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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Überwachung
und Steuerung von Energieerzeugungs- und Energiespeicherungseinheiten
kleiner Leistung für
Wärme und
elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die ökonomische Erzeugung von Energie
für Wohngebäude und
Geschäftshäuser wird
zunehmend wichtiger. Mit zunehmender Zahl von Geräten und
elektronischen Einrichtungen (wie Computer, Stereoanlagen, Fernsehgeräte, CD – und DVD-Spieler,
usw.) wird die benötigte
elektrische Energie zum Antrieb dieser Einrichtungen zunehmend größer. In vielen
Ländern
kann die zentrale Energieerzeugung in Kraftwerken mit dem zunehmenden
Bedarf jedoch nicht Schritt halten, so dass bereits Energiemangel besteht.
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Eine Möglichkeit, dem zunehmenden
Energiebedarf zu begegnen, ist es, mehr Kraftwerke zu bauen. Dies
stößt jedoch
zunehmend auf Widerstand in der Bevölkerung. Große Kraftwerke
sind einerseits unansehnlich und führen andererseits zu erheblichen Problemen.
Kohle- und ölbetriebene
Kraftwerke verbrauchen fossile Brennstoffe, führen zu großer Luftverschmutzung und vergrößern den
Treibhauseffekt. Nukleare Kraftwerke sind unter Sicherheitsgesichtspunkten
problematisch, da insbesondere der nukleare Abfall nicht entsorgt
werden kann. Hydroelektrische Kraftwerke sind für Flussläufe und das Wild problematisch
und können
nur in bestimmten Bereichen eingesetzt werden. Alle großen zentralen
Kraftwerke haben das Problem, das die Energieübertragung über große Strecken zu erheblichen
Verlusten führt.
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Die globale Erwärmung und der Treibhauseffekt
sowie das Ozonloch sind heute keine theoretischen Probleme mehr,
sondern sind mit der Erzeugung und dem Verbrauch von Energie unmittelbar gekoppelt.
In den letzen Jahren wurde daher verstärkt nach alternativen Möglichkeiten
der Energieerzeugung gesucht.
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Eine Möglichkeit der umweltfreundlichen
Energieerzeugung besteht darin, Windenergie zu nutzen oder photovoltaische
Systeme einzusetzen. In beiden Fällen kann
im wesentlichen nur elektrische Energie erzeugt werden, wobei die
Erzeugungskosten so hoch sind, dass ein wirtschaftlicher Betrieb
nur unter gesamtgesellschaftlichen Gesichtspunkten vertretbar ist.
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Wenn nur der durchschnittliche Gesamtenergiebedarf
einer Region der zur Verfügung
stehenden Gesamtkapazität
der Kraftwerke gegenüber
gestellt wird, besteht in der Regel Überkapazität. Allerdings sind die Verbrauchsprofile
für elektrische
Energie stark tageszeitabhängig,
so dass zu Tagesspitzenzeiten, insbesondere in der Frühe und am
Abend, ein hoher Spitzenbedarf entsteht, der von Kraftwerken abgedeckt
werden muss. Die Leistungsfähigkeit
der Kraftwerke ist daher im wesentlichen am Spitzenbedarf orientiert.
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Da die elektrische Energie, die über Energieverteilungsnetze
an die Haushalte und gewerblichen Abnehmer verteilt wird, in den
Energie liefernden Kraftwerken, außer bei Atomkraftwerken und
Wasserkraftwerken, über
die Verbrennung fossiler Brennstoffe, wie Öl, Kohle oder Gas, geliefert
wird, bei deren Erzeugung eine große Menge Wärme entsteht, ist die Energieerzeugung
nur mit relativ geringem Ausnutzungsgrad der eingesetzten Energie
zu bewirken. Manche Kraftwerke sind als kombinierte Anlagen ausgeführt, die
ihre überschüssige Wärme in Fernwärmenetze
einspeisen, so dass der Wirkungsgrad der Anlage erhöht werden
kann. Bei der zentralen Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme sind
jedoch erhebliche Verteilungsverluste zu berücksichtigen.
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Ein Ansatz zur Verbesserung der Gesamtenergiebilanz
liegt darin, kleine dezentralisierte Energieerzeugungseinheiten
zu betreiben, die beispielsweise einzelnen Haushalten oder kommerziellen
Verbrauchern zugeordnet sind. Solche, als Kraftwärmekopplungsanlagen bekannte
Energieerzeugungseinheiten bestehen aus einem Erzeuger von mechanischer
Energie und Wärme
sowie einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei
die vom Wärmeerzeuger
erzeugte Wärme
in eine Heizungsanlage eingespeist wird und die erzeugte elektrische Energie
dem Haushalt oder Betrieb zur Verfügung gestellt wird, so dass
weder Wärmetransportverluste noch
Leitungsverlust bei der elektrischen Energie berücksichtigt werden müssen.
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Eine typische Kraftwärmekopplungsanlage kleiner
Leistung besteht aus einem gasbetriebenen Motor, insbesondere Stirling-Motor,
dessen Wärmeabgabe
einem Heizkreislauf zur Verfügung
gestellt wird. Der Motor treibt einen elektrischen Generator an,
dessen elektrische Energie in das Hausnetz eingespeist wird. Normalerweise
ist an diese Kraftwärmekopplungsanlage
eine Einheit zur Speicherung von Wärme gekoppelt. Insbesondere
für den
Einsatz in Haushalten ist eine Einheit zur Wärmespeicherung von großer Bedeutung,
da sie auch in der warmen Jahreshälfte, in der das Haus nicht
beheizt wird, den Betrieb der Kraftwärmekopplungsanlage erlaubt,
und in der die erzeugte Wärme
als Brauchwasser gespeichert wird.
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Der Betrieb einer solchen Energieerzeugungseinheit
ist nur in gewissen Grenzen technisch effektiv. Während ihre
obere Grenzleistung bauartbedingt ist, ist auch eine untere Grenzleistung
einzuhalten, da eine solche Einheit anderenfalls durch „Unterforderung" beschädigt werden
kann. Es ist daher vorteilhaft, eine solche Einheit im wesentlichen
auf einer Leistungsstufe zu fahren, die ohne Überlastung in mechanischer
und thermischer Hinsicht den höchstmöglichen
Wirkungsgrad ermöglicht.
Diese Leistungsstufe entspricht jedoch nur unter bestimmten klimatischen
und Nutzungsverhältnissen
dem tatsächlichen
Bedarf einer Wohneinheit oder eines Betriebes.
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Aufgrund des stark transienten zeitlichen Verlaufs
der elektrischen Lastkurve eines Haushalts ist es schwierig, die
gesamte elektrische Energie, die von einer diesem Haushalt zugeordneten
Kraftwärmekopplungsanlage
erzeugt wird, in dem Haushalt selbst zu verbrauchen. Die transiente
Natur des Verbrauchs der elektrischen Energie macht eine wirkungsvolle
Modulation der elektrischen Leistung der Kraftwärmekopplungsanlage nahezu unmöglich. Eine
solche Kraftwärmekopplungsanlage
wird daher insbesondere so betrieben, dass sie während der Zeit, in der sie
nicht im Haushalt benötigte
elektrische Energie produziert, diese überschüssige elektrische Energie an
ein lokales Energieverteilungsnetz abgibt, während in Spitzenbedarfszeiten
eventuell fehlende Energie aus einem lokalen Energieverteilungsnetz zusätzlich abgenommen
wird.
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Bei Vorhandensein einer Vielzahl
derartiger Energieerzeugungseinheiten lässt sich der Spitzenbedarf
an elektrischer Energie in einem Energieverteilungsnetz beträchtlich
reduzieren. Die Spitzen sind im Wesentlichen durch die Haushalte
bedingt. Die erzeugte elektrische Energie fällt normalerweise zu Spitzenzeiten
an. Durch die Senkung des Spitzenbedarfs des Haushaltes sowie durch
die Erzeugung „überschüssiger" in einem lokalen
Energieverteilungsnetz handelbarer Energie kann die Spitzenbelastung
der zentralen Kraftwerkskapazität
reduziert werden.
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In naher Zukunft wird voraussichtlich
eine sehr große
Zahl von Kraftwärmekopplungsanlagen kleiner
Leistung in Haushalten installiert und betrieben werden. Es ist
vor diesem Hintergrund leicht einzusehen, dass eine übergreifende
Steuerung und Koordinierung notwendig sein wird, um den optimalen
Betrieb dieser Anlagen zu ermöglichen.
Die Steuerung und Koordinierung der Anlagen wird voraussichtlich
regional erfolgen, da die „überschüssige" elektrische Energie
nur innerhalb eines regionalen Stromverteilungsnetzes gehandelt
und verbraucht werden kann. Eine solche übergreifende Steuerung und
Koordinierung wird auch einen entsprechend optimierten Betrieb der
zentralen Energiesysteme ermöglichen.
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Bisher ist es üblich, dass Kraftwärmekopplungsanlagen
dezentral in den jeweiligen Haushalten oder Betrieben gesteuert
werden, so dass Elektrizitätsunternehmen
und Netzbetreiber nahezu keinen Einfluss auf die Erzeugung elektrischer
Energie durch solche Anlagen haben. Sie können daher nur durch Anpassung
der Kraftwerkkapazität
und ihrer Betriebsparameter auf den jeweiligen Bedarf reagieren.
Eine Vorausplanung der gesamten Versorgungssituation ist damit schwer
möglich.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Netzwerks mit einer großen Anzahl
von lokal verteilten kombinierten Energieerzeugungseinheiten kleiner
Leistung für
Wärme und
elektrische Energie, einschließlich der
zu diesen Einheiten gehörenden
Energiespeicherungseinheiten, anzugeben, so dass ein wirtschaftlicher
Betrieb dieser Einheiten und eine optimale Anpassung an den Energieverbrauch
und Energiebedarf einer Region ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird ein Überwachungs-
und Steuerungsverfahren angegeben, mit dem trotz dezentralisiertem
Betrieb von Energieerzeugungseinheiten eine zentralisierte Überwachung
und Steuerung des Verteilungsnetzes in Abhängigkeit vom tatsächlichen
Bedarf an Energie möglich
wird und damit die Energieverteilung insgesamt kostengünstiger,
effektiver und mit höherem Wirkungsgrad
sichergestellt werden kann.
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Die Energieerzeugung durch die angegebenen
Energieerzeugungseinheiten ist gemäß der Erfindung vorzugsweise
wärmegeführt, d.h.
die Energieerzeugungseinheit wird so gesteuert, dass sie die benötigte Wärme z. B.
für einen
Haushaltkreislauf entsprechend dem Bedarf erzeugt und davon abgeleitet
elektrische Energie erzeugt, die entweder an der jeweiligen Verbrauchsstelle
unmittelbar verbraucht wird oder bei Überschuss in ein lokales Stromverteilungsnetz
eingespeist wird.
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Zur zentralen Steuerung und Überwachung der
einzelnen Energieerzeugungseinheiten weist jede dieser Einheiten
eine Kommunikationsschnittstelle und eine Zweiwegeverbindung mit
einer diesem Anlagennetzwerk zugeordneten zentralen Datenverarbeitungseinheit
auf. Über
die Zweiwegverbindung können
die Betriebsdaten der einzelnen Energieerzeugungseinheiten, einschließlich der
Betriebsdaten der Energiespeicherungseinheiten, an die Datenverarbeitungseinheit übertragen
werden. In Abhängigkeit
von der Gesamtverbrauchs- und Energiebilanz einer Region und/oder
des aktuellen Status der einzelnen Energieerzeugungseinheiten innerhalb dieser
Region sind diese über
die Zweiwegeverbindung selektiv zur Änderung ihrer Betriebsparameter steuerbar.
In diesem Zusammenhang ist es von entscheidender Bedeutung, den
Betriebszustand der einzelnen Energiespeicherungseinheiten zu kennen. Denn
bei Eingriffen in die wärmegeführte Betriebsweise
der Energieerzeugungseinheiten darf keine Wärme verloren gehen. Das heißt, der
Zustand der einzelnen Energiespeicherungseinheiten bestimmt, inwiefern
Betriebsoptimierungsmassnahmen zu einem bestimmten Zeitpunkt möglich sind.
Es sind jedoch auch Ausnahmesituationen denkbar, in dem ein Betrieb
ohne Nutzung der anfallenden Wärme
vorkommen kann. In solchen Situationen würde die anfallende Wärme an die
Umgebung abgegeben werden.
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Die angegebene zentrale Steuerung
und Überwachung
erlaubt es daher, alle angeschlossenen Energieerzeugungseinheiten
zentral so zu betreiben, dass der Nutzen einzelner Energieerzeugungseinheiten
zur Erhöhung
des Gesamtnutzens aller Einheiten im Anlagennetzwerk koordiniert
werden kann. Das zentrale Steuerungs- und Überwachungssystem erlaubt auch
eine effiziente Durchführung
von Service- und Wartungsarbeiten, sowie von anderen technischen
Aufgaben wie z.B. das „An-
und Abmelden" einer
Energieerzeugungseinheit in das bzw. aus dem Anlagennetzwerk beim
Ein- bzw. Ausschalten der Einheit. Zu diesem Zweck weist die zentrale
Datenverarbeitungseinheit eine oder mehrere Programmmodule zur Erfassung,
Wartung, Steuerung, etc. der einzelnen Energieerzeugungseinheiten auf.
Diese Programme können
Standardprogramme sein, die ihre jeweiligen Aufgaben zentral und
interaktiv mit den jeweiligen Energieerzeugungseinheiten durchführen.
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Da die einzelnen Einheiten wärmegeführt sind,
wird primär
dem Bedarf des einzelnen Haushalts an Wärme Rechnung getragen. Durch
den Anschluss der elektrischen Energieerzeugungseinrichtung an das
zentrale elektrische Verteilungsnetz wird je nach Erzeugungs- und
Bedarfsituation des Haushalts der erzeugte Strom entweder selbst
verbraucht oder es wird Zusatzstrom aus dem Netz bezogen. Die zentrale
Steuerung und Überwachung
der Energieerzeugungseinheit führt
daher nicht zu Nachteilen beim Verbraucher. Dagegen kann der Betreiber
des Verteilungsnetzes je nach Bedarf einzelne oder Gruppen von Energieerzeugungseinheiten
so steuern, dass die in das Netz eingespeiste Energie bzw. aus dem
Netz entnommene Energie den jeweilig herrschenden Versorgungszuständen angepasst werden
kann.
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Es wird angenommen, dass die zukünftigen Flotten
von Kraftwärmekopplungsanlagen
kleiner Leistung durch Energieunternehmen an die Haushalte geliefert
und installiert werden, und dass diese Energieunternehmen diese
Flotten als einen Teil ihres Kerngeschäftes betreiben werden. Weiterhin
ist anzunehmen, dass die betreibenden Energieunternehmen in ihren
jeweiligen Ländern
das ganze geographische Gebiet des jeweiligen Landes abdecken werden.
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Zum Beispiel wird ein deutsches Energieunternehmen
solche Kraftwärmekopplungsanlagen
voraussichtlich bundesweit installieren und betreiben. Um die Steuerung
und das Management eines solchen sehr umfangreichen Anlagennetzwerks
zu vereinfachen und robuster zu machen, wird es sinnvoll sein, das
Netzwerk in Teilnetze zu unterteilen. Solche Teilnetze werden sich
an Regionen bzw. an lokale Stromverteilungsnetze orientieren. Der
Hauptgrund hierfür
ist, dass die in einem lokalen oder regionalen Stromverteilungsnetz
von den Kraftwärmekopplungsanlagen
erzeugte „überschüssige" elektrische Energie
auch nur innerhalb dieses Netzes gehandelt und verbraucht werden
kann.
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Als eine Maßnahme zur Vereinfachung bzw. zur
Erhöhung
der Robustheit ist es daher sinnvoll, für jedes Teilnetz eine eigene
Datenverarbeitungsanlage einzuführen.
Solch eine Teilnetzdatenverarbeitungsanlage wird die Erfassung,
Steuerung, Wartung, etc. der dem Teilnetz zugeordneten Energieerzeugungseinheiten übernehmen.
Damit wird die zentrale Datenverarbeitungseinrichtung entlastet
und sicherer, denn eventuelle Störungen
beeinflussen dann nicht mehr das Gesamtnetzwerk. Die einzelnen Teilnetzdatenverarbeitungsanlagen
können über Kommunikationsverbindungen
mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage die dort benötigten Daten
zur zentralen Steuerung und Überwachung
des gesamten Anlagennetzwerks übertragen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher
einen selektiven optimierten Betrieb einzelner Energieerzeugungseinheiten
in Bezug auf verschiedene Betriebsparameter. Eine Steuerung der Einheiten
kann z. B. in Abhängigkeit
von den jeweilig herrschenden Strompreisen/-kosten bewirkt werden. Beispielsweise
ist auch eine Anpassung an unterschiedliche Brennstoffsorten denkbar
durch die Steuerung bestimmter technischer Elemente der Energieerzeugungseinheit..
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine Übersichtsdarstellung
eines Anlagennetzwerks dass durch ein Energieunternehmen betrieben
wird und dass in 3 Teilnetzwerke unterteilt ist,
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2 ein
schematisches Diagramm der Anbindung einzelner Einheiten an die
zentrale Datenverarbeitungsanlage und
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3 eine
schematische Ansicht des Aufbaus einer zentralen Datenverarbeitungsanlage.
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Die in 1 gezeigte Übersichtsdarstellung eines
Anlagennetzwerks, das von einem Energieunternehmen betrieben wird,
enthält
drei Teilnetze 1, 2 und 3, die jeweils
eine Anzahl einzelner Energieerzeugungseinheiten enthalten. Beispielsweise
enthält das
Teilnetz 1 die Häuser 4, 5 und 6,
die jeweils wenigstens eine Energieerzeugungseinheit enthalten. In
der Praxis kann ein solches Teilnetz bis zu mehrere Hundert Tausend
solcher Einheiten enthalten. Bei diesen Wärme- und Stromerzeugungseinheiten
handelt es sich um Einheiten kleiner Leistung, die jeweils einem
Haushalt zugeordnet sind. In einem Mehrfamilienhaus können auch
mehrere Einheiten, die jeweils einer Wohnung zugeordnet sind, verwendet
werden. Vorzugsweise ist jedoch pro Haus nur eine Energieerzeugungseinheit
vorgesehen.
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Die entstehende Wärme wird über Wärmetauscher an die häusliche
Heizungsanlage abgegeben. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades können bekannte
Verfahren zur Abgastemperatursenkung, beispielsweise durch Ausnutzen
von Kondensationswärme,
eingesetzt werden. Zur Vermeidung von Konvektions- und Strahlungsverlusten
wird der Motor (und ggf. der Generator) thermisch isoliert aufgebaut. Dies
dient außerdem
der Schalldämpfung.
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Eine solche Energieerzeugungseinheit
enthält
einen gasbetriebenen Motor, vorzugsweise einen Stirling-Motor, der
einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Der
Stirling-Motor erzeugt außerdem
Wärme,
die zur Raum- und Brauchwasserheizung verwendet wird. Die Energieerzeugungseinheit
kann aber auch eine Brennstoffzelle enthalten, die auf elektrochemische
Art und Weise Strom erzeugt. Bei diesem elektrochemischen Prozess
fällt Wärme an,
die wieder zur Raum- und Brauchwasserheizung verwendet wird.
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Anstelle eines Stirling-Motors können auch andere
kraft- und wärmeerzeugende
Einheiten verwendet werden, wie z. B. Ottomotoren, Dieselmotoren
oder auch Brennstoffzellen.
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Eine solche Energieerzeugungseinheit
kann so betrieben werden, dass die Stromerzeugung maximiert wird,
um die Menge des nicht im Haus unmittelbar verwendeten Stroms, der
in ein lokales Verteilungsnetz eingespeist wird, zu maximieren.
Bei solchen stromgeführten
Anlagen wird die Wärmeerzeugung
als sekundär
betrachtet, und der Einsatz einer Wärmespeicherungseinheit ist
in der Regel weder praktisch möglich
noch sinnvoll. Es kommt in diesem Fall also zu einer mehr oder weniger
großen
Verschwendung nutzbarer Energie da die anfallende Wärme vor
Ort nicht vollständig
verbraucht oder gespeichert werden kann und somit in die Umgebung freigesetzt
wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist jedoch vorzugsweise ein wärmegeführter Betrieb
der Energieerzeugungsanlage vorgesehen. Dabei wird die Energieerzeugungseinheit
so gesteuert, dass die Wärmeabgabe
maximiert bzw. dem häuslichen
Bedarf angepasst wird. Dies bedeutet, dass die Einheit im Prinzip
wie ein Heizkessel gefahren wird. Um dabei jedoch so viel Strom
wie möglich
zu erzeugen und um die Einheit vor schädlichen Ein-/Aus-zyklen zu schützen, wird
die Einheit während
der „Heizzeiten" kontinuierlich und
nicht – wie
moderne Kessel – intermittierend
gefahren. Somit ist die thermische Leistung des Energieumwandlers
solcher Einheiten weitaus kleiner als bei einem Kessel, und an sehr
kalten Tagen bzw. beim Vorheizen reicht sie in der Regel nicht aus.
Aus diesem Grund enthält
eine solche Energieerzeugungseinheit einen Zusatz-/Spitzenbrenner,
dessen einzige Aufgabe ist, die thermischen Spitzen abzudecken.
Ferner kann der erzeugte elektrische Strom ergänzend zu Heizzwecken verwendet werden,
soweit er nicht in ein lokales elektrisches Verteilungsnetz eingespeist
wird.
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In Wärmebedarfsspitzenzeiten im
Winter kann es daher notwendig werden, zusätzliche Wärmeenergie zu erzeugen. In Übergangszeiten
wird jedoch nur wenig Wärme
benötigt
und demgemäss lässt sich
dann auch nur eine geringe Menge an elektrischer Energie gewinnen.
In Zeiten, in denen keine Wärme
im Haushalt benötigt wird,
wird bei solchen wärmegeführten Anlagen
auch keine elektrische Energie erzeugt.
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Um höhere Flexibilität in die
Fahrweise zu bekommen und um dabei jegliche Verschwendung von Wärme zu vermeiden,
werden solche wärmegeführte Energieerzeugungseinheiten
unter Einsatz einer Wärmespeicherungseinheit
betrieben. Zum Beispiel kann man im Sommer den Wärmespeicher jeweils zu jener
Tageszeit füllen,
um Brauchwasser für Duschen
etc, zu bereiten, in der die Beschaffungspreise/-kosten für Strom
aus der Sicht des die Energieerzeugungseinheit betreibenden Energieunternehmens
am größten sind.
Oder, wenn im Winter Tageszeiten mit extremen Strombeschaffungspreisen auftreten,
kann man die Einheit genau zu jenen Tageszeiten fahren, unabhängig davon
ob gerade ein Wärmebedarf
besteht. In beiden Fällen
ist es somit notwendig, dass das die Einheit betreibende Energieunternehmen
die Einheit gezielt ansteuert und über ein Kommandosignal zu gegebener
Zeit ein- und dann wieder ausschaltet. In diesem Zusammenhang ist
die Kenntnis des Betriebszustandes der Wärmespeicherungseinheit von
entscheidender Bedeutung.
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Die Steuerung und Überwachung
derartiger Energieerzeugungseinheiten ist relativ aufwendig. Unabhängig davon,
ob der Energieumwandler einer solchen Einheit ein Motor oder eine
Brennstoffzelle ist, so ist die Einheit eine komplexe Strom erzeugende
technische Einrichtung, die während
Ihrer Betriebszeiten kontinuierlich überwacht werden muss. Dies
erfordert, dass das die Einheit betreibende Energieunternehmen ständig Zugriff
auf kritische Betriebsparameter hat, und dass im Falle von Störungen eine
Ferndiagnose durchgeführt
werden kann.
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Zum einen ist ein mechanische Teile
enthaltender Motor gegenüber
nicht mechanisch betriebenen Geräten
relativ anfällig.
Dies erfordert eine stetige Überwachung
des Zustands des Motors, der Betriebsparameter, wie Laufzeit, Wirkungsgrad,
Brennstoffverbrauch und ähnliches.
Sofern die gelieferte Brennstoffsorte oder Brennstoffart sich ändert, ist eine
Anpassung des Motors an den . veränderten Brennstoff wünschenswert.
Des weiteren ist es aufgrund der Anbindung an ein lokales Verteilungsnetz notwendig,
sowohl die Menge des an dieses Netz abgegebenen Stromes als auch
die Menge des aus dem Netz bezogenen Stromes zu erfassen. Dies ist aus
zwei Gründen
notwendig: Erstens kann ohne diese Daten keine Abrechnung stattfinden
und zum zweiten muss der Betreiber des lokalen Verteilungsnetzes
zu jeder Zeit wissen, wie viel Strom in sein Netz eingespeist wird.
Man kann sich leicht vorstellen, dass wenn eine sehr große Anzahl
von solchen Energieerzeugungseinheiten kleiner Leistung an ein lokales
Verteilungsnetz angeschlossen ist, die Menge des eingespeisten Stromes
dennoch recht groß werden
kann, und somit von großer
Bedeutung in Bezug auf den Netzbetrieb ist.
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Die Erfassung und Überwachung
der betriebsrelevanten Daten kann zwar vor Ort durchgeführt werden,
jedoch erfordert dies sehr hohen manuellen Aufwand und ist wirtschaftlich
prohibitiv. Es ist daher notwendig, die Steuerung und Überwachung einer
derartigen Energieerzeugungsanlage zentral für alle Einheiten eines Anlagennetzwerks
durchzuführen.
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Zu diesem Zweck ist jede Energieerzeugungseinheit
des Anlagennetzwerks über
eine Kommunikationsschnittstelle und eine Zweiwegeverbindung mit
einer dem Netzwerk zugeordneten zentralen Datenverarbeitungseinheit
verbindbar. Über
die Zweiwegeverbindung können
Betriebsdaten der einzelnen Energieerzeugungseinheiten an die Datenverarbeitungseinheit,
und umgekehrt Betriebskommandos, übertragen werden.
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1 illustriert,
dass ein Energieunternehmen der zentrale und alleinige Betreiber
eines Anlagennetzwerks ist, welches in drei Teilnetze unterteilt ist.
Die zum Betrieb des Anlagennetzwerks notwendige zentrale Datenverarbeitungsanlage
ist in dem Energieunternehmen 7 untergebracht. Die einzelnen Energieerzeugungseinheiten
des Anlagennetzwerks, die jeweils einem der Teilnetze 1, 2 und 3 zugeordnet sind,
sind alle – mittel-
oder unmittelbar – mit
der zentralen Datenverarbeitungsanlage verbunden.
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Die zentrale Datenverarbeitungsanlage
kann sämtliche
Steuerungs- und Überwachungsmaßnahmen
durchführen,
die notwendig sind, den Betrieb der einzelnen Energieerzeugungseinheiten
zu überwachen,
zu steuern, zu optimieren und zu warten. Der Betrieb der einzelnen
Energieerzeugungseinheiten kann bis zu einem gewissen Grade vollautomatisch
sichergestellt werden. Dies gilt insbesondere für das wärmegeführte, tägliche Betriebsmuster, das vom
Hausbesitzer wie bei einem Kessel eingestellt wird und als „Fahrplan" für den „selbständigen" Betrieb der Energieerzeugungseinheit
gilt. Eingriffe in den Betrieb der Einheiten seitens des zentralen
Betreibers des Anlagennetzwerks werden vor allem zur Optimierung
der stromseitigen Verhältnisse
sowie zur Handhabung von störungs-,
wartungs- und sicherheitsbezogenen Verhältnissen stattfinden. Beispielsweise
kann die zentrale Datenverarbeitungsanlage entsprechend den zu erwartenden
Wetterverhältnissen
in einem Gebiet, z. B. bei der Gefahr von Nachtfrösten, die
Energieerzeugungseinheiten automatisch einschalten oder höher schalten,
um den benötigten
Wärmebedarf
frühzeitig
sicherzustellen. Die Überwachung
der erzeugten elektrischen Energie dient einerseits Abrechnungszwecken
entsprechend vorgegebenen oder gewählten Verbrauchsprofilen des
Nutzers und andererseits der Steuerung des Gesamtnetzes in Bezug
auf die nicht durch die dargestellten Energieerzeugungseinheiten
erzeugte elektrische Energie, die den Haushalten über das
Versorgungsnetz aus zentralen Kraftwerken zuzuführen ist.
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2 illustriert,
wie die einzelnen Energieerzeugungseinheiten eines Anlagennetzwerks
mit der zentralen Datenverarbeitungsanlage verbunden sind. Die Energieerzeugungseinheiten 9, 10, 11 und 12 des
Anlagennetzwerks 8 enthalten Steuer- und Überwachungsmodule 9a, 10a, 11a und 12a,
die mit dem übergeordnetem
Softwaresystem 18 über
die Zweiwegeverbindungen 13, 14 15 und 16 verbunden sind.
Das übergeordnete
Softwaresystem 18 ist speziell dem Betrieb und der Steuerung
des Anlagennetzwerks zugeordnet und hat keine andere Aufgaben. Es
ist auf der zentralen Datenverarbeitungsanlage 17 des Energieunternehmens
installiert und hat ein zentrales Interface zu einem ERP-System 19 (Enterprise
Resource Planning) des Energieunternehmens. Bei den Zweiwegeverbindungen
zwischen dem übergeordnetem
Softwaresystem und den Steuer- und Überwachungsmodulen kann es
sich um drahtgebundene Verbindungen, beispielsweise Telefonleitungen
oder Internetverbindungen handeln, es können jedoch auch drahtlose
Verbindungen verwendet werden, wobei bevorzugt ist, bereits vorhandene
Infrastrukturen des Mobilfunks auch für diese Zwecke zu verwenden.
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Der Zentralrechner enthält mehrere
Softwaremodule, insbesondere das übergeordnete Softwaresystem 18 und
das ein Verwaltungsmodul 19 (ERP-System). Das System 18 dient
der Erfassung, Steuerung und Überwachung
der einzelnen Energieerzeugungseinheiten, während das ERP-Verwaltungsmodul 19 eine
Steuerung und Überwachung des
Gesamtnetzes, auch in kaufmännischer
Hinsicht, ermöglicht.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des übergeordneten
Softwaresystems 18 zum Betrieb und zur Steuerung des Anlagennetzwerks 8.
Es ist eine zentrale Software-Plattform 21 vorgesehen,
die eine Reihe von einzelnen Modulen unterstützt. Beispielsweise unterstützt die
Plattform Verwaltungsmodule 23, wie Datenbanken, Kundenprofile
und Abrechnungssysteme. Die Steuermodule 24 betreffen die Überwachung,
die Steuerung, die Fehlerdiagnose und Wartung der einzelnen angeschlossenen
Energieerzeugungseinheiten. Die Betriebsmodule 26 dienen
der Gesamtsteuerung des -Anlagennetzwerks, der Planung von Betriebseingriffen,
Messung und Handel des „überschüssigen" Stroms, Bereitstellung
von Betriebsinformationen für
die Betreiber der lokalen Stromverteilungsnetze innerhalb denen
sich die einzelnen Energieerzeugungseinheiten befinden und ähnliches.
Die Plattform 21 unterstützt über ein Interface 25 eine
Anbindung an das ERP-System des Energieunternehmens. Über das
Interface 22 ist die Plattform mit den häuslichen
Energieerzeugungseinheiten unter Verwendung der Zweiwegeverbindungen 20 verbunden.
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Neben den dargestellten Modulen können weitere
Module je nach Erfordernis eingesetzt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
ist vorgesehen, das Anlagennetzwerk in Teilnetze zu unterteilen,
die jeweils eine Teilnetzdatenverarbeitungsanlage aufweisen, die
die Erfassung Steuerung, Wartung, etc. der dem Teilnetz zugeordneten
Energieerzeugungseinheiten übernehmen.
Damit lässt
sich eine distribuierte Struktur der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen
erreichen, welches einerseits die Absicherung des Gesamtnetzwerks
gegen Störungen
an einzelnen Stellen des Netzwerks ermöglicht und andererseits die
den Energieerzeugungseinheiten unmittelbar zugeordneten Steuerungs-
und Wartungsaufgaben in die Nähe
der Energieerzeugungseinheiten bringt und damit die zentrale Datenverarbeitungsanlage
entlastet.
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- 1
- Teilnetz
- 2
- Teilnetz
- 3
- Teilnetz
- 4
- Haus
- 5
- Haus
- 6
- Haus
- 7
- Energieunternehmen
mit zentraler Datenverarbeitungseinheit
- 8
- Anlagennetzwerk
- 9–12
- Energieerzeugungseinheiten
- 9a–12a
- Steuer-
und Überwachungsmodule
- 13–16
- Zweiwegeverbindung
- 17
- Zentrale
Datenverarbeitungsanlage
- 18
- Übergeordnetes
Softwaresystem zum Betrieb des Anlagennetzwerks
- 19
- ERP-System
des Energieunternehmens
- 20
- Zweiwegeverbindung
- 21
- Plattform
- 22
- Interface
- 23
- Verwaltungsmodule
- 24
- Steuermodule
- 25
- Interface
- 26
- Betriebsmodule