EP2777117A2 - Verfahren zur bereitstellung von regelleistung für ein elektrische energieversorgungsnetz - Google Patents

Verfahren zur bereitstellung von regelleistung für ein elektrische energieversorgungsnetz

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Publication number
EP2777117A2
EP2777117A2 EP12781066.1A EP12781066A EP2777117A2 EP 2777117 A2 EP2777117 A2 EP 2777117A2 EP 12781066 A EP12781066 A EP 12781066A EP 2777117 A2 EP2777117 A2 EP 2777117A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power
energy
consumer
generator
energy store
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12781066.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Markowz
Carsten Kolligs
Wolfgang SCHWEISSTHAL
Wolfgang Deis
Holger BREZSKI
Michael Igel
Anna FLEMMING
Dennis GAMRAD
Sébastien COCHET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Steag Power Saar GmbH
Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Evonik Degussa GmbH
Evonik Industries AG
Steag Power Saar GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Degussa GmbH, Evonik Industries AG, Steag Power Saar GmbH filed Critical Evonik Degussa GmbH
Publication of EP2777117A2 publication Critical patent/EP2777117A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy

Definitions

  • the invention relates to a method for providing control power for a power grid in which a power generator connected to the power grid supplies power to the power grid as needed or a power consumer connected to the power grid receives power from the power grid as needed.
  • the invention also relates to a device for carrying out such a method.
  • Electricity grids are used to distribute electricity from many energy generators in large areas to many users and to supply households and industry with energy. Energy producers mostly in the form of power plants provide the required energy. As a rule, power generation is planned and provided based on the forecasted consumption.
  • Both the generation and the consumption of energy can lead to unplanned fluctuations. These can arise on the energy producer side, for example, in that a power plant or part of the power grid fails or, for example, in the case of renewable energies such as wind, that the energy production is higher than predicted. Consumers may also experience unexpectedly high or low consumption. For example, the failure of a portion of the grid, which cuts off some consumers from the power supply, can lead to a sudden reduction in power consumption.
  • the desired AC frequency is, for example, in Europe 50,000 Hz. This frequency is often referred to as the desired frequency.
  • a reduction in consumption compared to the plan results in an increase in the frequency of planned power generation by the energy producers, as well as an increase in electricity production compared to the planned consumption plan.
  • a reduction in power compared with the energy producers' plan results in a reduction of the network frequency at scheduled consumption, as well as an increase in consumption compared to the planned production plan. For reasons of network stability, it is necessary to keep these deviations within a defined range.
  • secondary control power SRL
  • minute reserve power MRL
  • SRL minute reserve power
  • hydro pumped storage plants to provide control power is state of the art. In Europe, the various types of control are provided by pumped storage. However, hydropumps are also often referred to as the most economical renewable energy storage and retrieval technology today to better match energy supply and demand over time. The potential for expanding storage capacity - especially in Norway - is a matter of controversy, as significant capacity in power lines needs to be approved and installed for use. Consequently, the use for the energy management of load management is in competition with the provision of control power.
  • an energy management system which comprises a power generator and an energy store, wherein the energy store can be charged by the power generator.
  • This is intended to enable an energy producer, who in normal operation does not guarantee uniform energy production, such as the increasingly favored renewable energies, such as wind power or photovoltaic power plants, to distribute their energy more evenly into the power grid.
  • uniform energy production such as the increasingly favored renewable energies, such as wind power or photovoltaic power plants.
  • the disadvantage of this is that in this way a single power plant can be stabilized, but all other disturbances and fluctuations in the power network can not be intercepted or only to a very limited extent.
  • DE 10 2008 046 747 A1 also proposes operating an energy store in an island power grid in such a way that the energy store is used to compensate for consumption peaks and consumption minima.
  • the disadvantage hereof is that the energy stores do not have the necessary capacity to compensate for a longer disturbance or a plurality of disturbances rectified with respect to the frequency deviation one after the other.
  • the price for the provision of control power depends largely on how quickly the control power can be provided after a request, that is, after a frequency deviation outside the tolerance.
  • PRL Primary control power
  • SRL secondary control power
  • the stabilization of electricity grids is achieved by technologies that are assigned to different classes in terms of overall capacity and service delivery dynamics.
  • the UCTE is divided into primary control power (PRL), secondary control power (SRL) and minute reserve (MR).
  • PRL primary control power
  • SRL secondary control power
  • MR minute reserve
  • the prequalifiable secondary control power results from the power change activated and measured within 5 minutes (each control direction)
  • a short-term overshoot of a maximum of 10% above the secondary control power setpoint is permitted. In any case, a short-term overshoot up to 5 MW is permissible.
  • the compensation for the secondary control power provision consists of a performance fee for the provision of the secondary control power and a remuneration for the actual energy provided in the context of the secondary control power provision.
  • power generators or energy consumers are often not operated at full load and operated only when needed at a higher power, which is at the expense of the efficiency of the power plant or the consumer.
  • only a small proportion of the maximum producible power of the power plant or the consumer can be prequalified as rated power.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art.
  • a possibility should be found to provide control power with efficient energy yield of the control power suppliers.
  • the maximum possible output of the control power supplier should be usable.
  • energy should not be given away to the grid operator unnecessarily or be sourced from the grid.
  • the fastest possible provision of control power should be possible.
  • a further object of the invention is to be seen in that, in particular when using galvanic elements, such as accumulators, the capacity of the energy store should be as low as possible in order to provide the required control power.
  • a power generator and / or an energy consumer is operated together with an energy storage connected to the power supply to provide the control power and the energy storage at least partially absorbs and / or releases an overshoot energy, wherein the overshoot energy is generated in the overshoot of the power of the power generator beyond the rated power and / or is consumed in the overshoot of the power of the energy consumer over the rated power addition.
  • nominal power is to be understood as the power with which the control power source, which is operated by a method according to the invention, is prequalified.
  • control power is delivered to the power grid (positive control power) or taken from the mains (negative control power).
  • the advantage of methods according to the invention is to be seen in particular in the fact that it is possible with the energy store to provide a higher prequalifiable nominal power as a control power source.
  • the appropriate state of charge is given when the energy storage is combined only with a power generator, that this has sufficient free charge capacity to absorb the overshoot of the power generator at the previous maximum power increase, or when the energy storage is combined with an energy consumer that this is sufficiently charged, to give the energy for the overshoot of the energy consumer at previous maximum power increase.
  • the appropriate state of charge is approximately half charged when the energy storage is combined with a power generator and an energy consumer.
  • the state of charge corresponds, in particular in the case of accumulators as an energy store, to the state of charge (English: “State-of-charge”, SoC) or the energy content ("State-of-energy”, SoE).
  • SoC state of charge
  • SoE energy content
  • state of charge and state of charge are to be regarded as equivalent according to the invention.
  • the inventive method ensures that the wishes of the customer, that is, the grid operator can be met for a predictable and defined control power and no regulatory oscillations are generated in the power grid.
  • the energy storage receives at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75% of the overshoot energy and / or releases.
  • control power source can be prequalified for a higher rated power
  • stored energy can be used.
  • the energy storage emits from a first time at least the difference of the power provided by the power generator to a rated power to the power grid or absorbs the power consumed by the consumer power to a rated power from the mains and Energy storage provides at least this difference between the rated power and the power supplied by the power generator or the power consumed by the power consumer, until the power of the power generator or the energy consumer reaches the rated power at a second time.
  • the time until which the rated power is provided can be further shortened.
  • a secondary control power source or a minute reserve can be converted to a primary control power source or a minute reserve to a secondary control power source. As a result, higher revenues can be achieved.
  • the capacity of the energy storage is chosen at least so large that the energy can be stored in the energy storage, for bridging the rated power to be provided from the first time to reach the rated power by the power generator and / or the energy consumer to the second Time is needed.
  • Tuning the capacity of the energy storage device on the performance (the maximum power increase) of the energy producer or the energy consumer has the advantage that the energy storage device can be as small as possible and thus dimensioned and constructed inexpensively.
  • the energy store absorbs energy from the energy generator at a third time, while the power of the energy generator is reduced and / or the energy store provides energy for the energy consumer from the third time, while the power of the energy consumer is reduced becomes.
  • a flywheel, a heat accumulator, a hydrogen generator and storage with fuel cell, a natural gas generator with gas power plant, a pumped storage power plant, a compressed air storage power plant, a superconducting magnetic energy storage, a redox flow element and / or a galvanic element is used, preferably an accumulator and / or a battery storage power plant, more preferably a lithium-ion battery.
  • the heat storage must be operated together with a device for producing electricity from the stored thermal energy.
  • accumulators are particularly suitable for methods according to the invention because of their rapid reaction time, that is, the rate at which the power can be increased or reduced.
  • the accumulators include in particular lead-acid batteries, sodium-nickel-chloride accumulators, sodium-sulfur accumulators, nickel-iron accumulators, nickel-cadmium accumulators, nickel-metal hydride accumulators, nickel-hydrogen accumulators, nickel-zinc accumulators, tin Sulfur Lithium Ion Accumulators, Sodium Ion Accumulators and Potassium Ion Accumulators.
  • accumulators are preferred, which have a high efficiency and a high operational and calendar life.
  • the energy store has a capacity of at least 4 kWh, preferably of at least 10 kWh, particularly preferably at least 50 kWh, very particularly preferably at least 250 kWh.
  • the capacity of electrochemical energy storage can be at least 40 Ah, preferably about 100 Ah.
  • this memory can advantageously be operated with a voltage of at least 1 V, preferably at least 10 V and particularly preferably at least 100 V.
  • the energy storage consists of a pool of several energy storage.
  • the various energy storage can also be arranged at different locations of the power grid.
  • the energy storage may comprise a plurality of rechargeable batteries, for example in electric cars, which are switched as a pool when they are connected to a charging station and thus to the power grid.
  • the power of the energy store over a period of at least 0.5 s before the first time to the first time is increased, preferably over a period of at least 2 s, more preferably over a period of at least 30 s.
  • a power plant is used as the energy generator, preferably a coal-fired power station, gas-fired power plant or a hydroelectric power plant and / or a plant for producing a substance is used as energy consumer, in particular an electrolysis plant or a metal plant, preferably one Aluminum plant or a steel plant.
  • the nominal power of the energy generator together with the energy storage and / or the nominal power of the energy consumer together with the energy storage by the method within 15 minutes, preferably within 5 minutes, more preferably within 30 seconds, to at least 95 % is reached.
  • control power sources operated in such a manner can be used efficiently and with better efficiency as secondary control power sources or even as primary control power sources.
  • a higher nominal power can be prequalified.
  • the ratio of rated power of the energy store to maximum power of the power generator and / or energy consumer may preferably be in the range of 1: 10,000 to 10: 1, more preferably in the range of 1: 1000 to 1: 1.
  • the mains frequency of the power supply network is measured and, given a deviation from a nominal value or a deviation from a tolerance by a nominal value, control power is delivered to the power grid or taken from the power grid and / or at a return of the mains frequency to the setpoint or in the tolerance the control power is reduced.
  • the energy store is charged to at least 50% when reducing the power of the power generator, in particular substantially fully charged and / or the energy storage is discharged at less than 50% in reducing the power of the energy consumer , is essentially completely discharged.
  • the energy storage is operated together with a power generator and an energy consumer and the energy storage in reducing the power of the power generator in about half, preferably between 25% and 75%, more preferably between 40% and 60%, completely is particularly preferably charged between 45% and 55% or the energy storage in reducing the power of the energy consumer about half, preferably between 25% and 75%, more preferably between 40% and 60%, most preferably between 45% and 55% discharged becomes.
  • the appropriate state of charge of the energy storage is at the beginning of a method according to the invention in about 50% when both a power generator, as well as an energy consumer is operated with the energy storage. This is achieved by these measures for the following cycles.
  • the output of the power supply of the power generator or the power absorbed by the power supply of the energy consumer, in particular after the second time, at several times, preferably continuously measured and calculates the difference to the rated power at several times, preferably continuously is adjusted, wherein output or recorded power of the energy storage in response to this difference, preferably any power, the 1 10% of the nominal power, in particular after a time exceeds, received by the energy storage and / or provided and / or at least this difference is set as the power of the energy storage, in particular between the first and second time.
  • the energy generator and / or the energy consumer has or have a maximum power of at least 1 MW, preferably at least 10 MW, particularly preferably at least 100 MW.
  • a portion of the overshoot energy dependent on the state of charge of the energy store is absorbed by the energy store and / or emitted, so that the state of charge of the energy store after a control cycle is as close as possible to a setpoint of the state of charge, preferably the entire overshoot Energy is absorbed by the energy storage when the state of charge of the energy storage is below a first limit and only absorbs the portion of the overshoot energy that is above a tolerance above the rated power when the state of charge is above a second limit.
  • the state of charge can be kept in the desired state of charge due to the tolerances of the network operator. Then less energy needs to be bought from the power grid or less energy needs to be put into the power grid unnecessarily. At the same time, it ensures that the process remains stable over a long period of time, in particular with automatic control of the process.
  • the object of the invention is achieved with respect to a device in that the device comprises a controller, an energy storage and an energy generator and / or an energy consumer, wherein the device is connected to a power grid, the controller with the energy storage and the energy consumer and / or Power generator is connected and controls the generated and / or absorbed control power.
  • each control comprises a control, as in a control, a control in dependence on a difference of an actual value to a desired value takes place.
  • the controller is thus designed as a control, in particular with regard to the state of charge.
  • the controller is a control system.
  • the device comprises a frequency meter for measuring the mains frequency of the power network and a memory, wherein in the memory at least one limit value of the network frequency is stored, wherein the controller is adapted to compare the network frequency with the at least one threshold and depending on the comparison to control the performance of the energy storage and the energy consumer and / or the energy generator.
  • the rated power of the device for providing control power is the power achievable within a certain time. It is also spoken of the prequalifiable performance, since this meets the criteria of the customer, that is the network operator.
  • the invention is based on the surprising finding that the combination of an energy store with at least one conventional control power source makes it possible to improve it in terms of its properties as a control power source.
  • a minute reserve may be converted to a secondary control power source or a secondary control power source into a primary control power source.
  • the energy store is used to pick up unwanted overshoots beyond the agreed nominal output.
  • Battery storage systems are distinguished from conventional technologies for providing primary and / or secondary control functions, inter alia, in that they can change the services provided more quickly, among other things. In most cases, however, is a disadvantage of battery storage that they have a relatively small storage capacity, so can provide the required services only over a limited period.
  • One to solve the Therefore, the key finding is that the above-mentioned restrictions on the example of the European interconnected network of the UCTE are met by suitable pooling of battery storages with conventional SR sources.
  • the energy store is an accumulator or battery store that is used at the same time to provide primary control power.
  • the energy store still has reserves in terms of both the power and the energy in normal operation.
  • the energy taken into the memory in the event of negative SR power can be sold on the spot market if the conditions there are advantageous.
  • a plurality of energy stores are pooled and operated in accordance with the method of the invention.
  • the size of the energy storage within the pool can vary.
  • the various energy stores of a pool in the use of tolerances, in particular the choice of bandwidth in the deadband, the change from one parameter setting to another not synchronously, but deliberately offset in time to minimize any disturbances in the network or at least tolerable.
  • the tolerance with regard to the amount of the control power provided and the tolerance in determining the frequency deviation, etc., is to be understood by the network operator to be certain deviations between an ideal nominal power due to technical conditions, such as the measurement accuracy in determining the control power supplied or the grid frequency and the actual control power actually delivered.
  • the tolerance may be granted by the network operator, but could also comply with a legal requirement.
  • the tolerances used in the various methods vary depending on the time of day, the day of the week or the season. For example, within a period of 5 minutes to 5 minutes after the hour change, tolerances may be more narrowly defined. This is due to the fact that Here often very rapid frequency changes take place. It may be in the interest of transmission system operators that there are lower tolerances and thus the control energy supply is more secure in the sense of sharper.
  • control power that, in particular, more energy is absorbed from the network than is fed in by the energy store. This can be done by providing very much negative control power in accordance with the regulations including the procedure outlined above, whereas according to the regulations including the procedure set out above, preferably only the at least guaranteed power is provided at positive control power.
  • an average of at least 0.1% more energy is withdrawn from the network than is supplied, in particular at least 0.2%, preferably at least 0.5%, more preferably at least 1.0%, especially preferably 5%, these values being based on a Average measured over a period of at least 15 minutes, preferably at least 4 hours, more preferably at least 24 hours and especially preferably at least 7 days, and refer to the energy fed.
  • control power provision set out above can be used to extract a maximum of energy from the network, whereby the maximum possible negative control power is provided, whereas only a minimum of positive control power is provided.
  • the energy thus extracted from the network can be sold via the energy trade described above, preferably at times when the highest possible price is to be achieved.
  • forecasts of the price development based on historical data can be used.
  • Figure 1 is a schematic P-t diagram of a conventional secondary control power source and a conventional pool as a secondary control power source;
  • FIG. 2 shows a schematic P-t diagram of a control power source operated using a method according to the invention and conventional control power sources;
  • FIG. 3 shows a second schematic P-t diagram of a control power source operated with a method according to the invention
  • FIG. 4 shows a flow chart for a method according to the invention.
  • Figure 5 a schematic representation of a device according to the invention for the provision of control power.
  • Figure 1 shows a graph of power (P) versus time (t) of a conventional single secondary control power source (solid line) and a secondary control power source pool (dashed line) comprising a hydroelectric plant and a thermal power plant (e.g., a nuclear power plant).
  • the hydraulic hydropower plant provides a contribution to the balancing power right from the start.
  • the energy added by the hydropower station can be sold and ensures that the pool's response as a secondary control power source to the customer, ie the grid operator, is readily apparent.
  • the performance over the permissible level over the rated power (Psoii) overshoots, moreover, the energy that is provided by such a power is not remunerated.
  • the energy corresponds to the area which lies above the straight line of the nominal power (Psoii) and between this straight line and the curves.
  • a single or multiple energy stores connected in a pool can be used to limit the overshoot by targeted, ie opposite performance.
  • This is schematically outlined in the diagram of Figure 2.
  • the energy store may be used to pick up any excess energy or, in the event, overshoot while providing a negative power Control power enters, deliver.
  • Figure 2 shows how a conventional power generator or energy consumer must be operated to provide control power (lower graph) if it would overshoot at maximum power increase (over 10%) above the prequalified rated power P 2 (upper graph). Although a higher prequalifiable power P 2 could generally be achieved with maximum power increase, such an increase in power can not be offered due to excessively high overshoot.
  • the lower curve shows how much power the conventional power generator or energy consumer can still operate to limit the overshoot to 10% over a lower prequalified rated power Pi. As a result, within the prescribed control period of 5 minutes, only a lower prequalifiable rated power Pi is possible.
  • any excess balancing energy is absorbed or discharged by the energy store, since the energy contributions are not compensated for up to 10% above the prequalified power, or must be paid for.
  • the excess output power of the energy producer in the range of 0% to 10% of the prequalified power is only absorbed by the energy store or the surplus absorbed power of the energy consumer in the range of 0% to 10% of the prequalified power is only given by the energy storage, if the state of charge of the energy storage makes sense sense. If, for example, the energy store is already charged to more than 50% or to two-thirds, it may be useful to absorb the surplus energy of an energy producer only if it provides a power of more than 10% above the prequalified power P 2 . This is done to maintain the state of charge of the energy store in a desired state suitable for the following control cycles.
  • the energy store can absorb any excess energy of the energy producer that is above the prequalified power P 2 .
  • the energy store can provide the energy consumed beyond the rated power. Whether this already happens from reaching the nominal power P 2 or only when reaching 10% above the rated power P 2 , in turn, can be made dependent on the state of charge of the energy storage. If the charge of the energy store is to be reduced more, because the charge of the energy store is, for example, in the range of the maximum charge of the energy store, the energy store will already provide its power as soon as the nominal power P 2 has been reached . If the charge of the energy storage is to be reduced less, because the charge of the energy storage is small, for example, less than half or less than one third of the maximum possible charge of the energy storage is the energy storage only provide its power from reaching 10% above the nominal power P 2 .
  • the energy store which is preferably a rechargeable battery, in this way allows the conventional SR technology to be prequalified with a higher power than if it were operated alone.
  • the overshoot energy E provided or consumed may not be sold to the grid operator since this power can not be sustainably provided. Instead, it is taken up in the energy storage or provided by the energy storage, so that the overshoot energy E can remain with the operator of the control power system, or does not have to be purchased from the power grid.
  • the energy storage can be used to close the difference between power demand (target value) and current service provision and thus to achieve additional operating revenue.
  • target value power demand
  • the decision as to whether this energy is additionally provided could be made dependent on the current working prices or the current state of charge of the battery storage.
  • the solid line A shows the maximum increase in output of a conventional power plant, such as a coal power plant or a gas power plant. After 7 minutes, the power plant reaches its maximum output of 18 MW. However, this is too slow to provide SRL. For example, the provision of SRLs requires that the pre-qualifiable power of an SR power source should be achieved within 5 minutes. As a result, the conventional power plant can only provide a prequalifiable power of 13 MW, or can only be prequalified for a SR power of 13 MW.
  • the conventional power plant is now combined with an accumulator.
  • the accumulator is switched on.
  • the accumulator provides 5 MW of power, which is precisely the difference in power that the conventional power plant provides due to its maximum time gradient after 5 minutes, to the maximum power of the conventional power plant.
  • the device according to the invention namely the combination of a conventional power plant and an accumulator and a controller for implementing such a method according to the invention, is thus able to apply a power of 18 MW after only 5 minutes, ie the maximum power of the conventional power plant.
  • the device for providing SR power can be prequalified to 18 MW.
  • the capacity of the accumulator can be steadily reduced from time ti to the extent that increases the power of the conventional power plant.
  • a controller may be provided which measures the lack of power of the conventional power plant to its maximum power and provides this power from the accumulator. The power of the accumulator is thus reduced to zero until time t 2 , since from this time t 2 the entire control power can be applied by the conventional power plant.
  • an energy E 2 must therefore be applied by the accumulator, which corresponds to the left diagonally hatched area E 2 in FIG.
  • the energy E 2 is equal to the integral of the accumulator's power over time, from which the integral of the conventional power plant's output is subtracted over time.
  • the capacity of the accumulator should therefore be chosen at least approximately so large that the energy E 2 can be absorbed or released. If only a prequalifiable power of the control power source according to the invention is offered, which is smaller than the maximum power of the power generator / power plant and / or the energy consumer, the capacity of the accumulator can be selected correspondingly smaller.
  • the power of the power generator / power plant is sufficient to provide the complete control power.
  • the power continues to increase over the rated power of 18 MW in the short term. Since this overshoot is not desirable and is not allowed to a certain extent, since it can lead to control oscillations of various control power sources and thus the grid frequency in the power grid, the excess overshoot energy E is absorbed by the energy storage. Since the charge of the energy storage has previously been reduced, the energy storage has enough capacity to absorb the overshoot energy E.
  • the right diagonal hatched area between the straight line at 18 MW and the curve above 18 MW corresponds exactly to the energy E and can be calculated by integration.
  • the conventional power plant usually can not be easily turned off, but the power is reduced over a certain period of time to zero.
  • the energy E 3 provided by the conventional power station in this period from the time t 3 characterized in Figure 3 by the horizontally dashed surface, no longer needs to be fed into the network, but instead according to the invention can be used for further charging or recharging of the battery. If necessary, the charging process can be terminated when the output state of charge of the energy storage is reached again before the request for control power.
  • the principle discussed in this exemplary embodiment with reference to FIG. 3 is readily applicable to an energy consumer and a rechargeable battery or to an energy consumer and another energy store.
  • a maximum output of 18 MW is consumed by a plant (energy consumer).
  • the plant can produce, for example, methane or ethane or even hydrogen.
  • the energy store for example a flywheel to which electrical energy is supplied, can absorb the missing power, that is, in the energy store between the first times t 1 and the second time t 2, the energy E 2 is stored.
  • the device according to the invention comprising the energy consumer and the energy store can be prequalified not only to 13 MW but to 18 MW.
  • the energy storage can deliver energy very quickly and is particularly responsive. Therefore, accumulators and to some extent flywheels are particularly well suited as energy storage, while pumped storage power plants or gas generators in particular with memory and Gas power plant as an energy storage are not so well suited for implementing inventive method.
  • a device according to the invention can also comprise an energy consumer, an energy store and an energy generator and thereby implement a method according to the invention in which both positive and negative control power can be provided and all three components are used.
  • FIG. 4 shows a flow chart for a method according to the invention.
  • an energy storage, a power generator and an energy consumer are used.
  • the grid frequency of the power grid is measured.
  • Decision step 2 checks whether the grid frequency is within a tolerance, or above or below it. Alternatively, it is also possible to respond to a request from the network operator. This would then indicate whether he needs positive or negative control power.
  • step 4 the pre-qualified rated power of the energy consumer is reached at time t 2 and is consumed by the consumer.
  • the power of the energy consumer oscillates beyond the prequalified power due to its inertia.
  • the energy storage provides the consumed excess energy E available.
  • step 6 it is finally checked whether the mains frequency is still above the tolerance. If so, the energy consumer continues to run and absorb energy, and the energy storage supplies the energy E that exceeds the prequalified power rating. If not, the power of the energy consumer is reduced in step 7 from time t 3 . At the same time, optionally in step 7, the power for the energy consumer can be supplied by the optional energy storage device loaded in step 3 and the charge of the energy storage device can be further reduced.
  • the mains frequency is measured again in step 1.
  • the measurement of the mains frequency can also be carried out according to the invention in parallel to steps 3, 4, 5 and 7, the power of the energy consumer being increased whenever the mains frequency is above the tolerance.
  • Steps 1 to 7 together already provide a method according to the invention for an energy store and an energy consumer, wherein in step 2 it is only decided whether the grid frequency is below the tolerance or not.
  • step 13 is continued.
  • the power of a power generator such as a coal power plant is increased.
  • the energy storage device can provide the missing power of the energy generator.
  • the power of the power generator will increase and the power of the energy storage accordingly reduced, until finally in step 14 at time t 2 of the power generator reaches the rated power and the energy storage no longer needs to provide energy.
  • the power of the power generator will increase beyond the prequalified power rating.
  • the additionally generated Energy, or the excess power is absorbed by the energy storage in step 15.
  • step 16 it is then determined whether the mains frequency is still below the tolerance. In decision step 16 this is checked. If the grid frequency is still below the tolerance, the power generator simply keeps running. If not, the process continues to step 17, in which the power of the power generator is reduced, that is, the power generator is shut down, the energy storage from this time t 3 receives and stores the energy generated by the power generator.
  • Steps 1, 2 and 13 to 17 thus provide, analogously to steps 1 to 7, a method according to the invention for an energy store and a power generator, wherein in step 2 it is only decided whether the grid frequency is above the tolerance or not.
  • the method can also be considered in decision step 2 deciding whether the energy store forms a pool for the following control with the energy producer or the energy consumer.
  • steps 1, 2 and 13 to 17 can be continuously checked whether the grid frequency is below the tolerance or not and then reacted accordingly.
  • the tolerance is currently ⁇ 10 mHz.
  • FIG. 5 shows, in a schematic view, a device 20 according to the invention comprising a power generator 21 or energy consumer 21, which is connected to an energy store 22.
  • a controller 23 is connected to the power generator 21 or consumer 21 and to the energy store 22 so that the controller 23 can adjust the power of the power generator 21 or consumer 21 and the power consumption and output of the energy store 22.
  • the power generator 21 or consumer 21 and the energy storage 22 are connected to a power grid 24 and can absorb and / or deliver power from the power grid 24. If there is a need for control power - positive or negative control power - the controller 23 receives a signal. Subsequently the power of the power generator 21 or consumer 21 is increased. From the time ti, for example after 30 seconds, or shortly before the power of the energy storage device 22 is switched on, that is, energy is absorbed into the energy storage 22 or discharged from the energy storage 22.
  • the controller 23 determines the currently provided by the power generator 21 or consumer 21 control power and ensures that the difference is provided by the energy storage 22. If the power of the energy generator 21 or consumer 21 from the time t 2 is sufficient to provide the entire rated power of the device 20, the energy storage 22 can be disconnected by the controller 23 from the power supply 24, or switched off.
  • the controller 23 receives the signal that the control power is no longer needed.
  • the power of the power generator 21 or consumer 21 is reduced. So that no unnecessary energy is fed into or taken out of the power network 24, the controller 23 again switches on the energy store 22, which can receive the energy of the energy generator 21 or can provide it to the energy consumer 21.
  • This measure also leads to a medium state of charge of the energy store 22, so that it has a suitable state of charge for the next control cycle.
  • the controller 23 can charge or discharge the energy storage 22 in an intelligent manner, so that a certain desired state of charge is desired. For example, tolerances in the overshoot or the times ti, t 2 and / or t 3 can be used to develop the state of charge in the desired direction. For example, the power of the energy storage 22 may be provided earlier than ti to charge or discharge the energy storage 22 when deemed necessary. Similarly, an overshoot of up be tolerated to 10% or be intercepted by the energy storage 22 to regulate the state of charge of the energy storage 22.
  • Li-ion batteries are quickly and frequently charged and discharged without damaging influences on the battery, so that they are particularly suitable and preferred for all embodiments according to the invention.
  • a device 20 according to the invention is therefore particularly well suited as a primary or secondary control power source.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem ein an das Stromnetz angeschlossener Energieerzeuger dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt oder ein an das Stromnetz angeschlossener Energieverbraucher aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt, wobei ein Energieerzeuger und/oder ein Energieverbraucher gemeinsam mit einem an das Stromnetz angeschlossenen Energiespeicher zur Bereitstellung der Regelleistung betrieben wird und der Energiespeicher eine Überschwingungs-Energie zumindest teilweise aufnimmt und/oder abgibt, wobei die Überschwingungs-Energie beim Überschwingen der Leistung des Energieerzeugers über die Nennleistung hinaus erzeugt wird und/oder die beim Überschwingen der Leistung des Energieverbrauchers über die Nennleistung hinaus verbraucht wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Steuerung, einen Energiespeicher sowie einen Energieerzeuger und/oder einen Energieverbraucher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen ist, die Steuerung mit dem Energiespeicher sowie dem Energieverbraucher und/oder dem Energieerzeuger verbunden ist und die erzeugte und/oder aufgenommene Regelenergie steuert.

Description

„Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung" Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem ein an das Stromnetz angeschlossener Energieerzeuger dem Stromnetz nach Bedarf Energie zuführt oder ein an das Stromnetz angeschlossener Energieverbraucher aus dem Stromnetz nach Bedarf Energie aufnimmt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Stromnetze werden verwendet, um Strom von meist mehreren Energieerzeugern in großen Gebieten auf viele Nutzer zu verteilen und Haushalte und Industrie mit Energie zu versorgen. Energieerzeuger meist in Form von Kraftwerken stellen dazu die benötigte Energie bereit. In der Regel wird die Stromerzeugung auf den prognostizierten Verbrauch hin geplant und bereitgestellt.
Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es jedoch zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall Erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen.
Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50,000 Hz. Diese Frequenz wird häufig auch als Sollfrequenz bezeichnet. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber dem Plan führt zu einer Erhöhung der Frequenz bei planmäßig erzeugter Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Stromproduktion gegenüber dem Plan bei planmäßigem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung gegenüber dem Plan der Energieerzeuger führt dagegen zu einer Verringerung der Netzfrequenz bei plangemäßem Verbrauch, gleiches gilt für eine Erhöhung des Verbrauchs gegenüber dem Plan bei plangemäßer Erzeugung. Aus Gründen der Netzstabilität ist es erforderlich, diese Abweichungen in einem definierten Rahmen zu halten. Dazu muss je nach Höhe und Richtung der Abweichung gezielt positive Regelleistung durch Zuschalten von zusätzlichen Erzeugern oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern oder Hinzuschalten von Verbrauchern bereitgestellt werden. Es besteht allgemein der Bedarf an einer wirtschaftlichen und effizienten Bereitstellung dieser Regelleistungen, wobei die Anforderungen an die bereitzuhaltenden Kapazitäten und die Dynamik der Regelleistungsquellen beziehungsweise -senken je nach Charakteristik des Stromnetzes variieren können.
In Europa gibt es beispielsweise ein Regelwerk (UCTE Handbook), das drei verschiedene Kategorien an Regelleistung beschreibt. Darin sind auch die jeweiligen Anforderungen an die Regelleistungsarten festgelegt. Die Regelleistungsarten unterscheiden sich unter anderem in den Anforderungen an die Dynamik und die Dauer der Leistungserbringung. Außerdem werden sie unterschiedlich hinsichtlich der Randbedingungen eingesetzt. Primärregelleistung (PRL) ist unabhängig vom Ort der Verursachung der Störung europaweit von allen eingebundenen Quellen zu erbringen und zwar im Wesentlichen proportional zur aktuellen Frequenzabweichung. Die absolut maximale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von minus 200 mHz und (absolut) darunter zu erbringen, die absolut minimale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von plus 200 mHz und darüber zu erbringen. Hinsichtlich der Dynamik gilt, dass aus dem Ruhezustand die jeweils (betragsmäßig) maximale Leistung innerhalb von 30 Sekunden bereitgestellt werden muss. Demgegenüber sind Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) in den Bilanzräumen zu erbringen, in denen die Störung aufgetreten ist. Ihre Aufgabe ist es, die Störung möglichst schnell zu kompensieren und somit dafür zu sorgen, dass die Netzfrequenz wieder möglichst schnell, vorzugsweise spätestens nach 15 Minuten wieder im Sollbereich liegt. Hinsichtlich der Dynamik werden an die SRL und die MRL geringere Anforderungen gestellt (5 beziehungsweise 15 Minuten bis zur vollen Leistungserbringung nach Aktivierung), gleichzeitig sind diese Leistungen auch über längere Zeiträume bereitzustellen als Primärregelleistung.
In den bisher betriebenen Stromnetzen wird ein Großteil der Regelleistung von konventionellen Kraftwerken, insbesondere Kohle- und Atomkraftwerken bereitgestellt. Zwei grundsätzliche Problemstellungen resultieren hieraus. Zum einen werden die konventionellen, Regelleistung bereitstellenden Kraftwerke nicht bei Volllast und damit maximalen Wirkungsgraden, sondern leicht unterhalb derselben betrieben, um bei Bedarf positive Regelleistung bereitstellen zu können, gegebenenfalls über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum. Zum anderen sind mit zunehmendem Ausbau und zunehmender bevorzugter Nutzung der erneuerbaren Energien immer weniger konventionelle Kraftwerke in Betrieb, was aber oftmals die Grundvoraussetzung für die Erbringung von Regelleistungen ist.
Aus diesem Grund wurden Ansätze entwickelt, vermehrt Energiespeicher einzusetzen, um negative Regelleistung zu speichern und bei Bedarf als positive Regelleistung bereitzustellen.
Der Einsatz von Hydro-Pumpspeicherwerken zur Erbringung von Regelleistung ist Stand der Technik. In Europa werden die verschiedenen Regelleistungsarten von Pumpspeichern erbracht. Hydropumpspeicher werden jedoch auch immer wieder genannt als gegenwärtig wirtschaftlichste Technologie zur Ein- und Ausspeicherung von erneuerbaren Energien, um Energieangebot und -bedarf zeitlich besser aufeinander anpassen zu können. Das Potenzial zum Ausbau der Speicherkapazitäten - insbesondere in Norwegen - wird kontrovers diskutiert, da für die Nutzung beträchtliche Kapazitäten in Stromleitungen genehmigt und installiert werden müssen. Folglich steht die Nutzung für das energiewirtschaftliche Lastmanagement in Konkurrenz zur Bereitstellung von Regelleistung.
Vor diesem Hintergrund wurden im Bereich der Primärregelleistung in der jüngeren Vergangenheit immer wieder Ansätze untersucht und beschrieben, auch andere Speichertechnologien wie beispielsweise Schwungmassen- und Batteriespeicher für die Bereitstellung von Regelleistung einzusetzen.
Aus der US 2006/122738 A1 ist ein Energiemanagementsystem bekannt, dass einen Energieerzeuger und einen Energiespeicher umfasst, wobei der Energiespeicher durch den Energieerzeuger aufladbar ist. Dadurch soll ein Energieerzeuger, der im normalen Betrieb keine gleichmäßige Energieerzeugung gewährleistet, wie zum Beispiel die zunehmend favorisierten erneuerbaren Energien, wie Windkraft- oder Photovoltaikkraftwerke, in die Lage versetzt werden, ihre Energie gleichmäßiger ins Stromnetz abzugeben. Nachteilig ist hieran, dass hierdurch zwar ein einzelnes Kraftwerk stabilisiert werden kann, alle anderen Störungen und Schwankungen des Stromnetzes aber nicht oder nur sehr begrenzt abgefangen werden können. Es ist aus der WO 2010 042 190 A2 und der JP 2008 178 215 A bekannt, Energiespeicher zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu verwenden. Wenn die Netzfrequenz einen Bereich um die gewünschte Netzfrequenz verlässt, wird entweder Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt oder in den Energiespeicher aufgenommen, um die Netzfrequenz zu regulieren. Auch die DE 10 2008 046 747 A1 schlägt vor, einen Energiespeicher in einem Inselstromnetz derart zu betreiben, dass der Energiespeicher zur Kompensation von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsminima eingesetzt wird. Nachteilig ist hieran, dass die Energiespeicher nicht die notwendige Kapazität haben, um eine längere Störung oder mehrere, hinsichtlich der Frequenzabweichung gleichgerichtete Störungen hintereinander zu kompensieren.
In dem Artikel„Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007, wird die Abhängigkeit der Kapazität eines Akkumulators von technischen und betrieblichen Randbedingungen bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen (UCTE Handbook) Primärregelleistung bereitstellen kann. Es zeigt sich, dass auf Grund der Ein- und Ausspeicherverluste langfristig in unterschiedlichen Zeitabständen immer wieder ein Aufladen oder Entladen des Speichers unvermeidbar ist. Die Autoren schlagen dazu die Zeiträume vor, in denen sich die Frequenz im Totband (d.h. in dem Frequenzbereich, in dem keine Regelleistung zu erbringen ist) befindet. Trotzdem kann es kurzfristig bzw. vorübergehend dazu kommen, dass der Speicher überladen wird. Die Autoren schlagen für solche Fälle den (begrenzten Einsatz) von Verlust erzeugenden Widerständen vor, die extremal die komplette negative Nenn-Regelleistung aufnehmen, also hierauf ausgelegt werden müssen. Neben dem zusätzlichen Investitionsbedarf für die Widerstände und deren Kühlung führt dies jedoch, wie von den Autoren selbst schon genannt, zu einer mehr oder weniger unerwünschten Energieentwertung, wobei die entstehende Abwärme in der Regel nicht genutzt werden kann. Die Autoren zeigen auf, dass eine geringere Inanspruchnahme der Verlusterzeugung nur durch eine höhere Speicherkapazität, verbunden mit höheren Investitionskosten, möglich ist.
Der Preis für die Bereitstellung von Regelleistung richtet sich maßgeblich danach, wie schnell die Regelleistung nach einer Anfrage, das heißt, nach einer Frequenzabweichung außerhalb der Toleranz, bereitgestellt werden kann. Bei Primärregelleistung (PRL) und (Sekundärregelleistung (SRL) wird schon die Bereithaltung der Energie vergütet. Bei SRL und MR wird auch die Arbeitsleistung vergütet.
In der Regel wird die Stabilisierung der Stromnetze durch Technologien bewerkstelligt, die hinsichtlich der Gesamtkapazität und der Dynamik der Leistungserbringung unterschiedlichen Klassen zugeordnet sind. So besteht beispielsweise im europäischen Verbundnetz der UCTE die Aufteilung in Primärregelleistung (PRL), Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserve (MR).
Im Bereich der Sekundärregelleistungsbereitstellung werden im Folgenden für das Beispiel des europäischen Verbundnetzes der UCTE die verschiedenen Anforderungen an die Dynamik der Leistungserbringung (In- und Außerbetriebnahme) der Quellen (beziehungsweise der Pools aus Quellen) erläutert.
1 . Die präqualifizierbare Sekundärregelleistung (kurz SR-Leistung, SRL oder auch Nennleistung) ergibt sich aus der innerhalb von 5 Minuten aktivierten und gemessenen Leistungsänderung (jeder Regelrichtung)
2. Ein kurzzeitiges Überschwingen von maximal 10 % über den Sekundärregelleistungssollwert ist zulässig. In jedem Fall ist ein kurzzeitiges Überschwingen bis zu 5 MW zulässig.
3. Im Fall von Sekundärregelleistungs-Pools muss nach spätestens 30 Sekunden eine Reaktion des Pools für den Übertragungsnetzbetreiber messbar sein.
Die Vergütungen für die Sekundärregelleistungs-Bereitstellung setzen sich zusammen aus einem Leistungsentgelt für die Vorhaltung der Sekundärregelleistung und einem Arbeitsentgelt für die tatsächlich erbrachte Energie im Rahmen der Sekundärregelleistungs-Bereitstellung.
Solche Vorgaben insbesondere zu Gruppen von Energieerzeugern sind aus dem Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007" vom November 2009 ersichtlich. Hierzu ist insbesondere der Anhang D2 für die Anforderungen von SRL-Pools relevant, in dem auch beschrieben ist, nach welchen Verfahren eine Leittechnik bei einem Anbieter von SRL betrieben werden kann. Aus diesem Dokument ist es bekannt, mehrere technische Einheiten, wie hydraulische und thermische Kraftwerke als Pool zur Bereitstellung von Regelleistung gemeinsam zu betreiben. Akkumulatoren können sehr schnell Energie aufnehmen oder abgeben, wodurch sie sich grundsätzlich zur Bereitstellung von PRL eignen. Nachteilig ist jedoch hieran, dass sehr große Kapazitäten der Akkumulatoren bereitgestellt werden müssen, um die Leistung auch über einen längeren Zeitraum oder wiederholt liefern zu können. Akkumulatoren mit sehr großer Kapazität sind aber auch sehr teuer.
Bei der Verwendung von Kraftwerken oder Verbrauchern, wie Elektrolyse-Werken zur Bereitstellung von Regelleistung ergibt sich das Problem, dass diese nicht schnell genug hochgefahren werden können, um im Ernstfall in der erforderlichen Geschwindigkeit für MR oder für SRL bereitzustellen. Um einen möglichst hohen Anstieg der Leistung zu erzielen, kann dazu der Energieerzeuger oder der Energieverbraucher mit einer maximalen Leistungssteigerung hochgefahren werden. Nachteilig ist hieran, dass diese konventionellen Energieerzeuger oder Energieverbraucher eine gewisse Trägheit haben, so dass die Leistung nach dem Erreichen der Nennleistung überschwingt. Ein Überschwingen ist aber nur um einen kleinen Betrag erlaubt. Zudem wird die bei zu Hohen Leistungen geleistete Energie nicht vergütet. Konventionelle Energieerzeuger oder Energieverbraucher müssen also mit einer geringeren Leistungssteigerung betrieben werden oder der Anstieg der Leistung muss frühzeitig abgebrochen werden. Beides führt zu einer niedrigeren präqualifizierbaren Nennleistung des Regelleistungslieferanten.
Um eine gewisse Nennleistung mit konventionellen Energieerzeugern oder Energieverbrauchern erreichen zu können, müssen die Regelleistungslieferanten überdimensioniert werden, um in den vorgegebenen Zeiträumen zumindest eine bestimmte Leistung zu erreichen, die dann auch als Präqualifikationsleistung für das Kraftwerk oder den Verbraucher als Regelleistungsquelle sichergestellt werden kann.
Des Weiteren werden Energieerzeuger oder Energieverbraucher häufig auch nicht in Volllast betrieben und nur im Bedarfsfall auf einer höheren Leistung betrieben, was zu Lasten des Wirkungsgrads des Kraftwerks beziehungsweise des Verbrauchers geht. Zudem kann in diesen Fällen nur ein kleiner Anteil der maximal erzeugbaren Leistung des Kraftwerks beziehungsweise des Verbrauchers als Nennleistung präqualifiziert werden.
Nachteilig ist hieran also, dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, Energieerzeuger oder Energieverbraucher zur Bereitstellung von Regelleistung möglichst genauso effizient, wie im Betrieb zur Bereitstellung von Leistung ohne Regelung und damit bei Best möglichem Wirkungsgrad, und auch über längere Zeit zu betreiben, um Regelleistung zur Stabilisierung des Stromnetzes zur Verfügung zu stellen. Die Überdimensionierung ist in jedem Fall unwirtschaftlich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Möglichkeit gefunden werden, Regelleistung bei effizienter Energieausbeute der Regelleistungslieferanten bereitzustellen. Dabei soll möglichst die maximal mögliche Leistung des Regelleistungslieferanten einsetzbar sein. Gleichzeitig soll nicht unnötig Energie an den Netzbetreiber verschenkt werden oder aus dem Stromnetz bezogen werden. Ferner soll eine möglichst schnelle Bereitstellung von Regelleistung möglich sein.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass insbesondere bei einer Verwendung von galvanischen Elementen, wie Akkumulatoren, die Kapazität des Energiespeichers möglichst gering sein soll, um die erforderliche Regelleistung bereitzustellen.
Die Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst, dass ein Energieerzeuger und/oder ein Energieverbraucher gemeinsam mit einem an das Stromnetz angeschlossenen Energiespeicher zur Bereitstellung der Regelleistung betrieben wird und der Energiespeicher eine Überschwingungs-Energie zumindest teilweise aufnimmt und/oder abgibt, wobei die Überschwingungs-Energie beim Überschwingen der Leistung des Energieerzeugers über die Nennleistung hinaus erzeugt wird und/oder die beim Überschwingen der Leistung des Energieverbrauchers über die Nennleistung hinaus verbraucht wird.
Unter der Nennleistung ist vorliegend die Leistung zu verstehen, mit der die Regelleistungsquelle präqualifiziert ist, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Die Regelleistung wird an das Stromnetz abgegeben (positive Regelleistung) oder aus dem Stromnetz aufgenommen (negative Regelleistung). Der Vorteil erfindungsgemäßer Verfahren ist insbesondere darin zu sehen, dass es mit dem Energiespeicher gelingt, eine höhere präqualifizierbare Nennleistung als Regelleistungsquelle vorzuhalten.
Dies kann erfindungsgemäß und besonders bevorzugt auch beliebig oft hintereinander geschehen, indem der Energiespeicher nach einem Regelzyklus immer wieder neu aufgeladen oder entladen wird, um bei einem zweiten Zyklus wieder den geeigneten Ladezustand aufzuweisen. Der geeignete Ladezustand ist gegeben, wenn der Energiespeicher nur mit einem Energieerzeuger kombiniert wird, dass dieser ausreichend freie Ladekapazität hat, um das Überschwingen des Energieerzeugers bei vorherigem maximalem Leistungsanstieg aufzunehmen, oder wenn der Energiespeicher mit einem Energieverbraucher kombiniert wird, dass dieser ausreichend geladen ist, um die Energie für das Überschwingen des Energieverbrauchers bei vorherigem maximalem Leistungsanstieg abzugeben. Der geeignete Ladezustand ist in etwa halb geladen, wenn der Energiespeicher mit einem Energieerzeuger und einem Energieverbraucher kombiniert wird. Der Ladezustand entspricht insbesondere im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.:„State-of-Charge", SoC) oder dem Energiegehalt (engl.: „State-of-Energie", SoE). Die Begriffe Ladezustand und Ladungszustand sind erfindungsgemäß als Äquivalent anzusehen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass die Wünsche des Kunden, das heißt des Netzbetreibers nach einer vorhersehbaren und definierten Regelleistung erfüllt werden können und im Stromnetz keine Regelungsschwingungen erzeugt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75% der Überschwingungs-Energie aufnimmt und/oder abgibt.
Bei diesen Anteilen lohnt der Energiespeicher in zweifacher Hinsicht. Zum einen kann die Regelleistungsquelle für eine höhere Nennleistung präqualifiziert werden und zum anderen kann die gespeicherte Energie genutzt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher ab einem ersten Zeitpunkt zumindest die Differenz der von dem Energieerzeuger bereitgestellten Leistung zu einer Nennleistung an das Stromnetz abgibt oder der von dem Energieverbraucher aufgenommenen Leistung zu einer Nennleistung aus dem Stromnetz aufnimmt und der Energiespeicher so lange zumindest diese Differenz zwischen der Nennleistung und der vom Energieerzeuger bereitgestellten Leistung oder der vom Energieverbraucher aufgenommenen Leistung bereitstellt, bis die Leistung des Energieerzeugers oder des Energieverbrauchers die Nennleistung zu einem zweiten Zeitpunkt erreicht. Durch diese Maßnahme kann die Zeit, bis zu der die Nennleistung erbracht wird, weiter verkürzt werden. Dadurch kann bei ausreichender Kapazität des Energiespeichers sogar eine Sekundärregelleistungsquelle oder eine Minutenreserve in eine Primärregelleistungsquelle oder eine Minutenreserve in eine Sekundärregelleistungsquelle umgewandelt werden. Dadurch lassen sich höhere Erlöse erzielen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kapazität des Energiespeichers zumindest so groß gewählt wird, dass im Energiespeicher die Energie gespeichert werden kann, die zum Überbrücken der bereitzustellenden Nennleistung ab dem ersten Zeitpunkt bis zum Erreichen der Nennleistung durch den Energieerzeuger und/oder den Energieverbraucher zum zweiten Zeitpunkt benötigt wird.
Das Abstimmen der Kapazität des Energiespeichers auf das Leistungsvermögen (den maximalen Leistungsanstieg) des Energieerzeugers beziehungsweise des Energieverbrauchers hat den Vorteil, dass der Energiespeicher möglichst klein und dadurch kostengünstig dimensioniert und aufgebaut werden kann.
Es ist besonders bevorzugt, wenn erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Energiespeicher ab einem dritten Zeitpunkt Energie des Energieerzeugers aufnimmt, während die Leistung des Energieerzeugers reduziert wird und/oder der Energiespeicher ab dem dritten Zeitpunkt Energie für den Energieverbraucher bereitstellt, während die Leistung des Energieverbrauchers reduziert wird.
Dies hat den Vorteil, dass der Energiespeicher mit der Energie aufgeladen oder entladen wird, die nicht als Regelenergie verkauft werden kann. Dadurch kann der Energiespeicher zudem in den geeigneten Ladezustand für den nächsten Regelzyklus versetzt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -Speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator und/oder ein Batteriespeicherkraftwerk, besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Der Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden. Insbesondere Akkumulatoren sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, das heißt, der Geschwindigkeit, mit der die Leistung gesteigert oder reduziert werden kann, für erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
Zu den Akkumulatoren zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Natrium- Nickelchlorid-Akkumulatoren, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen- Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid- Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren, Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Natrium-Ionen Akkumulatoren und Kalium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, werden Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisen- Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium- Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium- Schwefel-Akkumulatoren und/oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher eine Kapazität von zumindest 4 kWh besitzt, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
Die Kapazität elektrochemischer Energiespeicher kann dabei bei zumindest 40 Ah, bevorzugt bei etwa 100 Ah liegen. Bei Verwendung von Speichern, die auf elektrochemischen Elementen beruhen, insbesondere Akkumulatoren, kann dieser Speicher vorteilhaft mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Energiespeicher aus einem Pool mehrerer Energiespeicher besteht. Die verschiedenen Energiespeicher können dabei auch an verschiedenen Orten des Stromnetzes angeordnet sein. Beispielsweise kann der Energiespeicher eine Vielzahl von Akkumulatoren zum Beispiel in Elektroautos umfassen, die als Pool geschaltet werden, wenn diese an einer Ladestation und damit ans Stromnetz angeschlossen sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Leistung des Energiespeichers über einen Zeitraum von zumindest 0,5 s vor dem ersten Zeitpunkt bis zum ersten Zeitpunkt gesteigert wird, vorzugsweise über einen Zeitraum von zumindest 2 s, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von zumindest 30 s.
Durch diese langsameren Rampen wird sichergestellt, dass es zu keinen Anregungen von unerwünschten Störungen oder Schwingungen im Stromnetz oder bei den angeschlossenen Verbrauchern und Erzeugern durch einen zu steilen Leistungsgradienten kommt.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher ein Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall -Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
Solche Energieerzeuger und Energieverbraucher sind zur Bereitstellung von längerfristigen Regelleistungen gut geeignet. Ihre Trägheit lässt sich erfindungsgemäß gut mit Energiespeichern ausgleichen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Nennleistung des Energieerzeugers zusammen mit dem Energiespeicher und/oder die Nennleistung des Energieverbrauchers zusammen mit dem Energiespeicher durch das Verfahren innerhalb von 15 Minuten, vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, zu zumindest 95% erreicht wird.
Mit diesen Parametern sind derartig betriebene Regelleistungsquellen effizient und mit besserem Wirkungsgrad als Sekundärregelleistungsquellen oder sogar als Primärregelleistungsquellen einsetzbar. Zudem kann so auch eine höhere Nennleistung präqualifiziert werden.
Das Verhältnis von Nennleistung des Energiespeichers zur maximalen Leistung des Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers kann vorzugsweise im Bereich von 1 :10000 bis 10:1 , besonders bevorzugt im Bereich von 1 :1000 bis 1 :1 liegen.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Netzfrequenz des Stromnetzes gemessen wird und bei einer Abweichung von einem Sollwert oder einer Abweichung von einer Toleranz um einen Sollwert Regelleistung ans Stromnetz abgegeben oder aus dem Stromnetz aufgenommen wird und/oder bei einer Rückkehr der Netzfrequenz zum Sollwert oder in die Toleranz die Regelleistung reduziert wird.
Hierdurch kann eine automatisierte Steuerung der Netzfrequenz erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher beim Reduzieren der Leistung des Energieerzeugers zu zumindest 50% geladen wird, insbesondere im Wesentlichen vollständig geladen wird und/oder der Energiespeicher beim Reduzieren der Leistung des Energieverbrauchers unter weniger als 50% entladen wird, im Wesentlichen vollständig entladen wird.
Diese Ausgestaltungen der Erfindung sind besonders geeignet, wenn der Energiespeicher nur mit einem Energieerzeuger oder nur mit einem Energieverbraucher betrieben wird, da die Ladung des Energiespeichers zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt für den nächsten Zyklus gut vorbereitet ist.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher zusammen mit einem Energieerzeuger und einem Energieverbraucher betrieben wird und der Energiespeicher beim Reduzieren der Leistung des Energieerzeugers in etwa zur Hälfte, vorzugsweise zwischen 25% und 75%, besonders bevorzugt zwischen 40% und 60%, ganz besonders bevorzugt zwischen 45% und 55% aufgeladen wird oder der Energiespeicher beim Reduzieren der Leistung des Energieverbrauchers ungefähr zur Hälfte, vorzugsweise zwischen 25% und 75%, besonders bevorzugt zwischen 40% und 60%, ganz besonders bevorzugt zwischen 45% und 55% entladen wird.
Der geeignete Ladezustand des Energiespeichers beträgt zu Beginn eines erfindungsgemäßen Verfahrens in etwa 50%, wenn sowohl ein Energieerzeuger, als auch ein Energieverbraucher mit dem Energiespeicher betrieben wird. Dies wird durch diese Maßnahmen für die folgenden Zyklen erreicht.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die ans Stromnetz abgegebene Leistung des Energieerzeugers oder die aus dem Stromnetz aufgenommene Leistung des Energieverbrauchers, insbesondere nach dem zweiten Zeitpunkt, zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich gemessen wird und die Differenz zur Nennleistung zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich berechnet wird, wobei abgegebene oder aufgenommene Leistung des Energiespeichers in Abhängigkeit von dieser Differenz eingestellt wird, vorzugsweise jede Leistung, die 1 10% der Nennleistung, insbesondere nach einem Zeitpunkt übersteigt, durch den Energiespeicher aufgenommen und/oder bereitgestellt wird und/oder zumindest diese Differenz als Leistung des Energiespeichers, insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt eingestellt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher eine maximale Leistung von zumindest 1 MW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 10 MW, besonders bevorzugt zumindest 100 MW.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass ein vom Ladezustand des Energiespeichers abhängiger Anteil der Überschwingungs-Energie vom Energiespeicher aufgenommen und/oder abgegeben wird, so dass der Ladezustand des Energiespeichers nach einem Regelzyklus möglichst im Bereich eines Sollwerts des Ladezustands liegt, vorzugsweise die gesamte Überschwingungs-Energie vom Energiespeicher aufgenommen wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers unterhalb eines ersten Grenzwerts liegt und nur den Anteil der Überschwingungs- Energie aufnimmt, der oberhalb einer Toleranz über der Nennleistung liegt, wenn der Ladezustand oberhalb eines zweiten Grenzwerts liegt.
Hierdurch kann der Ladezustand aufgrund der Toleranzen des Netzbetreibers in dem gewünschten Ladezustand gehalten werden. Dann muss weniger Energie aus dem Stromnetz gekauft werden oder es muss weniger Energie unnötig ans Stromnetz abgegeben werden. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass das Verfahren auch über lange Zeit stabil läuft, insbesondere auch bei einer automatischen Steuerung des Verfahrens.
Die Aufgabe der Erfindung wird bezüglich einer Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Steuerung, einen Energiespeicher sowie einen Energieerzeuger und/oder einen Energieverbraucher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen ist, die Steuerung mit dem Energiespeicher sowie dem Energieverbraucher und/oder dem Energieerzeuger verbunden ist und die erzeugte und/oder aufgenommene Regelleistung steuert.
Unter einer Steuerung wird erfindungsgemäß vorliegend eine einfache Steuerung verstanden. Hierbei sei angemerkt, dass jede Regelung eine Steuerung umfasst, da bei einer Regelung eine Steuerung in Abhängigkeit von einer Differenz eines Istwerts zu einem Sollwert erfolgt. Bevorzugt ist die Steuerung also als Regelung ausgebildet, insbesondere bezüglich des Ladezustands. Besonders bevorzugt ist die Steuerung ein Leitsystem.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Frequenzmesser zum Messen der Netzfrequenz des Stromnetzes und einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher zumindest ein Grenzwert der Netzfrequenz gespeichert ist, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, die Netzfrequenz mit dem zumindest einen Grenzwert zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Leistung des Energiespeichers sowie des Energieverbrauchers und/oder des Energieerzeugers zu steuern.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass die Kapazität des Energiespeichers zumindest so groß ist, dass im Energiespeicher zumindest die Energie speicherbar ist, die zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Überschwingungs-Energie notwendig ist, vorzugsweise die Kapazität des Energiespeichers so groß ist, dass im Energiespeicher zumindest 95% der Überschwingungs-Energie speicherbar ist, besonders bevorzugt 100% bis 300%, ganz besonders bevorzugt 100% bis 150%.
Die Nennleistung der Vorrichtung zum Bereitstellen von Regelleistung ist diejenige Leistung, die innerhalb einer bestimmten Zeit erreichbar ist. Es wird hierbei auch von der präqualifizierbaren Leistung gesprochen, da diese die Kriterien des Kunden, das heißt des Netzbetreibers erfüllt.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch die Kombination eines Energiespeichers mit zumindest einer herkömmlichen Regelleistungsquelle möglich ist, diese in Bezug auf ihre Eigenschaften als Regelleistungsquelle zu verbessern. Im Idealfall kann eine Minutenreserve in eine Sekundärregelleistungsquelle oder eine Sekundärregelleistungsquelle in eine Primärregelleistungsquelle umgewandelt werden. Dazu reicht es bereits aus, wenn der Energiespeicher zum Aufnehmen von unerwünschten Überschwingern über die vereinbarte Nennleistung hinaus verwendet wird.
Batteriespeicher (Akkumulatoren) zeichnen sich gegenüber konventionellen Technologien zur Bereitstellung von Primär- und/oder Sekundärregelleistungen unter anderem dadurch aus, dass sie schneller die erbrachten Leistungen ändern können. In den meisten Fällen ist bei Batteriespeichern jedoch Nachteilig, dass sie über eine vergleichsweise geringe Speicherkapazität verfügen, die erforderlichen Leistungen also nur über einen begrenzten Zeitraum erbringen können. Eine zur Lösung der Aufgabe wichtige Erkenntnis besteht daher darin, dass die oben genannten Beschränkungen für das Beispiel des europäischen Verbundnetzes der UCTE durch eine geeignete Poolung von Batteriespeichern mit konventionellen SR-Quellen eingehalten werden.
Spezielle und besonders bevorzugte Ausführungsformen der Lösungsansätze bestehen darin, dass es sich bei dem Energiespeicher um einen Akkumulator oder Batteriespeicher handelt, der zeitgleich zur Erbringung von Primärregelleistung eingesetzt wird. In der Regel hat ein solcher Speicher sowohl hinsichtlich der Leistungen als auch der Energien im Normalbetrieb noch Reserven.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform kann die bei negativer SR-Leistung in den Speicher aufgenommene Energie am Spotmarkt veräußert werden, wenn die Konditionen dort vorteilhaft sind.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Energiespeicher gepoolt und in erfindungsgemäßer Verfahrensweise betrieben. Die Größe der Energiespeicher innerhalb des Pools kann dabei variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei den verschiedenen Energiespeichern eines Pools bei der Ausnutzung von Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband, der Wechsel von einer Parametereinstellung auf eine andere nicht synchron, sondern gezielt zeitlich versetzt vorgenommen, um etwaige Störungen im Netz möglichst gering oder zumindest tolerabel zu halten.
Unter der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung und der Toleranz bei der Bestimmung der Frequenzabweichung usw. ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass vom Netzbetreiber, aufgrund technischer Rahmenbedingungen, wie der Messgenauigkeit beim Bestimmen der erbrachten Regelleistung oder der Netzfrequenz, gewisse Abweichungen zwischen einer idealen Sollleistung und der tatsächlich erbrachten Regelleistung akzeptiert werden. Die Toleranz kann vom Netzbetreiber gewährt sein, könnte aber auch einer gesetzlichen Vorgabe entsprechen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform variieren die bei den verschiedenen Verfahrensweisen genutzten Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband abhängig von der Tageszeit, dem Wochentag oder der Jahreszeit. Zum Beispiel können in einem Zeitraum von 5 min vor bis 5 min nach dem Stundenwechsel Toleranzen enger definiert werden. Dies ist darin begründet, dass hier oft sehr rapide Frequenzänderungen stattfinden. Es kann im Interesse der Übertragungsnetzbetreiber liegen, dass hier geringere Toleranzen vorliegen und damit die Regelenergiebereitstellung sicherer im Sinne von schärfer erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung vorgesehen sein, dass durch den Energiespeicher insbesondere mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Verfahrensweise bevorzugt sehr viel negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Vorgehensweise bevorzugt nur die mindestens zugesicherte Leistung an positiver Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise wird durchschnittlich mindestens 0,1 % mehr an Energie aus dem Netz entnommen als eingespeist, insbesondere mindestens 0,2 %, bevorzugt mindestens 0,5 %, besonders bevorzugt mindestens 1 ,0 %, speziell bevorzugt 5%, wobei diese Werte auf einen Durchschnitt bezogen sind, der über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 4 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 24 Stunden und speziell bevorzugt mindestens 7 Tage gemessen wird, und sich auf die eingespeiste Energie beziehen.
Hierbei kann die zuvor dargelegte Regelleistungserbringung eingesetzt werden, um ein Maximum an Energie aus dem Netz zu entnehmen, wobei die maximal mögliche negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen nur ein Minimum an positiver Regelleistung erbracht wird.
In den Ausführungsformen zur bevorzugten und speziell zur maximalen Energieaufnahme können die hierdurch aus dem Netz entnommenen Energien über den zuvor beschriebenen Energiehandel verkauft werden, wobei dies vorzugsweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen ein höchstmöglicher Preis zu erzielen ist. Hierzu können Prognosen über die Preisentwicklung herangezogen werden, die auf historischen Daten beruhen.
Weiterhin kann der Ladezustand des Energiespeichers zum Zeitpunkt eines geplanten Verkaufs an Energie vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Speicherkapazität betragen, wobei der Ladezustand nach dem Verkauf bevorzugt höchstens 80 %, insbesondere höchstens 70 % und besonders bevorzugt höchstens 60 % der Speicherkapazität beträgt. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von fünf schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:
Figur 1 : ein schematisches P-t-Diagramm einer konventionellen Sekundärregelleistungsquelle und eines konventionellen Pools als Sekundärregelleistungsquelle;
Figur 2: ein schematisches P-t-Diagramm einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Regelleistungsquelle und konventioneller Regelleistungsquellen;
Figur 3: ein zweites schematisches P-t-Diagramm einer mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Regelleistungsquelle;
Figur 4: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren; und
Figur 5: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von Regelleistung.
Figur 1 zeigt ein Diagramm der Leistung (P) über die Zeit (t) einer herkömmlichen einzelnen Sekundärregelleistungsquelle (durchgezogene Linie) und einem Pool als Sekundärregelleistungsquelle (gestrichelte Linie), die ein Wasserkraftwerk und ein thermisches Kraftwerk (beispielsweise ein Atomkraftwerk) umfasst. Das hydraulische Wasserkraftwerk liefert gleich zu Beginn einen Beitrag zur Regelleistung. Die durch das Wasserkraftwerk zusätzlich aufgebrachte Energie kann zusätzlich verkauft werden und sorgt dafür, dass eine Reaktion des Pools als Sekundärregelleistungsquelle für den Kunden, das heißt den Netzbetreiber, schnell erkennbar ist.
Die oben, im Rahmen des Beispiels des europäischen Verbundnetzes der UCTE gestellten Anforderungen führen bei zahlreichen Marktteilnehmern zu Einschränkungen des vermarktbaren Potenzials. Dies liegt beispielsweise daran, dass die vermarktbare Leistung durch einen niedrigen Leistungsgradienten begrenzt ist, oder eine höhere Leistung innerhalb von 5 Minuten grundsätzlich erbracht werden kann, diese jedoch regelungstechnisch bedingt zu unzulässig hohen Überschwingungen über die Nennleistung (PSOII) führen.
Nicht nur, dass sowohl beim Pool als auch bei der Verwendung eines einzelnen konventionellen Energieerzeugers oder Energieverbrauchers die Leistung über das erlaubte Maß über die Nennleistung (Psoii) überschwingt, zudem wird die Energie die durch eine solche Leistung erbracht wird auch nicht vergütet. Die Energie entspricht dabei der Fläche die oberhalb der Geraden der Nennleistung (Psoii) und zwischen dieser Geraden und den Kurven liegt.
Wenn ein Überschwingen bei der Leistungserhöhung oder -reduzierung limitierend ist, kann erfindungsgemäß ein einzelner oder mehrere in einen Pool zusammen geschaltete Energiespeichern dazu eingesetzt werden, das Überschwingen durch gezielte, das heißt entgegengesetzte Leistungserbringung zu begrenzen. Dies ist schematisch im Diagramm nach Figur 2 skizziert. Wenn beispielsweise nur ein Überschwingen der Nennleistung P2 einer Regelleistungsquelle um maximal 10% der präqualifizierten Leistung P2 durch den Netzbetreiber erlaubt ist, kann der Energiespeicher dazu genutzt werden, jegliche darüber hinausgehende Energie aufzunehmen oder, für den Fall das ein Überschwingen bei einem Bereitstellen negativer Regelleistung eintritt, abzugeben.
Figur 2 zeigt, wie ein konventioneller Energieerzeuger oder Energieverbraucher zur Bereitstellung von Regelleistung betrieben werden muss (untere Kurve), wenn er bei maximaler Leistungssteigerung um einen zu hohen Betrag (über 10%) über die präqualifizierte Nennleistung P2 überschwingen würde (obere Kurve). Bei maximaler Leistungssteigerung könnte zwar grundsätzlich eine höhere präqualifizierbare Leistung P2 erzielt werden, durch das zu hohe Überschwingen kann eine solche Leistungssteigerung jedoch nicht angeboten werden. Die untere Kurve stellt dar, mit welcher Leistungssteigerung der konventionelle Energieerzeuger oder Energieverbraucher noch betrieben werden kann, um das Überschwingen über eine niedrigere präqualifizierte Nennleistung Pi auf 10% zu begrenzen. Dadurch ist innerhalb der vorgeschriebenen Regelzeit von 5 Minuten aber nur eine geringere präqualifizierbare Nennleistung Pi möglich. Erst mit Hilfe des Energiespeichers, der eine Überschwingungs-Energie E, die bei einer zu hohen Leistung erzeugt oder verbraucht wird, aufnimmt oder abgibt, ist es möglich, den Energieerzeuger oder Energieverbraucher mit maximaler Leistungssteigerung zu betreiben, ohne dass die bereitgestellte Leistung um mehr als 10% über die maximale Regelleistung P2 überschwingt. Die Überschwingungs-Energie E ist in dem Diagramm nach Figur 2 als diagonal schraffierte Fläche dargestellt. Dadurch kann eine höhere präqualifizierte Leistung P2 mit demselben Energieverbraucher oder Energieerzeuger angeboten werden, als ohne die Kombination mit dem Energiespeicher und ohne das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem nur eine geringere präqualifizierte Leistung Pi angeboten werden könnte.
Es kann auch, anders als in Figur 2 gezeigt, bevorzugt sein, dass jegliche überschüssige Regelenergie vom Energiespeicher aufgenommen oder abgegeben wird, da die Energiebeiträge bis 10% über der präqualifizierten Leistung nicht vergütet werden, beziehungsweise bezahlt werden müssen.
Ebenso kann aber auch vorgesehen sein, dass die überschüssige abgegebene Leistung des Energieerzeugers im Bereich von 0% bis 10% der präqualifizierten Leistung nur dann durch den Energiespeicher aufgenommen wird oder die überschüssige aufgenommene Leistung des Energieverbrauchers im Bereich von 0% bis 10% der präqualifizierten Leistung nur dann durch den Energiespeicher abgegeben wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers dies sinnvoll erscheinen lässt. Wenn also beispielsweise der Energiespeicher schon zu mehr als 50% oder zu zwei Drittel geladen ist, kann es sinnvoll sein, die überschüssige Energie eines Energieerzeugers erst aufzunehmen, wenn dieser eine Leistung von mehr als 10% über der präqualifizierten Leistung P2 erbringt. Dies geschieht, um den Ladezustand des Energiespeichers in einem gewünschten und für die folgenden Regelungszyklen geeigneten Zustand zu halten.
Umgekehrt kann der Energiespeicher, wenn er weniger als 50% oder zu weniger als einem Drittel geladen ist, alle überschüssige Energie des Energieerzeugers aufnehmen, die oberhalb der präqualifizierten Leistung P2 liegt. Wenn der Energiespeicher mit einem Energieverbraucher betrieben wird, kann der Energiespeicher die über die Nennleistung hinaus verbrauchte Energie bereitstellen. Ob dies bereits ab dem Erreichen der Nennleistung P2 geschieht oder erst bei Erreichen von 10% über der Nennleistung P2, kann wiederum von dem Ladezustand des Energiespeichers abhängig gemacht werden. Soll die Ladung des Energiespeichers stärker reduziert werden, weil die Ladung des Energiespeichers beispielsweise im Bereich der maximalen Ladung des Energiespeichers liegt, wird der Energiespeicher seine Leistung bereits ab dem Erreichen der Nennleistung P2 bereitstellen. Soll die Ladung des Energiespeichers weniger stark reduziert werden, weil die Ladung des Energiespeichers klein ist, beispielsweise unter der Hälfte oder unter einem Drittel der maximal möglichen Ladung des Energiespeichers liegt, wird der Energiespeicher seine Leistung erst ab dem Erreichen von 10% über der Nennleistung P2 bereitstellen.
Der Energiespeicher, bei dem es sich vorzugsweise um einen Akkumulator handelt, ermöglicht auf diese Weise, dass die konventionelle SR-Technologie mit einer höheren Leistung präqualifiziert wird, als wenn sie alleine betrieben würde.
Des Weiteren kann die beim Überschwingen bereitgestellte oder verbrauchte Überschwingungs-Energie E nicht an den Netzbetreiber verkauft werden, da diese Leistung nicht nachhaltig bereitgestellt werden kann. Stattdessen wird sie in den Energiespeicher aufgenommen oder vom Energiespeicher bereitgestellt, so dass die Überschwingungs-Energie E beim Betreiber der Regelleistungsanlage verbleiben kann, beziehungsweise nicht aus dem Stromnetz zugekauft werden muss.
In einer Inbetriebnahme-Phase beim Alltagsbetrieb kann der Energiespeicher genutzt werden, um die Differenz zwischen Leistungsanforderung (Sollwert) und aktueller Leistungserbringung zu schließen und damit zusätzliche Arbeitserlöse zu erzielen. Im bereits gezeigten Diagramm nach Figur 1 würde das bedeuten, dass die mit der Fläche oberhalb der durchgezogenen Kurve verbundene Energie nach Figur 1 zusätzlich vermarktet werden könnte und dadurch zusätzliche Erlöse erzielt würden. In einer speziellen Ausführungsform könnte die Entscheidung, ob diese Energie zusätzlich erbracht wird, von den aktuellen Arbeitspreisen oder vom aktuellen Ladezustand des Batteriespeichers abhängig gemacht werden.
Auch bei gegebener und vermarkteter Regelleistung bleibt oft ein beträchtliches Potenzial ungenutzt. Dies betrifft insbesondere die erbrachte Energie beziehungsweise die Arbeitserlöse. Nach einem Aufruf der Sekundärregel-(SR)- Leistung (SRL) bestimmt die Dynamik der SR-Technologien, beziehungsweise der technischen Einheiten in einem Pool zur Bereitstellung von SRL, wie viel Arbeitserlöse erzielt werden können. In dem Diagramm nach Figur 1 bleibt beispielsweise der potenzielle Arbeitserlös, der der Fläche oberhalb der gestrichelten Kurve entspricht, auf Grund technischer Limitierungen ungenutzt.
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von SR-Technologien besteht daher ein Bedarf an technischen Alternativen, um die Begrenzungen von konventionellen SR- Technologien aufzuheben oder zumindest deutlich zu reduzieren.
Im Einzelnen kann erfindungsgemäß folgendermaßen verfahren werden. Wenn die Dynamik der Leistungserbringung konventioneller SR-Technologie beschränkt ist, so wird ein Energiespeicher zur Unterstützung eingesetzt. Dies ist in einem schematischen Leistungs-Zeit-Diagramm nach Figur 3 skizziert. Konventionell könnten hier wegen des beschränkten Leistungsgradienten nur 13 MW präqualifiziert werden, obwohl nach mehr als 5 Minuten auch höhere Leistungen erbracht werden könnten. Im Pool mit einem geeigneten Batteriespeicher (Akkumulator) kann die präqualifizierbare Leistung auf 18 MW erhöht werden. Dabei schließt der Batteriespeicher bis zum Ablauf von 7 Minuten die entsprechende Lücke. Die hohe Leistung bei gleichzeitig vergleichsweise kurzer Leistungserbringungszeit kommt bestimmten Speichertechnologien, wie beispielsweise der Lithium-Ionen- Batterietechnologie aber auch Schwungrädern sehr entgegen.
Die durchgezogene Linie A zeigt den maximalen Leistungsanstieg eines konventionellen Kraftwerks, wie beispielsweise eines Kohlekraftwerks oder eines Gaskraftwerks. Nach 7 Minuten erreicht das Kraftwerk seine maximale Leistung von 18 MW. Dies ist zur Bereitstellung von SRL jedoch zu langsam. So wird für die Bereitstellung von SRL gefordert, dass die präqualifizierbare Leistung einer SR- Leistungsquelle bereits nach 5 Minuten erreicht werden soll. Demzufolge kann das konventionelle Kraftwerk nur eine präqualifizierbare Leistung von 13 MW bereitstellen, beziehungsweise ist nur für eine SR-Leistung von 13 MW präqualifizierbar.
Bei einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun das konventionelle Kraftwerk mit einem Akkumulator kombiniert. Sobald eine Anforderung für die Bereitstellung von SR-Leistung eingeht, wird nicht nur das konventionelle Kraftwerk hochgefahren, sondern der Akkumulator zugeschaltet. Die Leistung des Akkumulators wird bis zum Zeitpunkt ti = 5 Minuten gesteigert. Zu diesem Zeitpunkt ti liefert der Akkumulator eine Leistung von 5 MW, also genau die Differenz der Leistung, die das konventionelle Kraftwerk aufgrund seines maximalen zeitlichen Gradienten nach 5 Minuten erbringt, zu der maximalen Leistung des konventionellen Kraftwerks.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, nämlich die Kombination aus einem konventionellen Kraftwerk und einem Akkumulator sowie einer Steuerung zur Umsetzung eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens, ist so in der Lage bereits nach 5 Minuten eine Leistung von 18 MW aufzubringen, also die maximale Leistung des konventionellen Kraftwerks. Dadurch ist die Vorrichtung zum Bereitstellen von SR-Leistung auf 18 MW präqualifizierbar.
Die Leistung des Akkumulators kann ab dem Zeitpunkt ti stetig reduziert werden, und zwar in dem Maße, in dem sich die Leistung des konventionellen Kraftwerks steigert. Hierzu kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die fehlende Leistung des konventionellen Kraftwerks zu seiner maximalen Leistung misst und diese Leistung aus dem Akkumulator bereitstellt. Die Leistung des Akkumulators wird also bis zum Zeitpunkt t2 auf null reduziert, da ab diesem Zeitpunkt t2 die gesamte Regelleistung durch das konventionelle Kraftwerk aufgebracht werden kann.
Während der Bereitstellung der SR-Leistung muss von dem Akkumulator also eine Energie E2 aufgebracht werden, die der linken diagonal schraffierten Fläche E2 in Figur 3 entspricht. Die Energie E2 ist gleich dem Integral der Leistung des Akkumulators über die Zeit, von dem das Integral der Leistung des konventionellen Kraftwerks über die Zeit subtrahiert wird. Die Kapazität des Akkumulators sollte also mindestens in etwa so groß gewählt werden, dass die Energie E2 aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden kann. Wird nur eine präqualifizierbare Leistung der erfindungsgemäßen Regelleistungsquelle angeboten, die kleiner als die maximale Leistung des Energieerzeugers / Kraftwerks und/oder des Energieverbrauchers ist, so kann die Kapazität des Akkumulators entsprechend kleiner gewählt werden.
Ab dem Zeitpunkt t2 reicht die Leistung des Energieerzeugers / Kraftwerks aus, um die komplette Regelleistung bereitzustellen. Aufgrund der Trägheit des Kraftwerks steigt die Leistung jedoch kurzfristig über die Nennleistung von 18 MW hinaus weiter an. Da dieses Überschwingen nicht erwünscht ist und auch ab einem gewissen Grad nicht erlaubt ist, da es im Stromnetz zu Regelungsschwingungen verschiedener Regelleistungsquellen und damit der Netzfrequenz führen kann, wird die überschüssige Überschwingungs-Energie E durch den Energiespeicher aufgenommen. Da die Ladung des Energiespeichers zuvor reduziert wurde, hat der Energiespeicher genug Kapazität, um die Überschwingungs-Energie E aufzunehmen. Die rechte diagonal schraffierte Fläche zwischen der Geraden bei 18 MW und der Kurve oberhalb 18 MW entspricht genau der Energie E und lässt sich durch Integration berechnen. Wenn ab einem Zeitpunkt t3 keine Regelleistung mehr benötigt wird, kann das konventionelle Kraftwerk üblicherweise nicht einfach ausgeschaltet werden, sondern die Leistung wird über einen bestimmten Zeitraum bis auf null reduziert. Die von dem konventionellen Kraftwerk bereitgestellte Energie E3 in diesem Zeitraum ab dem Zeitpunkt t3, in Figur 3 durch die waagerecht gestrichelte Fläche gekennzeichnet, muss nicht mehr ins Netz eingespeist werden, sondern kann stattdessen erfindungsgemäß zum weiteren Aufladen oder Wiederaufladen des Akkumulators verwendet werden. Nach Bedarf kann der Ladevorgang beendet werden, wenn der Ausgangs-Ladezustand des Energiespeichers vor Beginn der Anfrage nach Regelleistung wieder erreicht ist.
Durch das erläuterte erfindungsgemäße Verfahren und die diskutierte erfindungsgemäße Vorrichtung gelingt es also, einen optimalen Regelleistungsverlauf bereitzustellen, der in Figur 3 durch die gestrichelte Kurve dargestellt ist. Die Schwächen konventioneller Verfahren, in Figur 3 dargestellt durch die durchgezogene Linie, konnten erfindungsgemäß überwunden werden.
Das in diesem Ausführungsbeispiel anhand von Figur 3 diskutierte Prinzip ist ohne weiteres auf einen Energieverbraucher und einen Akkumulator oder auf einen Energieverbraucher und einen anderen Energiespeicher übertragbar. Statt eine Leistung von maximal 18 MW zu liefern, kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eine maximale Leistung von 18 MW durch ein Werk verbraucht wird (Energieverbraucher). Das Werk kann zum Beispiel Methan oder Ethan oder auch Wasserstoff erzeugen. Bis die maximale Leistung 18 MW des Energieverbrauchers zum Zeitpunkt t2 nach 7 Minuten erreicht wird, kann der Energiespeicher, beispielsweise ein Schwungrad, dem elektrisch Energie zugeführt wird, die fehlende Leistung aufnehmen, das heißt, dass in dem Energiespeicher zwischen dem ersten Zeitpunkt ti und dem zweiten Zeitpunkt t2 die Energie E2 gespeichert wird. Durch diese Maßnahme ist die erfindungsgemäße Vorrichtung umfassend den Energieverbraucher und den Energiespeicher nicht nur auf 13 MW, sondern auf 18 MW präqualifizierbar.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher sehr schnell Energie liefern kann und besonders reaktionsschnell ist. Daher sind Akkumulatoren und in gewissem Umfang auch Schwungräder besonders gut als Energiespeicher geeignet, während Pumpspeicherkraftwerke oder insbesondere Gaserzeuger mit Speicher und Gaskraftwerk als Energiespeicher nicht so gut zum Umsetzen erfindungsgemäßer Verfahren geeignet sind.
Gerade wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahrender der Energiespeicher gerade entleert oder aufgefüllt worden ist, kann eine, wie auch zu Figur 2 erläuterte, gegenläufige Ladung oder Entladung des Energiespeichers bei einem anschließenden Überschwingen willkommen sein, um den Ladezustand des Energiespeichers in einem gewünschten Bereich zu halten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch einen Energieverbraucher, einen Energiespeicher und einen Energieerzeuger umfassen und dabei ein erfindungsgemäßes Verfahren umsetzen, bei dem sowohl positive, wie auch negative Regelleistung bereitgestellt werden kann und alle drei Komponenten eingesetzt werden.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Bei dem Verfahren werden ein Energiespeicher, ein Energieerzeuger und ein Energieverbraucher eingesetzt. In Schritt 1 wird die Netzfrequenz des Stromnetzes gemessen. Im Entscheidungsschritt 2 wird anschließend geprüft, ob die Netzfrequenz innerhalb einer Toleranz liegt oder darüber oder darunter. Alternativ hierzu kann auch auf eine Anforderung des Netzbetreibers reagiert werden. Dieser würde dann angeben, ob er positive oder negative Regelleistung benötigt.
Wenn die Netzfrequenz innerhalb der Toleranz liegt, wird mit Schritt 1 fortgefahren. Liegt die Netzfrequenz oberhalb der Toleranz, muss dem Stromnetz Energie entzogen werden. Dazu wird in Schritt 3 der Energieverbraucher gestartet und die Leistung des Energieverbrauchers gesteigert. Dabei kann währenddessen optional durch den Energiespeicher die Differenzleistung zur präqualifizierten Leistung ab dem mit dem Netzbetreiber vereinbarten Zeitpunkt ti aufgenommen werden, indem der Energiespeicher geladen wird. Dann liefert der Pool aus Energieverbraucher und Energiespeicher die präqualifizierte Nennregelleistung, das heißt, die präqualifizierte Leistung wird aus dem Stromnetz entnommen. Wenn der Pool beispielsweise als Primäregelleistungsquelle präqualifiziert ist, so muss die Nennleistung bereits ab ti = 30 Sekunden verbraucht werden. Ist der Pool dagegen beispielsweise als Sekundärregelleistungsquelle präqualifiziert, so muss die Nennleistung erst ab ti = 5 Minuten verbraucht werden. Insbesondere bei der Verwendung von Akkumulatoren kann die Regelenergie sehr schnell aufgenommen werden, das heißt, dass die Leistung sehr schnell gesteigert werden kann. In dem Maß, in dem die Leistung des Energieverbrauchers ansteigt, kann optional die Leistungsaufnahme des Energiespeichers reduziert werden.
In Schritt 4 ist die präqualifizierte Nennleistung des Energieverbrauchers zum Zeitpunkt t2 erreicht und wird durch den Verbraucher aufgenommen. In Schritt 5 schwingt die Leistung des Energieverbrauchers aufgrund seiner Trägheit über die präqualifizierte Nennleistung hinaus. Der Energiespeicher stellt die dabei verbrauchte überschüssige Energie E zur Verfügung.
Im Entscheidungsschritt 6 wird schließlich geprüft, ob die Netzfrequenz noch immer über der Toleranz liegt. Wenn dem so ist, läuft der Energieverbraucher die ganze Zeit weiter und nimmt Energie auf und der Energiespeicher liefert die Energie E, die über die präqualifizierte Nennleistung hinausgeht. Wenn dem nicht so ist, wird die Leistung des Energieverbrauchers in Schritt 7 ab dem Zeitpunkt t3 reduziert. Gleichzeitig kann optional in Schritt 7 die Leistung für den Energieverbraucher durch den optional in Schritt 3 geladenen Energiespeicher geliefert und dabei die Ladung des Energiespeichers weiter reduziert werden.
Anschließend wird wieder die Netzfrequenz in Schritt 1 gemessen. Das Messen der Netzfrequenz kann erfindungsgemäß auch parallel zu den Schritten 3, 4, 5 und 7 durchgeführt werden, wobei die Leistung des Energieverbrauchers immer dann erhöht wird, wenn die Netzfrequenz oberhalb der Toleranz liegt.
Die Schritte 1 bis 7 liefern zusammen bereits ein erfindungsgemäßes Verfahren für einen Energiespeicher und einen Energieverbraucher, wobei im Schritt 2 nur entschieden wird, ob die Netzfrequenz unterhalb der Toleranz liegt oder nicht.
Wenn die Netzfrequenz in Entscheidungsschritt 2 unterhalb der Toleranz liegt, wird mit Schritt 13 fortgefahren. In diesem Schritt 13 wird die Leistung eines Energieerzeugers, wie beispielsweise eines Kohlekraftwerks erhöht. Spätestens ab dem Zeitpunkt ti, zu dem die Nennleistung bereitgestellt werden muss, kann optional der Energiespeicher die fehlende Leistung des Energieerzeugers liefern. Die Leistung des Energieerzeugers wird ansteigen und die Leistung des Energiespeichers dementsprechend reduziert, bis schließlich in Schritt 14 zum Zeitpunkt t2 der Energieerzeuger die Nennleistung erreicht und der Energiespeicher keine Energie mehr liefern muss. Die Leistung des Energieerzeugers wird über die präqualifizierte Nennleistung hinaus ansteigen. Die dadurch zusätzlich erzeugte Energie, beziehungsweise die überschüssige Leistung wird durch den Energiespeicher in Schritt 15 aufgenommen.
Anschließend wird bestimmt, ob die Netzfrequenz noch immer unterhalb der Toleranz liegt. In Entscheidungsschritt 16 wird dies geprüft. Sofern die Netzfrequenz noch immer unterhalb der Toleranz liegt läuft der Energieerzeuger einfach weiter. Wenn nicht, wird mit Schritt 17 fortgefahren, in dem die Leistung des Energieerzeugers reduziert wird, das heißt der Energieerzeuger heruntergefahren wird, wobei der Energiespeicher ab diesem Zeitpunkt t3 die vom Energieerzeuger erzeugte Energie aufnimmt und speichert.
Die Schritte 1 , 2 und 13 bis 17 liefern also zusammen, analog zu den Schritten 1 bis 7 ein erfindungsgemäßes Verfahren für einen Energiespeicher und einen Energieerzeuger, wobei im Schritt 2 nur entschieden wird, ob die Netzfrequenz oberhalb der Toleranz liegt oder nicht. Das Verfahren kann auch so betrachtet werden, dass in Entscheidungs-Schritt 2 entschieden wird, ob der Energiespeicher für die folgende Regelung mit dem Energieerzeuger oder dem Energieverbraucher einen Pool bildet.
Auch in dem rechten Strang des Ablaufdiagramms (Schritte 1 , 2 und 13 bis 17) kann fortwährend geprüft werden, ob die Netzfrequenz unterhalb der Toleranz liegt oder nicht und dann entsprechend reagiert werden. Auch hier kann statt eigener Messung der Netzfrequenz auch auf eine Anforderung des Netzbetreibers gewartet werden. Im europäischen Stromnetz wird eine Netzfrequenz von 50,00 Hz eingestellt, die Toleranz beträgt dabei derzeit ± 10 mHz.
Figur 5 zeigt in schematischer Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 umfassend einen Energieerzeuger 21 oder Energieverbraucher 21 , der mit einem Energiespeicher 22 verbunden ist. Eine Steuerung 23 ist mit dem Energieerzeuger 21 oder -Verbraucher 21 und mit dem Energiespeicher 22 verbunden, so dass die Steuerung 23 die Leistung des Energieerzeugers 21 beziehungsweise -Verbrauchers 21 und die Leistungsaufnahme und -abgäbe des Energiespeichers 22 einstellen kann.
Der Energieerzeuger 21 oder -Verbraucher 21 und der Energiespeicher 22 sind an ein Stromnetz 24 angeschlossen und können Leistung aus dem Stromnetz 24 aufnehmen und/oder abgeben. Wenn ein Bedarf an Regelleistung - positiver oder negativer Regelleistung - besteht, erhält die Steuerung 23 ein Signal. Anschließend wird die Leistung des Energieerzeugers 21 oder -Verbrauchers 21 gesteigert. Ab dem Zeitpunkt ti, beispielsweise nach 30 Sekunden, beziehungsweise kurz vorher wird auch die Leistung des Energiespeichers 22 zugeschaltet, das heißt, Energie in den Energiespeicher 22 aufgenommen oder vom Energiespeicher 22 abgegeben.
Die Steuerung 23 bestimmt dazu die vom Energieerzeuger 21 oder -Verbraucher 21 aktuell bereitgestellte Regelleistung und sorgt dafür, dass die Differenz durch den Energiespeicher 22 bereitgestellt wird. Wenn die Leistung des Energieerzeugers 21 oder -Verbrauchers 21 ab dem Zeitpunkt t2 dazu ausreicht, die gesamte Nennleistung der Vorrichtung 20 bereitzustellen, kann der Energiespeicher 22 durch die Steuerung 23 vom Stromnetz 24 getrennt, beziehungsweise abgeschaltet werden.
Aufgrund der Trägheit der Systeme des Energieerzeugers 21 und Energieverbrauchers 21 kommt es zu einem Überschwingen der Regelleistung nach Erreichen der Nennleistung. Der Energiespeicher 22 nimmt dann die überschüssige Energie auf, beziehungsweise stellt die überschüssige Energie zur Verfügung. Hierzu wird ebenfalls die Steuerung verwendet. Da der Energiespeicher 22 gerade erst in anderer Richtung entladen beziehungsweise geladen wurde, führt dies zu einem gewollten Ladezustand des Energiespeichers 22 für nachfolgende Regelungszyklen.
Zu einem Zeitpunkt t3 erhält die Steuerung 23 das Signal, dass die Regelleistung nicht mehr benötigt wird. Die Leistung des Energieerzeugers 21 oder -Verbrauchers 21 wird reduziert. Damit keine unnötige Energie ins Stromnetz 24 eingespeist oder daraus entnommen wird, schaltet die Steuerung 23 wieder den Energiespeicher 22 zu, der die Energie des Energieerzeugers 21 aufnehmen oder des Energieverbrauchers 21 bereitstellen kann. Auch diese Maßnahme führt zu einem mittleren Ladezustand des Energiespeichers 22, so dass er für den nächsten Regelzyklus einen geeigneten Ladezustand aufweist.
Die Steuerung 23 kann den Energiespeicher 22 dabei intelligent laden oder entladen, so dass ein bestimmter gewünschter Ladezustand angestrebt wird. Beispielsweise können Toleranzen beim Überschwingen oder den Zeitpunkten ti, t2 und/oder t3 dazu genutzt werden, den Ladezustand in die gewünschte Richtung zu entwickeln. So kann zum Beispiel die Leistung des Energiespeichers 22 schon zu einem früheren Zeitpunkt als ti bereitgestellt werden, um den Energiespeicher 22 zu laden oder zu entladen, wenn dies notwendig erscheint. Ebenso kann ein Überschwingen von bis zu 10% toleriert werden oder durch den Energiespeicher 22 abgefangen werden, um den Ladezustand des Energiespeichers 22 zu regeln.
Insbesondere in solchen Fällen wird ein besonders schnell reagierender und leicht auf- und entladbarer Energiespeicher 22 benötigt. Am besten sind hierfür Akkumulatoren geeignet. Insbesondere Li-Ionen Akkumulatoren sind ohne schädliche Einflüsse auf den Akkumulator schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu müssen Li-Ionen Akkumulatoren mit beträchtlicher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40- Fuß-ISO-Containern unterzubringen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 ist also als Primär- oder Sekundärregelleistungsquelle besonders gut geeignet.
Für Einzelheiten zur Regelung von Regelleistung und zum Informationsaustausch mit den Netzbetreibern sei auf das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007" vom November 2009 verwiesen. Dort ist insbesondere der Anhang D2 zur Poolung von Regelleistungs-Einheiten interessant, um Ergänzungen für die Umsetzung erfindungsgemäßer Verfahren zu erhalten.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
A Leistungserbringung mit einem konventionellen Kraftwerk
B Leistungserbringung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
E, Überschwingungs-Energie
E2, E3 Energie
P Leistung
t Zeit
ti Erster Zeitpunkt
t2 Zweiter Zeitpunkt
t3 Dritter Zeitpunkt
1 ; 3; 4; 5; 7 Verfahrensschritt
2; 6; 16 Entscheidungsschritt
13; 14; 15; 17 Verfahrensschritt
20 Vorrichtung zum Bereitstellen von Regelleistung
21 Energieerzeuger / Energieverbraucher
22 Energiespeicher
23 Steuerung
24 Stromnetz

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz (24), bei dem ein an das Stromnetz (24) angeschlossener Energieerzeuger (21 ) dem Stromnetz (24) nach Bedarf Energie zuführt oder ein an das Stromnetz (24) angeschlossener Energieverbraucher (21 ) aus dem Stromnetz (24) nach Bedarf Energie aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Energieerzeuger (21 ) und/oder ein Energieverbraucher (21 ) gemeinsam mit einem an das Stromnetz (24) angeschlossenen Energiespeicher (22) zur Bereitstellung der Regelleistung betrieben wird und der Energiespeicher (22) eine Überschwingungs-Energie (E) zumindest teilweise aufnimmt und/oder abgibt, wobei die Überschwingungs-Energie (E) beim Überschwingen der Leistung des Energieerzeugers (21 ) über die Nennleistung hinaus erzeugt wird und/oder die beim Überschwingen der Leistung des Energieverbrauchers (21 ) über die Nennleistung hinaus verbraucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, besonders bevorzugt zumindest 75% der Überschwingungs-Energie (E) aufnimmt und/oder abgibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher (22) ab einem ersten Zeitpunkt (ti) zumindest die Differenz der von dem Energieerzeuger (21 ) bereitgestellten Leistung zu einer Nennleistung an das Stromnetz (24) abgibt oder der von dem Energieverbraucher (21 ) aufgenommenen Leistung zu einer Nennleistung aus dem Stromnetz (24) aufnimmt und der Energiespeicher (22) so lange zumindest diese Differenz zwischen der Nennleistung und der vom Energieerzeuger (21 ) bereitgestellten Leistung oder der vom Energieverbraucher (21 ) aufgenommenen Leistung bereitstellt, bis die Leistung des Energieerzeugers (21 ) oder des Energieverbrauchers (21 ) die Nennleistung zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) erreicht.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher (22) ab einem dritten Zeitpunkt (t3) Energie (E3) des Energieerzeugers (21 ) aufnimmt, während die Leistung des Energieerzeugers (21 ) reduziert wird und/oder der Energiespeicher (22) ab dem dritten Zeitpunkt (t3) Energie (E3) für den Energieverbraucher (21 ) bereitstellt, während die Leistung des Energieverbrauchers (21 ) reduziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
als Energiespeicher (22) ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -Speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator und/oder ein Batteriespeicherkraftwerk, besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher (22) eine Kapazität von zumindest 4 kWh besitzt, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
als Energieerzeuger (21 ) ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher (21 ) ein Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall-Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nennleistung des Energieerzeugers (21 ) zusammen mit dem Energiespeicher (22) und/oder die Nennleistung des Energieverbrauchers (21 ) zusammen mit dem Energiespeicher (22) durch das Verfahren innerhalb von 15 Minuten, vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, zu zumindest 95% erreicht wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Netzfrequenz des Stromnetzes (24) gemessen wird und bei einer Abweichung von einem Sollwert oder einer Abweichung von einer Toleranz um einen Sollwert Regelleistung ans Stromnetz (24) abgegeben oder aus dem Stromnetz (24) aufgenommen wird und/oder bei einer Rückkehr der Netzfrequenz zum Sollwert oder in die Toleranz die Regelleistung reduziert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiespeicher (22) beim Reduzieren der Leistung des Energieerzeugers (21 ) zu zumindest 50% geladen wird, insbesondere im Wesentlichen vollständig geladen wird und/oder der Energiespeicher (22) beim Reduzieren der Leistung des Energieverbrauchers (21 ) unter weniger als 50% entladen wird, im Wesentlichen vollständig entladen wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (22) zusammen mit einem Energieerzeuger (21 ) und einem Energieverbraucher (21 ) betrieben wird und der Energiespeicher (22) beim Reduzieren der Leistung des Energieerzeugers (21 ) in etwa zur Hälfte, vorzugsweise zwischen 25% und 75%, besonders bevorzugt zwischen 40% und 60%, ganz besonders bevorzugt zwischen 45% und 55% aufgeladen wird oder der Energiespeicher (22) beim Reduzieren der Leistung des Energieverbrauchers (21 ) ungefähr zur Hälfte, vorzugsweise zwischen 25% und 75%, besonders bevorzugt zwischen 40% und 60%, ganz besonders bevorzugt zwischen 45% und 55% entladen wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die ans Stromnetz (24) abgegebene Leistung des Energieerzeugers (21 ) oder die aus dem Stromnetz (24) aufgenommene Leistung des Energieverbrauchers (21 ), insbesondere nach dem zweiten Zeitpunkt (t2), zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich gemessen wird und die Differenz zur Nennleistung zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich berechnet wird, wobei abgegebene oder aufgenommene Leistung des Energiespeichers (22) in Abhängigkeit von dieser Differenz eingestellt wird, vorzugsweise jede Leistung, die 1 10% der Nennleistung, insbesondere nach einem Zeitpunkt t2 übersteigt, durch den Energiespeicher (22) aufgenommen und/oder bereitgestellt wird und/oder zumindest diese Differenz als Leistung des Energiespeichers (22), insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt ti und t2 eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energieerzeuger (21 ) und/oder der Energieverbraucher (21 ) eine maximale Leistung von zumindest 1 MW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 10 MW, besonders bevorzugt zumindest 100 MW.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein vom Ladezustand des Energiespeichers (22) abhängiger Anteil der Überschwingungs-Energie (E) vom Energiespeicher (22) aufgenommen und/oder abgegeben wird, so dass der Ladezustand des Energiespeichers (22) nach einem Regelzyklus möglichst im Bereich eines Sollwerts des Ladezustands liegt, vorzugsweise die gesamte Überschwingungs-Energie (E) vom Energiespeicher (22) aufgenommen wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers (22) unterhalb eines ersten Grenzwerts liegt und nur den Anteil der Überschwingungs-Energie (E) aufnimmt, der oberhalb einer Toleranz über der Nennleistung liegt, wenn der Ladezustand oberhalb eines zweiten Grenzwerts liegt.
15. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (20) eine Steuerung (23), einen Energiespeicher (22) sowie einen Energieerzeuger (21 ) und/oder einen Energieverbraucher (21 ) umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz (24) angeschlossen ist, die Steuerung (23) mit dem Energiespeicher (22) sowie dem Energieverbraucher (21 ) und/oder dem Energieerzeuger (21 ) verbunden ist und die erzeugte und/oder aufgenommene Regelenergie steuert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (20) einen Frequenzmesser zum Messen der Netzfrequenz des Stromnetzes (24) und einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher zumindest ein Grenzwert der Netzfrequenz gespeichert ist, wobei die Steuerung (23) dazu ausgelegt ist, die Netzfrequenz mit dem zumindest einen Grenzwert zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Leistung des Energiespeichers (22) sowie des Energieverbrauchers (21 ) und/oder des Energieerzeugers (21 ) zu steuern.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kapazität des Energiespeichers (22) zumindest so groß ist, dass im Energiespeicher (22) zumindest die Energie speicherbar ist, die zum Aufnehmen und/oder Abgeben der Überschwingungs-Energie (E) notwendig ist, vorzugsweise die Kapazität des Energiespeichers (22) so groß ist, dass im Energiespeicher (22) zumindest 95% der Überschwingungs-Energie (E) speicherbar ist, besonders bevorzugt 100% bis 300%, ganz besonders bevorzugt 100% bis 150%.
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