DE102020209046A1

DE102020209046A1 - Verfahren zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen sowie Steuerungsplattform

Info

Publication number: DE102020209046A1
Application number: DE102020209046.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Schreck; Jochen Schäfer; Sebastian Thiem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2022-01-20
Also published as: WO2022017654A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (4) vorgeschlagen, wobei jedes Energiesystem (4) eine oder mehrere Wärmeeinheiten (40) zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) über eine jeweilige Abnahmestelle (41) Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme (4) externes Wärmenetz (2) austauchen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme (4) zentralen Steuerungsplattform (1) erfolgt, die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen (4) basierend auf einer Optimierung steuert. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (4) basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme (4) an der jeweiligen Abnahmestelle (41) einstellt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerungsplattform (4) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Steuerungsplattform gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
Energiesysteme, beispielsweise Stadtteile, Gemeinden oder industrielle Anlagen, mit beispielsweise Wohn-, Büro- und/oder Industriegebäuden können untereinander, beispielsweise mittels eines externen Stromnetzes oder externen Wärmenetzes (Versorgungsnetze), dezentral, das heißt lokal, Energie in Form von Strom beziehungsweise Wärme austauschen.
Ein solcher lokaler Energieaustausch (Energietransfer/Leistungsaustausch/Leistungstransfer) kann technisch durch eine lokale Energiemarktplattform ermöglicht werden. Hierbei übermitteln die Energiesysteme Angebote für einen Energieverbrauch und/oder eine Energiebereitstellung an die lokale Energiemarktmarktplattform. Basierend hierauf koordiniert die lokale Energiemarktplattform die Energieaustausche zwischen den Energiesubsystemen über die zugehörigen Versorgungsnetze.
Mit anderen Worten wird ein lokaler Energiemarkt technisch durch die lokale Energiemarktplattform, die eine Steuerungsplattform ausbildet, verwirklicht. Eine solche lokale Energiemarktplattform/Steuerungsplattform für den Austausch elektrischer Energie ist beispielsweise aus dem Dokument EP 3518369 A1 bekannt.
Durch einen lokalen Energiemarkt können die Energiesysteme lokal gewonnene Energie, insbesondere elektrische Energie (Strom), untereinander austauschen und handeln. Hierbei ermöglicht es der lokale Energiemarkt durch seine dezentrale technische Ausgestaltung die lokale gewonnene Energie effizient mit dem lokalen Energieverbrauch abzustimmen. Somit ist ein lokaler Energiemarkt besonders im Hinblick auf erneuerbare Energien, die typischerweise lokal gewonnen werden, vorteilhaft.
Bei bekannten Energiemärkten bestehen die den Energieaustauschen vorausgehenden Angebote aus einem maximalen Preis für eine zu beziehende beziehungsweise zu verbrauchende Energiemenge und/oder einen minimalen Preis für eine bereitzustellende, insbesondere zu erzeugende, Energiemenge. Nachteilig hieran ist, dass weitere gegebenenfalls relevante technische Informationen bezüglich der Energiesysteme nicht übermittelt werden. Dadurch ist ein energetischer effizienter Betrieb des Energiesystems beziehungsweise seiner Untereinheiten (Energiesubsysteme) trotz Optimierung durch die lokale Energiemarktplattform nicht sichergestellt. Weiterhin bleiben mögliche Synergien zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz unberücksichtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die energetische Effizienz eines lokalen Energiemarktes zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Steuerungsplattform mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, wobei jedes Energiesystem eine oder mehrere Wärmeeinheiten, beispielsweise eine Wärmepumpe, zur Wärmebereitstellung (Wärmebereitsteller, insbesondere Wärmeerzeuger) und/oder zum Wärmeverbrauch (Wärmeverbraucher) aufweist, und die Energiesysteme über eine jeweilige Abnahmestelle Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärmenetz austauchen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsplattform erfolgt, die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen basierend auf einer Optimierung steuert, ist gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme an der jeweiligen Abnahmestelle einstellt.
Die erfindungsgemäße Steuerungsplattform zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, wobei jedes Energiesystem eine oder mehrere Wärmeeinheiten zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme über eine jeweilige Abnahmestelle Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärmenetz austauchen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels der bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsplattform erfolgt, die dazu ausgebildet ist, die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen basierend auf einer Optimierung zu steuern, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsplattform dazu ausgebildet ist, basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme an der jeweiligen Abnahmestelle einzustellen.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und Ausgestaltungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt sein.
Technisch wird ein lokaler Energiemarkt durch eine Energiemarktplattform, die ebenfalls als Steuerungsplattform oder Energiehandelsplattform bezeichnet werden kann, verwirklicht. Die lokale Energiemarktplattform kann cloudbasiert und der Austausch der Angebote blockchainbasiert sein. Die lokale Energiemarktplattform beziehungsweise Steuerungsplattform koordiniert und steuert die Energieaustausche zwischen den Energiesystemen basierend auf Angebote, die die Energiesysteme vorab an diese übermittelt haben. Das Steuern, das heißt das Ermitteln der Energieaustausche (Wärme und/oder Strom und/oder weitere Energieformen, beispielsweise chemische Energie), erfolgt basierend auf einer Optimierung (Optimierungsverfahren), das heißt auf einer mathematischen Optimierung. Die Optimierung basiert auf einer Zielfunktion, deren Wert maximiert oder minimiert werden soll. Die Zielfunktion kann den Gesamtenergieumsatz, die Gesamtkohlenstoffdioxidemission, die Gesamtenergieverluste, und/oder die Gesamtbetriebskosten aller teilnehmenden Energiesysteme und/oder der Versorgungsnetze quantifizieren.
Durch eine Leistung innerhalb eines Zeitbereiches ergibt sich eine bestimmte Energie beziehungsweise Energiemenge in diesem Zeitbereich, die bereitgestellt und/oder verbraucht beziehungsweise ausgetauscht wird. In diesem Sinne sind die Begriffe Energie/Energieaustausch und Leistung/Leistungsaustausch in der vorliegenden Erfindung äquivalent und sind somit untereinander austauschbar.
Aus struktureller Sicht definiert insbesondere der IPCC Fifth Assessment Report ein Energiesystem als: „Alle Komponenten, die sich auf die Erzeugung, Umwandlung, Lieferung und Nutzung von Energie beziehen.“
Ein Energiesystem umfasst typischerweise mehrere Energiesubsysteme. Energiesubsysteme umfassen typischerweise mehrere energietechnische Komponenten, insbesondere energietechnische Anlagen, beispielsweise Energiewandlungsanlagen, insbesondere Erzeugungsanlagen, Verbrauchsanlagen und/oder Speicheranlagen bezüglich Wärme und/oder Strom.
Als Komponenten/Anlagen kann jedes der Energiesubsysteme eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: Stromgeneratoren, Kraftwärmekopplungsanlagen, insbesondere Blockheizkraftwerke, Gasboiler, Dieselgeneratoren, Elektrokessel, Wärmepumpen, Kompressionskältemaschinen, Absorptionskältemaschinen, Pumpen, Fernwärmenetzwerke, Energietransferleitungen, Windkrafträder oder Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, Biomasseanlagen, Biogasanlagen, Müllverbrennungsanlagen, industrielle Anlagen, konventionelle Kraftwerke und/oder dergleichen.
Über das externe Stromnetz können die Energiesysteme elektrische Energie (Strom) ausspeisen und/oder einspeisen. Über das externe Wärmenetz können die Energiesysteme Wärme ausspeisen und/oder einspeisen. Somit können die Energiesysteme elektrische Energie und/oder Wärme über die genannten Versorgungsnetze austauschen, das heißt es erfolgen Energieaustausche. Es ist nicht erforderlich, dass alle Energiesysteme an dem Wärmenetz zum Wärmeaustausch angeschlossen sind. Für die vorliegende Erfindung ist es ausreichend, dass wenigstens eines der Energiesysteme mit dem externen Wärmenetz zum Wärmeaustausch (Energieaustausch) gekoppelt ist.
Die lokale Energiemarktplattform/Steuerungsplattform steuert die Energieaustausche in dem Sinne, dass diese Steuersignale, beispielsweise ein Preissignal, mit entsprechenden Steuergrößen an die Abnahmestellen und/oder Energiesysteme übermittelt. In diesem Sinne ist eine mittelbare Steuerung vorgesehen. Eine unmittelbare Steuerung ist nicht erforderlich, kann jedoch vorgesehen sein. Zugehörige technische Steuergrößen, beispielsweise die Energieform (Strom oder Wärme), die Energiemenge und/oder der Zeitpunkt der jeweiligen Energiebereitstellung beziehungsweise Energieverbrauches können ebenfalls von der lokalen Steuerungsplattform an die jeweiligen Energiesysteme übermittelt werden. Die Steuergrößen werden mittels des Optimierungsverfahrens durch die lokale Steuerungsplattform ermittelt.
Vorliegend umfasst der Begriff des Steuerns ein Regeln.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Energiesysteme über das Stromnetz elektrische Energie (Strom) und über das externe Wärmenetz Wärme austauschen. Diese Energieaustausche werden durch die lokale Steuerungsplattform basierend auf einer bezüglich der Energiesysteme gesamtheitlichen Optimierung gesteuert, das heißt koordiniert. Dadurch können Energiebereitstellung, insbesondere Energieerzeugung und Energieverbrauch, lokal bestmöglich in Übereinstimmung gebracht werden. Vorliegend steuert die lokale Steuerungsplattform den Stromaustausch und den Wärmeaustausch zwischen den Energiesystemen. Dadurch ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass grundsätzlich Synergien zwischen den beiden Energieformen und deren Bereitstellung, insbesondere deren Erzeugung, und deren Verbrauch verwirklicht, werden können. Beide Formen des Energieaustausches werden gesamtheitlich durch die lokale Energiemarktplattform optimiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Steuerungsplattform basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme an der jeweiligen Abnahmestelle ein. Mit anderen Worten übermittelt die Steuerungsplattform ein oder mehrere Steuersignale an die Abnahmestelle, die zu einem Einstellen der Temperaturspreizung und des Massenstromes geeignet sind. Äquivalent zum Massenstrom kann der Volumenstrom eingestellt werden. Dadurch können die Temperaturspreizung und der Massenstrom an der jeweiligen Annahmestelle (Kopplung zwischen externem und bezüglich des Energiesystems internem Wärmenetz) derart eingestellt werden, dass beispielsweise die thermischen Verluste des Wärmenetzes möglichst gering sind. Dadurch wird die energetische Effizienz des Wärmenetzes verbessert. Eine solche Einstellung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn ein Energiesystem (Abnehmer) zu wenig Wärme ausspeist und somit die Rücklauftemperatur erhöht wird, wodurch die Netzkapazität des Wärmenetzes sinken würde.
Die an der Übergabestelle (Abnahmestelle) abgenommene Wärmemenge Q̇ (Wärmeleistung innerhalb eines Zeitbereiches) ist abhängig von der Temperaturspreizung ΔT und dem Massenstrom ṁ (Durchsatz) sowie der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgermediums c_k des externen Wärmenetzes. Es gilt grundsätzlich Q = ṁc_kΔT. Eine zur vorliegenden Erfindung äquivalente Formulierung mittels des Volumenstroms V̇ (ṁ=ρV̇) bei im Wesentlichen konstanter Dichte ρ des Wärmeträgermediums ist denkbar. Somit ist erfindungsgemäß ebenfalls eine Einstellung des Volumenstroms vorgesehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zum möglichst optimalen Betrieb des Wärmenetzes die Temperaturspreizung und der Durchsatz, vorteilhafterweise innerhalb der technischen Grenzen, durch die Steuerungsplattform eingestellt. Dadurch können die Temperaturspreizungen und Massenströme derart eingestellt werden, dass möglichst wenig Verluste bezüglich des externen Wärmenetzes auftreten. Weiterhin kann das externe Wärmenetz durch die vorliegende Erfindung bezüglich der Einspeisung und Ausspeisung von Wärme durch die Energiesysteme möglichst optimal betrieben werden. Ohne die Kenntnis und das Einstellen der jeweiligen Temperaturspreizung und des jeweiligen Massenstromes an den zugehörigen Abnahmestellen ist ein optimaler Betrieb des externen und für die Energiesysteme gemeinschaftlichen Wärmenetzes nicht möglich. Die vorliegende Erfindung schafft somit die technische Möglichkeit eines energetisch möglichst optimalen Betriebes des externen und gemeinschaftlichen Wärmenetzes.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Stromnetz und das Wärmenetz gesamtheitlich durch die erfindungsgemäße Steuerungsplattform unter Berücksichtigung von Energieaustauschen zwischen den genannten Versorgungsnetzen optimal betrieben werden. Dadurch kann die bestehende Netzinfrastruktur möglichst optimal und innerhalb ihrer technischen Grenzen (Netzrandbedingungen) mit bestmöglicher Effizienz ausgelastet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übermitteln die Energiesysteme einen Wertebereich ihrer jeweiligen Temperaturspreizung und/oder ihres jeweiligen Massenstromes an die Steuerungsplattform, die die Wertebereiche bei der Optimierung berücksichtigt.
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Temperaturspreizung sowie der Massenstrom in den jeweiligen technischen Grenzen eingestellt werden. Mit anderen Worten werden die genannten Wertebereiche durch technische und/oder physikalische Grenzen ausgebildet, wobei die technischen Grenzen typischerweise kleiner als die physikalischen Grenzen sind. Durch die genannte Übermittlung ist die Steuerungsplattform und somit der durch diese ausgebildete lokale Energiemarkt sinnbildlich in Kenntnis der technisch und/oder physikalisch zulässigen Wertebereiche für das Einstellen der Temperaturspreizungen und der Massenströme. Dadurch können diese bei der Optimierung berücksichtigt werden, das heißt es wird sichergestellt, beispielsweise mittels Nebenbedingungen, dass das Ergebnis der Optimierung die übermittelten Grenzen respektiert. Weiterhin kann jede der Abnahmestelle verschiedene Wertebereiche aufweisen. Mit anderen Worten übermittelt jedes Energiesystem, das an einem Wärmeaustausch teilnimmt, vorteilhafterweise seine spezifischen technischen und/oder physikalischen Grenzen.
Alternativ oder ergänzend zur Übermittlung der genannten Wertebereiche/Grenzen könnte eine Abhängigkeit von der Temperaturspreizung und dem Massenstrom übermittelt werden und/oder ein Preis für den Wärmeaustausch ermittelt werden, das heißt eine geringere Temperaturspreizung führt zu einem höheren Massenstrom und einem höheren Preis.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungsplattform als lokale Energiemarktplattform ausgebildet, wobei die Wertebereiche im Rahmen eines jeweiligen Angebotes für einen Wärmeaustausch an die Steuerungsplattform übermittelt werden.
Die Steuerungsplattform ist somit bevorzugt als lokale Energiemarktplattform ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Übermittlung der Wertbereiche mit einem Angebot zum Wärmeaustausch gekoppelt. Bei bekannten Energiemärkten bestehen die den Energieaustauschen vorausgehenden Angebote aus einem maximalen Preis für eine zu beziehende beziehungsweise zu verbrauchende Energiemenge und/oder einen minimalen Preis für eine bereitzustellende, insbesondere zu erzeugende, Energiemenge. Nachteilig hieran ist, dass weitere gegebenenfalls relevante technische Informationen bezüglich der Energiesysteme nicht übermittelt werden. Dadurch ist ein energetischer effizienter Betrieb trotz Optimierung durch die Steuerungsplattform nicht sichergestellt.
Weiterhin bleiben mögliche Synergien zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz unberücksichtigt. Vorliegend werden die Angebote vorteilhafterweise mit den genannten technischen Parametern, das heißt vorliegend insbesondere den technischen Grenzen/Wertebereiche für Temperaturspreizung und Massenstrom, gekoppelt. Ein Kaufangebot für eine bestimmte Wärmemenge (innerhalb eines Zeitbereiches) sieht somit einen maximalen Preis pro Wärmemenge, eine maximal abzunehmende Wärmemenge sowie die Grenzen für Temperaturspreizung und Durchsatz (Massenstrom/Volumenstrom) vor. Das Kaufangebot beziehungsweise die dadurch umfassten Informationen werden durch die zugehörigen Energiesysteme an die Steuerungsplattform übermittelt. Vergleichbar sieht ein Verkaufsangebot für eine bestimme Wärmemenge (innerhalb eines Zeitbereiches) einen minimalen Preis pro Wärmemenge, eine maximal bereitzustellende, insbesondere zu erzeugende Wärmemenge, sowie die Grenzen für Temperaturspreizung und Durchsatz (Massenstrom/Volumenstrom) vor. Die technischen Informationen beziehungsweise Angebote können durch die Energiesysteme mittels eines dem jeweiligen Energiesystem zugehörigen Energiemanagementsystems, einem Edge-Device, insbesondere einem Handelsagenten, an die Steuerungsplattform übermittelt werden. Eine Übermittlung über die Abnahmestellen ist denkbar.
Bevorzugt umfasst das beziehungsweise umfassen die Angebote somit weitere technische Informationen über die jeweiligen Wärmeeinheiten, insbesondere eine maximal bereitstellbare Wärmemenge und/oder eine maximale verbrauchbare Wärmemenge.
Dadurch kann das externe Wärmenetz, insbesondere in Synergie mit dem externen Stromnetz, energetisch effizienter betrieben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt die Steuerungsplattform mittels der Optimierung die bezüglich einer Zielfunktion der Optimierung optimalen Wärmeaustausche für einen kommenden Tag, insbesondere den nächsten Tag.
Dadurch ist vorteilhafterweise ein effizienterer Day-Ahead-Handel möglich. Typischerweise wird für den nächsten Tag (engl. Day-Ahead) für jede Stunde, insbesondere jede 15 Minuten, des genannten Tages eine Optimierung basierend auf den übermittelten Informationen/Daten durchgeführt, sodass entsprechend die Temperaturspreizungen und Massenströme in den genannten Zeitintervallen eingestellt werden. Die Zielfunktion kann der Gesamtwärmeumsatz, der Gesamtenergieumsatz, die Gesamtverluste des Wärmenetzes (Gesamtwärmeverluste) und/oder des Stromnetzes, und/oder die Gesamtbetriebskosten quantifizieren beziehungsweise darstellen. Die genannten technischen Größen, beispielsweise die Gesamtwärmeverluste, werden dann mittels der Optimierung minimiert oder maximiert. Insbesondere werden hierbei Stromerzeuger, Wärmeerzeuger, Stromspeicher, Wärmespeicher, Stromnetz und Wärmenetz gesamtheitlich modelliert und optimiert, sodass ein gesamtheitlich optimaler Betrieb erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Zielfunktion die Gesamtwärmeverluste, der Gesamtwärmeumsatz und/oder die Gesamtemissionen, insbesondere bezüglich Kohlenstoffdioxid, verwendet.
Hierbei wird bei der Optimierung, das heißt beim möglichst optimalen Abgleich der Angebote (engl. Matching), besonders bevorzugt die Kopplung zwischen dem Wärmenetz und dem Stromnetz berücksichtigt. Die Gesamtemissionen und/oder der Gesamtenergieumsatz und/oder die Verluste können sich somit auf beide Energieformen, das heißt auf Wärme und Strom, beziehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der wird bei der Optimierung eine Vorhersage der Außentemperatur für den kommenden Tag berücksichtigt wird.
Dadurch kann vorteilhafterweise die Optimierung, insbesondere bezüglich der Wärmeaustausche verbessert werden. Das ist deshalb der Fall, da für die Wärmebereitstellung, insbesondere Wärmeerzeugung und den Wärmeverbrauch, die Außentemperatur eine wichtige Einflussgröße darstellt. So ist beispielsweise die Effizienz (Leistungszahl) einer Luft-Wasser-Wärmepumpe von der Außentemperatur, das heißt von der Luft, die diese zur Wärmerzeugung aufnimmt, abhängig.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens ein Teil der Abnahmestellen bezüglich ihrer Temperaturspreizung und/oder bezüglich ihres Massenstromes mittels einer bezüglich der Abnahmestelle lokalen Steuerungseinheit einstellbar, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels der Steuerungsplattform über die lokalen Steuerungseinheiten erfolgt.
Mit anderen Worten weisen die Abnahmestellen lokale Steuerungseinheiten auf, mittels welchen Steuerungseinheiten die jeweiligen Temperaturspreizungen und Massenströme einstellbar sind. Dadurch weist wenigstens ein Teil der Abnahmestellen ein Edge-Device (Steuerungseinheit) zum Einstellen der jeweiligen Temperaturspreizung und des jeweiligen Massenstromes auf. Die Steuerungseinheiten sind zum Datenaustausch beziehungsweise Informationsaustausch mit der Steuerungsplattform gekoppelt. Die technischen und/oder physikalischen Wertebereiche der Temperaturspreizungen und der Massenströme sowie gegebenenfalls weitere technische Daten und/oder Angebote bezüglich der Wärmeaustausche können durch die Steuerungseinheiten an die Steuerungsplattform übermittelt werden. Die Steuerungsplattform übermittelt die Optimierungsergebnisse in Form von Steuersignalen an die Steuerungseinheiten, die diese lokal umsetzen, das heißt insbesondere die jeweilige Temperaturspreizung und den jeweiligen Massenstrom, beispielsweise mittels Pumpen und/oder Drosseln, tatsächlich einstellen. Es erfolgt somit über die lokalen Steuerungseinheiten eine mittelbare Steuerung durch die Steuerungsplattform. Die Energiesysteme und/oder die Abnahmestellen können die jeweilige Steuereinheiten umfassen. Weiterhin können die Steuereinheiten ein Bestandteil eines Energiemanagementsystem des jeweiligen Energiesystems sein.
Bevorzugt werden als Steuerungseinheiten drehzahlgeregelte und/oder einstellbare Pumpen und/oder Drosseln, insbesondere smarte drehzahlgeregelte und/oder smarte einstellbare Pumpen und/oder Drosseln, verwendet.
Mit anderen Worten sind die Steuerungseinheiten als drehzahlgeregelte und/oder einstellbare Pumpen und/oder Drosseln ausgebildet. Dadurch werden vorteilhafterweise technische Einrichtungen für das Einstellen der jeweiligen Temperaturspreizung und des jeweiligen Massenstromes bereitgestellt. Weitere technische Komponenten zum Einstellen der Temperaturspreizung und des Massenstromes, die Bestandteil des jeweiligen Energiesystems, der jeweiligen Abnahmestelle und/oder des externen Wärmenetzes sein können, können vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung koppeln die Abnahmestellen ein bezüglich des jeweiligen Energiesystems internes Wärmenetz mit dem externen Wärmenetz zum Wärmeaustausch.
Besonders bevorzugt umfassen die Abnahmestellen hierzu einen Wärmetauscher. Vorteilhafterweise kann dadurch effizient Wärme zwischen dem Wärmenetz und dem jeweiligen Energiesystem ausgetauscht werden.
Das externe Wärmenetz ist bevorzugt als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz und/oder Dampfnetz ausgebildet.
Dadurch können vorteilhafterweise bereits bestehende Wärmenetze mit Steuerungseinheiten an wenigstens einem Teil ihrer Abnahmestellen versehen werden, sodass diese in Verbindung mit der Steuerungsplattform einen lokalen Wärmemarkt/Energiemarkt ausbilden beziehungsweise in einen solchen integriert werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Energiemarktes mit einer Steuerungsplattform gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in der Figur mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die Figur zeigt eine Steuerungsplattform 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Die Steuerungsplattform 1 ist zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen 4 ausgebildet. Weiterhin ist die Steuerungsplattform 1 zum Steuern von Stromaustauschen zwischen den Energiesystemen 4 ausgebildet. In diesem Sinne bildet die Steuerungsplattform 1 eine bezüglich der Energiesysteme 4 zentrale Einheit zum Koordinieren der Wärmeaustausche und Stromaustausche aus. Mit anderen Worten bildet die Steuerungsplattform 1 eine lokale Energiemarktplattform zum Austausch und Handel von Energie (Strom und Wärme) zwischen den Energiesystemen 1 aus. Hierzu übermitteln die Energiesysteme 4 Angebote bezüglich einem vorgesehenen, insbesondere prognostizierten Wärmeaustausch und/oder Stromaustausch, an die Steuerungsplattform 1, beispielsweise für den nächsten Tag (engl. Day-Ahead). Die Steuerungsplattform 1 bringt die Angebote für Wärmebereitstellung, insbesondere Wärmeerzeugung, und Wärmeverbrauch sowie ergänzend für eine Strombereitstellung, insbesondere für eine Stromerzeugung, und einem Stromverbrauch, mittels einer mathematischen Optimierung bestmöglich in Übereinstimmung. Die Auflösung kann hierbei eine Stunde, besonders bevorzugt 15 Minuten betragen. Mit anderen Worten wird jede Stunde beziehungsweise alle 15 Minuten eine solche Optimierung durch die Steuerungsplattform 1 durchgeführt. Die Optimierung erfolgt basierend auf einer Zielfunktion, die beispielsweise die Gesamtwärmeverluste modelliert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die Steuerungsplattform 1 basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme an einer jeweiligen Abnahmestelle 41 eingestellt.
Mit anderen Worten steuert die Steuerungsplattform 1 gemäß dem Ergebnis der Optimierung die an den Abnahmestellen 41 vorliegenden Temperaturspreizungen und Massenströme. Hierzu weisen die Abnahmestellen 41 jeweils eine Steuereinheit 42 auf, die mit der Steuerungsplattform 1 Daten/Informationen, insbesondere Daten bezüglich der Steuergrößen Temperaturspreizung und Massenstrom, austauschen können. Der Datenaustausch beziehungsweise eine zugehörige Datenverbindung ist symbolisch durch die gestrichelten Linien 100 angedeutet.
Die Wärmeaustausche erfolgen über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärmenetz 2. Das Wärmenetz 2 ist bevorzugt als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz und/oder Dampfwärmenetz ausgebildet. Die Energiesysteme 4 sind über eine jeweilige Abnahmestelle 41 mit dem externen Wärmenetz 2 zum Wärmeaustausch gekoppelt. Die Stromaustausche erfolgen über ein Stromnetz 6. Mit anderen Worten können die Energiesysteme 4 über ihre zugeordnete Abnahmestelle 41 Wärme einspeisen und/oder ausspeisen. Über einen entsprechenden jeweiligen Netzanschlusspunkt können die Energiesysteme 4 elektrische Energie, das heißt Strom, in das Stromnetz 6 einspeisen und/oder ausspeisen.
Die Energiesysteme 4 umfassen eine Wärmeeinheit 40, insbesondere eine Wärmeerzeugungseinheit zur Erzeugung von Wärme und/oder eine Wärmeverbrauchseinheit zum Verbrauch von Wärme. Insbesondere umfasst wenigstens eines der Energiesysteme 4 eine Wärmepumpe. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Energiesysteme 4 als Wohngebäude, insbesondere Mehr- oder Einzelfamiliengebäude, ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt übermitteln die Energiesysteme 4 einen Wertebereich für die jeweilige Temperaturspreizung und den jeweiligen Massenstrom. Mit anderen Worten übermitteln die Energiesysteme 4 die jeweilige einstellbare Temperaturspreizung sowie den maximalen Durchsatz (Massenstrom). Dadurch ist es der Steuerungsplattform 1 möglich, die lokale Temperaturspreizung und den lokalen Massenstrom derart einzustellen, dass beispielsweise möglichst wenig thermische Verluste innerhalb des externen Wärmenetzes 2 auftreten. Beispielsweise würde durch ein Energiesystem 4, welches zu wenig Wärme ausspeist, die Rücklauftemperatur erhöht, wodurch die Netzkapazität des Wärmenetzes 2 sinken würde. Die vorliegende Ausgestaltung der Erfindung verhindert dies, da die Abnahme der Wärme direkt vor Ort an der Abnahmestelle durch die Steuerungsplattform steuerbar ist, und basierend auf einer Optimierung möglichst optimal, beispielsweise bezüglich der genannten Verluste, betrieben werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Steuerungsplattform
2: externes Wärmenetz
4: Energiesystem
6: Stromnetz
40: Wärmeinheit
41: Annahmestelle
42: Steuereinheit
100: Datenverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3518369 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (4), wobei jedes Energiesystem (4) eine oder mehrere Wärmeeinheiten (40) zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) über eine jeweilige Abnahmestelle (41) Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme (4) externes Wärmenetz (2) austauchen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme (4) zentralen Steuerungsplattform (1) erfolgt, die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen (4) basierend auf einer Optimierung steuert, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (4) basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme (4) an der jeweiligen Abnahmestelle (41) einstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Energiesysteme (4) einen Wertebereich ihrer jeweiligen Temperaturspreizung und/oder ihres jeweiligen Massenstromes an die Steuerungsplattform (1) übermitteln, die die Wertebereiche bei der Optimierung berücksichtigt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (1) als lokale Energiemarktplattform ausgebildet ist, wobei die Wertebereiche im Rahmen eines jeweiligen Angebotes für einen Wärmeaustausch an die Steuerungsplattform (1) übermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass das Angebot weitere technische Informationen über die jeweiligen Wärmeeinheiten (40), insbesondere eine maximal bereitstellbare Wärmemenge und/oder eine maximale verbrauchbare Wärmemenge, umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (1) mittels der Optimierung die bezüglich einer Zielfunktion der Optimierung optimalen Wärmeaustausche für einen kommenden Tag, insbesondere den nächsten Tag, ermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass als Zielfunktion die Gesamtwärmeverluste, der Gesamtwärmeumsatz und/oder die Gesamtemissionen, insbesondere bezüglich Kohlenstoffdioxid, verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Optimierung eine Vorhersage der Außentemperatur für den kommenden Tag berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens ein Teil der Abnahmestellen (41) bezüglich ihrer Temperaturspreizung und/oder bezüglich ihres Massenstromes mittels einer bezüglich der Abnahmestelle lokalen Steuerungseinheit (42) einstellbar sind, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels der Steuerungsplattform (1) über die lokalen Steuerungseinheiten (42) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass als Steuerungseinheiten (42) drehzahlgeregelte und/oder einstellbare Pumpen und/oder Drosseln verwendet werden.
Steuerungsplattform (1) zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (4), wobei jedes Energiesystem (4) eine oder mehrere Wärmeeinheiten (40) zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) über eine jeweilige Abnahmestelle (41) Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme (4) externes Wärmenetz (2) austauchen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels der bezüglich der Energiesysteme (4) zentralen Steuerungsplattform (1) erfolgt, die dazu ausgebildet ist, die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen (4) basierend auf einer Optimierung zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsplattform (1) dazu ausgebildet ist, basierend auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärmeaustauschen die Temperaturspreizungen und die Massenströme wenigstens eines Teils der Energiesysteme (4) an der jeweiligen Abnahmestelle (41) einzustellen.
Steuerungsplattform (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese als lokale Energiemarktplattform ausgebildet ist.
Steuerungsplattform (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahmestellen (41) lokale Steuerungseinheiten (42) aufweisen, mittels welchen Steuerungseinheiten (42) die jeweiligen Temperaturspreizungen und Massenströme einstellbar sind.
Steuerungsplattform (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheiten (42) als drehzahlgeregelte und/oder einstellbare Pumpen und/oder Drosseln ausgebildet sind.
Steuerungsplattform (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahmestellen (41) ein bezüglich des jeweiligen Energiesystems (4) internes Wärmenetz mit dem externen Wärmenetz (2) zum Wärmeaustausch koppeln.
Steuerungsplattform (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Wärmenetz (2) als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz und/oder Dampfnetz ausgebildet ist.