DE102018221156A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten eines Energiesystems - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten (2,...,5) eines Energiesystems vorgeschlagen, wobei die Komponenten (2,...,5) wenigstens einen Energiespeicher (4) umfassen, und die Vorrichtung wenigstens eine Steuervorrichtung (42) zur Steuerung der Energieflüsse umfasst, wobei mittels der Steuervorrichtung (42) die Energieflüsse vorab für einen Zeitbereich mittels eines Optimierungsverfahrens berechenbar sind. Erfindungsgemäß sind die Energieflüsse mittels der Steuervorrichtung (42) derart berechenbar und steuerbar, dass der Ladezustand des Energiespeichers (4) am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten (2,...,5) eines Energiesystems.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
• Energiesysteme weisen typischerweise eine Mehrzahl von Komponenten, insbesondere Energieerzeuger und Energieverbraucher, auf. Hierbei ist es erforderlich, die Energieflüsse, das heißt den Austausch von Energie, typischerweise von elektrischem Strom beziehungsweise von elektrischer Energie, zwischen den Komponenten des Energiesystems, zu koordinieren.
• Die Koordinierung kann bezüglich der Komponenten zentral mittels einer Koordinierungsplattform erfolgen. Hierzu kann die Koordinierungsplattform ein Optimierungsverfahren durchführen, mittels welchem die Energieflüsse zwischen den Komponenten möglichst effizient oder optimal vorab, beispielsweise einen Tag im Voraus (englisch: Day-Ahead), berechnet werden.
• Die Koordinierungsplattform kann weiterhin als Handelsplattform ausgebildet sein, sodass die Komponenten Verkaufsangebote und Kaufangebote abgeben können. Die Verkaufsangebote und Kaufangebote bezüglich einer Energieform können bei der Optimierung berücksichtigt werden, wobei typischerweise ein möglichst maximaler und in diesem Sinne möglichst optimaler Energieumsatz vorteilhaft ist.
• Für bekannte Koordinierungsplattformen gestaltet sich die Einbindung eines Energiespeichers schwierig. Das ist deshalb der Fall, da ein Energiespeicher verschiedene Zeitpunkte koppelt, und bisher Verkaufsangebote und Kaufangebote zeitgleich abgegeben werden müssen, beispielsweise für alle Zeitintervalle eines folgenden Tages (englisch: Day-Ahead Spot-Markt).
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einbindung eines Energiespeichers bei einer Koordinierungsplattform zu ermöglichen.
• Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 9 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten eines Energiesystems umfasst eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Energieflüsse, wobei mittels der Steuervorrichtung die Energieflüsse vorab für einen Zeitbereich mittels eines Optimierungsverfahrens berechenbar sind. Weiterhin umfassen die Komponenten des Energiesystems, und somit das Energiesystem, erfindungsgemäß wenigstens einen Energiespeicher. Erfindungsgemäß sind die Energieflüsse mittels der Steuervorrichtung derart berechenbar und steuerbar, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
• Mit anderen Worten ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet die Energieflüsse basierend auf der berechneten Lösung des Optimierungsverfahrens derart zu steuern, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
• In der vorliegenden Erfindung fällt unter dem Begriff des Steuerns ebenfalls der Begriff des Regelns.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Ladezustände des Energiespeichers am Anfang und am Ende des Zeitbereiches, das heißt an den Rändern des Zeitbereiches, im Wesentlichen gleich. Hierbei sind zwei Ladezustände im Sinne der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gleich, falls diese zueinander eine Abweichung von höchstens 5 Prozent, bevorzugt von höchstens 3 Prozent, besonders bevorzugt von höchstens 1 Prozent aufweisen. Besonders bevorzugt sind die Ladezustände im Rahmen der Messgenauigkeit gleich. Insbesondere sind die Ladezustände gleich.
• Jeder Energieerzeuger ist zur Erzeugung wenigstens einer Energieform ausgebildet und stellt diese für einen oder mehrere Energieverbraucher bereit. Jeder Energieverbraucher ist zum Verbrauch wenigstens einer der durch die Energieerzeuger bereitgestellten Energieformen ausgebildet. Die Energieformen der Energieerzeuger können verschieden sein. Insbesondere wird elektrischer Strom und/oder thermische Energie/Wärme als Energieform bereitgestellt. Somit können die Energieflüsse elektrische Ströme und/oder thermische Ströme sein.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet eine zentrale Koordinierungsplattform aus, die die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems basierend auf der Lösung des Optimierungsverfahrens (vorab Berechnung der Energieflüsse) mittels der Steuervorrichtung steuert. Mittels der Steuervorrichtung sind die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems basierend auf der Lösung des Optimierungsverfahrens steuerbar.
• Ein Optimierungsverfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Maximierung oder Minimierung einer Zielfunktion, wobei die Energieflüsse die Optimierungsvariablen der Zielfunktion ausbilden. Die Maximierung oder Minimierung der Zielfunktion ist typischerweise komplex und erfolgt daher typischerweise numerisch. Es ist kein exaktes Maximum oder Minimum der Zielfunktion erforderlich. Das Ergebnis des Optimierungsverfahrens sind wenigstens die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems. Die Steuervorrichtung steuert die Komponenten des Energiesystems beziehungsweise die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems möglichst gemäß der vorab berechneten Energieflüsse. Dadurch wird ein möglichst effizienter beziehungsweise optimaler Betrieb des Energiesystems ermöglicht. Typischerweise werden die Energieflüsse durch die Steuervorrichtung für einen Tag (Zeitbereich) im Voraus berechnet.
• Erfindungsgemäß ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet die Energieflüsse derart zu berechnen und zu steuern, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist. Beispielsweise weist der Ladezustand des Energiespeichers bezüglich des Zeitbereiches periodische Randbedingungen auf. Es gilt somit $E_{t=0}^{\text{ES}}=E_{t=T}^{\text{ES}},$

  

  wobei $E_{t=0}^{\text{ES}}$

  

  die zum Zeitpunkt t = 0 mittels des Energiespeichers gespeicherte Energie (initialer Ladezustand) und $E_{t=T}^{\text{ES}}$

  

  die zum Zeitpunkt t = T mittels des Energiespeichers gespeicherte Energie bezeichnet. Der Anfang des Zeitbereiches wurde hierbei mit dem Wert t = 0 und das Ende des Zeitbereiches mit dem Wert t = T bezeichnet. Typischerweise ist der Zeitbereich durch [0, t₁, t₂, ..., t_N-1, T] gegeben, sodass t₀ = 0 und t_N = T gilt. Beispielsweise ist t_i = iΔt für i = 0,...,N und Δt konstant, sodass der Zeitbereich in äquidistante Zeitschritte eingeteilt ist.
• Durch die vorliegende Erfindung, insbesondere dadurch, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist, wird vorteilhafterweise die Integration des Energiespeichers in eine zentrale Koordinierungsplattform beziehungsweise Handelsplattform ermöglicht. Insbesondere wird dadurch vorteilhafterweise sichergestellt, dass der Energiespeicher lediglich eine Flexibilität innerhalb des Energiesystems beziehungsweise für die Koordinierungsplattform bereitstellt. Mit anderen Worten wird durch den Energiespeicher in diesem Sinne weder Energie erzeugt noch verbraucht, sondern lediglich zwischengespeichert. Dadurch wird ferner ein wirtschaftlich fairer Betrieb des Energiespeichers innerhalb der Vorrichtung und somit ebenfalls innerhalb einer Handelsplattform ermöglicht.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten eines Energiesystems, wobei die Komponenten wenigstens einen Energiespeicher umfassen, werden die Energieflüsse vorab für einen Zeitbereich mittels eines Optimierungsverfahrens berechnet. Erfindungsgemäß werden die Energieflüsse derart berechnet und gesteuert, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
• Mit anderen Worten werden mittels der Steuervorrichtung die Energieflüsse basierend auf der berechneten Lösung des Optimierungsverfahren gesteuert, wobei die Berechnung der Energieflüsse mittels des Optimierungsverfahrens und somit die Steuerung derart erfolgt, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
• Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige und gleichwertige Vorteile.
• Bevorzugt erfolgt die Optimierung der Energieflüsse unter der Nebenbedingung, dass der Ladezustand des Energiespeichers am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
• Besonders bevorzugt wird hierbei die Nebenbedingung mathematische derart festgelegt, dass die Ladezustände, wenigstens für die Optimierung, mathematisch gleich sind.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Komponenten des Energiesystems mehrere Energieerzeuger und mehrere Energieverbraucher, wobei die Energieerzeuger, die Energieverbraucher und der wenigstens eine Energiespeicher mittels eines Energieübertragungsnetzes miteinander verbunden sind.
• Vorteilhafterweise können die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems über das Energieübertragungsnetz, beispielsweise ein Stromnetz, erfolgen. Das Energieübertragungsnetz kann bezüglich der Komponenten des Energiesystems ein lokales Energieübertragungsnetz sein, und mit einem übergeordneten Energieübertragungsnetz, insbesondere Stromnetz, zum Energieaustausch verbunden beziehungsweise koppelbar sein. Weiterhin können physikalische Leistungskapazitäten des Energieübertragungsnetzes und/oder des übergeordneten Energieübertragungsnetzes bei der Optimierung, das heißt beim Optimierungsverfahren, welches die Steuervorrichtung durchführt, berücksichtigt werden. Weiterhin kann eine Gebühr für eine Verwendung des Energieübertragungsnetzes und/oder eine Gebühr für eine Verwendung des übergeordneten Energieübertragungsnetzes berücksichtigt werden.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Kommunikationsschnittstelle zum bidirektionalen Austausch von Datencontainern zwischen der Steuervorrichtung und den Komponenten, wobei die mittels der Datencontainer gespeicherten Daten beim Optimierungsverfahren berücksichtigbar sind.
• Dadurch kann vorteilhafterweise die Steuervorrichtung mit den Komponenten des Energiesystems kommunizieren. Ferner können vorteilhafterweise Informationen über die Komponenten durch die Steuervorrichtung beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Die Vorrichtung bildet somit vorteilhafterweise bezüglich der Komponenten eine zentrale Kommunikationsvorrichtung, Steuervorrichtung und Koordinierungsplattform aus.
• Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Datencontainer zur Steuerung der Leistungsflüsse vorgesehene Steuerdaten umfassen.
• Mit anderen Worten berechnet die Steuervorrichtung mittels des Optimierungsverfahren, insbesondere unter Berücksichtigung von Informationen über die Komponenten, die Leistungsflüsse. Anschließend werden mittels der Kommunikationsschnittstelle die Steuerdaten an die Komponenten übertragen, wobei die Steuerdaten derart ausgebildet sind, dass die Komponenten gemäß den berechneten Energieflüssen betrieben werden. Symbolisch wird den Komponenten mittels der Steuerdaten das für sie spezifische Ergebnis des Optimierungsverfahren mitgeteilt. Auf Seiten der Komponenten kann jeweils eine weitere Steuereinheit vorgesehen sein (englisch: Edge Device), die die Steuerdaten erfassen und die jeweilige Komponente entsprechend den erfassten Steuerdaten steuern. Die Steuervorrichtung steuert die Komponenten somit mittels der Steuereinheiten. Dadurch bildet die Vorrichtung eine zentrale Koordinierungsplattform aus, die jeweils zum Datenaustausch mit den Steuereinheiten (lokale Steuereinheiten) jeder Komponente zum Datenaustausch gekoppelt ist.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels der Datencontainer eine maximal bereitstellbare Energiemenge jedes Energieerzeugers und eine maximal beziehbare Energiemenge jedes Energieverbrauchers gespeichert.
• Mit anderen Worten ist der Steuervorrichtung für die Energieerzeuger ihre jeweilige maximal bereitstellbare Energiemenge bekannt, und für die Energieverbraucher ihre jeweilige maximal beziehbare Energiemenge bekannt. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Komponenten des Energiesystems im Rahmen ihrer technischen Ausgestaltung betrieben werden. Die physikalischen Daten beziehungsweise physikalischen Informationen (beispielsweise maximal bereitstellbare Energiemenge und maximal beziehbare Energiemenge) können als Nebenbedingungen beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Beispielsweise gilt für einen der Energieerzeuger die Nebenbedingung $P_t^{\text{Erzeuger}}\Delta t_t\le E_{\text{max;}t}^{\text{Erzeuger}},$

  

  falls $E_{\text{max;}t}^{\text{Erzeuger}}$

  

  die zum Zeitpunkt t durch den Erzeuger maximale bereitstellbare Energiemenge und $P_t^{\text{Erzeuger}}$

  

  die zum Zeitpunkt t berechnete Leistung des Energieerzeugers bezeichnet. Beispielsweise gilt für einen der Energieverbraucher die Nebenbedingung $P_t^{\text{Verbraucher}}\Delta t_t\le E_{\text{max;}t}^{\text{Verbraucher}},$

  

  falls $E_{\text{max;}t}^{\text{Verbraucher}}$

  

  die zum Zeitpunkt t durch den Verbraucher maximale beziehbare Energiemenge und $P_t^{\text{Verbraucher}}$

  

  die zum Zeitpunkt t berechnete Leistung des Energieverbrauchers (Last) bezeichnet.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mittels der Datencontainer eine maximale Speicherkapazität des Energiespeichers, eine maximale Ladeleistung des Energiespeichers, eine maximale Entladeleistung des Energiespeichers, ein Ladewirkungsgrad des Energiespeichers und/oder ein Entladewirkungsgrad des Energiespeichers gespeichert.
• Dadurch wird vorteilhafterweise eine verbesserte Modellierung des Energiespeichers und somit eine verbesserte Berücksichtigung des Energiespeichers beim Optimierungsverfahren ermöglicht. Die genannten physikalischen beziehungsweise technischen Parameter des Energiespeichers können als Nebenbedingungen beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Insbesondere wird für den Energiespeicher die Nebenbedingung $E_t^{\text{ES}}-E_{t-1}^{\text{ES}}=\left[P_{\text{Laden}\text{,}t}^{\text{ES}}{\eta }_{\text{Laden}}-P_{\text{Entladen}\text{,}t}^{\text{ES}}/{\eta }_{\text{Entladen}}\right]\cdot \Delta t_t$

  

  festgelegt, wobei $P_{\text{Laden}\text{,}t}^{\text{ES}}$

  

  die aktuelle Ladeleistung (zum Zeitpunkt t) des Energiespeichers, $P_{\text{Enladen}\text{,}t}^{\text{ES}}$

  

  die aktuelle Entladeleistung (zum Zeitpunkt t) des Energiespeichers, η_Laden den Ladewirkungsgrad des Energiespeichers und η_Entladen den Entladewirkungsgrad des Energiespeichers bezeichnet. Hieraus ist erkennbar, dass der Energiespeicher verschiedene Zeitpunkte koppelt. Dadurch wird Flexibilität in Bezug auf die Erzeugung und den Verbrauch von Energie bereitgestellt. Weitere Nebenbedingung des Energiespeichers bezüglich seiner technischen Randbedingung können $P_{\text{Laden}\text{,}t}^{\text{ES}}\le P_{\text{Laden}\text{,max}}^{\text{ES}}$

  

  und $P_{\text{Entladen}\text{,}t}^{\text{ES}}\le P_{\text{Entladen}\text{,max}}^{\text{ES}}$

  

  sein, wobei $P_{\text{Laden}\text{,max}}^{\text{ES}}$

  

  die übermittelte maximale Ladeleistung des Energiespeichers und $P_{\text{Entladen}\text{,max}}^{\text{ES}}$

  

  die übermittelte maximale Entladeleistung des Energiespeichers bezeichnet. Die genannten physikalischen beziehungsweise technischen Parameter des Energiespeichers, insbesondere seine maximale Ladeleistung und maximale Entladeleistung, können ebenfalls zeitabhängig sein, das heißt einen Index t aufweisen. Weitere physikalische beziehungsweise technische Parameter können vorgesehen sein und in den Nebenbedingungen des Optimierungsverfahren berücksichtigt werden beziehungsweise durch die Steuervorrichtung beim Optimierungsverfahren berücksichtigbar sein.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels der Datencontainer ein minimaler Verkaufspreis jedes Energieerzeugers und ein maximaler Kaufpreis jedes Energieverbrauchers gespeichert.
• Dadurch bildet die Vorrichtung vorteilhafterweise eine Handelsplattform, insbesondere einen lokalen Energiemarkt, aus. Die minimalen Verkaufspreise und die maximalen Kaufpreise werden beim Optimierungsverfahren berücksichtigt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit eines Energieflusses zwischen Komponenten des Energiesystems erhöht, sodass der Energiemarkt vorteilhafterweise möglichst energetisch effizient betrieben werden kann.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst jede Komponente des Energiesystems, insbesondere der Energiespeicher, eine mit der Steuervorrichtung über die Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch gekoppelte Steuereinheit (englisch: Edge Device).
• Vorteilhafterweise können dadurch Datencontainer beziehungsweise Daten beziehungsweise Informationen zwischen der Steuervorrichtung und den Komponenten ausgetauscht werden. Ferner wird hierbei eine durch die Vorrichtung globale Steuerung der Komponenten ermöglicht, wobei die Komponenten gemäß der Lösung des Optimierungsverfahren gesteuert werden. Somit wird ein möglichst energetisch effizienter Betrieb der Vorrichtung, insbesondere des Energiemarktes, ermöglicht.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine zeitliche Verschiebbarkeit der Energieflüsse für wenigstens eine der Komponenten bei der Optimierung berücksichtigt.
• Dadurch können vorteilhafterweise zeitlich verschiebbare Lasten, beispielsweise ein Laden eines Elektrofahrzeuges, beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Beispielsweise erfolgt die Berücksichtigung durch die Nebenbedingung ${\displaystyle {\sum }_{t_{\text{Start}}}^{t_{\text{Ende}}}{P}_t^{\text{Verbraucher}}}\cdot \Delta t_t\le E_{\text{max}}^{\text{Verbraucher}},$

  

  sodass lediglich die Summe der Energiemengen kleiner gleich der maximal beziehbaren Energiemenge ist. Somit ist der Zeitpunkt des Bezugs der Energiemenge innerhalb des Zeitbereiches von tstart bis t_Ende nicht relevant. Lediglich darf die in diesem Zeitbereich gelieferte Energiemenge nicht die maximal beziehbare Energiemenge übersteigen. Der Zeitbereich von tstart bis t_Ende ist eine echte Teilmenge des Zeitbereiches T oder der ganze Zeitbereich T.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Art der Energieflüsse bei der Optimierung berücksichtigt.
• Beispielsweise werden dadurch verschiedene Stromarten unterscheidbar, insbesondere Strom aus erneuerbaren Energiequellen und Strom aus nicht erneuerbaren Energiequellen. Somit können die Energieverbraucher Präferenzen für eine Art von Strom an die Steuervorrichtung übermitteln. Beispielsweise soll bevorzugt Strom aus Photovoltaikanlagen bezogen werden. Diese Präferenzen der Energieverbraucher können beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Ein Berücksichtigen weiteren Präferenzen der Energieverbraucher und/oder Energieerzeuger beim Optimierungsverfahren ist möglich und vorgesehen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur schematisiert eine Vorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
• Die Vorrichtung 1 umfasst Energieerzeuger 2 und Energieverbraucher 3. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 einen oder mehrere Energiespeicher 4 sowie eine oder mehrere zeitlich verschiebbare Lasten 5, beispielswiese ein Elektrofahrzeug. Die Energieerzeuger 2, die Energieverbraucher 3 sowie der Energiespeicher 4 und die zeitlich verschiebbare Last 5 bilden die Komponenten 2,..., 5 eines Energiesystems aus. Mit anderen Worten umfasst das Energiesystem die Energieerzeuger 2, die Energieverbraucher 3, den Energiespeicher 4 und die zeitlich verschiebbare Last 5, wobei die Energieflüsse zwischen den Komponenten 2,...,5 des Energiesystems mittels einer Steuervorrichtung 42 steuerbar, insbesondere regelbar, sind. Die Vorrichtung 1 umfasst die Steuervorrichtung 42.
• Die Steuervorrichtung 42 ist dazu ausgebildet die Energieflüsse zwischen den Komponenten mittels eines Optimierungsverfahrens für einen Zeitbereich, beispielsweise von t= 0 bis t= T, zu berechnen. Hierzu sind physikalische beziehungsweise technische Parameter erforderlich, die von den Komponenten zur Steuervorrichtung 42 übertragen werden.
• Die Energieerzeuger 2, die Energieverbraucher 3 und der Energiespeicher 4 sind mittels eines Energieübertragungsnetzes 110, beispielsweise einem Stromnetz, zum Austausch von Energie (Energieflüsse) gekoppelt. Mit anderen Worten ermöglicht das Energieübertragungsnetz 110 die Energieflüsse zwischen den Komponenten des Energiesystems.
• Weiterhin weist die Steuervorrichtung 42, beispielsweise mittels einer Kommunikationsschnittstelle, eine Datenverbindung zu jeder Komponente 2,...,5 des Energiesystems auf. Die Datenverbindungen sind mit den Pfeilen 101,...,104 verdeutlicht und werden im Folgenden mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Datenverbindungen 101,...,104 können unidirektional oder bidirektional ausgebildet sein. Mittels der Datenverbindungen 101,...,104 kann grundsätzlich ein Datenaustausch, beispielsweise mittels Datencontainern, zwischen der Steuervorrichtung 42 und den Komponenten 2,...,5 des Energiesystems erfolgen.
• Die Energieerzeuger 2 übertragen mittels der Datenverbindung 102 wenigstens ihre zu einem Zeitpunkt t maximale bereitstellbare Energiemenge $E_{\text{max}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}},$

  

  beispielsweise in Kilowattstunden, und ihren minimalen Verkaufspreis $c_{\text{min}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}},$

  

  beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde, an die Steuervorrichtung 42. Alternativ oder ergänzend zum Verkaufspreis kann eine Kohlenstoffdioxidemission und/oder ein Primärenergieeinsatz an die Steuervorrichtung 42 übertragen werden. Der Datencontainer, mittels welchem die zu einem Zeitpunkt t maximale bereitstellbare Energiemenge und der zum Zeitpunkt t minimale Verkaufspreis $c_{\text{min}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}},$

  

  gespeichert ist, kann als Verkaufsangebot (englisch: Buy-Order) bezeichnet werden.
• Die Energieverbraucher 3 übertragen mittels der Datenverbindung 104 wenigstens ihre zu einem Zeitpunkt t maximale beziehbare Energiemenge $E_{\text{max}\text{,}t}^{\text{Verbraucher}},$

  

  beispielsweise in Kilowattstunden, und ihren maximalen Kaufpreis $c_{\text{max}\text{,}t}^{\text{Verbraucher}},$

  

  beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde, an die Steuervorrichtung 42. Alternativ oder ergänzend zum Kaufpreis kann eine Kohlenstoffdioxidemission und/oder ein Primärenergieeinsatz an die Steuervorrichtung 42 übertragen werden. Der Datencontainer, mittels welchem die zu einem Zeitpunkt t maximale bereitstellbare Energiemenge und der zum Zeitpunkt t minimale Verkaufspreis $c_{\text{min}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}}$

  

  gespeichert ist, kann als Kaufangebot (englisch: Buy-Order) bezeichnet werden.
• Der wenigstens eine Energiespeicher 4 überträgt mittels der Datenverbindung 101 wenigstens seine maximal bereitstellbare Speicherkapazität $E_{\text{max}}^{\text{Es}},$

  

  beispielsweise in Kilowattstunden, einen initialen Ladezustand $E_{\text{t=0}}^{\text{Es}},$

  

  beispielsweise in Kilowattstunden, seine maximale Ladeleistung $P_{\text{Laden}\text{,max}}^{\text{ES}},$

  

  beispielsweise in Kilowatt, seine maximale Entladeleistung $P_{\text{Entladen}\text{,max}}^{\text{ES}},$

  

  beispielsweise in Kilowatt, seinen Ladewirkungsgrad η_Laden, beispielsweise in Prozent, seinen Entladewirkungsgrad η_Entladen, beispielsweise in Prozent, sowie eine mögliche zeitabhängige minimale Vergütung $c_{\text{Entlagen}\text{,min}\text{,}t}^{\text{ES}}$

  

  für jede entladene Energiemenge, beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde. Der Datencontainer, mittels welchem die für den Energiespeicher genannten Parameter gespeichert sind, kann als Speicherangebot (englisch: Storage-Order) bezeichnet werden.
• Die wenigstens eine verschiebbare Last 5 (verschiebbarer Verbrauch; englisch: Shiftable Load, abgekürzt SL) überträgt mittels der Datenverbindung 103 wenigstens ihre maximale beziehbare Energiemenge $E_{\text{max}}^{\text{SL}}$

  

  in einem Verschiebezeitraum T^SL (= [t_Start, t_Ende]), beispielsweise in Kilowattstunden pro T^SL, ihre möglicherweise zeitabhängige maximale Anschlussleistung $P_{\text{max}\text{,}t}^{\text{SL}},$

  

  beispielsweise in Kilowatt, sowie eine mögliche zeitabhängige maximale Bezugsvergütung $c_{\text{max}\text{,}t}^{\text{SL}},$

  

  beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde, an die Steuervorrichtung 42. Der Datencontainer, mittels welchem die für die verschiebbare Last 5 genannten Parameter gespeichert sind, kann als Flexibilitätsangebot 1 (englisch: Flex-Buy-Order 1) bezeichnet werden.
• Weiterhin kann eine nicht dargestellte verschiebbare Erzeugung vorgesehen sein. Die Erzeugungseinheiten, die eine zeitlich verschiebbare Erzeugung aufweisen, übertragen beispielsweise mittels der Datenverbindung 102 wenigstens eine maximal in einem weiteren Verschiebezeitraum T^Erzeuger,SL, bereitstellbare Energiemenge $E_{\text{max}}^{\text{Erzeuger}\text{,SL}},$

  

  beispielsweise in Kilowattstunde pro T^Erzeuger,SL, eine möglicherweise zeitabhängige maximale Anschlussleistung $P_{\text{max}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}\text{,SL}},$

  

  beispielsweise in Kilowatt, sowie eine mögliche zeitabhängige maximale Verkaufsvergütung $c_{\text{max}\text{,}t}^{\text{Erzeuger}\text{,SL}},$

  

  beispielsweise in Cent pro Kilowattstunde, an die Steuervorrichtung 42. Der Datencontainer, mittels welchem die für die verschiebbaren Erzeuger genannten Parameter gespeichert sind, kann als Flexibilitätsangebot 2 (englisch: Flex-Buy-Order 2) bezeichnet werden.
• Die mittels der Datencontainer übertragenen Daten beziehungsweise Parameter werden zur Parametrisierung des Optimierungsverfahren verwendet. Ein Optimierungsverfahren umfasst typischerweise eine Zielfunktion, die minimiert oder maximiert werden soll. Die Zielfunktion umfasst Variablen, deren Werte das Ergebnis des Optimierungsverfahren sind und Parameter, die sich bei der Durchführung der Optimierung nicht ändern. Das Optimierungsverfahren ist parametrisiert, wenn alle Parameter einen bestimmten Wert aufweisen. Die Variablen des Optimierungsverfahren sind vorliegend die Energieflüsse zwischen den Komponenten. Typischerweise werden die Energieflüsse einen Tag im Voraus, das heißt für den kommenden Tag berechnet. Die Zielfunktion kann eine Gesamtkohlenstoffdioxidemission des Energiesystems, ein Gesamtprimärenergieeinsatz des Energiesystems und/oder die Gesamtkosten des Energiesystems sein.
• Eine vorteilhafte Zielfunktion gemäß der obenstehend genannten Parameter ist durch $$\begin{array}{c}{\displaystyle \sum _{t,n,k}(P_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}}{c}_{\text{min}\text{,t}\text{,n}\text{,k}}^{\text{Erzeuger}}}-P_{t,n,k}^{\text{Verbraucher}}{c}_{\text{max}\text{,}t,n,k}^{\text{Verbraucher}}+P_{\text{Entladung}\text{,}t,n,k}^{\text{ES}}{c}_{\text{Entladung}\text{,}t,n,k}^{\text{ES}}\\ +{\displaystyle \sum _i{P}_{i,n,t}{c}_{\text{Gebühr}\text{,}i,n,t}^{\text{G}}})\cdot \Delta t_t\end{array}$$

  

  gegeben, wobei $P_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}},$

  

  $P_{t,n,k}^{\text{Verbraucher}},$

  

  $P_{\text{Entladung},t,n,k}^{\text{ES}},$

  

  und P_i,n,t die Variablen sind. Das Optimierungsverfahren, welches mittels der Steuervorrichtung durchgeführt wird, minimiert die genannte Zielfunktion und ermittelt beziehungsweise berechnet die Variablen . $P_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}},$

  

  $P_{t,n,k}^{\text{Verbraucher}},$

  

  $P_{\text{Entladung},t,n,k}^{\text{ES}}$

  

  und P_i,n,t. Hierbei ist $P_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}}$

  

  die Leistung des Energieerzeugers k am Netzknoten n zum Zeitpunkt t, $P_{t,n,k}^{\text{Verbraucher}}$

  

  die Leistung des Energieverbrauchers k am Netzknoten n zum Zeitpunkt t, $P_{\text{Entladung}\text{,}t,n,k}^{\text{ES}}$

  

  die Entladeleistung des Energiespeichers k am Netzknoten n zum Zeitpunkt t, und P_i,n,t die Wirkleitungskapazität zwischen einem Netzknoten i und dem Netzknoten n zum Zeitpunkt t, wobei hierfür für die Verwendung des Energieübertragungsnetzes 110 eine Netzgebühr $c_{\text{Gebühr},i,n,t}^{\text{G}}$

  

  anfällt.
• Das Optimierungsproblem, das heißt das Berechnen des Maximums oder Minimums der Zielfunktion, erfolgt typischerweise unter Nebenbedingungen. Beispielsweise muss physikalisch $$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _k{P}_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}}}-{\displaystyle \sum _k{P}_{t,n,k}^{\text{Verbraucher}}}+{\displaystyle \sum _i{P}_{i,n,t}}-{\displaystyle \sum _i{P}_{n,i,t}}-{\displaystyle \sum _k{P}_{\text{Laden}\text{,}t,n,k}^{\text{ES}}}\\ +{\displaystyle \sum _k{P}_{\text{Laden}\text{,}t,n,k}^{\text{ES}}}=0\end{array}$$

  

  für alle n und t erfüllt sein.
  Weiterhin sind Nebenbedingungen $P_{t,n,k}^{\text{Erzeuger}}\Delta t_t\le E_{\text{max;}t}^{\text{Erzeuger}}$

  

  für jeden Energieerzeuger 2, und $P_t^{\text{Verbraucher}}\Delta t_t\le E_{\text{max;}t}^{\text{Verbraucher}}$

  

  für jeden Energieverbraucher 3, sowie $P_{\text{Laden}\text{,}t}^{\text{ES}}\le P_{\text{Laden}\text{,max}\text{,}t}^{\text{ES}},$

  

  $P_{\text{Entladen}\text{,}t}^{\text{ES}}\le P_{\text{Laden}\text{,max}\text{,}t}^{\text{ES}},$

  

  und $E_t^{ES}-E_{t-1}^{ES}=\left[P_{\text{Laden}\text{,}t}^{\text{ES}}{\eta }_{\text{Laden}}-P_{\text{Entladen}\text{,}t}^{\text{ES}}/{\eta }_{\text{Entladen}}\right]\cdot \Delta t_t$

  

  für den Energiespeicher 4, vorgesehen. Erfindungsgemäß ist $E_{t=0}^{\text{ES}}=E_{t=T}^{\text{ES}}$

  

  eine Nebenbedingung für den Energiespeicher 4. Mit anderen Worten stellt diese Nebenbedingung sicher, dass der Energiespeicher 4 am Ende des Zeitbereiches, das heißt zum Zeitpunkt t= T, im Wesentlichen den gleichen Ladezustand wie am Anfang des Zeitbereiches, das heißt zum Zeitpunkt t= 0, aufweist. Somit weist der Energiespeicher 4 am Anfang und am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen den gleichen Ladezustand $E_0^{\text{ES}}=E_{t=0}^{\text{ES}}$

  

  auf. Dadurch bildet der Energiespeicher 4 lediglich eine Flexibilität aus, die eine Entkopplung von Energieerzeugung und Energieverbrauch ermöglicht.
• Die verschiebbare Last 5 kann mittels der Nebenbedingung ${\displaystyle {\sum }_{t_{\text{Start}}}^{t_{\text{Ende}}}{P}_t^{\text{Verbraucher}}}\cdot \Delta t_t\le E_{\text{max}}^{\text{Verbraucher}}$

  

  modelliert und somit beim Optimierungsverfahren berücksichtigt werden.
• Weitere physikalische/technische Nebenbedingungen, beispielsweise dass Leistungen nur positive Werte annehmen oder Netzrandbedingungen, können berücksichtigt werden. Insbesondere können die Art eines Stromes, beispielsweise Strom aus Photovoltaikerzeugung, und/oder Präferenzen der Energieverbraucher und/oder Präferenzen der Energieerzeuger beim Optimierungsverfahren mittels weiterer Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Für mehrere Arten von Strom (Stromarten) gelten die obenstehenden Gleichungen jeweils einzeln. Bei Gleichungen mit physikalischer Basis, beispielsweise physikalische Randbedingungen für den Energiespeicher 4, werden die Summen der Leistungen aus den einzelnen Stromarten gebildet.
• Nach der Berechnung der Energieflüsse mittels der Steuervorrichtung 42 werden diese berechneten Werte an die jeweiligen Komponenten 2, ...,5 übergeben, das heißt mittels der Steuervorrichtung 42 beziehungsweise über die Kommunikationsschnittstelle der Steuervorrichtung 42 übertragen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Komponenten 2,...,5 und somit das Energiesystem gemäß der Lösung des Optimierungsverfahrens bestmöglich betrieben wird. Mit anderen Worten steuert die Steuervorrichtung die Komponenten basierend auf der Lösung des Optimierungsverfahren. Somit wird die Effizienz des Energiesystems, beispielsweise ein maximaler Energieumsatz, verbessert. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da der Energiespeicher 4 eine Flexibilität ermöglicht und diese durch die vorliegende Erfindung beim Optimierungsverfahren berücksichtigbar ist. Die zeitlich verschiebbare Last 5 stellt ebenfalls eine Flexibilität bereit. Die Vorrichtung 1, die ebenfalls eine Handelsplattform für die Energie/Energien ausbildet, ermöglicht somit eine bezüglich der Komponenten 2,...,5 zentrale Koordination der Energieflüsse zwischen den Komponenten 2,...,5 des Energiesystems unter der Einbindung des Energiespeichers 4 (Flexibilität).
• Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Energieerzeuger

3

Energieverbraucher

4

Energiespeicher

5

Zeitliche verschiebbare Last / Elektroauto

42

Steuervorrichtung

101

Datenaustausch

102

Datenaustausch

103

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Datenaustausch

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Energieübertragungsnetz

Claims (15)

1. Vorrichtung (1) zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten (2,...,5) eines Energiesystems, wobei die Komponenten (2,...,5) wenigstens einen Energiespeicher (4) umfassen, umfassend eine Steuervorrichtung (42) zur Steuerung der Energieflüsse, wobei mittels der Steuervorrichtung (42) die Energieflüsse vorab für einen Zeitbereich mittels eines Optimierungsverfahrens berechenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieflüsse mittels der Steuervorrichtung (42) derart berechenbar und steuerbar sind, dass der Ladezustand des Energiespeichers (4) am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers am Anfang des Zeitbereiches ist.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (2,...,5) des Energiesystems mehrere Energieerzeuger (2) und mehrere Energieverbraucher (3) umfassen, wobei die Energieerzeuger (2), die Energieverbraucher (3) und der wenigstens eine Energiespeicher (4) mittels eines Energieübertragungsnetzes (110) miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kommunikationsschnittstelle zum bidirektionalen Austausch von Datencontainern zwischen der Steuervorrichtung (42) und den Komponenten (2,...,5) umfasst, wobei die mittels der Datencontainer gespeicherten Daten beim Optimierungsverfahren, insbesondere in Nebenbedingungen, berücksichtigbar sind.
4. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Datencontainer zur Steuerung der Leistungsflüsse vorgesehene Steuerdaten umfassen.
5. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Datencontainer eine maximal bereitstellbare Energiemenge jedes Energieerzeugers (2) und eine maximal beziehbare Energiemenge (3) jedes Energieverbrauchers gespeichert ist.
6. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Datencontainer eine maximale Speicherkapazität des Energiespeichers (4), eine maximale Ladeleistung des Energiespeichers (4), eine maximale Entladeleistung des Energiespeichers (4), ein Ladewirkungsgrad des Energiespeichers (4) und/oder ein Entladewirkungsgrad des Energiespeichers (4) gespeichert ist.
7. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Datencontainer ein minimaler Verkaufspreis jedes Energieerzeugers (2) und ein maximaler Kaufpreis jedes Energieverbrauchers (4) gespeichert ist.
8. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Komponente (2, ..., 5) des Energiesystems, insbesondere der Energiespeicher (4), eine mit der Steuervorrichtung (42) über die Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch gekoppelte Steuereinheit umfasst.
9. Verfahren (1) zur Steuerung von Energieflüssen zwischen Komponenten (2, ..., 5) eines Energiesystems, wobei die Komponenten (2,...,5) wenigstens einen Energiespeicher (4) umfassen, bei dem die Energieflüsse vorab für einen Zeitbereich mittels eines Optimierungsverfahrens berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieflüsse derart berechnet und gesteuert werden, dass der Ladezustand des Energiespeichers (4) am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers (4) am Anfang des Zeitbereiches ist.
10. Verfahren (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung der Energieflüsse unter der Nebenbedingung erfolgt, dass der Ladezustand des Energiespeichers (4) am Ende des Zeitbereiches im Wesentlichen gleich dem Ladezustand des Energiespeichers (4) am Anfang des Zeitbereiches ist.
11. Verfahren (1) gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal bereitstellbare Energiemenge jedes Energieerzeugers (2) bei der Optimierung berücksichtigt wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal beziehbare Energiemenge jedes Energieverbrauchers (4) bei der Optimierung berücksichtigt wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Speicherkapazität des Energiespeichers (4), eine maximale Ladeleistung des Energiespeichers (4), eine maximale Entladeleistung des Energiespeichers (4), ein Ladewirkungsgrad des Energiespeichers (4) und/oder ein Entladewirkungsgrad des Energiespeichers (4) bei der Optimierung berücksichtigt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Verschiebbarkeit der Energieflüsse für wenigstens eine der Komponenten (2,...,5) bei der Optimierung berücksichtigt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Energieflüsse bei der Optimierung berücksichtigt wird.

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