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Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem, insbesondere für Gebäude oder Haushalte, zur Aufnahme und bedarfsgesteuerten Abgabe von elektrischer Leistung.
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In der Folge der immer mehr verbreiteten Installation von Photovoltaik-Anlagen auf Gebäuden wie beispielsweise privaten Haushalten verbreiten sich auch elektrische Energiespeichersysteme, unter anderem als Batteriespeichersysteme oder Hausakkus bezeichnet, zunehmend. Solche Batteriespeichersysteme sind mit dem hausinternen Gebäudenetzwerk verbunden und dadurch auch mit einem an das Gebäude angeschlossenen Versorgungsnetzwerk. Sie speichern eine modellabhängige Energiemenge, die zurzeit für Privatanwendungen im Bereich von 10 kWh oder weniger liegt. Zukünftig könnten bedingt durch verbesserte Speichertechnik, also neue Akkutechnologie und zunehmende Massenfertigung auch größere Speicher allgegenwärtig werden.
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Im Prinzip können solche Batteriespeichersysteme in jedem Gebäude eingesetzt werden, da die Zwischenspeicherung von Energie auch aus dem Versorgungsnetzwerk möglich ist. Besonders vorteilhaft werden aber solche Batteriespeichersysteme typischerweise dann empfunden, wenn sie mit erneuerbaren Energieerzeugern wie Photovoltaikanlagen oder Windenergiesystemen kombiniert werden. Diese liefern ihre Energie wetterabhängig, also nicht steuerbar und nur begrenzt vorhersehbar und damit bedarfsunabhängig. Ökonomisch kann es vorteilhaft sein, die anfallende Leistung zwischenzuspeichern für eine spätere Verwendung im selben Gebäude oder auch für eine Einspeisung in das Versorgungsnetzwerk zu einem Zeitpunkt mit besserer Vergütung. Auch wird dadurch der subjektive Eindruck der Unabhängigkeit vom Versorgungsnetzwerk gestärkt.
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Fällt das Versorgungsnetzwerk aus, besteht typischerweise nicht die Möglichkeit, die in einem Gebäude vorhandenen Verbraucher mit dem Batteriespeichersystem zu versorgen, selbst wenn es sich um einen Privathaushalt handelt. Dafür ist der im Batteriespeichersystem verwendete Umrichter häufig nicht geeignet aufgebaut, beispielsweise weil er auf drei Phasen nur symmetrisch Leistung abgeben kann oder weil die Leistung auf einer Phase nicht ausreicht, um typische Verbraucher zu versorgen. Auch wäre die Gesamtenergie, die einem Batteriespeichersystem heute typischerweise zur Verfügung steht, nur für Betriebszeiten im Minutenbereich ausreichend, wenn Verbraucher wie Fön, Herd, Wärmepumpe o.ä. verwendet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem anzugeben, das die eingangs genannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine Versorgung von Verbrauchern ermöglicht, wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzwerks vorliegt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Betriebsverfahren für ein solches Energiespeichersystem anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Energiespeichersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Das erfindungsgemäße Batteriespeichersystem umfasst einen elektrischen Speicher und einen AC/DC-Wandler, der DC-seitig mit dem elektrischen Speicher verbunden ist. Ferner umfasst es einen ersten Anschluss zur Verbindung mit einem Gebäudenetzwerk, das seinerseits mit einem Versorgungsnetzwerk verbunden ist.
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Bei dem elektrischen Speicher kann es sich im Prinzip um jedes beliebige Speichersystem zur Speicherung von Energie handeln. Beispielsweise können das Bleiakkus, Bleigel-Akkus, Li-Ionen-Akkus, Lithium-Eisenphosphat-Akkus oder andere Systeme sein.
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Der AC/DC-Wandler muss den elektrischen Speicher beladen und entladen können und ist daher ein bidirektionaler Wechsel- oder Gleichrichter. Dabei kann die Wechselspannungsseite dreiphasig oder einphasig gestaltet sein. Ferner kann bei einer dreiphasigen Ausgestaltung der AC-Seite ein fünfadriger Anschluss, also mit einem N-Leiter und PE-Leiter vorgesehen sein. Die Wechselspannungsseite des AC/DC-Wandlers ist mit dem ersten Anschluss verbunden. Bei Verbindung mit dem Gebäudenetzwerk und damit indirekt mit dem Versorgungsnetzwerk erfolgt über den ersten Anschluss also die Speisung des Batteriespeichersystems und die Rückspeisung aus dem Batteriespeichersystem.
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Das Batteriespeichersystem weist weiterhin einen zweiten Anschluss zur Verbindung mit einem oder mehreren weiteren gebäudeseitigen Verbrauchern und/oder Erzeugern auf. Ein Öffner verbindet den ersten Anschluss auf der einen Seite und den zweiten Anschluss und die Wechselspannungsseite des AC/DC-Wandlers auf der anderen Seite. Mit anderen Worten ist der erste Anschluss über den Öffner mit der Wechselspannungsseite des AC/DC-Wandlers verbunden. Schließlich umfasst das Batteriespeichersystem eine Steuereinrichtung für den Öffner. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass der Öffner bei einem Ausfall des Versorgungsnetzwerks geöffnet wird.
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Durch das Öffnen des Öffners wird die elektrische Verbindung zwischen der Wechselspannungsseite des AC/DC-Wandlers und dem ersten Anschluss unterbrochen. Die Verbindung zwischen dem Batteriespeichersystem und dem Gebäudenetzwerk ist dadurch unterbrochen und eine Versorgung der mit dem Gebäudenetzwerk verbundenen elektrischen Verbraucher nicht mehr möglich.
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Die elektrische Verbindung mit dem zweiten Anschluss bleibt aber auch einem Ausfall des Versorgungsnetzwerks erhalten. Die weiteren gebäudeseitigen Verbraucher und/oder Erzeuger sind daher weiterhin mit dem Batteriespeichersystem verbunden. Eine Speisung dieser weiteren Verbraucher und eine Ladung des Batteriespeichersystems aus den Erzeugern, die am zweiten Anschluss angeschlossen sind, ist daher weiter möglich. Vorteilhaft können dadurch bestimmte elektrische Verbraucher, deren Betrieb mit dem Batteriespeichersystem auch über längere Zeit möglich ist, weiter versorgt werden.
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Beispielsweise kann durch eine geeignete Installation im Gebäude ein Teil der Beleuchtung mit dem zweiten Anschluss verbunden sein. Dadurch funktioniert die Beleuchtung auch bei einem Netzausfall weiterhin. Ein technischer Eingriff zum Zeitpunkt des Netzausfalls ist dabei nicht nötig, denn das Batteriespeichersystem sorgt selbst für die beschrieben Umschaltung. Gerade moderne LED-basierte Beleuchtung funktioniert mit geringer Leistung und so ist ein Betrieb der Beleuchtung auch mit typischen Hausakkus über längere Zeiträume möglich. Auch andere Geräte, deren Betrieb kritisch ist, können mit dem zweiten Anschluss verbunden werden, beispielsweise ein Kühlschrank. Kühlschränke und andere Geräte werden typischerweise an Steckdosen angeschlossen. Daher kann es auch sinnvoll sein, eine oder mehrere Steckdosen mit dem zweiten Anschluss zu verbinden, so dass diese bei einem Netzausfall zur Verfügung stehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren für ein Batteriespeichersystem mit einem Stromspeicher und einem DC/AC-Wandler zur Be- und Entladung des Stromspeichers wird ein erster Anschluss des Batteriespeichersystems mit einem Gebäudenetzwerk verbunden wird und das Gebäudenetzwerk mit einem Versorgungsnetzwerk verbunden. Ein zweiter Anschluss des Batteriespeichersystems wird mit einem oder mehreren weiteren gebäudeseitigen Verbrauchern und/oder Erzeugern verbunden. Wenn ein Ausfall des Versorgungsnetzwerks auftritt, dann die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem Wechselspannungsausgang des DC/AC-Wandlers getrennt.
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Ist das Versorgungsnetzwerk aktiv, wird zweckmäßig eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss, dem zweiten Anschluss und dem Wechselspannungsausgang des DC/AC-Wandlers eingeschaltet oder aufrechterhalten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- - Der Öffner ist bevorzugt ein Schütz.
- - Der zweite Anschluss kann ein Anschluss für die dreiphasige Stromversorgung sein. Er kann beispielsweise fünfadrig sein mit Adern für die drei Phasen sowie mit einer Ader für PE und N-Leiter. Damit wird der vollständige elektrische Anschluss des Gebäudes am zweiten Anschluss weitergeführt und es besteht für den Anschluss der elektrischen Geräte kein Unterschied zwischen dem Gebäudenetzwerk, das direkt mit dem Versorgungsnetzwerk verbunden ist und dem Teil des Netzwerks, der an den zweiten Anschluss angeschlossen ist und somit über das Batteriespeichersystem mit dem Gebäudenetzwerk verbunden ist.
- - In bestimmten Ausgestaltungen ist zweite Anschluss ein Anschluss für einphasige Stromversorgung. Er kann dreiadrig ausgeführt sein. Da dreiphasige Verbraucher für eine Versorgung durch das Batteriespeichersystem eher nicht in Frage kommen und sogar bevorzugt nicht an den zweiten Anschluss angeschlossen sein sollten, reicht ein solcher Anschluss völlig für die Versorgung der weiteren Verbraucher aus. Vor allem in diesem Ausgestaltungen ist es möglich, dass der DC/AC-Wandler einphasig ausgeführt ist. In diesem Fall ist die eine Phase des DC/AC-Wandlers an eine der Phasen des Gebäudenetzwerks angeschlossen und sie ist mit dem zweiten Anschluss verbunden. In solchen Ausgestaltungen steht die gesamte Leistung des DC/AC-Wandlers auf dieser Phase zur Verfügung, muss sich also speziell beim zweiten Anschluss nicht zwischen drei Phasen aufteilen. Dadurch ist die richtige Installation der am zweiten Anschluss angeschlossenen Verbraucher vereinfacht.
- - Das Batteriespeichersystem kann einen dritten Anschluss zur Verbindung mit einem oder mehreren weiteren gebäudeseitigen Verbrauchern und/oder Erzeugern aufweisen, wobei der dritte Anschluss ein DC-Anschluss ist. Auf diese Weise kann ein DC-Netz aufgebaut und auch bei einem Ausfall des Versorgungsnetzwerks aufrechterhalten werden. Typischerweise wird dafür das Batteriespeichersystem einen DC/DC-Wandler aufweisen, der die Speisung des DC-Netzwerks aus der typischerweise zu hohen DC-Spannung des Stromspeichers vornimmt. Auch das DC-Netzwerk kann bei einem Ausfall des Versorgungsnetzwerks vorteilhaft weiter aus der gespeicherten Energie des Batteriespeichersystems betrieben werden.
- - Das Batteriespeichersystem kann ausgestaltet sein, bei Überschreitung einer Schwellleistung durch die am zweiten und/oder dritten Anschluss aufgenommene Leistung ein Warnsignal auszugeben. Das Warnsignal kann verschiedene Formen annehmen. Beispielsweise kann ein Warnton ausgegeben werden oder eine visuelle Warnung am Batteriespeichersystem. Eine weitere Möglichkeit ist, ein Signal an eine mit dem Batteriespeichersystem verbundene App auf einem mobilen Endgerät abzugeben, das von der App als Warnung interpretiert und entsprechend ausgegeben wird.
- - Das Batteriespeichersystem kann einen weiteren Anschluss für die Verbindung mit einem Stromerzeuger aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn an diesem Anschluss erneuerbare Stromquellen wie eine Photovoltaik-Anlage angeschlossen sind. Bei einem Ausfall des Versorgungsnetzwerks bleiben diese Stromquellen am Batteriespeichersystem angeschlossen und aktiv. Sie können dann das Batteriespeichersystem speisen und somit die Restlaufzeit der über den zweiten Anschluss angeschlossenen weiteren Verbraucher deutlich erhöhen. Sind die am zweiten Anschluss angeschlossenen weiteren Verbraucher zweckmäßig solche mit eher geringem Stromverbrauch, kann sogar ein zeitlich unbegrenzter Betrieb erreichbar sein oder zumindest eine Restlaufzeit, die eine realistische Ausfalldauer des Versorgungsnetzes deutlich überschreitet.
- - Die Steuereinrichtung des Batteriespeichersystems kann mit einer Spannungsmessvorrichtung gekoppelt sein, die beispielsweise im Bereich des ersten Anschlusses angeordnet ist. Über die Spannungsmessvorrichtung kann die Steuereinrichtung ermitteln, ob das Versorgungsnetzwerk ausgefallen ist, also die Spannung am ersten Anschluss unter einen Schwellwert gefallen ist. Ist das der Fall, trennt der Öffner die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem DC/AC-Wandler. Ebenfalls mit der Spannungsmessvorrichtung kann die Steuereinrichtung feststellen, dass das Versorgungsnetzwerk wieder bereitsteht. Dann wird zweckmäßig der Öffner wieder geschlossen und das Batteriespeichersystem wieder mit dem Gebäudenetzwerk verbunden.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Funktionen.
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Es zeigen:
- 1 ein Gebäudenetzwerk mit Batteriespeicher
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Das Netzwerk gemäß 1 umfasst ein Gebäudenetzwerk 10, das mit einem öffentlichen Versorgungsnetzwerk 12 verbunden ist. Das öffentliche Versorgungsnetzwerk 12 ist beispielsweise ein 400V-Dreiphasennetzwerk mit einer Netzfrequenz von 50 Hz, kann aber auch ein anderer Typ von Stromnetz sein.
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Das Gebäudenetzwerk 10 umfasst eine Mehrzahl an Verbrauchern, beispielsweise einen Herd 16 und Steckdosen 17, 18. Diese sind über eine NH-Sicherung 13 und einen Fehlerstrom-Schutzschalter 14 mit dem öffentlichen Versorgungsnetzwerk 12 verbunden.
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Das Gebäudenetzwerk 10 umfasst weiterhin ein Batteriespeicher-System 20, das über einen Batterie-Netzanschluss 205 mit den Verbrauchern verbunden ist. Das Batteriespeicher-System 20 umfasst einen NA-Schutz 201, einen DC/AC-Wandler 202, der einen Laderegler umfasst und den eigentlichen Stromspeicher, einen Lithium-Ionen-Akku 203. Diese Elemente sind über ein Schütz 204 mit dem Batterie-Netzanschluss 205 verbunden.
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Zwischen dem Schütz 204 und dem NA-Schutz 201 ist ein Backup-Anschluss 206 vorhanden, an dem weitere Verbraucher wie eine Lampe 22 und ein Kühlschrank 23 angeschlossen sind. Es ist zweckmäßig, wenn die weiteren Verbraucher keine Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme wie Herd, Wärmepumpe, elektrische Heizung oder ähnliches sind. Bei einem festen Anschluss der weiteren Verbraucher kann das sichergestellt sein, indem beispielsweise nur Lampen mit dem Backup-Anschluss 206 verbunden werden. Es ist auch möglich, Steckdosen mit dem Backup-Anschluss 206 zu verbinden. Dann liegt es beim Nutzer, nur solche weiteren Verbraucher einzustecken, die den Akku 203 nicht zu schnell leeren oder gar die Leistungsfähigkeit des DC/AC-Wandlers - auf einer Phase - überschreiten.
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Ferner ist eine Photovoltaik-Anlage 25 vorhanden, die über einen Einspeisungs-Anschluss 207 mit dem Batteriespeicher-System 20 verbunden ist. Die Photovoltaik-Anlage 25 kann dabei eigene nicht in 1 gezeigte Wechselrichter umfassen. Neben der Photovoltaik-Anlage 25 können auch andere Stromerzeuger wie Windenergie-Anlagen oder auch ein Dieselgenerator mit dem Einspeisungs-Anschluss 207 verbunden sein.
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Die Verbraucher wie Herd 16 und Steckdosen 17, 18 sind also bei dem Batteriespeicher-System 20 der 1 trennbar mit dem Akku 203 verbunden, während die Photovoltaik-Anlage 25 und die weiteren Verbraucher 22, 23 direkt, also nicht durch einen Schalter trennbar, mit dem Akku 203 verbunden sind. Im normalen Betrieb ist das Schütz 204 geschlossen und das Gebäudenetzwerk 10 verhält sich wie ein herkömmliches Gebäudenetzwerk 10, bei dem alle Verbraucher ohne den Umweg über das Batteriespeicher-System 20 mit dem Versorgungsnetzwerk 12 verbunden sind.
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Fällt die Versorgung durch das Versorgungsnetzwerk 12 aus, öffnet die Steuerung 208 des Batteriespeicher-Systems 20 das Schütz 204 und trennt somit die Verbindung des Akkus 203 und der weiteren Verbraucher 22, 23 sowie der Photovoltaik-Anlage 25 zu dem Batterie-Netzanschluss 205 und damit indirekt zum Versorgungsnetzwerk 12 auf. Dadurch wird ebenfalls die Verbindung zu den Verbrauchern Herd 16 und Steckdosen 17, 18 aufgetrennt, die dadurch nicht mehr durch das Batteriespeicher-System 20 versorgt werden können.
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Das Batteriespeicher-System 20 kann nun in dem isolierten Teilnetz 27, das ein Inselnetz ist, ein eigenes Stromnetz aufbauen, das die Versorgung der weiteren Verbraucher 22, 23 übernimmt. Dafür ist es zweckmäßig, wenn die Aufteilung in Verbraucher und weitere Verbraucher derart ist, dass Verbraucher mit einer Leistung im kW-Bereich wie beispielsweise der Herd und die meisten Steckdosen, bei denen der Verbrauch potenziell hoch ist, als Verbraucher angeschlossen werden und damit nicht im Teilnetz 27 vorhanden sind. Verbraucher mit geringer Leistung wie die Raumbeleuchtung und/oder solche, deren Betrieb wichtig ist wie der Kühlschrank, werden dagegen als weitere Verbraucher angeschlossen, sind also Teil des Teilnetzes 27. Dadurch wird erreicht, dass das Batteriespeicher-System 20 die weiteren Verbraucher 22, 23 bei Netzausfall über einen längeren Zeitraum versorgen kann, was bei einem herkömmlichen Anschluss aller Verbraucher 16...23 durch die typischerweise zu hohe benötigte Leistung kaum möglich ist. Ein Batteriespeicher-System 20 mit einer Kapazität von 8 kWh kann eine Last von 4 kW, die beim Betrieb eines Herds oder zwei bis drei elektrischen Heizungen auftreten, zwei Stunden lang versorgen. Soll noch eine Leistungsaufnahme von 200 W, die beispielsweise beim Betrieb einiger Lampen und kleinerer Geräte in Summe auftreten kann, zusätzlich für 24h zur Verfügung stehen, was einer Energie von 4,8 kWh entspricht, bleiben nur 3,2 kWh für den beispielhaften Herd und damit weniger als eine Stunde Betrieb. Das Teilnetz 27, in dem die weiteren Verbraucher beispielsweise nur 200 W im Schnitt aufnehmen, kann dagegen 40h, also mehr als 1,5 Tage versorgt werden.
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Der Anschluss der Photovoltaik-Anlage 25 im Teilnetz 27 ermöglicht dabei zusätzlich das Laden des Akkus 203. Dadurch wird die Restlaufzeit für den Betrieb des Teilnetzes 27 deutlich erhöht. Im beschriebenen Beispiel benötigen die weiteren Verbraucher durchschnittlich 200 W, also 4,8 kWh an einem Tag. Wenn die Photovoltaik-Anlage 25 über einen Tag hinweg eine Energie von 4 kWh in den Akku 203 einspeisen kann, so ergibt sich netto nur ein Verbrauch von 0,8 kWh am Tag und somit eine Gesamtbetriebsdauer für die weiteren Verbraucher von 10 Tagen, was einen Ausfall des Versorgungsnetzwerks 12 in den meisten Fällen weit überschreiten sollte.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gebäudenetzwerk
- 12
- Versorgungsnetzwerk
- 13
- NH-Sicherung
- 14
- FI-Schalter
- 16
- Herd
- 17, 18
- Steckdosen
- 20
- Batteriespeicher-System
- 201
- NA-Schutz
- 202
- DC/AC-Wandler
- 203
- Akku
- 204
- Schütz
- 205
- Batterie-Netzanschluss
- 206
- Backup-Anschluss
- 207
- Einspeisungs-Anschluss
- 208
- Steuerung
- 22
- Lampe
- 23
- Kühlschrank
- 25
- Photovoltaik-Anlage
