DE19535752A1 - Steuerverfahren und Anordnung für ein unabhängiges Energieversorgungssystem - Google Patents

Steuerverfahren und Anordnung für ein unabhängiges Energieversorgungssystem

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf unabhängige Versorgungsysteme für thermische und elektrische Energie. Eine Anwendung ist die Versorgung von Gebäuden mit Heizung, Warmwasser und Elektrizität. Das System ist zur autarken Energieversorgung von Einzelanlagen oder Komplexen geeignet.
Stand der Technik
Die Energieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen erfolgt zumeist mittels getrennter Systeme. So wird die Elektroenergie überwiegend aus dem öffentlichen Netz bezogen, während die Wärme aus einem Fernwärmenetz bzw. häufiger durch eigens installierte Verbrennungsanlagen erfolgt, dabei ist die Brennstoffausnutzung unterschiedlich. So werden zur Stromerzeugung in Großkraftwerken nur ca. 35% der Brennstoffenergie in Elektrizität umgewandelt. Modernere Kondensationskraftwerke erreichen um 40% und GUD-Anlagen über 50%. Bei der Wärmeerzeugung können, von der Brennwerttechnik abgesehen, Jahresnutzungsgrade von mehr als 80% erreicht werden.
Es sind verschiedene Verfahren wie Brennstoffzellen, magnethydrodynamische Generatoren usw. bekannt, die mehr als 60% der eingesetzten Energie in Gleichstrom umwandeln. Die praktische Anwendung ist aber bisher begrenzt.
Die Nutzung der regenerativen Energieerzeugung auf der Basis von Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft u. a. nimmt aufgrund von technisch besseren Lösungen zu. Obwohl hier Insellösungen bekannt sind und die Einzelkomponenten zum Stand der Technik gehören, wird vorwiegend versucht, überschüssige Energie in das öffentliche Netz zu speisen und die nötigen Reserveleistungen (Netz oder Ersatzaggregate) bereitzustellen. Die Wirtschaftlichkeit derartiger Konzepte wird insbesondere von den Einspeisevergütungen bestimmt, die zwar gesetzlich geregelt sind, aber deutlich unter den Bezugspreisen liegen. Um ein Blockheizkraftwerk wirtschaftlich zu betreiben, muß dessen elektrische Leistung am Wärmegrundlastbedarf orientiert werden. Andernfalls kommt es in der Regel zu einem Wärmeüberschuß.
Das Verhältnis elektrischer Energie zu thermischer Energie liegt bei Motorenblock­ heizkraftanlagen etwa bei 1:3, bei einer Gesamtenergieausnutzung von ca. 80%.
Die gattungsgemäßen Lösungen der Erfindung bestehen in der Anwendung der Kraft- Wärmekopplung bzw. der abwärmebehafteten Stromerzeugung bei Nutzung der thermischen und elektrischen Energie unter Verwendung von thermischen und elektrischen Speichern. Die Einzelkomponenten sind bekannt. Bekannt ist auch die Verwendung regenerativer Energiequellen, wobei Wind- und Solarenergie als additve Energiequellen gelten. In der Literatur sind auch verschiedene sogenannte Hybridsysteme beschrieben. Der Energieverbrauch und die Bereitstellung von Wind und Solarenergie unterliegen jahreszeitlichen Schwankungen, haben verschiedene Tagesganglinien und sind von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Die Energieversorgung und -produktion unterliegt dem Kriterium, sowohl eine bestimmte Arbeit (kWh) als auch die benötigte Leistung (kW) bereitzustellen. Damit besteht die Möglichkeit einer gesicherten Versorgung bisher in einer gewissen Überdimensionierung der Erzeugeranlagen (Ausrichtung auf die max. Leistung) und der Bereitstellung von Ersatzkapazitäten oder Speicherkapazitäten bzw. der Netzeinbindung. Bei der Verwendung regenerativer Energien entsteht oftmals Gleichstrom (z. B. Photovoltaik, thermoelektrische Effekte, magnethydrodynamische Effekte ) der in Wechselstrom für die Verbraucher oder Netzeinbindung umgewandelt werden muß.
In der DE OS 4102636 ist eine Hausenergieversorgung mit Kraft-Wärmekopplung beschrieben. Der Motorgenerator ist auf den maximalen Bedarf ausgelegt und produziert dabei teilweise ungenutzte Energie, da die Differenzen einerseits durch Kühlung und Ableitung bzw. durch eine elektrische Zusatzheizung ausgeglichen werden. Für den Batterieblock ist eine Gleichrichterschaltung vorgesehen, während ein Wechselrichter die gespeicherte Elektroenergie wieder in das Netz führt. Im Generatorbetrieb wird direkt auf das Netz gefahren.
In der DE OS 4232416 ist ein autonomes Energieversorgungssystem beschrieben, welches die Abwärme nicht nutzt. Die Solar- und Windenergieanlagen sind so dimensioniert, daß die Energie für den Durchschnittsbedarf ausreicht. Spitzenleistungen werden aus der Batterie entnommen, bei deren Erschöpfung sich ein Motorgenerator einschaltet. Dieses Konzept benötigt mehrere Stromwandler und der Motor ist ebenfalls auf den Spitzenbedarf ausgelegt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, den gerätetechnischen Aufwand zu senken, mehrfache Energieumwandlungen einzuschränken und durch eine optimale Anpassung von Erzeugung, Speicherung und Verbrauch sowie Komponentenoptimierung den Primärenergieverbrauch und Anlagenaufwand zu senken, wobei die thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten der Wärme- Kraftkopplung berücksichtigt werden sollen.
Lösung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 6 gelöst.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sowohl die Energiezeugung mit regenerativer Energie, als auch der Verbrauch in Leistung (kW) und Arbeit (kWh) typischen Tages- und Jahresschwankungen unterliegen. Der jährliche Strombedarf eines Haushaltes beträgt z. B. ca. 3.200 kWh, so daß sich bei 8760 Jahresstunden eine Durchschnittsleistung von nur ca. 0,34 kW ergeben würde. Die Gebäudeheizung wird auf eine maximale Außentemperatur ausgelegt (je nach Region bis zu -15°C, DIN 4701), die auch in den Wintermonaten relativ selten erreicht wird.
Weiterhin haben die Verbrauchsspitzen nur einen relativ kleinen Anteil am Gesamtverbrauch, die sich auf bestimmte Zeiten konzentrieren und teilweise vermeidbar sind.
Davon ausgehend wird der Motorgenerator nach Führungsgrößen, mit Vorlauf und Mindestlaufzeiten unter Berücksichtigung der anderen Systemkomponenten und Ganglinien gesteuert, womit längere Einzeitschalten und eine kleinere Dimensionierung möglich wird.
Die Führungsgrößen enthalten die voraussichtlichen und berücksichtigen die aktuellen Systemwerte. Mit einem Wärme- und Elektroenergiespeicher wird die Strom- und Wärmeerzeugung des Motorgenerators teilweise entkoppelt und somit kaum überflüssige spezifische Energie erzeugt. Der Energieverbrauch, die Speicherladezustände und potentielle Energieerträge der additiven Energiequellen sowie zu erwartende Bedarfswünsche beeinflussen die Systemsteuerung ebenfalls.
Die Energieerzeugung und überwiegende Nutzung von Gleichstrom vereinfacht den technischen Aufwand weiter, da der Strom nicht mehrfach umgewandelt werden muß. Die Komponenten werden in Modulen oder Paketen gefertigt, so daß eine einfache Installation und hohe Flexibilität gewährleistet ist.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel erläutert werden.
Fig. 1 zeigt das Schema der Energieversorgungsanlage eines Hauses
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der vorgeschlagenen Energieversorgung.
Fig. 1 enthält die Installation für ein durchschnittliches Einfamilienhaus. Anstelle von Heizkesseln wird eine Kraftmaschine (z. B. Motor) oder ein vergleichbarer abwärmeproduzierender Elektroenergieerzeuger verwendet.
Es ist hier ein Motorengenerator (BHKW) mit einem Arbeitsvermögen von 3 kW elektrisch und 6 kW thermisch angeordnet. Eine Windkraftanlage mit 2. . .4 kW und ein Photovoltaikfeld mit 1. . .1,5 kW ergänzen die Stromerzeugung. Alle Stromerzeuger und Speicher sind auf 48 V Gleichstrom ausgelegt. Für den Sommerbetrieb ist weiterhin ein Solarwärmekollektor installiert, der die Warmwasserbereitung übernimmt. Das BHKW übernimmt im Sommer und der Übergangzeit eine ergänzende Funktion für die Photovoltaik- und Windkraftanlage sowie Solarwärmekollektor zur Leistungsbedarfssicherung. Im Winter arbeitet dieses System als Hauptträger für Heizung, Warmwasserbereitung und Stromerzeugung. Da sich die Haufigkeitsverteilung des Windenergieaufkommens auf die kältere Jahreszeit konzentriert, kann die Kleinwindkraftanlage als wertvolle Ergänzung dienen. Überschüssige Energien werden in hinreichend, nicht zu großen thermischen und elektrischen Speichern gepuffert. Die Versorgung erfolgt überwiegend aus den Speichern, welche gleichzeitig die nötigen Spitzenleistungen decken.
Die gesamte Anlage ist mit einer sich selbst optimierenden Steuerung verbunden. Zwischen Erzeugung, Speicherung und Verbrauch der thermischen und elektrischen Energien erfolgt eine steuerseitige Rückkopplung.
Grundlage sind die gespeicherten Ganglinien der Tage eines Jahres für die Energieerzeugung und -verbrauch. Diese werden in Abhängigkeit von der speziellen Anlage vorgegeben und eigenständig durch Messungen korrigiert. Weiterhin wird die aktuelle Energieerzeugung, -speicherung und -verbrauch der einzelnen Objekte laufend gemessen. Der Controller der Steuereinheit berechnet aus diesen Werten die voraussichtliche Bilanz (Erzeugung & Verbrauch) und schaltet den Motorgenerator mit dem erforderlichen zeitlichen Vorlauf.
Dem Steuerungssystem ist außerdem eine Logik und ein Speichervermögen implementiert, die es gestatten, Entscheidungen zu treffen, Vorschläge zu unterbreiten und die Funktionen der Einzelsysteme wie,
  • - Speicherbeladung, -entladung und -erhaltungsladung (thermisch und elektrisch),
  • - Mindestlaufzeiten der steuerbaren Erzeugereinheit (Motor, Brennstoffzelle o. ä.),
  • - Anpassung der Gleichspannungsquellen auf Lade-, Entlade- und Erhaltungsschaltung,
  • - Schutzfunktionen z. B. Tiefentladung oder Überladung der Akkumulatoren, Überhitzung ect.,
  • - thermische und/oder elektrische Leistungsabforderungen, und andere Aspekte, zu berücksichtigen.
So führt z. B. eine kurzfristig erhöhte elektrische Leistungsspitze um 22.30 Uhr bei einem Akkuladezustand von 70% und laufender Windkraftanlage nicht zwangsläufig dazu das BHKW anzufahren. Zusätzlich kann die Steuerung u. a. einen Leistungsverbraucher z. B. Waschmaschine oder Elektroherd kurzzeitig abschalten. Damit wird auch das Schalten zu hoher Ströme im Gleichstromnetz vermieden, wie nachfolgende Werte zeigen. Bei 6 kW und 220 V Wechselspannung beträgt die Stromstärke ca. 27 A, was im Gleichstromteil mit 48 V einer Stromstärke von 125 A entspricht.
Die Anlage besteht aus handelsüblichen Baugruppen, so daß diese den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden kann. Die Werte für die Steuerung sind jeweils individuell zu ermitteln, wobei sich Standardgrößen für die Einsatzfälle ergeben können.
Für die Reduzierung der CO₂-Emission können Motoren verwendet werden, die flüssige oder gasförmige Brennstoffe (z. B. Rapsöl) aus nachwachsenden Rohstoffen verwenden. Für die Anpassung des Wärme- und Elektrobedarfs kann es sinnvoll sein, zusätzliche Wärmequellen (z. B. Ofen) zu installieren oder über den Speicher (z. B. Kessel) anzuschließen. Im umgekehrten Fall kann bei geringerem Elektrobedarf der Strom auch für Heizung oder Warmwasserbereitung eingesetzt werden.
Das vorgeschlagene System ist sehr variabel und läßt sich in bestehende Anlagen integrieren oder installieren, wobei auch eine Modulbauweise in beliebiger Kombination möglich ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines unabhängigen Energieversorgungssystems mit Kraft- Wärmekopplung, wobei der Motorgenerator vom Verbraucher und/oder den Speichern gesteuert wird, und einzelne Verbraucher zeitweise abgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganglinien für den Verbrauch und die Erzeugung hinsichtlich ihres Verhältnisses bezüglich thermischer und elektrischer Energie, in Abhängigkeit von der Jahreszeit, und Ganglinie gespeichert, bewertet und als Führungsgröße einzelner Systemkomponenten verwendet werden, wobei die erfaßten aktuellen Systemgrößen diese Führungsgröße korrigieren.
2. Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfordernisse der Einzelkomponenten, wie Lade- und Entladevorgänge der Energiespeicher, Motorgeneratormindestlaufzeiten, und die vorrangige Nutzung additiver Energiequellen (Wind, Solar) weitere Führungsgrößen sind.
3. Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motorgenerator eine Mindestlaufzeit vorgegeben ist und der entsprechend den Ganglinien zu erwartende Energieverbrauch abzüglich der zu erwartenden additiven Energieerzeugung und vorhandenen Energiespeicherung Beginn und Ende der Lautzeit bestimmt, wobei die aktuelle additive Energieerzeugung die Laufzeit entsprechend verlängert oder verkürzt.
4. Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorgenerator in einem Zeitabstand vor dem zu erwartenden Tagesspitzenwerten eingeschaltet wird, der zum Aufladen der Energiespeicher zur annähernden Deckung des zu erwartende Tagesspitzenverbrauchs einschließlich des laufenden Motorgenerators ausreicht.
5. Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei aktueller Überschreitung des Verbrauches gegenüber der Energieerzeugung und Speicherung Verbraucher in definierte Reihenfolge abgeschaltet werden, oder dem Nutzer des Systems energetische Handlungsvorschläge unterbreitet werden, wobei die Steuerung die Gebrauchsgewohnheiten (Häufigkeitsverteilung) des Nutzers und zu erwartenden Erträge der gekoppelten Erzeugereinheiten verifiziert.
6. Anordnung eines unabhängigen Energieversorgungssystems zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Kraft-Wärmekopplung, bestehend aus Erzeugereinheiten wie Motorgenerator mit Abwärmetauscher, Photovoltaikfeld, Windstromerzeuger, Solarwärmekollektor u. ä., mit diesen verbundene Energiespeicher und Verbrauchereinheiten von Strom und Wärme und eine Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Stromerzeuger als Gleichstromerzeuger über eine Gleichstromkupplungs- und -reglerschaltung unmittelbar mit einem Gleichstromnetz verbunden sind,
und der Stromspeicher und Wechselrichter für die Verbraucher, und/oder die Verbraucher direkt ebenfalls mit diesem Gleichstromnetz verbunden sind,
weiterhin der Abwärmetauscher des Motorgenerators über einen Wärmespeicher mit dem Heizungssystem gekoppelt ist,
und eine Steuereinheit an der Eingabeseite mit den Stromerzeugern, Hauptenergieverbrauchern, Energiespeichern und Datenspeicher über Ganglinien für Verbrauch und Erzeugung
und an der Ausgangsseite mit dem Motorgenerator und den Hauptverbrauchern verbunden ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Stromerzeugung und -speicherung für eine Niedergleichspannung bis 48 V ausgelegt sind, und Stromverbraucher teilweise oder vollständig ebenfalls für eine Gleichspannung bis 48 V ausgelegt sind oder sich spannungs- und/oder stromseitig kombinieren lassen.
8. Anordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schalteinrichtungen zur Abschaltung großer Stromverbraucher vor Schaltungen im Netz angeordnet sind, um hohe Schaltströme im Niedergleichstromteil zu vermeiden.
9. Anordnung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Objekten mit einem großen thermischen Energiebedarf zusätzlich eine Wärmepumpe angeordnet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichspannungsteil mit einem gemeinsamen Masseanschluß oder -rahmen (Blockbauweise) gearbeitet wird, was den Verkabelungsaufwand verringert.
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