DE102020213114A1

DE102020213114A1 - Steuerung von Energienetzen

Info

Publication number: DE102020213114A1
Application number: DE102020213114.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Nagl; Phillip Graf
Original assignee: Consolinno Energy GmbH
Current assignee: CONSOLINNO ENERGY GMBH, DE
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-04-21
Also published as: EP3985599A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Energieschwarmsystems. Das Energieschwarmsystem weist einen oder mehrere Energiecluster auf, wobei jedes Energiecluster einen oder mehrere thermische, elektrische und/oder stoffliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher und/oder Energiespeicher aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf, die iterativ durchlaufen werden:a) Ermitteln und Aktualisieren von in die Zukunft gerichteten Energieflussfahrplänen für jedes einzelne Energiecluster durch Clustersteuereinheiten. Die Energieflussfahrpläne bilden die einzelnen Energieflüsse im Energiecluster in einem vorgegebenen Zeitraster ab;b) Ermitteln und Aktualisieren von in die Zukunft gerichteten Energie-Flexibilitätsangeboten der einzelnen Energiecluster durch die Clustersteuereinheiten. Die Flexibilitätsangebote bilden unter Berücksichtigung des zugehörigen Energieflussfahrplanes und Randbedingungen für das Energiecluster zukünftig realisierbare Energiepotentiale des Energieclusters im vorgegebenen Zeitraster abbilden;c) Übermitteln der Energieflussfahrpläne und der Flexibilitätsangebote der einzelnen Energiecluster an eine zentrale Schwarmsteuereinheit des Energieschwarmsystems nach einem Ermitteln oder Aktualisieren gemäß einem der Schritte a) oder b);d) Anbieten von gemäß dem vorgegebenen Zeitraster aufgeschlüsselten Flexibilitätsangeboten durch die Schwarmsteuereinheit an Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger mindestens einen Zeittakt des Zeitrasters bevor die Energie physisch bereitgestellt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Energienetzen, Energieschwarmsystemen und/oder Energieclustern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computer- und Datenbank-System zur automatischen Ausführung eines solchen Verfahrens.
Durch die vermehrte Notwendigkeit zur Einbindung von volatilen, erneuerbaren Energiequellen in die Energienetze steigen sowohl die Anforderungen an die Regelung zur Stabilisierung der Netze als auch die Anforderungen an die Integration dezentral verteilter Energieerzeugungsanlagen, die durch ein standardisiertes Verfahren in die Energienetze integrierbar sein müssen. Im Stand der Technik werden diese Anforderungen an die Energieverteilungsnetze vor allem durch reaktionäre Lösungen erfüllt, die die aktuelle zentrale Erzeugung von elektrischer und/oder thermischer Energie, den aktuellen Energieverbrauch und die aktuelle Verteilung von elektrischer und/oder thermischer Leistung in den Energienetzen analysieren und basierend darauf Schritte zur Stabilisierung des Netzes und zur Umverteilung von Energiemengen im Energienetz einleiten.
Der Fachmann erkennt, dass gemäß dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik Energie weder erzeugt noch verbraucht werden, sondern nur umgewandelt werden kann. Wird im vorliegenden Schriftsatz von Energieerzeugung oder Energieverbrauch oder Energiespeicherung gesprochen, so ist die Umwandlung von Energie in eine andere physikalische Form gemeint.
Beispielsweise beschreibt WO 2018/114404 A1 ein Verfahren zur Strukturierung eines vorhandenen Energienetzes, wobei unterschiedliche Netzkomponenten gemäß ihrer Eigenschaften und Regelgrenzen gruppiert werden. Jeder Gruppe werden Regelprozesse zugeordnet, die beim Erreichen von Auslösekriterien zur Einhaltung der Regelgrenzen ausgeführt werden müssen. Das beanspruchte Verfahren reagiert also auf Auslösekriterien und wendet bei Erfüllung der Auslösekriterien gewisse Regelprozesse an. Dies entspricht einem Top-Down Regelungsansatz.
Durch die vermehrte Entstehung dezentraler, oft regenerativer Energieerzeugungs- bzw. umwandelanlagen entsteht die Notwendigkeit, auch kleine Mengen als dezentral verfügbare Regelleistung zur Stabilisierung der Energienetze zu nutzen. Da dies durch einen rein reaktionären Ansatz nicht gewährleistet werden kann, ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Stabilisierung von Energienetzen bereitzustellen, das in der Lage ist, dezentrale Energiepotentiale unabhängig von ihrer Größe abzurufen, und zur Stabilisierung des Netzes einsetzbar zu machen. Gleichzeitig soll ein System angegeben werden, mit dem die vorliegende Aufgabe gelöst werden kann, bevorzugt in einer automatisierten Art und Weise.
Die vorliegende Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung eines Energieschwarmsystems gelöst. Erfindungsgemäß weist ein Energieschwarmsystem ein oder mehrere Energiecluster auf, wobei jedes Energiecluster einen oder mehrere thermische, elektrische und/oder stoffliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher und/oder Energiespeicher aufweist. Ein erfindungsgemäßes Energieschwarmsystem kann also nur ein Energiecluster aufweisen, kann aber auch eine Vielzahl von Energieclustern aufweisen. Ein Energiecluster im Rahmen der Erfindung stellt zumindest eine physikalisch nicht mehr trenn- oder aufspaltbare Einheit zur Energieerzeugung, zum Energieverbrauch und/oder zur Energiespeicherung dar, kann aber auch ein gemischter Verbund aus mehreren Energieerzeugern und/oder Energieverbrauchern und/oder Energiespeichern sein, der jedoch beispielsweise eine wirtschaftliche Einheit bildet. Erfindungsgemäß sind auch gekoppelte Energieerzeuger in einem Energiecluster umfasst, die einen Energiefluss in zwei Energieflüsse umwandeln, beispielsweise einen stofflichen Energiefluss sowohl in thermische als auch in elektrische Energieflüsse. Das erfindungsgemäße Verfahren ist des Weiteren für Energiecluster anwendbar, die physisch zusammenhängend ausgebildet sind, kann aber auch auf Energiecluster und/oder Energieschwarmsysteme angewendet werden, die physisch nicht zusammenhängende, speziell auch räumlich voneinander entfernte, Untereinheiten aufweisen. Die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also von der Struktur der Energiecluster unabhängig. Erfindungsgemäß weist das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 die folgenden Schritte auf, die iterativ durchlaufen werden:
Zunächst ermitteln und aktualisieren Energie-Clustersteuereinheiten, von denen jedes einzelne Energiecluster eine aufweist, in einem Schritt a) in die Zukunft gerichtete Energieflussfahrpläne für jedes einzelne Energiecluster, die die einzelnen positiven als auch negativen Energieflüsse im Energiecluster in einem vorgegebenen Zeitraster mit konstanter oder variabler Schrittweite über den Tagesverlauf abbilden. Als Energiefluss wird dabei die Weitergabe einer physikalischen Energiemenge an, von oder zwischen technischen Komponenten bezeichnet. In einem nächsten Schritt b) werden in die Zukunft gerichtete Energie-Flexibilitätsangebote der einzelnen Energiecluster durch die Clustersteuereinheiten ermittelt und aktualisiert, die zukünftige realisierbare Energiepotentiale des Energieclusters im vorgegebenen Zeitraster abbilden. Dabei werden der zugehörige Energieflussplan des Energieclusters und Randbedingungen für das Energiecluster, wie beispielsweise Speicherfüllstände oder Kapazitätsgrenzen von Erzeugungsanlagen, berücksichtigt. Die erfindungsgemäßen Flexibilitätsangebote geben aufgeschlüsselt im vorgegebenen Zeitraster an, wie weit die Energieflüsse im Energiecluster in positive oder negative Richtung vom den Energieflüssen des Energieflussfahrplans abweichen können. Die Flexibilitätsangebote stellen keine realen Energieflüsse dar, sondern viel mehr Energiepotentiale, die bei Bedarf abgerufen werden können. Wie die Energieflussfahrpläne werden auch die Flexibilitätsangebote durch Vorhersagen ermittelt.
In einem nächsten Schritt c) werden die Energieflussfahrpläne und die Flexibilitätsangebote der einzelnen Energiecluster an eine zentrale Schwarmsteuereinheit des Energieschwarmsystems übermittelt, wobei dieses Übermitteln bevorzugt nach einem Ermitteln oder Aktualisieren gemäß einem der Schritte a) und/oder b) erfolgt. Es ist also auch vom Erfindungsgedanken umfasst, nur einen der beiden Schritte a) oder b) auszuführen, den jeweils anderen Schritt zu überspringen, und die Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote dann im Schritt c) zu übermitteln.
Im folgenden Schritt d) werden gemäß dem vorgegebenen Zeitraster aufgeschlüsselte Flexibilitätsangebote durch die Schwarmsteuereinheit an Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger angeboten, wobei das Anbieten zumindest einen Zeittakt des Zeitrasters vor der physischen Bereitstellbarkeit der angebotenen Energiemenge erfolgt. Für einen Fachmann ist ersichtlich, dass zumindest eine physikalische Verbindung, über die eine Energiemenge transportiert werden kann, zwischen den Energieclustern des Energieschwarmsystems und dem Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger bestehen muss, um das Austauschen einer ebensolchen Energiemenge zu ermöglichen. Besteht eine solche Verbindung, ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar, auch wenn das Energieschwarmsystem räumlich vom durch den Energienetzbetreiber betriebenen Energienetz und/oder dem Versorgungsgebiet des Energieversorgers entfernt ist.
Erfindungsgemäß können die Flexibilitätsangebote der Clustersteuereinheiten durch die Schwarmsteuereinheit vor dem Anbieten an die Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger aggregiert werden, so dass den Energienetzbetreibern und/oder Energieversorgern eine größere, aus mehreren kleineren Flexibilitätsangeboten gebündelte Menge, sozusagen ein Paket, an Energieflexibilität angeboten werden kann. Üblicherweise haben solche Pakete eine Größe von 100 kW oder mehr, was vom Energienetzbetreiber vorgegeben wird. Hieraus erkennt der Fachmann insbesondere den von der Erfindung gewählten Bottom-Up-Ansatz, im Gegensatz zu der im Stand der Technik gewählten Top-Down-Regelung.
Ein Aggregieren von Flexibilitätsangeboten ist, wie für den Fachmann ersichtlich ist, nur möglich, wenn das Energieschwarmsystem mehrere Energiecluster aufweist, deren Clustersteuereinheiten jeweils oder zu einem gewissen Teil ein Flexibilitätsangebot an die Steuereinheit des Energieschwarmsystems gesendet haben. Erfindungsgemäß können Energienetzbetreiber und Energieversorger dann aus allen ihnen durch die Schwarmsteuereinheiten unterschiedlicher Energieschwarmsysteme bereitgestellten, nicht aggregierten und/oder aggregierten Flexibilitätsangebote wählen und diese durch externe Flexibilitätsnachfragen abrufen. Es gehört zum üblichen Fachwissen, aus den bisher gemachten Ausführungen abzuleiten, dass ein Energienetz, das von einem Energienetzbetreiber verwaltet wird, bzw. ein Energienetz, das durch einen Energieversorger mit Energie versorgt wird, ein oder mehrere Energieschwarmsysteme aufweisen kann, die wiederum jeweils ein oder mehrere Energiecluster aufweisen können.
Im Rahmen der Erfindung können die Schwarmsteuereinheiten der Energieschwarmsysteme bzw. kann die Schwarmsteuereinheit des Energieschwarmsystems eine optimierte Energieverwertung im Energieschwarmsystem aus den übermittelten Energieflussfahrplänen und Flexibilitätsangeboten bestimmen, bevor die Flexibilitätsangebote in Schritt d) an Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger angeboten werden. Somit kann zunächst ein Ausgleich von Energieüberschüssen und Energiedefiziten in den Energieclustern in einer möglichst guten Weise innerhalb des Energieschwarmsystems erfolgen, kontrolliert durch die Schwarmsteuereinheit, bevor diese die verbleibende Energiemenge, die entweder ein Energieüberschuss oder ein Energiedefizit sein kann, als Flexibilitätsanfrage oder -angebot an Energieversorger und/oder Energienetzbetreiber weiterleitet. Auch eine Verteilung nach Gesichtspunkten, die für die Netzstabilität des Energienetzes kann von der Schwarmsteuereinheit vorgenommen werden. Insgesamt können bei der Bestimmung dieser optimierten Energieverwertung im Energieschwarmsystem beispielsweise die vorhandene Energienetzstruktur, die physikalischen Grenzen für die Energieverteilung vorgeben kann, bereits bestehende Vertragsbindungen, sowie erzielbare Verkaufserlöse durch Veräußerung von Flexibilitätsangeboten in Betracht gezogen werden.
Erfindungsgemäß können die Energieflussfahrpläne und/oder Flexibilitätsabfragen auf Basis von Daten ermittelt werden, die einmal zu Beginn des Verfahrens von einem Benutzer bspw. bei Inbetriebnahme des Energieclusters festgelegt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass zum Ermitteln und Aktualisieren der Energieflussfahrpläne und/oder Flexibilitätsangebote historische Energieerzeugungs-, Energiespeicher- und Energieverbrauchsdaten herangezogen werden und mittels Vorhersagen, basierend auf Infrastrukturdaten, Wetter- und Jahreszeiten- und Kalenderdaten, Vertragsdaten, Preisentwicklung, Verbraucherverhalten und/oder Gesetzesvorgaben, in die Zukunft prognostiziert werden. Ein Fachmann erkennt dass hier auch andere Daten einfließen können, die die Prognostizierung der Energieflussfahrpläne und/oder Flexibilitätsangebote beeinflussen bzw. die Prognose verlässlicher machen. Die vorgenannte Aufzählung ist daher nur beispielhaft und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Bei der Anwendung eines solchen Verfahrens werden die Energieflussfahrpläne also nicht unabhängig vom über die Zeit beobachteten Systemverhalten berechnet, wie dies bei einer einmaligen Initialisierung des Verfahrensschrittes zum Ermitteln und Aktualisieren der Energieflussfahrpläne der Fall wäre, sondern die Berechnung und Aktualisierung der Energieflussfahrpläne wird laufend verbessert, wobei die Verbesserung mit zunehmender Laufzeit des Verfahrens immer genauer wird, da immer mehr historische Energieerzeugungs-, Energiespeicher- und Energieverbrauchsdaten zur Verbesserung der Aktualisierungsqualität herangezogen werden können.
Erfindungsgemäß kann das Bestimmen und Aktualisieren der Flexibilitätsangebote durch die Clustersteuereinheiten in Schritt b) so erfolgen, dass über einen möglichst langen Zeitraum des Zeitrasters, d.h. über möglichst viele Takte des Zeitrasters, eine möglichst hohe, jedoch über den Zeitraum gleichbleibende Abweichung vom berechneten Energieflussfahrplan möglich ist. Das Anbieten von in der Leistung konstanten Energieblöcken als Flexibilitätsangebot erleichtert die Weiterverarbeitung auf übergeordneten Ebenen. Energieblöcke, die einen großen Zeitraum überspannen und dabei einen konstanten Wert aufweisen, führen zu niedrigerem Rechenaufwand als Energieblöcke, die nur einen kurzen Zeitraum abdecken, da im Fall von lang andauernden Energieblöcken weniger Rechenoperationen pro Zeiteinheit nötig sein können, um die Energiemenge zu verarbeiten. Auch unterstützen konstante Energie- bzw. Flexibilitätsblöcke die Stabilität von Vorhersagen, da u.U. auf die Ausschöpfung extremer Potentiale verzichtet wird, um einen konstanten Energie - bzw. Flexibilitätsblock zu erhalten. Extreme Potentiale werden so nicht überinterpretiert, wohingegen ggf. extreme Potentiale, die wirklich abrufbar sind, als Regelreserve zur Wahrung der Stabilität bei der Einhaltung von Energieflussfahrplänen zur Verfügung stehen. Dem Fachmann sind jedoch auch andere Ziele bekannt, die zur Bestimmung von Flexibilitätsangeboten dienen können.
Auch bei der Bestimmung und Aktualisierung von Energieflussfahrplänen im Schritt a) kann ein solches Ziel verfolgt werden, nämlich dass die Energieflüsse im Energieflussfahrplan über einen möglichst langen Zeitraum konstant verlaufen. Auch dies trägt zur Stabilität der Energieversorgung des Energieclusters bei.
Von der Erfindung ist ebenfalls umfasst, dass die Flexibilitätsangebote von den Schwarmsteuereinheiten direkt weitergegeben werden können oder vor dem Weitergeben gebündelt werden können und beispielsweise an nebengeordnete Schwarmsteuereinheiten versendet werden, d.h. an Schwarmsteuereinheiten die im gleichen Energienetz, wie die versendende Schwarmsteuereinheit angeordnet sind, wobei zwischen den zugehörigen Energieschwarmsystemen eine physikalische Verbindung besteht. Von diesen benachbarten Schwarmsteuereinheiten können auch externe Energienachfragen abgerufen werden können. Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens, hierfür eine Lösung bereitzustellen, die einen Energienetzbetreiber einschließen kann, der das physikalische Netz, das die beiden oder die Vielzahl von Energieschwarmsystemen verbindet, bereitstellt.
Erfindungsgemäß kann das Verfahren nach dem Schritt d) des Anbietens von Flexibilitätsangeboten durch die Schwarmsteuereinheit an Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger weiter einen oder mehrere der folgenden Schritte aufweisen:

In einem Schritt e) kann aus den Energieflussfahrplänen, den Flexibilitätsangeboten und externen Energienachfragen durch die Schwarmsteuereinheit des Energieschwarmsystems ein in die Zukunft gerichteter Energie-Austauschbedarf im vorgegebenen Zeitraster zwischen den Energieclustern ermittelt werden. Der Energie-Austauschbedarf gibt an, ob und wie die Energie im Energieschwarmsystem zwischen den Energieclustern umverteilt werden kann. Bei der Berechnung können unterschiedlichste Randbedingungen, wie bspw. ökonomische oder ökologische Randbedingungen, etc. o.Ä., die dem Fachmann geläufig sind, miteinbezogen werden. Im Gegensatz zum vorher ausgeführten Optimieren des oder der Energieflüsse im Energieschwarmsystem vor dem Übermitteln der Flexibilitätsangebote, die entweder direkt weitergegeben oder aggregiert sein können, erfolgt ein Ermitteln des in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarfs zwischen den Energieclustern nach einem Empfangen der externen Energienachfragen von Energieversorgern und/oder Energienetzbetreibern. Diese können somit beim Ermitteln des Energie-Austauschbedarfs berücksichtigt werden.
In einem Schritt f) können Flexibilitätsabrufe anhand eines in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarfs zur Nutzung der einzelnen Flexibilitätsangebote zwischen den Energieclustern oder zum zur Verfügung stellen von Flexibilitätsangeboten an ein weiteres Energieschwarmsystem oder an ein Energienetz oder einen Energieversorger bestimmt werden. In einem weiteren Schritt g) werden Flexibilitätsabrufe von der Schwarmsteuereinheit an die Clustersteuereinheiten übermittelt. Gleichzeitig wird in diesem Schritt das Flexibilitätsangebot an Schwarmsteuereinheiten anderer Energieschwarmsysteme bzw. an Energienetzbetreiber oder an Energieversorger aktualisiert. In einem weiteren Schritt h) können die Energieflussfahrpläne in den Energieclustern durch die Clustersteuereinheiten gemäß den übermittelten Flexibilitätsabrufen angepasst werden. Die Clustersteuereinheiten steuern beispielsweise mittels lokaler Energiemanagementsysteme daraufhin die Energieflüsse in den Energieclustern gemäß den angepassten Energieflussfahrplänen.

Weiter erfindungsgemäß können die Energieflüsse eines Energieclusters durch eine Kontrolleinheit überwacht werden. Wenn eine durch die Kontrolleinheit ermittelte Abweichung eines Energieflusses eine Anpassung des Energieflussfahrplans erforderlich macht oder die Clustersteuereinheit oder ein Energiemanagementsystem des Energieclusters das Energiecluster anweist, den Energiefluss an den entsprechenden Wert im Energieflussfahrplan anzupassen, kann gemäß Schritt c) ein durch die Clustersteuereinheit angepasster Energieflussplan und ein daran angepasstes Flexibilitätsangebot übermittelt werden. Die Kontrolleinheit kann also eine Rückführung aufweisen, die die Messwerte von Energiemanagementsystemen des Energieclusters an die Kontrolleinheit zurückführt, sodass die Kontrolleinheit einen Soll-IstWert Vergleich durchführen kann, in dem überprüft wird, ob die vorgegebenen prognostizierten Energieflüsse tatsächlich den realen Energieflüssen im Energiecluster entsprechen. Wenn ein Soll-Wert aus dem Energieflussplan von einem Wert einer überwachten Ist-Größe abweicht, so können die Energieflüsse im Energiecluster wieder an den Energieflussplanwert angepasst werden. Macht eine ermittelte Abweichung eines Energieflusses vom Wert im Energieflussfahrplan eine Anpassung des Energieflussfahrplans notwendig, weil beispielsweise der Energiefluss nicht mehr an den Energieflussfahrplan angeglichen werden kann, beispielsweise durch einen Fehler bei einer Energieerzeugungsprognose, so kann ein angepasster Energieflussplan und ein daran angepasstes Flexibilitätsangebot ermittelt werden.
Bevorzugt wird eine solche Regelung unabhängig vom Aufbau des Energieclusters, d.h. von den vorhandenen Energiewandlern und/oder -speichern, realisiert. Dies ermöglicht eine plattformunabhängige Bereitstellung immer der gleichen Clustersteuereinheiten und Kontrolleinheiten, was für den Anbieter zu einfacherer Wartung und Implementierung und für den Nutzer zu niedrigeren Preisen führt. Erfindungsgemäß kann dies beispielsweise durch eine vereinheitlichende Protokollschnittstelle ermöglicht werden, die im Informationsfluss zwischen der Messgrößenerkennung des Energiemanagementsystems im Energiecluster und der Kontrolleinheit angeordnet ist. Diese kann als Übersetzereinheit zwischen der Kommunikationsstruktur bzw. der Feldbussysteme der Energiemanagementsysteme und der Kommunikationsstruktur der Clustersteuereinheiten fungieren und die Messgrößen derart normalisieren, dass sie von der Clustersteuereinheit unabhängig von der zugrundeliegenden physikalischen Messgröße verarbeitet werden können.
Im Rahmen der Erfindung können die externen Energieabrufe, die von den Energienetzbetreibern und/oder Energieversorgern und/oder nebengeordneten Schwarmsteuereinheiten an die Schwarmsteuereinheit erfolgen, die die Flexibilitätsangebote versandt hat, als Verträge ausgestaltet sein. Dabei können abgerufene Energiemengen und/oder -leistungen und/oder bereitgestellte Energiemengen und/oder -leistungen einem ökonomischen und/oder ökologischen Gegenwert zugeordnet werden. Der Fachmann erkennt, dass ökonomische/ökologische Gegenwerte in mannigfaltiger Ausgestaltung vorliegen können, beispielsweise als Geldbetrag, aber auch in Form von beispielsweise Schadstoffemissionszertifikaten oder anderen Leistungen, die in irgendeiner Form einen Wert in der Energieversorgung darstellen. Auch das Bereitstellen eines Gutscheinsystems ist vom Erfindungsgedanken umfasst.
Erfindungsgemäß decken die Energieflussfahrpläne einen Zeitraum von Minuten, Stunden, Tagen, Wochen oder Monaten ab dem Berechnungszeitpunkt ab, je nach Anwendungsfall. Leistungs- und Energiewerte werden in einem vorgegebenen Zeitraster mit Zeittakten, deren Länge Minuten, Stunden oder Tage oder Bruchteile davon betragen, angegeben. Beispielhaft beträgt das Zeitraster, das sowohl von Energienetzbetreibern und/oder Energieversorgern als auch Schwarmsteuereinheiten als auch Clustersteuereinheiten verwendet werden kann, 15 Minuten und der Vorhersagehorizont der Energieflussfahrpläne beträgt 48 Stunden ab dem Berechnungszeitpunkt, um ein frühes Reagieren auf etwaige zeitliche Schwankungen im Energieerzeugungs- oder Energieverbrauchsverlauf zu ermöglichen und auch die Bereitstellung von Regelenergie zu erlauben. Es liegt im Bereich des fachmännischen Könnens auch andere Zeiträume bzw. Zeitschritte zu wählen, die je nach Anwendungsfall angepasst werden können.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren in regelmäßigen Zeittakten wiederholt. Bevorzugt wird das Verfahren in 15-Minuten-Schritten wiederholt, es ist jedoch vom Erfindungsgedanken umfasst, das erfindungsgemäße Verfahren in anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen (Zeittakten) durchzuführen und die Zeittakte abhängig von Tageszeit oder Wochentag anzupassen, bspw. Nachts oder an Wochenenden und Feiertagen oder anderen Vorhersagen, wie Wetterdaten, Börsenkursen, Gesetzesänderungen, etc.
Die regelmäßigen Zeittakte, in denen das Verfahren durchgeführt wird, können hierbei den Zeittakten des vorgegebenen Zeitrasters, in dem die Flexibilitätsangebote und Energieflussfahrpläne abgebildet werden, entsprechen. Es ist jedoch auch vom Erfindungsgedanken umfasst, dass das Verfahren in anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen (Zeittakten) durchgeführt wird, als die Zeitschritte des vorgegebenen Zeitrasters vorgeben. Hier sollten die Zeittakte und Intervalle jedoch einen gemeinsamen Nenner aufweisen.
In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Berechnungszeitgitter zu einem Kommunikationszeitgitter, dem Zeitraster, in dem die Energieflussfahrpläne und die Flexibilitätsangebote zur Kommunikation zwischen Clustersteuereinheiten, Schwarmsteuereinheiten und Energienetzbetreibern bzw. -versorgern aufgeschlüsselt sind, unterschiedliche Zeitschritte auf. Bevorzugt werden die Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote auf Clusterebene gemäß dem Rechenzeitgitter berechnet und dann in die zeitliche Auflösung des Kommunikationszeitgitters umgerechnet, wenn die Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote an die Schwarmsteuereinheit kommuniziert werden. Weiter bevorzugt wird die Schrittweite des Berechnungszeitgitters größer als die des Kommunikationszeitgitters oder sogar variabel gewählt, um die Recheneffizienz des Verfahrens zu erhöhen. Weist das erfindungsgemäße Verfahren ein Rechenzeitgitter mit variabler Schrittweite auf, so kann die Schrittweite an die Komplexität der Rechnung angepasst werden. So wird es möglich, rechenintensive oder numerisch instabile Rechenschritte mit kleinerer Schrittweite auszuführen und damit die Genauigkeit und Stabilität des Verfahrens zur erhöhen. Weniger rechenintensive Schritte können mit größerer Schrittweite durchgeführt werden, was die Rechenressourcen schont. Es ist vorteilhaft, wenn die Schrittweiten von Kommunikationszeitgitter und Rechenzeitgitter einen gemeinsamen Teiler aufweisen, der die Umrechnung von Rechenzeitgitter in Kommunikationszeitgitter und umgekehrt erleichtert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter ein drittes Zeitgitter, bspw. ein Ausführungszeitgitter aufweisen, das eine vom Rechenzeitgitter und/oder Kommunikationszeitgitter verschieden Schrittweite aufweist. Dieses Zeitgitter bildet die Basis für das Steuern der Energieflüsse auf Clusterebene durch die Clustersteuereinheiten in Schritt h). Ähnlich zum Rechenzeitgitter kann hier für komplexe Steuerungsanforderungen ein engmaschiges Ausführungszeitgitter gewählt werden, wohingegen einfache Steuerungssignale in einem weitmaschigeren Ausführungszeitgitter ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß kann die Durchführung des Verfahrens zusätzlich oder alternativ zur Durchführung in regelmäßigen Intervallen auch durch gewisse physikalische Ereignisse ausgelöst werden. Beispielsweise kann beim Überschreiten eines Grenzwertes durch eine Messgröße ein Alarm erzeugt werden, der die zur Messgröße gehörige, diese überwachende Clustersteuereinheit veranlasst, mit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu beginnen.
Zusätzlich oder alternativ dazu können auch Alarme von anderen, nebengeordneten Schwarmsteuereinheiten und/oder anderen, nebengeordneten Clustersteuereinheiten und/oder Energienetzbetreibern und/oder Energieversorgern die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verlangen. Die kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn aufgrund von kurzfristig detektierten Systemänderungen eine Anpassung von Flexibilitätsabrufen, Flexibilitätsangeboten, Energieflussfahrplänen oder Energieumverteilung notwendig wird.
Erfindungsgemäß kann das Ermitteln und Aktualisieren der Energieflussfahrpläne in Schritt a) und/oder das Anpassen der Energieflussfahrpläne in Schritt h) durch Optimierung von Datenmodellen erfolgen. Auch bei der Optimierung der Energieflüsse im Energieschwarmsystem vor Übermittlung der Flexibilitätsangebote in Schritt d) oder bei der Ermittlung des Energie-Austauschbedarfs in Schritt e) können solche Datenmodelle zur Optimierung herangezogen werden. Erfindungsgemäß können die Datenmodelle geeignet sein, das zukünftige Verhalten des oder der Energiecluster oder des bzw. der Energieschwarmsysteme vorherzusagen. Dabei können Energienetzstrukturen, der aktuelle Zustand des Energieclusters, Vertragsdaten und/oder Wetterdaten und/oder Lieferverträgen und/oder Preise für die Energieversorgung Berücksichtigung finden. Eine Variation der Modellparameter, beispielsweise der erzeugten Leistung von Energieerzeugungsanlagen oder der von Energiespeichern aufgenommenen Energiemenge, hat Auswirkungen auf den erstellten Energieflussfahrplan. Charakteristische Werte der Energieflussfahrpläne, wie beispielsweise Kosten für die Energieversorgung oder Primärenergieeinsatz, werden in einer Zielfunktion zusammengefasst. Aus den Funktionsargumenten der Zielfunktion kann dann ein für den Energieflussfahrplan charakteristischer Zielwert berechnet werden, der minimiert oder maximiert werden soll, je nach Anwendungsfall. Das Ermitteln, Aktualisieren und/oder Anpassen von Energieflussfahrplänen erfolgt also anders gesagt, durch Optimierung eines Zielwertes, der das Ergebnis einer Zielfunktion ist, deren Funktionsargumente aus Datenmodellen berechnet werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der Zielfunktion können die Argumente, die die Zielfunktion aufweist, durch Gewichtungsfaktoren in ihrem Einfluss auf den Zielwert, der das Ergebnis der Zielfunktion darstellt, abgeschwächt oder verstärkt werden. Erfindungsgemäß können bspw. die Wetterdaten, etc., die in der Zielfunktion und/oder den Datenmodellen verwendet werden, durch die Clustersteuergeräte oder Schwarmsteuergeräte vorhergesagt werden. Es ist jedoch auch von der Erfindung umfasst, bspw. externe Vorhersagen für Wetterdaten, etc., in die Berechnungen miteinzubeziehen. Erfindungsgemäß kann auch eine flexible Preisgestaltung für die Energieversorgung in das Ermitteln und Aktualisieren und/oder das Anpassen der Energieflussfahrpläne miteinbezogen werden. Beispielsweise kann erfindungsgemäß ein flexibles Preissystem angewendet werden, das auf Energieangebot und Energienachfrage basiert und aus den beiden Größen zeitaktuell einen Preis für die Energieversorgung ermittelt. Um auch hier proaktiv auf Veränderungen des Energieverhaltens in Energienetzen reagieren zu können, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die zukünftige Preisentwicklung durch die Clustersteuergeräte, die Schwarmsteuergeräte oder eine externe Vorhersageeinheit vorherzusagen.
Zum Ermitteln und/oder Aktualisieren der Energieflussfahrpläne und der Flexibilitätsangebote können beispielsweise gemischt-ganzzahlige lineare Datenmodelle verwendet werden. Diese bieten den Vorteil, dass durch das lineare Abbilden der Energiesysteme eine effiziente Verarbeitung der Modelldaten möglich ist. Somit kann bereits bei begrenzter Rechenleistung das Energieverhalten von Energieclustern und/oder Energieschwärmen zuverlässig und schnell vorhergesagt werden. In einem solchen erfindungsgemäßen, beispielsweise gemischt-ganzzahligen, linearen Modell können alle Größen, die das zukünftige Systemverhalten des vom Modell repräsentierten Energiesystems vorhersagen, als Zeitreihen ausgeführt werden. So können beispielsweise Verbraucher oder Erzeuger, deren Verbrauch bzw. Erzeugung auf statischen Größen beruhen, durch Vorhersagen der Leistung in Form einer Zeitreihe beschrieben werden. Erfindungsgemäß kann dem Problem der mangelnden Genauigkeit von mit gemischt-ganzzahligen, linearen Datenmodellen ermittelten Vorhersagen begegnet werden, indem ein wiederholter Abgleich des realen Systemverhaltens mit den Vorhersagen des Datenmodells durchgeführt wird. Sollten Abweichungen zwischen Vorhersage und realem Verhalten detektiert werden, so können die Parameter des Datenmodells angepasst werden, um die Vorhersagequalität zu verbessern.
Im Falle eines linearen Modells können die Energiewandler im Wesentlichen durch Matrizen oder Vektoren beschrieben sein, die für jeden Zeitschritt ankommende Energieströme in ausgehende Energieströme umwandeln, das heißt, bei denen aus der eingehenden Zeitreihe durch Multiplikation mit der den Wandler beschreibenden Matrix die ausgehende Zeitreihe berechnet werden kann. Im Sinne der Energieerhaltung darf in einem erfindungsgemäßen Modell eines Energiesystems keine Energie verlorengehen oder hinzugefügt werden. Um unlösbare Optimierungsprobleme, die durch diese beiden Bedingungen im Modell hervorgerufen werden können, zu umgehen, können erfindungsgemäß in das Modell künstliche Energiequellen und Energiesenken eingebaut werden, die physikalisch nicht sinnvolle Energieflüsse zu sehr hohen Kosten ausgleichen, um so die Unlösbarkeit des Modells zu verhindern. Erfindungsgemäß können zum Lösen dieser linearen Modelle bzw. der daraus entstehenden linearen Zielfunktionen lineare Optimierungsalgorithmen verwendet werden. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Verfahren auch mit nicht linearen Datenmodellen ausgeführt werden können, auch wenn dies im Vergleich zu linearen Modellen einen höheren Rechenaufwand bedeutet. Die Genauigkeit des Modells ist im nicht-linearen Fall jedoch erhöht.
Die erfindungsgemäßen Optimierungsalgorithmen können beispielsweise Gesamtkosten für die Energieversorgung, einen CO₂-Equivalent-Ausstoß für die Energieversorgung, einen Gesamtenergiebedarf für die Energieversorgung, einen Kennwert für Verteilnetzstabilität oder einen vergleichbaren ökonomischen, ökologischen oder technischen Kennwert für die Energieversorgung berechnen. Dabei können diese Größen das Ergebnis optimierter Zielfunktionen sein. Hierbei können die einzelnen Funktionsargumente, die die Zielfunktionen aufweisen, in die Einheit des Zielwertes umgerechnet werden, so dass in der Zielfunktion im Wesentlichen nur eine physikalische oder ökonomische Einheit vorherrscht. Es ist vom Erfindungsgedanken umfasst, dies auch durch Gewichtungsfaktoren auszuführen zu können, die dem jeweiligen Funktionsargument einen konstanten Skalierungsfaktor zuordnen. Eine Umrechnung kann auch schon bei der Berechnung der Funktionsargumente selbst erfolgen, so dass eine Umrechnung durch Gewichtungsfaktoren entfallen kann. Beide Lösungen sind vom Erfindungsgedanken erfasst, so wie andere Lösungen, die im Bereich des fachmännischen Könnens liegen. Es liegt ebenfalls im Bereich des fachmännischen Könnens den passenden Optimierungsalgorithmus zu jeder Zielfunktion auszuwählen. So kann beispielsweise für eine Zielfunktion, die die Gesamtkosten für die Energieversorgung in einer linearen Form repräsentiert, ein linearer Minimierungsalgorithmus herangezogen werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Erstellung und/oder der Aktualisierung der Datenmodelle, eine Analyse des realen zurückliegenden Energieverhaltens und eine Analyse der realen zurückliegenden thermischen, elektrischen und stofflichen Energie im Zeitverlauf durchgeführt. Durch diese Analyse können die Modelldaten, die mit denen die Datenmodelle die Realität abbilden, fortlaufend aktualisiert und abgeglichen werden, was zu einer besseren Darstellung des realen Systemverhaltens durch das Modell führt. Für einen solchen Trainingsprozess können beispielsweise Trainingsalgorithmen aus dem Bereich der neuronalen Netze oder dem Bereich genetischer Algorithmen verwendet werden, die dem Fachmann geläufig sind.
Erfindungsgemäß können die Steuereinheiten der Energieschwarmsysteme und/oder die Energienetzbetreiber und/oder die Energieversorger beispielsweise aus mehreren Flexibilitätsangeboten auswählen, die von unterschiedlichen Schwarmsteuereinheiten bereitgestellt worden sind. Dies ermöglicht den Aufbau eines Marktkonzeptes, das auf Angebot und Nachfrage basiert, und eine jederzeit beste wirtschaftliche und/oder ökologische Lösung für die Bereitstellung von Energie finden kann.
Bevorzugt wird das Verfahren automatisiert von einem oder mehreren mit Datenbanken in Verbindung stehenden Computern ausgeführt, wobei die Clustersteuereinheit und die Schwarmsteuereinheit auf unterschiedlichen Endgeräten implementiert sein können oder auf dem gleichen Endgerät implementiert sind. Bei räumlich zusammenhängenden Schwarmenergiesystemen, die aus lokal benachbarten oder eng beieinanderliegenden Clustern bestehen, kann es dabei sinnvoll sein, die Schwarmsteuereinheit des Schwarmenergiesystems und die Clustersteuereinheiten bzw. die eine Clustersteuereinheit der Energieschwärme bzw. des Energieschwarms auf dem gleichen Computer auszuführen. Weist ein Schwarmenergiesystem jedoch mehrere räumlich voneinander weit beabstandete Clusterenergiesysteme auf, so werden die Schwarmsteuereinheit und die untergeordneten Steuereinheiten bevorzugt auf unterschiedlichen Rechnern implementiert sein.
Ebenfalls von der Erfindung umfasst ist ein Computer- und Datenbank-System mit mehreren miteinander kommunizierenden Soft- und/oder Hardwareeinheiten zum automatisierten Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Energieschwarmsystems bietet also eine Möglichkeit, dezentrale Energieerzeuger in einer einfachen und kostengünstigen Weise an Energieerzeugung und Energieverteilung in ein Energienetz zu einzubinden und proaktiv auf Erzeugungsengpässe oder Überschüsse im Energienetz zu reagieren. Durch auf Vorhersagen basierenden, von der Struktur der Energiecluster unabhängigen Flexibilitätsangeboten wird eine Kommunikation zwischen unter- und übergeordneter Ebene eines Energiesystems ermöglicht, die unabhängig von der Struktur des Energiesystems angewendet werden kann. Durch die Möglichkeit, kleine Flexibilitätsangebote zu großen Flexibilitätspaketen zu bündeln, wird es möglich, Regelenergie in für Energieverteilnetze relevanter Größenordnung bereitzustellen, wodurch sowohl Energienetzbetreiber, Energieversorger als auch dezentrale Energieerzeuger zur Energienetzstabilität beitragen und eine Lösung für den erhöhten Regelungsaufwand, der durch die Integration von dezentralen, statistischen Erzeugern in Energienetze entsteht, gefunden wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen in weiteren Einzelheiten mit ausgewählten Ausführungsbeispielen dargestellt, welche jedoch den Umfang des Erfindungsgedankens nicht einschränken. Dabei können die im Detail ausgeführten Anwendungsbeispiele untereinander kombiniert werden, als auch mit Merkmalen kombiniert werden, die oben zuvor nur allgemein beschrieben wurden.

1 Zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Steuerung eines Energieschwarmsystems.
2 Zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Verfahrens zur Steuerung eines Energieschwarmsystems.
3 Zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Steuerung eines Energieschwarmsystems.
4 Zeigt ein Schema eines Energienetzes gemäß der Erfindung.
5 Zeigt ein Diagramm zur elektrischen Leistungserzeugung in einem Blockheizkraftwerk, das einmal gemäß Stand der Technik und einmal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
6 Zeigt ein beispielhaftes, erfindungsgemäßes Flexibilitätsangebot.

1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 1, bei dem die Verfahrensschritte a) bis d) iterativ durchlaufen werden. Des Weiteren sind die in 1 dargestellten Schritte so aufgeteilt, dass ersichtlich wird, ob sie auf Ebene eines Energieclusters 1 oder eines Energieschwarmsystems 2 stattfinden. Erfindungsgemäß umfasst ein Energieschwarmsystem 2 zumindest ein Energiecluster 1, wobei ein Energieschwarmsystem 2 auch mehrere Energiecluster 1 aufweisen kann. Die genaue Ausgestaltung eines Energieclusters 1 oder die Anzahl der Energiecluster 1, die ein Energieschwarmsystem 2 aufweist, spielen für die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Rolle. Dabei ist es ebenso unerheblich, ob ein Energiecluster 1 beispielsweise nur eine oder keine Energiezeugungsanlage, bzw. Energieumwandlungsanlage, umfasst oder eine Vielzahl von Energieumwandlungsanlagen, die alle der gleichen Clustersteuereinheit 11 untergeordnet sind. Durch die Weitergabe von in Schritt a) ermittelten und aktualisierten, in die Zukunft gerichteten Energieflussfahrplänen der Energiecluster 1 und die Übermittlung von in Schritt b) ermittelten und aktualisierten in die Zukunft gerichteten Energie-Flexibilitätsangeboten 6 der einzelnen Energiecluster 1 wird eine Kommunikationsstruktur zwischen den Clustersteuereinheiten 11 und einer Steuereinheit 12 des Energieschwarmsystems 2 geschaffen, die vom Aufbau der Energiecluster 1 unabhängig ist. Schritt c), der nach Schritt b) ausgeführt wird, stellt dieses Übermitteln der Energieflussfahrpläne und der Flexibilitätsangebote 6 des Energieclusters 1 an eine zentrale Schwarmsteuereinheit 12 dar. Die Steuereinheit 12 des Energieschwarmsystems 2, auch als Schwarmsteuereinheit 12 bezeichnet, bietet in einem Schritt d) Flexibilitätsangebote an Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger an, wobei das Energieschwarmsystem 2 bevorzugt in physikalischer Nähe zum Netz 3 des Energienetzbetreibers 13 und/oder zur Energieerzeugungsanlage des Energieversorgers angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist das Schwarmenergiesystem 2 sogar Teil des Netzes des Energienetzbetreibers 13. Es ist aber auch von der Erfindung umfasst, dass das Energieschwarmsystem nicht Teil des Energienetzes 3 des Energienetzbetreibers 13 ist und auch nicht in physikalischer Nähe zum selben Netz 3 und/oder zur Erzeugungsanlage des Energieversorgers angeordnet ist.
Die Pfeile in 1 visualisieren die Ablaufrichtung des Verfahrens. Zunächst wird also in Schritt a) ein in die Zukunft gerichteter Energieflussfahrplan ermittelt, worauf in Schritt b) in die Zukunft gerichtete Energie-Flexibilitätsangebote 6 ermittelt werden. In der Folge werden die Energieflussfahrpläne 10 und die Flexibilitätsangebote 6 an eine zentrale Schwarmsteuereinheit 12 übersendet, was Schritt c) darstellt. In Schritt d), der auf Schritt c) folgt, werden die Flexibilitätsangebote 6 an Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger angeboten. Durch einen Rückbezugspfeil von Schritt d) zu Schritt a) wird die iterative Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei es erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, dass die in Schritt a) ermittelten Energieflussfahrpläne 10 und die in Schritt b) ermittelten Energieflexibilitätsangebote 6 bei wiederholten Durchläufen des erfindungsgemäßen Verfahrens nur aktualisiert werden und nicht neu ermittelt werden.
2 zeigt ein Energieschwarmsystem 2, das mehrere Energiecluster 1 aufweist. Es ist außerdem in 2 gezeigt, dass die Schritte a) bis c) des erfindungsgemäßen Verfahrens, die durch Clustersteuereinheiten 11 ausgeführt werden, für jedes Cluster 1, das jeweils eine Clustersteuereinheit 11 aufweist, separat durchgeführt werden, wobei Schritt d) einmal für das gesamte Schwarmenergiesystem 2, das nur eine Schwarmsteuereinheit 12 aufweisen kann, durchgeführt wird. Die Clustersteuereinheiten 11 ermitteln also für jedes Energiecluster 1 separat in Schritt a) in die Zukunft gerichtete Energieflussfahrpläne 10, die die einzelnen Energieflüsse 9 im Energiecluster 1 in einem vorgegebenen Zeitraster abbilden, oder aktualisieren diese. In Schritt b) werden durch die Clustersteuereinheiten 11 für jedes Energiecluster 1, also im Falle von 2 drei, in die Zukunft gerichtete Energie-Flexibilitätsangebote 6 ermittelt und aktualisiert, die, unter Berücksichtigung des zugehörigen Energieflussfahrplanes und Randbedingungen für das Energiecluster, zukünftig realisierbare Energiepotentiale des Energieclusters 1 im vorgegebenen Zeitraster abbilden. In Schritt c) übermittelt jede Clustersteuereinheit 11 die von ihr berechneten Energieflussfahrpläne 10 und Flexibilitätsangebote 6 der einzelnen Energiecluster 1 an die zentrale Schwarmsteuereinheit 12 des Energieschwarmsystems 2 nach einem Ermitteln oder Aktualisieren gemäß einem der Schritte a) oder b). Die Energieflussfahrpläne 10 und Flexibilitätsangebote 6 der einzelnen Energieclustern 1 werden durch die Schwarmsteuereinheit 12 des Energieschwarmsystems 2 zusammengeführt und gemäß dem vorgegebenen Zeitraster als aufgeschlüsselte Flexibilitätsangebote 6 an Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger angeboten, wobei das Anbieten mindestens einen Zeitschritt im Zeitraster vorher erfolgt, bevor die Energie physisch bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß können die von den Clustersteuereinheiten 11 an die Schwarmsteuereinheit 12 versendeten Flexibilitätsangebote 6 direkt an Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger weitergeleitet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Flexibilitätsangebote 6 mehrerer Clustersteuereinheiten 11 oder aller Clustersteuereinheiten 11 durch eine übergeordnete Schwarmsteuereinheit 12 vor dem Anbieten an die Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger in Schritt d) aggregiert werden, also zu Flexibilitätspaketen gebündelt werden, und in der Folge angeboten werden. Es ist des Weiteren vom Erfindungsgedanken umfasst, dass die Schwarmsteuereinheit 12 den Energienetzbetreibern 13 und/oder Energieversorgern eine Mischung aus aggregierten und nicht aggregierten Flexibilitätsangeboten 6 anbietet. Unabhängig vom Zustand der Flexibilitätsangebote 6 können diese durch Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger durch externe Energienachfragen 7 bzw. externe Flexibilitätsabrufe abgerufen werden.
In 3 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines Energieschwarmsystems 2 dargestellt. 3 zeigt zwei Energieschwarmsysteme 2, die jeweils, der Einfachheit der Darstellung und Beschreibung halber, bspw. nur ein Energiecluster 1 aufweisen. Die beiden Energieschwarmsysteme 2 sind Teil eines Energienetzes 3, dem sie nach Durchlaufen der Verfahrensschritte a) bis d), die bereits im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert wurden, Flexibilitätsangebote 6 zur Verfügung stellen und von dem die Schwarmsteuereinheiten 12 der Energieschwarmsysteme 2 externe Energienachfragen 6 empfangen. Erfindungsgemäß kann ebenfalls ein Austausch von Flexibilitätsangeboten 6 und externen Energienachfragen 7 zwischen den beiden Energieschwarmsystemen 2 erfolgen.
In einem Schritt e) können die Schwarmsteuereinheiten 12 einen in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarf zwischen den Energieclustern 1 ermitteln. Dieser ist im vorgegeben Zeitraster aufgeschlüsselt und wird aus den Energieflussfahrplänen 10, die durch die Clustersteuereinheiten 11 übermittelt worden sind, den Flexibilitätsangeboten 6 und externen Energienachfragen 7 ermittelt. Im Fall, dass die Energieschwarmsysteme 2 nur ein Energiecluster 1 aufweisen, kann dieser Schritt entfallen.
In einem Schritt f) können durch die Schwarmsteuereinheiten 12 Flexibilitätsabrufe 7 anhand eines in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarfs bestimmt werden. Diese können zur Nutzung der Flexibilitätsangebote 6 zwischen den einzelnen Energieclustern 1 dienen, können aber auch Flexibilitätsangebote 6 an ein weiteres Energieschwarmsystem 2 oder ein Energienetz 3 oder einen Energieversorger zur Verfügung stellen. Der Energie-Austauschbedarf wird hier in von den Clustersteuereinheiten bereitstellbare Pakete, die Flexibilitätsabrufe 7, aufgeteilt.
In einem Schritt g) können Flexibilitätsabrufe 7 von den Schwarmsteuereinheiten 12 an die Clustersteuereinheiten 11 übermittelt werden. Daraufhin wird das Flexibilitätsangebot 6, das anderen Schwarmsteuereinheiten 12 und/oder Energienetzbetreibern 13 und/oder Energieversorgern bereitgestellt werden kann, aktualisiert und angepasst. Die bereits abgerufenen Flexibilitäten werden aus den Angeboten eliminiert.
In einem Schritt h) werden die Energieflussfahrpläne 10 auf der Ebene der Energiecluster 1 durch die Clustersteuereinheiten 11 gemäß der übermittelten Flexibilitätsabrufe 7 angepasst. Die Energieflüsse 9 in den Energieclustern 1 werden von den Clustersteuereinheiten 11 gemäß der angepassten Energieflussfahrpläne gesteuert.
Auch dieses erfindungsgemäße Verfahren kann iterativ durchlaufen werden, wie durch den Rückkopplungspfeil dargestellt ist.
4 zeigt die beispielhafte Struktur eines Energienetzes 3, das mehrere Energieschwarmsysteme 2 aufweist, die wiederum mehrere Energiecluster 1 aufweisen können. In 4 sind die Energiecluster 1 und Energieschwarmsysteme 2 als räumlich zusammenhängende Einheiten dargestellt, dies ist jedoch erfindungsgemäß nicht zwingend erforderlich. Es ist von der Erfindung ebenso umfasst, auch räumlich weit entfernte Einheiten zu Energieclustern 1 und/oder Energieschwarmsystemen 2 zusammenzufassen. Des Weiteren sind in 4 unterschiedliche Konfigurationen von Energieschwarmsystemen 2 angedeutet, die sich durch jeweils andere Verschaltung der Energiecluster 1 durch Energienetze 3 auszeichnen. Auch die Anzahl der Energiecluster 1 in einem Energieschwarmsystem 2 kann variieren.
So ist in 4 beispielsweise ein Schwarmsystem 2 gezeigt, das nur ein Energieclustersystem 1 aufweist. Es sind aber auch Schwarmsysteme 2 gezeigt, die drei Energieclustersysteme 1 aufweisen. Der einschlägige Fachmann erkennt, dass auch eine noch größere Anzahl an Energieclustern 1 in einem Energieschwarmsystem 2 vorgesehen sein kann. Die Energieschwarmsysteme 2 sind durch ein Energienetz 3 verbunden, wobei das Energienetz 3 eine Vielzahl von Energieleitungen 4 aufweist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Energieleitungen 4 nicht nur als elektrische Leitungen zu verstehen, sondern auch als stoffliche und/oder thermische Energieleitungen oder als Kommunikationsleitungen, die ebenfalls einen Austausch von Energie und Leistungen sowie Daten über das Energienetz 3 ermöglichen können. Das Energienetz 3 weist des Weiteren Verbindungen zu anderen Energienetzen 3 auf, die einen Energieaustausch zwischen Energienetzen 3 ermöglichen.
4 zeigt des Weiteren, dass jedem Energiecluster 1 eine Clustersteuereinheit 11 zugeordnet ist. Die Clustersteuereinheiten 11 kommunizieren bspw. auch über Informationsverbindungen 5, die als Kabel oder auch kabellos ausgebildet sein können und in 4 als Strich-Punkt-Linien dargestellt sind, mit übergeordneten Schwarmsteuereinheiten 12. Es ist ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst, dass die Clustersteuereinheiten 11 untereinander mit Informationsverbindungen 5 verbunden sind. Die Schwarmsteuereinheiten 12 stehen über Informationsverbindungen 5 mit einem Energienetzbetreiber 13 in Kontakt. Die Informationsverbindungen 5 können beispielsweise der Übertragung von Flexibilitätsangeboten 6 und/oder Flexibilitätsabrufen 7 und/oder externen Energienachfragen 8 dienen. Es können aber auch andere Signale zwischen den Steuereinheiten des Energiesystems über die Informationsverbindungen 5 ausgetauscht werden.
5 zeigt eine Gegenüberstellung von zwei Diagrammen, wobei das erste, obere Diagramm die elektrische Leistungskurve eines Energieclusters 1 am Beispiel eines Blockheizkraftwerks (BHKW) zeigt, das nach einem Verfahren aus dem Stand der Technik gesteuert wurde. Das untere Diagramm zeigt die elektrische Leistung eines Blockheizkraftwerks, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert wurde. In beiden Fällen ist auf der Abszisse der Diagramme die Zeit aufgetragen, wohingegen auf der Ordinate ein Graph für die elektrische Leistung des BHKWs in Kilowatt und ein Graph für einen Day-Ahead-Börsenpreis in Euro pro Megawattstunde aufgetragen sind. Die durchgezogenen Linien in beiden Diagrammen korrelieren mit dem Day-Ahead-Börsenpreis. Die gestrichelten Linien korrespondieren mit der elektrischen Leistung des BHKWs.
Im oberen Diagramm ist zu erkennen, dass, wenn ein BHKW wärmegeführt betrieben wird - ein im Stand der Technik übliches Verfahren -, hohe Day-Ahead-Börsenpreise nicht zum Verkauf von elektrischer Energie ausgenutzt werden, obwohl das hier dargestellte BHKW und das Energiesystem, in dem das BHKW angeordnet ist und das es mit Wärme und elektrischer Energie versorgt, ein gewisses Potential bereithalten, die Erzeugungszeiträume, in denen das BHKW elektrische Energie erzeugt, zu verschieben.
Durch den erfindungsgemäßen Austausch von Flexibilitätsangeboten und Flexibilitätsabfragen zwischen Energieclustern 1, Energieschwarmsystemen 2 und Energienetzbetreibern 13 und/oder Energieversorgern ist es erfindungsgemäß möglich, die Potentiale des BHKWs genau dann abzurufen, wenn der Börsenpreis für elektrische Energie am höchsten ist. Deshalb unterscheidet sich die gestrichelte Linie, die die elektrische Leistungserzeugung des BHKWs repräsentiert, im zweiten Diagramm insofern vom ersten Diagramm, dass sie genau dann eine hohe elektrische Leistung bereitstellt, wenn der Day-Ahead-Börsenpreis am höchsten ist. Das erfindungsgemäße Verfahren dient nicht nur der ökonomischen Optimierung des Strombezugs bzw. Stromverkaufs, sondern auch der Netzstabilität, da sich der Börsenpreis aus Angebot und Nachfrage zusammensetzt und somit besonders hoch ist, wenn Angebot und Nachfrage auseinander zu driften drohen, was die Stabilität der Frequenz im elektrischen Stromnetz gefährdet.
6 zeigt ein Beispiel, wie Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote von Clustersteuereinheiten 11 an Schwarmsteuereinheiten 12 bzw. von Schwarmsteuereinheiten 12 an Energienetzbetreiber 13 und/oder Energieversorger kommuniziert werden können. Dies kann erfindungsgemäß beispielsweise in Tabellenform erfolgen, ggf. auch in Matrixform, wobei die beispielhafte Tabelle acht Spalten aufweisen kann.
Die erste Spalte zeigt die Zeittakte eines vorgegebenen Zeitrasters /Zeitgitters, das die gemeinsame Basis für Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote aller Steuereinheiten bildet. In der achten Spalte sind Werte für einen Energieflussfahrplan gezeigt, wie sie beispielsweise von einer Energieerzeugungsanlage bereitgestellt werden können. Die dazwischen liegenden Spalten stellen dar, in welcher Form und zu welchem Preis die Energieerzeugung der Energieerzeugungsanlage von dem vorgegebenen Fahrplan abweichen kann. Die dritte Spalte stellt eine Übersicht über das Leistungspotential für jeden Zeittakt bereit, das in positive Richtung relativ zum Energieflussfahrplan bereitgestellt werden kann. Spalte vier zeigt die zugehörige positive Energiemenge, Spalte zwei den zugehörigen Preis, der für die abgerufene Energiemenge aufgerufen wird. Die Spalten fünf bis sieben zeigen analog Preis, Leistung und Energie bei einer Abweichung vom Energieflussfahrplan in negative Richtung.
Durch das Beziehen von Energiemengen und Leistungen auf einen, dem ganzen System inhärenten, vorgegebenen Zeittakt eines vorgegebenen Zeitrasters wird eine schnelle und unmissverständliche Kommunikation zwischen übergeordneten und untergeordneten Einheiten ermöglicht. Außerdem können so Flexibilitäts- bzw. Potentialan- bzw. -abfragen zeitlich deckungsgleich erfolgen, da sie sich immer auf das gleiche Zeitgitter beziehen.
Die in 6 vorgestellte Kommunikationsstruktur, die auf Flexibilitätsangeboten und Energieflussfahrplänen basiert, ist von der Struktur der Steuereinheiten, zwischen denen die Kommunikation erfolgt, unabhängig. Sie kann somit für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden und trotz bzw. gerade wegen ihrer Vielseitigkeit einen relevanten Beitrag zur Nutzung von ökonomischen und ökologischen Potenzialen der dezentralen Energieerzeugung leisten.
Bezugszeichenliste

1: Energiecluster
2: Energieschwarmsystem
3: Energienetz
4: Energieleitung
5: Informationsverbindung
6: Flexibilitätsangebot
7: Flexibilitätsabruf
8: externe Energienachfrage
9: Energiefluss
10: Energieflussplan
11: Clustersteuereinheit
12: Schwarmsteuereinheit
13: Energienetzbetreiber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/114404 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Energieschwarmsystems aufweisend einen oder mehrere Energiecluster, wobei jedes Energiecluster einen oder mehrere thermische, elektrische und/oder stoffliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher und/oder Energiespeicher aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist, die iterativ durchlaufen werden können: a) Ermitteln und Aktualisieren von in die Zukunft gerichteten Energieflussfahrplänen für jedes einzelne Energiecluster durch Clustersteuereinheiten, die die einzelnen Energieflüsse im Energiecluster in einem vorgegebenen Zeitraster abbilden; b) Ermitteln und Aktualisieren von in die Zukunft gerichteten Energie-Flexibilitätsangeboten der einzelnen Energiecluster durch die Clustersteuereinheiten, die, unter Berücksichtigung des zugehörigen Energieflussfahrplanes und Randbedingungen für das Energiecluster, zukünftig realisierbare Energiepotentiale des Energieclusters im vorgegebenen Zeitraster abbilden; c) Übermitteln der Energieflussfahrpläne und der Flexibilitätsangebote der einzelnen Energiecluster an eine zentrale Schwarmsteuereinheit des Energieschwarmsystems nach einem Ermitteln oder Aktualisieren gemäß einem der Schritte a) oder b); d) Anbieten von gemäß dem vorgegebenen Zeitraster aufgeschlüsselten Flexibilitätsangeboten durch die Schwarmsteuereinheit an Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger mindestens einen Zeittakt des Zeitrasters bevor die Energie physisch bereitgestellt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mehrere Flexibilitätsangebote der Clustersteuereinheiten durch die Schwarmsteuereinheit vor dem Anbieten an die Energienetzbetreiber und/oder an die Energieversorger in Schritt d) aggregiert werden und in der Folge angeboten werden und die Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger die nicht aggregierten oder aggregierten Flexibilitätsangebote durch externe Energienachfragen abrufen können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem vor Schritt d) ein Bestimmen einer optimierten Energieverwertung im Energieschwarmsystem durch die Schwarmsteuereinheit aus den übermittelten Energieflussfahrplänen und Flexibilitätsangeboten, unter Berücksichtigung einer vorhandenen Energienetzwerkstruktur, Vertragsbindungen des Energieschwarmsystems, erzielbarer Verkaufserlöse durch Veräußerung der Flexibilitätsangebote, Umweltkriterien, o.Ä. erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zum Ermitteln und Aktualisieren der Energieflussfahrpläne historische Energieerzeugungs-, Energiespeicher- und Energieverbrauchsdaten herangezogen werden und mittels Vorhersagen, basierend auf Infrastrukturdaten, Wetter- und Jahreszeitendaten, Kalenderdaten, Vertragsdaten, Preisentwicklung, Verbraucherverhalten und/oder Gesetzesvorgaben, in die Zukunft prognostiziert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Energieflussfahrpläne in Schritt a) so bestimmt werden, dass sie über einen möglichst langen Zeitraum des Zeitrasters gleichbleibende Energieflüsse bereitstellen und/oder die Flexibilitätsangebote in Schritt b) so bestimmt werden, dass über einen möglichst langen Zeitraum des Zeitrasters eine möglichst hohe, jedoch über den Zeitraum gleichbleibende Abweichung vom Energieflussfahrplan möglich ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Flexibilitätsangebote in Schritt d) ebenfalls an nebengeordnete Schwarmsteuereinheiten versendet werden und von diesen durch externe Energienachfragen abgerufen werden können.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche aufweisend einen oder mehrere der folgenden Schritte: e) Ermitteln eines in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarfs im vorgegebenen Zeitraster zwischen den Energieclustern aus den Energieflussfahrplänen, den Flexibilitätsangeboten und externen Energienachfragen durch die Schwarmsteuereinheit; f) Bestimmen von Flexibilitätsabrufen anhand eines in die Zukunft gerichteten Energie-Austauschbedarfs zur Nutzung der einzelnen Flexibilitätsangebote zwischen den Energieclustern oder zum zur Verfügung stellen von Flexibilitätsangeboten an ein weiteres Energieschwarmsystem oder an ein Energienetz oder einen Energieversorger; g) Übermitteln von Flexibilitätsabrufen an die Clustersteuereinheiten und Aktualisieren des Flexibilitätsangebots an andere Schwarmsteuereinheiten und/oder Energienetzbetreiber und/oder Energieversorger; h) Anpassen der Energieflussfahrpläne durch die Clustersteuereinheiten gemäß übermittelten Flexibilitätsabrufen und Steuern der Energieflüsse in den Energieclustern gemäß den angepassten Energieflussfahrplänen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Energieflüsse eines Energieclusters durch eine Kontrolleinheit überwacht werden und ein Übermitteln gemäß Schritt c) eines durch die Clustersteuereinheit angepassten Energieflussfahrplans und eines daran angepassten Flexibilitätsangebotes erfolgt, wenn die durch die Kontrolleinheit ermittelte Abweichung eines Energieflusses eine Anpassung des Energieflussfahrplans erforderlich macht, oder die Clustersteuereinheit oder ein Energiemanagementsystem des Energieclusters das Energiecluster anweist, den Energiefluss dem entsprechenden Wert im Energieflussfahrplan anzupassen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die externen Energienachfragen als Verträge zwischen Schwarmsteuereinheiten und den Energienetzbetreibern und / oder den Energieversorgern und / oder nebengeordneten Schwarmsteuereinheiten umgesetzt werden und den abgerufenen Energiemengen und/oder Leistungen ein ökonomischer und/oder ökologischer Gegenwert zuordnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Energieflussfahrpläne einen Zeitraum von Minuten und Stunden, Tagen, Wochen oder Monaten ab dem Berechnungszeitpunkt abdecken und Leistungs- und Energiewerte in einem vorgegebenen Zeitraster mit Zeittakten angegeben werden, deren Länge Minuten, Stunden oder Tage oder Bruchteile davon beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren in regelmäßigen Zeitstakten wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schritte a) und b) in einem Berechnungszeittakt ausgeführt werden, der von der Zeitschrittweite des vorgegebenen Zeitrasters, in dem Energieflussfahrpläne und Flexibilitätsangebote aufgeschlüsselt sind, verschieden ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Ermitteln und Aktualisieren der Energieflussfahrpläne in Schritt a) und/oder das Ermitteln des Energie-Austauschbedarfs in Schritt e) und/oder das Anpassen der Energieflussfahrpläne in Schritt h) und/oder das Bestimmen einer optimierten Energieverwertung nach Anspruch 3 durch Optimierung von Datenmodellen berechnet werden, die geeignet sind, das zukünftige Verhalten der Energiecluster, Energieschwarmsysteme unter Berücksichtigung der Energienetzstrukturen, des aktuellen Zustands des Energieclusters, von Vertragsdaten und/oder Wetterdaten und/oder Energiepreise und/oder weiteren ökonomischen und/oder ökologischen Vorgaben vorherzusagen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Datenmodelle gemischt-ganzzahlige lineare Datenmodelle sind und gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsalgorithmen zur Optimierung der Energieflussfahrpläne und der Flexibilitätsangebote verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Optimierungsalgorithmen die Gesamtkosten für die Energieversorgung, einen CO₂-Äquivalentausstoß für die Energieversorgung, einen Gesamtenergiebedarf für die Energieversorgung, einen Kennwert für Verteilnetzstabilität oder einen vergleichbaren ökonomischen, ökologischen oder technischen Kennwert für die Energieversorgung berechnen, immer unter der Vorgabe, dass bestehende Lieferverträge erfüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Datenmodelle durch Analyse des zurückliegenden Energieverhaltens und Analyse der zurückliegenden thermischen, elektrischen und stofflichen Energieflüsse im Zeitverlauf erstellt und/oder fortlaufend aktualisiert werden;
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schwarmsteuereinheiten und/oder die Energienetzbetreiber und/oder die Energieversorger aus mehreren Flexibilitätsangeboten auswählen können, die von unterschiedlichen Schwarmsteuereinheiten bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren automatisiert von einem oder mehreren mit Datenbanken in Verbindung stehenden Computern, die miteinander vernetzt sind, ausgeführt wird.
Computer- und Datenbank-System mit mehreren miteinander kommunizierenden Hard- und Softwareeinheiten zum automatisierten Ausführen des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.