DE102019125200B4

DE102019125200B4 - Verfahren zum Steuern eines Speichersystems und Energie-Management-System für ein Speichersystem

Info

Publication number: DE102019125200B4
Application number: DE102019125200.8A
Authority: DE
Inventors: Harald Müller; Uwe Schmidt
Original assignee: IBC SOLAR AG
Current assignee: IBC SOLAR AG
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: DE102019125200A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Speichersystems (10), das mindestens eine Speichereinrichtung aufweist, die nach Maßgabe mindestens eines Verbrauchers (16) geladen und entladen wird, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung entladen wird, um Lastspitzen abzufangen, die durch mindestens einen Verbraucher (16) auftreten, um einen Energiebezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung zu vermeiden, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) eine erste festlegbare Last-Schwelle überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speichereinrichtung in Vorbereitung auf einen drohenden Leistungsbezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung bis zu einem festlegbaren Ladepegel geladen wird, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) eine zweite Last-Schwelle überschreitet, wobei- die zweite Last-Schwelle kleiner ist als die erste Last-Schwelle,- die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten der zweiten Last-Schwelle mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen wird, ohne dabei die erste Lastschwelle zu überschreiten,- die zweite Last-Schwelle nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt wird, und- die Berechnung der zweiten Last-Schwelle kontinuierlich erfolgt.

Description

Es werden ein Verfahren zum Steuern eines Speichersystems und ein Energie-Management-System für ein Speichersystem beschrieben. Das Verfahren und das Energie-Management-System ermöglichen eine Lastspitzenkappung zusätzlich zum Betrieb des Speichersystems mit einer anderen Speicherfunktion (bspw. Eigenverbrauchsoptimierung etc.) bei effizienter Ausnutzung einer oder mehrerer Speichereinrichtungen.
Hintergrund
Speichersysteme umfassen mindestens einen Energiespeicher, der von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung mit Energie versorgt werden kann. Energieversorgungseinrichtungen können ein Energieversorgungsnetz („Stromnetz“), ein Generator (z.B. Dieselgenerator), ein Kraftwerk, ein Blockheizkraftwerk (BHKW) oder regenerative Erzeugungseinrichtungen (z.B. Photovoltaikanlagen, Windräder, etc.) sein. Es kann sich dabei weiter um netzgekoppelte Systeme oder Inselsysteme handeln, wobei die Energieversorgung bei einem netzgekoppelten System über ein Energieversorgungsnetz und bei einem Inselsystem unabhängig von einem Energieversorgungsnetz, insbesondere autark, erfolgen kann. Sowohl bei Inselsystemen als auch bei netzgekoppelten Systemen kann eine zusätzlich Energieversorgungseinrichtung vorgesehen sein, die zum Laden mindestens eines Energiespeichers und/oder zur Versorgung mindestens eines Verbrauchers dient, der mit dem mindestens einen Energiespeicher gekoppelt ist. Inselsysteme können zur lokalen Energieversorgung eines Haushalts, eines Betriebs, eines Stadtteils, eines (Industrie-)Gebiets etc. und einer Gruppe solcher Einheiten dienen, wobei diese von einer zentralen Energieversorgungseinrichtung (z.B. Stromnetz) entkoppelt oder entkoppelbar sind. Im Weiteren können diese Einheiten als Last zusammengefasst werden. Für solche Lasten kann über das nachfolgend beschriebene Konzept eine Lastspitzkappung über ein zugeordnetes Speichersystem zusätzlich zu einer weiteren Speicherfunktion durchgeführt werden.
Der mindestens eine Energiespeicher wird über die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung geladen und kann im Fall des Überschreitens einer Lastschwelle für eine Lastspitzenkappung dienen.
Stand der Technik
Es ist üblich, Speichersysteme für eine Vielzahl von Funktionen zu nutzen, wie beispielsweise Eigenverbrauchsoptimierung (EV-Optimierung; EVO), Lastspitzenkappung (Peak-Shaving), Notstromversorgung, etc. Bei einer Eigenverbrauchsoptimierung wird versucht möglichst wenig Energie aus einem Energieversorgungsnetz zu beziehen, wobei hierzu der Energiespeicher häufig geringe Ladezustände (SOC - state of charge) aufweist. Bei einer Lastspitzenkappung werden Lastspitzen durch den Energiespeicher gedeckt, sodass es zu keinem Überschreiten eines durch das Energieversorgungsnetz bereitgestellten maximalen Lastwertes kommt. Der Grund hierfür besteht darin, dass bei Lastspitzen durch den erhöhten Leistungsbedarf ein deutlich höherer Leistungspreis an einen Netzbetreiber gezahlt werden muss. Für die Funktion Lastspitzenkappung ist regulär ein geladener Energiespeicher notwendig, der genügend Kapazität zur Verfügung hat, um die auftretenden Leistungsspitzen abzufangen.
Bei den bekannten Funktionen für Speichersysteme ist es aber in der Regel so, dass diese die verschiedenen Funktionen, insbesondere Lastspitzenkappung und Eigenverbrauchsoptimierung, nicht gleichzeitig erfüllen können oder, falls doch, die verfügbare Kapazität des Energiespeichers den einzelnen Funktionen fest zugeordnet wird.
Bei einem Industriebetrieb mittlerer Größe kann die verfügbare Kapazität eines Energiespeichers z.B. je zur Hälfte zwischen den Funktionen Eigenverbrauchsoptimierung und Lastspitzenkappung (Peak-Shaving) aufgeteilt werden. Diese feste Aufteilung kann dazu führen, dass ein Energiespeicher sehr groß und damit teuer wird und dass z.B. wegen des Lastgangs und fehlendem PV-Überschuss (PV - Photovoltaik) unter der Woche der für die EV-Optimierung reservierte Bereich nicht genutzt wird. Gleichzeitig ist die Wahrscheinlichkeit einer Spitzenlast unter der Woche wesentlich höher als am Wochenende, wobei in diesem Beispiel aber nur 50% der nutzbaren Kapazität dafür genutzt werden dürfen.
Aus US 2013/0099751 A1 ist eine Ladungs-/Entladungssteuervorrichtung bekannt, die eine Schätzungseinheit aufweist, welche die Menge des Stromverbrauchs für jede Zeiteinheitsperiode schätzt. Eine Steuereinheit für eine wiederaufladbare Batterie steuert die wiederaufladbare Batterie so, dass auf der Grundlage des Ergebnisses der Schätzung eine überschreitende Leistungsmenge, die der Leistungsmenge entspricht, die eine Zielmenge an Leistung während einer Zeiteinheitsperiode überschreitet, in die Batterie geladen wird, und Leistung aus der Batterie während einer Zeitzone, in der die Zielmenge an Leistung überschritten wird, entladen wird. Wenn die Batterie über den oberen Grenzwert hinaus aufgeladen werden muss, lädt die Steuereinheit die Batterie bis zum oberen Grenzwert während einer Zeitzone, in der die geschätzte Leistungsaufnahmemenge gering ist, und die Leistungsmenge, die den oberen Grenzwert überschreitet, wird während einer Zeitzone aufgeladen, die nahe an der Zeitzone liegt, in der die Zielleistungsmenge überschritten wird. Dabei erfolgt das Laden des Energiespeichers insbesondere nachts, weil der Strompreis und die Leistungsaufnahme gering sind. Die Schätzung des Stromverbrauchs für den nächsten Tag erfolgt auf Basis der Außentemperatur.
US 2019/0056451 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Steuerung von Batterie-Energiespeichersystemen (BESS), einschließlich der Bestimmung des historischen Mindestladezustands (SOC) für die Spitzenlast eines Vortags auf der Grundlage historischer Photovoltaik (PV)/Lastprofile, historischer Lastladeschwellenwerte (DCT) und der Batteriekapazität der BESS. Ein minimaler SOC für die Spitzenlastabschirmung eines nächsten Tages wird geschätzt, indem ein gewichteter Mittelwert auf der Grundlage des historischen minimalen SOC erzeugt wird, und optimale Lade-/Entladeprofile für vorbestimmte Intervalle werden auf der Grundlage der geschätzten PV/Lastprofile für einen nächsten ausgewählten Zeitraum und der Netzeinspeisebegrenzungen erzeugt. Kontinuierliche optimale Lade-/Entladefunktionen werden für das eine oder die mehreren BESS unter Verwendung eines Echtzeit-Controllers bereitgestellt, der so konfiguriert ist, dass die optimalen Lade-/Entladeprofile außer Kraft gesetzt werden, wenn eine hohe PV-Überschusserzeugung, ein Spitzenlastabschattungsereignis oder eine Verletzung der Einspeisegrenze festgestellt wird.
Aufgabe
Demgegenüber besteht die Aufgabe darin, die Funktion der Lastspitzenkappung und zusätzlich mindestens eine weitere Funktion (z.B. EVO) für ein Speichersystem bereitzustellen, wobei die jeweiligen Funktionen erfüllt werden können und eine Speichereinrichtung für beide oder mehrere Funktionen in einem optimalen Bereich arbeiten kann.
Lösung
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern eines Speichersystems gelöst, das mindestens eine Speichereinrichtung aufweist, die nach Maßgabe mindestens eines Verbrauchers geladen und entladen wird, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung entladen wird, um Lastspitzen abzufangen, die durch mindestens einen Verbraucher auftreten, um einen Energiebezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung zu vermeiden, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbraucher eine erste festlegbare Last-Schwelle überschreitet, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung in Vorbereitung auf einen drohenden Leistungsbezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung bis zu einem festlegbaren Ladepegel geladen wird, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers eine zweite Last-Schwelle überschreitet, wobei die zweite Last-Schwelle kleiner ist als die erste Last-Schwelle, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten der zweiten Last-Schwelle mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen wird, ohne dabei die erste Lastschwelle zu überschreiten, wobei die zweite Last-Schwelle nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt wird, und wobei die Berechnung der zweiten Last-Schwelle kontinuierlich erfolgt.
Zusätzlich zu der ersten Last-Schwelle (Peak-Shaving-Schwelle - PSS) wird eine zweite, niedrigere Last-Schwelle (Peak-Shaving-Vorbereitungs-Schwelle - PSVS) für die „drohende Netzbezugsleistung“ verwendet, bei deren Überschreitung eine Steuerung, die beispielsweise in einem Energie-Management-System (EMS) implementiert ist, das Speichersystem auf eine mögliche Leistungsspitze vorbereitet, in dem es die mindestens eine Speichereinrichtung so schnell wie möglich und unabhängig von der Quelle bzw. der Energieversorgungseinrichtung (Energieversorgungsnetz, lokale Erzeugung durch mindestens eine Energieerzeugungseinrichtung, etc.) belädt. Bei diesem Ladevorgang darf die erste Last-Schwelle (PSS) nicht überschritten werden.
Die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung kann für die Versorgung eines Verbrauchers als auch zum Laden der Speichereinrichtung dienen. Steigt der Bedarf des Verbrauchers an und überschreitet die erste Last-Schwelle wird die Lastspitze durch die Speichereinrichtung kompensiert. Es können aber auch mehrere Energieversorgungseinrichtungen vorgesehen sein, wobei eine Energieversorgungseinrichtung eine Grundlast deckt und andere Energieversorgungseinrichtungen zum Laden der Speichereinrichtung und/oder zur Versorgung mindestens eines Verbrauchers dienen. Es sind auch weitere Abwandlungen und Kombinationen möglich, welche die Versorgung der Komponenten eines solchen Systems betreffen.
Das Verfahren bietet die Möglichkeit, die Funktion Lastspitzenkappung dynamisch mit einer oder mehreren anderen Speicherfunktionen zu kombinieren und dabei die Speicherleistung und/oder die Speicherkapazität möglichst komplett auszunutzen.
Das Verfahren ermöglicht den Betrieb des Speichersystems für die Funktion Lastspitzenkappung zusammen mit einer oder mehreren anderen Speicherfunktionen. Die anderen Speicherfunktionen können beispielsweise Eigenverbrauchsoptimierung (EVO), Netzdienstleistungen, Schonbetrieb, Arbitage-Handel o. ä. umfassen. Das Verfahren ermöglicht es insbesondere sowohl für die Lastspitzenkappung als auch für eine andere Funktion, wie bspw. EVO, einen verhältnismäßig großen Anteil der Speicherkapazität der mindestens einen Speichereinrichtung (Energiespeicher) zu verwenden. Der Speicherbereich der Speichereinrichtung wird dabei nicht fest vergeben, sondern dynamisch genutzt.
Das Verfahren kann bspw. auch dazu genutzt werden, um eine Batterie als Speichereinrichtung nicht dauerhaft im für die Funktion Lastspitzenkappung notwendigen, hohen SOC-Bereich zu halten, da sonst eine verstärkte Alterung der Batterie droht (insbesondere bei Li-Batterien). Stattdessen wird die Batterie unter „normalen“ Bedingungen in einem für sie optimalen oder einer anderen Speicherfunktion dienlichen Bereich gefahren und nur dann aufgeladen, wenn sich eine Spitzenlast ankündigt.
Bei der Lastspitzenkappung-Vorbereitung geht es darum, das Speichersystem und insbesondere die mindestens eine Speichereinrichtung auf eine mögliche bzw. drohende Leistungsspitze vorzubereiten.
Liegt die Last mindestens eines Verbrauchers unter der zweiten Last-Schwelle, so kann der überwiegende Teil der Speicherkapazität für die EVO oder eine andere Funktion zur Verfügung stehen. In dieser Betriebsart können das Speichersystem und Verbraucher so betrieben werden, dass der Netzbezug von einem öffentlichen Energieversorgungsnetz möglichst gering ist. Steigt der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers an und überschreitet die zweite Lastschwelle, so wird der Speicher geladen, damit für eine drohende Lastspitze beim Überschreiten der ersten Last-Schwelle die mindestens eine Speichereinrichtung ausreichend geladen ist, um die Lastspitzenkappung durchzuführen. Hierzu wird bei Überschreiten der ersten Last-Schwelle die zusätzliche Energie bzw. die über der ersten Last-Schwelle liegende Last durch die in der mindestens einen Speichereinrichtung gespeicherten Energie bereitgestellt.
Fällt die Last wieder unter die erste Last-Schwelle, liegt jedoch über der zweiten Last-Schwelle, so wird weiterhin die mindestens eine Speichereinrichtung bis zu einem vorgebbaren Ladezustand (SOC - state of charge) geladen. Das Laden in dem Bereich zwischen der ersten Last-Schwelle und der zweiten Last-Schwelle kann sowohl über mindestens eine Energieerzeugungseinrichtung, bspw. eines Systems mit einer Photovoltaikanlage, als auch von außerhalb über ein Energieversorgungsnetz erfolgen. Das Laden in diesem Bereich erfolgt solange, bis der im Vorfeld festgelegte Ladezustand für die Lastspitzenkappung erreicht ist. Das Energieversorgungsnetz kann bspw. ein öffentliches Energieversorgungsnetz sein.
Fällt die Last unter die zweite Last-Schwelle, wird die Speichereinrichtung beispielsweise wieder in der anderen Speicherfunktion, bspw. EVO, solange betrieben, bis die Last die zweite Last-Schwelle überschreitet.
Es ist dabei zu berücksichtigen, dass der Abstand zwischen der zweiten Last-Schwelle und der ersten Last-Schwelle groß genug ist, dass in der verbleibenden Zeit bis zum möglichen Überschreiten der ersten Last-Schwelle der Energiespeicher bzw. die mindestens eine Speichereinrichtung bis zu einem vorgebbaren Mindest-Ladezustand geladen werden kann. Hierzu sind die maximale Ladeleistung des Energiespeichers und die erste Last-Schwelle zu berücksichtigen.
Es muss im Vorfeld festgelegt werden, bis zu welchem Maß ein Laden der mindestens einen Speichereinrichtung erfolgen muss. Der Ladezustand des Energiespeichers im Fall eines Überschreitens der ersten Last-Schwelle muss daher im Vorfeld festgelegt werden. Es kann hierzu anhand der bekannten Verbraucher des Speichersystems festgelegt werden, wie groß der maximale Energiebedarf höchstens sein kann. Alternativ oder zusätzlich können aus historischen Daten Rückschlüsse gezogen werden, wie hoch Lastspitzen ausfallen können.
Ferner müssen sowohl die erste Last-Schwelle als auch die zweite Last-Schwelle definiert werden, wobei die zweite Last-Schwelle sich auch dynamisch verändern kann, bspw. in Abhängigkeit des SOC der mindestens einen Speichereinrichtung. Die erste Last-Schwelle und die zweite Last-Schwelle können aus historischen Daten ermittelt werden, wobei insbesondere auch der Abstand zwischen der ersten Last-Schwelle und der zweiten Last-Schwelle bestimmt werden kann. Der maximal mögliche Anstieg der Last für eine drohende Netzbezugsleistung aus einem Energieversorgungsnetz ist weiterhin ein Wert, der im Vorfeld ermittelt werden muss. Auch hierzu können historische Daten verwendet werden, um eine Aussage darüber treffen zu können, wie stark ein Anstieg maximal sein darf und kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann anhand der vorhandenen Verbraucher bestimmt werden, wie stark ein Leistungsanstieg maximal sein kann, wobei sich hieraus auch der zeitliche Abstand zwischen dem Überschreiten der zweiten Last-Schwelle und der ersten Last-Schwelle definieren lässt bzw. der Abstand zwischen diesen beiden Last-Schwellen festgelegt wird.
Für die Durchführung des Verfahrens kann daher eine umfassende Lastganganalyse und Auslegung der mindestens einen Speichereinrichtung erforderlich sein, um die entsprechenden Werte für die Parameter zu ermitteln.
Eine Energieerzeugungseinrichtung als Energieversorgungseinrichtung, bspw. des Speichersystems, kann eine Energieerzeugungseinrichtung für regenerative Energien sein, bspw. eine Photovoltaikanlage, ein Windrad, eine Wasserkraft- oder Gezeitenkraftanlage etc. Energieerzeugungseinrichtungen als Energieversorgungseinrichtungen können auch Generatoren oder Kraftwerke umfassen. Energieerzeugungseinrichtungen als Energieversorgungseinrichtungen können auch Blockheizkraftwerke (BHKW) und ähnliche Kraftwerkstypen umfassen. In den Kraftwerken kann die Energieerzeugung durch Verbrennung fossiler oder regenerativer Energieträger erfolgen.
Das Speichersystem kann bspw. so ausgebildet sein, dass dieses an sich ein autarkes System bildet, das zwar mit einem (öffentlichen) Energieerzeugungs- oder Energieversorgungsnetz verbunden ist, und in dieses Energie einspeisen sowie hieraus Energie beziehen kann, aber in der Lage ist, selbst für die Energieversorgung zu sorgen. Es ist dabei auch im Rahmen der vorliegenden Lehre möglich, dass eine Grundlast vom Energieversorgungsnetz bereitgestellt wird. Wesentlich ist es, dass eine vom Energieversorgungsnetz bezogene Leistung eine festlegbare Schwelle nicht überschreitet, damit es zu keiner Kostenerhöhung durch den Leistungspreis kommt. Die auftretenden Lastspitzen werden daher stets durch das Speichersystem getragen, wobei hierzu eine Grundlast weiterhin durch eine Energieversorgungseinrichtung, bspw. ein Energieversorgungsnetz, bereitgestellt werden kann.
Die zweite Last-Schwelle kann fix und zeitgesteuert definiert (Worst-Case-Szenario in Abstimmung auf erwartete Spitzenlast) oder in Abhängigkeit der aktuellen Situation dynamisch bestimmt werden.
Die zweite Last-Schwelle wird nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands (SOC) der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt. Der Ladezustand eines Energiespeichers bzw. der mindestens einen Speichereinrichtung kann variieren, wenn die mindestens eine Speichereinrichtung auch für andere Funktionen, wie beispielsweise EVO, genutzt wird. Anhand eines im Vorfeld festgelegten maximalen Lastanstiegs und des zu erreichenden Mindest-Ladezustands für die mindestens eine Speichereinrichtung bei Eintreten einer Lastspitzenkappung, d. h. Überschreiten der ersten Last-Schwelle, kann die Energiemenge berechnet werden, welche zusätzlich in die Speichereinrichtung geladen werden muss, um den erforderlichen Mindest-Ladezustand zu erreichen. Da der aktuelle Ladezustand der Speichereinrichtung beispielsweise bei EVO jedoch variiert, kann auch die zweite Last-Schwelle variieren. Die zweite Last-Schwelle muss daher immer wieder neu berechnet werden. Die Berechnung erfolgt kontinuierlich. Der Vorteil liegt darin, dass die Speichereinrichtung länger bzw. öfter für andere Funktionen (z.B. EVO) zur Verfügung steht.
Das Laden der mindestens einen Speichereinrichtung in Vorbereitung auf einen drohende Spitzenlast bzw. Netzbezug aus einem Energieversorgungsnetz kann nach Maßgabe eines maximal möglichen Lastanstiegs festgelegt werden, wenn der Energiebedarf des Speichersystems die zweite Last-Schwelle überschreitet, wobei auch der mögliche Zeitpunkt des Überschreitens der ersten Last-Schwelle bestimmt wird. Für das Verfahren ist es wesentlich zu wissen, wann möglicherweise das Überschreiten der ersten Last-Schwelle erfolgt. Zudem muss festgelegt werden, wann mit dem Laden des Energiespeichers zum Erreichen des Mindest-Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung begonnen werden muss. Dies trifft sowohl für eine konstante als auch für eine dynamische zweite Last-Schwelle zu. Der maximale Lastanstieg kann als Wert vorgegeben werden, wodurch nach dem Überschreiten der zweiten Last-Schwelle in Kenntnis des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung der frühestmögliche Zeitpunkt bis zum Erreichen der ersten Last-Schwelle berechnet werden kann.
In weiteren Ausführungen kann anhand des maximal möglichen Lastanstiegs nach Überschreiten der zweiten Last-Schwelle der Zeitpunkt festgelegt werden, ab wann das Laden der mindestens einen Speichereinrichtung erfolgt.
Der maximale Lastanstieg kann als fixer Wert definiert werden. Dies erlaubt eine einfache Berechnung des frühestmöglichen Eintritts einer Überschreitung der ersten Last-Schwelle (PSS).
Zur Bestimmung der zweiten Last-Schwelle (PSVS) gibt es 2 Möglichkeiten:

1) Bei einer konstanten zweiten Last-Schwelle (PSVS) ist der Abstand zwischen der zweiten Last-Schwelle und der ersten Last-Schwelle so gewählt, dass unter Berücksichtigung des maximalen Lastanstiegs und der maximal zur Verfügung stehenden Ladeleistung die unter ungünstigsten Umständen benötigte Energiemenge in die mindestens eine Speichereinrichtung geladen werden kann. Der aktuelle SOC wird dabei nicht berücksichtigt.
2) Bei der Variante der dynamisch berechneten zweiten Last-Schwelle (PSVS) kann die nachzuladende Energiemenge in Abhängigkeit des aktuellen SOC der mindestens einen Speichereinrichtung berechnet werden. Dadurch erhöht sich die zweite Lastschwelle (PSVS).

Bei beiden Varianten wird die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten der zweiten Last-Schwelle (PSVS) mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen, ohne dabei die erste Lastschwelle (PSS) zu überschreiten.
In der Regel wird versucht, die zweite Last-Schwelle (PSVS) soweit anzuheben bzw. an die erste Last-Schwelle (PSS) anzunähern, damit die Speichereinrichtung möglichst lange für andere Funktionen als das Peak-Shaving verwendet werden kann.
In weiteren Ausführungen kann in einem ersten Abschnitt eines Intervalls zwischen dem Beginn des Ladens und dem Überschreiten der ersten Last-Schwelle (PSS) die mindestens eine Speichereinrichtung mit einer maximalen Ladeleistung und in einem zweiten Abschnitt des Intervalls die mindestens eine Speichereinrichtung mit einer abnehmenden Ladeleistung geladen werden, um die erste Last-Schwelle nicht zu überschreiten. Dadurch kann schnell auf einen möglichen Lastanstieg und einen drohenden Netzbezug reagiert werden.
Dabei kann ferner der Zeitpunkt, welcher den Übergang zwischen dem ersten Abschnitt des Intervalls und dem zweiten Abschnitt des Intervalls angibt, nach Maßgabe des maximal möglichen Lastanstiegs berechnet werden.
In weiteren Ausführungen kann die mindestens eine Speichereinrichtung nach dem Überschreiten der zweiten Last-Schwelle über mindestens eine Energieerzeugungseinrichtung und/oder ein Energieversorgungsnetz geladen werden. Das Laden über ein Energieversorgungsnetz (z.B. „Stromnetz“) kann so lange erfolgen, wie die über das Energieversorgungsnetz bezogene Leistung unterhalb der ersten Last-Schwelle liegt. Danach kann die Ladeleistung reduziert werden.
Es ist möglich, den maximal möglichen Lastanstieg aus historischen Lastanstiegen zu ermitteln, wobei bspw. historische Daten mindestens eines Verbrauchers herangezogen werden. Für ein Speichersystem können zum Beispiel aus ähnlichen Systemen die dort auftretenden maximalen Lastanstiege für die Festlegung des maximal möglichen Lastanstiegs des Speichersystems und von Verbraucher herangezogen werden. Es ist dafür natürlich notwendig, dass die Verbraucher einander entsprechen, damit die Werte übertragbar sind. Auch für das Speichersystem selbst können aus historischen Daten Informationen über den möglichen maximalen Lastanstieg gewonnen werden. Es ist darüber hinaus auch möglich, anhand der zur Verfügung stehenden Verbraucher einen maximalen Lastanstieg zu ermitteln, da bspw. deren Leistung sowie deren Betriebsweise und damit die möglichen Lastspitzen bekannt sind.
In weiteren Ausführungen kann die weitere Speicherfunktion der mindestens einen Speichereinrichtung eine Eigenverbrauchsoptimierung umfassen und die mindestens eine Speichereinrichtung in der Betriebsart Eigenverbrauchsoptimierung betrieben werden, wenn der Leistungsbedarf mindestens eines Verbrauchers unterhalb der zweiten Last-Schwelle (PSVS) liegt, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung geladen wird, wenn eine Einspeisung der durch mindestens eine Energieerzeugungseinrichtung erzeugten Energie in ein Energieversorgungsnetz droht, und wobei die mindestens eine Speichereinrichtung entladen wird, wenn ein Energiebezug aus dem Energieversorgungsnetz droht.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Speichersystem mit mindestens einer Speichereinrichtung gelöst, wobei das Speichersystem mit mindestens einer Energieversorgungseinrichtung und mindestens einem Verbraucher verbunden ist und der mindestens einen Speichereinrichtung Energie von der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung zu- und/oder abführbar ist, wobei Lastspitzen des mindestens einen Verbrauchers zur Vermeidung eines Energiebezugs von der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung durch die mindestens eine Speichereinrichtung abgefangen werden, wenn der Energiebedarf des mindestens einen Verbrauchers eine erste festlegbare Last-Schwelle überschreitet, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten einer zweiten Last-Schwelle mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen wird, ohne dabei die erste Lastschwelle zu überschreiten, die zweite Last-Schwelle nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt wird, die Berechnung der zweiten Last-Schwelle kontinuierlich erfolgt, und wobei das Energie-Management-System dazu ausgebildet ist, eines der vorstehend beschriebenen Verfahren auszuführen.
Hierbei ergeben sich für das Speichersystem die gleichen Vorteile, wie vorstehend für das Verfahren angegeben.
Die Ausbildung des Speichersystems kann verschiedenartig sein. Es kann sich, wie bereits eingangs erwähnt, um ein Inselsystem oder um ein netzgebundenes System handeln. Im Weiteren kann die Energieversorgung des Speichersystems und mit dem Speichersystem verbundener Verbraucher über mindestens eine Energieversorgungseinrichtung erfolgen, die beispielsweise regenerative Erzeugungseinrichtungen umfasst. Es ist auch möglich, dass über konventionelle Energieversorgungseinrichtungen, beispielsweise einen Generator, ein Kraftwerk etc. zusätzlich oder alternativ zu einer Energieversorgung über ein Netz („Stromnetz“) eine Versorgung der Verbraucher und der mindestens einen Speichereinrichtung erfolgt. In einem Lastspitzen-Vorbereitungsmodus kann das Laden auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann die mindestens eine Speichereinrichtung über ein Stromnetz, über regenerative Versorgungseinrichtungen oder konventionelle Energieversorgungseinrichtungen, wie ein Kraftwerk, ein Generator etc., geladen werden.
Die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung kann ein Energieversorgungsnetz, ein Generator, ein Kraftwerk, ein Blockheizkraftwerk und/oder eine regenerative Erzeugungseinrichtung sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigt:

1 eine schematische Zusammenfassung von Lasten und Energieerzeugung/-versorgung in einem Bilanzkreis;
2 eine schematische Darstellung eines vereinfachten Bilanzkreises;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Bilanzkreises;
4 eine schematische Darstellung eines möglichen Ablaufs einer Kombination aus EVO und PS bei konstanter zweiter Last-Schwelle;
5 eine beispielhafte Bestimmung der für das Peak-Shaving notwendigen (E_{PS_notw}) und der nachzuladenden Energiemenge E_{Nachladung_notw};
6 eine beispielhafte Bestimmung der verbleibenden Zeit t₁ bis zum Peak-Shaving-Ereignis;
7 eine beispielhafte Bestimmung der zweiten Last-Schwelle PSVS₀;
8 Unterschiedliche Verläufe bei fixer oder variabler Berechnung der zweiten Last-Schwelle PSVS;
9 eine grundsätzliche Berechnung der zweiten Last-Schwelle PSVS;
10 eine beispielhafte Berechnung der verbleibenden Zeit bis zum Peak-Shaving (t₁);
11 eine beispielhafte Berechnung der nachladbaren Energie E_{Nachladung_mögl};
12 eine beispielhafte Berechnung der nachladbaren Energie E_{Nachladung_mögl,2};
13 eine beispielhafte Berechnung der nachladbaren Energie E_{Nachladung_mögl,1};
14 eine beispielhafte Berechnung PSVS, Fall 1:
- E_{Nachladung_notw} < E_{Nachladung_mögl},₂; und
15 eine beispielhafte Berechnung PSVS, Fall 2:
- E_{Nachladung_notw} > E_{Nachladung_mögl,2}.

In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Darüber hinaus wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Elemente selbst und deren Funktion bereits beschrieben wurden oder für einen Fachmann bekannt sind.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den 1-15 werden verschiedene Bestandteile eines Konzepts zum Mehrfachnutzen von Speichersystemen beschrieben. Das Konzept und das davon umfasste Verfahren ermöglichen auch Batterien von Speichereinrichtungen in einem sogenannten Peak-Shaving-Modus PS (Lastspitzenkappung) zu schonen, da die Batterien nicht mehr einen bestimmten Ladezustand (SOC) aufrechterhalten müssen. Konventionelle Speichersysteme, die für die Funktion einer Lastspitzenkappung ausgebildet sind, halten einen Energiespeicher (z.B. Lithium-Batterie) dauerhaft mindestens auf einem definierten Level, damit im Fall einer Spitzenlast die Batterie ausreichend Energie zur Deckung der Spitzenlast bereitstellen kann. Speichersysteme werden häufig auch dazu eingesetzt, um eine Eigenverbrauchsoptimierung (EVO) zu erreichen. Dabei wird die über ein Energieversorgungsnetz bereitgestellte Energie möglichst auf ein geringes Maß beschränkt, wobei hierfür über eigene Energieerzeugungseinrichtungen (lokale Erzeugung), die mit dem Speichersystem verbunden sind, die Energieversorgung und ein Laden des Energiespeichers erfolgen. Bei konventionellen Speichersystemen ist der Energiespeicher so ausgelegt, dass sowohl für das Peak-Shaving PS als auch für die Eigenverbrauchsoptimierung EVO eine ausreichende Speicherkapazität des Energiespeichers zur Verfügung steht. In der Regel ist der Energiespeicher daher sehr groß ausgebildet und weist eine hohe Speicherkapazität auf. Ein solcher Energiespeicher ist in der Anschaffung sehr teuer und unterliegt frühzeitig Alterungsprozessen, weil der Energiespeicher im Wesentlichen nur in einem Teilbereich seiner Speicherkapazität geladen und entladen wird. Das Laden des Energiespeichers und die Versorgung von Verbrauchern konventioneller Speichersysteme können über regenerative Energieerzeugungseinrichtungen, wie Photovoltaikanlagen, Windrädern etc. sowie über herkömmliche Energieversorgungseinrichtungen und über Energieversorgungsnetze erfolgen.
Das hier vorgeschlagene neuartige Konzept bietet die Möglichkeit den Speicherbereich einer Speichereinrichtung, beispielsweise eines Energiespeichers in Form einer Batterie, nicht fest zu vergeben, sondern dynamisch zu nutzen. Dadurch kann der Energiespeicher kleiner ausgeführt werden, wodurch die Kosten für den Energiespeicher sinken und/oder der Energiespeicher über einen längeren Zeitraum verwendet werden kann. Das hierin beschriebene Konzept nutzt die Tatsache, dass ein Lastanstieg, welcher zu einer Spitzenlast führen kann, sich voraussagen lässt oder zumindest ankündigt, wobei der Energiespeicher für die jeweilige Funktion (z.B. PS oder EVO) vorbereitet werden kann.
Wie eingangs beschrieben wird die Funktion „Peak-Shaving-Vorbereitung (PSV)“ dazu verwendet, um das Speichersystem auf eine mögliche/drohende Leistungsspitze vorzubereiten.
Die eigentliche Peak-Shaving-Funktion PS besteht darin, dass eine Spitzenleistung (Peak) aus der Last durch ein kontrolliertes Entladen des Speichers nicht an das Energieversorgungsnetz weitergegeben wird. Dazu ist es notwendig, dass der Energiespeicher zu Beginn der Überschreitung der Peak-Shaving-Schwelle PSS eine im Vorfeld festgelegte Energiemenge E_{PS_notw} bevorratet, um den Peak auszugleichen bzw. ausreichend geladen ist. Dazu können eine umfassende Lastganganalyse und Auslegung des Speichers erfolgen. Es können auch Vereinbarungen mit einem Betreiber eines Systems 10 getroffen werden, wobei diese Werte festgelegt werden.
Die für das PS festzulegenden Werte sind:

- PSS Peak-Shaving-Schwelle (kW)
- E_{PS_notw} Energiemenge, die für das PS benötigt wird
- m_PDN,max maximal möglicher Anstieg der drohenden Netzbezugsleistung

Der Fokus des Konzepts liegt in der dynamischen Verwendung des Speicherbereichs eines Energiespeichers eines Systems 10, so dass auf die PS-Funktion nicht weiter eingegangen wird. Nach Überschreiten einer ersten Last-Schwelle, die im Folgenden als Peak-Shaving-Schwelle PSS bezeichnet wird, erfolgt die Peak-Shaving-Funktion PS, wobei auftretende Lastspitzen durch die im Energiespeicher gespeicherte Energie gedeckt werden. Die Funktion der Lastspitzenkappung bzw. Peak-Shaving PS ist bekannt.
Grundsätzlich eignet sich das Konzept für Speichersysteme verschiedener Ausbildung, die zur Energieversorgung mindestens eines Verbrauchers (Last) vorgesehen sind, wobei das Laden mindestens einer Speichereinrichtung über mindestens eine Energieversorgungseinrichtung erfolgt. Für die von der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung bezogene Leistung soll dabei eine Lastspitzenkappung durchgeführt werden, wenn ein Bezug hierüber bei Lastspitzen droht. Als Energieversorgungseinrichtungen eignen sich sämtliche Einrichtungen, die zur Energieversorgung dienen. Es kann bspw. eine Energieversorgung über lokale Energieerzeugungseinrichtungen und/oder über ein Energieversorgungsnetz erfolgen.
Die in den 1 bis 3 für die dargestellten Ausführungsbeispiele dargestellten Bilanzkreise lassen sich auch für die vorstehend beschriebenen Speichersysteme übertragen, ohne vom Konzept der Lastspitzkappung bei einer weiteren Speicherfunktion abzuweichen.
Das in den Figuren dargestellte System 10 ist beispielhaft. Die Energieversorgungseinrichtung 20 kann beispielsweise ein Energieversorgungsnetz oder auch ein Kraftwerk oder eine regenerative Erzeugungseinrichtung sein. Der Verbraucher 16 ist repräsentativ für die Summe aller Verbraucher des Bilanzkreises 1. Die Energieerzeugungseinrichtung 14 ist repräsentativ für die Summe aller Energieerzeugungseinrichtungen des Bilanzkreises 1. Es ist offensichtlich, dass der Bilanzkreis 1 mehrere oder weniger Komponenten umfassen kann. Ebenfalls kann der Bilanzkreis 1 auch ohne Energieerzeugungseinrichtungen 14 ausgebildet sein. Der Bilanzkreis 2 kann in weiteren Ausführungen mehrere Speichersysteme 12 und/oder Bilanzkreise 1 umfassen. Darüber hinaus ist das Speichersystem 12 repräsentativ für die Summe aller Energiespeicher bzw. Speichereinrichtungen des Bilanzkreises 2.
Für die PSV-Funktion können für das beispielhafte System 10 mit einem Speichersystem 12, welches mindestens einen Energiespeicher aufweist, mindestens einer Energieerzeugungseinrichtung 14 (lokale Erzeugung durch Photovoltaik PV, Windenenergie, BHKW, etc.) und mindestens einem Verbraucher 16, ein erster Bilanzkreis 1 und ein zweiter Bilanzkreis 2 zur Ermittlung der Lasten herangezogen werden.
Drohende Netzbezugsleistung P_DN
1 zeigt einen Bilanzkreis 1 und einen Bilanzkreis 2, welche die Lastleistungen des Systems 10 und der mit dem System 10 verbundenen Energieversorgungseinrichtung 20 zeigen.
Zur Ermittlung der Werte für ein Verfahren zur Steuerung des Speichersystems 12 wird in einem ersten Schritt der Bilanzkreis 1 über sämtliche Lastleistungen und sämtliche lokalen Erzeugerleistungen (z.B. aus PV, Wind, BHKW, ...) gezogen und schließlich die sich daraus ergebende Leistung P_DN bestimmt. Daraus ergibt sich eine vereinfachte Darstellung des Bilanzkreises 2, wie in 2 gezeigt.
Die Berechnung ergibt sich aus folgender Formel, wobei P_DN die drohende Netzbezugsleistung, P_Last die Verbrauchsleistung und P_LE die lokale Erzeugerleistung ist. $P_{D N} = \sum P_{L a s t} - \sum P_{L E}$
Die Leistung P_DN ist die Leistung, die der Energieversorgungseinrichtung 20 (z.B. einem Energieversorgungsnetz) entnommen wird bzw. in die Energieversorgungseinrichtung 20 eingespeist würde für den Fall, dass kein Gegensteuern aus dem Speichersystem 12 erfolgt. Daher wird diese Leistung als „drohende“ Netzbezugsleistung P_DN für das hier beschriebene Beispiel mit einem Energieversorgungsnetz als Energieversorgungseinrichtung 20 bezeichnet. Daraus ergibt sich eine vereinfachte Zusammenfassung, wie in 2 gezeigt.
Die „drohende“ Netzbezugsleistung P_DN kann positiv oder negativ sein. Darin bedeutet:

- P_DN > 0: drohender Netzbezug
- P_DN < 0: drohende Einspeisung

3 zeigt eine weitere Darstellung eines Bilanzkreises für das hierin beschriebene Konzept. Für die hierin beschriebene Funktion des Mehrfachnutzens eines Energiespeichers oder eines Speichersystems 12 mit Peak-Shaving ist eine lokale Erzeugungsanlage (vgl. Energieerzeugungseinrichtungen 14) und auch eine lokale Last (vgl. Verbraucher 16) nicht zwingend erforderlich. Die Eingangsgröße für die hier beschriebene Regelung („drohende“ Netzbezugsleistung“ PDN) kann auch aus einer vorgelagerten Energieversorgungseinrichtung (z.B. „Netz“) kommen.
Batterieleistung P_Bat
Die Batterieleistung P_Bat ist die Leistung, die dem Energiespeicher, bspw. einer Lithium-Batterie, beim Laden zugeführt bzw. beim Entladen entnommen wird. Das Vorzeichen ist wie folgt definiert:

- Batterie Laden: P_Bat > 0
- Batterie Entladen: P_Bat < 0

Die Energiespeicher- bzw. Batterieleistung kann innerhalb der Grenzen (max. Ladeleistung, max. Entladeleistung) frei gewählt werden und dient als Stellgröße.
Netzbezugsleistung P_Netz
Die wirkliche Netzbezugsleistung P_Netz ist diejenige Leistung, die dem Energieversorgungsnetz tatsächlich entnommen wird. Sie ist mit der drohenden Netzbezugsleistung P_DN wie folgt verknüpft: $P_{N e t z} = P_{D N} + P_{B a t}$
Im Falle einer Einspeisung in das Energieversorgungsnetz fällt die Netzbezugsleistung negativ aus.
maximal möglicher Anstieg der drohenden Netzbezugsleistung m_PDN,max
Der Zeitpunkt einer Spitzenlast lässt sich oft nur schwer vorhersagen. Um sich aber trotzdem auf eine Spitzenlast vorbereiten zu können, wird aus der Lastganganalyse der maximale mögliche Anstieg der Leistung P_DN (im Folgenden m_PDN,max genannt) bestimmt. Der maximal mögliche Anstieg der Leistung P_DN kann im Vorfeld, bspw. mit dem Betreiber des Speichersystems 12, fest vereinbart werden. Es kann sich jedoch auch anhand der Verbraucher bestimmen lassen, welcher maximal mögliche Anstieg m_PDN,max der Leistung auftreten kann. Die Verbrauchswerte und Kennzahlen der Verbraucher 16 sind bekannt, sodass für sämtliche Zustände sich ein maximal möglicher Anstieg m_PDN,max errechnen lässt. In der Regel ist es jedoch hilfreich, historische Daten zu aufgetretenen Lastspitzen zu verwenden, um einen maximal möglichen Anstieg m_PDN,max zu ermitteln und festzulegen. Dabei kann auch eine Sicherheit mit eingerechnet werden, sodass sichergestellt ist, dass es zu keinem Unterschreiten eines Mindest-Ladezustands des Energiespeichers kommt.
Anhand des festgelegten maximalen Anstiegs m_PDN,max kann dann in Verbindung mit der aktuellen drohenden Netzbezugsleistung P_DN,0 berechnet werden, wieviel Zeit verbleibt, bis eine mögliche Überschreitung der PSS erreicht wird.
Funktion „Peak-Shaving-Vorbereitung - PSV“ - Konzept
Die Funktion „Peak-Shaving-Vorbereitung“ (PSV) besteht darin, dass sobald die drohende Netzbezugsleistung P_DN eine PS-Vorbereitungsschwelle (PSVS) überschreitet, das Speichersystem 12 bzw. der Energiespeicher geladen wird, um die für das PS notwendige Energie E_{PS_notwendig} bereitstellen zu können.
4 zeigt ein Zeit-Diagramm, bei dem ein Energiespeicher die Funktionen EVO (schwach gepunkteter Bereich) und PS (stärker gepunktete Bereiche in der Mitte) erfüllt. Das Diagramm zeigt die PSV-Funktion mit einer konstanten zweiten Last-Schwelle, nachfolgend Peak-Shaving-Vorbereitungs-Schwelle PSVS bezeichnet. Als Eingangsgröße für die dargestellten Funktionen dient die drohende Netzbezugsleistung P_DN (doppelt ausgeführte Linie).
Befindet sich P_DN unterhalb von PSVS (gepunktete Linie), wird der Energiespeicher im EVO-Modus betrieben, d.h. bei drohender Einspeisung in das Energieversorgungsnetz wird er geladen bzw. bei drohendem Netzbezug aus dem Energieversorgungsnetz wird er entladen. Dementsprechend ergibt sich über die Lade- bzw. Entladeleistung P_Bat des Energiespeichers (bspw. Batterie) (durchgehende fett gezeichnete Linie) die Netzbezugsleistung P_Netz (dünne, gestrichelte Linie). Die maximal mögliche bzw. verfügbare Lade- bzw. Entladeleistung des Energiespeichers ist vom Energiespeicher abhängig. Die Ent- bzw. Ladeanforderung wird vom Energie-Management-System vorgegeben.
Sobald die Leistung P_DN die PSVS überschreitet, muss der Energiespeicher geladen werden, um dann bei Überschreiten der PSS die PS-Funktion ausführen zu können.
Berechnung der PSVS
Für die Steuerung des Verfahrens ist die Bestimmung der PSVS wesentlich.
Grundsätzlich unterliegt die PSVS den Vorgaben, dass die PSVS auf der einen Seite so hoch wie möglich sein soll, um das Speichersystem 12 möglichst oft und lang für andere Betriebsmodi (Erlöspfade) nutzen zu können, und auf der anderen Seite so weit unterhalb von PSS liegen soll, damit das Speichersystem 12 noch genügend Zeit hat, um für eine drohende Spitzenlast auf den vorher bestimmten SOC geladen zu werden.
Zur Bestimmung der PSVS muss dabei zunächst ermittelt werden, ob und welche Energiemenge in den Energiespeicher nachgeladen werden muss. Dies wird in 5 schematisch verdeutlicht. Durch die PS-Funktion sind PSS (gestrichelte Linie) und die für das PS notwendige Energie E_{PS_notw} bekannt (hell schraffierte Fläche). Im Betrieb mit einer anderen Funktion kann es dazu kommen, dass der Energiespeicher nicht zu 100% geladen ist und somit eine Energiemenge für das PS fehlt. Diese Energiemenge muss bis zum Eintreten des PS-Falls in den Energiespeicher nachgeladen werden (dunkel schraffierte Fläche) und wird somit als E_{nachladen_notw} bezeichnet.
Die für das PS nachzuladende Energie E_{Nachladung_notw} kann entweder auf einen festen Wert gesetzt werden (Worst-Case-Szenario) oder abhängig vom aktuellen SOC des Energiespeichers bestimmt werden. Dementsprechend resultiert eine fixe oder dynamische PSVS.
Mit Hilfe des maximal möglichen Lastanstieg m_PDN,max kann zudem die verbleibende Zeit bestimmt werden, bis ein PS-Fall eintreten könnte (Zeit bis t₁, siehe 6).
Diese Zeit t₁ ist auch die Zeit, die verbleibt, um den Energiespeicher für ein mögliches PS-Ereignis vorzubereiten. Innerhalb dieser Zeit muss es möglich sein, die Energiemenge E_{Nachiadung_notw} in den Energiespeicher zu laden. Die Nachladung soll so spät wie möglich bzw. so früh wie nötig erfolgen, um den Energiespeicher so lange wie möglich für andere Funktionen bereit zu halten. Daraus ergibt sich letztendlich die zu P_DN gehörige PSVS₀ zum Zeitpunkt t=0 (siehe 7).
Die Ladeleistung wird dabei durch die maximal mögliche Ladeleistung des Speichersystems P_{Laden_max} und die Peak-Shaving-Schwelle PSS limitiert.
Nachfolgend werden zwei verschiedene Fälle für die PSVS betrachtet.
konstante PSVS
Die PSVS ist von der für das PS notwendigen Energiemenge E_{PS_notw} abhängig, wie vorstehend beschrieben. Im Moment der Überschreitung der PSS muss diese Energiemenge im Energiespeicher enthalten sein.
Die PSVS kann als ein zeitlich konstanter Wert angesetzt werden, der zuvor aus bestimmten Parametern bestimmt wird. Dabei muss die PSVS so niedrig gewählt werden, dass im Worst-Case-Szenario noch genügend Zeit bleibt, um den Energiespeicher aufzuladen.
Das Worst-Case-Szenario für die PSV bedeutet, dass der Energiespeicher (innerhalb seiner zulässigen Parameter) vollständig entladen ist.
Daraus ergibt sich folgende Formel für die nachzuladende Energiemenge, die für das PS notwendig ist: $E_{Nachladung_notw} = E_{PS_notw}$
flexible PSVS
Wenn der Energiespeicher neben dem PS für eine andere Funktion (z.B. EVO) benutzt wird, variiert der Energiegehalt des Energiespeichers. Somit variiert auch die für das PS nachzuladende Energiemenge und ist somit abhängig vom aktuellen SOC. Dies wiederum bedeutet, dass die PSVS nicht starr auf einen minimalen Wert für den Worst-Case festgelegt werden muss, sondern dass sie in Abhängigkeit vom SOC angehoben werden kann.
Je höher der aktuelle SOC des Energiespeichers ist, desto höher kann die PSVS liegen, da weniger Energie nachgeladen werden muss. Als Formel ergibt sich: $E_{Nachladung_notw} = E_{PS_notw} - ({SOC}_{0} * C_{nutz})$
8 zeigt unterschiedlich Verläufe bei fixer und variabler Berechnung der PSVS.
Der Vorteil der dynamischen Berechnung liegt darin, dass der Energiespeicher länger bzw. öfter für eine andere Funktion zur Verfügung steht. Es muss bei der dynamischen Berechnung lediglich zusätzlich ein weiterer Parameter berechnet werden, da die PSVS dann zusätzlich vom aktuellen Ladezustand des Energiespeichers abhängt.
Der Wert einer flexiblen PSVS ist hierzu von folgenden Parametern abhängig:

- Für PS notwendige Energiemenge E_{PS_notw}
- SOC₀ (aktueller SOC, je höher der SOC, desto höher die PSVS)
- PSS (PSVS muss niedriger sein als PSS)
- Maximal möglicher Lastanstieg m_PDN,max (Je steiler der Anstieg, desto niedriger muss PSVS liegen)
- Maximal mögliche Ladeleistung P_{Laden_max}
- Nutzbare Kapazität des Speichers C_nutz

Betrieb eines Speichersystems
Im Betrieb eines Speichersystems 12 regelt ein Energie-Management-System (EMS) die Abläufe und steuert das Laden und Entladen des Energiespeichers. Für ein Speichersystem 12 mit z.B. Eigenverbrauchsoptimierung EVO als zusätzliche Funktion zum Peak-Shaving PS berechnet das EMS kontinuierlich aus den konstanten Parametern (PSS, m_PDN,max, E_{PS_notw}, C_nutz) und variablen Größen (SOC₀, P_DN,0) die notwendige, momentane PSVS₀. Überschreitet die drohende Netzbezugsleistung P_DN,0 die berechnete PSVS₀, wird der aktuelle Betriebsmodus des Energiespeichers gestoppt und auf „PS-Vorbereitung“ umgeschaltet.
Im Modus „PS-Vorbereitung“ wird das Speichersystem 12 so schnell wie möglich bis auf den für PS notwendigen SOC_PS geladen, ohne dadurch die PSS zu überschreiten. Überschreitet P_DN die PSS, wird in den Modus „Peak-Shaving“ umgeschaltet und so eine Lastspitze abgefangen.
Unterschreitet P_DN die PSS, wird das Speichersystem 12 wieder im Modus „PS-Vorbereitung“ betrieben und der Energiespeicher nachgeladen.
Unterschreitet die Leistung P_DN die PSVS, kann der Energiespeicher wieder in einem anderen Modus (z.B. EV-Optimierung) betrieben werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die dann im Energiespeicher eingespeicherte Energie nicht unbedingt aus lokaler Erzeugung stammt (Grünstrom), sondern evtl. aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz (Graustrom) und deshalb nicht unbedingt zur EVO dient. Um hier Abhilfe zu schaffen kann eine mehrstündige Wartezeit vorgesehen werden, bis der Energiespeicher wieder geladen wird. Alternativ dazu oder zusätzlich kann ein Algorithmus im EMS vorgesehen sein, der die von den Energieerzeugungseinrichtungen 14 gelieferte Energie auf den Energiespeicher und die Verbraucher 16 je nach Lastfall verteilt oder Prioritäten vorgibt, welche die Versorgungsreihenfolge und zugeführte Energiemenge regeln.
Abweichungen von Annahmen
Es können zusätzliche Reserven vorgesehen werden, um Unsicherheiten im Betrieb des Speichersystems 12 entgegenzutreten. Im Weiteren dienen die Reserven auch dazu, den für die Berechnung der Last-Schwellen gemachten Annahmen einen Toleranzbereich zuzugestehen, der dafür sorgt, dass es zu keinen Ausfällen kommt, falls Abweichungen von den Annahmen auftreten. Die Reserven dienen dazu, das Speichersystem 12 sicher und wirtschaftlich betreiben zu können.
Kommt es zu Abweichungen von den Annahmen können die gemachten Angaben verändert werden und von der Steuerung in einen Speicher zur Steuerung des Verfahrens hinterlegt werden. Dabei werden die alten nicht zutreffenden Angaben überschrieben und durch die tatsächlich auftretenden Werte ersetzt.
Der maximal mögliche Lastanstieg m_PDN,max kann bspw. aus historischen Daten gewonnen werden. Wenn es zu Veränderungen des Lastprofiles kommt (z.B. Austausch von Verbrauchern 16), kann dies massiven Einfluss auf den maximal möglichen Lastanstieg m_PDN,max haben. Dieser Einfluss kann im Vorfeld definiert werden, um Reserven einzurechnen.
Weiterhin hängt der maximal mögliche Lastanstieg m_PDN,max maßgeblich von der verwendeten Messeinrichtung und der Messauflösung ab (z.B. Sekunde, Minute, 5-Min, 15min). Es können beispielsweise maximale positive Lastanstiege m_PDN,max in einem 15-min-Mittelwert, 5-min-Mittelwert oder 1-min-Mittelwert herangezogen werden.
Einen weiteren Unsicherheitsfaktor stellt die Reaktionsgeschwindigkeit des Energiespeichers dar. In der vorstehenden Beschreibung wurde von einem idealen Energiespeicher ausgegangen, dessen Reaktionsgeschwindigkeit als „unendlich schnell“ angesehen wird. Bei realen Energiespeichern ist davon auszugehen, dass diese eine Reaktionszeit aufweisen und es daher stets zu einem zeitversetzten Laden und Entladen des Energiespeichers kommt. Die Verzögerung und tatsächliche Reaktionszeit des Energiespeichers kann bspw. in einem Bereich von mehreren Sekunden liegen (z.B. bis zu 30 Sekunden). Es bedarf dann der Reaktionszeit bis der Energiespeicher seine maximale Lade- bzw. Endladeleistung erreicht.
Dies kann an der Leistungselektronik des Energiespeichers liegen. Viel mehr liegt die Verzögerung aber an der Kommunikationsstrecke und Sicherheitsschaltungen. Es sind im weiteren auch Verluste durch Widerstände (Leitungen, Schaltungen, Sicherheitseinrichtungen, etc.) zu berücksichtigen.
Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit signifikant ansteigt, können die Strecken zwischen den Komponenten reduziert oder die Verzögerungen eingerechnet werden. Dadurch können sich die Last-Schwellen PSS und PSVS verschieben.
Weitere Unsicherheitsfaktoren bzgl. Des Energiespeichers (technische Verfügbarkeit, Messungenauigkeiten, etc.), (Ent-)Ladeverluste, Selbstentladung und Gebühren wirken sich ebenfalls auf die Bereitstellung der benötigen Energie durch den Energiespeicher aus.
Berechnung der aktuellen PSVS₀
Sobald eine drohende Netzbezugsleistung P_DN die PS-Schwelle erreicht, muss der Energiespeicher einen gewissen, vorher festgelegten Ladezustand SOC aufweisen, um die für das Peak-Shaving PS notwendige Energiemenge E_{PS_not} zur Verfügung stellen zu können. Dazu wird ständig die dafür notwendige Energiemenge (E_{Nachiadung_notw}) berechnet (je nach Verfahren in Abhängigkeit des aktuellen SOC₀).
Dabei wird zum aktuellen Zeitpunkt t₀ über den maximal möglichen Lastanstieg m_PDN,max die bis zur möglichen PSS-Überschreitung verbleibende Zeit t₁ bestimmt (siehe 9, 10). Darauf aufbauend wird die vom Zeitpunkt t₀ aus nachladbare Energiemenge bestimmt. Dabei müssen die maximal mögliche Ladeleistung und die PSS beachtet werden.
Vom Zeitpunkt t₁ ausgehend, wird ermittelt, wann bzw. ab welcher Leistung P_DN begonnen werden muss, den Energiespeicher zu beladen. Daraus ergibt sich die Peak-Shaving-Vorbereitungsschwelle PSVS₀ zum Zeitpunkt t₀. Liegt die aktuell drohende Netzbezugsleistung P_DN,0 unterhalb der Peak-Shaving-Vorbereitungs-Schwelle zum Zeitpunkt t₀ (PSVS₀), kann der aktuelle Modus beibehalten bzw. der PSV-Modus verlassen werden. Falls nicht, muss in den PS-Vorbereitungsmodus geschaltet bzw. dieser beibehalten und der Energiespeicher unter den Randbedingungen möglichst schnell geladen werden.
Für die Berechnung der PSVS müssen die für das PS notwendige Energiemenge E_{PS_notw} [kWh], der aktuelle Ladezustand SOC₀ [%], die nutzbare Speicherkapazität C_nutz [kWh] und die maximal mögliche Ladeleistung des Speichers P_{Laden_max} [kW] bekannt sein.
Aus der Lastgang-Analyse werden zur Berechnung der PSVS₀ zusätzlich die PSS [kW] und der maximal mögliche Lastanstieg m_PDN,max [kW/min] bestimmt. Zusätzlich müssen Veränderungen im Lastgang (z.B. durch zusätzliche Lasten) berücksichtigt werden.
Berechnung der nachzuladenden Energiemenge E_{Nachladung_notw}
Die Berechnung der Energiemenge, die in den Energiespeicher nachgeladen werden müsste, um auf ein für das PS notwendigen SOC bzw. Energiemenge zu kommen, ergibt sich der folgenden Formel: $E_{Nachladung_notw} = E_{PS_notw} - ({SOC}_{0} * C_{nutz})$
(In der Variante der konstanten PSVS entfällt der hintere Term der Gleichung)
Für den Fall, dass der aktuelle SOC höher ist als der für das PS notwendige SOC (=> E_{Nachladung_notw} < 0), ist der Energiespeicher bereits ausreichend geladen und es ist keine Vorbereitung für das PS notwendig.
In diesem Fall gilt: PSVS = PSS Ist der aktuelle SOC geringer als der für das PS notwendige SOC (=> E_{Nachiadung_notw} > 0) muss der Energiespeicher eventuell nachgeladen werden.
Zeit t₁ bis PS
Zum Zeitpunkt t=0 kann mit Hilfe des maximal möglichen Anstiegs der Leistung P_DN (m_PDN,max) die minimal verbleibende Zeit t₁ berechnet werden, bis die drohende Lastleistung P_DN möglicherweise die PSS erreicht. Dies ist die Zeit, die verbleibt, bis der Energiespeicher auf die für das PS notwendigen SOC_PS geladen sein muss (E_{PS_notw}) (siehe 10) . $\begin{array}{l} m_{PDN, max} = (P_{SS} - P_{DN,0}) / t_{1} \\ t_{1} = (P_{SS} - P_{DN,0}) / m_{PDN, max} \end{array}$
Nachladbare Energiemenge E_{Nachladung_mögl}
Die Nachladung des Energiespeichers soll so schnell wie möglich erfolgen. Hierzu sind zwei Randbedingungen zu beachten. Zum einen kann nur mit der maximal möglichen Ladeleistung P_{Laden_max} geladen werden. Ferner darf die PS-Schwelle (erste Last-Schwelle PSS) nicht überschritten werden. 11 zeigt die Anteile der Energiemengen E_{Nachladung_mögl,1} und E_{Nachiadung_mögl,2} in dem Intervall zwischen t₀ und t₁.
Die nachladbare Energiemenge E_{Nachladung,mögl} addiert sich aus zwei Teilenergiemengen:

E_{Nachladung_mögl,1}

Zeit: t₀ bis t₂

Leistung: maximale Ladeleistung P_{Laden_max}

E_{Nachladung_mögl, 2}

Zeit: t₂ bis t₁

Leistung: linear abnehmende Leistung von P_{Laden_max} zu 0
Zur Berechnung der Energiemengen sind die folgenden drei Schritte notwendig:

a) Zeit t₂ Die Zeit t₂ lässt sich mit Hilfe der Geradengleichung und dem maximal möglichen Lastanstiegs m_PDN,max berechnen. Es muss zusätzlich die maximal mögliche Ladeleistung P_{Laden_max} berücksichtigt werden. $\begin{array}{l} m_{PDN, max} = (P_{SS} - P_{DN,0} - P_{Laden_max}) / t_{2} \\ t_{2} = (P_{SS} - P_{DN,0} - P_{Laden_max}) / m_{PDN, max} \end{array}$
b) Nachladbare Energiemenge zwischen t₂ und t₁ E_{Nachiadung_mögi,2} Die im Intervall zwischen t₂ und t₁ nachladbare Energiemenge E_{Nachladung_mögl,2} berechnet sich wie folgt: $E_{Nachladung_m \ddot{o} gl,2} = \frac{1}{2} * (t_{1} - t_{2}) * P_{Laden_max}$
In 12 ist die Teilenergiemenge E_{Nachiadung_mögl,2} in der Graphik von 11 dargestellt.
c) Nachladbare Energiemenge zwischen t₀ und t₂ E_{Nachiadung_mögl,1} Die im Intervall zwischen t₀ und t₂ nachladbare Energiemenge E_{Nachladung_mögl,1} berechnet sich wie folgt: $E_{Nachladung_m \ddot{o} gl,2} = (t_{2} - t_{0}) * P_{Laden_max}$

13 stellt die Teilenergiemenge E_{Nachiadung_mögl,1} in der für die Graphik von 11 dar.
Ermittlung der PSVS₀
Anhand der vorab berechneten Werte wird in einem ersten Schritt ermittelt, ob die für das PS notwendige, nachzuladende Energiemenge E_{nachiadung_notw} allein durch die im Intervall t₂-t₁ nachladbare Energiemenge gedeckt werden kann oder ob das gesamte Intervall t₀-t₁ notwendig ist. Je nach Fall wird im jeweiligen Bereich die PSVS₀ ermittelt. $E_{Nachladung_notw} < E_{Nachladung_m \ddot{o} gl,2}$
14 zeigt den Fall 1, wobei die für das PS notwendige nachzuladende Energiemenge E_{Nachiadung_notw} kleiner ist als die im Intervall t₂-t₁ nachladbare Energiemenge E_{Nachladung_mögl,2}.
Die Berechnung der Peak-Shaving-Vorbereitungs-Schwelle PSVS₀ kann mit Hilfe nachfolgender Formeln erfolgen: $\begin{array}{l} P S V S_{0} = P S S - Δ P \\ E_{N a c h l a d u n g_n o t w} = \frac{1}{2} * Δ P * Δ t \\ m_{P D N, m a x} = \frac{Δ P}{Δ t} \\ = > Δ t = \frac{Δ P}{m_{P D N, m a x}} \\ E_{N a c h l a d u n g_n o t w} = \frac{1}{2} * Δ P * \frac{Δ P}{m_{P D N, m a x}} = \frac{{(Δ P)}^{2}}{2 * m_{P D N, m a x}} \\ Δ P = \sqrt{2 * E_{N a c h l a d u n g_n o t w} * m_{P D N, m a x}} \\ P S V S_{0} = P S S - \sqrt{2 * E_{N a c h l a d u n g_n o t w} * m_{P D N, m a x}} \end{array}$
$E_{Nachladung_notw} > E_{Nachladung_m \ddot{o} gl,2}$
15 zeigt den Fall 2, wobei die für das PS notwendige nachzuladende Energiemenge E_{Nachiadung_notw} größer ist als die im Intervall t₂-t₁ nachladbare Energiemenge E_{Nachladung_mögl,2}.
Die Berechnung der Peak-Shaving-Vorbereitungs-Schwelle PSVS₀ kann mit Hilfe nachfolgender Formeln erfolgen: $\begin{array}{l} P S V S_{0} = P S S - Δ P - P_{L a d e n_m a x} \\ E * = E_{N a c h l a d u n g_n o t w} - E_{N a c h l a d e n_m \ddot{o} g l,2} \\ E * = Δ t * P_{L a d e n_m a x} \\ Δ t = \frac{E *}{P_{L a d e n_m a x}} \\ m_{P D N, m a x} = \frac{Δ P}{Δ t} \\ = > Δ P = m_{P D N, m a x} * Δ t \\ P S V S_{0} = P S S - m_{P D N, m a x} * \frac{E_{N a c h l a d u n g_n o t w} - E_{N a c h l a d e n_m \ddot{o} g l,2}}{P_{L a d e n_m a x}} - P_{L a d e n_m a x} \end{array}$
Das hierin beispielhaft beschriebene Verfahren zur Steuerung eines Speichersystems 12 und ein hierfür vorgesehenes Energie-Management-System ermöglichen die Verwendung von Energiespeichern, die eine gegenüber bekannten Ausführungen geringere Speicherkapazität aufweisen, und dennoch die Kombination zweier gegensätzlicher Funktionen, beispielsweise EVO zusammen mit einer Lastspitzenkappung, bereitstellen. Das hierin beschriebene Konzept ermöglicht erst eine Kombination der Lastspitzenkappung (Peak-Shaving) zusammen mit einer weiteren Funktion, wie beispielsweise einer Eigenverbrauchsoptimierung.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Speichersystem
14: (lokale) Energieerzeugungseinrichtung
16: Verbraucher
20: Energieversorgungseinrichtung

Claims

Verfahren zum Steuern eines Speichersystems (10), das mindestens eine Speichereinrichtung aufweist, die nach Maßgabe mindestens eines Verbrauchers (16) geladen und entladen wird, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung entladen wird, um Lastspitzen abzufangen, die durch mindestens einen Verbraucher (16) auftreten, um einen Energiebezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung zu vermeiden, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) eine erste festlegbare Last-Schwelle überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speichereinrichtung in Vorbereitung auf einen drohenden Leistungsbezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung bis zu einem festlegbaren Ladepegel geladen wird, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) eine zweite Last-Schwelle überschreitet, wobei - die zweite Last-Schwelle kleiner ist als die erste Last-Schwelle, - die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten der zweiten Last-Schwelle mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen wird, ohne dabei die erste Lastschwelle zu überschreiten, - die zweite Last-Schwelle nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt wird, und - die Berechnung der zweiten Last-Schwelle kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Laden der mindestens einen Speichereinrichtung in Vorbereitung auf einen drohenden Leistungsbezug von mindestens einer Energieversorgungseinrichtung nach Maßgabe eines maximal möglichen Lastanstiegs festgelegt wird, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) die zweite Last-Schwelle überschreitet, und der mögliche Zeitpunkt des Überschreitens der ersten Last-Schwelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei anhand des maximal möglichen Lastanstiegs nach Überschreiten der zweiten Last-Schwelle der Zeitpunkt festgelegt wird, ab wann das Laden der mindestens einen Speichereinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in einem ersten Abschnitt eines Intervalls zwischen dem Beginn des Ladens und dem Überschreiten der ersten Last-Schwelle die mindestens eine Speichereinrichtung mit einer maximalen Ladeleistung und in einem zweiten Abschnitt des Intervalls die mindestens eine Speichereinrichtung mit einer abnehmenden Ladeleistung geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Zeitpunkt, welcher den Übergang zwischen dem ersten Abschnitt des Intervalls und dem zweiten Abschnitt des Intervalls angibt, nach Maßgabe des maximal möglichen Lastanstiegs berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung nach dem Überschreiten der zweiten Last-Schwelle über mindestens eine Energieversorgungseinrichtung geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der maximal mögliche Lastanstieg aus historischen Lastanstiegen mindestens eines Verbrauchers (16) gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung in einer Betriebsart Eigenverbrauchsoptimierung betrieben wird, wenn der Energiebedarf mindestens eines Verbrauchers (16) unterhalb der zweiten Last-Schwelle liegt, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung geladen wird, wenn eine Einspeisung der durch mindestens eine Energieerzeugungseinrichtung (14) erzeugten Energie in ein Energieversorgungsnetz (20) droht, und wobei die mindestens eine Speichereinrichtung entladen wird, wenn ein Energiebezug aus dem Energieversorgungsnetz (20) droht.
Speichersystem (10) mit mindestens einer Speichereinrichtung, wobei das Speichersystem (10) mit mindestens einer Energieversorgungseinrichtung und mindestens einem Verbraucher (16) verbunden ist und der mindestens einen Speichereinrichtung Energie von der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung zu- und/oder abführbar ist, wobei Lastspitzen des mindestens einen Verbrauchers (16) zur Vermeidung eines Energiebezugs von der mindestens einen Energieversorgungseinrichtung durch die mindestens eine Speichereinrichtung abgefangen werden, wenn der Energiebedarf des mindestens einen Verbrauchers (16) eine erste festlegbare Last-Schwelle überschreitet, wobei die mindestens eine Speichereinrichtung bei Überschreiten einer zweiten Last-Schwelle mit der maximal möglichen Ladeleistung geladen wird, ohne dabei die erste Lastschwelle zu überschreiten, die zweite Last-Schwelle nach Maßgabe des aktuellen Ladezustands der mindestens einen Speichereinrichtung ermittelt wird, die Berechnung der zweiten Last-Schwelle kontinuierlich erfolgt, und wobei das Energie-Management-System dazu ausgebildet ist, eines der Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Speichersystem nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine Energieversorgungseinrichtung ein Energieversorgungsnetz, ein Generator, ein Kraftwerk, ein Blockheizkraftwerk und/oder eine regenerative Erzeugungseinrichtung ist.