13, 14 gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung ermöglicht. Das Steuerungsmodul 12 überwacht dazu die an den Einspeise-Stromanschlüssen 13 ankommende elektrische Energie und die an den Ausspeise-Stromanschlüssen 14 abgefragte elektrische Energie und passt diese mittels der Spannungswandler geeignet an den jeweiligen Bedarf an. Einer der Einspeise- Stromanschlüsse 13 kann dabei für die Sicherstellung einer Grundversorgung mit Energie mit dem allgemeinen Stromnetz 31 verbunden sein. Ein oder mehrere andere der Einspeise-Stromanschlüsse 13 können zum Anschluss zumindest an eine regenerative Energiequelle 32, 33, vorzugsweise an eine Wind- und/oder Solarenergieanlage 32, 33 ausgestaltet sein. Jeweils mindestens einer der Ausspeise-Stromanschlüsse 14 kann für einpolige und/oder dreipolige Anschlüsse zur Abgabe von Gleichstrom- und/oder Wechselstrom ausgestaltet sein. Zusätzlich kann das Steuerungsmodul 12 dazu ausgestaltet sein, die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung E, A, W der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen 13, Energiespeichereinheit 11 und Ausspeise-Stromanschlüssen 14 auf Basis von erhaltenen Wetterdaten WD und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern VP an Energie zu steuern. Die Energiespeichereinheit 11 kann zur Speicherung der Energie zumindest einen oder mehrere geeignet mit dem Steuerungsmodul verbundene Batteriespeicher 111 umfassen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 hier im Vergleich zu 1 zusätzlich mit Wasserstoffspeicher 16, Brennstoffzelle 17 und Elektrolyseur 18. Im Nachfolgenden werden nur die nicht in 1 gezeigten Komponenten beschrieben, für alle anderen Komponenten wird auf 1 verwiesen. Der Wasserstoffspeicher 16 ist hier mit mindestens einer Brennstoffzelle 17 verbunden, die die in der Brennstoffzelle 17 erzeugte elektrischer Energie an den angeschlossen Einspeise-Stromanschluss 13 liefert. Außerdem ist ein Elektrolyseur 18 an den Wasserstoffspeicher 16 angeschlossen, der mittels des Steuermoduls 12 mit Strom zur Elektrolyse eines geeigneten Rohstoffs zur Erzeugung von Wasserstoff versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher 16 gespeichert wird. Der in dieser Ausführungsform gezeigte einzige Wasserstoffspeicher kann in anderen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von Wasserstoffspeichern ersetzt werden. Ebenso kann in anderen Ausführungsformen die Anzahl an Elektrolyseuren und Brennstoffzellen höher sein als hier gezeigt. Die Verrohrung der einzelnen Komponenten miteinander sowie die Stromanschlüsse können von Fachmann geeignet ausgeführt werden. Das Steuermodul 12 kann dabei nach den Wetterdaten WD und Verbrauchsparametern VP automatisch eine dafür geeignete Speichermenge in der Energiespeichereinheit 11 und in dem oder den Wasserstoffspeichern 16 bestimmen und Füllstände in der Energiespeichereinheit 11 und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern 16 mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch entsprechend anpassen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromtankstelle 10 zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge 5 umfassend einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 1 mit pro Ausspeise-Stromanschluss 14 jeweils einem Versorgungsnetz 4, an das hier ein oder mehrere Ladesäulen 2 angeschlossen sind, wobei der Energiespeicher 1 der zur Abgabe A von elektrischer Energie über das oder die internen Versorgungsnetze 4 an die Ladesäulen 2 angeschlossen ist und zur Aufnahme E von elektrischer Energie mit dem allgemeinen Stromnetz 31 verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Stromtankstelle 10 eine Wind- und Solarkraftanlage 32, 33, die über jeweilige separate Einspeise-Stromanschlüsse 13 mit dem Energiespeicher 1 und über den Energiespeicher 1 mit dem internen Versorgungsnetz 4 verbunden sind. Hier ist außerdem jeweils ein Lastsensoren 15 im jeweiligen Versorgungsnetz 4 angeschlossen und mit dem Steuerungsmodul 12 des Energiespeichers 1 geeignet über eine Datenleitung verbunden (aus Übersichtsgründen gestrichelt nur für ein Versorgungsnetz 4 dargestellt), damit das Steuerungsmodul 12 eine Lastprüfung in dem jeweiligen Versorgungsnetz 4 ausführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit 11 für das jeweilige Versorgungsnetz 4 bereitstellen kann, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse 13 zu vermeiden. Zusätzlich empfängt die Stromtankstelle 10 Wetterdaten WD von einer Wetterstation 20 der Stromtankstelle 1, wobei dieser Wetterdaten WD an das Steuermodul 12 übermittelt werden, damit das Steuermodul 12 die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung E, A, W der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen 13, Energiespeichereinheit 11 und Ausspeise-Stromanschlüssen 14 auf Basis der Wetterdaten WD und/oder statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern VP an Energie steuern kann. In einer Ausführungsform (hier nicht explizit gezeigt) ist zumindest einer der Ausspeisestromanschlüsse 14 als Rückspeiseanschluss an das allgemeine Stromnetz 31 angeschlossen. Das Steuerungsmodul 12 kann dabei dazu ausgestaltet sein, neben der Weiterleitung W von elektrischer Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen 13 zu den Ausspeise-Stromanschlüsse 14 zur Abgabe A der elektrischen Energie an die Ladestationen 2 eine Lastprüfung in allen hier an die Ausspeisestromanschlüsse angeschlossenen Versorgungsnetze 4 durchzuführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit 11 für das jeweilige Versorgungsnetz 4 bereitzustellen, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse 13 zu vermeiden. Das Steuerungsmodul 12 kann dabei im Falle keiner durch die Lastprüfung festgestellten Überlastung des Versorgungsnetzes 4 zumindest einen Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse 13 aufgenommenen elektrischen Energie E an die Energiespeichereinheit 11 weiterleiten, um die in der Energiespeichereinheit 111 gespeicherte Energiemenge zu einen Bedarfsfall zu erhöhen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Betreiben einer Stromtankstelle 10 zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge 5 umfassend mehrere über ein Versorgungsnetz 4 der Stromtankstelle 10 miteinander verbundene Ladesäulen 2 und mindestens einen erfindungsgemäßen Energiespeicher 1 (siehe 1 oder 2) umfassend eine Energiespeichereinheit 11 und ein mit der Energiespeichereinheit 11 verbundenes Steuerungsmodul 12 zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen 13 zur Aufnahme A von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen 14 zur Abgabe A von elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher 1 zur Abgabe A der elektrischen Energie über das interne Versorgungsnetz 4 an die Ladesäulen 2 angeschlossen ist und zur Aufnahme E der elektrischen Energie zumindest mit dem allgemeinen Stromnetz 31 verbunden ist, wobei das Steuermodul 12 im erfindungsgemäßen Verfahren die nachfolgende Schritte ausführt: Weiterleiten 110 der über die Einspeise-Stromanschlüsse 13 aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit 11 und/oder an die Ausspeise-Stromanschlüsse 14; Überwachen 120 der an den Einspeise-Stromanschlüssen 13 ankommenden elektrischen Energie und der an den Ausspeise-Stromanschlüssen 14 abgefragten elektrischen Energie; Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung 130 der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen 13, 14 gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung durch entsprechend angesteuerte Spannungswandler im Steuerungsmodul 11; und bedarfsgerechtes Abgeben 140 der elektrischen Energie mittels Weiterleitung W der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen 13 und/oder der Energiespeichereinheit 11 über die Ausspeise-Stromanschlüssen 14 an das Versorgungsnetz 4 zur Versorgung der Ladestationen 2. Für die Aufnahme, Abgabe und Weiterleitung 130 der abzugebenden Energie zu einer bedarfsgerechten Abgabe 140 können in einer Ausführungsform die zusätzlichen Schritte des Durchführens 150 einer Lastprüfung im Versorgungsnetz 4 mittels ein oder mehrerer Lastsensoren 15, die an geeigneter Stelle im Versorgungsnetz 4 angeordnet sind; des Bereitstellens 160 zusätzlicher elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit 11 für das Versorgungsnetz 4 bei Bedarf, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse 13 zu vermeiden; und des Weiterleitens 170 zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse 13 aufgenommenen elektrischen Energie an da Energiespeichereinheit 11, falls durch die Lastprüfung keine Überlastung des Versorgungsnetzes 4 festgestellt wurde, durchgeführt werden. Das Steuern 180 der Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen, Energiespeichereinheit und Ausspeise-Stromanschlüssen kann dabei auf Basis von erhaltenen Wetterdaten und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an den Ladestationen erfolgen. In einer Ausführungsform, wo der Energiespeicher 1 des Weiteren mindestens einen Wasserstoffspeicher 16 verbunden mit mindestens einer Brennstoffzelle 17 zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen an zumindest einen der Einspeise-Stromanschlüsse 13 und einen Elektrolyseur 18 angeschlossen an den oder die Wasserstoffspeicher 16 umfasst, wobei der Elektrolyseur 18 mittels des Steuermoduls 11 mit Strom zur Elektrolyse von Wasser versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher 16 gespeichert wird, können des Weiteren die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: automatisches Bestimmen 190 einer nach den Wetterdaten WD und Verbrauchsparametern VP geeigneten Speichermenge in der Energiespeichereinheit 11 und in dem oder den Wasserstoffspeichern 16; und entsprechendes Anpassen 200 der Füllstände in der Energiespeichereinheit 11 und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern 16 mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Erfindungsgemäßer Energiespeicher
11: Energiespeichereinheit
111: Batteriespeicher der Energiespeichereinheit
12: Steuerungsmodul
13: Einspeise-Stromanschlüssen
14: Ausspeise-Stromanschlüssen
15: Lastsensoren
16: Wasserstoffspeicher
17: Brennstoffzelle
18: Elektrolyseur
2: Ladestationen
31: allgemeines Stromnetz
32: regenerative Energiequelle, z.B. eine Windenergieanlage
33: regenerative Energiequelle, z.B. eine Solarenergieanlage
4: Versorgungsnetz
5: Elektrofahrzeuge
10: erfindungsgemäße Stromtankstelle
20: Wetterstation
100: Verfahren zum Betrieben einer erfindungsgemäßen Stromtankstelle
110: Weiterleiten der über die Einspeise-Stromanschlüssen aufgenommene elektrische Energie
120: Überwachen der an den Einspeise-Stromanschlüssen ankommenden elektrische Energie
130: Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung
140: Bedarfsgerechtes Abgeben der elektrischen Energie
150: Durchführen einer Lastprüfung im Versorgungsnetz
160: Bereitstellen zusätzlicher elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit für das Versorgungsnetz bei Bedarf
170: Weiterleitung zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse aufgenommenen elektrischen Energie an da
180: Energiespeichereinheit Steuern der Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie auf Basis von erhaltenen Wetterdaten und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern
190: automatisches Bestimmen einer nach den Wetterdaten und Verbrauchsparametern geeigneten Speichermenge an Energie
200: entsprechendes Anpassen der Füllstände in der Energiespeichereinheit und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern
A: Abgabe von elektrischer Energie
E: Aufnahme von elektrischer Energie
VP: statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an den Ladestationen
W: Weiterleitung von elektrischer Energie
WD: Wetterdaten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010002237 A1 [0004]

Claims

Ein Energiespeicher (1) für Stromtankstellen (10) umfassend eine Energiespeichereinheit (11) und ein mit der Energiespeichereinheit (11) verbundenes Steuerungsmodul (12) zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen (13) zur Aufnahme (E) von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen (14) zur Abgabe (A) von elektrischer Energie, wobei das Steuerungsmodul (12) zur Weiterleitung (W) der über die Einspeise-Stromanschlüssen (13) aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit (11) und/oder an die Ausspeise-Stromanschlüsse (14) sowie der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen (13) und/oder der Energiespeichereinheit (11) über die Ausspeise-Stromanschlüsse (14) zur bedarfsgerechten Abgabe an ein oder mehrere Ladesäulen (2) für Elektrofahrzeuge vorgesehen ist, wobei das Steuerungsmodul (12) mehrere entsprechend angesteuerte Spannungswandler umfasst, um die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung (E, A, W) der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen (13, 14) gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung zu ermöglichen, wozu das Steuerungsmodul (12) die an den Einspeise-Stromanschlüssen (13) ankommende elektrische Energie und die an den Ausspeise-Stromanschlüssen (14) abgefragte elektrische Energie überwacht und mittels der Spannungswandler geeignet an den jeweiligen Bedarf anpasst.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Einspeise- Stromanschlüsse (13) dazu vorgesehen ist, mit dem allgemeinen Stromnetz (31) verbunden zu werden und ein oder mehrere andere der Einspeise-Stromanschlüsse (13) zum Anschluss zumindest an eine regenerative Energiequelle (32, 33), vorzugsweise an eine Wind-und/oder Solarenergieanlage (32, 33) ausgestaltet sind.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens einer der Ausspeise-Stromanschlüsse (14) für einpolige und/oder dreipolige Anschlüsse zur Abgabe von Gleichstrom-und/oder Wechselstrom ausgestaltet sind.
Der Energiespeicher (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmodul (12) dazu ausgestaltet ist, neben der Weiterleitung (W) von elektrischer Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen (13) zu den Ausspeise-Stromanschlüsse (14) zur Abgabe (A) der elektrischen Energie an die Ladestationen (2) eine Lastprüfung in mindestens einem an die Ausspeisestromanschlüsse angeschlossenen Versorgungsnetz (4) durchzuführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit (11) für das jeweilige Versorgungsnetz (4) bereitzustellen, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse (13) zu vermeiden.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmodul (12) mit ein oder mehreren Lastsensoren (15) zur Lastprüfung in dem jeweiligen angeschlossenen Versorgungsnetz (4) ausgestattet ist.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmodul (12) im Falle keiner durch die Lastprüfung festgestellten Überlastung des Versorgungsnetzes (4) zur Weiterleitung (W) zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse (13) aufgenommenen elektrischen Energie (E) an die Energiespeichereinheit (11) vorgesehen ist.
Der Energiespeicher (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmodul (12) dazu ausgestaltet ist, die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung (E, A, W) der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen (13), Energiespeichereinheit (11) und Ausspeise-Stromanschlüssen (14) auf Basis von erhaltenen Wetterdaten (WD) und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern (VP) an Energie zu steuern.
Der Energiespeicher (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (11) des Weiteren mindestens einen Wasserstoffspeicher (16) verbunden mit mindestens einer Brennstoffzelle (17) zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen an zumindest einen der Einspeise-Stromanschlüsse (13) umfasst.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (11) zusätzlich mindestens einen Elektrolyseur (18) angeschlossen an den oder die Wasserstoffspeicher (16) umfasst, der mittels des Steuermoduls (12) mit Strom zur Elektrolyse von Wasser versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher (16) gespeichert wird.
Der Energiespeicher (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (12) nach den Wetterdaten (WD) und Verbrauchsparametern (VP) automatisch eine dafür geeignete Speichermenge in der Energiespeichereinheit (11) und in dem oder den Wasserstoffspeichern (16) bestimmt und Füllstände in der Energiespeichereinheit (11) und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern (16) mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch entsprechend anpasst.
Der Energiespeicher (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (11) zumindest einen oder mehrere geeignet mit dem Steuerungsmodul verbundene Batteriespeicher (111) umfasst.
Eine Stromtankstelle (10) zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge (5) umfassend mehrere über ein oder mehrere Versorgungsnetze (4) der Stromtankstelle (10) miteinander verbundene Ladesäulen (2) und mindestens einen Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der zur Abgabe (A) von elektrischer Energie über das oder die internen Versorgungsnetze (4) an die Ladesäulen (2) angeschlossen ist und zur Aufnahme (E) von elektrischer Energie zumindest mit dem allgemeinen Stromnetz (31) verbunden ist.
Die Stromtankstelle (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromtankstelle (10) des Weiteren eine Wind- und/oder Solarkraftanlage (32, 33) umfasst, die über jeweilige Einspeise-Stromanschlüsse (13) und über den Energiespeicher (1) mit dem internen Versorgungsnetz (4) verbunden sind.
Die Stromtankstelle (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehreren Lastsensoren (15) an das oder die Versorgungsnetze (4) angeschlossen und mit dem Steuerungsmodul (12) des Energiespeichers (1) verbunden sind, damit das Steuerungsmodul (12) eine Lastprüfung in dem jeweiligen Versorgungsnetz (4) ausführen und bei Bedarf zusätzliche elektrische Energie aus der Energiespeichereinheit (11) für das jeweilige Versorgungsnetz (4) bereitstellen kann, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse (13) zu vermeiden.
Die Stromtankstelle (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromtankstelle (10) zumindest zum Empfang von Wetterdaten (WD) und zur Übermittlung dieser Wetterdaten (WD) an das Steuermodul (12) ausgestattet ist, damit das Steuermodul (12) die Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung (E, A, W) der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen (13), Energiespeichereinheit (11) und Ausspeise-Stromanschlüssen (14) auf Basis der Wetterdaten (WD) und/oder statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern (VP) an Energie steuern kann.
Die Stromtankstelle (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromtankstelle (10) zum Empfang der Wetterdaten (WD) eine Wetterstation (20) umfasst.
Die Stromtankstelle (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ausspeisestromanschlüsse (14) als Rückspeiseanschluss für das allgemeine Stromnetz (31) vorgesehen ist.
Ein Verfahren (100) zum Betreiben einer Stromtankstelle (10) zur parallelen Aufladung mehrerer Elektrofahrzeuge (5) umfassend mehrere über ein Versorgungsnetz (4) der Stromtankstelle (10) miteinander verbundene Ladesäulen (2) und mindestens einen Energiespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend eine Energiespeichereinheit (11) und ein mit der Energiespeichereinheit (11) verbundenes Steuerungsmodul (12) zumindest mit mehreren Einspeise-Stromanschlüssen (13) zur Aufnahme (A) von elektrischer Energie und mehreren Ausspeise-Stromanschlüssen (14) zur Abgabe (A) von elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher (1) zur Abgabe (A) der elektrischen Energie über das interne Versorgungsnetz (4) an die Ladesäulen (2) angeschlossen ist und zur Aufnahme (E) der elektrischen Energie zumindest mit dem allgemeinen Stromnetz (31) verbunden ist, wobei das Steuermodul (12) nachfolgende Schritte ausführt: - Weiterleiten (110) der über die Einspeise-Stromanschlüsse (13) aufgenommene elektrische Energie an die Energiespeichereinheit (11) und/oder an die Ausspeise-Stromanschlüsse (14); - Überwachen (120) der an den Einspeise-Stromanschlüssen (13) ankommenden elektrischen Energie und der an den Ausspeise-Stromanschlüssen (14) abgefragten elektrischen Energie; - Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung (130) der elektrischen Energie zwischen den Einspeise- und Ausspeise-Stromanschlüssen (13, 14) gleichzeitig mit unterschiedlicher Spannung und Leistung durch entsprechend angesteuerte Spannungswandler im Steuerungsmodul (11); und - bedarfsgerechtes Abgeben (140) der elektrischen Energie mittels Weiterleitung (W) der abzugebenden elektrischen Energie von den Einspeise-Stromanschlüssen (13) und/oder der Energiespeichereinheit (11) über die Ausspeise-Stromanschlüssen (14) an das Versorgungsnetz (4) zur Versorgung der Ladestationen (2).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 18, umfassend des Weiteren die zusätzlichen Schritte: - Durchführen (150) einer Lastprüfung im Versorgungsnetz (4) mittels ein oder mehrerer Lastsensoren (15), die an geeigneter Stelle im Versorgungsnetz (4) angeordnet sind; - Bereitstellen (160) zusätzlicher elektrischer Energie aus der Energiespeichereinheit (11) für das Versorgungsnetz (4) bei Bedarf, um eine Überlastung auf Seiten der Einspeise-Stromanschlüsse (13) zu vermeiden; und - Weiterleiten (170) zumindest eines Teils der über die Einspeise-Stromanschlüsse (13) aufgenommenen elektrischen Energie an da Energiespeichereinheit (11), falls durch die Lastprüfung keine Überlastung des Versorgungsnetzes (4) festgestellt wurde.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 18 oder 19, umfassend des Weiteren den zusätzlichen Schritt: - Steuern (180) der Aufnahme, Abgabe oder Weiterleitung der elektrischen Energie zwischen Einspeise-Stromanschlüssen, Energiespeichereinheit und Ausspeise-Stromanschlüssen auf Basis von erhaltenen Wetterdaten und statistisch ermitteltem Verbrauchsparametern an den Ladestationen.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 20, wobei der Energiespeicher (1) des Weiteren mindestens einen Wasserstoffspeicher (16) verbunden mit mindestens einer Brennstoffzelle (17) zur Erzeugung von elektrischer Energie angeschlossen an zumindest einen der Einspeise-Stromanschlüsse (13) und einen Elektrolyseur (18) angeschlossen an den oder die Wasserstoffspeicher (16) umfasst, wobei der Elektrolyseur (18) mittels des Steuermoduls (11) mit Strom zur Elektrolyse von Wasser versorgt wird, das anschließend in dem oder den Wasserstoffspeicher (16) gespeichert wird, umfassend des Weiteren die zusätzlichen Schritte: - automatisches Bestimmen (190) einer nach den Wetterdaten (WD) und Verbrauchsparametern (VP) geeigneten Speichermenge in der Energiespeichereinheit (11) und in dem oder den Wasserstoffspeichern (16); und - entsprechendes Anpassen (200) der Füllstände in der Energiespeichereinheit (11) und/oder in dem oder den Wasserstoffspeichern (16) mittels Energiespeicherung oder Wasserstofferzeugung oder deren jeweiligen Verbrauch.