DE102020110907A1 - Regelungstechnik zur Nutzung alternativer Energien in der Gebäudetechnik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystem in der Haustechnik.Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Regelungstechnik zu schaffen, die alternative Energien in der Gebäudetechnik nutzt.Erreicht wird dies nach der Erfindung durch ein Energiespeichersystem, das zumindest einem Energieerzeugungssystem zugeordnet ist. Erreicht wird dies durch Zugreifen von einem oder mehreren elektronischen Regelungsvorrichtungen auf Sensoren zur Erfassung der aktuell anliegenden Leistung, durch Entnahme von gespeicherter Energie mittels Rückgewinnung aus einer kinetischen Energiespeichervorrichtung bei Unterschreitung eines definierten Schwellwertes der Leistung oder Zufuhr anliegender Leistung des Systems in eine kinetische Energiespeichervorrichtung bei Überschreiten eines definierten Schwellenwertes. Bei Leerung des Speichers wir Leistung aus dem Netz zugeführt, bei Erreichen des maximalen Speichervermögens der Vorrichtung wird die überschüssige Leistung dem Stromnetz zugeführt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Regelungstechnik zur Nutzung alternativer Energien in der Gebäudetechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Gerade in der Gebäudetechnik hat es aufgrund stärkerer Bemühungen zur Energieeinsparung und effizienterer Energienutzung eine Vielzahl von Entwicklungen gegeben, deren Ziel es ist, Gebäude mit einer verbesserten Energiebilanz zu versehen. Ein Aspekt hierbei ist es, dass Gebäuden Energie aus alternativen Energiequellen wie Solarenergie oder Erdwärme zugeführt wird, um so den Anteil an nicht erneuerbaren fossilen Energiequellen wie Gas oder Erdöl deutlich zu reduzieren.
• Stand der Technik hierbei ist beispielsweise die Grundidee von Passivhäusern, die aufgrund einer überdurchschnittlich starken Wärmedämmung und einer starken Reduzierung von Lüftungswärmeverlusten auf klassische Gebäudeheizungen verzichten, die in der Regel ein erhitzt geführtes Medium im Kreislauf bewegen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt solcher Passivhauslösungen ist auch die Ausrichtung des Gebäudes in Bezug auf die Sonneneinstrahlung und die entsprechende Anordnung von diese Strahlungswärme aufnehmenden Fenstern in einer definierten Ausrichtung.
• Eine andere auf der Grundidee des Passivhauses weitergeführte Entwicklung ist das Nullenergiehaus, welches, wie bereits im Namen vorgegeben, ohne zusätzliche Energiezufuhr und häufig sogar mit eigenem Energiegewinn betrieben werden kann. Hierbei sind die Energiequellen der Solarenergie in der Regel zentral, hinzu kommen entsprechende nach Süden ausgerichtete Fensterflächen analog zum Passivhaus, ebenfalls eine entsprechende Luftdichtheit und Wärmedämmung, die ebenfalls bereits im Passivhaus angelegt worden sind.
• Als weitere Energiegewinnungsquellen bei nullenergiebetriebenen Häusern können Wärmepumpen dienen, die beispielsweise als Erdwärmekollektoren in Form von Spiralkollektoren angewandt sind. Andere Techniken können vertikale Windräder darstellen, die ebenfalls auch in häuslichen Bereichen in kleinen Baugrößen als zusätzliche Energiegewinnungseinheit zur Energiebilanz beitragen können.
• Eine immer wiederkehrende Problematik in diesem Zusammenhang ist allerdings, dass die beispielsweise über Photovoltaik oder Windkraft gelieferte Stromzufuhr nicht jederzeit in gleichem Maße ansteht. Daher ist es beispielsweise in Deutschland möglich, durch das Einspeisegesetz überschüssige Strommengen aus der hausinternen Produktion als erneuerbare Energiequelle ins Stromnetz einzuspeisen und eine entsprechende Einspeisevergütung zu erhalten. Nichtsdestotrotz führt dies dazu, dass diese produzierte Energiemenge dem Gebäude selbst nicht mehr zur Verfügung steht und in Zeiten, in denen keine Energie beispielsweise durch Photovoltaik oder Windkraft zur Verfügung steht, entsprechend Energie zugeführt werden muss.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Regelungstechnik, eine Regelung zur Nutzung alternativer Energien in der Gebäudetechnik zu schaffen, die über eigene Stromspeichertechniken, die Teil der Gebäudetechnik sind, produzierte Energie zwischenzuspeichern, um so einen Ausgleich für die Zeiten zu bewirken, in denen kein Strom beispielsweise über Photovoltaik oder Windkraft zur Verfügung steht.
• Dies wird erfinderisch dadurch gelöst, dass die am Gebäude produzierte Energie durch Photovoltaik oder Windkraft im Falle einer Überproduktion einem Speichermedium zugeführt wird, um so gespeicherte Energie aus diesem Speichermedium abzuziehen, sobald die gelieferte Strommenge einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet. Ziel der nun vorliegenden Regelungstechnik ist es hierbei, durch eine Kombination unterschiedlicher Elemente eine in sich geschlossene Regelungstechnik vorzustellen, die eine optimale Nutzung der Gebäudeenergie erlaubt.
• Hierfür ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bestimmte Regelgrößen zu definieren, die innerhalb des Zusammenspiels aus Stromerzeugern und Speichermedien zu einer Stromspeicherung oder einem Zugriff auf den Stromspeicher innerhalb des Gebäudes führen. Insbesondere ist es hierbei von Vorteil, dass bei einer häufig vorliegenden Überproduktion von Strom dieser nicht lediglich in das Stromnetz eingespeist wird und somit dem Gebäude nicht mehr zu Gute kommt, sondern, dass auch dieser Strom wieder rückgeführt werden kann, um eine konstante Versorgung des Gebäudes mit Energie zu gewährleisten.
• Hierbei sind verschiedene Speichermedien für diesen Überschuss an Strom bekannt. Beispielsweise werden auch bereits angewandt reguläre Batteriespeicher, in denen die Energie zwischengespeichert werden kann, um so wieder zur Verfügung zu stehen, genutzt. Eine weitere Möglichkeit gespeicherte Energie neuerlich zu nutzen, ist allerdings ein mechanischer Energiespeicher, der durch überschüssige Energie durch Erhöhung seiner kinetischen Energie auf ein höheres Energieniveau angehoben werden kann, um dann über eine generatorische Rückgewinnung dieser Energie durch Absenken des mechanischen Speichers eine Rückgewinnung von Strom zu erreichen, sobald ein bestimmter Wert der Energiezufuhr über die alternativen Energiequellen nicht mehr anliegt.
• Der Regelkreis sieht hierbei vor, dass der Ausgangspunkt der Regelung die dem Gebäude zugeführte Energie ist, die beispielsweise über Photovoltaik oder Windkraft einem Gebäude zugeführt wird. Es ist dann zu entscheiden, ob der so zugeführte Wert an Strom einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Liegt beispielsweise keinerlei Stromzuvor vor, das Gebäude benötigt aber nun Energie, kann dieser Strom direkt aus dem Speichermedium entnommen werden aus einem mechanischen Speicher, der zuvor durch eine Überproduktion von Strom als Energiespeicher aktiviert und auf ein höheres Energieniveau angehoben worden ist.
• Erreicht die alternative Energiegewinnung eine Stromzufuhr, so ist hier wiederum eine Unterscheidung zu treffen, ob dieser Stromzufuhrwert einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Wird beispielsweise eine Überproduktion des Schwellenwertes festgestellt, so wird diese zusätzliche zugeführte Energie dem Speicher zugeführt. Ansonsten wird zur Erreichung des Schwellenwertes Energie aus dem Stromspeicher zur Überschreitung dieses Schwellenwertes zugeführt, sofern hier noch gespeicherte Energie vorliegt.
• Beim Überschreiten des Schwellenwertes der zugeführten Energie wird dem Speicher oder den Speichermedien wiederum Energie zugeführt. Da auch die Speicherfähigkeit bei verschiedenen Speichermedien und entsprechend hoher Energiezufuhr erschöpft sein kann, da beispielsweise der mechanische Speicher seinen höchsten Speicherwert erreicht hat, der Batteriespeicher gefüllt ist und auch keine weitere Kapazität zum Speichern mehr vorliegt, kann es zum Nutzen der überschüssigen Energie beispielsweise durch Energieeinspeisung in das Stromnetz kommen. Ist der Speicher oder einer der Speicher noch nicht gefüllt, so ist es vorgesehen, nach der vorliegenden Regelung, den Strom wieder an den Speicher zuzuführen, sei es nun eine Batterie oder ein mechanischer Speicher.
• Im Ergebnis führt dies dazu, dass die Energieverwertung im Gebäude auf einem konstanten Wert gehalten wird. Energie, die überschüssig produziert wird, wird zur Speicherungen genutzt, wobei auch parallel hierzu Speichermedien wieder gefüllt werden. Auch ist es durchaus vorgesehen, zur Übersteigung eines bestimmten Schwellenwertes von beispielsweise ca. 2000 Watt aus einem in der Regeltechnik integrierten Speicher Energie zu entziehen und gleichzeitig durch den so erzeugten Energieüberschuss einem anderen Speicher wiederum Energie zuzuführen.
• Auf diese Weise soll erreicht werden, dass die Energie innerhalb des Gebäudes möglichst konstant nutzbar ist, ohne dass externe Energie zuzuführen ist. Auf diese Weise soll insbesondere erreicht werden, dass die Umweltverträglichkeit der Gebäudetechnik auf aktuelle Themen wie Klimaerwärmung und Ressourcenschonung optimiert wird.
• Es ist ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen, einen mit Wasserstoff betriebenen Wankelmotor in das Energieerzeugungssystem zu integrieren. Dieser Motor soll zum einen genutzt werden, bei ausbleibender Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie den kinetischen Energiespeicher wieder aufzuladen, im vorliegenden Fall also den Hubspeicher auf ein höheres Energieniveau anzuheben.
• Hintergrund ist, dass der Hubspeicher für die generatorische Energierückgewinnung beispielsweise der in der Nacht erforderlichen kleineren Energiemengen besser geeignet ist. Im Gegensatz dazu aber liefert der Wankelmotor höhere Leistung und ist daher besser geeignet, den Hubspeicher für einen Energieabruf in der Nacht anzuheben.
• Zum anderen ist vorteilhaft, dass hierfür Wasserstoff verwendet werden kann, der in den Phasen hoher regenerativer Energiegewinnung aus Sonne und Wind produziert und gespeichert worden ist. Daher ist bei der Integration dieser Energiegewinnung die Nutzung einer Wasserelektrolyse zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen. Der Wasserstoff dient hierbei als Energiespeicher der aus Windkraft und Photovoltaik entstehenden Überschüsse und soll in Flüssiggastanks chemisch zwischengespeichert werden können. Hierbei sind Tankgrößen von 1000 bis 1500 1 zweckmäßig.
• Der so erzeugte Wasserstoff kann wie gesagt als Antriebsenergie genutzt werden, um wiederum Energie dem kinetischen Energiespeicher zuzuführen.
• Im Folgenden wird das Regelungsverfahren anhand eises schematischen Ablaufplans näher erläutert.
• Die Figur zeigt den Regelablaufplan in einer schematischen symbolhaften Darstellung. Im Regelablauf finden sich positive und negative Bedingungen, wobei die positiven Bedingungen durch ein Häkchen im Kreis und die negativen Bedingungen durch ein X im Kreis dargestellt sind. Des Weiteren sind in mehrfacher Verwendung Symbole für die Entnahme von Energie in Form eines Gefäßes mit nach oben weisendem Pfeil sowie durch Eingabe von Energie in ein System durch ein Gefäß mit einem in das Gefäß weisenden Pfeil dargestellt. Weitere Symbole sind ein Energiepfeil für den Stromfluss, volle und leere Batteriesymbole für den vollen und leeren Energiespeicher sowie ein Lastensymbol mit Strompfeil für den mechanisch-kinetischen Energiespeicher.
• Im Programmablaufplan beginnt der Regelablauf mit der über Photovoltaik und/oder Windkraft zugeführten Energie. Diese durch einen Stromkreis zugeführte Energie führt je nachdem ob Leistung vorliegt oder nicht zu unterschiedlichen Regelfolgen. Der nach rechts weisende Pfeil zeigt die Folge eines nicht vorliegenden Energiegewinns über Photovoltaik oder Windenergie. Hieraus resultiert, dass aus dem mechanischen Hubkraftspeicher Energie rückgewonnen und der Hausenergieversorgung zugeführt wird und es somit zur Energieentnahme aus dem Speicher kommt.
• Hieraus resultiert wiederum als nächstes Regelfeld die Bedingung A, ob dieser mechanische Speicher eventuell entleert ist, was über das ikonografische Symbol eines Batteriekörpers mit innenliegendem X dargestellt ist. Der nach rechts weisende Pfeil steht für die Bedingung, dass der hausinterne mechanische Speicher entleert worden ist, weshalb nun symbolisch eine Stromentnahme aus dem Stromnetz des Hauses vorgesehen ist. Dies erfolgt solange, bis ein Punkt B erreicht ist, der als Anfangspunkt des Verfahrens bedeutet, dass nun wieder Photovoltaik oder Windkraft neuen Strom liefern und insofern keine Netzstromenergie mehr benötigt wird.
• Ist der mechanisch-kinetische Energiespeicher nicht entleert führt der nach unten weisende Pfeil zu einem Zustand C, der auf eine Schwellenwertregelung des weiteren Verfahrens verweist. Liegt nämlich Energieleistung vor führt diese positive Bedingung zur Erfassung der Energieleistung und der Bedingung, ob diese einen Wert kleiner beispielsweise 2000 W erreicht. Ist dies der Fall und der Schwellenwert wird unterschritten führt der nach rechts weisende Bedingungspfeil dazu, dass Energie aus dem mechanisch-kinetischen Energiespeicher zugeführt wird, was Regelbedingung A wie oben besprochen bedingt.
• Liegt an diesem Punkt die Bedingung vor, dass eine Leistung über dem Schwellenwert vorliegt (die Bedingung E kleiner beispielsweise 2000 W ist nicht erfüllt), so kommt es zu einer Zufuhr des Leistungsüberschusses in den mechanisch-kinetischen Energiespeicher. Das heißt, zumindest ein Gewichtskörper wird elektromotorisch auf ein höheres Energieniveau angehoben und speichert so generatorisch abrufbar den Energieüberschuss.
• Eine folgende Bedingung ist, ob nun dieser mechanisch-kinetische Energiespeicher durch den Überschuss voll geladen ist, da beispielsweise der Gewichtskörper seine höchste Ladeposition erreicht hat und so konstruktiv bedingt keine weitere Energie über ein Anheben dieses Gewichtskörpers mehr gespeichert werden kann, da der Elektromotor nicht mehr Energie abnehmen kann. Es folgt dann durch eine positive Bestätigung dieser Bedingung eine Zufuhr des weiteren Leistungsüberschusses der dem System mittels Photovoltaik und/oder Windkraft zugeführten Energie ins Stromnetz oder zu weiteren Speichermedien, beispielsweise Akkus, die in der Figur nicht dargestellt sind. An dieser Stelle können auch nicht näher definierte weitere Formen der Speicherung elektrischer Energie zur Anwendung kommen.
• Ist final die Bedingung eines gefüllten mechanisch-kinetischen Energiespeichers nicht erfüllt, wird dieser Überschuss weiterhin dem mechanisch-kinetischen Energiespeicher zugeführt.
• Die Integration einer Wasserelektrolyse zur Nutzung von Überschüssen aus Wind- und Solarstrom, Speicherung des gewonnen Wasserstoffs sowie Nutzung eines Wankelmotors als weitere optionale Komponente, um den Hubspeicher anzuheben, sind im schematischen Ablaufplan des Regelungsverfahrens nicht dargestellt, sollen aber alternativ integrierbar sein.

Claims (8)

1. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik, das zumindest einem Energieerzeugungssystem zugeordnet ist, umfassend: a) Zugreifen von einer oder mehreren elektronischen Regelungsvorrichtungen auf Sensoren zur Erfassung der aktuell anliegenden Leistung des zumindest einen Energieerzeugungssystems, b) Entnahme von gespeicherter Energie mittels Rückgewinnung aus einer kinetischen Energiespeichervorrichtung bei Unterschreitung eines definierten Schwellenwertes der anliegenden Leistung des zumindest einen Energieerzeugungssystems, c) oder Zufuhr anliegender Leistung des zumindest einen Energieerzeugungssystems in eine kinetischen Energiespeichervorrichtung bei Überschreitung eines definierten Schwellenwertes der anliegenden Leistung, d) wobei bei Leerung der gespeicherten Energie der kinetischen Energiespeichervorrichtung Leistung aus dem Netz zugeführt wird und e) bei Erreichen des maximalen Speichervermögens der kinetischen Energiespeichervorrichtung und weiterer Energiespeichervorrichtungen die überschüssige Leistung des zumindest einen Energieerzeugungssystems dem Stromnetz zugeführt wird.
2. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieerzeugungssystem mittels Windkraft und/oder Photovoltaik betrieben wird.
3. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert der anliegenden Leistung des Energieerzeugungssystems bei 2000 W Energieleistung mit einem Toleranzwert von plus/minus 100 W definiert ist.
4. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der kinetischen Energiespeichervorrichtung weitere Energiespeichervorrichtungen in Form von Akkus Teil des Energiespeichersystems sind.
5. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetischen Energiespeichervorrichtung ein Speichern der Energie über das elektromotorische Anheben zumindest eines Gewichtkörpers und die Abgabe von Leistung über zumindest einen Generator erfolgt, der durch das Absenken des zumindest eines Gewichtkörpers angetrieben wird.
6. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Windkraft und/oder Photovoltaik erzeugte Überschüsse von Wind- und Solarstrom einer Wasserelektrolyse-Vorrichtung zur Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden und der erzeugte Wasserstoff als Energiespeicher dient und in Flüssiggastanks chemisch zwischengespeichert wird.
7. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssiggastanks in Tankgrößen von 1000 bis 1500 1 genutzt werden.
8. Regelungsverfahren für ein Energiespeichersystems in der Haustechnik nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass - ein mit Wasserstoff betriebenen Wankelmotor in das Energieerzeugungssystem integriert ist, - der bei unzureichender Energiegewinnung aus Sonnen- und Windenergie den kinetischen Energiespeicher durch Anheben des Hubspeichers auf ein höheres Energieniveau wieder auflädt.

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