DE102019006876A1 - Verfahren zur autonomen, unterbrechungsfreien Versorgung mit elektrischem Strom durch erneuerbare Energien - Google Patents

Abstract

Einspeisungen in Versorgungsnetze können nur bis zur maximal zulässigen Netzspannung erfolgen. Energieerzeuger, insbesondere bei Windkraft- und Photovoltaikanlagen könnten je nach Regelsituation und Dargebot jedoch erheblich größere, über diesen Normalbetrieb hinausgehende Energiemengen einspeisen. Aufgrund der zur Netzstabilität erforderlichen Abregelung geht diese ungenutzt verloren. Das hier vorgestellte Verfahren nimmt einen automatisieren Abgleich zwischen erzeugter Energie und der Menge die zum jeweiligen Zeitpunkt in das Netz abgegeben werden kann vor und greift dies sonst auftretenden Verluste zur anderweitigen Nutzung oder Speicherung ab. Ebenso ermöglicht es eine automatisierte Einspeisung der gespeicherten Energie, wenn der Netzbedarf die erzeugte Energiemenge übersteigt.Das Verfahren steuert die Ströme in das Verbrauchernetz sowie zum Elektrolyseur und von der Brennstoffzelle automatisiert. Durch Zuführung der überschüssigen Energie zu einem Elektrolyseur wird diese zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt und dieser in einem Wasserstoffspeicher bereitgestellt. Sinkt die an der Erzeugungsanlage gelieferte Spannung unter die Netzspannung, so wird über eine Brennstoffzelle gespeicherter Wasserstoff in Strom umgewandelt und rückeingespeist.Hierdurch steigt der Wirkungsgrad der Anlage, sämtliche erzeugte Energie kann in das Netz eingespeist werden. Ein Ausgleich der Produktionsschwankungen und eine unterbrechungsfreie Versorgung sind möglich.

Description

• Technischer Hintergrund
• Einspeisungen in Versorgungsnetze können nur bis zur höchst zulässigen Netzspannung erfolgen. Energieerzeuger, insbesondere bei Windkraft- und Photovoltaikanlagen könnten je nach Regelsituation und Dargebot jedoch erheblich größere, über diesen Normalbetrieb hinausgehende Energiemengen einspeisen. Aufgrund der zur Netzstabilität erforderlichen Abregelung geht diese ungenutzt verloren. Ebenso können in Zeiten geringen Dargebots nur geringe Energiemengen aus diesen Quellen zur Verfügung gestellt werden. Gerade Windkraft- und Photovoltaikanlagen sind daher nur bedingt grundlastfähig.
• Lösungsansatz
• Durch Abgreifen der Überschussenergie und Speicherung, verbunden mit bedarfsgebundener Einspeisung aus dem Speicher kann eine lückenlose Stromversorgung gewährleistet, der Wirkungsgrad bzw. die Gesamtenergieausbeute der Anlagen gesteigert und eine Grundlastfähigkeit erreicht werden.
• Beschreibung
• Das hier vorgestellte Verfahren nimmt einen automatisierten Abgleich zwischen erzeugter Energie und der Menge, die zum jeweiligen Zeitpunkt in das Netz abgegeben werden kann, vor und greift dies sonst auftretenden Verluste zur anderweitigen Nutzung oder Speicherung ab. Ebenso ermöglicht es eine automatisierte Einspeisung der gespeicherten Energie, wenn der Netzbedarf die erzeugte Energiemenge übersteigt. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad der Anlage, sämtliche erzeugte Energie kann in das Netz eingespeist werden. Ein Ausgleich der Produktionsschwankungen und eine unterbrechungsfreie Versorgung sind somit möglich.
• Hierzu wird durch Zuführung der überschüssigen Energie zu einem Elektrolyseur diese zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt und dieser in einem Wasserstoffspeicher bereitgestellt. Sinkt die an der Erzeugungsanlage gelieferte Spannung um einen bestimmten Wert unter die Netzspannung (Untere Toleranzgrenze), so wird über eine Brennstoffzelle gespeicherter Wasserstoff in Strom umgewandelt und dieser in das Netz eingespeist und damit die Einspeisespannung bis zur Oberen Toleranzgrenze erhöht.
• Insgesamt sind nachfolgende Betriebszustände möglich $$\begin{array}{l}{\text{U}}_{\text{Reg}}>{\text{U}}_{\text{Netz}}+\Delta {\text{U}}_{\text{Netzmax}}\\ \Delta {\text{U}}_{\text{Netz}}={\text{U}}_{\text{Netzsoll}}-{\text{U}}_{\text{Netz}}\\ \Delta {\text{U}}_{\text{H2}}={\text{U}}_{\text{Reg}}-\Delta {\text{U}}_{\text{Netz}}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{U}}_{\text{Reg}}>{\text{U}}_{\text{Netz}}\\ \Delta {\text{U}}_{\text{Netz}}={\text{U}}_{\text{Reg}}-{\text{U}}_{\text{Netzsoll}}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{U}}_{\text{Reg}}<{\text{U}}_{\text{Netz}}\\ -\Delta {\text{U}}_{\text{H}2}={\text{U}}_{\text{Netzsoll}}-{\text{U}}_{\text{Netz}}\end{array}$$

  

mit UReg

Spannung aus aktuell erzeugter regenerativer Energie

UNetz

aktuelle Spannung im Stromnetz

UNetzsoll

Sollspannung im Stromnetz

ΔUNetzmax

maximal zulässige Spannungstoleranz im Stromnetz (Obere Toleranzgrenze)

AUNetz

ins Stromnetz abgegebene Spannung

AUH2

zur Elektrolyse abgegriffene Spannung

-AUH2

aus Wasserstoff generierte Spannung

• Die erforderliche Steuerung der Ströme in das Verbrauchernetz sowie zum Elektrolyseur und von der Brennstoffzelle erfolgt durch steuerbare Wechselrichter. Der Aufbau und die Funktion wird in beispielhaft gezeigt.

Claims (3)

1. Verfahren zur optimalen Ausnutzung der gesamten erzeugten Energie dadurch gekennzeichnet, • dass ständig sämtliche verfügbare regenerative Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, • dass es anwendbar ist für Leistungen von wenigen KW bis hinein in den MW-Bereich, • dass, wenn die gelieferte regenerative Energie höher ist als die in das Netz einzuspeisende Energie, über einen geregelten Wechselrichter die vereinbarte (angeforderte) Energiemenge in das Netz eingespeist wird und • dass die Differenz zwischen der gelieferten und ins Netz eingespeisten Energie zur Nutzung oder Speicherung zur Verfügung gestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass die Differenz zwischen der gelieferten und ins Netz eingespeisten Energie über einen geregelten Gleichstromsteller einem Elektrolyseur zugeführt wird zur Erzeugung von Wasserstoff, • dass der erzeugte Wasserstoff komprimiert und in einem Druckbehälter gespeichert wird, • dass, wenn weniger als zur Netzeinspeisung erforderliche elektrische Energie aus der regenerativen Energie erzeugt wird, sämtliche erzeugte elektrische Energie über einen geregelten Wechselrichter in das Netz eingespeist wird und die Differenz zwischen der zur Netzeinspeisung erforderlichen und der gelieferten regenerativen Energie aus dem Wasserstoff erzeugt wird und • dass hierzu Wasserstoff entsprechend der erforderlichen einzuspeisenden Energiemenge einer Brennstoffzelle zugeführt wird, • dass die Steuerung der erzeugten regenerativen Energie automatisch mit Vorrang der Netzeinspeisung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass die erzeugte regenerative Energie vollständig in ein lokales Netz eingespeist wird und die dort nicht benötigte Energiemenge zur Elektrolyse genutzt wird, • dass der erzeugte Wasserstoff komprimiert und in einem Druckbehälter gespeichert wird, • dass, wenn im lokalen Netz mehr Energie benötigt wird, als aktuell gewonnen werden kann, die Differenz aus dem Wasserstoffspeicher mittels Brennstoffzelle generiert und zur Verfügung gestellt wird, • dass bei vollständiger Füllung der Wasserstoffspeicher und Energieüberschuss im lokalen Netz, dieser in das öffentliche Netz eingespeist wird.

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