DE10226755A1

DE10226755A1 - Steuerung der Energieversorgung von Großsportstätten

Info

Publication number: DE10226755A1
Application number: DE10226755A
Authority: DE
Inventors: Heiner-Claus Hollekamp
Original assignee: Bayer 04 Leverkusen Fussball GmbH
Current assignee: Bayer 04 Leverkusen Fussball GmbH
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-02-05
Also published as: DE20221770U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung der Energieversorgung von Großsportstätten mit einer Eigenstromerzeugung in form eines Notstromaggregates sowie mit einer Fremdenergieversorgung, die Anschlüsse an das EVU-Stromversorgungsnetz und/oder ein Fernwärmenetz und/oder ein Gasversorgungsnetz aufweist. Dem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung von Großsportstätten so zu steuern, daß möglichst geringe Energiekosten entstehen. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß als Notstromaggregat ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt wird, daß aus historischen Informationen eine lang-, mittel- und kurzfristige Lastprognose erstellt wird, daß diese Lastprognose im Bedarfsfall durch aktualisierte Informationen ergänzt und angepaßt wird und das anhand dieser aktuellen Lastprognose und der darauf abgestimmten Resourcenplanung die Eigenstromerzeugung so weit wie möglich ausgelastet wird, bevor die Fremdenergieversorgung jeweils nach Energieart kostenoptimiert zugeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Steuerung der Energieversorgung von Großsportstätten, mit einer Eigenstromerzeugung in Form eines Notstromaggregates sowie mit einer Fremdenergieversorgung, die Anschlüsse an das EVU-Stromversorgungsnetz, und/oder ein Fernwärmenetz und/oder ein Gasversorgungsnetz aufweist.
Bei der Energieversorgung von Großsportstätten ergeben sich spezielle Probleme, die es schwierig machen, den Energiebezug unter Kostenaspekten zu optimieren. Ein erstes Problem besteht darin, daß die Lastabnahme außerordentlich stark schwankt und abhängig ist von der Art der jeweiligen Veranstaltung, der Tageszeit, der Jahreszeit, der Witterung, dem Zuschauer- und Medienandrang etc. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich durch strenge Sicherheitsbestimmungen, nach welchen sichergestellt sein muß, daß im Katastrophenfall eine sehr leistungsfähige Notstromversorgung zur Verfügung steht, die insbesondere für den unterbrechungsfreien Weiterbetrieb der Flutlichtanlagen ausreichen muß.
Eine derart leistungsfähige Notstromanlage erfordert eine außerordentlich hohe Investition, die sich in Anbetracht der extrem kurzen Benutzungszeiten einer Notstromanlage nicht amortisiert. Darüber hinaus macht es der sehr unregelmäßige Lastgang erforderlich, zu ungünstigen Zeiten und ungünstigen Preisen Fremdenergie zu beziehen, so daß sich insgesamt sehr hohe Energiekosten für den Betrieb der Großsportstätte ergeben.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Steuerung der Energieversorgung von Großsportstätten zu schaffen, durch welche es möglich ist, die erforderlichen Energiekosten erheblich zu senken.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Endung ausgehend von dem Verfahren der Eingangs genannten Art vor,

– daß als Notstromaggregat ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt wird,
– daß aus historischen Informationen eine lang-, mittel-, und kurzfristige, Lastprognose erstellt wird,
– daß diese Lastprognose im Bedarfsfall durch aktuelle Informationen ergänzt und angepaßt wird
– und daß anhand dieser aktuellen Lastprognose und der darauf abgestimmten Resourcenplanung die Eigenstromerzeugung soweit wie möglich ausgelastet wird, bevor die Fremdenergieversorgung jeweils nach Energieart kostenoptimiert zugeschaltet wird.

Die Erfindung schlägt erstmals vor, als Notstromaggregat ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung einzusetzen. Solche Blockheizkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung haben bekanntlich einen Energieausnutzungsgrad von bis zu 90% und erzeugen neben Strom in erheblichen Mengen Wärme, die in Großsportstätten insbesondere für die Warmwasserbereitung, für die Beheizung der Umkleideräume, der Gastronomieräume, der VIP-Lounges, der Tribünen und der Rasenheizung verwendet werden kann.
Normalerweise ist ein Blockheizkraftwerk für die Notstromversorgung bei weitem zu teuer. Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird das als Notstromaggregat dienende Blockheizkraftwerk jedoch für die Abdeckung der Grundlast verwendet, so daß sich für dieses Blockheizkraftwerk sehr hohe Betriebsstundenzahlen ergeben.
Die Zuschaltung und Abschaltung des Fremdenergiebezuges anhand der Lastprognose macht es möglich, die zusätzlich benötigte Fremdenergie nach einem kostenoptimierten Resourcenplan zu beziehen, wodurch sich die Gelegenheit bietet, langfristig im Voraus an den Energiebörsen oder über Händler, die jeweils günstigsten Energieanbieter zu finden. Beim Verfahren gemäß der Erfindung übernimmt das zugleich als Notstromaggregat dienende Blockheizkraftwerk die Grundlast, während die Lastspitzen im wesentlichen durch Fremdenergieversorgung abgedeckt werden. Hierdurch kommt es zu einer optimalen Auslastung des zugleich als Notstromaggregat dienenden Blockheizkraftwerks, so daß sich dessen Betriebszeiten ganz erheblich verlängern und die Investition für das Blockheizkraftwerk sich sehr schnell amortisiert. Dennoch wird den gesetzlichen Vorschriften über eine auch in Notfällen ausreichende Stromversorgung Rechnung getragen.
Darüber hinaus gehören Blockheizkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung wegen der hohen Energieausnutzung zu den gesetzlich geförderten Stromerzeugern, die zu subventionierten Preisen Strom in das EVU-Netz liefern dürfen. In Zeiten, in denen die Großsportstätte also einen Strombedarf hat, der unter der Leistung des Blockheizkraftwerkes liegt, kann also auch Strom in das EVU-Netz geliefert werden, wodurch sich die Erlöse erzielen lassen, die zur weiteren Kostensenkung herangezogen werden können.
Beim Neubau von Großsportstädten wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene kombinierte Versorgung durch ein Blockkraftheizwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung einerseits und die öffentlichen Versorgungsnetze andererseits von vornherein vorgesehen. Bei Umrüstung von bestehenden Großsportstädten wird demgegenüber das Notstromaggregat durch ein Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung ersetzt und die Steuerung und Regelung entsprechend nachgerüstet, während der Anschluß an die öffentlichen Versorgungsnetze beibehalten wird.
Zweckmäßig ist vorgesehen, daß die Lang- und mittelfristige Lastprognose für Nicht-Spieltage anhand der Mittelwertmethode und die kurzfristige Lastprognose für Nicht-Spieltage durch rekursive Regression erstellt wird. Diese nach dem Stand der Technik bekannten mathematischen Methoden sind besonders gut für die Nicht-Spieltage geeignet, weil diese in erster Linie von regelmäßig wiederkehren Ereignissen bzw. Abläufen abhängen (Jahreszeiten, Tagesrythmus, Wochenrythmus, Monatsrythmus, etc.) abhängen.
Demgegenüber wird für kurzfristige Lastprognosen an Spieltagen zusätzlich mittels Profilgenerator synthetisch ein genau angepasstes Lastprofil erzeugt, welches die von Fall zu Fall unterschiedlichen speziellen Randbedingungen berücksichtigt, wie z. B. Spielbeginn, Spieldauer, Aktivitäten in den Umkleide- und Mannschaftsräumen, in der Gastronomie, im Medienbereich, etc.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Endung sieht vor, daß das Blockheizkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung ein wahlweise mit Gas oder einem Flüssigbrennstoff antreibbares Antriebsaggregat ist. Hierdurch ist es möglich, das Blockheizkraftwerk während des Normalbetriebes mit Gas aus dem Gasnetz zu betreiben, was besonders kostengünstig ist. Falls ein Notstrombetrieb notwendig wird, der natürlich versorgungsnetzunabhängig sein muß, kann das Blockheizkraftwerk auf Flüssigbrennstoff ohne Zeitverzögerung umgeschaltet werden, der in ausreichender Menge in Tanks vorrätig gehalten wird.
Um die beim Betrieb auftretenden Lastspitzen klein zu halten, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß die der Energieversorgung zugeordnete Anlagenleittechnik die einzelnen Energieverbraucher der Sportstätte unter Berücksichtigung der Lastprognose derart bedarfsgerecht und zeitversetzt zuschaltet bzw. abschaltet, daß sich möglichst geringe Lastspitzen ergeben. Dabei erfolgt die Zu- und Abschaltung der einzelnen Energieverbraucher in einem 15 Minuten Takt, d. h. einen Takt, der auch beim Energiebezug aus den öffentlichen Netzen vorgegeben wird.
Um die Lastprognose zu optimieren und den laufenden Veränderungen anzupassen, schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß die jeweils aktuellen Lastgänge zur Neugewinnung von Lastmustern und/oder zur Neugewichtung von vorhandenen Lastmustern mathematisch analysiert und zur Ergänzung bzw. Korrektur der langfristigen Lastprognose herangezogen werden. Auf diese Weise wird das Gesamtsystem gewissermaßen lernfähig, kann neue Lastmuster erkennen, in die Lastprognose aufnehmen bzw. vorhandene Lastmuster korrigieren und dem wirklichen Bedarf anpassen.
Für die mathematische Analyse arbeitet man zweckmäßig mit Methoden der Stochastik und Mustererkennungsverfahren in Kombination mit Fuzzy Logic und Kalman-Filtern und der Lastsynthese (Profilgenerator).
Die Abwärme des Blockheizkraftwerkes kann man zweckmäßig auch für den Betrieb von Kälteabsorptionsanlagen verwenden, falls es z. B. im Sommer und in den Übergangsjahreszeiten während der Hitze- und Sonnenperioden notwendig wird, die Gastronomieräume und/oder die VIP-Lounges oder Umkleideräume zu kühlen.
Aus Sicherheitsgründen ist es darüber hinaus wichtig, im Katastrophenfall für einen ununterbrochenen Betrieb der Flutlichtanlagen zu sorgen. Da die Gasdrucklampen der Flutlichtanlage eine Unterbrechung in der Stromversorgung nicht vertragen und vor dem erneuten Einschalten abkühlen müßten, schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß die beim Umschalten der Eigenstromversorgung auf Fremdstromversorgung oder umgekehrt auftretenden Versorgungslücken im Bereich der Flutlichtanlagen durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) überbrückt werden. Diese unterbrechungsfreie Stromversorgung schaltet sich ohne Zeitverzögerung ein, wenn im Notfall von einer Versorgungsart auf die andere Versorgungsart umgeschaltet werden muß.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: Ein Blockschaltbild der Energieversorgungsanlage einer Großsportstätte, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann;
2 schematisch den Energiefluß und den Signalfluß bei der Verwendung und Anpassung der Lastprognose.
Das in der Zeichnung dargestellte Energieversorgungssystem für eine Großsportstätte weist eine Reihe von Energieeinspeisungen auf, nämlich eine Fernwärmeversorgung aus einem Fernwärmenetz 1, eine Gasversorgung aus einem Gasnetz 2 und eine Fremdstromversorgung aus dem öffentlichen Stromnetz 3, wobei der Fremdstrombezug hier unterteilt ist in eine Versorgung durch einen Basisvertrag 3a und eine Stromversorgung nach einem Sondervertrag 3b, der insbesondere den Spitzenbedarf abdecken soll. Weiterhin weist die Anlage einen ausreichend bemessenen Flüssigtreibstofftank 4 auf, der beispielsweise mit Dieselöl gefüllt ist.
Aus dem Fernwärmenetz 1 wird ein internes Warmwassernetz 5 beheizt, an welchem die Gebäudeheizung 6, die Dusch- und Badeanlagen 7 und die Rasenheizung 8 der Großsportstätte hängen.
Das Gasnetz 2 versorgt einerseits Gasstrahler 9, die insbesondere für die Tribünenbeheizung dienen. Und ein Blockheizkraftwerk 10, welches erfindungsgemäß als Notstromaggregat dient und mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet, wie weiter unten noch erläutert wird.
Das Blockheizkraftwerk 10 kann wahlweise mit Gas aus dem Gasnetz 2 oder mit Flüssigbrennstoff aus dem Tank 4 betrieben werden. Im Normalbetrieb, der netzabhängig erfolgen darf, verwendet man Gas für den Betrieb des Blockheizkraftwerkes 10. Im Notstrombetrieb, der netzunabhängig sein muß, wird das Blockheizkraftwerk 10 demgegenüber mit Flüssigbrennstoff aus dem Tank 4 betrieben.
Die Fremdstromversorgungen 3a und 3b speisen elektrischen Strom in ein internes Stromnetz 11 ein, welches eine Flutlichtanlage 12, die Haustechnik 13, die Gastronomiebetriebe 14 und sonstige Verbraucher 15 mit Strom versorgt.
Das Blockheizkraftwerk 10, welches mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet, erzeugt einerseits elektrischen Strom, welcher in das interne Stromnetz 11 eingespeist wird und andererseits Wärme, welche in das interne Warmwassernetz 5 eingespeist wird. Dabei ist das Blockheizkraftwerk 10 so ausgelegt, daß es in etwa die im internen Stromnetz 11 benötigte Grundlast abdecken kann. Aus den Fremdstromversorgungen 3a und 3b bezieht das interne Stromnetz demgegenüber die Mittellast und die Spitzenlast. Das Blockheizkraftwerk 10 ist jedoch zumindest so leistungsfähig ausgelegt, daß es im Notstrombetrieb das interne Stromnetz 11 ausreichend versorgen kann, das heißt also genügend Leistung für den Betrieb der Flutlichtanlagen und der übrigen für den Notbetrieb erforderlichen elektrischen Anlagen zur Verfügung stellt.
Zur Überbrückung etwaiger Versorgungslücken beim Umschalten von Normalbetrieb auf Notstrombetrieb ist der Flutlichtanlage 12 ein unterbrechungslos arbeitender Stromversorgungsspeicher (USV) 16 zugeordnet, dessen Kapazität ausreicht, die beim Umschalten von Eigenstromerzeugung auf Fremdstromversorgung oder umgekehrt auftretenden Versorgungslücken zu überbrücken. Würden die Gasdrucklampen der Flutlichtanlage nämlich abgeschaltet, müßten sie erst mehrere Minuten abkühlen, bevor sie wieder eingeschaltet werden können. Ebenso ist den allgemeinen Verbrauchern 15 (Computern, Telefonanlage, Brandmeldeanlage, Beschallungsanlage usw.) eine USV 17 zugeordnet, die auch hier einen unterbrechungslosen Betrieb gewährleistet.
Die oben erläuterte Energieversorgungsanlage wird von einer zentralen Anlagenleittechnik 18 gesteuert, die die einzelnen Energieverbraucher der Sportstätte unter Berücksichtigung einer Lastprognose 19 derart steuert, daß die Eigenstromerzeugung durch das Blockheizkraftwerk 10 so weit wie möglich ausgelastet wird, bevor die Fremdenergieversorgung jeweils nach Energieart kostenoptimiert zugeschaltet wird. Damit sich insgesamt möglichst geringe Lastspitzen ergeben und der Fremdstrombezug nach Sondertarif möglichst selten vorkommt, schaltet die der Energieversorgung zugeordnete Anlagenleittechnik 18 die einzelnen Energieverbraucher der Sportstätte derart zeitversetzt zu bzw. ab, daß sich möglichst geringe Lastspitzen ergeben. Dabei erfolgt die Zu- und Abschaltung der einzelnen Energieverbraucher in einem 15- Minutentakt, das heißt in dem Takt, in dem auch die EVU bzw. die Energiebörsen die Stromversorgung takten.
Die oben erwähnte musterbasierte Lastprognose 19 beruht auf historischen Informationen und Randbedingungen, die durch langfristige Beobachtungen gewonnen worden sind und aufgrund derer eine Lastprognose erstellt worden ist. Randbedingung heißt hier, daß typische, wiederkehrende Lastgänge wie Spieltag, kein Spieltag, Großveranstaltungen, Spiele vor Einbruch der Dunkelheit, Spiele während des Einbruches der Dunkelheit, Spiele nach Einbruch der Dunkelheit, Rasenheizung nach Schneefall auf gefrorenem Boden, Rasenheizung nach Schneefall auf nicht gefrorenem Boden usw., gespeichert werden und aufgerufen werden können. Diese Lastprognose wird kontinuierlich durch aktuelle Informationen ergänzt und angepasst. So können mittels Profilgenerator beispielsweise aktuelle Wetterdaten und dergleichen zusätzlich eingegeben werden.
Die Nicht-Spieltage werden im wesentlichen einer analytischen Betrachtung unterzogen. Die vorliegenden Messwerte im 15-Minuten-Takt werden als normalverteiltes stochastisches Signal behandelt. Um Wechselwirkungen von zwei Signalen zu beurteilen, wird die Korrelation eingesetzt. Sie beantwortet die Frage, ob zwischen zwei Signalen eine mathematische Abhängigkeit besteht.
Mit Hilfe der rekursiven Regression (Kalmann-Filter) wird die Prognose zu einem bestimmten Zeitpunkt mit dem entsprechenden Referenzwert der Messung verglichen. Das Resultat zwischen der prognostizierten Last und dem Referenzwert bildet einen Koeffizienten und ist für die neue Prognose bestimmend. Dieser ständige Abgleich zwischen Lastgang und Prognose führt zu einer Verbesserung der Vorhersagegüte.
Spieltage werden synthetisch betrachtet. Aus den durch die Anlagenleittechnik 17 geschalteten Anlagen der technischen Gebräudeausrüstung wird mittels Profilgenerator ein Lastprofil für den Spieltag entwickelt. Je nach Veranstaltungsart, – beginn und Wetterverhältnissen werden Faktoren für die Höhe der Lastanteile der verschiedenen Anlagen eingegeben.
Diese bestimmen zusätzlich den prognostizierten Lastgang für den jeweiligen Spieltag.
Auf diese Weise ist das System gewissermaßen selbstlernend und erstellt neue Lastmuster, sofern typische Lastmuster wiederholt neu auftreten. Ebenso werden vorhandene Lastmuster laufend angepasst und verfeinert. Nach einiger Betriebszeit schafft sich das System eine große Lastmuster-Ressource 20 an typischen Lastgängen, so daß das System nach einiger Laufzeit in jeder denkbaren Situation kostenoptimiert betrieben werden kann.
In 2 sind der Energiefluß und der Signalfluß bei der Gewinnung von Prognose aus aktuellen Lastgängen schematisch dargestellt.

Claims

Verfahren für die Steuerung der Energieversorgung von Großsportstätten mit einer Eigenstromerzeugung in Form eines Notstromaggregates sowie mit einer Fremdenergieversorgung, die Anschlüsse an das EVU-Stromversorgungsnetz und/oder ein Fernwärmenetz und/oder ein Gasversorgungsnetz aufweist, dadurch gekennzeichnet, – daß als Notstromaggregat ein Blockheizkraftwerk (10) mit Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt wird, – daß aus historischen Informationen eine lang-, mittel- und kurzfristige Lastprognose erstellt wird, – daß diese Lastprognose im Bedarfsfall durch aktuelle Informationen ergänzt und angepasst wird – und daß anhand dieser aktuallen Lastprognose und der darauf abgestimmte Resourcenplanung die Eigenstromerzeugung so weit wie möglich ausgelastet wird, bevor unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte die Fremdenergieversorgung jeweils nach Energieart kostenoptimiert zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lang- und mittelfristige Lastprognose für Nicht-Spieltage anhand der Mittelwertmethode und die kurzfristige Lastprognose für Nicht-Spieltage durch rekursive Regression erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzfristige Lastprognose für die Spieltage mittels Profilgenerator synthetisch erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blockheizkraftwerk (10) mit Kraft-Wärme-Kopplung ein wahlweise mit Gas oder einem Flüssigbrennstoff antreibbares Antriebsaggregat aufweist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Energieversorgung zugeordnete Anlagenleittechnik (17) die einzelnen Energieverbraucher (6–9; 12–15) der Sportstätte unter Berücksichtigung der Lastprognose derart zeitversetzt zuschaltet bzw. abschaltet, daß sich möglichst geringe Lastspitzen ergeben.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abschaltung der einzelnen Energieverbraucher in einem 15-Minutentakt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aktuellen Lastgänge zur Neugewinnung von Lastmustern und/oder zur Neugewichtung von vorhandenen Lastmustern mathematisch analysiert und zur Ergänzung bzw. Korrektur der langfristigen, Lastprognosen herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Analyse mit Methoden der Stochastik in Kombination mit Fuzzy-Logic, Kalman-Filtern und der Lastsynthese durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme des Blockheizkraftwerkes (10) für den Betrieb von Kühlaggregaten/Kälteabsorptionsanlagen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Umschalten von Eigenstromerzeugung auf Fremdstromversorgung auf tretenden Versorgungslücken im Bereich der Flutlichtanlagen (12) durch einen unterbrechungsfrei arbeitenden Stromversorgungsspeicher (USV) (16) überbrückt werden.