DE102020212610A1

DE102020212610A1 - Verfahren zum Steuern von Strom- und Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen mittels einer zentralen Steuerungsplattform

Info

Publication number: DE102020212610A1
Application number: DE102020212610.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Niessen; Sebastian Schreck; Sebastian Thiem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-04-07
Also published as: US20230377064A1; WO2022073667A1; EP4193315A1; CN116324834A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern von Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zwischen mehreren Energiesystemen (10) mittels einer bezüglich der Energiesysteme (10) zentralen Steuerungsplattform (1) vorgeschlagen, wobei die Stromaustausche (41) über ein Stromnetz (4) und die Wärmeaustausche (21) über ein Wärmenetz (2) erfolgen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:- Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen mittels einer mathematischen Optimierung durch die Steuerungsplattform (1); wobei- die Optimierung auf einer Zielfunktion basiert, die eine Kopplung (42) zwischen Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) umfasst; und- das Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen derart erfolgt, dass Netzrandbedingungen des Stromnetzes (4) eingehalten werden; und- Durchführen der Stromaustausche (41) und Wärmeaustausche (21) zwischen den Energiesystemen (10) gemäß der berechneten Leistungen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Steuerungsplattform (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Steuerungsplattform gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
Energiesysteme, beispielsweise Stadtteile, Gemeinden, industrielle Anlagen, Industriegebäude, Bürogebäude und/oder Wohngebäude können untereinander, beispielsweise mittels eines Stromnetzes und/oder 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 vorab Angebote für einen Energieverbrauch und/oder eine Energiebereitstellung, insbesondere eine Energiegewinnung, an die lokale Energiemarktplattform. Basierend hierauf koordiniert die lokale Energiemarktplattform die Energieaustausche bestmöglich zwischen den Energiesystemen 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 Energiemenge. Weitere Informationen werden nicht übermittelt. Dadurch bleiben mögliche Synergien zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz unberücksichtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die technischen Synergien zwischen einem Stromnetz und einem Wärmenetz in Bezug auf einen lokalen Energiemarkt 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 9 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Stromaustauschen und Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen mittels einer bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsplattform, wobei die Stromaustausche über ein Stromnetz und die Wärmeaustausche über ein Wärmenetz erfolgen, ist wenigstens durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

- Berechnen der zu den Stromaustauschen und Wärmeaustauschen zugehörigen Leistungen mittels einer mathematischen Optimierung durch die Steuerungsplattform; wobei
- die Optimierung auf einer Zielfunktion basiert, die eine Kopplung zwischen Stromaustauschen und Wärmeaustauschen umfasst; und
- das Berechnen der zu den Stromaustauschen und Wärmeaustauschen zugehörigen Leistungen derart erfolgt, dass Netzrandbedingungen des Stromnetzes eingehalten werden; und
- Durchführen der Stromaustausche und Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen gemäß der berechneten Leistungen.

Die erfindungsgemäße Steuerungsplattform zum Steuern von Stromaustauschen und Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, wobei die Stromaustausche über ein Stromnetz und die Wärmeaustausche über ein Wärmenetz erfolgen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsplattform wenigstens zum Ausführen der folgenden Schritte ausgebildet ist:

Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Steuerungsplattform.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt sein. Insbesondere wird die Optimierung computergestützt durchgeführt. Beispielsweise wird das Optimierungsproblem numerisch gelöst.
Die Wärmeaustausche können als Kälteaustausche ausgebildet sein. Physikalisch gibt es lediglich Wärme und keine Kälte. Technisch wird der Begriff der Kälte jedoch verwendet und kennzeichnet typischerweise Wärme oder einen Zustand mit einer Temperatur unterhalb der jeweiligen Umgebungstemperatur. Somit umfasst der Begriff der Wärme den technischen Begriff der Kälte. Dadurch kann der Wärmeaustausch als Kälteaustausch, wärmetechnischen Anlagen als kältetechnischen Anlagen, eine Wärmelast als Kältelast, ein Wärmeverbrauch als Kälteverbrauch und/oder das Wärmenetz als Kältenetz, insbesondere Nahkältenetz und/oder Fernkältenetz, ausgebildet 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/Daten/Informationen kann blockchainbasiert sein. Die lokale Energiemarktplattform beziehungsweise Steuerungsplattform koordiniert und steuert die Energieaustausche, das heißt die Stromaustausche und Wärmeaustausche, 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) beziehungsweise der zugehörigen Leistungen, erfolgt basierend auf einer Optimierung (Optimierungsverfahren), das heißt auf einer mathematischen Optimierung. Die Optimierung basiert auf einer Zielfunktion, deren Wert möglichst maximiert oder minimiert werden soll. Mit anderen Worten werden die zu den Stromaustauschen und Wärmeaustauschen zugehörigen Leistungen vorab berechnet, beispielsweise für einen Tag im Voraus. Dadurch ist die Optimierung grundsätzlich eine Simulation beziehungsweise ein Simulationsverfahren für den Betrieb der Mehrzahl der Energiesysteme bezüglich der Energieaustausche zwischen den Energiesystemen. Die Zielfunktion kann den Gesamtenergieumsatz, die Gesamtkohlenstoffdioxidemission, die Gesamtenergieverluste, und/oder die Gesamtbetriebskosten aller teilnehmenden Energiesysteme und/oder der Versorgungsnetze quantifizieren beziehungsweise modellieren.
Die Zielfunktion bildet somit ein mathematisches Modell für die Stromaustausche und Wärmeaustausche aus. Mit anderen Worten beschreibt die Zielfunktion eine mit den Stromaustauschen und Wärmeaustauschen assoziierte technische Größe der Stromaustausche und Wärmeaustausche. Die technische Größe kann die Gesamtkohlenstoffdioxidemission sein, die mit den Energieaustauschen assoziiert oder verbunden ist. So beschreibt die Zielfunktion beispielsweise die Gesamtkohlenstoffdioxidemission in Abhängigkeit der ausgetauchten Leistungen. In diesem Beispiel wird die Zielfunktion mittels der Optimierung minimiert, sodass bezüglich der Gesamtkohlestoffdioxidemission bestmögliche Energieaustausche beziehungsweise zugehörige Leistungen oder Leistungswerte ermittelt werden können. Mit anderen Worten ist die Optimierung gemäß der Zielfunktion nichts anderes als eine Simulation der Energieaustausche, wobei basierend auf der Simulation und bezüglich einer mit den Energieaustauschen assoziierten technischen Größe bestmögliche Energieaustausche ermittelt beziehungsweise im Rahmen des Optimierungsproblems gesucht werden. Durch das Verwenden einer Zielfunktion, die mit einer technischen Größe des Gesamtsystems assoziiert ist, und deren Optimierung (Maximierung oder Minimierung) wird ein verbesserter und ressourcenschonendes Steuern der Energieaustausche (Stromaustausche und Wärmeaustausche) ermöglicht. Insbesondere umfasst die Zielfunktion eine Linearkombination der zu den Energieaustauchen zugehörigen Leistungen. Die Leistungen sind somit Variablen der Zielfunktion beziehungsweise die technischen tatsächlichen ausgetauschten Leistungen werden als Variablen der Zielfunktion repräsentiert. Die Werte dieser Variablen/Leistungen werden mittels der Optimierung berechnet und für das Steuern der tatsächlichen Leistungen/Energieaustausche herangezogen. Beispielsweise ist ein Ergebnis der Optimierung, dass eine Anlage eine bestimmte Kälteleistung in einer Stunde des nächsten Tages erzeugen soll. Hierzu nimmt diese eine bestimmte elektrische Leistung aus dem Stromnetz auf. Dieses Ergebnis wird an das entsprechende Energiesystem übermittelt, wobei die Anlage entsprechend dem übermittelten Ergebnis der Optimierung gesteuert wird. Mit anderen Worten stellt dann die Anlage die bestimmte Kälteleitung in der Stunde des nächsten Tages bereit.
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.
Insbesondere werden die Leistungen für den nächsten Tag berechnet, wobei hierzu der nächste Tag ebenfalls in kleinere Zeitintervalle, in welchen die Leistungen konstant sind, für die Optimierung unterteilt wird (zeitliche Diskretisierung/Auflösung). Beispielsweise wird der nächste Tag oder ein beliebiger festgelegter zukünftiger Zeitbereich, beispielsweise eine kommende Stunde, für die Optimierung in Stunden, besonders bevorzugt in 15 Minutenintervalle, unterteilt. Kürzere Zeitintervalle, beispielsweise minütlich, können vorgesehen sein.
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 Energiewandlungsanlagen. Energiewandlungsanlagen sind energietechnische Komponenten des Energiesystems, insbesondere Erzeugungsanlagen, Verbrauchsanlagen und/oder Speicheranlagen bezüglich Strom (elektrische Energie) und/oder Wärme (thermische Energie). Vorliegend werden die Begriffe Wärme und thermische Energie als äquivalent angesehen und nicht streng - wie physikalisch richtig - unterschieden.
Als Energiewandlungsanlagen kann jedes der Energiesystem eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: Stromgeneratoren, Kraftwärmekopplungsanlagen, insbesondere Blockheizkraftwerke, Gasboiler, Dieselgeneratoren, Elektrokessel, Wärmepumpen, Kompressionskältemaschinen, Absorptionskältemaschinen, Pumpen, Nahwärmenetze, Fernwärmenetze, Nahkältenetze, Fernkältenetze, Energietransferleitungen, Windkrafträder oder Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, Biomasseanlagen, Biogasanlagen, Müllverbrennungsanlagen, industrielle Anlagen, konventionelle Kraftwerke und/oder dergleichen.
Über das bezüglich der Energiesysteme externe Stromnetz können die Energiesysteme elektrische Energie (Strom) ausspeisen und/oder einspeisen, das heißt austauchen. Über das bezüglich der Energiesysteme externe Wärmenetz können die Energiesysteme Wärme ausspeisen und/oder einspeisen, das heißt austauschen. Somit können die Energiesysteme elektrische Energie und/oder Wärme über die genannten Versorgungsnetze austauschen, das heißt es erfolgen Stromaustausche und Wärmeaustausche. 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 (wenigstens Stromaustausche und Wärmeaustausche) in dem Sinne, dass diese Steuersignale, beispielsweise ein Preissignal und/oder den Wert einer einzuspeisenden und/oder auszuspeisenden elektrischen und/oder thermischen Leistung innerhalb eines bestimmten Zeitbereiches, an die jeweiligen 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, die vorliegend die zu den Energieaustauschen zugehörigen Leistungen beziehungsweise Leistungswerte umfassen, werden somit 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 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 Energiegewinnung und Energieverbrauch, lokal bestmöglich in Übereinstimmung gebracht werden. Vorliegend steuert die lokale Steuerungsplattform den Stromaustausch und den Wärmeaustausch zwischen den Energiesystemen. Das ist deshalb der Fall, da die der Steuerung zugrundeliegende Zielfunktion der Optimierung eine Kopplung beider Energieformen umfasst. 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 wird die Optimierung basierend auf der Zielfunktion durchgeführt. Die Zielfunktion modelliert eine mit dem Gesamtsystem (Menge der Energiesysteme und gegebenenfalls die Versorgungsnetze) assoziierte technische Größe, beispielsweise Emissionen und/oder Energieumsatz, die minimiert oder maximiert, das heißt möglichst optimal sein soll. Erfindungsgemäß umfasst die Zielfunktion eine Kopplung zwischen den Stromaustauschen und Wärmeaustauschen. Dadurch wird erfindungsgemäß sichergestellt, dass technische Synergien zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz bei der Optimierung berücksichtigt werden. Mit anderen Worten berücksichtigt und respektiert das Ergebnis der Optimierung, welches vorliegend die zu den Energieaustauschen zugehörigen Leistungen innerhalb eines oder mehrere Zeitintervalle/Zeitbereiche umfasst, bestmöglich die Synergien zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz bezüglich der Zielfunktion und erfindungsgemäß weiterhin bezüglich den Netzrandbedingungen des Stromnetzes.
Mit anderen Worten erfolgt die Optimierung derart, dass die Netzrandbedingungen des Stromnetzes eingehalten werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ergebnis der Optimierung, das heißt die vorgesehenen Leistungen beziehungsweise Leistungsaustausche/Energieaustausche die Netzrandbedingungen des Stromnetzes respektieren. Netzrandbedingungen für das Wärmenetz können analog vorgesehen sein. Diese sind jedoch aufgrund der Trägheit von Wärmenetzen unkritischer. Das Wärmenetz beziehungsweise das thermische Netz dient somit als Energiespeicher, sodass der Einspeiseort von Wärme - zumindest in bestimmten Grenzen - unabhängig von Netzrandbedingungen ist. Innerhalb des Stromnetzes beziehungsweise elektrischen Netzes ist im Gegensatz die Spannung sowie die thermische Belastbarkeit stark ortsabhängig.
Für die Einhaltung der Spannungsgrenzen und/oder Stromgrenzen in Mittelspannungsnetzen und/oder Niederspannungsnetzen ist es vorteilhaft, wenn je nach Netzzustand an bestimmten Knoten im Netz elektrische Wirkleistung und/oder Blindleistung eingespeist oder ausgespeist wird. Um die elektrische Spezifikation der angeschlossenen Komponenten einzuhalten, sind Netzbetreiber dazu verpflichtet, die Spannung im Stromnetz innerhalb vorgeschriebener Toleranzen zu halten (in Deutschland beispielsweise durch die Technische Anschlussregeln Niederspannung VDE-AR-N 4100 eine Normspannung +/- 10 Prozent, das heißt 230 Volt +/- 23 Volt). Des Weiteren dürfen die maximal zulässigen thermischen Grenzströme der Betriebsmittel nicht überschritten werden. Da es bei bedarfsgetriebener Einspeisung beziehungsweise Ausspeisung (Verbrauch) vieler Energiesysteme (Teilnehmer/Akteure) zur Verletzung der genannten Grenzwerte kommen kann, ist somit ein Verfahren, das die Einspeisung beziehungsweise Ausspeisung der Energiesysteme beziehungsweise die Netzlast koordiniert, erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dies dadurch leisten, dass die Netzrandbedingungen bei der Optimierung berücksichtigt werden beziehungsweise die Optimierung derart erfolgt, dass die Netzrandbedingungen des Stromnetzes eingehalten werden.
Weiterhin weist die Erfindung den Vorteil auf, dass durch den räumlich optimierten Betrieb von beispielsweise Kraftwärmekopplungsanlagen (engl. Power-to-Heat; P2H-Anlagen) an kritischen Netzpunkten die Integration von Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (EE-Anlagen) erleichtert werden. Das ist deshalb der Fall, da die Spannung durch gezielten Bezug von Wirkleistung der P2H-Anlagen gesenkt werden kann.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfachere Integration von zusätzlichen elektrischen Lasten. Sind beispielsweise an einem Strang mehrere Elektrofahrzeuge, insbesondere Elektroautos, zum Laden angeschlossen, kann verhindert werden, dass zusätzliche Lasten an diesem Strang zur Wärmegewinnung eingesetzt werden, beispielsweise durch eine Wärmepumpe. Dadurch kann eine thermische Überlastung des Stromnetzes oder eine zu starke Spannungsabsenkung, beispielsweise unterhalb des Spannungsgrenzwertes, verhindert oder wenigstens abgemildert werden. Weiterhin kann die erforderliche Wärme an einem weiteren Netzknoten ohne Verletzung der Netzrandbedingungen eingespeist werden. Die vorliegende Optimierung berücksichtigt die genannten Sachverhalte inhärent durch die Kopplung des Stromnetzes und des Wärmenetzes sowie durch die Berücksichtigung der Netzrandbedingung des Stromnetzes. Dies kann knotenaufgelöst bezüglich des Stromnetzes und/oder Wärmenetzes erfolgen.
Ein weiteres Beispiel ist eine marktbasierte Zuschaltung elektrischer Wärmeerzeuger im Falle einer ansonsten zu großen lokalen Einspeisung durch eine oder mehrere Photovoltaikanlagen, die zu einer unzulässigen Spannungsüberhöhung führen würde. Mit anderen Worten ist dies eine mögliche Lösung der Optimierung, das heißt die Optimierung erkennt sinnbildlich die unzulässige Spannungsüberhöhung durch die geforderten Netzrandbedingungen und sucht nach einer weiteren Lösung, die nicht zu einer Spannungserhöhung führt. Diese Lösung kann dann das Einschalten/Zuschalten der genannten elektrischen Wärmeerzeuger umfassen.
Insbesondere können durch die Berechnung der Leistungen mittels einer oder mehreren Optimierungen im Voraus mögliche Probleme bezüglich der Netzrandbedingungen, wie beispielsweise eine zu starke Spannungssenkung oder Spannungsanhebung, vorab verhindert werden. Dadurch ist ein direktes unmittelbares Eingreifen, wie im Stand der Technik vorgesehen, beispielsweise durch das Zuschalten und Abschalten von Anlagen mittels eines Rundsteuersignals, nicht mehr erforderlich beziehungsweise davon muss nur noch in nicht vorgesehenen Notfällen Gebrauch gemacht werden.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung somit ein Verfahren und eine zentrale Steuerungsplattform zur Einhaltung von Netzrandbedingungen innerhalb des Stromnetzes mittels der Verwendung der Flexibilität des Wärmenetzes bereit.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Einhalten der Netzrandbedingungen des Stromnetzes mittels einer Nebenbedingung innerhalb der Optimierung und/oder mittels einer Lastflussrechnung sichergestellt.
Mit anderen Worten wird die Zielfunktion beziehungsweise deren Wert derart maximiert oder minimiert, dass die eine oder die mehreren Nebenbedingungen erfüllt sind. Typischerweise weist das Optimierungsproblem weitere und somit mehrere Nebenbedingungen auf. Mit anderen Worten umfassen die Nebenbedingungen des Optimierungsproblems die Netzrandbedingungen. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Lösung der Optimierung, die die für die Energieaustauche zugehörigen und vorgesehenen Leistungen umfasst, die Netzrandbedingungen einhält. Da die durch das Lösen des Optimierungsproblems berechneten oder ermittelten Leistungen als Sollwerte für die tatsächlichen Leistungen beziehungsweise Leistungsaustauche zwischen den Energiesystemen herangezogen werden, erfüllen somit die tatsächlichen Leistungen/Leistungsaustausche/Energieaustausche die Netzrandbedingungen. Dadurch ist somit sichergestellt, dass das technische Erfordernis des Einhaltens der Netzrandbedingungen, welches durch die genannte Nebenbedingung modelliert wird, für die realen beziehungsweise tatsächlichen Leistungen/Leistungsaustausche/Energieaustausche erfüllt ist. Weiterhin kann die Nebenbedingung für die Netzrandbedingung mehrere Bedingungen beziehungsweise Nebenbedingungen umfassen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Stromnetz als Niederspannungsnetz ausgebildet und es wird die Bedingung, dass die Spannung des Stromnetzes innerhalb des Bereiches von 207 Volt bis 253 Volt ist, als Netzrandbedingung verwendet.
Mit anderen Worten ist die Nebenbedingung für die Netzspannung U dadurch gegeben, dass diese zu jedem betrachteten Zeitpunkt und an jedem Netzknoten des Stromnetzes die Bedingung 207 V ≤ U ≤ 253 V erfüllt. Für das Aufstellen der Nebenbedingung kann somit die Kenntnis der Netzstruktur beziehungsweise Netztopologie des Stromnetzes vorteilhaft sein. Mit anderen Worten kann die Nebenbedingung die Netztopologie des Stromnetzes berücksichtigen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Bedingung, dass die maximal zulässigen thermischen Grenzströme von jeweiligen Betriebsmitteln, beispielsweise Anlagen und/oder Komponenten der Energiesysteme, nicht überschritten werden, als Netzrandbedingung verwendet.
Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass keine thermische Überlastung erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung übermitteln die Energiesysteme vor dem Berechnen der Leistungen ein jeweiliges Angebot für die jeweiligen Stromaustausche und/oder Wärmeaustausche an die Steuerungsplattform.
Die Angebote können die Netzrandbedingungen oder weitere technische Anforderungen, insbesondere energiesystemspezifische technische Bedingungen oder Anforderungen umfassen. Ein typisches Kaufangebot für eine bestimmte Wärmemenge/Strommenge (innerhalb eines Zeitbereiches) sieht wenigstens einen maximalen Preis pro Wärmemenge/Strommenge und eine maximal abzunehmende Wärmemenge/Strommenge 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/Strommenge (innerhalb eines Zeitbereiches) wenigstens einen minimalen Preis pro Wärmemenge/Strommenge sowie eine maximal bereitzustellende, insbesondere zu erzeugende Wärmemenge/Strommenge, vor. Die genannten technischen Netzrandbedingungen/Bedingungen/Anforderungen/ Daten/Informationen können durch die Energiesysteme mittels eines dem jeweiligen Energiesystem zugehörigen Energiemanagementsystems, einem Edge-Device, insbesondere einem Handelsagenten, an die Steuerungsplattform, insbesondere im Rahmen der Angebote, übermittelt werden.
Gemäß 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), die Kopplung zwischen dem Stromnetz und dem Wärmenetz berücksichtigt. Dadurch können die Gesamtemissionen und/oder der Gesamtenergieumsatz und/oder die Verluste, die sich jeweils auf beide Energieformen beziehen, das heißt auf Wärme und Strom, optimiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung berechnet die Steuerungsplattform mittels der Optimierung die bezüglich der Zielfunktion optimalen Leistungen 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 unter Einhaltung der Netzrandbedingungen durchgeführt. 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 unter Einhaltung der Netzrandbedingungen des Stromnetzes erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird das Wärmenetz durch ein Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Nahkältenetz, Fernkältenetz und/oder Dampfnetz ausgebildet.
Dadurch können vorteilhafterweise bereits bestehende Wärmenetze verwendet 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 Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:

1 eine erste schematische Darstellung eines Energiemarktes mit einer Steuerungsplattform gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
2 eine zweite schematische Darstellung eines Energiemarktes mit einer Steuerungsplattform gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.

Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die 1 zeigt eine Steuerungsplattform 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Die Steuerungsplattform 1 ist zum Steuern von Stromaustauschen 41 und Wärmeaustauschen 21 zwischen mehreren Energiesystemen ausgebildet. Die Stromaustausche 21 erfolgen über ein Stromnetz 4 und die Wärmeaustausche 41 erfolgen über ein Wärmenetz 2.
Die Energiesysteme und ihre energietechnischen Anlagen sind in der 1 durch eine Kopplung 42 des Stromnetzes 4 und des Wärmenetzes 2 symbolisiert. Mit anderen Worten umfassen mehrere der Energiesysteme eine energietechnische Anlage, beispielsweise ein Blockheizkraftwerk, eine Wärmepumpe und/oder einen Elektroheizkessel, die eine elektrische Leistung mit einer thermischen Leistung koppeln. Diese Kopplung des Stromnetzes 4 und des Wärmenetzes 2 ist durch das Bezugszeichen 42 symbolisiert. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die Kopplung 42 der beiden Netze 2, 4.
Die Steuerungsplattform 1 koordiniert beziehungsweise steuert die Energieaustauche 21, 41 zwischen den Energiesystemen. Sie bildet in diesem Sinn somit eine bezüglich der Energiesysteme zentrale Einheit zum Koordinieren der Stromaustausche 41 und Wärmeaustausche 21 aus. Dadurch bildet die Steuerungsplattform 1 ebenfalls eine lokale Energiemarktplattform zum Austausch und Handel von Energie (Strom und Wärme) zwischen den Energiesystemen aus.
Die Energiesysteme übermitteln vorab Angebote bezüglich einem vorgesehenen, insbesondere prognostizierten Stromaustausch 41 und/oder Wärmeaustausch 21, 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 einen 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.
Weiterhin erfolgt die Optimierung unter der Nebenbedingung, dass Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 eingehalten werden. Hierzu werden die technischen Netzrandbedingungen als Nebenbedingungen des Optimierungsproblems beziehungsweise der Optimierung formuliert. Hierbei kann für mehrere Netzknoten des Stromnetzes 4 eine entsprechende Netzrandbedingung vorliegen beziehungsweise berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann die Netztopologie des Stromnetzes 4 innerhalb der Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Entscheidend ist vorliegend, dass die Zielfunktion, die der Optimierung zugrunde liegt, die Kopplung 42 des Stromnetzes 4 und des Wärmenetzes 2 umfasst. Dadurch kann das Wärmenetz 2 aufgrund seiner gegenüber dem Strommetz 4 erhöhten Trägheit als Pufferspeicher/Reserve für das Stromnetz 4 verwendet werden, sodass ein Verletzen der Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 durch eine entsprechende Wärmeerzeugung und/oder einen entsprechenden Wärmeverbrauch verhindert werden kann. Hierzu ist keine aufwendige Modellierung oder ein manuelles Eingreifen erforderlich, sondern die vorliegende Erfindung ermöglicht dies automatisch und zudem bestmöglich durch die Berücksichtigung der Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 bei der Optimierung. Mit anderen Worten respektiert die Lösung des Optimierungsproblems die Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4. Werden die Energiesysteme entsprechend der Lösung des Optimierungsproblems, das heißt entsprechend den berechneten Leistungen jeweils im zugehörigen Zeitbereich betrieben, sodass die berechneten Leistungen/Leistungsaustausche/Energieaustausche erfolgen, so werden dadurch ebenfalls bei den tatsächlichen Stromaustauschen 41 und Wärmeaustauchen 21 die Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 eingehalten. Ergänzend können analog Netzrandbedingungen für das Wärmenetz 2 vorgesehen sein.
Zur weiteren Beschreibung wird das folgende Ausführungsbeispiel beschrieben:

Die Energiesysteme umfassen zusammen mehrere Kraftwärmekopplungsanlagen, beispielsweise Blockheizkraftwerke, Wärmepumpen und/oder Elektrokessel. Die Energiesysteme bilden in Verbindung mit der Steuerungsplattform 1 einen lokalen Energiemarkt bezüglich des Austausches und Handels von elektrischer Energie und thermischer Energie aus. Zum Stromaustausch 41 sind die Energiesysteme über das Stromnetz 4 miteinander verbunden. Zum Wärmeaustausch 21 sind die Energiesysteme über das Wärmenetz 2 miteinander verbunden. Weiterhin weist eines der Energiesysteme eine Photovoltaikanlage auf.

Für die Energieaustausche 21, 41, die beispielsweise am nächsten Tag bezüglich eines heutigen Tages erfolgen sollen, übermitteln die Energiesysteme ein oder mehrere Angebote an die Steuerungsplattform 1. Beispielsweise geben die Energiesysteme Angebote zum Kauf elektrischer und Verkauf thermischer Energie an den lokalen Energiemarkt, das heißt die Steuerungsplattform 1, ab. Das Energiesystem mit der Photovoltaikanlage übermittelt an die Steuerungsplattform 1 ein Verkaufsangebot für Photovoltaikstrom.
Nun sei angenommen, dass bei vollständiger und unbeachteter Einspeisung durch die Photovoltaikanlage eine unzulässige Spannungsanhebung (Netzspannung oberhalb des Grenzwertes) am Netzanschlusspunkt des zugehörigen Energiesystems auftreten würde. Ohne eine weitere Regelung/Überwachung würde dies so erfolgen.
Allerdings sind vorliegend der Steuerungsplattform 1 die elektrischen Netzrandbedingungen, beispielsweise vom Netzbetreiber des Stromnetzes 4, bekannt. Alternativ oder ergänzend kann die Steuerungsplattform 1 die Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 mittels einer Lastflussrechnung, die diese durchführt, ermitteln. Dadurch kann sinnbildlich das Spannungsproblem vorab beziehungsweise vorzeitig durch die Steuerungsplattform 1 erkannt werden.
Zur Ermittlung beziehungsweise Berechnung der zu den Energieaustauschen 21, 41 zugehörigen Leistungen wird eine Optimierung durchgeführt. Da die Steuerungsplattform 1 in Kenntnis der Netzrandbedingungen und der vorgesehenen Einspeiseleistung ist, erfolgt die Optimierung derart, dass trotz der übermittelten Einspeiseleistung, die zu einem Spannungsproblem führen würde, die Netzrandbedingung eingehalten wird. Mit anderen Worten wird die Lösung der Optimierung die Netzrandbedingungen respektieren. Hierbei findet die Optimierung aufgrund der Kopplung des Stromnetzes 4 und des Wärmenetzes 2 eine Lösung, die eine Einspeisung des Photovoltaikstromes (PV-Strom) unter Einhaltung der Netzrandbedingungen des Stromnetzes 4 ermöglicht. Eine solche Lösung könnte im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch gegeben sein, dass Wärme beziehungsweise thermische Energie anstatt durch die Wärmepumpe durch einen Elektrokessel an das Wärmenetz 2 geliefert beziehungsweise in dieses eingespeist wird. Mit anderen Worten würde die Optimierung eine Lösung bestimmen, die zum Zeitpunkt beziehungsweise im Zeitbereich der PV-Einspeisung und des Vorhandenseins eines Spannungsproblems, eine von Null verschiedene Leistung der Wärmepumpe und/oder des Elektrokessels aufweist. Weiterhin würden die zugehörigen Leistungen der Wärmepumpe und/oder des Elektrokessels derart optimal bestimmt beziehungsweise berechnet werden, dass gerade das Spannungsproblem bei der Einspeisung behoben wird. Das Spannungsproblem wird somit optimal aufgelöst. Durch die genannte Wärmeeinspeisung sinkt somit am betroffenen Strang des Stromnetzes 4 die Spannung und die volle PV-Leistung kann eingespeist werden.
Die Steuerungsplattform 1 könnte ebenfalls zwischen mehreren zulässigen Optimierungslösungen die Lösung ermitteln, die Leistungsflüsse im Stromnetz 4 und im Wärmenetz 2 und das Spannungsprofil im Stromnetz 4 möglichst glättet und/oder im zulässigen Toleranzband hält.
Die 2 zeigt einen möglichen Ablauf eines Day-Ahead-Verfahrens, bei welchem beispielsweise mittels einer Lastflussberechnung ein Spannungsproblem im Stromnetz 4 festgestellt wurde und somit der Elektrokessel anstatt der Wärmepumpe betrieben würde.
Hierbei weist eines der Energiesysteme 10 einen Elektrokessel und ein weiteres der Energiesysteme 10 eine Wärmepumpe auf. Der Elektrokessel und die Wärmepumpe koppeln das Stromnetz 4 und das Wärmenetz 2, sodass dies durch dasselbe Bezugszeichen 42 wie die Kopplung gekennzeichnet sind.
Die Energiesysteme 10 übermitteln Angebote für eine jeweilige Wärmeerzeugung beziehungsweise Wärmeeinspeisung an die Steuerungsplattform 1. Die Übermittlung der jeweiligen Angebote ist durch die Pfeile 101 gekennzeichnet.
Die Steuerungsplattform 1 empfängt die Angebote aus den Energiesystemen 10 und führt basierend hierauf eine Optimierung bezüglich des Abgleichs der Energieaustauche durch (engl. Matching). Mit anderen Worten wird der optimale Betrieb des Stromnetzes 4 und des Wärmenetzes 2 im Voraus berechnet. Dies erfolgt unter der Einhaltung von Netzrandbedingungen/Netzrestriktionen des Stromnetzes 4 und/oder einer Lastflussberechnung bezüglich des Stromnetzes 4. Hierzu wurden die Netzrandbedingungen beziehungsweise die Netzrestriktionen sowie die Netztopologien des Stromnetzes 4 und ergänzend des Wärmenetzes 2 an die Steuerungsplattform 1, beispielsweise durch einen jeweiligen Netzbetreiber der genannten Netze, übermittelt. Diese Übermittlung ist durch die Pfeile 124 gekennzeichnet.
Das Ergebnis (Leistungen beziehungsweise Leistungswerte) der Optimierung, welches die genannten Netzrandbedingungen/Netzrestriktionen und/oder die Netztopologie berücksichtigt, wird an die Energiesysteme 10 übermittelt. Diese Übermittlung ist durch die Pfeile 102 gekennzeichnet. Innerhalb der Energiesysteme 10 wird das Ergebnis, das heißt beispielsweise in welchem Zeitbereich die Wärmepumpe oder der Elektrokessel welche elektrische Leistung aus dem Stromnetz 4 aufnehmen und entsprechend Wärmeleistung in das Wärmenetz 2 einspeisen wird, in Steuersignale für die Anlagen gewandelt und an diese übermittelt. Diese Übermittlung ist durch die Pfeile 103 gekennzeichnet. Dadurch werden die Anlagen, das heißt vorliegend die Wärmepumpe und der Elektrokessel, entsprechend dem Ergebnis der Optimierung betrieben. Mit anderen Worten werden die mittels der Optimierung ermittelten Stromaustausche und Wärmeaustausche basierend auf den berechneten zugehörigen Leistungen durchgeführt beziehungsweise ausgeführt.
Weiterhin ist eine kurzfristigere Berechnung der Steuerungsplattform 1 als einen Tag im Voraus, beispielsweise basierend auf aktuellen Messwerten, die an diese übermittelt werden, möglich. Dadurch könnte kurzfristig durch das Zuschalten oder Anschalten des Elektrokessels auf ein plötzlich auftretendes Spannungsproblem reagiert werden.
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: Wärmenetz
4: Stromnetz
10: Energiesystem
21: Wärmeaustausch
41: Stromaustausch
42: Kopplung
43: Photovoltaik-Einspeisung
100: Datenverbindung
101: Übermitteln - Angebot
102: Übermitteln - berechnete Leistung/Ergebnis
103: Steuersignal
124: Übermitteln - Netzrandbedingungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3518369 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Steuern von Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zwischen mehreren Energiesystemen (10) mittels einer bezüglich der Energiesysteme (10) zentralen Steuerungsplattform (1), wobei die Stromaustausche (41) über ein Stromnetz (4) und die Wärmeaustausche (21) über ein Wärmenetz (2) erfolgen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen mittels einer mathematischen Optimierung durch die Steuerungsplattform (1); wobei - die Optimierung auf einer Zielfunktion basiert, die eine Kopplung (42) zwischen Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) umfasst; und - das Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen derart erfolgt, dass Netzrandbedingungen des Stromnetzes (4) eingehalten werden; und - Durchführen der Stromaustausche (41) und Wärmeaustausche (21) zwischen den Energiesystemen (10) gemäß der berechneten Leistungen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Einhalten der Netzrandbedingungen des Stromnetzes (4) mittels einer Nebenbedingung innerhalb der Optimierung und/oder mittels einer Lastflussrechnung sichergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Stromnetz (4) als Niederspannungsnetz ausgebildet ist, und bei dem die Bedingung, dass die Spannung des Stromnetzes (4) innerhalb des Bereiches von 207 Volt bis 253 Volt ist, als Netzrandbedingung verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bedingung, dass die maximal zulässigen thermischen Grenzströme von jeweiligen Betriebsmitteln der Energiesysteme (10) nicht überschritten werden, als Netzrandbedingung verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiesysteme (10) ein jeweiliges Angebot für die jeweiligen Stromaustausche (41) und/oder Wärmeaustausche (21) an die Steuerungsplattform (1) vor dem Berechnen der Leistungen übermitteln.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Zielfunktion die Gesamtwärmeverluste, der Gesamtwärmeumsatz und/oder die Gesamtemissionen, insbesondere bezüglich Kohlenstoffdioxid, verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerungsplattform (1) mittels der Optimierung die bezüglich der Zielfunktion optimalen Leistungen für einen kommenden Tag, insbesondere den nächsten Tag, berechnet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmenetz (2) durch ein Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Nahkältenetz, Fernkältenetz und/oder Dampfnetz ausgebildet wird.
Steuerungsplattform (1) zum Steuern von Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zwischen mehreren Energiesystemen (10), wobei die Stromaustausche (41) über ein Stromnetz (4) und die Wärmeaustausche (21) über ein Wärmenetz (2) erfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsplattform (1) zum Ausführen der folgenden Schritte ausgebildet ist: - Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen mittels einer mathematischen Optimierung durch die Steuerungsplattform (1); wobei - die Optimierung auf einer Zielfunktion basiert, die eine Kopplung (42) zwischen Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) umfasst; und - das Berechnen der zu den Stromaustauschen (41) und Wärmeaustauschen (21) zugehörigen Leistungen derart erfolgt, dass Netzrandbedingungen des Stromnetzes (4) eingehalten werden; und - Durchführen der Stromaustausche (41) und Wärmeaustausche (21) zwischen den Energiesystemen (10) gemäß der berechneten Leistungen.