DE102018118292A1

DE102018118292A1 - Stromnetzstabilisierungsvorrichtung und Verfahren zur Stromnetzstabilisierung

Info

Publication number: DE102018118292A1
Application number: DE102018118292.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Kahl
Original assignee: Plugn Charge GmbH; Plug'n Charge GmbH
Current assignee: Plugn Charge GmbH; Plug'n Charge GmbH
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Nach einem Aspekt wird ein Stromnetzstabilisierungsmodul bereitgestellt, das einen thermischen Puffer (2) mit wenigstens einem Betonkörper (3), und eine Leistungselektronik (4) mit wenigstens einem Wärmetransferelement (WTE) (5) aufweist, wobei das wenigstens eine WTE (5) in einem thermischen Kontakt mit dem Betonkörper (3) steht. Ferner wird eine Stromnetzstabilisierungsvorrichtung (20) mit dem Stromnetzstabilisierungsmodul sowie ein Verfahren zur Stromnetzstabilisierung mittels einer Stromnetzstabilisierungsvorrichtung mit einer Leistungselektronik und mit einem thermischen Puffer bereitgestellt, wobei das Verfahren Erfassen wenigstens eines aktuellen Stromnetzparameters, Erfassen wenigstens eines aktuellen Parameters des thermischen Puffers und Heizen bzw. Kühlen des thermischen Puffers umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Stromnetzstabilisierungsvorrichtung. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Stromnetzstabilisierungsmodul, eine Stromnetzstabilisierungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Stromnetzstabilisierung.
Die bekannten regenerativen Energiequellen weisen im Allgemeinen eine hohe Zyklizität auf, so dass Stromnetze, welche von regenerativen Stromquellen eingespeist werden, starken Schwankungen unterworfen sind. Dementsprechend wird nach Techniken gesucht, die es ermöglichen, Stromnetze zu stabilisieren. Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie, zur Speicherung der thermischen Energie und zur Rückumwandlung der thermischen Energie in die elektrische Energie. Die bekannten Techniken sind jedoch umständlich und weisen niedrige Effizienz auf.
Die Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Stromnetzstabilisierung bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt ein Stromnetzstabilisierungsmodul (SNSM) vorgeschlagen, das einen thermischen Puffer mit wenigstens einem Betonkörper sowie eine Leistungselektronik mit wenigstens einem Wärmetransferelement (WTE) aufweist, wobei das wenigstens eine WTE mit dem Betonkörper in einem thermischen Kontakt steht.
Die Leistungselektronik kann ausgebildet sein, den wenigstens einen Betonkörper zu heizen und/oder zu kühlen. Entsprechend kann das wenigstens eine WTE als Heiz- und/oder Kühl-Element ausgebildet sein.
Wird die Leistungselektronik insbesondere dann, wenn in dem Stromnetz überschüssiger Strom generiert wird, an ein Stromnetz angeschlossen, so kann der Stromüberschuss zur Heizung bzw. zur Kühlung des Betonkörpers verwendet werden, der sodann als Heiz- bzw. als Kühlkörper, insbesondere zur Unterstützung bestehender Heiz- bzw. Kühlsysteme, dienen kann. Auf diese Weise können bestehende elektrische Heiz- bzw. Kühlsysteme insbesondere in den Spitzenlastphasen des Stromnetzes entlastet werden, so dass das Stromnetz insgesamt stabilisiert werden kann.
Das Heizen des thermischen Puffers kann insbesondere nach dem „Tauchsiederprinzip“ erfolgen, in dem das Wärmetransferelement als Heizelement in Form eines elektrischen Heizdrahts ausgebildet ist, der wenigstens teilweise von dem thermischen Puffer, insbesondere von dem Betonkörper, umgeben ist. Wird der Heizdraht an eine Stromquelle elektrisch angeschlossen, so kann die durch den elektrischen Strom verursachte elektrische Heizwärme von dem Heizdraht an den thermischen Puffer bzw. an den Betonkörper abgegeben werden. Die Heizung des thermischen Puffers eignet sich zum Einsatz insbesondere in den Ländern mit einem kalten bzw. mittelkalten Klima. Denn in solchen Ländern mehr Energie zur Heizung verbraucht wird als in anderen Ländern.
Das Kühlen des thermischen Puffers kann insbesondere durch das Kühlen des Kühlelements der Leistungselektronik erfolgen, wobei das Kühlen des Kühlelements mit einer elektrisch angetriebenen Kältemaschine und oder mit einem Peltier-Element erfolgen kann. Die Kühlung des Betonkörpers kann beispielsweise zur Klimatisierung von Wohnräumen, zur Kühlung von Kühltheken in Einkaufsmärkten sowie zur Unterstützung vorhandener Klimaanlagen verwendet werden kann. Insbesondere in warmen Ländern kann an Klimatisierungskosten gespart werden.
Der überschüssige Strom kann somit vom Stromnetz auf einfache Weise, insbesondere mit geringen zusätzlichen Investitionen, abgeführt werden, wobei der abgeführte Strom zur Heizung und/oder Kühlung auf zweckmäßige Weise genutzt werden kann. Zudem ist man in der Lage mittels des thermischen Puffers zeitliche Lastverschiebungen im Stromnetz vorzunehmen, so dass insbesondere der regenerative Strom zeitflexibel genutzt werden kann.
Außerdem kann die in dem Betonkörper gespeicherte Wärme bzw. Kälte unmittelbar, insbesondere ohne weitere Umwandlung bzw. Rückumwandlung in die elektrische Energie oder in eine andere Energieform, genutzt werden, wodurch insbesondere Rückumwandlungsverluste vermieden werden können. Der Strom kann insbesondere mittels des thermischen Puffers vom Stromnetz „just in time“, insbesondere dann, wenn eine regenerative Stromquelle einen überschüssigen Strom erzeugt, abgezogen werden und die dabei erzeugte Wärme bzw. Kälte kann direkt zum Endverbraucher weitergegeben bzw. weitegeleitet werden, wodurch das Stromnetz stabilisiert werden kann.
In einigen Ausführungsformen weist der wenigstens ein Betonkörper einen ultrahochfesten Beton (UHPC -Ultra High Performance Concrete) auf. Die Verwendung des ultrahochfesten Betons ermöglicht eine hohe Temperaturbeständigkeit und hohe Robustheit des Betonkörpers.
In einigen Ausführungsbeispielen weist der Betonkörper einen auf einer eigens für den thermischen Puffer bereitgestellten Mischung basierten ultrahochfesten Beton auf, wobei die Mischung auf jeweiligen Anwendungsfall hin unter Berücksichtigung jeweiliger Anforderungen gewählt wird. Durch die Wahl der Zusammensetzung der Mischung können Betonparameter, wie spezifische Wärmekapazität, Temperaturstabilität oder Wärmeleitfähigkeit für jeweilige Anwendung angepasst werden.
Der Betonkörper kann insbesondere einen hochtemperaturbeständigen ultrahochfesten Beton aufweisen, der bis zu einer Temperatur von 1700°C aufgeheizt werden kann, ohne dabei irreversible thermisch bedingte Degradationsprozesse zu verursachen. Durch Verwendung eines hochtemperaturbeständigen ultrahochfesten Betons kann die Wärmekapazität bzw. das Wärmeaufnahmevermögen des Betonkörpers bzw. des thermischen Puffers erhöht werden, so dass eine besonders kompakte Bauweise des thermischen Puffers erzielt werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Betonkörper als ein Ortbetonkörper, insbesondere als ein Pumpbetonkörper ausgebildet. Durch Verwendung des Ortbetons kann der Betonkörper auf einfache Weise kundenspezifisch vor Ort geformt werden, wobei der Pumpbeton auch über mehrere Meter, insbesondre über 30 m, ohne weiteres gepumpt werden kann.
Der wenigstens ein Betonkörper kann wenigstens einen durch sogenannte Bauteilaktivierung bzw. Nachrüstung modifizierten Betonkörper umfassen. Bei der Bauteilaktivierung werden bereits vorhandene Betonteile, wie Betonblöcke oder Betonsäulen, bestehender Konstruktionen, wie beispielsweise Häuser, Brücken, Stadien, verwendet, wobei die bestehenden Betonteile zur Verwendung als thermischer Puffer modifiziert, insbesondere mit einer Leistungselektronik nachgerüstet werden. Die Bauteilaktivierung ermöglicht es, bestehende Betonkonstruktionen auf einfache Weise in thermische Speicher umzuwandeln.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst der wenigstens ein Betonkörper einen als Standard-Betonteil, insbesondere als Betonblock, Betonplatte oder Betonsäule, geformten Betonkörper. Durch die Verwendung der als Standard-Betonteile geformten Betonkörper kann ein thermischer Puffer in bereits existente Bauwerke auf einfache Weise eingebaut werden. Zudem können thermische Puffer mit Standard-Betonteilen ohne weiteres, insbesondere von klein auf groß, skaliert werden, in dem mehrere standardisierten Betonkörper zu „thermischen Batterien“ zusammengeschaltet werden. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Betonblöcke nach dem LEGO-Stein-Prinzip (LEGO® - eingetragene Marke der Lego A/S) zum Ineinandergreifen ausgebildet. Somit können die „thermischen Batterien“ nach dem Baukastenprinzip leicht zusammengestellt werden.
Das SNSM kann einen Wärmetauscher zur Weitergabe der in dem thermischen Puffer gespeicherten Wärme und/oder Kälte an einen Rezipienten aufweisen. Als Rezipient wird hier ein Empfänger der gespeicherten Wärme bzw. Kälte verstanden. Der Rezipient kann insbesondere einen thermischen Trakt bzw. thermischen Kreislauf eines Wärmemanagementsystems bzw. Heizungssystems und/oder Klimatisierungssystems bzw. Kühlungssystems eines Verbrauchers umfassen. Das Wärmemanagementsystem kann insbesondere als ein auf standardisierten Heizungs- bzw. Kühlungsbautechniken basiertes standardisiertes Heiz- bzw. Kühlungssystem ausgebildet sein. Die Rezipienten umfassen beispielsweise Einfamilien- und/oder Mehrfamilienhäuser, Einkaufsmärkte und Kliniken sowie jegliche Wohnräume, in welchen eine Klimatechnik zur Heizung oder Kühlung zur Anwendung kommt.
Der wenigstens ein Rezipient kann ferner einen thermischen Zwischenpufferspeicher zur sogenannten Fernwärmenutzung umfassen. In dem Zwischenpufferspeicher kann die Wärme bzw. Kälte Zwischengespeichert werden, um bedarfsabhängig an einzelne Verbraucher, insbesondere über Wärmetauscher bzw. thermische Leitungen weitegegeben zu werden.
In einigen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher äußerlich an dem Betonkörper derart angebracht, dass es zu einem thermischen Kontakt zwischen dem Betonkörper und dem Wärmetauscher kommt. Aufgrund der äußeren Anbindung des Wärmetauschers an dem Betonkörper, kann der Betonkörper mit einem Wärmetauscher nachgerüstet werden, ohne dabei die Pufferkapazität bzw. das Puffervermögen des Betonkörpers zu beeinträchtigen.
In einigen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher derart ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des Wärmetauschers in dem Betonkörper eingesetzt insbesondere eingebettet ist. Durch das Einbetten in dem Betonkörper, kann ein besonders guter thermischer Kontakt zwischen dem Betonkörper und dem Wärmetauscher erzielt werden, so dass die Wärme bzw. die Kälte von dem Betonkörper auf effiziente Weise abgeführt werden kann.
Der Wärmetauscher kann insbesondere einen Wärmetauscher-Kreislauf (Primärkreislauf) mit einer Wärmetauscher-Flüssigkeit aufweisen, der in einen thermischen Kontakt mit einem Flüssigkeitskreislauf (Sekundärkreislauf) eines Wärmemanagementsystems eines Verbrauchers gebracht werden kann. Über den thermischen Kontakt zwischen dem Primärkreislauf und dem Sekundärkreislauf, kann der thermische Puffer an das Wärmemanagementsystem zur dessen Unterstützung gekoppelt werden.
In einigen Ausführungsformen weist das SNSM eine Wärmedämmungsschicht auf, die den Betonkörper wenigstens teilweise umgibt. Durch den Einsatz der Wärmedämmungsschicht können etwaige Wärme- bzw. Kälte-Verluste des thermischen Puffers verringert bzw. die Energieeffizienz des thermischen Puffers erhöht werden. In einigen Ausführungsformen ist die Wärmedämmungsschicht als Teil eines Gebäudewärmedämmungselements ausgebildet. Die vorhandenen Gebäudewärmedämmungselemente können somit gleichzeitig zur Wärmedämmung des thermischen Puffers genutzt werden.
In einigen Ausführungsbeispielen weist die Wärmedämmungsschicht einen Beton, insbesondere einen porösen Beton, mit niedriger Wärmeleitung auf. Wärmedämmschicht aus Beton kann auf besonders günstige Weise im Wesentlichen mit denselben Herstellungstechniken hergestellt werden, wie der Betonkörper selbst.
In einigen Ausführungsformen ist der Betonkörper in einem druckfestem bzw. wasserdichten Behälter eingesetzt, wobei in dem Raum zwischen dem Betonkörper und einer Innenwand des Behälters eine Füllflüssigkeit, insbesondere Wasser, vorgesehen ist. Durch das Vorsehen der Füllflüssigkeit zwischen dem Beton und der Metallkomponente können etwaige durch unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Metall bzw. Stahl verursachte Schädigungen bzw. Risse in dem Betonkörper vermieden werden.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine Stromnetzstabilisierungsvorrichtung (SNSV) bereitgestellt, die ein Stromnetzstabilisierungsmodul gemäß dem ersten Aspekt, eine Steuerungsschnittstelle zur Steuerung der Leistungselektronik des SNSM sowie ein Kommunikationsmodul zur externen Kommunikation aufweist. Das SNSM kann über die Steuerungsschnittstelle mittels des Kommunikationsmoduls ferngesteuert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen liegen die Steuerungsschnittstelle und/oder das Kommunikationsmodul außerhalb des Betonkörpers des thermischen Puffers, wodurch der Zugang zu der Steuerungsschnittstelle bzw. zu dem Kommunikationsmodul erleichtert wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungsschnittstelle und/oder das Kommunikationsmodul wenigstens teilweise innerhalb des Betonkörpers liegen. Insbesondere kann die Steuerungsschnittstelle und/oder das Kommunikationsmodul in einer oder mehreren dafür vorgesehenen Ausnehmungen in dem Betonkörper untergebracht werden, was eine besonders kompakte und bautechnikkonforme Ausbildung des thermischen Puffers ermöglicht, wobei die Steuerungsschnittstelle und das Kommunikationsmodul durch den Betonkörper geschützt werden.
In einigen Ausführungsformen weist die SNSV eine, insbesondere in dem Betonkörper eingebaute und/oder an dem Betonkörper äußerlich angebrachte Sensorik zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Parameters des SNSM auf. Mit Hilfe der Sensorik kann das SNSM unter Berücksichtigung des aktuellen Wertes des wenigstens einen Parameters gesteuert werden. Das wenigstens ein Parameter kann eine aktuelle Temperatur des Betonkörpers umfassen. Die aktuelle Temperatur des Betonkörpers kann u.a. Aufschluss über eine aktuell verfügbare thermische Kapazität des Puffers geben, die beim Betreiben der SNSV entsprechend berücksichtigt werden kann.
Die SNSV kann eine Steuereinheit zur Steuerung der Leistungselektronik über die Steuerungsschnittstelle umfassen, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Parameter der SNSM zu regeln. Durch die Regelung des wenigstens einen Parameters, insbesondere der Temperatur des SNSM, kann ein erwünschtes Betriebsregime der SNSV eingestellt werden.
Die Steuereinheit kann insbesondere einen Prozessor, einen Speicher und eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, wobei der Speicher computerlesbare Instruktionen für den Prozessor erhält, und die Kommunikationsschnittstelle dazu ausgebildet ist, Daten zu empfangen, welche den mittels der Sensorik erfassten wenigstens einen aktuellen Parameter repräsentieren, und über die Kommunikationsschnittstelle Anweisungen zum Regeln des wenigstens einen Parameters, insbesondre der Temperatur des Betonkörpers, zu senden.
Die Steuereinheit kann ferner ausgebildet sein bzw. der Speicher kann computerlesbare Instruktionen enthalten, über die Kommunikationsschnittstelle Daten zu empfangen, welche einen aktuellen Zustand eines Stromnetzes repräsentieren, und über die Kommunikationsschnittstelle Anweisungen insbesondere über das Kommunikationsmodul an die Steuerungsschnittstelle zu senden, die Leistungselektronik auf der Basis des aktuellen Zustandes des Stromnetzes zu steuern.
Ferner kann die Steuereinheit ausgebildet sein, über die Kommunikationsschnittstelle Daten zu empfangen, welche einen aktuellen Zustand, insbesondere einen thermischen Zustand im Hinblick auf Heizungs- bzw. Kühlungsbedarf, des wenigstens eines Rezipienten repräsentieren und über die Kommunikationsschnittstelle Anweisungen an die Steuerungsschnittstelle zu senden, die Leistungselektronik auf der Basis des aktuellen Zustandes des wenigstens einen Rezipienten zu steuern.
Nach einem dritten Aspekt wird ein Stromnetzstabilisierungssystem mit einer SNSV gemäß dem zweiten Aspekt vorgeschlagen, das einen thermischen Rezipienten, insbesondere einen thermischen Trakt eines Verbrauchers umfasst, welcher mit dem SNSM thermisch, insbesondere über einen Wärmetauscher, angebunden ist. Das SNSS umfasst ferner eine Sensorik zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Stromnetzparameters, eine Sensorik zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Rezipienten-Parameters, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, die SNSV auf der Basis des erfassten wenigstens einen aktuellen Parameters des SNSM, des erfassten wenigstens einen aktuellen Stromnetzparameters und des erfassten wenigstens einen Rezipienten-Parameters zu regeln.
Die Sensorik des wenigstens einen Rezipienten kann insbesondere eine Klimasensorik eines Klimatisierungssystems eines Verbrauchers umfassen. Somit kann der Betrieb des thermischen Puffers auf das Klimatisierungssystem abgestimmt werden.
Der wenigstens eine Parameter des SNSM kann eine aktuelle Temperatur des Betonkörpers umfassen, wobei die Steuereinheit konfiguriert sein kann, die Leistungselektronik derart zu regeln, dass die aktuelle Temperatur innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs des Betonkörpers bleibt. Somit kann der thermische Puffer stets in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden.
Der vordefinierte Temperaturbereich kann durch eine maximal zulässige Temperatur (abhängig vom Beton) vorgegebene obere Grenze und eine durch untere Grenze definiert werden, die um 500°C, insbesondere um 200°C, noch insbesondere unter 100°C unterhalb der maximal zulässigen Grenze liegt. Aufgrund des derartigen Hochtemperaturbetriebs des thermischen Puffers kann die Effizienz der thermischen Anbindung bzw. der Wärmeübertragung von dem Betonkörper auf den Rezipienten unter Ausnutzung der Wärmestrahlung gezielt erhöht werden, wodurch die erforderliche Betonmenge reduziert werden kann.
Der wenigstens eine Parameter des SNSM kann einen aktuellen Speicherstand des thermischen Puffers umfassen, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, die Leistungselektronik derart zu regeln, dass der aktuelle Speicherstand des thermischen Puffers ein vordefiniertes maximales Speichervermögen des thermischen Puffers nicht überschreitet.
Der aktuelle Speicherstand kann insbesondere Anhand der aktuellen Temperatur ermittelt werden M·C· (T-T₀) (/T_max-T₀), wobei M die Masse, C die spezifische Wärmekapazität, T die aktuelle Temperatur, T₀ eine Anfangstemperatur bzw. Umgebungstemperatur, und T_max eine maximal zulässige Temperatur des thermischen Puffers bezeichnet. Somit kann insbesondere das aktuelle Wärme- bzw. Kälteaufnahmevermögen des thermischen Puffers bei der Steuerung der Leistungselektronik berücksichtigt werden. Insbesondere beim Betreiben mehrerer thermischer Puffer können die thermischen Puffer derart individuell gesteuert werden, dass beispielsweise verschiedene thermischen Puffer im Wesentlichen gleichmäßig ausgelastet sind, wodurch die thermische Beanspruchung einzelner Puffer reduziert werden kann.
Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, anhand des wenigstens einen Stromnetzparameters, insbesondere eines aktuellen Wertes der Stromnetzspannung und/oder der Stromnetzspannungsfluktuation, eine aktuelle Stromnetzbelastung zu ermitteln und die Leistungselektronik abzuschalten, falls der wenigstens ein Stromnetzparameter auf eine Überlastung des Stromnetzes schließen lässt. Durch die Abschaltung der Leistungselektronik kann somit die Überlastung des Stromnetzes reduziert bzw. vermieden werden.
Die Steuereinheit kann insbesondere konfiguriert sein, die Leistungselektronik nur dann zu aktivieren, wenn der wenigstens ein Stromnetzparameter auf einen Stromüberschuss in dem Stromnetz schließen lässt. Für die Heizung bzw. Kühlung des thermischen Puffers wird somit nur der überschüssige Strom eingesetzt, ohne dadurch die Stromversorgung anderer am Stromnetz angeschlossenen Stromverbraucher zu beeinträchtigen.
Das SNSS kann wenigstens einen Stromverbraucher sowie eine Sensorik, insbesondere einen Stromzähler, zur Erfassung eines aktuellen Stromverbrauchs des wenigstens einen Stromverbrauchers umfassen, und die Steuereinheit kann konfiguriert sein, die Leistungselektronik auf der Basis des aktuellen Stromverbrauchs des wenigstens einen Stromverbrauchers zu regeln. Somit kann auf den aktuellen Stromverbrauch anderer Stromverbraucher Rücksicht genommen werden, so dass das Stromnetz besonders schonend bzw. mit einer Belastbarkeitsreserve betrieben werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist die SNSV an einem lokalen Niederspannungs- (bis ca. 400 V) bzw. Mittelspannungsstromnetz (ca. 1 bis 50 kV) angeschlossen, wobei das Niederspannungs- bzw. Mittelspannungsnetz wenigsten einen lokalen Stromverbraucher, insbesondere einen Niederspannungs- bzw. Mittelspannungsstromverbraucher umfasst, und wobei die Steuereinheit konfiguriert ist, die Leistungselektronik nicht zu aktivieren bzw. abzuschalten, wenn der aktuelle Stromverbrauch des wenigstens einen lokalen Stromverbraucher einen vorgegebenen Wert übersteigt. Der wenigstens eine lokale Stromverbraucher kann insbesondere Einfamilienhäuser, private Haushalte, sowie Ladestationen insbesondere für Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge umfassen. Durch die rechtzeitige Abschaltung des thermischen Puffers kann das Überlastungsrisiko von lokalen Stromnetzen vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen ist das lokale Stromnetz ein „standalone“ bzw. ein autonomes, mit regenerativem Strom eingespeistes Stromnetz. Autonome, insbesondere auf regenerativer Stromquellen basierte Stromnetze, können somit auf einfache Weise stabilisiert werden.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuereinheit konfiguriert, die SNSV unter Berücksichtigung von Wetterprognosedaten zu steuern. Die Wetterprognosedaten können insbesondere in dem Speicher der Steuereinheit hinterlegt sein und/oder im Wesentlichen kontinuierlich aktuell über die Kommunikationsschnittstelle von dem Internet, insbesondere über entsprechende kostenlose bzw. kommerziell verfügbare Dienste bezogen werden. Mit der Heranziehung von Wetterprognosedaten können insbesondere wetterabhängige Stromnetzbelastungsschwankungen reduziert werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer SNSV bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen einer Gießform zur Formung eines Betonkörpers eines thermischen Puffers;
- Bereitstellen einer Leistungselektronik mit einem Wärmetransferelement (WTE);
- Einsetzen der Leistungselektronik in die Gießform so, dass sich das WTE wenigstens teilweise innerhalb der Gießform befindet; und
- Vergießen der Gießform mit einer flüssigen Betonmasse, so dass das WTE sich wenigstens teilweise in der Betonmasse befindet.

Das Verfahren kann das Aushärten der Betonmasse umfassen. Mit dem Aushärten der Betonmasse wird ein fester Betonkörper erzeugt, in dem die Leistungselektronik eingebettet ist, so dass ein robuster mechanischer und thermischer Kontakt zwischen der Leistungselektronik und dem Betonkörper entsteht. Somit kann ein stabiler und effizienter thermischer Puffer auf einfache Weise bereitgestellt werden.
Das Verfahren kann ferner das Bereitstellen eines Wärmetauschers und das Anbringen des Wärmetauschers an dem Betonkörper umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Einsetzen des Wärmetauschers in die Gießform vor dem Schritt des Vergießens, so dass sich der Wärmetauscher nach dem Vergießen wenigstens teilweise in der Betonmasse befindet. Mit dem Aushärten des Betons kommt es zu einem robusten mechanischen und thermischen Kontakt zwischen dem Wärmetauscher und dem Betonkörper.
Das Verfahren kann das Bereitstellen einer Sensorik und das Anbringen der Sensorik an bzw. in dem Betonkörper umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Einsetzen der Sensorik in die Gießform vor dem Schritt des Vergießens, so dass sich die Sensorik nach dem Vergießen wenigstens teilweise in der Betonmasse befindet.
Insbesondere kann das Verfahren mit einem sogenannten Ortbeton durchgeführt werden, wobei der Betonkörper vor Ort bzw. an dem Einsatzort des thermischen Puffers der SNSV gegossen wird. Insbesondere kann die Leistungselektronik unabhängig vom Betonkörper transportieret werden, wobei der Beton als Ortbeton bzw. Pumpbeton in flüssiger Form gesondert geliefert werden kann. In einer Ausführungsform wird die Leistungselektronik, die Sensorik und/oder der Wärmetauscher mit bzw. zu einem Gerüst insbesondere vor Ort konfektioniert, wonach der Beton um das Gerüst herumgegossen wird. Somit können auch größere Betonkörper auf einfache Weise kundenspezifisch vor Ort geformt werden, wobei die mit dem Transport der SNSV verbundenen Probleme vermieden bzw. entschärft werden können.
In einigen Ausführungsformen wird im Wesentlichen gleichzeitig oder nach dem Einsetzen der Leistungselektronik, der Sensorik und/oder des Wärmetauschers ein Kommunikationsmodul und/oder eine Steuerungsschnittstelle wenigstens teilweise in die Gießform eingesetzt, sodass das Kommunikationsmodul und/oder die Steuerungsschnittstelle nach dem Vergießen und Aushärten der Betonmasse von dem Betonkörper gehalten wird. Die Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kann somit auf einfach Weise bereitgestellt wird.
Die Speicherkapazität des thermischen Puffers kann durch entsprechendes Dimensionieren der Gießform bzw. der Leistungselektronik und/oder durch Zusammenschließen mehrerer Module, auf einfache Weise von klein auf groß, skaliert werden.
In einem alternativen Herstellverfahren wird ein bereits vorhandener Betonkörper insbesondere im Zuge der sogenannten Bauteilaktivierung mit der Leistungselektronik, mit der Sensorik und/oder mit dem Wärmetauscher zu einer SNSV nachgerüstet. Somit können bereits vorhandene Betonteile, wie Betonblöcke oder Betonsäulen, bestehender Konstruktionen, wie beispielsweise Häuser, Brücken, zur Bildung von thermischen Puffern ausgenutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren folgende Schritte auf:

- Bereitstellen eines Betonkörpers,
- Bereitstellen einer Leistungselektronik, einer Sensorik und/oder eines Wärmetauschers, und
- Anbringen der Leistungselektronik, der Sensorik und/oder des Wärmetauschers an bzw. in dem wenigsten einen Betonkörper.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren das Vorsehen von Ausnehmungen in dem Betonkörper zur Aufnahme der Leistungselektronik, der Sensorik und/oder des Wärmetauschers sowie das Einsetzen der Leistungselektronik, der Sensorik und/oder des Wärmetauschers in die Ausnehmungen.
Die Ausnehmungen können einen oder mehrere Durchgangsöffnungen zum Durchziehen eines länglichen WTE oder eines länglichen Wärmetauscher-Elements insbesondere einer Wärmetauscherflüssigkeitsleitung aufweisen. Durch die Durchgangsöffnungen können bei der Bauteilaktivierung die WTE bzw. Wärmetauscher-Elemente durgezogen werden, so dass eine räumlich gleichmäßige Wärmeübertragung zwischen dem WTE bzw. dem Wärmetauscher und dem Betonkörper realisiert werden kann.
In einigen Ausführungsformen wird im Wesentlichen gleichzeitig oder nach dem Anbringen der Leistungselektronik, der Sensorik und/oder des Wärmetauschers ein Kommunikationsmodul und/oder eine Steuerungsschnittstelle an dem Betonkörper ebenfalls angebracht, so dass die Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt auf einfach Weise bereitgestellt wird. Die Speicherkapazität des thermischen Puffers kann durch Zusammenschließen mehrerer Module auf einfache Weise von klein auf groß skaliert werden.
Der Betonkörper kann unter Berücksichtigung konkreter Anforderungen dimensioniert werden. Insbesondere kann der Betonkörper derart dimensioniert werden, dass der Zyklizität des regenerativen Stromnetzes sowie dem Verbraucherverhalten Rechnung getragen wird.
Der Betonkörper kann insbesondere so dimensioniert werden, dass das Volumen V des Betonkörpers weder unterdimensioniert noch überdimensioniert wird. Dabei kann die folgende Formel zur Abschätzung des Volumens des Betonkörpers herangezogen werden: $φ \cdot P_{m} \cdot λ \cdot Δ t/ ρ \cdot C \cdot Δ T < V < W/ ρ \cdot C \cdot Δ T,$
wobei folgende Bezeichnungen verwendet werden:

V - Volumen des Betonkörpers;
Δt - Referenzzeitspanne;
φ - Überschussfaktor - eine dimensionslose Größe, die von jeweilige regenerativer Stromquelle abhängt und anzeigt, welchen Anteil bzw. zu erwartenden Anteil die überschüssige Stromenergie an der in der Referenzzeitspanne erzeugten gesamten Stromenergie ausmacht;
P_m - Spitzenleistung der regenerativen Stromquelle;
A - Zyklizität - eine dimensionslose Größe, die anzeigt, welchen zyklischen Schwankungen die regenerative Stromquelle unterliegt. Im einfachsten Fall ist die Zyklizität das Verhältnis zwischen On- und Off-Perioden der regenerativen Stromquelle;
p - spezifische Dichte des Betonkörpers, die je nach Betonart im Bereich zwischen 2.000 und 2.600 kg/m³ variieren kann;
C - spezifische Wärmekapazität des Betonkörpers, die je nach Betonart zwischen 0,8 und 1,1 kJ/(kg·κ) variieren kann;
ΔT - Arbeitstemperaturbereich des Betonkörpers, die bei ultrahochfestem Beton über 1500°C liegen kann;
W - Wärmebedarf des Verbrauchers über die gesamte Referenzzeitspanne.

Wie man anhand der obigen Formel erkennen kann, wird die obere Grenze des Volumens des Betonkörpers bzw. des thermischen Puffers durch den Verbraucherbedarf vorgegeben. Zieht man die Fernwärmenutzung in Betracht, so können mit entsprechend dimensionierten Puffern grundsätzlich mehrere Großverbraucher wie Einkaufsmärkte, Fabriken oder ganze Stadtteile oder Städte mit Wärme bzw. Kälte versorgt werden. Wird der thermische Puffer zur Kühlung verwendet, so kann die obere Formel zur Dimensionierung des Betonkörpers verwendet werden, wobei anstatt des Wärmebedarfs der Kältebedarf des Verbrauches unter Berücksichtigung der Kühlungseffizienz der Leistungselektronik eingesetzt wird.
Die Effizienz der thermischen Kommunikation bzw. thermischen Anbindung zwischen dem Betonkörper und dem Rezipienten kann die Dimensionierung bzw. die obere Grenze des thermischen Puffers bzw. Betonkörpers ebenfalls beeinflussen, was zu Erhöhung des tatsächlich erforderlichen Volumens des Betonkörpers durch einen entsprechenden Korrekturfaktor führen kann. Die thermische Kommunikation zwischen dem Betonkörper und dem Rezipienten kann insbesondere unter Ausnutzung der Wärmestrahlung verbessert werden, wodurch das Volumen bzw. die Menge des tatsächlich benötigten Betons reduziert werden kann.
Insbesondere können der Betonkörper und der Rezipient derart benachbart angeordnet werden, dass die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung besonders begünstigt wird. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung vom thermischen Puffer zum Rezipienten, kann der thermische Puffer mit einem ultrahochfesten Beton gezielt in einem Hochtemperaturbereich betrieben werden. Dabei kann insbesondere der Arbeitstemperatur des Betonkörpers 1000°C oder mehr betragen.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Stromnetzstabilisierung mittels einer SNSV mit einer Leistungselektronik und mit einem thermischen Puffer bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Erfassen wenigstens eines aktuellen Stromnetzparameters, insbesondere zur Ermittlung einer aktuellen Stromnetzbelastung,
- Erfassen wenigstens eines aktuellen Parameters des thermischen Puffers, insbesondere zur Ermittlung eines aktuellen Aufnahmevermögens des thermischen Puffers, und
- basierend auf dem wenigstens einem Stromnetzparameter und auf dem wenigstens einen Parameter des thermischen Puffers, die elektrische Energie von dem Stromnetz zur Heizung bzw. zur Kühlung des thermischen Puffers abzuführen.

Nach einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die elektrische Energie von dem Stromnetz zur Heizung bzw. zur Kühlung des thermischen Puffers derart abgeführt, dass eine vorbestimmte Aufnahmevermögensgrenze des thermischen Puffers und/oder eine vorbestimmte Stromnetzbelastungsgrenze des Stromnetzes nicht überschritten wird.
Der wenigstens ein aktueller Stromnetzparameter kann insbesondere eine aktuelle Stromnetzspannung, und/oder eine aktuelle Stromnetzfluktuation umfassen und der wenigsten ein aktueller Parameter des thermischen Puffers kann eine aktuelle Temperatur des thermischen Puffers umfassen.
Das Verfahren zur Stromnetzstabilisierung kann ferner das Speichern und/oder die Weitergabe der erzeugten Wärme bzw. Kälte insbesondere mittels eines Wärmetauschers an einen Rezipienten umfassen, wobei der wenigstens ein Rezipient ein Wärme- bzw. Kälte-Trakt eines Verbrauchers umfassen kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden bei der Steuerung der SNSV Wetterprognosedaten herangezogen, so dass Stromnetzschwankungen, insbesondere wetterabhängige Stromnetzbelastungsschwankungen reduziert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden bei der Steuerung der SNSV aktuelle Strompreise herangezogen, so dass die mit der Stromnetzstabilisierung verbundenen Kosten reduziert bzw. minimiert werden können.
Das Verfahren kann ferner das Regeln der zuzuführenden Wärmemenge in Bezug auf die abzugebende Wärmemenge, insbesondere mittels einer Sensorik, insbesondere unter Berücksichtigung eines Stromhaushalts und eines Wärme- bzw. Kältehaushalts eines Verbrauchers über eine Referenzzeitspanne, so dass die Gesamtkosten für Strom und/oder Klimatisierung reduziert bzw. minimiert werden können. Der Verbraucher kann in diesem Zusammenhang sowohl ein Kleinverbraucher, wie private Haushalte, als auch Großverbraucher, wie Betriebe, Einkaufshäuser, Städte usw. sein.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stromnetzstabilisierungsmoduls mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
4 zeigt einen schematischen Teilquerschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4a zeigt einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einer Füllflüssigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
7 zeigt schematisch ein Stromnetzstabilisierungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 zeigt schematisch ein Stromversorgungsnetzwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
9 zeigt schematisch ein Verfahren zur Stromnetzstabilisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Stromnetzstabilisierungsmodule 1 der 1 umfasst einen thermischen Puffer 2 mit einem Betonkörper 3 sowie eine Leistungselektronik 4 mit einem Wärmetransferelement (WTE) 5, das in einem thermischen Kontakt mit dem Betonkörper 3 steht.
Das WTE 5 kann als ein Heiz- und/oder Kühl-Element zur Heizung bzw. zur Kühlung des Betonkörpers ausgebildet sein. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist das WTE 5 in Form einer Heizspirale ausgebildet, die Stromzufuhrleitungen 6 und 7 sowie Stromanschlusskontakte 8 und 9 zum Anschließen an einem Stromnetz aufweist. In einigen Ausführungsbeispielen weist das WTE eine Isolationsschicht zur elektrischen Isolation des WTE 5 in Betonkörper 3 auf.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Betonkörper 3 einen ultrahochfesten Beton (UHPC -Ultra High Performance Concrete) mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/(m·κ) und mit einer spezifischen Wärmekapazität von ca. 1 kJ/(kg·κ) auf. Der Betonkörper 3 kann insbesondere mit einen mit Glasfasern und/oder mit Quarzfeinsand verstärkten UHPC aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen weist der Betonkörper wenigstens bereichsweise einen UHPC Nanodur® (eingetragene Marke der Dyckerhoff GmbH). Der Betonkörper kann insbesondere einen hochtemperaturbeständigen UHPC aufweisen, der bis zu einer Temperatur von 1700°C aufgeheizt werden kann, ohne dabei irreversible thermisch bedingte Degradationsprozesse im Beton auszulösen. Durch Verwendung eines hochtemperaturbeständigen ultrahochfesten Betons kann die Wärmekapazität bzw. das Wärmeaufnahmevermögen des Betonkörpers bzw. des thermischen Puffers erhöht werden, so dass eine besonders kompakte Bauweise des thermischen Puffers erzielt werden kann.
In einigen Ausführungsbeispielen weist der Betonkörper 3 einen auf einer eigens zusammengestellten Mischung basierten Beton auf, wobei die Mischung auf jeweilige Anwendung unter Berücksichtigung jeweiliger Anforderungen gewählt werden kann. Durch die Wahl der Zusammensetzung können Betonparameter, wie spezifische Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit variiert werden. Steht beispielweise größeres Volumen für einen Betonspeicher zur Verfügung, so kann die Betonmischung so gewählt werden, dass der Beton erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist um eine gleichmäßige Erwärmung und somit eine effiziente Nutzung des gesamten Betonvolumens zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen weist der Betonkörper eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 bis 3,5 W/m·κ, insbesondere von 2,8 bis 3,0 W/m·κ auf. In einigen Ausführungsbeispielen weist der Betonkörper wenigstens bereichsweise einen wärmeleitenden Beton Powecrete ® (eingetragene Marke der Heidelbergcement AG) auf.
Die Leistungselektronik 4 kann über die Stromanschlusskontakte 8 und 9 der SNSV 1 an ein Stromnetzwerk (nicht gezeigt) angeschlossen werden, sodass der Betonkörper 3 mit dem durch die Heizspirale fließenden Strom geheizt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Leistungselektronik 4 so ausgebildet, dass der Betonkörper 3 alternativ oder zusätzlich durch die Leistungselektronik 4 gekühlt werden kann.
Durch die Heizung bzw. Kühlung des Betonkörpers 3 kann die elektrische Energie vom Stromnetz in die Wärme bzw. in die Kälte umgewandelt werden. Der entsprechend temperierte thermische Puffer 2 bzw. der Betonkörper 3 des thermischen Puffers 2 kann zweckmäßigerweise zur Heizung bzw. zur Kühlung eines Rezipienten, insbesondere eines Wärme- bzw. Kälte-Rezipienten eingesetzt werden.
Folglich kann insbesondere dann, wenn in dem Stromnetz Stromüberschüsse entstehen, der überschüssige Strom vom Stromnetz abgezogen werden, und zur Heizung bzw. Kühlung, insbesondere zur Unterstützung bestehender Heiz- bzw. Kühlsysteme zweckmäßigerweise eingesetzt werden.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das SNSM der 2 ist im Wesentlichen dem SNSM der 1 ähnlich aufgebaut und weist zudem einen Wärmetauscher 10 mit Anschlüssen 11 und 12 auf. Der Wärmetauscher 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel schlauchförmig ausgebildet und umfasst eine Anzahl von Wicklungen 13, die in dem Betonkörper 3 eingebettet sind und im thermischen Kontakt mit dem Betonkörper 3 stehen.
Durch die Anschlüsse 11 und 12 des Wärmetauschers 10 kann eine Wärmetauscherflüssigkeit, insbesondere Wasser, durchgeführt bzw. durchgepumpt werden, so dass es zu einem thermischen Austausch zwischen der durch den Wärmetauscher 10 hindurchfließenden Wärmetauscherflüssigkeit und dem Betonkörper 3 kommen kann. Durch die Wärmetauscherflüssigkeit kann somit die in dem Betonkörper 3 gespeicherte Wärme bzw. Kälte zur Weitergabe an einen Rezipienten abgeführt werden.
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Stromnetzstabilisierungsmoduls mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Wärmetauscher 10 in diesem Aufführungsbeispiel außerhalb des Betonkörpers 3 angeordnet, wobei die Wicklungen 13 des Wärmetauschers 10 derart dicht an der Außenwand des Betonkörpers 3 anliegen, dass es zu einem thermischen Kontakt zwischen dem Betonblock 3 und den Wicklungen des Wärmetauschers 10 kommt. Der Wärmetauscher 10 der 3 weist ebenfalls Anschlüsse 11 und 12, wodurch die Wärmetauscherflüssigkeit zur Abfuhr der in dem Betonkörper 3 gespeicherten Wärme bzw. Kälte durchgeführt bzw. durchgepumpt werden kann.
4 zeigt einen schematischen Teilquerschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einem thermischen Puffer und mit einem Wärmetauscher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das SNSM 1 der 4 ist im Wesentlichen ähnlich wie vorhergehende Beispiele aufgebaut und weist zusätzlich eine Wärmedämmungsschicht 14 auf, die den Betonkörper 3 und den Wärmetaucher 10 im Wesentlichen vollständig umhüllt, wobei die Stromzufuhrleitungen 6 und 7 der Leistungselektronik 4 und die Anschlüsse 11 und 12 des Wärmetauschers 10 nach außen ragen.
Die Wärmedämmungsschicht 14 weist ein hitzebeständiges Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Wärmedämmungsschicht 14 einen porösen Beton mit niedriger Wärmeleitfähigkeit auf. Durch Die Wärmedämmschicht 14 können thermische Verluste des thermischen Puffers 2 reduziert bzw. die Energieeffizienz des thermischen Puffers 2 erhöht werden.
4a zeigt einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch ein Stromnetzstabilisierungsmodul mit einer Füllflüssigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Stromnetzstabilisierungsmodul 1 der 4a entspricht im Wesentlichen den obigen Ausführungsbeispielen, wobei zur Verdeutlichung nur einige wenige Merkmale dargestellt werden. Insbesondere zeigt 4a den Betonkörper 3 mit einer in dem Betonkörper 3 eingesetzten Metallkomponente 15. Die Metallkomponente 15 der 4a kann insbesondere eine beliebige Metall- bzw. Stahlkomponente der Leistungselektronik 4 und/oder des Wärmetauschers 10 sein. Der Betonkörper befindet sich in einem Behälter 16, wobei in dem Raum zwischen dem Betonkörper 3 und einer Innenwand des Behälters 16 eine Füllflüssigkeit 17 vorgesehen ist. Wie in 4a zu sehen ist, befindet sich die Füllflüssigkeit 17 auch in Zwischenräumen 18 zwischen der Metallkomponente 15 und dem Betonkörper. Die Flüssigkeit 17 kann Wasser, insbesondere entionisiertes Wasser, oder auch eine andere Füllflüssigkeit aufweisen. Durch das Vorsehen der Füllflüssigkeit zwischen dem Beton und der Metallkomponente können etwaige durch unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Metall bzw. Stahl verursachte Schädigungen bzw. Risse in dem Betonkörper vermieden werden.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die SNSV 20 umfasst ein SNSM 1 gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsformen, eine Steuerungsschnittstelle 21, ein Kommunikationsmodul 22 und eine Sensorik 23 auf.
Die Steuerungsschnittstelle 21 ist mit der Leistungselektronik 4 des SNSM 1, mit der Sensorik 23 und mit dem Kommunikationsmodul 22 elektrisch verbunden und derart ausgebildet, dass das SNSM 1 über die Steuerungsschnittstelle 21 an ein Stromnetz angeschlossen und mit Strom versorgt bzw. betrieben werden kann. Das Kommunikationsmodul 22 ist zur Fernsteuerung des SNSM 1 ausgebildet. Die Sensorik 23 ist zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Parameters des SNSM 1 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensorik 23 einen Temperatursensor zur Erfassung der aktuellen Betriebstemperatur des Betonkörpers 3. In anderen Ausführungsbeispielen umfasst die Sensorik 23 mehrere, räumlich verteilte Temperatursensoren, um die aktuelle räumliche Temperaturverteilung innerhalb des Betonkörpers 3 zu erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Steuerungsschnittstelle 21 und das Kommunikationsmodul 22 außerhalb des Betonkörpers 3 des thermischen Puffers 2. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Steuerungsschnittstelle 21 und/oder das Kommunikationsmodul 22 wenigstens teilweise innerhalb des Betonkörpers 3 liegen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das Kommunikationsmodul 22 einen WLAN- (Wireless Local Area Network) Transceiver zur Fernsteuerung, insbesondere von einer Steuereinheit auf. In anderen Ausführungsbeispielen ist das Kommunikationsmodul als ein LAN- (Local Area Network), oder als ein DSL- (Digital Subscriber Line) Kommunikationsmodul ausgebildet.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Stromnetzstabilisierungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die SNSV 20 der 6 ist ähnlich wie die SNSV der 5 ausgebildet und weist ferner eine Steuereinheit 24 auf, die über das Kommunikationsmodul 22 mit der Steuerungsschnittstelle 21 kommunizierten kann.
Die Steuereinheit 24 weist einen Prozessor 25, einen Speicher 26 und eine Kommunikationsschnittstelle 27 auf. Der Speicher erhält computerlesbare Instruktionen für den Prozessor. In einigen Ausführungsformen ist die Steuereinheit 24 als Server, insbesondre als ein Computer-Cloud-Server, ausgebildet. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein bzw. der Speicher kann computerlesbare Instruktionen enthalten, den wenigstens einen aktuellen Parameter des SNSM 1 zu erfassen und an die Steuerungsschnittstelle 21 Anweisungen zum Regeln des wenigstens einen Parameters zu senden.
Die Kommunikationsschnittstelle 27 kann ausgebildet sein, über eine entsprechende Schnittstelle (nicht gezeigt) mit einem Stromnetz verbunden zu werden, um wenigstens einen das Stromnetz betreffenden Parameter zu erfassen und insbesondere in dem Speicher 26 abzulegen.
Insbesondere kann die Steuereinheit 24 konfiguriert sein, anhand des wenigstens einen Stromnetzparameters, eine aktuelle Stromnetzbelastung zu ermitteln, und anhand der aktuellen Stromnetzbelastung zu ermitteln, ob aktuell in dem Stromnetz ein überschüssiger Strom erzeugt wird.
Ferner kann die Steuereinheit 24 konfigurierst sein, die SNSV 20 zu aktivieren, falls festgestellt wird, dass im Stromnetz ein überschüssiger Strom erzeugt wird, und dass das thermische Aufnahmekapazität der SNSV einen vorgegebenen Grenzwert nicht erreicht hat.
7 zeigt schematisch ein Stromnetzstabilisierungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das SNSS 30 umfasst eine SNSV 20 gemäß einem obigen Aspekt der vorliegenden Ausführungsformen. Die SNSS 30 umfasst ferner einen Rezipienten 31, welcher in einer thermischen Kommunikation mit dem Betonkörper 3 des SNSM 1 steht, was durch Pfeile in 7 verdeutlicht wird.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das SNSS eine Wärmepumpe, die eine Wärmetransportflüssigkeit in einem Kreislauf zu Verbesserung des thermischen Kontakt zwischen dem Rezipienten 31 und dem SNSM 1 befördern kann. Die thermische Kommunikation zwischen dem Rezipienten 31 und dem Betonkörper 3 kann ferner mittels Wärmeleitung insbesondere bei unmittelbarem Kontakt zwischen dem Rezipienten, beispielsweise Personenaufenthaltsraum, und dem Betonkörper, der sich an den Personenaufenthaltsraum angrenzt. Die thermische Kommunikation kann zusätzlich über Luftkonvektion sowie über Wärmestrahlung erfolgen, wobei die Wärmestrahlung, gerade bei hohen Temperaturen, eine bedeutende Rolle in der thermischen Kommunikation zwischen dem Betonkörper und dem Rezipienten spielt.
Die Steuereinheit 24, bzw. die Kommunikationsschnittstelle 27, ist ausgebildet über eine Sensorik (nicht gezeigt) wenigsten einen den Rezipienten 31 bzw. den Verbraucher betreffenden Parameter zu erfassen, und anhand des wenigstens einen Verbraucherparameters einen aktuellen Verbraucherbedarf an Wärme bzw. an Kälte zu ermitteln.
Die Steuereinheit 24 kann ausgebildet sein, die Leistungselektronik 4 und/oder die Wärmepumpe unter Berücksichtigung des ermittelten aktuellen Verbraucherbedarfs und/oder unter Berücksichtigung der aktuellen Stromnetzbelastung zu steuern.
8 zeigt schematisch ein Stromversorgungsnetzwerk mit einem SNSS gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Stromversorgungsnetzwerk 40 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst eine Anzahl von regenerativen Stromquellen 41 zur Erzeugung eines regenativen Stroms, eine Anzahl von Stromverbrauchern 42 sowie eine Stromversorgungsinfrastruktur 43 und Stromleitungen 44 zur Versorgung der Verbraucher 42 mit dem durch die regenerative Stromquellen 41 erzeugen Strom.
Als regenerative Stromquellen 41 sind beispielhaft Photovoltaikanlagen 45 und Windkraftanlagen 46 dargestellt. In anderen Ausführungsbeispielen kann das SVNW 40 auch eine oder mehrere weitere regenerative Stromquellen, wie Wasserkraftwerke, Gezeitenkraftwerke, Geothermie-Kraftwerke o.ä. aufweisen.
Als Verbraucher 42 werden in 8 beispielhaft ein Großstromverbraucher 47, ein Kleinstromverbraucher 48 sowie zwei Autoladestationen 49 und 50 dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann das Stromversorgungsnetzwerk einen oder mehrere weitere Stromverbraucher aufweisen.
Der Kleinverbraucher 48 weist eine SNSV 20 gemäß einem oben beschriebenen Aspekt auf. Eine SNSV 20 kann auch in der Nähe bzw. an dem Großverbraucher 47 und/oder auch separat bzw. nicht zu einem konkreten Verbraucher zuordenbar an der Stromversorgungsinfrastruktur 43 angeschlossen sein, wie in 8 gestrichelt angedeutet.
Die Steuereinheit 24 der SNSV 20 kann als Teil der Stromversorgungsinfrastruktur (SVI) 43 bzw. als Teil eines Stromnetzmanagementsystems ausgebildet sein. Unter dem Strommanagementsystem wird ein Teilsystem der SVI 43 verstanden, das dazu ausgebildet ist, das Funktionieren des Stromnetzwerks zu überwachen und/oder zu steuern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist SVI 43 eine Stromnetzkontrolleinheit 51 zur Überwachung und Steuerung der Stromverteilung durch die SVI 43 und des Stromverbrauchs durch die Stromverbraucher 42 auf. Die Stromnetzkontrolleinheit 51 kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass anhand eines Tarifierungsmodels die Stromkosten für die Verbraucher 42 ermittelt werden können.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Stromnetzkontrolleinheit 51 ausgebildet, eine Vielzahl von SNSV 20 und/oder Verbraucher 42 zu überwachen und unter Berücksichtigung von aktuellen Strompreisen die SNSV 20 so zu Regeln, dass die Stromkosten für einzelne Verbraucher und/oder für den Stromnetzbetreiber minimiert werden. Die Strompreise bzw. Tarifierungsmodelle können in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) hinterlegt sein oder anhand einer aktuellen Angebot-und-Nachfrage ständig aktuell ermittelt werden.
Im Betrieb des SVNW 40 wird der durch die Stromquellen 41 erzeugte Strom über die SVI 43 und die Stromleitungen 44 an die Stromverbraucher 47, 48, 49 und 50 verteilt. Die Stromnetzkontrolleinheit 51 steuert und überwacht die Stromverteilung von den Stromquellen 45 und 46 bis hin zu den Verbrauchern 47, 48, 49 und 50. Insbesondere überwacht die Stromnetzkontrolleinheit 51 die von den Stromquellen 45 und 46 in das Stromnetz eingespeiste elektrische Leistung sowie die von den Verbrauchern 47, 48, 49 und 50 verbrauchte elektrische Leistung.
In einer Ausführungsform ermittelt die Stromnetzkontrolleinheit 51 aufgrund eines Tarifierungsmodels die auf einzelne Stromverbraucher anfallende Stromkosten. Das Tarifierungsmodel kann insbesondere ein zeitbasierendes Tarifierungsmodel sog. „Time-Of-Use-Modell“ sein. Dabei wird die zeitliche Abhängigkeit des Strompreises berücksichtigt. Die zeitliche Abhängigkeit des Strompreises kann in Echtzeit bestimmt werden und/oder als vordefinierte Zeitabhängigkeitskurve im Voraus hinterlegt werden.
Die Stromnetzkontrolleinheit 51 kann derart ausgebildet sein, dass etwaige in dem Stromnetz auftretende Leistungsspitzen mittels der in dem Stromnetz vorhandenen SNSV 20 abgepuffert bzw. Leistungsschwankungen abgefedert werden.
Wird beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt durch die Stromnetzkontrolleinheit 51 erkannt, dass aktuell in das Stromnetz mehr Energie als von den Verbrauchern benötigt eingespeist wird, so kann die kann die Stromnetzkontrolleinheit 51 Anweisungen an die SNSV 20 bzw. and die jeweilige Steuereinheit 24 senden, die SNSV in einen Speicherungsmodus bzw. Aufnahmemodus zu versetzen, in dem die SNSV 20 die Stromenergie vom Stromnetz aufnimmt und die aufgenommene Stromenergie in Wärme bzw. in Kälte umwandelt. Die in der bzw. den SNSV 20 gespeicherte Wärme bzw. Kälte kann insbesondere asynchron bzw. zu einem späteren Zeitpunkt zur Heizung bzw. zur Kühlung verwendet werden, insbesondere dann, wenn die durch die den Stromquellen 41 bereitgestellte Leistung wieder zurückgegangen ist. Somit kann der insbesondere durch regenerative Energiequellen erzeugte Strom „just in time“ abgenommen werden und ggf. später, insbesondere bei Bedarf, auf wirtschaftlich sinnvolle Weise zur Heizung oder Kühlung verwendet werden.
9 zeigt schematisch ein Verfahren zur Stromnetzstabilisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß dem Verfahren 100 erfolgt die Stromnetzstabilisierung mittels einer SNSV mit einem thermischen Puffer gemäß einem obigen Aspekt, wobei in einem Schritt 150 wenigstens ein aktueller Stromnetzparameter insbesondere zur Ermittlung einer aktuellen Stromnetzbelastung erfasst wird. In einem weiteren Schritt 200, der gleichzeitig, vor oder nach dem Schritt 150 stattfinden kann, wird wenigstens ein aktueller Parameter des thermischen Puffers, insbesondere zur Ermittlung eines aktuellen Aufnahmevermögens des thermischen Puffers, erfasst. In einem weiteren Schritt 250 wird, basierend auf dem wenigstens einem Stromnetzparameter und dem wenigstens einen Parameter des thermischen Puffers, die elektrische Energie von dem Stromnetz zur Heizung bzw. zur Kühlung des thermischen Puffers abgeführt.
Der wenigstens ein aktueller Stromnetzparameter kann insbesondere eine aktuelle Stromnetzspannung, und/oder eine aktuelle Stromnetzfluktuation umfassen und der wenigsten ein aktueller Parameter der SNSV kann eine aktuelle Temperatur der SNSV umfassen. Insbesondere kann gemäß dem Verfahren 100 die Stromenergie derart gesteuert abgeführt werden, dass eine vorbestimmte Aufnahmevermögensgrenze des thermischen Puffers und/oder eine vorbestimmte Stromnetzbelastungsgrenze des Stromnetzes nicht überschritten wird.
Das Verfahren zur Stromnetzstabilisierung kann ferner das Speichern und/oder die Weitergabe der erzeugten Wärme bzw. Kälte insbesondere mittels eines Wärmetauschers an einen Rezipienten umfassen, wobei der wenigstens ein Rezipient ein Wärme- bzw. Kälte-Trakt eines Verbrauchers umfassen kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden bei der Steuerung der SNSV Wetterprognosedaten herangezogen, so dass Stromnetzschwankungen, insbesondere wetterabhängige Stromnetzbelastungsschwankungen reduziert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden bei der Steuerung der SNSV aktuelle Strompreise herangezogen, so dass die mit der Stromnetzstabilisierung verbundenen Kosten reduziert werden können.
Das Verfahren kann ferner das Regeln der zuzuführenden Wärmemenge in Bezug auf die abzugebende Wärmemenge, insbesondere mittels einer Sensorik, insbesondere unter Berücksichtigung eines Stromhaushalts und eines Wärme- bzw. Kältehaushalts eines Verbrauchers über eine Referenzzeitspanne umfassen, so dass die Gesamtkosten für Strom und/oder Klimatisierung minimiert werden können. Der Verbraucher kann in diesem Zusammenhang sowohl ein Kleinverbraucher, wie private Haushalte, als auch Großverbraucher, wie Betriebe, Einkaufshäuser, Städte usw. sein.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Stromnetzstabilisierungsmodul
2: thermischer Puffer
3: Betonkörper
4: Leistungselektronik
5: Wärmetransferelement
6: Stromzufuhrleitung
7: Stromzufuhrleitung
8: Stromanschlusskontakt
9: Stromanschlusskontakt
10: Wärmetauscher
11: Anschluss
12: Anschluss
13: Wicklung
14: Wärmedämmungsschicht
15: Metallkomponente
16: Behälter
17: Füllflüssigkeit
18: Zwischenraum
20: Stromnetzstabilisierungsvorrichtung
21: Steuerungsschnittstelle
22: Kommunikationsmodul
23: Sensorik
24: Steuereinheit
25: Prozessor
26: Speicher
27: Kommunikationsschnittstelle
30: Stromnetzstabilisierungssystem
31: Rezipient
32: Stromnetz
40: Stromversorgungsnetzwerk
41: Stromquelle
42: Stromverbraucher
43: Stromversorgungsinfrastruktur
44: Stromleitung
45: Photovoltaikanlage
46: Windkraftwerkanlage
47: Großverbraucher
48: Kleinverbraucher
49: Autoladestation
50: Autoladestation
51: Stromnetzkontrolleinheit
100: Verfahren zur Stromnetzstabilisierung
150: Schritt des Verfahrens
200: Schritt des Verfahrens
250: Schritt des Verfahrens

Claims

Stromnetzstabilisierungsmodul (SNSM), umfassend: - einen thermischen Puffer (2) mit wenigstens einem Betonkörper (3), - eine Leistungselektronik (4) mit wenigstens einem Wärmetransferelement (WTE) (5), wobei das wenigstens eine WTE (5) in einem thermischen Kontakt mit dem Betonkörper (3) steht.
SNSM nach Anspruch 1, wobei der wenigsten ein Betonkörper (3) einen ultrahochfesten Beton aufweist.
SNSM nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das SNSM (1) einen Wärmetauscher (10) zur Weitergabe der in dem thermischen Puffer (2) gespeicherten Wärme und/oder Kälte an einen Rezipienten aufweist.
SNSM nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das SNSM eine Wärmedämmungsschicht (14) aufweist, die den Betonkörper (3) wenigstens teilweise umgibt.
Stromnetzstabilisierungsvorrichtung (SNSV), aufweisend: - ein SNSM (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - eine Steuerungsschnittstelle (21) zur Steuerung der Leistungselektronik (4) des SNSM (1), und - ein Kommunikationsmodul (22) zur externen Kommunikation.
SNSV nach Anspruch 5, wobei die SNSV eine Sensorik (23) zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Parameters des SNSM (1) umfasst.
SNSV nach Anspruch 6, wobei die SNSV eine Steuereinheit (24) zur Steuerung der Leistungselektronik (4) über die Steuerungsschnittstelle (21) umfasst, und wobei die Steuereinheit (24) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Parameter des SNSM (1) zu regeln.
Stromnetzstabilisierungssystem (SNSS) mit einer SNSV nach Anspruch 7, wobei die SNSS ferner aufweist: - einen Rezipienten (31), welcher thermisch mit dem SNSM (1) angebunden ist, - eine Sensorik zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Stromnetzparameters, - eine Sensorik zur Erfassung wenigstens eines aktuellen Rezipienten-Parameters, wobei die Steuereinheit (24) konfiguriert ist, die SNSV (20) auf der Basis des wenigstens einen aktuellen Parameters des SNSM (1), des wenigstens einen aktuellen Stromnetzparameters und des wenigstens einen Rezipienten-Parameters zu regeln.
SNSS nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Parameter des SNSM (1) ein aktueller Temperatur des Betonkörpers (3) umfasst, und wobei die Steuereinheit (24) konfiguriert ist, die Leistungselektronik (4) derart zu regeln, dass die aktuelle Temperatur innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs liegt.
SNSS nach Anspruch 8 oder 9, wobei der wenigstens eine Parameter des SNSM (1) einen aktuellen Speicherstand des thermischen Puffers (2) umfasst, und wobei die Steuereinheit (24) konfiguriert ist, die Leistungselektronik (4) derart zu regeln, dass der aktuelle Speicherstand des thermischen Puffers (2) ein vordefiniertes maximales Speichervermögen des thermischen Puffers nicht überschreitet.
SNSS nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Steuereinheit (24) ferner konfiguriert ist, anhand des wenigstens einen Stromnetzparameters eine aktuelle Stromnetzbelastung zu ermitteln, und die Leistungselektronik (4) abzuschalten, falls der wenigstens ein Stromnetzparameter auf eine Überlastung des Stromnetzes schließen lässt.
SNSS nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das SNSS wenigstens einen Stromverbraucher (42) und eine Sensorik zur Erfassung eines aktuellen Stromverbrauchs des wenigstens einen Stromverbrauchers (42) umfasst, und wobei die Steuereinheit (24) ausgelegt ist, die Leistungselektronik (4) auf der Basis des aktuellen Stromverbrauchs des wenigstens einen Stromverbrauchers (42) zu steuern.
Verfahren zur Herstellung einer SNSV, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen einer Gießform zur Formung eines Betonkörpers eines thermischen Puffers; - Bereitstellen einer Leistungselektronik mit einem Wärmetransferelement WTE; - Einsetzen der Leistungselektronik in die Gießform so, dass sich das WTE wenigstens teilweise innerhalb der Gießform befindet; und - Vergießen der Gießform mit einer flüssigen Betonmasse, so dass das WTE sich wenigstens teilweise in der Betonmasse befindet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei vor dem Vergießen der Gießform ein Wärmetauscher in die Gießform eingesetzt wird, so dass der Wärmetauscher sich wenigstens teilweise in der Betonmasse befindet.
Verfahren zur Stromnetzstabilisierung mittels einer SNSV mit einer Leistungselektronik und mit einem thermischen Puffer, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Erfassen wenigstens eines aktuellen Stromnetzparameters, - Erfassen wenigstens eines aktuellen Parameters des thermischen Puffers, und basierend auf dem wenigstens einem Stromnetzparameter und dem wenigstens einen Parameter des thermischen Puffers, die elektrische Energie von dem Stromnetz zur Heizung bzw. zur Kühlung des thermischen Puffers abzuführen.