DE102020212612A1

DE102020212612A1 - Verfahren zum Steuern von Wärme-/Kälteaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen sowie Steuerungsplattform

Info

Publication number: DE102020212612A1
Application number: DE102020212612.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Niessen; Sebastian Schreck; Jochen Schäfer; 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: WO2022073668A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern von Wärme-/Kälteaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (4) vorgeschlagen, bei dem jedes Energiesystem (4) eine oder mehrere Wärme-/Kälteeinheiten (42) zur Wärme-/Kältebereitstellung und/oder zum Wärme-/Kälteverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) Wärme-/Kälte über ein bezüglich der Energiesysteme (4) externes Wärme-/Kältenetz (2) austauschen können, wobei das Steuern der Wärme-/Kälteaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme (4) zentralen Steuerungsplattform (1) erfolgt, welche die Wärme-/Kälteaustausche zwischen den Energiesystemen (4) basierend auf einer Optimierung steuert. Erfindungsgemäß berücksichtigt die Steuerungsplattform (1) die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Wärme-/Kälteeinheiten (42) bei der Optimierung derart, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerungsplattform (1) .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Steuerungsplattform gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
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 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, insbesondere zu erzeugende, Energiemenge. Nachteilig hieran ist, dass weitere gegebenenfalls relevante technische Informationen bezüglich der Energiesysteme nicht übermittelt werden und/oder nicht bei der Optimierung, die durch den lokalen Energiemarkt durchgeführt wird, berücksichtigt werden. Mit anderen Worten erfolgt, insbesondere in Bezug auf Wärme, keine Differenzierung nach Gewinnungsart der Wärme. Dadurch kann auf Verbrauchsseite regenerativ gewonnene Wärme nicht bevorzugt ausgetauscht werden, da bekannte lokale Energiemärkte diese mit konventionell erzeugter Wärme gleichsetzen. Dadurch ist ein im Hinblick auf erneuerbar erzeugte Wärme effizienter Betrieb der Energiesysteme trotz Optimierung durch die lokale Energiemarktplattform nicht sichergestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen lokalen Austausch von Wärme/Kälte, der über einen lokalen Energiemarkt erfolgt, 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 11 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern von Wärme/-Kälteaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, wobei jedes Energiesystem eine oder mehrere Wärme/-Kälteeinheiten zur Wärme/-Kältebereitstellung und/oder zum Wärme/-Kälteverbrauch aufweist, und die Energiesysteme Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärme/-Kältenetz austauchen können, wobei das Steuern der Wärme/-Kälteaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsplattform erfolgt, welche die Wärme/-Kälteaustausche zwischen den Energiesystemen basierend auf einer Optimierung steuert, ist gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen (spezifische CO₂-Emissionsfaktoren) der Wärme/-Kälteeinheiten bei der Optimierung derart berücksichtigt, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird.
Die erfindungsgemäße Steuerungsplattform zum Steuern von Wärme/-Kälteaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, wobei jedes Energiesystem eine oder mehrere Wärme/-Kälteeinheiten zur Wärme/-Kältebereitstellung und/oder zum Wärme/-Kälteverbrauch aufweist, und die Energiesysteme Wärme/-Kälte über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärme/-Kältenetz austauchen können, wobei das Steuern der Wärme/-Kälteaustausche mittels der bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsplattform erfolgt, die dazu ausgebildet ist, die Wärme/- Kälteaustausche zwischen den Energiesystemen basierend auf einer Optimierung zu steuern, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsplattform dazu ausgebildet ist, die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Wärmeeinheiten bei der Optimierung derart zu berücksichtigen, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird.
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.
Der Begriff Energie kann grundsätzlich elektrische Energie, Wärme, Kälte beziehungsweise thermische Energie, chemische Energie und/oder weitere Energieformen umfassen. 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 wird vorliegend unter dem Begriff der Wärme ebenfalls der technische Begriff der Kälte verstanden. Dadurch kann der Wärmeaustausch als Kälteaustausch, die Wärmeeinheiten als Kälteeinheiten, die Wärmebereitstellung und/oder der Wärmeverbrauch als Kältebereitstellung beziehungsweise Kälteverbrauch, und/oder das externe Wärmenetz als Kältenetz, insbesondere 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 und/oder Daten/Informationen kann blockchainbasiert sein.
Die lokale Energiemarktplattform beziehungsweise Steuerungsplattform koordiniert und steuert die Energieaustausche, insbesondere die Wärmeaustausche, zwischen den Energiesystemen basierend auf Angebote und/oder Daten/Informationen, die die Energiesysteme vorab an diese übermittelt haben und/oder die der Steuerungsplattform bereits vorliegen. Das Steuern, das heißt das Ermitteln der Energieaustausche (Wärme/Kälte 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 umfassen beziehungsweise modellieren.
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/Kälte 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.
Typischerweise sind die Energiesysteme weiterhin über ein externes Stromnetz miteinander verbunden. Über das externe Stromnetz können die Energiesysteme elektrische Energie (Strom) ausspeisen und/oder einspeisen. Über das externe Wärme/-Kältenetz können die Energiesysteme Wärme/-Kälte ausspeisen und/oder einspeisen. Somit können die Energiesysteme elektrische Energie und/oder Wärme/Kälte über die genannten Versorgungsnetze austauschen, das heißt es erfolgen Energieaustausche. Es ist nicht erforderlich, dass alle Energiesysteme an dem Wärme/-Kältenetz zum Wärme/-Kälteaustausch angeschlossen sind. Für die vorliegende Erfindung ist es ausreichend, dass wenigstens eines der Energiesysteme mit dem externen Wärmenetz/Kältenetz zum Wärmeaustausch/Kälteaustausch (Energieaustausch) gekoppelt ist.
Die lokale Energiemarktplattform/Steuerungsplattform steuert die Energieaustausche in dem Sinne, dass diese Steuersignale, beispielsweise ein Preissignal oder einen Wert für eine Leistung in einem bestimmten Zeitbereich, mit entsprechenden Steuergrößen an die 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, Wärm/Kälte), die Energiemenge und/oder der Zeitpunkt der jeweiligen Energiebereitstellung beziehungsweise des Energieverbrauches können ebenfalls von der lokalen Steuerungsplattform an die jeweiligen Energiesysteme übermittelt werden. Die Steuergrößen, beispielsweise eine Leistung einer Wärme/-Kälteeinheit innerhalb eines Zeitbereiches, die bereitgestellt oder verbraucht werden soll, 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/Kältenetz Wärme beziehungsweise Kälte austauschen. Diese Energieaustausche werden durch die lokale Steuerungsplattform basierend auf einer bezüglich der Energiesysteme gesamtheitlichen Optimierung gesteuert, das heißt koordiniert. Dadurch können Energiebereitstellung, insbesondere Energieangebot und Energieverbrauch, lokal bestmöglich in Übereinstimmung gebracht werden. Vorliegend steuert die lokale Steuerungsplattform den Stromaustausch und den Wärme-/Kälteaustausch 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 werden die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen bei der Optimierung, das heißt beim Ermitteln der möglichst optimalen Wärmeaustausche derart berücksichtigt, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird. Mit anderen Worten weist jedes Energiesystem, das eine Wärme/-Kälte für einen Austausch bereitstellt beziehungsweise erzeugt, für seine Wärme-/Kältebereitstellung eine spezifische Kohlenstoffdioxidemission, beispielsweise Masse an Kohlenstoffdioxid pro Kilowattstunde bereitgestellter/erzeugter Wärme-/Kälte(menge), auf. Die Steuerungsplattform ist in Kenntnis dieser spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen. Die Gesamtkohlenstoffdioxidemission, beispielsweise innerhalb eines festgelegten Zeitbereiches für den Wärme/-Kälteaustausch, wird durch die Summe der Kohlenstoffdioxidemissionen der Energiesysteme ausgebildet, wobei die Kohlenstoffdioxidemission eines der Energiesysteme durch das Produkt seiner spezifischen Kohlenstoffdioxidemission mit der durch dieses für den Wärme-/Kälteaustausch vorgesehenen bereitgestellten/erzeugten Wärmemenge gebildet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gesamtkohlenstoffemission der Wärme-/Kälteaustausche minimiert. Dadurch wird das Gesamtsystem, wenigstens umfassend die mehreren Energiesysteme, möglichst kosteneffizient sowie möglichst CO₂-minimal, das heißt multikriteriell, betreibbar beziehungsweise betrieben. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass regenerative Energiequellen bevorzugt betrieben werden und somit deren Volllaststunden und Wirtschaftlichkeit erhöht wird. Ferner wird die Wirtschaftlichkeit von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (P2H-Anlagen), beispielsweise von Hochtemperaturwärmepumpen, verbessert.
Die vorliegende Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass durch den bevorzugten Betrieb von regenerativen Stromquellen und Wärme-/Kältequellen, insbesondere zum Zeitpunkt von Einspeisespitzen, eine Überlastung des Stromnetzes beziehungsweise eine Abschaltung von Anlagen verhindert oder abgemildert werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit für die Wärme-/Kälteaustausche CO₂-minimal bereitgestellte, insbesondere gewonnene beziehungsweise erzeugte Wärme/Kälte, bevorzugt. Mit anderen Worten beziehen die Wärme-/Kälteverbraucher bevorzugt Wärme/Kälte, bei deren Erzeugung möglichst wenig Kohlenstoffdioxid emittiert wurde. Vorliegend wird dies dadurch ermöglicht, dass die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der einzelnen Wärme-/Kältebereitstellungen beziehungsweise der zugehörigen Wärme-/Kälteeinheiten beim Optimierungsproblem der Steuerungsplattform (Marktplattform) derart berücksichtigt werden, dass der CO₂-Ausstoß des Gesamtsystems (Menge der Energiesysteme, die an den Wärme-/Kälteaustauschen über die Steuerungsplattform teilnehmen) minimiert wird.
Alternativ oder ergänzend könnten höhere oder zusätzliche Preise für möglichst CO₂-neutral erzeugte Wärme/Kälte (grüne Wärme/Kälte) berücksichtigt werden. Hierbei sind weitere Kategorien, wie beispielsweise Wärme aus Wärmepumpen mit Photovoltaikstrom oder Solarthermie-Wärme, denkbar.
Weiterhin könnten alternativ oder ergänzend die an den Wärmeaustauschen teilnehmenden Energiesysteme (Teilnehmer) einen maximalen CO₂-Footprint analog einem maximalen Preis mittels ihrer Angebote an die Steuerungsplattform übermitteln.
Dies würde beispielsweise bedeuten, dass die Bereitstellung von Wärme durch eine Wärmepumpe besonders dann attraktiv ist, wenn diese zum selben Zeitpunkt Strom aus regenerativen Quellen, beispielsweise Photovoltaik (PV), bezieht. Die Steuerungsplattform hat als neutrale Instanz Kenntnis von diesem Zusammenhang und kann dies dem Anbieter und dem Abnehmer der so bereitgestellten regenerativen Wärme attestieren. Sofern der Anbieter die regenerative Wärme aus anderen Quellen beispielsweise aus Biomasse, Biogas oder Solarthermie erzeugt, kann er dies der Steuerungsplattform mittels eines Zulassungsverfahrens und weiteren Messeinrichtungen nachweisen. Diese Messeinrichtungen können durch die Steuerungsplattform fernauslesbar und geeicht sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Optimierung mittels einer Zielfunktion, die die Gesamtkohlenstoffdioxidemission in Abhängigkeit der spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen umfasst.
Die Zielfunktion legt hierbei grundsätzlich fest, welche Größe und/oder Eigenschaft der Gesamtheit der Energiesysteme optimiert, das heißt minimiert oder maximiert wird. Die Zielfunktion wird basierend auf Angebote, die die Energiesysteme an die zentrale Steuerungsplattform übermitteln, parametrisiert. Vorliegend umfasst die Zielfunktion die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen derart, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission, insbesondere für die Wärme-/Kältebereitstellung, minimiert wird. Beispielsweise wird ein Summand der Zielfunktion durch die Summe der Produkte aus spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen und zugehörigen Wärme-/Kältemengen beziehungsweise Wärme-/Kälteleistungen gebildet. Wird nun die Zielfunktion minimiert, so werden ebenfalls die Gesamtkohlestoffdioxidemissionen möglichst minimiert, wobei weitere Summanden und/oder Nebenbedingungen vorgesehen sein können. Mit anderen Worten erfolgt basierend auf der Zielfunktion ein im Hinblick auf die Gesamtkohlenstoffdioxidemission möglichst optimaler Abgleich (engl. Matching) der Angebote.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ermittelt die Steuerungsplattform mittels der Optimierung die bezüglich der Zielfunktion optimalen Wärme-/Kälteaustausche 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 Wärme-/Kälteaustausche innerhalb der genannten Zeiträume ermittelt werden. Die Zielfunktion kann den Gesamtwärme-/Kälteumsatz, den Gesamtenergieumsatz, die Gesamtverluste des Wärme-/Kältenetzes (Gesamtwärme-/kälteverluste) und/oder eines Stromnetzes, und/oder die Gesamtbetriebskosten modellieren, quantifizieren beziehungsweise darstellen und/oder umfassen. Insbesondere werden hierbei Stromerzeuger, Wärme-/Kälteerzeuger, Stromspeicher, Wärme-/Kältespeicher, Stromnetz und Wärme-/Kältenetz gesamtheitlich modelliert und optimiert, sodass ein gesamtheitlich optimaler Betrieb erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungsplattform als lokale Energiemarktplattform ausgebildet, die die Wärme-/Kälteaustausche basierend auf den von den Energiesystemen an diese übermittelten Daten/Informationen steuert.
Die Steuerungsplattform ist somit bevorzugt als lokale Energiemarktplattform ausgebildet. Hierbei übermitteln die Energiesysteme den Wärme-/Kälteaustauschen vorausgehende Angebote an die Steuerungsplattform. Die Angebote umfassen typischerweise einen maximalen Preis für eine zu beziehende beziehungsweise zu verbrauchende Wärme-/Kältemenge und/oder einen minimalen Preis für eine bereitzustellende, insbesondere zu gewinnende beziehungsweise zu erzeugende, Wärme-/Kältemenge. Weiterhin übermitteln die Energiesysteme ihre spezifische Kohlenstoffdioxidemission für das Bereitstellen ihrer Wärme-/Kältemenge. Ein Kaufangebot für eine bestimmte Wärme-/Kältemenge (innerhalb eines Zeitbereiches) sieht somit einen maximalen Preis pro Wärme-/Kältemenge sowie eine maximal abzunehmende Wärme-/Kältemenge vor. Das Kaufangebot beziehungsweise die dadurch umfassten Informationen werden durch die zugehörigen Energiesysteme an die Steuerungsplattform übermittelt. Vergleichbar sieht ein Verkaufsangebot für eine bestimme Wärme-/Kältemenge (innerhalb eines Zeitbereiches) einen minimalen Preis pro Wärme-/Kältemenge, eine maximal bereitzustellende, insbesondere zu erzeugende Wärme-/Kältemenge, sowie die zugehörige spezifische Kohlenstoffdioxidemission 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.
Mit anderen Worten umfassen die übermittelten Informationen bevorzugt technische Informationen über die jeweiligen Wärme-/Kälteeinheiten, insbesondere über die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen, über eine maximal bereitstellbare Wärme-/Kältemenge und/oder über eine maximale verbrauchbare Wärme-/Kältemenge.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Wärme-/Kältebereitstellung durch regenerativ gewonnene elektrische Energie.
Dadurch wird vorteilhafterweise dann Wärme/Kälte bereitgestellt, wenn diese im Wesentlichen CO₂-günstig, CO₂-arm oder CO₂-frei mittels erneuerbarer elektrischer Energie (erneuerbar gewonnener Strom) erzeugt werden kann. Dies ist möglich, da Wärme/Kälte typischerweise nicht unmittelbar bereitgestellt werden muss, sondern zumindest innerhalb bestimmter Zeitbereiche verschiebbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird für die Wärmeaustausche ein Nahwärmenetz, ein Fernwärmenetz, ein Nahkältenetz, ein Fernkältenetz und/oder ein Dampfnetz verwendet.
Dadurch können vorteilhafterweise bereits bestehende Wärme-/Kältenetze verwendet werden, sodass diese in Verbindung mit der Steuerungsplattform einen lokalen Wärme-/Kältemarkt/Energiemarkt ausbilden beziehungsweise in einen solchen integriert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist jedes der Energiesysteme eine Messeinheit auf, wobei die Messeinheit die jeweilige Wärme-/Kältebereitstellung und/oder den jeweiligen Wärme-/Kälteverbrauch erfasst und an die Steuerungsplattform übermittelt.
Die Messeinheit kann als Smart-Meter ausgebildet sein oder ein Smart-Meter umfassen. Sie kann weiterhin Bestandteil eines Energiemanagementsystems sein. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Kommunikation, Verifizierung und Zertifizierung der Wärme-/Kältebereitstellung und/oder des Wärme-/Kälteverbrauches ermöglicht. Hierzu ist beispielsweise an jeder Einspeisestelle für Wärme/Kälte in das Wärme-/Kältenetz eine solche Messeinheit vorgesehen mittels welcher die Wärme-/Kälteeinspeisung (Wärmbereitstellung) zeitlich aufgelöst erfasst und die Steuerungsplattform übermittelt werden kann. Die Messeinheit ist bevorzugt geeicht.
Bevorzugt werden durch die jeweilige Messeinheit die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen an die Steuerungsplattform übermittelt.
Mit anderen Worten dient die Messeinheit zur Kommunikation mit der Steuerungsplattform.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zusätzlich das Steuern der elektrischen Energieaustausche zwischen den Energiesystemen durch die Steuerungsplattform.
Die elektrischen Energieaustausche erfolgen über ein Stromnetz. Mit anderen Worten können die Energiesysteme über das Stromnetz elektrische Energie (Strom) und über das externe Wärme-/Kältenetz Wärme/Kälte 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, insbesondere möglichst CO₂-arm, in Übereinstimmung gebracht werden. Vorliegend steuert die lokale Steuerungsplattform den Stromaustausch und den Wärme-/Kälteaustausch 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.
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 Wärme-/Kälteaustauschen 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 Wärme-/Kälteaustausche und Stromaustausche aus. Mit anderen Worten bildet die Steuerungsplattform 1 eine lokale Energiemarktplattform zum Austausch und Handel von Energie (Strom und Wärme/Kälte) zwischen den Energiesystemen 1 aus. Hierzu übermitteln die Energiesysteme 4 Angebote bezüglich einem vorgesehenen, insbesondere prognostizierten Wärme-/Kälteaustausch und/oder Stromaustausch, an die Steuerungsplattform 1, beispielsweise für den nächsten Tag (engl. Day-Ahead). Die Steuerungsplattform 1 bringt die Angebote für Wärme-/Kältebereitstellung, insbesondere Wärme-/Kälteerzeugung, und Wärme-/Kälteverbrauch 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 die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Energiesysteme 4 bezüglich ihrer Wärme-/Kältebereitstellung umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die Steuerungsplattform 1 die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Wärme-/Kälteeinheiten 42 der Energiesysteme 4 bei der Optimierung derart, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird. Beispielsweise erfolgt dies durch einen Summanden in der Zielfunktion, der die Struktur Σ_ί c_i P_Q,_iΔt aufweist, wobei c_i die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen des i-ten an der Wärme-/Kältebereitstellung teilnehmenden Energiesystems und P_Q,_i die Wärme-/Kälteleistung für die Wärm-/Kühlbereitstellung des i-ten Energiesystems innerhalb des Zeitintervalls Δt bezeichnet. Beispielsweise weist eines der Energiesysteme für eine Wärme-/Kältebereitstellung mittels Nahwärme/-kälte und/oder Fernwärme/-kälte die spezifische Kohlenstoffdioxidemission c= 0,28 Tonnen CO₂ pro Megawattstunde auf. Für eine Bereitstellung mittels Biogas ergibt sich im Mittel der Richtwert c= 0,148 Tonnen CO₂ pro Megawattstunde. Die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen können grundsätzlich zeitabhängig sein. Die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffemissionen werden von den Energiesystemen 4 an die Steuerungsplattform 1, beispielsweise gekoppelt mit ihren Angeboten zum Wärme-/Kälteaustausch, übermittelt. Alternativ oder ergänzend können diese in der Steuerungsplattform 1 hinterlegt beziehungsweise mittels dieser bereits gespeichert sein. Der Zeitbereich Δt ist typischerweise für alle Energieaustausche innerhalb der Zielfunktion gleich, sodass dieser bei der Zielfunktion als gesamtheitlicher multiplikativer Faktor ebenfalls weggelassen werden kann. Dadurch weist die Zielfunktion einen Summanden der Form/Struktur Σ_ic_iP_Q,_i auf. Weitere Summanden, die entsprechend ausgestaltet sein können, beispielsweise bezüglich eines Stromaustausches, und/oder multiplikative Faktoren, können vorgesehen sein.
Mittels der Optimierung wird die Zielfunktion minimiert oder maximiert (je nach Wahl des Vorzeichens der Zielfunktion), wodurch insbesondere die Wärme-/Kälteleistungen P_Q,_i beziehungsweise die zugehörigen Wärme-/Kältemengen P_Q,_iΔt ermittelt werden.
Die tatsächlichen Wärme-/Kälteaustausche, die auf den mittels der Optimierung ermittelten Wärme-/Kälteaustauschen basieren, erfolgen über ein bezüglich der Energiesysteme externes Wärme-/Kältenetz 2. Das Wärme-/Kältenetz 2 ist bevorzugt als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Nahkältenetz, Fernkältenetz und/oder Dampfwärmenetz/Dampfnetz 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.
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
41: Annahmestelle
42: Wärmeinheit
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 (42) zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) Wärme über ein bezüglich der Energiesysteme (4) externes Wärmenetz (2) austauschen können, wobei das Steuern der Wärmeaustausche mittels einer bezüglich der Energiesysteme (4) zentralen Steuerungsplattform (1) erfolgt, welche die Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen (4) basierend auf einer Optimierung steuert, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (1) die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Wärmeeinheiten (42) bei der Optimierung derart berücksichtigt, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Optimierung mittels einer Zielfunktion erfolgt, die die Gesamtkohlenstoffdioxidemission in Abhängigkeit der spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (1) mittels der Optimierung die bezüglich der Zielfunktion optimalen Wärmeaustausche für einen kommenden Tag, insbesondere den nächsten Tag, ermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerungsplattform (1) als lokale Energiemarktplattform ausgebildet ist, die die Wärmeaustausche basierend auf von den Energiesystemen (4) an diese übermittelten Informationen steuert.
Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die übermittelten Informationen technische Informationen über die jeweiligen Wärmeeinheiten (42), insbesondere die spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen, eine maximal bereitstellbare Wärmemenge und/oder eine maximale verbrauchbare Wärmemenge, umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärmebereitstellung durch regenerativ gewonnene elektrische Energie erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass für die Wärmeaustausche ein Nahwärmenetz, ein Fernwärmenetz, ein Nahkältenetz, ein Fernkältenetz und/oder ein Dampfnetz verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass jedes der Energiesysteme (4) eine Messeinheit aufweist, wobei die Messeinheit die jeweilige Wärmebereitstellung und/oder den jeweiligen Wärmeverbrauch erfasst und an die Steuerungsplattform (1) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die jeweilige Messeinheit die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen an die Steuerungsplattform (1) übermittelt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich das Steuern der elektrischen Energieaustausche zwischen den Energiesystemen (4) durch die Steuerungsplattform (1) erfolgt.
Steuerungsplattform (1) zum Steuern von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (4), wobei jedes Energiesystem (4) eine oder mehrere Wärmeeinheiten (42) zur Wärmebereitstellung und/oder zum Wärmeverbrauch aufweist, und die Energiesysteme (4) 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, die jeweiligen spezifischen Kohlenstoffdioxidemissionen der Wärmeeinheiten (42) bei der Optimierung derart zu berücksichtigen, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemission minimiert wird.
Steuerungsplattform (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese als lokale Energiemarktplattform ausgebildet ist.
Steuerungsplattform (1) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmenetz (2) als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz und/oder Dampfnetz ausgebildet ist.