EP4581718A1 - System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes, verfahren zum steuern eines systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes und steuereinheit zum steuern eines systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes sowie computerprogrammprodukt - Google Patents

System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes, verfahren zum steuern eines systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes und steuereinheit zum steuern eines systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten energieversorgung eines gebäudes sowie computerprogrammprodukt

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Publication number
EP4581718A1
EP4581718A1 EP23764844.9A EP23764844A EP4581718A1 EP 4581718 A1 EP4581718 A1 EP 4581718A1 EP 23764844 A EP23764844 A EP 23764844A EP 4581718 A1 EP4581718 A1 EP 4581718A1
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EP
European Patent Office
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energy
amount
storage
module
converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP23764844.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Phil-Gordan Zameit
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Greenpeak Energy GmbH
Original Assignee
Greenpeak Energy GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present disclosure relates to a system for the continuous, on-demand energy supply of a building, a method for controlling a system for the continuous, on-demand energy supply to a building, a control unit for controlling a system for the continuous, on-demand energy supply to a building and a computer program product.
  • thermal energy heat
  • This thermal energy is essentially supplied exclusively as waste heat to the environment, in particular the outside air, via appropriate cooling systems. This means that a significant part of the energy supplied to the system is released back into the environment unused, This means that more resources than necessary have to be used to generate electrical energy and heat the buildings.
  • Possibilities are known from the prior art, for example to use the waste heat from servers for other purposes through appropriately modeled water cooling instead of simply supplying it to the environment.
  • the present disclosure relates to a system for the continuous, demand-based energy supply to a building, a method for controlling a system for the continuous, demand-based energy supply to a building, a Control unit for controlling a system for the continuous, demand-based energy supply to a building and a computer program product.
  • the third form of energy e.g. chemical energy
  • the second form of energy e.g. thermal energy
  • Another advantage of this method is the possibility of using gases such as hydrogen in several ways to recover thermal or electrical energy.
  • gases such as hydrogen
  • One variant would be, for example, the combustion of the hydrogen in a corresponding device, for example in a combined heat and power plant, another variant would be, for example, the use of the hydrogen in a fuel cell.
  • waste heat of around 55 °C.
  • the exhaust gas temperatures are usually between 300 °C and 400 °C.
  • waste heat on the one hand in the low to medium temperature range and on the other hand in the high temperature range, as well as electrical energy can be provided for further use in the exemplary system.
  • the times of energy surplus are used to fill the energy storage in order to compensate for the missing amount of energy in times of lower energy production by photovoltaic units and/or wind turbines, in particular times in which less energy is generated than is consumed by the building's consumers.
  • Amount of energy of the first form of energy is a sum of energy of the first form of energy.
  • control unit can control the modules of the system in such a way that, if the amount of energy of the first form of energy generated or provided by the first energy supply module is greater than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, the excess amount of energy is essentially offset in time or is stored simultaneously in the first energy storage for storing the second form of energy, in the second energy storage for storing the third form of energy and in the third energy storage for storing the first form of energy, and that if the amount of energy generated or provided by the first energy supply module is of the first Form of energy is smaller than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, offset in time or at the same time essentially that in the first energy storage for storing the second form of energy, in the second energy storage for storing the third form of energy, after this has been converted into an amount of energy the first and/or the second form of energy has been converted, and the amount of energy stored in the third energy storage for storing the first form of energy is released again for consumption in the consumer module
  • the exemplary system can be advantageously further developed by storing the excess amount of energy of the different forms of energy in the energy stores, releasing the amount of energy of the different forms of energy stored in the energy stores and converting the excess or released amount of energy of the different forms of energy into one controlled by the control unit Sequence takes place, the control unit being set up to control the sequence depending on a primary load of the first, primary load-dependent energy converter and a requirement of the consumer module for an amount of energy of the first form of energy and an amount of energy of the second form of energy.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the first energy storage comprises a short-term storage for the short-term storage of the amount of energy of the second form of energy and a long-term storage for the medium to long-term storage of the amount of energy of the second form of energy.
  • thermal energy for example, in addition to the thermal energy amounts of the primary load-dependent heat generators, also thermal energy amounts in the conversion of electrical energy into chemical energy and its reconversion in the second or third energy converter
  • thermal energy amounts of the primary load-dependent heat generators can be stored in long-term storage for long-term storage and release of heat over several weeks to months.
  • the amounts of heat in the short-term and long-term storage can not only be used for pure purposes Heating the building, but of course also for heating drinking water.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the short-term storage and the long-term storage are in direct operative connection with one another, so that an amount of energy of the second form of energy can be exchanged between the short-term storage and the long-term storage.
  • the direct active connection can take place directly between the two storage units and does not have to be fed into the heating network first, which leads to an easier transfer of heat quantities.
  • the direct active connection can be achieved, for example, by directly connecting the two storage units (short-term storage and long-term storage) with water-carrying pipes or similar.
  • heat exchange can also take place, for example, via a plate heat exchanger.
  • control unit is further set up to control the storage of the amount of energy of the second form of energy in the first energy storage so that primarily the amount of energy is stored in the short-term storage, and secondary storage of the amount of energy of the second Energy form takes place in the long-term storage.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the second energy converter for converting the first form of energy into the third form of energy and the third energy converter for converting the third form of energy into the first form of energy of the second energy converter module is an assembly that is set up to carry out the process To carry out the conversion of the third form of energy into the first form of energy as a reversible process of converting the first form of energy into the third form of energy.
  • This advantageous embodiment of the exemplary system allows the total number of individual components in the system to be kept somewhat lower, so that control of the components by the control unit is simplified.
  • the exemplary system can be designed advantageously if the conversion of the first form of energy into the third form of energy and the third form of energy into the first form of energy involves a direct or single-stage conversion of the original form of energy into the target form of energy.
  • the exemplary system can advantageously be further developed with a second energy supply module, which has a second energy generator for generating the third form of energy, the generation of an amount of energy of the third form of energy by the second energy generator being dependent on at least one second energy source that is different from the first energy source, wherein this second energy provision module further has a fourth energy converter for converting the third form of energy into the second form of energy.
  • a second energy supply module which has a second energy generator for generating the third form of energy, the generation of an amount of energy of the third form of energy by the second energy generator being dependent on at least one second energy source that is different from the first energy source, wherein this second energy provision module further has a fourth energy converter for converting the third form of energy into the second form of energy.
  • the exemplary system can be advantageously expanded by an additional energy supply module, since in addition to the previous regenerative or renewable energy sources such as sun and wind, wood can now also be used as a renewable raw material.
  • This second energy generator makes it possible to be switched on when required and thus initially support the system by generating gas as a third form of energy and then feed heat into the system by converting the chemical energy into thermal energy and, for example, the short-term storage and/or the long-term storage To supply or replenish heat quantities.
  • the fifth energy storage can also be loaded with thermal energy.
  • the advantage for example, is that heat from the fifth storage (chemical heat storage) can be released as needed, while the second energy generator, which is designed, for example, as a log gasifier, burns with its entire amount of wood and necessarily provides the energy completely over the course of a few hours.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the second energy supply module has a fourth energy storage device for storing the second form of energy, wherein the fourth energy storage device for storing the second form of energy is in no or direct operative connection with the first energy storage device Storage of the second form of energy is used to exchange an amount of energy of the second form of energy.
  • the second energy provision module also has its own energy storage for storing quantities of heat, which is optionally connected to the short-term storage and thereby quantities of heat can be transferred from the energy storage of the second energy provision module to the first energy storage.
  • the exemplary system can advantageously have an additional consumer that is different from the at least one consumer of the consumer module of the building for consuming an amount of energy of the second form of energy, the control unit being set up to control the additional consumer in such a way that if the energy storage is used to store the second form of energy (for example the thermal short-term and long-term storage or the chemical heat storage) essentially no longer have any capacity for an additional amount of energy of the second form of energy, an excess amount of energy of the second form of energy (which, for example, is due to the utilization of the primary load-dependent heat generator and / or the conversion from electrical to chemical Energy and its reconversion is supplied to the additional consumer for consumption in order to reduce the total amount of energy in the system, in particular the amount of energy of the second form of energy.
  • the energy storage is used to store the second form of energy (for example the thermal short-term and long-term storage or the chemical heat storage) essentially no longer have any capacity for an additional amount of energy of the second form of energy, an excess amount of energy of the second form of energy
  • This additional consumer is able to remove large amounts of thermal energy (second form of energy) from the system if, for example, a far too large amount of thermal energy is already present in the system and a type of “emergency cooling” of the system is required and/or for example all storage units are already fully charged.
  • a heatable outdoor pool can be used for this, the large amount of water in which is heated and the potential excess heat can be released into the surroundings.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the first form of energy is electrical energy, the second form of energy is thermal energy and the third form of energy is chemical energy.
  • the exemplary system is particularly suitable for the combined use of electrical, thermal and chemical energy.
  • each form of energy has advantages and disadvantages in terms of production and conversion and storage.
  • energy sources such as solar and wind energy or energy from renewable raw materials such as wood or plant materials in general
  • energy requirements of the building e.g. differences in the building's energy requirements between the summer season and winter season and/or requirements primary load-dependent heat generators such as servers/computing units, machine tools, packaging systems, etc.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the assembly is a reversible fuel cell, which in one process can convert an amount of energy from electrical energy into an amount of energy from chemical energy and can carry out this process in reverse, from chemical energy to electrical energy.
  • a reversible fuel cell can advantageously be provided as a component of the exemplary system, which can convert electrical energy into chemical energy (for example into fuel gas such as hydrogen, ammonia or methane) and is also able to carry out this process in reverse.
  • chemical energy for example into fuel gas such as hydrogen, ammonia or methane
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the system also has a connection to the public power grid, the control unit being responsible for allowing or stopping the supply of electrical energy from the public power grid into the system and for allowing or stopping the feeding of electrical energy from the system into the public power grid is set up.
  • the system's own production of energy (such as through sun and wind, for example during the so-called “dark doldrums") is not possible or is not sufficient and/or the storage of the exemplary system can be virtually emptied
  • the system can be supplied with energy from outside.
  • such a connection can also be used to feed additional amounts of energy into the system if necessary, which can be particularly advantageous if, for example, the costs for the amount of energy are comparatively cheap (for example, comparing prices for night-time electricity with the prices for electricity during the day or if a particularly large amount of green electricity is available from wind and sun or when there is less demand for electricity).
  • the exemplary system is controlled by the control unit in such a way that the producers of electrical energy generate as much electricity at any time as the consumers of the electrical energy consume.
  • Producers can be, for example, wind turbines/photovoltaic units.
  • Consumers can be, for example, technical systems (such as the first, primary load-dependent energy converter or the second energy converter) and household electronics.
  • Electrical storage devices (such as the third energy storage device) can be regulated by their ability to both absorb electrical power and also deliver electrical power at a different moment by means of control by the control unit for power consumption in the amount of the excess electrical power at the moment and thus attributed to consumers. At another moment with a deficit of electrical power, i.e. H.
  • the electrical storage can be regulated by means of control by the control unit for electrical power output to the level in which the deficit in electrical power exists.
  • the electrical storage devices can be attributed to the electrical generators. In both cases, the electrical power transmission to the public power grid is zero.
  • the internal power grid continues to oscillate at 50 Hertz synchronously with the public power grid, but without power continuity (also referred to as parallel operation).
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the system has a heat pump which increases the amount of thermal energy in the system by reversing the heat-power process, the heat pump using the thermal energy stored in the long-term storage of the first energy storage .
  • the amount of energy (for example per liter of water or per cubic meter of air) can be further increased because it reverses the heat-power process and additionally work performed increases the amount of heat, wherein the additional amount of heat can advantageously be supplied to the exemplary system and in particular advantageously to the storage for the second form of energy.
  • the heat pump can use the electrical and thermal energies generated by converting chemical energy to further increase the amount of heat in the exemplary system.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the long-term storage of the first energy storage is a seasonal heat storage, in particular an earth basin heat storage.
  • seasonal heat storage By using so-called seasonal heat storage, the amount of energy generated or converted into the second form of energy (heat) can be stored for a comparatively long time and made available to the consumer over this long period of time. It can be particularly advantageous to use an earth basin heat storage, since this can be arranged, for example, in the foundation of a building, so that an additional, larger space requirement in or in the immediate vicinity of the building is not necessary for this form of seasonal heat storage. Furthermore, a seasonal heat storage can also be designed as a geothermally effective terrestrial collector layered on several levels with hydraulic feed-in and withdrawal capability of thermal energy as well as top and side insulation.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the first energy converter is a computer unit that carries out arithmetic operations as a primary load and converts the primary load-dependent electrical energy into thermal energy by carrying out the arithmetic operations.
  • the first energy converter is a computer unit that carries out arithmetic operations as a primary load and converts the primary load-dependent electrical energy into thermal energy by carrying out the arithmetic operations.
  • a particularly advantageous embodiment of the exemplary system is that a computing unit such as a server structure or an entire data center is used to generate or convert heat (for example second form of energy) from electrical energy (for example first form of energy), the primary load of which is the Computational operations are, but as a kind of secondary load, thermal energy is created from electrical energy, which can be made available to the system for use and in particular to supply the building.
  • a computing unit such as a server structure or an entire data center is used to generate or convert heat (for example second form of energy) from electrical energy (for example first form of energy), the primary load of which is the Computational operations are, but as a kind of secondary load, thermal energy is created from electrical energy, which can be made available to the system for use and in particular to supply the building.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the second energy generator of the second energy provision module is a wood gasification boiler and the fourth energy converter is a wood gas burner, the wood gasification boiler and wood gas burner being one assembly.
  • Wood gasification boilers This can gasify wood through an autothermal reaction and thereby generate combustible gas, which is used to generate heat in a wood gas burner associated with the wood gasification boiler.
  • Wood is one of the renewable and therefore "green” and renewable raw materials for energy production, even if, for example, compared to the operation of a wind turbine or a solar system, climate-damaging CO 2 and fine dust are produced.
  • Today's modern wood gasification boilers with wood gas burners can be compared to other solid fuel boilers , through automatically controlled combustion and electric fine dust separators, achieve very low pollutant emission values and very high levels of efficiency.
  • the exemplary system can be advantageously further developed in that the third energy storage device for storing the electrical energy is a vanadium redox flow battery or a lithium-ion battery.
  • accumulators can advantageously be used for storing electrical energy (for example, the first form of energy), with vanadium redox flow accumulators being significantly higher than lithium-ion accumulators
  • vanadium redox flow batteries have operational safety because their electrolyte is neither flammable nor explosive due to a high water content and vanadium redox flow batteries can therefore survive short circuits without damage.
  • Vanadium redox flow batteries also offer the advantage of being permanently stable, which, with regard to the electrolyte, theoretically allows an infinite number of charging cycles without reducing the charging capacity.
  • other accumulators can also be used, for example other solid-state accumulators such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) accumulators.
  • an exemplary method for controlling an aforementioned system for the continuous, needs-based energy supply of a building by means of a control unit comprising: providing an amount of energy of a first form of energy by means of a first energy provision module, converting a portion of the amount of energy of the first form of energy into one of the first form of energy different second form of energy by means of a first primary load-dependent energy converter of a first energy converter module, consuming a demand-dependent amount of energy of the first form of energy and / or a demand-dependent amount of energy of the second form of energy by at least one consumer of a consumer module of the building, whereby, if the amount of energy provided by the first energy supply module of the first form of energy is greater than the demand-dependent amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, then storing the essentially excess amount of energy of the second form of energy in a time offset or simultaneously in a first energy storage of the first energy converter module, converting the essentially excess amount of energy first
  • the exemplary method can advantageously be further developed with generating an amount of energy of a first form of energy by means of a first energy generator of the first energy provision module, the generated amount of energy of the first form of energy being dependent on at least a first, discontinuous energy source, in particular a renewable energy source such as solar energy and/or wind energy.
  • the exemplary method can be advantageously further developed in that, if the amount of energy of the first form of energy provided by the first energy supply module is greater than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, then a portion of the essentially excess is stored at different times or at the same time Amount of energy of the first form of energy in a third energy storage of the first energy provision module, storing the essentially excess amount of energy of the second form of energy in the first energy storage of the first energy converter module, converting another part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy into the third form of energy by means of the second energy converter second energy converter module, wherein when converting the other part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy into the third form of energy, a part of the other part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy is simultaneously converted into the second form of energy and fed to the first energy storage for storage, and storing the amount of energy of the third form of energy in the second energy storage of the second energy converter module, and/
  • the exemplary method can advantageously be further developed by storing the excess amount of energy of the different forms of energy in the energy stores, releasing the amount of energy of the different forms of energy stored in the energy stores and converting the excess or released amount of energy of the different forms of energy into one controlled by a control unit Sequence takes place, the control unit being set up to control the sequence depending on a primary load of the first, primary load-dependent energy converter and a requirement of the consumer module for an amount of energy of the first form of energy and an amount of energy of the second form of energy.
  • the exemplary method can be advantageously further developed in that the first energy storage comprises a short-term storage for the short-term storage of the amount of energy of the second form of energy and a long-term storage for the medium to long-term storage of the amount of energy of the second form of energy, wherein the control unit is further configured to store the To control the amount of energy of the second form of energy in the first energy storage so that primarily the amount of energy is stored in the short-term storage, and secondarily the amount of energy of the second form of energy is stored in the long-term storage.
  • the exemplary method can advantageously be further developed by generating an amount of energy of the third form of energy by means of a second energy generator of a second one Energy provision module, wherein the generation of an amount of energy of the third form of energy by the second energy producer is dependent on at least one second energy source that is different from the first energy source, converting the generated amount of energy of the third form of energy into the second form of energy by means of a fourth energy converter of the second energy provision module, and storing the amount of energy the second form of energy in a fourth energy storage of the second energy supply module, wherein the control unit is set up to control the generation, conversion and storage of the amount of energy by the second energy supply module depending on the energy requirement of the consumer module and the availability of the second energy source.
  • the exemplary method can advantageously be further developed with consumption of an excess amount of energy of the second form of energy by an additional consumer that is different from the at least one consumer of the consumer module of the building if the energy storage for storing the second form of energy essentially no longer has any capacity for an additional amount of energy of the second form of energy to reduce the total amount of energy in the system, especially the amount of energy of the second form of energy.
  • the exemplary method can be advantageously further developed in that the first form of energy is electrical energy, the second form of energy is thermal energy and the third form of energy is chemical energy.
  • the exemplary method can advantageously be further developed with allowing or stopping the supply of electrical energy from the public power grid into the system by means of a connection of the system to the public power grid or allowing or stopping the feeding of electrical energy into the public power grid from the system by means of the Connection of the system to the public power grid.
  • an exemplary control unit for controlling an aforementioned system for the continuous, needs-based energy supply of a building is proposed, wherein the control unit is set up to carry out a method for controlling the system for the continuous, needs-based energy supply of the building of the aforementioned type.
  • an exemplary computer program product is stored on a computer-readable data storage medium
  • Computer program that can be executed on an aforementioned control unit or in a computer connected to a control unit and that is set up to control a method of the aforementioned type is proposed.
  • an exemplary system for the continuous energy supply of a building is proposed, with a first energy supply module which has a first energy generator for generating an amount of energy of a first form of energy, the generated amount of energy of the first form of energy being dependent on at least a first energy source, a first Energy converter module, which has a first energy converter for converting a part of the amount of energy of the first form of energy into a second form of energy that is different from the first form of energy and a first energy storage for storing the amount of energy of the second form of energy, a second energy converter module that has a second energy converter for converting another part the amount of energy of the first form of energy into a third form of energy different from the first and the second form of energy, a second energy storage for storing the amount of energy of the third form of energy and a third energy converter for converting a stored amount of energy of the third form of energy into the first form of energy, a consumer module, which has at least one consumer of the building for consuming an amount of energy of
  • control unit can control the modules of the system in such a way that, if the amount of energy of the first form of energy generated or provided by the first energy supply module is greater than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, the excess amount of energy is essentially offset in time or is stored simultaneously in the first energy storage for storing the second form of energy and in the second energy storage for storing the third form of energy, and that if the amount of energy of the first form of energy generated or provided by the first energy supply module is smaller than the amount of energy consumed by the consumer module first and second forms of energy, staggered in time or at the same time, substantially those in the first energy storage for storing the second form of energy and those in the second energy storage for storage The amount of energy stored in the third form of energy is released again for consumption in the consumer module.
  • the exemplary system makes it possible to store a comparatively large amount of excess electrical energy produced (for example through conversion or direct storage) and thereby avoid feeding this excess amount of energy into the public power grid, which in turn contributes to network stability. If the storage of the various forms of energy (such as electrical energy, thermal energy and chemical energy) are essentially fully utilized (fully charged), the system can release large amounts of energy into the environment via an additional consumer (such as a heated outdoor pool, etc.) and thus the excess amounts of energy are removed from the system without supplying the amount of energy to the public power grid and thus potentially contributing to instability of the public grid.
  • an additional consumer such as a heated outdoor pool, etc.
  • the control unit of the exemplary system can also advantageously control the storage and discharging processes of the energy storage in such a way that the storage process of the energy storage of the second form of energy (electrical energy) takes place simultaneously with the storage process of the energy storage of the third form of energy (chemical energy). Both staggered storage of the different forms of energy and storage one after the other are possible. The same applies to the discharging processes of the storage, which can also be timed.
  • Various conditions can be used as a criterion/dependency (for example due to different efficiencies of the individual forms of energy to the other form of energy when converting or the need for a corresponding form of energy for consumption in the building, etc.) as to when which storage device is loaded or discharged and how.
  • the exemplary system can advantageously be further developed in that the first energy supply module has a third energy storage device for storing an amount of energy of the first form of energy.
  • control unit can control the modules of the system in such a way that, if the amount of energy of the first form of energy generated or provided by the first energy supply module is greater than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, essentially the excess Amount of energy is stored at different times or at the same time in the first energy storage for storing the second form of energy, in the second energy storage for storing the third form of energy and in the third energy storage for storing the first form of energy, and that if the energy supply generated or provided by the first energy supply module Amount of energy of the first form of energy is smaller than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, offset in time or at the same time, essentially that in the first energy storage for storing the second form of energy, that in the second energy storage for storing the third form of energy and that in The amount of energy stored in the third energy storage for storing the first form of energy is released again for consumption in the consumer module.
  • the exemplary system can be advantageously further developed by storing the excess amount of energy of the different forms of energy generated by the first energy supply module in the energy stores, releasing the amount of energy of the different forms of energy stored in the energy stores and converting the amount of energy released of the different forms of energy into one
  • the order is controlled by the control unit, the order being determined depending on an efficiency between the amount of energy generated, stored and converted, and where the higher efficiency has priority over the lower efficiency.
  • parameters such as availability for example, while the storage for chemical energy is already 80% full and the storage for electrical energy is only 20% full, the electrical storage preferably continues to be filled, etc.
  • availability for example, while the storage for chemical energy is already 80% full and the storage for electrical energy is only 20% full, the electrical storage preferably continues to be filled, etc.
  • thermal energy heat energy
  • This can also be decisive or additionally decisive for the control of the system and the processing of excess energy.
  • an exemplary method for controlling an aforementioned system for the continuous energy supply of a building by means of a control unit comprising: generating an amount of energy of a first form of energy by means of a first energy generator of a first energy provision module, the amount of energy generated being dependent on the first form of energy of at least one first, discontinuous energy source, converting a part of the amount of energy of the first form of energy into a second form of energy that is different from the first form of energy by means of a first energy converter of a first energy converter module, consuming the amount of energy of the first form of energy and / or the amount of energy of the second form of energy by at least a consumer of the building of a consumer module, wherein, if the amount of energy of the first form of energy generated by the first energy supply module is greater than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, then storing the essentially excess amount of energy of the second form of energy at a time offset or simultaneously in a first energy
  • the exemplary method can then store a portion of the essentially excess amount of energy of the first form of energy in a time-shifted manner or at the same time a third energy store of the first energy provision module, storing the essentially excess amount of energy of the second form of energy in the first energy store of the first energy converter module, converting another part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy into the third form of energy by means of the second energy converter of the second energy converter module, and storing the amount of energy of the third form of energy in a second energy storage of the second energy converter module, the exemplary method further comprising, if the amount of energy of the first form of energy generated by the first energy supply module is smaller than the amount of energy of the first and second forms of energy consumed by the consumer module, then with a time delay or at the same time a release of the amount of energy stored in the third energy storage for storing the
  • storing the excess amount of energy of the various forms of energy generated by the first energy supply module in the energy stores, releasing the amount of energy of the various forms of energy stored in the energy stores and converting the amount of energy released of the various forms of energy in an order controlled by the control unit take place, the order being determined, for example, depending on an efficiency between the amount of energy generated, stored and converted, and where the higher efficiency has priority over the lower efficiency.
  • the order can be determined, for example, depending on a cost model between the amount of energy generated, stored and converted.
  • the cost model is influenced by production costs, operating costs and efficiencies. Lower production and operating costs have priority over higher production and operating costs. The higher efficiency takes precedence over the lower efficiency.
  • the first energy storage can comprise a short-term storage for the short-term storage of the amount of energy of the second form of energy and a long-term storage for the medium to long-term storage of the amount of energy of the second form of energy, the short-term storage and the long-term storage being in direct operative connection with one another, so that the control unit has a Can control exchange of an amount of energy of the second form of energy between the short-term storage and the long-term storage.
  • control unit can control the storage of the amount of energy of the second form of energy in the first energy storage so that primarily the amount of energy is stored in the short-term storage, and secondarily the amount of energy of the second form of energy is stored in the long-term storage.
  • the exemplary method can generate an amount of energy of the third form of energy by means of a second energy generator of a second energy provision module, wherein the generation of an amount of energy of the third form of energy by the second energy generator is dependent on at least one second energy source that is different from the first energy source, converting the generated Amount of energy of the third form of energy into the second form of energy by means of a fourth energy converter of the second energy provision module, and storing the amount of energy of the second form of energy in a fourth energy storage of the second energy provision module, wherein the control unit generates, converts and stores the amount of energy by the second energy provision module as a function controlled by the energy requirements of the system and the availability of the second energy source.
  • the exemplary method can include consuming an excess amount of energy of the second form of energy by an additional consumer that is different from the at least one consumer of the building of the consumer module if the energy storage for storing the second form of energy essentially no longer has any capacity for an additional amount of energy of the second form of energy to reduce the total amount of energy in the system.
  • the exemplary method may include allowing or stopping the supply of electrical energy from the public power grid into the system by means of a connection of the system to the public power grid or allowing or stopping the supply of electrical energy to the public power grid from the system by means of the connection of the system to the public power grid.
  • an exemplary control unit for controlling an aforementioned system for continuously supplying energy to a building is proposed, wherein the control unit is further configured to carry out an aforementioned method for controlling the aforementioned system for continuously supplying energy to the building.
  • an exemplary computer program product is proposed with a computer program stored on a computer-readable data storage medium, which is executable on an aforementioned control unit or in a computer connected to a control unit and which is set up to control an aforementioned method.
  • Fig. 1 shows an overview of the systematic classification of the exemplary system in the supply structure of a building or the systems and machines of a building and the energy suppliers
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the exemplary system for the continuous, needs-based energy supply of a building using a first, primary load-dependent energy converter of a first energy converter module
  • FIG. 3 shows an exploded view of an exemplary building with an outbuilding with implementation of the exemplary system
  • Fig. 4a shows a diagram of heat absorption and heat emission of the modules of the exemplary system in kW, calculated as an example in a model calculation, over a time range of the first quarter of a year (here the year 2022 as an example), starting from January,
  • Fig. 4b shows the continuation of the diagram from Fig. 4a over a time range of the second quarter of the exemplary year, starting from April,
  • Fig. 4d shows the continuation of the diagram from Fig. 4c over a time range of the fourth quarter of the exemplary year, starting from October,
  • 5a shows a diagram of a charging power and extraction power, calculated as an example in the model calculation, of the second energy storage device of the exemplary system, which is designed as a hydrogen storage device, in kW over the time range of a year (here the year 2022 as an example)
  • 5b shows a diagram of a fill level of the second energy storage (for example, hydrogen storage) of the exemplary system in % over the time range of a year (here, for example, the year 2022), which is calculated as an example in the model calculation.
  • FIG. 6a shows a diagram of a charging power and extraction power calculated as an example in the model calculation of the third energy storage device of the exemplary system, which is designed as a vanadium redox flow accumulator, in kW over the time range of one year (here the year 2022 as an example),
  • 6b shows a diagram of a fill level of the third energy storage device (for example, vanadium redox flow accumulator) of the exemplary system in % over the time range of a year (here, for example, the year 2022), which is calculated as an example in the model calculation.
  • the third energy storage device for example, vanadium redox flow accumulator
  • Fig. 7a shows a diagram of a charging power and extraction power of the long-term thermal storage of the exemplary system in kW over the time range of a year (here the year 2022 as an example), which is calculated as an example in the model calculation.
  • Fig. 7b shows a diagram of a fill level of the long-term thermal storage (designed as an earth-coupled heat storage) of the exemplary system in % over the time range of a year (here the year 2022 as an example), which is calculated as an example in the model calculation.
  • 8a shows an exemplary method for controlling an exemplary system for the continuous, demand-based energy supply to a building using the
  • FIG. 8b shows an exemplary method for controlling an exemplary system for the continuous, demand-based energy supply to a building by means of the control unit, which can be used in addition to or as an alternative to the exemplary method as shown and described in FIG. 8a.
  • Fig. 1 shows an overview of the systematic classification of the exemplary system 1000 in the supply structure of a building 2000/2100 or the systems and machines of a building 2000/2100 and the energy suppliers 40/45.
  • the exemplary system 1000 is, as shown in illustration b), connected between the energy suppliers 40/45 and the building 2000/2100 as a consumer.
  • a primary load-dependent energy converter such as a computing unit or a data center in the exemplary system 1000 can be used to generate the heat in the building 2000/2100 (through consumption/ Conversion of electrical energy E into thermal energy T through calculation processes), whereby, for example, the supply of the building 2000/2100 with natural gas by a natural gas supplier 45 can be omitted (typically natural gas is used for heating the building 2000/2100, in some cases also for cooking in building 2000/2100).
  • the burning of fossil fuels can be largely avoided.
  • the primary load dependence can, for example, lead to a fluctuation in the generation of heat for the building 2000/2100
  • the exemplary system 1000 is explained in more detail below in FIG. 2. 2 shows an exemplary embodiment of the exemplary system 1000 for the continuous, needs-based energy supply of a building 2000 (for a more detailed view of the building, see FIG. 3) using a first, primary load-dependent energy converter 210 of a first energy converter module 200.
  • these devices convert at least some of the form of energy required for value creation (first, second, third form of energy) into another form of energy (first, second, third form of energy).
  • first, second, third form of energy For example, part of an electrical energy E (for example, first form of energy), which the device requires, for example, to process a workpiece or to carry out arithmetic operations, can be converted, for example, into thermal energy T (for example, second form of energy).
  • thermal energy T for example, second form of energy
  • This amount of energy converted into heat (thermal energy T) could be advantageously used for other purposes (such as heating private and/or office buildings, heating agricultural facilities such as stables, etc.).
  • Such production processes or the use of servers/computing units are often subject to corresponding, sometimes large, fluctuations.
  • the machine tool which is not processing a component due to maintenance/setup, cannot generate any usable waste heat or the computing unit can hardly be used if it is not used enough Generate waste heat.
  • This form of generation/conversion of the thermal energy T is therefore subject to fluctuations in the utilization/the extent of the primary load of the devices, so that a continuous supply of the buildings/facilities with thermal energy T can hardly be guaranteed.
  • the interaction of various components, sometimes also differently designed components (units, modules) of the exemplary system 1000 will be explained using the exemplary system 1000, with further positive effects being explained depending on the combination and expansion of the exemplary system 1000.
  • electrical energy E for example first form of energy
  • this electrical energy E or at least part of this electrical energy E (or the amount of energy of the electrical energy E) can be converted, for example, into thermal energy T (for example second form of energy) by the first, Primary load-dependent energy converter 210 of the first energy converter module 200 can be done advantageously.
  • a high level of efficiency comparable to the high levels of efficiency in power-to-heat systems, can initially be advantageous over other conversions (for example power-to-gas).
  • the first energy converter module 200 there is a computing unit 210/a computing center 210 as the first energy converter 210, which carries out computing operations and/or storage processes using the electrical energy E provided, a part or a large part of the electrical energy E is converted into thermal energy T and makes it usable for the system 1000, for example by feeding the thermal energy T, which was otherwise usually given off as waste heat to the environment or to the environment via cooling systems, into the heat supply of the building 2000.
  • the electrical energy E introduced into the exemplary system 1000 can be converted very effectively into thermal energy T and, at the same time, computing capacity and storage capacity can be provided by means of a computing unit 210/a data center 210, which is increasingly happening in the course of the digitalization of society and a wide variety of processes more important and will therefore be in demand in the next few years or decades.
  • the computing unit 210/the data center 210 can be designed, for example, as a server structure with worldwide access options and/or can be used as an intranet, for example within large companies/groups, thereby providing added value for the companies.
  • first energy converters 210 can also be used as first energy converters 210, since these devices often have a large number of drives and / or hydraulic units, some of which need to be cooled.
  • Another example is the friction of the tool of a machine tool when machining a workpiece, which also generates heat which is often carried away from the workpiece with a so-called cooling lubricant.
  • chemical systems that, for example, “incidentally” generate heat during the chemical conversion of substances can also be used as first energy converters 210.
  • a short-term storage 220 (or diurnal storage) as the first energy storage 220/230 for the short-term storage (for example several hours to a few days) of the thermal energy T, in particular that required during the day and overnight Amounts of thermal energy T, which, depending on requirements, can also be very susceptible to fluctuations in the amount of energy per unit of time, are to be provided in the consumer module 600 (thermal consumer module 600) of the building 2000 and react at short notice to an increased demand or, conversely, to a lower demand to be able to.
  • buffer storage 220 for example in the form of a layered storage with layered storage of thermal energy depending on the temperature level
  • buffer storage 220 can prove to be extremely advantageous, as they are comparatively limited in their amount of storable thermal energy T and are therefore exhausted quite quickly, but at the same time again can be quickly loaded with thermal energy T and in a comparatively short time.
  • the fluctuations that occur in the consumption of thermal energy T in the consumer module 600 of the building 2000 over the day/over the night can be advantageously addressed.
  • Another component of a system 1000 can also be a storage of thermal energy T, which can store a comparatively very large amount of thermal energy T in the medium term (several days to several weeks) or long term (several weeks to several months) and in doing so partially
  • the amount of heat required in the building 2000 can be provided to the consumer module 600 over a long period of time (sometimes over several months).
  • Such thermal storage of the first energy storage 220/230 also referred to as seasonal storage 230/long-term storage 230 (or seasonal heat storage or seasonal storage)
  • the short-term storage 220 and the long-term storage 230 of the first energy storage 220/230 have a direct connection/direct active connection for exchanging amounts of heat, so that, for example, the amount of heat stored in the long-term storage 230 in the long term via a short and therefore quick path (or parts thereof) can be made available to the short-term storage 220 if, for example, the amount of thermal energy T provided or converted by the exemplary data center 210 can no longer cover the consumption of thermal energy T of the building 2000.
  • an exchange of heat (for example from short-term storage 220 to long-term storage 230) can advantageously take place via a heat exchanger, whereby the temperature level would be reduced.
  • a heat pump see for example heat pump 510 with the supply of electrical energy E (as an exemplary first form of energy) with an increase in the temperature level, the long-term storage 230 can be shifted back into the short-term storage 220.
  • thermochemical heat storage 240 Another advantageous component of the exemplary system 1000, in particular of the first energy converter module 200, can be a fifth energy storage 240, which is designed as a thermochemical heat storage 240.
  • Excess heat can, for example, be bound in an endothermic chemical reaction using silica gels, metal hydrides, zeolites or metal oxides in an oily suspension, such as hygroscopic oxides such as boron oxide (conversion of thermal energy T into storable chemical energy C) and without loss over long periods of time as chemical energy C stored/stored.
  • heat thermal energy T
  • conversion of stored chemical energy C to thermal energy T conversion of stored chemical energy C to thermal energy T
  • the reaction products of the exothermic reaction correspond to the starting materials of the endothermic reaction Reaction, so that overall a reversible process for storing and withdrawing thermal energy is created.
  • the long-term storage 230 can also be designed as a thermochemical storage 240 (fifth energy storage 240) in order, for example, to store thermal energy T in a space-saving manner compared to an earth basin heat storage.
  • a second energy converter module 300 can be an advantageous component, wherein the second energy converter module 300, in contrast to the first energy converter module 200, converts the electrical energy E into chemical energy C (for example third form of energy) (power-to-gas) and is also able to can be to convert the chemical energy C back into electrical energy E and / or thermal energy T.
  • chemical energy C for example third form of energy
  • power-to-gas power-to-gas
  • the second energy converter module 300 can have, for example, a second energy converter 310, for example an electrolysis unit 310, which converts electrical energy E into chemical energy C through a redox reaction with water (water electrolysis) to produce thermal energy T, wherein in the water electrolysis the water in Oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) is split.
  • a second energy converter 310 for example an electrolysis unit 310, which converts electrical energy E into chemical energy C through a redox reaction with water (water electrolysis) to produce thermal energy T, wherein in the water electrolysis the water in Oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) is split.
  • the latter of the two can be advantageous, for example, for a conversion, for example in a third energy converter 330 (for example combined heat and power plant 330, which burns the hydrogen H 2 , or fuel cell 330, which converts the hydrogen H 2 into electricity while supplying oxygen O 2 , with waste heat in both cases arises) can be used to produce electrical energy E (electricity) and/or thermal energy T (heat) if required for the consumer module 600 (thermal consumer module 600) and/or for the consumer module 800 (electrical consumer module 800) of the building 2000 generate.
  • a third energy converter 330 for example combined heat and power plant 330, which burns the hydrogen H 2 , or fuel cell 330, which converts the hydrogen H 2 into electricity while supplying oxygen O 2 , with waste heat in both cases arises
  • the second energy converter module 300 has a second energy storage 320 for storing the chemical energy C (such as hydrogen H 2 ) that was formed/generated in the second energy converter 310 (for example in the electrolysis unit 310).
  • the chemical energy C such as hydrogen H 2
  • An advantage of this The energy storage method is that a comparatively large amount of energy can be stored in a comparatively small space, since gaseous substances in particular as carriers of chemical energy E (for example hydrogen) are very highly compressible and storable under appropriate pressure. This means that storage for large amounts of chemical energy C can be advantageously provided in or on a building even when space is relatively small.
  • the second energy converter 310 and the third energy converter 330 can be designed as an assembly 340, in particular as a reversible fuel cell 340, which can convert an energy amount of electrical energy E into an energy amount of chemical energy C in a process, this chemical energy C being converted back into the second energy storage 320 can be stored, and can carry out this process in reverse, from chemical energy C to electrical energy E.
  • thermal energy T is generated, which, like that in the electrolysis unit 310 and/or in the fuel cell 330/in the combined heat and power plant 330 resulting thermal energy T, can be stored in the first energy storage 220/230 of the first energy converter module 200.
  • the reversible fuel cell 340 as a second energy converter 310, in addition to the advantageous reduction in the number of individual components within the exemplary system 1000, it is also possible to effectively temporarily store excess amounts of energy, for example generated by the wind turbine 110 or by the photovoltaic unit 120, in the second energy storage 320 (for example as gas bottles or, due to the lower pressure of 30 to 40 bar, as a large-volume plastic tank or comparable; furthermore, in addition to gaseous storage, the chemical bonding of H 2 in ammonia can also take place as a liquid, for example if pressures of at least 9 bar can be applied during storage).
  • the second energy storage 320 for example as gas bottles or, due to the lower pressure of 30 to 40 bar, as a large-volume plastic tank or comparable; furthermore, in addition to gaseous storage, the chemical bonding of H 2 in ammonia can also take place as a liquid, for example if pressures of at least 9 bar can be applied during storage).
  • the operator of the exemplary system 1000 can be provided with an additional option, in addition to storing the excess amount of energy as thermal energy T in the corresponding short-term storage 220 or long-term storage 230, of storing the excess energy as chemical energy C, here too again aspects such as the efficiency of the respective conversion of electrical energy E into thermal energy T or into chemical energy C and/or the need for thermal and/or electrical energy T/E could be taken into account.
  • Advantageous reversible fuel cells 310 can be, for example, polymer electrolyte fuel cells (PEM) or solid oxide fuel cells (SOFC), the latter of which can partially achieve a power-to-power efficiency of up to 70%. Since this efficiency is significantly lower than in power-to-heat applications, the use of power-to-gas can be particularly advantageous if there is a significant excess of electrical energy E in the exemplary system 1000 and the heat storage devices 220, 230, for example are already very well or completely filled or the heat storage devices 220/230 are too small or not available, so that the power-to-gas system can be used as a supplement or alternative to the heat storage devices 220, 230.
  • PEM polymer electrolyte fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • first, primary load-dependent energy converter 210 for example in the form of a machine tool, a computing unit, etc.
  • the storage options for thermal energy T through short-term storage 220 and long-term storage 230 the conversion option of electrical energy E into chemical energy C through a second energy converter 310 (for example as an electrolysis unit 310) and corresponding storage options (second energy storage 320 for storing chemical energy C) as well as the possibility of converting chemical energy C into electrical energy E and / or thermal energy T
  • Both electrical energy E and thermal energy T are advantageously made available to the consumer modules 600, 800 (thermal consumer module 600/electrical consumer module 800) of the building 2000 continuously and as needed.
  • Discontinuous energy sources such as wind 10 and solar radiation 20 can have very different strengths depending on the weather, time of day or night, season and location (e.g. equator or poles as extreme examples) or, for example, fail completely or be unavailable.
  • the energy supply based on these discontinuous energy sources 10, 20 in the exemplary system 1000 can therefore be as high as possible (for example in summer, cloud-free and at midday when the solar radiation is 20 am is strongest and, for example, at the same time there is a correspondingly strong wind 10) to complete standstill (for example at night and when there is absolutely no wind, also referred to as a “dark calm”).
  • intermittent energy sources 10, 20 are very dependent on circumstances and cannot provide continuous energy (a continuous amount of energy), it may be appropriate to use a corresponding exemplary system 1000.
  • various forms of energy for example electrical energy E, for example as a first form of energy, thermal energy T, for example as a second form of energy and chemical energy C, for example as a third form of energy, as well as their possibilities for storage and conversion into the other Forms of energy can be used to recharge the storage options when the energy supply from the discontinuous energy sources 10, 20 is over-covered in relation to the energy consumption in the building 2000 or to consume the stored amount of energy when the energy supply is under-covered by the discontinuous energy sources 10, 20 in relation to the energy consumption of the building 2000.
  • electrical energy E (first form of energy) can be used as a continuous energy source through the public power grid 40, as well as through discontinuous energy sources such as wind 10 and/or solar radiation 20, which can be generated, for example, by means of a wind turbine 110 and/or a photovoltaic unit 120 of the first energy supply module 100 are converted into electrical energy E and made available to the first for further use
  • Energy converter module 200, the second energy converter module 300 and / or the electrical consumer module 800 of the building 2000 are supplied.
  • the third energy storage device 130 can be designed as a vanadium redox flow battery or as a lithium-ion battery or lithium iron phosphate battery.
  • the excess electrical energy E is either stored directly in the third energy storage 130 and/or converted into storable gas by, for example, the electrolysis unit 310/reversible fuel cell 310.
  • the exemplary system 1000 can have a second energy supply module 400, which generates chemical energy C based on a second energy source 30 by means of a second energy generator 410.
  • the second energy source 30 can in particular be biomass 30 as a renewable raw material.
  • wood 30 in the form of logs, pellets, etc. is particularly suitable for this.
  • other types of biomass for example other plant components
  • the chemical energy C generated can, for example, be stored again, for example in corresponding stores comparable to the second energy stores 320 of the second energy converter module 300.
  • the second energy provision module 400 can have a fourth energy converter 420, which converts the chemical energy C generated by the second energy generator 410 into thermal energy T.
  • a fourth energy converter 420 which converts the chemical energy C generated by the second energy generator 410 into thermal energy T.
  • the chemical energy C is converted into thermal energy T by combustion and made available to the exemplary system 1000 for use, for example in the form of heating the hot water circuit/hot water network of the building 2000, and further the thermal energy T ( at least partially) can be used to generate the chemical energy C in the second energy generator 410.
  • wood gasification boilers can advantageously be used for this purpose, in which the wood gasification by the second energy generator 410 (wood gasifier 410) is spatially separated from the wood gas combustion by the fourth energy converter 420 (wood gas burner 420) takes place, but the wood gasification boiler (having second energy generator 410 and fourth energy converter 420) is essentially an assembly.
  • the second energy supply module 400 can have a fourth energy storage 430 for storing the thermal energy T (for example second form of energy), wherein the fourth energy storage 430 can, for example, be in no or direct operative connection with the first energy storage 220/230 for storing the thermal energy T in order, for example, to be able to exchange an amount of thermal energy T with one another.
  • the fourth energy storage 430 can, for example, be in no or direct operative connection with the first energy storage 220/230 for storing the thermal energy T in order, for example, to be able to exchange an amount of thermal energy T with one another.
  • Another example aspect of the example system 1000 may be additional heat-generating devices.
  • the computing unit 210/the computing center 210 only generates heat in a corresponding amount if correspondingly extensive computing and/or storage operations are carried out by the computing unit 210/the computing center 210 (primary load-dependent conversion of electrical energy E into thermal Energy T), the required amount of heat cannot potentially be generated at all times.
  • the exemplary system 1000 has a heat pump 510 of an additional heating module 500, which increases the amount of thermal energy T in the system 1000 by reversing the heat-power process, in which additional electrical energy E may also be required. elevated.
  • the heat pump 510 uses the thermal energy T stored in the long-term storage 230 of the first energy storage 220/230, further increases this amount of thermal energy through the reverse heat-power process and then feeds it into the system 1000.
  • the consumer module 600 (thermal consumer module 600) of the building can have a drinking water consumer 610 with heated water and also one or more radiators 620 (or surface heating systems 620; see below) for heating the room air of the building 2000 as a consumer for thermal energy T exhibit.
  • the provision of drinking water (including heated drinking water) and the heating of the air in the building 2000 are usually basic requirements for every residential or office building.
  • the building 2000 can have an outbuilding 2100 (e.g. a workshop, a barn, a stable, etc.) which has at least one or more radiators 650 or surface heating systems 650 (such as underfloor heating, wall panel heating or ceiling heating) for heating the room air of the outbuilding 2100 .
  • the difference here lies particularly in the flow temperature that the respective heating systems require.
  • a 650 radiator usually requires a flow temperature of around 55 °C
  • a 650 panel heating system usually only needs a flow temperature of 35 °C.
  • Another exemplary aspect of the exemplary system 1000 may be an outdoor pool 700, whose heat requirements are also supplied from the building's heating network 640.
  • the special features of such an outdoor pool 700 can be its large amount of water and its exchange with the outside air at appropriate ambient temperatures. Both result in a large power loss Evaporative cooling (depending on the size of the water surface of the outdoor pool 700) and heat loss to the environment (depending on the outside temperature).
  • thermal energy T from the exemplary system 1000.
  • the large amount of water in the outdoor pool 700 (additional consumer 700) can play an advantageous role, since correspondingly large amounts of thermal energy T are “used” for the (additional) heating of this pool and can thus be withdrawn from the exemplary system 1000.
  • the outdoor pool 700 (additional consumer 700) enables a type of emergency cooling of the exemplary system 1000, but this only occurs, for example, if another use or storage of the thermal energy T in the exemplary system 1000 is not possible.
  • the first energy converter module 200 with the first, primary load-dependent energy converter 210 cannot convert electrical energy E into thermal energy T, and a conscious withdrawal of this electrical energy Energy E from the exemplary system 1000 is desired.
  • the electrical energy E can be converted into chemical energy C by conversion, for example by the second energy converter module 300, thereby already generating thermal energy T, which can be supplied to the outdoor pool 700.
  • the chemical energy C can then be converted either by storage in the second energy storage 320 or by conversion, in particular, into thermal energy T (for example in the third energy converter 330 or combined heat and power plant 330) and supplied to the outdoor pool 700 for release into the outside air.
  • control unit 900 for controlling the modules can be advantageous for the exemplary system 1000.
  • Brine-carrying lines can include, for example, aqueous solutions of salts or refrigerants, such as halogenated hydrocarbons or glycols, both from plant production and from fossil petroleum, as well as other fluids for heat transfer.
  • aqueous solutions of salts or refrigerants such as halogenated hydrocarbons or glycols
  • fluid-carrying lines for example pipes
  • containers for example tanks
  • hydrogen and / or methane or suspensions of silica gels, metal hydrides, zeolites or metal oxides, such as boron oxide in oily suspension for example hydrogen and / or methane or suspensions of silica gels, metal hydrides, zeolites or metal oxides, such as boron oxide in oily suspension.
  • FIG 3 shows an exploded view of an exemplary building 2000 with ancillary building 2100 with implementation of the exemplary system 1000.
  • photovoltaic units 120 are used to provide electrical energy E, which can be stored, for example, in the third energy storage device 130, which is designed here as a vanadium redox flow accumulator, for example Can be used for consumption in building 2000 or in the adjacent building 2100.
  • the third energy storage device 130 can be built on a separate foundation some distance from the outbuilding 2100 (see right side of FIG. 3).
  • the electrical energy E provided by the photovoltaic units 120 or released by the third energy storage device 130 can advantageously be converted into thermal energy T in the first, primary load-dependent energy converter 210.
  • Shown as an example is a server unit/computer unit with corresponding server racks that have water cooling, whereby the heated water, depending on the utilization of the computing unit, can be used, for example, for heating the building 2000 or the outbuilding 2100 within the exemplary system 1000.
  • the computing unit can be provided as the first, primary load-dependent energy converter 210, for example on the first floor of the adjacent building 2100.
  • the computing unit can of course also be provided at any other location in building 2000 or in the adjacent building 2100. It would be advantageous to create a structurally suitable room or installation location with thermal, acoustic and electromagnetic insulation.
  • the second energy converter 310 is provided for converting electrical energy E into chemical energy C, in order, for example, to carry out a corresponding conversion and subsequent storage of the chemical energy C in one of the second energy storage devices 320 in the event of excess electrical energy E. If electrical and/or thermal energy E/T is required, the stored chemical energy C can be retrieved again and electrical and/or thermal energy E/T can be produced by appropriate conversion or reconversion, for example in a fuel cell 330 or a combined heat and power plant 330 Consumption in building 2000 or in the adjacent building 2100 can be provided.
  • the exemplary building 2000 or outbuilding 2100 can also use a heat pump 510 to provide additional thermal energy in the exemplary system 1000, wherein advantageously the heat pump 510 can be arranged spatially in the vicinity of the short-term thermal storage 220 and/or the long-term thermal storage 230.
  • the heat generated (thermal energy T) can be stored, for example, in thermal short-term storage 220 for the short-term re-provision of this energy, or also in thermal long-term storage 230, such as a seasonal heat storage, for long-term re-provision.
  • This seasonal heat storage can be provided, for example, by means of brine pipes laid in loops between strip foundations of the outbuilding 2100 and release its heat (thermal energy T) into the material surrounding it for long-term storage.
  • a fifth energy storage device 240 designed as a thermochemical heat storage device 240 can be provided in the building 2000 or in the adjacent building 2100 in order to store the amount of heat generated in the long term.
  • the long-term thermal storage 230 can also be designed as a thermochemical heat storage 240 if, for example, the space in or on the building 2000 or outbuilding 2100 does not allow “classic” long-term thermal storage 230 such as an earth basin heat storage or a container heat storage
  • it can be too large and all thermal or thermochemical storage units have already been filled and therefore some kind of emergency cooling is required in order to reduce the total amount of energy (in particular total thermal energy amount) from the exemplary system 1000, for example an outdoor pool 700 can be used as additional thermal consumer 700 may be provided.
  • the overall amount of heat in the exemplary System 1000 can be significantly reduced.
  • charging stations/wall boxes 820, 830 may also be provided for charging electrically powered vehicles with electrical energy E, in particular in an exemplary garage.
  • exemplary building 2000 or outbuilding 2100 shown here and described as an example can also have further modules or parts of modules of the exemplary system 1000 described in FIG. 2, for example a second energy supply module 400, which is designed as a wood gasification boiler (having second energy generator 410 and fourth energy converter 420).
  • a second energy supply module 400 which is designed as a wood gasification boiler (having second energy generator 410 and fourth energy converter 420).
  • FIGS 4a to 7b which each show diagrams, deal with the topic of the energy balances of chemical, electrical and thermal energy C, E, T, particularly with regard to generation, consumption and storage by the respective modules or units, whereby the Diagrams show the energies as the area under the respective curve (integral) as power P in kW (y-axis) over a period of time t (x-axis).
  • Fig. 4a shows a diagram of heat absorption (values in the negative area of the power axis represent the consumption of heat) and heat emission (values in the positive area of the power axis represent heat generation) of the modules 200, 300, 500, 600, calculated as an example in a model calculation , 700 of the exemplary system 1000 in kW over a time range of the first quarter of a year (here the year 2022 as an example), starting from January.
  • the heat output of the first, primary load-dependent energy converter 210 which is designed here as a server for example, has two heat quantities 210Ta 210Tb.
  • the server has a heat quantity 210Ta due to a base server load and a load-dependent heat quantity 210Tb due to a specific utilization of the server by computing and/or storage processes. It can also be seen that the base load of the server emits a continuous amount of heat 210Ta over the quarter, while the load-dependent amount of heat 210Tb shows individual smaller fluctuations (for example due to isolated, significantly low server utilization).
  • a quantity of heat 310Ta released by the electrolysis unit 310 can be seen in the diagram according to FIG in the first quarter of the year, especially at the beginning of the year, and then decrease towards March.
  • Fig. 4b shows the continuation of the diagram from Fig. 4a over a time range of the second quarter of the exemplary year, starting from April.
  • the thermal energy E can be used as early as April of the year to generate a comparatively large amount of heat 700Ta for heating and maintaining the desired temperature of the building Outdoor pools accommodate 700.
  • the electrical energy E available in the model calculation based on weather data from the exemplary location (Thuringia, Thuringian Basin region), which is converted due to excess in the exemplary system 1000 in the electrolysis unit 310 and thus to generate the amount of heat released 310Ta is available. Since the days in April are still relatively short compared to summer, solar yields are only available for a limited time, so that the hydrogen storage 320 is discharged again overnight in order to make electrical energy E available for the technical systems.
  • the fuel cell 330 thus provides an amount of heat 330Ta to generate the required electrical power, which also contributes to the required amount of heat 700Ta.
  • Fig. 4c shows the continuation of the diagram from Fig. 4b over a time range of the third quarter of the exemplary year, starting from July.
  • Fig. 4d shows the continuation of the diagram from Fig. 4c over a time range of the fourth quarter of the exemplary year, starting from October.
  • the amount of heat from the seasonal storage 230/thermal long-term storage 230 is also increasingly used, which is fed into the exemplary system 1000 via the heat pump 510 as the amount of heat released 510Ta and from the respective consumers 610, 620, 650 and 700 can be used, with the outdoor pool 700 still being heated in October.
  • the heating of the outdoor pool 700 can therefore still be seen in October in the present model calculation, as the generation of electrical energy from renewable energy sources (such as wind 10 or solar energy 20) is already declining significantly in October, so that more and more electricity is being generated from hydrogen.
  • renewable energy sources such as wind 10 or solar energy 20
  • the outdoor pool 700 would only be heated as long as there was a real excess of heat in the exemplary system 1000. Only when the excess heat would no longer exist or a lack of heat would occur in the system 1000 would the exemplary system 1000 switch on the heat pump 510 to generate additional amounts of thermal energy 510Ta.
  • Fig. 5a shows a diagram of a charging power calculated as an example in the model calculation (values in the positive range of the power axis represent the absorption of chemical energy C) and extraction power (values in the negative range of the power axis represent the release of chemical energy C) of the second energy storage device 320, which is designed as a hydrogen storage device 320, of the exemplary system 1000 in kW over the time range of a year (here, for example, the year 2022) .
  • the charging power is below the extraction power of the second energy storage 320, which therefore leads to a sometimes significant reduction in the fill level of the second energy storage 320 within a short period of time (see also Fig. 5a).
  • the excess thermal energy T in the exemplary system 1000 is used to load/store the thermal long-term storage 230, as can be seen in particular in the periods from June to mid-September in FIGS. 4a to 4d. Since there is no removal of thermal energy T from the long-term thermal storage 230, the filling level of the long-term thermal storage 230 increases correspondingly quickly (see FIG. 7b).
  • the loading of the long-term thermal storage 230 can be more than 100% (for example approximately 110%), which is possible, for example, with a long-term thermal storage 230 designed as an earth-coupled heat storage if, for example, it has a temperature of more than 25 ° C, which is 100 % fill level would be considered.
  • thermal energy T thermal energy T
  • the waste heat from the electrolyzer 310 or the fuel cell 330 is used to generate additional heat (see, for example, Figs. 4a and 4b).
  • a demand-dependent amount of energy of the first form of energy for example electrical energy E
  • a demand-dependent amount of energy of the second form of energy for example thermal energy T
  • the essentially excess amount of energy is stored at a different time or simultaneously in step S104 the second form of energy into a first energy storage 220/230 of the first energy converter module 200, in step S105 converting the essentially excess amount of energy of the first form of energy into a third form of energy (for example chemical energy C) that is different from the first and second forms of energy by means of a second energy converter 310 of a second energy converter module 300, wherein during the conversion of the essentially excess amount of energy of the first form of energy into the third form of energy,
  • a third form of energy for example chemical energy C
  • the in the amount of energy stored in the first energy storage 220/230 for storing the second form of energy for consumption in the consumer module 600/800 in step S108 the delivery of the amount of energy stored in the second energy storage 320 for storing the third form of energy to a third energy converter 330, and in step S109 that Converting the amount of energy released by the second energy storage 320 for storing the third form of energy into an amount of energy of the first form of energy by means of the third energy converter 330 for consumption in the consumer module 600/800, wherein when converting the amount of energy released by the second energy storage 320 of the third form of energy into the first Energy form at the same time a part of the amount of energy released from the third form of energy is converted into the second form of energy and fed to the consumer module 600/800 for consumption.
  • 8b shows an example method for controlling an example system
  • control unit 900 for the continuous, needs-based energy supply of a building 2000/2100 by means of the control unit 900, which can be used in addition to or as an alternative to the exemplary method as shown and described in FIG. 8a.
  • the exemplary method can have step S110, which comprises generating an amount of energy of a first form of energy by means of a first energy generator 110/120 of the first energy provision module 100, wherein the generated amount of energy of the first form of energy is dependent on at least a first, discontinuous energy source 10/20 , in particular a renewable energy source such as solar energy 20 and/or wind energy 10.
  • step S110 comprises generating an amount of energy of a first form of energy by means of a first energy generator 110/120 of the first energy provision module 100, wherein the generated amount of energy of the first form of energy is dependent on at least a first, discontinuous energy source 10/20 , in particular a renewable energy source such as solar energy 20 and/or wind energy 10.
  • the exemplary method can carry out the step Sill at a different time or at the same time by storing a part of the essentially excess Amount of energy of the first form of energy in a third energy storage 130 of the first energy provision module 100, step S112 storing the essentially excess amount of energy of the second form of energy in the first energy storage 220/230 of the first energy converter module 200, step S113 converting another part of the essentially excess amount of energy the first form of energy into the third form of energy by means of the second energy converter 310 of the second energy converter module 300, wherein during the conversion of the other part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy into the third form of energy, at the same time a part of the other part of the essentially excess amount of energy of the first form of energy is converted into the second form of energy and supplied to the first energy storage 220
  • the exemplary method can carry out step S115 at a different time or at the same time the amount of energy stored in the third energy storage 130 for storing the first form of energy for consumption in the consumer module 600/800, the step S116 releasing the amount of energy stored in the first energy storage 220/230 for storing the second form of energy for consumption in the consumer module 600/800, the step 5117 Delivering the amount of energy stored in the second energy storage 320 for storing the third form of energy to the third energy converter 330, and the step
  • the exemplary method can be designed in such a way that storing the excess amount of energy of the different forms of energy in the energy stores, releasing the amount of energy of the different forms of energy stored in the energy stores and converting the excess or released amount of energy of the different forms of energy into one controlled by the control unit 900 controlled order, whereby the control unit 900 is set up to determine the order depending on a primary load (for example, carrying out arithmetic operations in a server/a computing unit, machining a workpiece on a machine tool, etc.) of the first, primary load-dependent energy converter 210 and a requirement of the consumer module 600/800 to control an amount of energy of the first form of energy and an amount of energy of the second form of energy.
  • a primary load for example, carrying out arithmetic operations in a server/a computing unit, machining a workpiece on a machine tool, etc.
  • the exemplary method can be designed such that the first energy storage 220/230 includes a short-term storage 220 for short-term storage of the amount of energy of the second form of energy and a long-term storage 230 for medium- to long-term storage of the amount of energy of the second form of energy, the control unit 900 also doing this is set up to control the storage of the amount of energy of the second form of energy in the first energy storage 220/230 so that primarily the amount of energy is stored in the short-term storage 220, and secondarily the amount of energy of the second form of energy is stored in the long-term storage 230.
  • step S119 can generate an amount of energy of the third form of energy by means of a second energy generator 410 of a second energy supply module 400, wherein the generation of an amount of energy of the third form of energy by the second energy generator 410 depends on at least one of the first energy sources 10, 20, 40 different second energy source 30 is, in step S120 includes converting the generated amount of energy of the third form of energy into the second form of energy by means of a fourth energy converter 420 of the second energy provision module 400, and in step S121 storing the amount of energy of the second form of energy in a fourth energy storage 430 of the second energy provision module 400, the control unit 900 doing this is set up to control the generation, conversion and storage of the amount of energy by the second energy supply module 400 depending on the energy requirement of the consumer module 600/800 and the availability of the second energy source 30.
  • the exemplary method in step S122 can include the consumption of an excess amount of energy of the second form of energy by an additional consumer 700 that is different from the at least one consumer of the consumer module 600/800 of the building 2000/2100 if the energy storage for storing the second form of energy has essentially no capacity have more for an additional amount of energy of the second form of energy in order to reduce the total amount of energy in the exemplary system 1000, in particular the amount of energy of the second form of energy.
  • the exemplary method can be designed such that the first form of energy is electrical energy E, the second form of energy is thermal energy T and the third form of energy is chemical energy C.
  • the exemplary method can in step S123 allow or stop a supply of electrical energy from the public power grid 40 into the exemplary system 1000 by means of a connection of the exemplary system 1000 to the public power grid 40 or in step 124 allow or stop a feed-in of electrical energy into the public power grid 40 from the exemplary system 1000 by means of the connection of the exemplary system 1000 to the public power grid 40.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System (1000) zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes (2000), mit einem ersten Energiebereitstellungsmodul (100) zur Bereitstellung einer Energiemenge einer ersten Energieform, einem ersten Energiewandlermodul (200), das einen ersten, primärlastabhängigen Energiewandler (210) zur primärlastabhängigen Umwandlung eines Teils der bereitgestellten Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform und einen ersten Energiespeicher (220/230) zur Speicherung einer Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, einem Verbrauchermodul (600/800), das mindestens einen Verbraucher des Gebäudes (2000) zum Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, und einer Steuereinheit (900) zur Steuerung der Module des Systems (1000), wobei das System (1000) ferner ein zweites Energiewandlermodul (300) aufweist, das einen zweiten Energiewandler (310) zur Umwandlung eines anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird, einen zweiten Energiespeicher (320) zur Speicherung der Energiemenge der dritten Energieform aufweist, und einen dritten Energiewandler (330/340) zur Umwandlung einer gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung der gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird.

Description

SYSTEM ZUR KONTINUIERLICHEN, BEDARFSGERECHTEN ENERGIEVERSORGUNG EINES GEBÄUDES, VERFAHREN ZUM STEUERN EINES SYSTEMS ZUR KONTINUIERLICHEN, BEDARFSGERECHTEN ENERGIEVERSORGUNG EINES GEBÄUDES UND STEUEREINHEIT ZUM
STEUERN EINES SYSTEMS ZUR KONTINUIERLICHEN, BEDARFSGERECHTEN ENERGIEVERSORGUNG EINES GEBÄUDES SOWIE COMPUTERPROGRAMMPRODUKT
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes, ein Verfahren zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes, eine Steuereinheit zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes und ein Computerprogrammprodukt.
Hintergrund
Im Hinblick auf die optimale Nutzung von zur Verfügung stehender Energie und insbesondere im Hinblick auf die potentiellen Auswirkungen eines zu hohen, oftmals unnötigen Energieverbrauchs, der beispielsweise zu erhöhten CO2-Emissionen in der Energieerzeugung und damit beispielsweise zu einer Beförderung des Klimawandels usw. führt, ist es mehr denn je ein Ziel, Anlagen und Maschinen, deren Hauptaufgabe beispielsweise in der Produktion von Bauteilen oder in der Bereitstellung von IT-Services (wie Berechnungen und/oder Speichermöglichkeiten usw.) liegt, für die Wärmeerzeugung und damit für das Beheizen von anderen Bereichen, beispielsweise Wohn- und Bürogebäuden, aber auch Ställen usw., zu verwenden.
In der Regel der Fälle werden diese Maschinen und Anlagen mit elektrischer Energie betrieben, wobei durch Antriebe oder große Prozessoreneinheiten ein Großteil der elektrischen Energie in thermische Energie (Wärme) umgewandelt wird. Diese thermische Energie wird im Wesentlichen ausschließlich als Abwärme über entsprechende Kühlsysteme der Umgebung, insbesondere der Außenluft, zugeführt. Das bedeutet, dass ein wesentlicher Teil der dem System zugeführten Energie ungenutzt wieder an die Umgebung abgegeben wird, wodurch entsprechend mehr Ressourcen zur Erzeugung der elektrischen Energie und zum Beheizen der Gebäude verbraucht werden müssen, als notwendig.
Aus dem Stand der Technik sind Möglichkeiten bekannt, beispielsweise die Abwärme von Servern durch eine entsprechend modellierte Wasserkühlung für weitere Zwecke zu verwenden, anstatt sie einfach der Umgebung zuzuführen.
In diesem Zuge der Idee, die Abwärme von diesen Maschinen und Anlagen für weitere Zwecke zu nutzen, ergibt sich aber oftmals das Problem, dass diese Maschinen bzw. Anlagen teilweise nicht kontinuierlich mit gleicher Last (Primärlast des Produzierens von Bauteilen bzw. Primärlast des Durchführens von Rechenoperationen usw.) betrieben werden, sodass auch entsprechend keine kontinuierliche Erzeugung von thermischer Energie (als eine Art Sekundärlast) stattfinden kann.
Dabei können teilweise die Primärlasten der Maschinen bzw. Anlagen derart großen Schwankungen unterliegen, dass für die Versorgung beispielsweise eines Gebäudes eine kontinuierliche Bereitstellung von Wärme nicht möglich ist, sodass der Bedarf nach einem System, das die Schwankungen von Über- und Untererzeugung von elektrischer und thermischer Energie vorteilhaft nutzt, um eine entsprechend kontinuierliche Versorgung eines Gebäudes mit elektrischer und thermischer Energie zu sichern, besteht.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Nachteile ist es ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ein verbessertes System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes sowie ein entsprechend verbessertes Verfahren zur Steuerung des Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung des Gebäudes bereitzustellen, mit dem die Probleme und Nachteile der bereits bekannten Lösungen vermieden werden und stattdessen die produzierte Energiemenge kontinuierlich nutzbar und speicherbar gemacht wird.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes, ein Verfahren zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes, eine Steuereinheit zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes und ein Computerprogrammprodukt.
Insbesondere werden zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes gemäß Anspruch 24, eine Steuereinheit zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes gemäß Anspruch 33 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 34 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen einige beispielhaft bevorzugten Ausführungsformen.
Gemäß einem Aspekt wird ein beispielhaftes System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes vorgeschlagen, mit einem ersten Energiebereitstellungsmodul zur Bereitstellung einer Energiemenge einer ersten Energieform, einem ersten Energiewandlermodul, das einen ersten, primärlastabhängigen Energiewandler zur primärlastabhängigen Umwandlung eines Teils der bereitgestellten Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform und einen ersten Energiespeicher zur Speicherung einer Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, einem Verbrauchermodul, das mindestens einen Verbraucher des Gebäudes zum Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, und einer Steuereinheit zur Steuerung der Module des Systems, wobei das System ferner ein zweites Energiewandlermodul aufweist, das einen zweiten Energiewandler zur Umwandlung eines anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird, einen zweiten Energiespeicher zur Speicherung der Energiemenge der dritten Energieform aufweist, und einen dritten Energiewandler zur Umwandlung einer gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung der gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird.
Insbesondere kann die Steuereinheit die Module des Systems derart steuern, dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, im Wesentlichen die überschüssige Energiemenge zeitlich versetzt oder gleichzeitig in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform und in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeichert wird, und dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Wesentlichen die in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform und die in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherte Energiemenge, nachdem sie in eine Energiemenge der ersten und/oder der zweiten Energieform umgewandelt wurde, für das Verbrauchen im Verbrauchermodul wieder abgegeben wird.
Die Steuereinheit des beispielhaften Systems kann die Speicher- und Entladevorgänge der Energiespeicher dahingehend vorteilhaft steuern, dass der Speichervorgang des Energiespeichers der zweiten Energieform gleichzeitig mit dem Speichervorgang des Energiespeichers der dritten Energieform erfolgt. Sowohl eine zeitlich versetzte Speicherung der unterschiedlichen Energieformen als auch eine nacheinander erfolgende Speicherung sind möglich. Das gleiche gilt für die Entladevorgänge der Speicher, die ebenfalls zeitlich gesteuert werden können. Dabei können verschiedenen Bedingungen als Maßgabe/Abhängigkeit (beispielsweise aufgrund verschiedener Wirkungsgrade der einzelnen Energieformen zur jeweils anderen Energieform bei Umwandlung oder Bedarf an einer entsprechenden Energieform zum Verbrauchen im Gebäude etc.) herangezogen werden, wann welcher Speicher wie be- bzw. entladen wird.
Durch das beispielhafte System kann trotz primärlastabhängiger Umwandlung von beispielsweise elektrischer Energie (beispielsweise erste Energieform) in beispielsweise thermische Energie (beispielsweise zweite Energieform), was teilweise zu einer sehr schwankungsbehafteten Erzeugung und damit Bereitstellung von thermischer Energie (Wärme) für die Versorgung des Gebäudes führen kann, eine kontinuierliche Versorgung des Gebäudes mit elektrischer und thermischer Energie sichergestellt werden.
Einen überraschend positiven Effekt auf dieses System hat die Verwendung der dritten Energieform (beispielsweise chemische Energie) als eine Art Kompensationsenergieform für den Bedarf an der ersten Energieform (beispielsweise elektrische Energie) und/oder an der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie) für die kontinuierliche Versorgung von Maschinen und Anlagen, des Gebäudes und seine technischen Einheiten/Module.
Dabei kann entsprechend bei Energieüberschuss (es steht mehr Energie bereit, als verbraucht wird), insbesondere elektrischer Energieüberschuss, die überschüssige Energie in chemische Energie umgewandelt und für spätere Zeiten, in denen beispielsweise zu wenig elektrische, aber auch zu wenig thermische Energie für die Versorgung der Maschinen und Anlagen sowie für die Versorgung des Gebäudes bereitsteht, gespeichert werden. Aus der gespeicherten chemischen Energie kann bei Bedarf wieder elektrische sowie thermische Energie zurückzugewonnen und diese für die kontinuierliche Versorgung der Maschinen und Anlagen sowie des Gebäudes und/oder deren technischen Einheiten/Module vorteilhaft verwendet.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode liegt unter anderem in der Speichermöglichkeit von vergleichsweise großen Energiemengen chemischer Energie auf vergleichsweise kleinem Raum, da chemische Energie (beispielsweise Gase wie Wasserstoff, Methan etc.) unter mäßigem Druck (beispielsweise im Bereich von 30 bis 40 bar) gut komprimierbar sind, wobei die für das Erreichen dieser Druckniveaus benötigte Energiemenge zum Komprimieren der Gase (beispielsweise eine dafür verwendete elektrische Energiemenge) vergleichsweise überschaubar ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Methode besteht in der Möglichkeit, Gase wie Wasserstoff auf mehrere Arten für die Rückgewinnung von thermischer bzw. elektrischer Energie zu nutzen. Eine Variante wäre beispielsweise die Verbrennung des Wasserstoffs in einer entsprechenden Vorrichtung, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, eine andere Variante wäre beispielsweise die Nutzung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle.
Auch die sogenannte kalte Verbrennung in der Brennstoffzelle liefert Abwärme um 55 °C. Bei einem Blockheizkraftwerk liegen die Abgastemperaturen meist bei 300 °C bis 400 °C. Damit kann in beiden Fällen Abwärme, einerseits im Niedrig- bis Mitteltemperaturbereich und andererseits im Hochtemperaturbereich, sowie elektrische Energie für die weitere Verwendung im beispielhaften System bereitgestellt werden.
Hierdurch kann auf verschiedenen Wegen und insbesondere im Hinblick darauf, welche Energieform (thermische oder elektrische) in welcher Qualität zusätzlich benötigt wird, trotz der schwankungsbehafteten Bereitstellung bzw. Erzeugung von thermischer Energie (aufgrund der Primärlastabhängigkeit des ersten Energiewandlers) eine kontinuierliche Versorgung des Gebäudes mit elektrischer und thermischer Energie gewährleistet werden und dabei der Betrieb der Maschinen/Anlagen (beispielsweise Werkzeugmaschinen, Recheneinheiten usw.) sowie der technischen Einheiten/Module (beispielsweise der Wärmepumpe) des Gebäudes und damit des beispielhaften Systems gewährleistet bzw. unterstützt werden.
Durch das beispielhafte System wird es ermöglicht, die jeweiligen Vor- und Nachteile der verschiedenen Energieformen wie elektrische (beispielsweise erste Energieform), thermische (beispielsweise zweite Energieform) und chemische (beispielsweise dritte Energieform) Energieformen vorteilhaft für die kontinuierliche Versorgung des Gebäudes zu nutzen. Während beispielsweise die Umwandlung von elektrischer Energie zu thermischer Energie mit sehr hohen Wirkungsgraden einhergeht, kann eine Speicherung von sehr großen Mengen elektrischer Energie oder Wärme problematisch sein, da derartige Speicher viel Platz verbrauchen oder durch deren Investitionssummen zu unwirtschaftlichen Gesamtsystemen führen, wohingegen die Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie mit einem etwas schlechteren Wirkungsgrad erfolgt, jedoch die Speicherung von chemischer Energie (beispielsweise in Form von Gas/Brenngas) aufgrund der Verdichtung Möglichkeiten bietet, eine höhere Energiedichte bei der Speicherung von chemischer Energie im Vergleich zu elektrischer bzw. thermischer Energiespeicherung zu realisieren. Je nach Ausmaß des Energieüberschusses oder Energiemangels bzw. Bedarf an einer bestimmten Energieform kann das System vorteilhaft verwendet werden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das erste Energiebereitstellungsmodul einen ersten Energieerzeuger zur Erzeugung einer Energiemenge der ersten Energieform aufweist, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle ist, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle wie Solarenergie und/oder Windenergie.
Wird die elektrische Energie (beispielsweise erste Energieform) durch erneuerbare Energien bereitgestellt, wird das Problem der kontinuierlichen Energieversorgung des Gebäudes noch komplexer und damit noch deutlicher. Bei der Erzeugung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energien erfreuen sich insbesondere Photovoltaikanlagen auf entsprechenden Gebäudedächern oder im dazugehörigen Grundstück großer Beliebtheit. Auch kleine Lösungen von Windkraftanlagen (bspw. Windräder, vertikale Windkraftanlagen etc.) sind heutzutage auf dem Markt erhältlich und werden immer beliebter. Ein Problem dieser Energiequellen, insbesondere der Energie durch Sonneneinstrahlung (Solarenergie) und der Energie durch Strömung von Luft (Windenergie), ist die Verfügbarkeit. Zur Nachtzeit, wenn keine Sonne scheint, kann entsprechend keine Solarenergie erzeugt werden. Das gleiche passiert, wenn es windstill ist, dann kann kein Windrad elektrische Energie zur Nutzung erzeugen. Kommt beides zusammen, handelt es sich um eine sogenannten „Dunkelflaute".
Ein weiteres Problem besteht darin, dass es oftmals tagsüber, wenn beispielsweise die Sonne scheint und somit genutzt werden kann, um Energie zu produzieren, an entsprechenden Abnehmern fehlt, insbesondere in privaten Haushalten, da der Großteil der Bevölkerung tagsüber einer Tätigkeit außerhalb des eigenen Hauses nachgeht und somit die daheim erzeugte Energie oftmals nicht vollständig für die eigenen Geräte und Hilfsmittel (wie beispielsweise Beleuchtung, Rechentechnik und Drucker etc.) genutzt werden kann. Ein vergleichbares Problem besteht ebenfalls mit der Windenergie, die zwar grundsätzlich zu jeder Tages- und Nachtzeit produziert werden könnte, aber nur, wenn denn auch Wind weht, wobei im Idealfall auch zu dieser Zeit die erzeugte Energie verbraucht wird.
Durch das beispielhafte System wird es ermöglicht, dass die aus diskontinuierlichen Energiequellen wie beispielsweise Sonnenstrahlung (mittels Photovoltaik- bzw. Solaranlagen) oder Strömung von Luft (mittels Windkraftanlagen) erzeugte Energiemenge Tag und Nacht zur Versorgung eines Gebäudes bereitgestellt werden kann.
Dabei werden die Zeiten von Energieüberschuss genutzt, um die Energiespeicher zu füllen, um in Zeiten von geringerer Energieerzeugung durch Photovoltaikeinheiten und/oder Windrädern, insbesondere Zeiten, in denen weniger Energie erzeugt als durch Verbraucher des Gebäudes verbraucht wird, die fehlende Energiemenge auszugleichen.
Auch bei dem Einsatz von diskontinuierlichen Energiequellen wie Solarenergie und Windenergie für die Bereitstellung von elektrischer Energie hat sich die Verwendung von chemischer Energie als Kompensationsenergieform als überaus positiv herausgestellt, da ebenfalls die Schwankungen bei der Bereitstellung der elektrischen Energie durch das oben bereits beschriebene System überaus vorteilhaft genutzt bzw. ausgeglichen werden konnten, um eine kontinuierliche Versorgung des Gebäudes mit elektrischer und thermischer Energie zu gewährleisten. Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das erste Energiebereitstellungsmodul einen dritten Energiespeicher zur Speicherung einer
Energiemenge der ersten Energieform aufweist.
Insbesondere kann die Steuereinheit die Module des Systems derart steuern, dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, im Wesentlichen die überschüssige Energiemenge zeitlich versetzt oder gleichzeitig in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform, in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform und in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeichert wird, und dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Wesentlichen die in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform, die in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform, nachdem diese in eine Energiemenge der ersten und/oder der zweiten Energieform umgewandelt wurde, und die in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherte Energiemenge für den Verbrauch im Verbrauchermodul wieder abgegeben wird.
Durch die beispielhafte Weiterbildung wird ermöglicht, dass auch Energiemengen der ersten Energieform (beispielsweise elektrische Energie) vorteilhaft gespeichert werden können, um beispielsweise bei sehr hohen Überschüssen an beispielsweise elektrischer Energie diese zumindest kurzzeitig zu speichern/zu puffern und sie beispielsweise für die Umwandlung in chemische Energie für die längerfristige Speicherung bereitzustellen oder umgekehrt, die bei der Umwandlung von chemischer Energie beispielsweise in thermische Energie entstehende zusätzliche elektrische Energie zu speichern und sie bei Bedarf wieder dem beispielhaften System bereitzustellen. Dabei kann auch hier die Steuereinheit die Speicher- und Entladevorgänge des Elektrospeichers gemäß der bereits beschriebenen Speicher- und Entladevorgänge steuern.
Nicht nur das bzw. die Verbrauchermodule des Gebäudes können mit den gespeicherten und wieder bereitgestellten Energien versorgt werden, sondern auch die Maschinen und Anlagen als primärlastabhängige Wärmeerzeuger sowie die technischen Einheiten/Module des Gebäudes und damit insgesamt des beispielhaften Systems selbst. Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das erste Energiewandlermodul einen fünften Energiespeicher aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Energiemenge der zweiten Energieform in eine Energiemenge der dritten Energieform umzuwandeln und diese zu speichern, wobei der fünfte Energiespeicher dazu eingerichtet ist, die gespeicherte Energiemenge der dritten Energieform zurück in eine Energiemenge der zweiten Energieform umzuwandeln.
Durch den fünften Energiespeicher kann in vorteilhafter Weise die Energiemenge der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie) direkt in eine Energiemenge der dritten Energieform (beispielsweise chemische Energie) umgewandelt und für das Speichern im fünften Energiespeicher vorbereitet werden. Darüber hinaus ist der fünfte Energiespeicher dazu eingerichtet, diesen Vorgang reversibel durchzuführen, sodass die gespeicherte Energiemenge der dritten Energieform in eine Energiemenge der zweiten Energieform zurückgewandelt wird und diese (zweite Energieform) für das Einspeisen in das beispielhafte System durch den fünften Energiespeicher bereitgestellt werden kann.
Der fünfte Energiespeicher kann vorteilhaft im beschriebenen System verwendet werden, da, neben dem Überschuss an elektrischer Energie, auch ein Überschuss an thermischer Energie im beispielhaften System vorliegen kann. Beispielsweise kann ein solcher thermischer Überschuss vorliegen, wenn die primärlastabhängigen Wärmeerzeuger voll ausgelastet und sämtliche anderen thermischen Speicher voll beladen sind, aber weniger Wärme in den Verbrauchermodulen des Gebäudes verbraucht wird, als erzeugt wird, sodass ein chemischer Wärmespeicher hier vorteilhaft eingesetzt werden kann. Ein weiteres Beispiel der vorteilhaften Verwendung des chemischen Wärmespeichers kann die Speicherung der bei der Rückumwandlung der im dritten Energiespeicher gespeicherten chemischen Energie durch den dritten Energiewandler erzeugte Wärmeenergie sein.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Primärlast des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers und eines Bedarfs des Verbrauchermoduls an einer Energiemenge der ersten Energieform und einer Energiemenge der zweiten Energieform zu steuern. Insbesondere der Faktor Auslastung der Primärlast des ersten Energiewandlers kann ein für die Steuerung des Systems relevanter Parameter sein, um zum einen die zu erzeugende thermische Energiemenge zu bestimmen und damit auch zu „planen", zum anderen aber auch die produzierbare thermische Energie stets mit dem Bedarf des Verbrauchermoduls des Gebäudes abzugleichen und hier, beispielsweise bei einer Überproduktion/Übererzeugung von thermischer Energie, eine entsprechende Speicherung der überschüssigen thermischen Energie einzuleiten. Gleiches gilt natürlich bei einem Überschuss an elektrischer Energie, die ebenfalls entsprechend vorteilhaft entweder direkt gespeichert oder aber zunächst in eine andere Energieform, beispielsweise thermische und/oder chemische Energie, umgewandelt und entsprechend gespeichert werden kann.
Aber auch andere Parameter wie Verfügbarkeit an Speicherkapazität der einzelnen Energieformen oder die kurzzeitige Bereitstellung von vergleichsweise großen Energiemengen, beispielsweise großen Energiemengen an elektrischer Energie für beispielsweise energieintensive Fertigungsprozesse können in vorteilhafter Weise eine Berücksichtigung bei der Steuerung des Systems finden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der erste Energiespeicher einen Kurzzeitspeicher zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfasst.
In besonders vorteilhafter Weise bietet es sich an, für die Speicherung der thermischen Energie einen Kurzzeitspeicher (beispielsweise einen sogenannten Schichtenspeicher, Pufferspeicher oder Wärmepuffer, die beispielsweise mit Wasser gefüllt sind) in Kombination mit einem Langzeitspeicher (beispielsweise einem sogenannten Saisonalspeicher oder Jahreszeitspeicher) vorzusehen. Während bereits kleinere Mengen thermischer Energie (beispielsweise neben den thermischen Energiemengen der primärlastabhängigen Wärmeerzeuger auch thermische Energiemengen bei der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie und deren Rückumwandlung im zweiten bzw. dritten Energiewandler) hervorragend in einem Kurzzeitspeicher gespeichert und über den Tag bis hin zu wenigen Tagen zur Nutzung im Gebäude abgegeben werden können, können größere Mengen an Wärmeenergie (wie beispielsweise die thermischen Energiemengen der primärlastabhängigen Wärmeerzeuger) für die langfristige Speicherung und Abgabe der Wärme über mehrere Wochen bis hin zu Monaten im Langzeitspeicher gespeichert werden. Dabei können die Wärmemengen im Kurzzeit- sowie im Langzeitspeicher nicht nur für die reine Beheizung des Gebäudes, sondern natürlich auch zur Trinkwassererwärmung verwendet werden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der Kurzzeitspeicher und der Langzeitspeicher in direkter Wirkverbindung miteinander stehen, sodass eine Energiemenge der zweiten Energieform zwischen dem Kurzzeitspeicher und dem Langzeitspeicher ausgetauscht werden kann.
Durch die direkte Wirkverbindung kann ein Wärmeaustausch direkt zwischen den beiden Speichern stattfinden und muss nicht erst in das Wärmenetz eingespeist werden, was zu einer einfacheren Umspeicherung von Wärmemengen führt. Die direkte Wirkverbindung kann beispielsweise durch eine unmittelbare Verbindung der beiden Speicher (Kurzzeitspeicher und Langzeitspeicher) mit wasserführenden Leitungen oder vergleichbarem erfolgen. Ferner kann ein Wärmeaustausch auch beispielsweise über einen Plattenwärmetauscher stattfinden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher erfolgt.
Wie bereits beschrieben kann eine Speicherung der Wärmemenge zunächst im Kurzzeitspeicher sinnvoll sein (um sie beispielsweise über den restlichen Tag oder über die Nacht verteilt wieder abzugeben und das Gebäude zu heizen bzw. das Warmwasser aufzubereiten), während beispielsweise eine überschüssige Wärmemenge, nachdem der Kurzzeitspeicher gefüllt ist oder zumindest zum Teil gefüllt ist, in dem Langzeitspeicher gespeichert werden kann. Es können aber auch noch andere Randbedingungen infrage kommen, um die Reihenfolge der Speicherung der Wärmemenge zu bestimmen.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der zweite Energiewandler zur Umwandlung der ersten Energieform in die dritte Energieform und der dritte Energiewandler zur Umwandlung der dritten Energieform in die erste Energieform des zweiten Energiewandlermoduls eine Baugruppe ist, die dazu eingerichtet ist, den Prozess zur Umwandlung der dritten Energieform in die erste Energieform als reversiblen Prozess der Umwandlung der ersten Energieform in die dritte Energieform durchzuführen. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des beispielhaften Systems kann die Anzahl der einzelnen Komponenten insgesamt im System etwas geringer gehalten werden, sodass eine Steuerung der Komponenten durch die Steuereinheit vereinfacht wird. Insbesondere kann das beispielhafte System derart vorteilhaft ausgestaltet sein, wenn es sich bei der Umwandlung der ersten Energieform in die dritte Energieform und der dritten Energieform in die erste Energieform um eine direkte bzw. einstufige Umwandlung der ursprünglichen Energieform in die Zielenergieform handelt.
Das beispielhafte System kann vorteilhaft weitergebildet werden mit einem zweiten Energiebereitstellungsmodul, das einen zweiten Energieerzeuger zur Erzeugung der dritten Energieform aufweist, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle verschiedenen zweiten Energiequelle ist, wobei das zweite Energiebereitstellungsmodul ferner einen vierten Energiewandler zur Umwandlung der dritten Energieform in die zweite Energieform aufweist.
Das beispielhafte System kann durch ein zusätzliches Energiebereitstellungsmodul vorteilhaft erweitert werden, da neben den bisherigen regenerativen bzw. erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind nun auch beispielsweise Holz als nachwachsender Rohstoff verwendet werden kann. Dieser zweite Energieerzeuger ermöglicht es, auf Bedarf zugeschaltet zu werden und somit das System zunächst durch Gaserzeugung als dritte Energieform zu unterstützen und im weiteren Verlauf durch die Umwandlung der chemischen Energie in Wärmeenergie Wärme in das System einzuspeisen und beispielsweise den Kurzzeitspeicher und/oder den Langzeitspeicher mit Wärmemengen zu versorgen bzw. aufzufüllen. Ferner kann hierdurch auch der fünfte Energiespeicher mit thermischer Energie beladen werden. Der Vorteil liegt beispielsweise darin, dass Wärme aus dem fünften Speicher (chemischer Wärmespeicher) bedarfsgerecht abgegeben werden kann, während der beispielsweise als Holzscheitvergaser ausgebildete zweite Energieerzeuger mit seiner gesamten bestückten Holzmenge abbrennt und die Energie dabei zwingend vollständig im Verlauf weniger Stunden bereitstellt.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das zweite Energiebereitstellungsmodul einen vierten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform aufweist, wobei der vierte Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform in keiner oder in direkter Wirkverbindung mit dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform zum Austausch einer Energiemenge der zweiten Energieform steht.
Insbesondere ist es natürlich vorteilhaft, wenn das zweite Energiebereitstellungsmodul ferner über einen eigenen Energiespeicher zur Speicherung von Wärmemengen verfügt, der gegebenenfalls mit dem Kurzzeitspeicher in Verbindung steht und dadurch Wärmemengen von dem Energiespeicher des zweiten Energiebereitstellungsmoduls an den ersten Energiespeicher übertragen werden können.
Das beispielhafte System kann vorteilhaft mit einem zu dem mindestens einen Verbraucher des Verbrauchermoduls des Gebäudes verschiedenen Zusatzverbraucher zum Verbrauchen einer Energiemenge der zweiten Energieform, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Zusatzverbraucher derart zu steuern, dass, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform (beispielsweise der thermische Kurzzeit- und Langzeitspeicher oder der chemische Wärmespeicher) im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, eine überschüssige Energiemenge der zweiten Energieform (die beispielsweise durch die Auslastung der primärlastabhängigen Wärmeerzeuger und/oder der Umwandlung von elektrischer in chemischer Energie und deren Rückumwandlung entsteht) dem Zusatzverbraucher zum Verbrauchen zugeführt wird, um die Gesamtenergiemenge im System, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
Dieser Zusatzverbraucher ist in der Lage, große Energiemengen an thermischer Energie (zweite Energieform) aus dem System herauszunehmen, falls beispielsweise eine viel zu große Menge an thermischer Energie bereits im System vorhanden ist und es einer Art „Notkühlung" des Systems bedarf und/oder beispielsweise sämtliche Speicher bereits voll geladen sind. Beispielsweise kann hierfür ein beheizbarer Außenpool genutzt werden, dessen große Wassermenge erhitzt wird und dadurch die potenziell überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass die erste Energieform eine elektrische Energie ist, die zweite Energieform eine thermische Energie ist und die dritte Energieform eine chemische Energie ist.
Das beispielhafte System eignet sich insbesondere für die kombinierte Verwendung/Nutzung von elektrischer, thermischer und chemischer Energie. Wie bereits beschrieben, weist jede Energieform Vor- und Nachteile hinsichtlich Produktion, Umwandlung und Speicherung auf. Je nach Situation bzw. Verfügbarkeit von Energiequellen (wie beispielsweise Sonnen- und Windenergie bzw. Energie aus nachwachsenden Rohstoffen wie Holz bzw. allgemein pflanzlichen Stoffen) oder des Energiebedarfs des Gebäudes (beispielsweise Bedarfsunterschiede an Energie des Gebäudes zwischen Sommersaison und Wintersaison und/oder Bedarf durch primärlastabhängigen Wärmerzeuger wie Server/Recheneinheiten, Werkzeugmaschinen, Verpackungsanlagen usw.) kann es vorteilhaft sein, die eine Energieform einer anderen vorzuziehen.
Dabei können die Vorteile jeder einzelnen Energieform in dem beispielhaften System dazu verwendet werden, das Energiemanagement effizienter und bedarfsgerechter zu steuern.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass die Baugruppe eine reversible Brennstoffzelle ist, die in einem Prozess eine Energiemenge von elektrischer Energie in eine Energiemenge von chemischer Energie umwandeln und diesen Prozess umgekehrt, von chemischer Energie zu elektrischer Energie, durchführen kann.
Als ein Bestandteil des beispielhaften Systems kann vorteilhaft eine reversible Brennstoffzelle vorgesehen sein, die elektrische Energie in chemische Energie (beispielsweise zu Brenngas wie Wasserstoff, Ammoniak oder Methan) umwandeln kann und dazu ferner in der Lage ist, diesen Prozess umgekehrt durchzuführen. Hierdurch kann vorteilhaft zwischen den beiden Energieformen gewechselt werden und je nach Bedarf (beispielsweise der Bedarf an einer Energieform oder der Bedarf bezüglich besonderer Eigenschaften wie bessere Speicherbarkeit etc.) die dafür (besser) passende Energieform ausgewählt und entsprechend umgewandelt bzw. rückgewandelt werden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das System ferner eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz aufweist, wobei die Steuereinheit für das Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in das System und für das Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie aus dem System in das öffentliche Stromnetz eingerichtet ist.
Durch die Anbindung an das öffentliche Stromnetz kann in Zeiten, in denen eine systemeigene Produktion von Energie (wie durch Sonne und Wind, beispielsweise bei der sogenannten „Dunkelflaute") nicht möglich ist oder nicht ausreichend ist und/oder die Speicher des beispielhaften Systems quasi geleert sind, auf eine Energieversorgung des Systems von außerhalb zurückgegriffen werden. Darüber hinaus kann eine solche Anbindung aber auch dazu genutzt werden, zusätzliche Mengen an Energie in das System einzuspeisen und gegebenenfalls zu speichern, was vor allem vorteilhaft sein kann, wenn beispielsweise die Kosten für die Energiemengen gerade vergleichsweise günstig sind (beispielsweise der Vergleich von Preisen für Nachtstrom mit den Preisen für Strom tagsüber oder wenn durch Wind und Sonne besonders viel Ökostrom zur Verfügung steht bzw. wenn weniger Strom nachgefragt wird).
Dabei wird das beispielhafte System derart durch die Steuereinheit gesteuert, dass die Erzeuger elektrischer Energie jederzeit in Summe so viel Strom erzeugen, wie die Verbraucher der elektrischen Energie verbrauchen. Erzeuger können dabei beispielsweise Windrad/Photovoltaikeinheit sein. Verbraucher können beispielsweise technische Anlagen (wie beispielsweise der erste, primärlastabhängige Energiewandler oder der zweite Energiewandler) und Haushaltselektronik sein. Elektrische Speicher (wie beispielsweise der dritte Energiespeicher) können durch ihre Fähigkeit, sowohl elektrische Leistung aufzunehmen, als auch in einem anderen Moment elektrische Leistung abzugeben, jeweils mittels Steuerung durch die Steuereinheit zur Leistungsaufnahme in der Höhe der im Moment überschüssigen elektrischen Leistung geregelt werden und damit den Verbrauchern zugerechnet werden. In einem anderen Moment mit einem Defizit elektrischer Leistung, d. h. einem höheren Verbrauch an elektrischer Leistung/Energie durch die Verbraucher im Gegensatz zur erzeugten elektrischen Energie durch die Erzeuger, können die elektrischen Speicher mittels Steuerung durch die Steuereinheit zur elektrischen Leistungsabgabe in jeweils der Höhe geregelt werden, in der das Defizit elektrischer Leistung besteht. Damit können die elektrischen Speicher im zweiten beispielhaft beschriebenen Fall den elektrischen Erzeugern zugerechnet werden. In beiden Fällen ist der elektrische Leistungsdurchgang zum öffentlichen Stromnetz Null. Dabei schwingt das interne Stromnetz weiterhin mit 50 Hertz synchron zum öffentlichen Stromnetz, jedoch ohne Leistungsdurchgang (auch als Parallelbetrieb bezeichnet).
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das System eine Wärmepumpe aufweist, die die Energiemenge der thermischen Energie in dem System durch Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses erhöht, wobei die Wärmepumpe dabei die in dem Langzeitspeicher des ersten Energiespeichers gespeicherte thermische Energie nutzt.
Durch eine Wärmepumpe als weiteren vorteilhaften Bestandteil des beispielhaften Systems kann die Energiemenge (beispielsweise pro Liter Wasser oder pro Kubikmeter Luft) weiter erhöht werden, da sie den Wärme-Kraft-Prozess umkehrt und durch zusätzlich verrichtete Arbeit die Wärmemenge erhöht, wobei die zusätzliche Wärmemenge vorteilhaft dem beispielhaften System und insbesondere vorteilhaft den Speichern für die zweite Energieform zugeführt werden kann. Die Wärmepumpe kann beispielhaft die durch die Umwandlung von chemischer Energie erzeugten elektrischen und thermischen Energien nutzen, um die Wärmemenge im beispielhaften System weiter zu erhöhen.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der Langzeitspeicher des ersten Energiespeichers ein saisonaler Wärmespeicher, insbesondere ein Erdbecken-Wärmespeicher ist.
Durch die Nutzung sogenannter saisonaler Wärmespeicher kann die erzeugte bzw. umgewandelte Energiemenge der zweiten Energieform (Wärme) für eine vergleichsweise lange Zeit gespeichert und über diesen langen Zeitraum dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, einen Erdbecken-Wärmespeicher zu verwenden, da dieser beispielsweise im Fundament eines Gebäudes angeordnet werden kann, sodass ein zusätzlicher, größerer Platzbedarf im oder in unmittelbarer Nähe des Gebäudes für diese Form der saisonalen Wärmespeicher nicht erforderlich ist. Ferner kann ein saisonaler Wärmespeicher auch als ein in mehreren Ebenen geschichteter, geothermisch wirksamer Erdflächenkollektor mit hydraulischer Einspeise- und Entnahmefähigkeit thermischer Energie sowie oberer und seitlicher Dämmung ausgebildet sein.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der erste Energiewandler eine Rechnereinheit ist, die als Primärlast Rechenoperationen durchführt und die primärlastabhängig elektrische Energie in thermische Energie durch das Durchführen der Rechenoperationen umwandelt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des beispielhaften Systems besteht darin, dass zur Erzeugung bzw. Umwandlung von Wärme (beispielsweise zweite Energieform) aus elektrischer Energie (beispielsweise erste Energieform) eine Recheneinheit wie beispielsweise eine Server-Struktur oder ein ganzes Rechenzentrum Anwendung findet, dessen Primärlast zwar die Rechenoperationen sind, aber als eine Art Sekundärlast aus elektrischer Energie thermische Energie entsteht, die dem System zur Nutzung und insbesondere zur Versorgung des Gebäudes bereitgestellt werden kann.
Da diese Rechensysteme eine erhebliche Menge an elektrischer Energie benötigen, die durch die Rechenprozesse selbst vor allem in Wärme umgewandelt wird, ist es nur vorteilhaft, diese erzeugte Wärme zu nutzen und beispielsweise ein Gebäude zu beheizen und/oder zur Warmwasseraufbereitung zu verwenden, anstatt sie über eine Kühlanlage an die Umgebung abzugeben.
Die Nutzung von Recheneinheiten zur Wärmeerzeugung ist vorteilhaft, da die Digitalisierung in der Gesellschaft immer weiter voranschreiten wird und somit ohnehin Rechenkapazitäten auch in Zukunft benötigt werden, um den Bedarf an Servern und Speicherplätzen zu decken.
Auch andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Werkzeugmaschinen, Fertigungsanlagen, Logistiksysteme usw., die über entsprechend energieintensive Antriebe, Hydraulikeinheiten und/oder Steuerungen verfügen, die entsprechend auch viel Abwärme produzieren, können als primärlastabhängige Energiewandler zur primärlastabhängigen Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie genutzt werden.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der zweite Energieerzeuger des zweiten Energiebereitstellungsmoduls ein Holzvergaserkessel ist und der vierte Energiewandler ein Holzgasverbrenner ist, wobei Holzvergaserkessel und Holzgasverbrenner eine Baugruppe sind.
Zur weiteren Energiezufuhr kann es sinnvoll sein, das beispielhafte System durch einen Holzvergaserkessel zu erweitern. Dieser kann durch eine autotherme Reaktion Holz vergasen und dadurch entsprechend brennbares Gas erzeugen, was in einem zu dem Holzvergaserkessel zugehörigen Holzgasverbrenner zur Wärmeerzeugung genutzt wird. Holz zählt zu den nachwachsenden und damit „grünen" und erneuerbaren Rohstoffen für die Energiegewinnung, auch wenn dadurch beispielsweise im Vergleich zum Betrieb eines Windrades oder einer Solaranlage wieder klimaschädliches CO2 und Feinstaub entstehen. Die heutigen modernen Holzvergaserkessel mit Holzgasverbrenner können im Vergleich zu anderen Festbrennstoffkesseln, durch automatisch geregelte Verbrennung und elektrische Feinstaubabscheider, sehr niedrige Schadstoffemissionswerte und sehr hohe Wirkungsgrade erreichen.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der dritte Energiespeicher zur Speicherung der elektrischen Energie ein Vanadium-Redox-Flow- Akkumulator oder ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
Vorteilhaft können verschiedene Arten von Akkumulatoren für das Speichern der elektrischen Energie (beispielhaft erste Energieform) genutzt werden, wobei Vanadium-Redox- Flow-Akkumulatoren im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine deutlich höhere Betriebssicherheit aufweisen, da ihr Elektrolyt aufgrund eines hohen Wasseranteils weder brennbar noch explosiv ist und dadurch Vanadium-Redox-Flow-Akkumulatoren auch Kurzschlüsse unbeschadet überstehen können. Zudem bieten Vanadium-Redox-Flow- Akkumulatoren den Vorteil, dass sie dauerstabil sind, wodurch, im Hinblick auf das Elektrolyt, theoretisch unendlich viele Ladezyklen ohne Verringerung der Ladekapazität möglich sind. Es können aber auch andere Akkumulatoren, beispielsweise andere Feststoff-Akkumulatoren wie Lithium-Eisenphosphat(LiFePO4)-Akkumulatoren genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines vorgenannten Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes mittels einer Steuereinheit vorgeschlagen, aufweisend: Bereitstellen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energiebereitstellungsmoduls, primärlastabhängiges Umwandeln eines Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform mittels eines ersten primärlastabhängigen Energiewandlers eines ersten Energiewandlermoduls, Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform durch mindestens einen Verbraucher eines Verbrauchermoduls des Gebäudes, wobei, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in einen ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls, Umwandeln der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform mittels eines zweiten Energiewandlers eines zweiten Energiewandlermoduls, wobei bei der Umwandlung der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher zum Speichern zugeführt wird, und Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in einen zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls, und/oder, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an einen dritten Energiewandler, und Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul zum Verbrauchen zugeführt wird.
Die bereits in Bezug auf das beispielhafte System genannten Vorteile können natürlich gleichermaßen für das beispielhafte Verfahren gelten, sodass diese hier nicht noch einmal wiederholt werden.
Das beispielhafte Verfahren kann vorteilhaft weitergebildet werden mit Erzeugen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energieerzeugers des ersten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle ist, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle wie Solarenergie und/oder Windenergie.
Das beispielhafte Verfahren kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Speichern eines Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in einen dritten Energiespeicher des ersten Energiebereitstellungsmoduls, Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls, Umwandeln eines anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform mittels des zweiten Energiewandlers des zweiten Energiewandlermoduls, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher zum Speichern zugeführt wird, und Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in dem zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls, und/oder, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Abgeben der in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an den dritten Energiewandler, und Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul zum Verbrauchen zugeführt wird.
Das beispielhafte Verfahren kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, dass das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von einer Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Primärlast des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers und eines Bedarfs des Verbrauchermoduls an einer Energiemenge der ersten Energieform und einer Energiemenge der zweiten Energieform zu steuern.
Das beispielhafte Verfahren kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass der erste Energiespeicher einen Kurzzeitspeicher zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfasst, wobei die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher erfolgt.
Das beispielhafte Verfahren kann vorteilhaft weitergebildet werden mit Erzeugen einer Energiemenge der dritten Energieform mittels eines zweiten Energieerzeugers eines zweiten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle verschiedenen zweiten Energiequelle ist, Umwandeln der erzeugten Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform mittels eines vierten Energiewandlers des zweiten Energiebereitstellungsmoduls, und Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in einem vierten Energiespeicher des zweiten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Erzeugen, Umwandeln und Speichern der Energiemenge durch das zweite Energiebereitstellungsmodul in Abhängigkeit von dem Energiebedarf des Verbrauchermoduls und der Verfügbarkeit der zweiten Energiequelle zu steuern.
Das beispielhafte Verfahren kann vorteilhaft weitergebildet werden mit Verbrauchen einer überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform durch einen zu dem mindestens einen Verbraucher des Verbrauchermoduls des Gebäudes verschiedenen Zusatzverbraucher, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, um die Gesamtenergiemenge im System, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
Das beispielhafte Verfahren kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass die erste Energieform eine elektrische Energie ist, die zweite Energieform eine thermische Energie ist und die dritte Energieform eine chemische Energie ist.
Das beispielhafte Verfahren kann vorteilhaft weitergebildet werden mit Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in das System mittels einer Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz oder Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz aus dem System mittels der Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine beispielhafte Steuereinheit zum Steuern eines vorgenannten Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zum Steuern des Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung des Gebäudes vorgenannter Art durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein beispielhaftes Computerprogrammprodukt mit einem auf einem computerlesbaren Datenspeichermedium gespeicherten Computerprogramm, das ausführbar an einer vorgenannten Steuereinheit oder in einem mit einer Steuereinheit verbundenen Computer ist und das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren vorgenannter Art zu steuern, vorgeschlagen.
Gemäß eines weiteren Beispiels wird ein beispielhaftes System zur kontinuierlichen Energieversorgung eines Gebäudes vorgeschlagen, mit einem ersten Energiebereitstellungsmodul, das einen ersten Energieerzeuger zur Erzeugung einer Energiemenge einer ersten Energieform aufweist, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten Energiequelle ist, einem ersten Energiewandlermodul, das einen ersten Energiewandler zur Umwandlung eines Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform und einen ersten Energiespeicher zur Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, einem zweiten Energiewandlermodul, das einen zweiten Energiewandler zur Umwandlung eines anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform, einen zweiten Energiespeicher zur Speicherung der Energiemenge der dritten Energieform und einen dritten Energiewandler zur Umwandlung einer gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform aufweist, einem Verbrauchermodul, das mindestens einen Verbraucher des Gebäudes zum Verbrauchen einer Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, und einer Steuereinheit zur Steuerung der Module des Systems, wobei die erste Energiequelle für die Erzeugung der ersten Energieform eine diskontinuierliche Energiequelle ist.
Insbesondere kann die Steuereinheit die Module des Systems derart steuern, dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, im Wesentlichen die überschüssige Energiemenge zeitlich versetzt oder gleichzeitig in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform und in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeichert wird, und dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Wesentlichen die in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform und die in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherte Energiemenge für das Verbrauchen im Verbrauchermodul wieder abgegeben wird.
Durch das beispielhafte System kann eine vergleichsweise große Menge an überschüssig produzierter elektrischer Energie gespeichert werden (beispielsweise durch Umwandlung oder direkter Speicherung) und dadurch das Einspeisen dieser überschüssigen Energiemenge ins öffentliche Stromnetz vermieden werden, was wiederum zur Netzstabilität beiträgt. Sollten die Speicher der verschiedenen Energieformen (wie elektrische Energie, thermische Energie und chemische Energie) im Wesentlichen voll ausgeschöpft (voll geladen) sein, kann das System über einen Zusatzverbraucher (wie beispielsweise einen beheizbaren Außenpool etc.) große Energiemengen an die Umgebung abgeben und somit die überschüssigen Energiemengen aus dem System herausgenommen werden, ohne die Energiemenge dem öffentlichen Stromnetz zuzuführen und damit potenziell zu einer Instabilität des öffentlichen Netzes beizutragen.
Die Steuereinheit des beispielhaften Systems kann zudem die Speicher- und Entladevorgänge der Energiespeicher dahingehend vorteilhaft steuern, dass der Speichervorgang des Energiespeichers der zweiten Energieform (elektrische Energie) gleichzeitig mit dem Speichervorgang des Energiespeichers der dritten Energieform (chemische Energie) erfolgt. Sowohl eine zeitlich versetzte Speicherung der unterschiedlichen Energieformen als auch eine nacheinander erfolgende Speicherung sind möglich. Das gleiche gilt für die Entladevorgänge der Speicher, die ebenfalls zeitlich gesteuert werden können. Dabei können verschiedenen Bedingungen als Maßgabe/Abhängigkeit (beispielsweise aufgrund verschiedener Wirkungsgrade der einzelnen Energieformen zur jeweils anderen Energieform bei Umwandlung oder Bedarf an einer entsprechenden Energieform zum Verbrauch im Gebäude etc.) herangezogen werden, wann welcher Speicher wie be- bzw. entladen wird.
Das bespielhafte System kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, dass das erste Energiebereitstellungsmodul einen dritten Energiespeicher zur Speicherung einer Energiemenge der ersten Energieform aufweist.
Insbesondere kann dabei die Steuereinheit die Module des Systems derart steuern, dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, im Wesentlichen die überschüssige Energiemenge zeitlich versetzt oder gleichzeitig in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform, in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform und in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeichert wird, und dass, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte bzw. bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Wesentlichen die in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform, die in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform und die in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherte Energiemenge für das Verbrauchen im Verbrauchermodul wieder abgegeben wird.
Das beispielhafte System kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass das Speichern der durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugten, überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit eines Wirkungsgrades zwischen erzeugter, gespeicherter und umgewandelter Energiemenge festgelegt wird, und wobei der höhere Wirkungsgrad Vorrang gegenüber dem niedrigeren Wirkungsgrad hat.
Insbesondere die Berücksichtigung der verschiedenen Wirkungsgrade bei der Steuerung, wann, wie und zu welcher anderen Energieform die produzierte bzw. die überschüssige Energiemenge (beispielsweise elektrische Energie, oder aber auch eine der beiden anderen Energieformen) umgewandelt wird, trägt zu einer optimalen Nutzung der durch die diskontinuierlichen Energiequellen wie Sonne und Wind bereitgestellten Energie bei.
Während beispielsweise bei einem vergleichsweise sehr großen Energieüberschuss eine Umwandlung der überschüssigen Energiemenge mit einem schlechteren Wirkungsgrad, dafür aber mit einer viel größeren Speicherkapazität, unter Umständen sinnvoll ist, kann bei einem vergleichsweise nur geringen Energieüberschuss die Umwandlung der überschüssigen Energiemenge mit möglichst hohem Wirkungsgrad, aber dafür mit geringeren Speicherkapazitäten, sinnvoller sein. Darüber hinaus können aber auch Parameter wie Verfügbarkeit (beispielsweise während der Speicher für chemische Energie bereits zu 80 % gefüllt ist und der Speicher für elektrische Energie nur zu 20 % gefüllt ist, wird bevorzugt der elektrische Speicher weiter gefüllt usw.) an Speicherkapazität der einzelnen Energieformen eine Berücksichtigung finden oder anstehende Veränderungen im Energiebedarf, beispielsweise in den wärmeren Zeiten (Spätfrühling bis Frühherbst) des Jahres wird weniger thermische Energie (Wärmeenergie) benötigt als beispielsweise in den kälteren Zeiten des Jahres, sodass beispielsweise ab Ende Sommer des jeweiligen Jahres verstärkt die Wärmespeicher des Systems aufgefüllt werden sollten. Dies kann ebenfalls maßgeblich bzw. zusätzlich maßgeblich sein für die Steuerung des Systems und der Verarbeitung der überschüssigen Energie.
Für weitere vorteilhafte, beispielhafte Weiterbildungen des Ausführungsbeispiels des beispielhaften Systems wird auf die vorgenannten Weiterbildungsbeispiele des beispielhaften Systems verwiesen.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines vorgenannten Systems zur kontinuierlichen Energieversorgung eines Gebäudes mittels einer Steuereinheit vorgeschlagen, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energieerzeugers eines ersten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle ist, Umwandeln eines Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform mittels eines ersten Energiewandlers eines ersten Energiewandlermoduls, Verbrauchen der Energiemenge der ersten Energieform und/oder der Energiemenge der zweiten Energieform durch mindestens einen Verbraucher des Gebäudes eines Verbrauchermoduls, wobei, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in einen ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls, Umwandeln der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform mittels eines zweiten Energiewandlers eines zweiten Energiewandlermoduls, und Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in einen zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls, wobei, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an einen dritten Energiewandler, und Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul.
Die bereits in Bezug auf das Beispiel des beispielhaften Systems genannten Vorteile können natürlich gleichermaßen für das Ausführungsbeispiel des beispielhaften Verfahrens gelten, sodass diese hier nicht noch einmal wiederholt werden.
Das beispielhafte Verfahren kann, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig ein Speichern eines Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in einen dritten Energiespeicher des ersten Energiebereitstellungsmoduls, ein Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in den ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls, ein Umwandeln eines anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform mittels des zweiten Energiewandlers des zweiten Energiewandlermoduls, und ein Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in einen zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls umfassen, wobei das beispielhafte Verfahren ferner, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig ein Abgeben der in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, ein Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, ein Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an einen dritten Energiewandler, und ein Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul umfassen kann.
In dem beispielhaften Verfahren kann das Speichern der durch das erste Energiebereitstellungsmodul erzeugten, überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgen, wobei die Reihenfolge beispielsweise in Abhängigkeit eines Wirkungsgrades zwischen erzeugter, gespeicherter und umgewandelter Energiemenge festgelegt wird, und wobei der höhere Wirkungsgrad Vorrang gegenüber dem niedrigeren Wirkungsgrad hat. Alternativ oder ergänzend kann die Reihenfolge beispielsweise in Abhängigkeit eines Kostenmodells zwischen erzeugter, gespeicherter und umgewandelter Energiemenge festgelegt werden. Das Kostenmodell wird durch Gestehungskosten, Betriebskosten und Wirkungsgrade beeinflusst. Niedrigere Gestehungs- und Betriebskosten haben Vorrang gegenüber höheren Gestehungs- und Betriebskosten. Der höhere Wirkungsgrad hat Vorrang vor dem niedrigeren Wirkungsgrad.
In dem beispielhaften Verfahren kann der erste Energiespeicher einen Kurzzeitspeicher zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfassen, wobei der Kurzzeitspeicher und der Langzeitspeicher in direkter Wirkverbindung miteinander stehen, sodass die Steuereinheit einen Austausch einer Energiemenge der zweiten Energieform zwischen dem Kurzzeitspeicher und dem Langzeitspeicher steuern kann.
In dem beispielhaften Verfahren kann die Steuereinheit das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher so steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher erfolgt.
Das beispielhafte Verfahren kann ein Erzeugen einer Energiemenge der dritten Energieform mittels eines zweiten Energieerzeugers eines zweiten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle verschiedenen zweiten Energiequelle ist, ein Umwandeln der erzeugten Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform mittels eines vierten Energiewandlers des zweiten Energiebereitstellungsmoduls, und ein Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in einem vierten Energiespeicher des zweiten Energiebereitstellungsmoduls umfassen, wobei die Steuereinheit das Erzeugen, Umwandeln und Speichern der Energiemenge durch das zweite Energiebereitstellungsmodul in Abhängigkeit von dem Energiebedarf des Systems und der Verfügbarkeit der zweiten Energiequelle steuert.
Das beispielhafte Verfahren kann ein Verbrauchen einer überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform durch einen zu dem mindestens einen Verbraucher des Gebäudes des Verbrauchermoduls verschiedenen Zusatzverbraucher umfassen, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, um die Gesamtenergiemenge im System zu reduzieren.
In dem beispielhaften Verfahren kann die erste Energieform eine elektrische Energie, die zweite Energieform eine thermische Energie und die dritte Energieform eine chemische Energie sein.
Das beispielhafte Verfahren kann ein Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in das System mittels einer Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz umfassen oder ein Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz aus dem System mittels der Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz umfassen.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird eine beispielhafte Steuereinheit zum Steuern eines vorgenannten Systems zur kontinuierlichen Energieversorgung eines Gebäudes vorgeschlagen, wobei die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, ein vorgenanntes Verfahren zum Steuern des vorgenannten Systems zur kontinuierlichen Energieversorgung des Gebäudes durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein beispielhaftes Computerprogrammprodukt mit einem auf einem computerlesbaren Datenspeichermedium gespeicherten Computerprogramm, das ausführbar an einer vorgenannten Steuereinheit oder in einem mit einer Steuereinheit verbundenen Computer ist und das dazu eingerichtet ist, ein vorgenanntes Verfahren zu steuern, vorgeschlagen. Weitere Aspekte und deren Vorteile als auch Vorteile und speziellere Ausführungsmöglichkeiten der vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale werden aus den folgenden, jedoch in keinster Weise einschränkend aufzufassenden Beschreibungen und Erläuterungen zu den angehängten Figuren beschrieben.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt eine Übersicht zur systematischen Einordnung des beispielhaften Systems in die Versorgungsstruktur eines Gebäudes bzw. der Anlagen und Maschinen eines Gebäudes und den Energieversorgern,
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des beispielhaften Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes unter Nutzung eines ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers eines ersten Energiewandlermoduls,
Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung eines beispielhaften Gebäudes mit Nebengebäude mit Implementierung des beispielhaften Systems,
Fig. 4a zeigt ein Diagramm einer in einer Modellrechnung beispielhaft berechneten Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe der Module des beispielhaften Systems in kW über einen Zeitbereich des ersten Quartals eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022), beginnend ab Januar,
Fig. 4b zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4a über einen Zeitbereich des zweiten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab April,
Fig. 4c zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4b über einen Zeitbereich des dritten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab Juli,
Fig. 4d zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4c über einen Zeitbereich des vierten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab Oktober,
Fig. 5a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung und Entnahmeleistung des beispielhaft als Wasserstoffspeicher ausgebildeten zweiten Energiespeichers des beispielhaften Systems in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022), Fig. 5b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des zweiten Energiespeichers (beispielhaft Wasserstoffspeicher) des beispielhaften Systems in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022),
Fig. 6a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung und Entnahmeleistung des beispielhaft als Vanadium-Redox-Flow- Akkumulator ausgebildeten dritten Energiespeichers des beispielhaften Systems in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022),
Fig. 6b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des dritten Energiespeichers (beispielhaft Vanadium-Redox-Flow-Akkumulator) des beispielhaften Systems in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022),
Fig. 7a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung und Entnahmeleistung des thermischen Langzeitspeichers des beispielhaften Systems in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022),
Fig. 7b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des thermischen Langzeitspeichers (beispielhaft als erdgekoppelter Wärmespeicher ausgebildet) des beispielhaften Systems in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022),
Fig. 8a zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines beispielhaften Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes mittels der
Steuereinheit,
Fig. 8b zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines beispielhaften Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes mittels der Steuereinheit, das in Ergänzung oder alternativ zum beispielhaften Verfahren wie in Fig. 8a gezeigt und beschrieben, angewendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die Gegenstände der vorliegenden Offenbarung in keinster Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt sind, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Fig. 1 zeigt eine Übersicht zur systematischen Einordnung des beispielhaften Systems 1000 in die Versorgungsstruktur eines Gebäudes 2000/2100 bzw. der Anlagen und Maschinen eines Gebäudes 2000/2100 und den Energieversorgern 40/45.
Dabei wird in Darstellung a) ganz allgemein dargestellt, wie das Gebäude 2000/2100 als Verbraucher im Wesentlichen an die Versorgung mit elektrischer Energie E eines Stromversorgers (öffentliches Stromnetz 40) und beispielsweise an die Versorgung mit chemischer Energie C eines beispielsweisen Erdgasversorgers 45 angebunden ist.
Das beispielhafte System 1000 wird, wie in Darstellung b) gezeigt, zwischen den Energieversorgern 40/45 und dem Gebäude 2000/2100 als Verbraucher geschaltet.
Dabei kann, wenn ein Bedarf an einer primären Last (hier als Bedarf an Rechenkapazität 50 dargestellt) vorliegt, ein primärlastabhängiger Energiewandler wie beispielsweise eine Recheneinheit bzw. ein Rechenzentrum im beispielhaften System 1000 für die Erzeugung der Wärme im Gebäude 2000/2100 (durch Verbrauch/Umwandlung von elektrischer Energie E in thermische Energie T durch Rechenprozesse) verwendet werden, wobei dadurch beispielhaft die Versorgung des Gebäudes 2000/2100 mit Erdgas durch einen Erdgasversorger 45 entfallen kann (typischerweise wird Erdgas für das Beheizen des Gebäudes 2000/2100 genutzt, in einigen Fällen auch zum Kochen im Gebäude 2000/2100). Zudem kann dadurch das Verbrennen von fossilen Energieträgern weitestgehend vermieden werden.
Da aber die Primärlastabhängigkeit beispielsweise zu einer Schwankung in der Erzeugung der Wärme für das Gebäude 2000/2100 führen kann, ist es vorteilhaft, hierfür Maßnahmen zu ergreifen, um eine kontinuierliche Energieversorgung des Gebäudes 2000/2100 mit elektrischer Energie E, als auch mit thermischer Energie T zu erreichen. Dafür wird im Folgenden unter Fig. 2 das beispielhafte System 1000 genauer erläutert. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des beispielhaften Systems 1000 zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes 2000 (für eine detailliertere Ansicht des Gebäudes, siehe Fig. 3) unter Nutzung eines ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers 210 eines ersten Energiewandlermoduls 200.
Innerhalb der vorliegenden technischen Lehre wird unter der Primärlast die wertschöpfende Tätigkeit einer Vorrichtung (Maschine, Anlage, System usw.) verstanden, wie beispielsweise das Bearbeiten eines Bauteils durch eine Werkzeugmaschine, das Ausführen von Rechenoperationen und/oder Speichervorgängen bei einer Recheneinheit usw.
In Abhängigkeit des Umfangs/der Last der wertschöpfenden Tätigkeit (Umfang der Primärlast) wird durch diese Vorrichtungen die für die Wertschöpfung benötigte Energieform (erste, zweite, dritte Energieform) zumindest zu einem Teil in eine andere Energieform (erste, zweite, dritte Energieform) umgewandelt. Beispielsweise kann aus einer elektrischen Energie E (beispielsweise erste Energieform), die die Vorrichtung beispielsweise zum Bearbeiten eines Werkstücks oder zum Ausführen von Rechenoperationen benötigt, ein Teil beispielsweise in thermische Energie T (beispielsweise zweite Energieform) umgewandelt werden. Diese in Wärme (thermische Energie T) umgewandelte Energiemenge könnte vorteilhaft für andere Zwecke (wie beispielsweise das Beheizen von Privat- und/oder Bürogebäuden, das Beheizen von landwirtschaftlichen Einrichtungen wie Ställen usw.) nutzbar gemacht werden.
Häufig sind derartige Produktionsprozesse oder auch die Nutzung von Servern/Recheneinheiten entsprechenden, teils großen Schwankungen ausgesetzt, beispielsweise kann die Werkzeugmaschine, die gerade aufgrund von Wartung/Einrichtung kein Bauteil bearbeitet, auch keine nutzbare Abwärme erzeugen oder die Recheneinheit bei zu geringer Nutzung ebenfalls kaum nutzbare Abwärme erzeugen.
Diese Form der Erzeugung/Umwandlung der thermischen Energie T ist somit den Schwankungen der Auslastungen/des Umfangs der Primärlast der Vorrichtungen unterworfen, sodass eine kontinuierliche Versorgung der Gebäude/Einrichtungen mit thermischer Energie T kaum gewährleistet werden kann.
Im Folgenden soll anhand des beispielhaften Systems 1000 das Zusammenwirken von verschiedenen Komponenten, teilweise auch verschieden ausgestalteten Komponenten (Einheiten, Module) des beispielhaften Systems 1000 erläutert werden, wobei je nach Kombination und Erweiterung des beispielhaften Systems 1000 weitere positive Effekte erläutert werden. Wird elektrische Energie E (beispielsweise erste Energieform) bereitgestellt, kann eine Umwandlung dieser elektrischen Energie E oder zumindest eines Teils dieser elektrischen Energie E (bzw. der Energiemenge der elektrischen Energie E) beispielsweise in thermische Energie T (beispielsweise zweite Energieform) durch den ersten, primärlastabhängigen Energiewandler 210 des ersten Energiewandlermoduls 200 vorteilhaft erfolgen. Insbesondere kann dabei ein hoher Wirkungsgrad, vergleichbar mit den hohen Wirkungsgraden bei Power- to-Heat-Systemen, zunächst vorteilhaft gegenüber anderen Umwandlungen (beispielsweise Power-to-Gas) sein.
Hierfür kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn beispielsweise in dem ersten Energiewandlermodul 200 eine Recheneinheit 210/ein Rechenzentrum 210 als erster Energiewandler 210, das mittels der bereitgestellten elektrischen Energie E Rechenoperationen und/oder Speichervorgänge durchführt, ein Teil bzw. ein Großteil der elektrischen Energie E in thermische Energie T umgewandelt wird und diese für das System 1000 nutzbar macht, beispielweise indem es die thermische Energie T, die sonst üblich als Abwärme an die Umgebung bzw. über Kühlsysteme an die Umwelt abgegeben wurde, in die Wärmeversorgung des Gebäudes 2000 einspeist.
Hierdurch kann sehr effektiv zum einen die in das beispielhafte System 1000 eingebrachte elektrische Energie E in thermische Energie T umgewandelt werden und dabei gleichzeitig Rechenkapazität und Speicherkapazität mittels einer Recheneinheit 210/eines Rechenzentrums 210 bereitgestellt werden, was im Zuge der Digitalisierung der Gesellschaft und verschiedenster Prozesse zunehmend wichtiger und daher in den nächsten Jahren bzw. Jahrzehnten gefragt sein wird.
Dabei kann die Recheneinheit 210/das Rechenzentrum 210 beispielsweise als Serverstruktur mit weltweiten Zugriffsmöglichkeiten ausgebildet sein und/oder aber als Intranet, beispielweise innerhalb großer Firmen/Konzerne, genutzt werden und dadurch einen Mehrwert für die Firmen ergeben.
Darüber hinaus können auch andere Vorrichtungen wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder große Anlagen (wie beispielsweise Verpackungsanlagen, Sortieranlagen usw.) als erste Energiewandler 210 genutzt werden, da diese Vorrichtungen oftmals über eine Vielzahl von Antrieben und/oder hydraulischen Einheiten verfügen, die teilweise gekühlt werden müssen. Ein weiteres Beispiel ist die Reibung des Werkzeugs einer Werkzeugmaschine bei der Bearbeitung eines Werkstücks, wodurch ebenfalls Wärme erzeugt wird, die oftmals mit einem sogenannten Kühl-Schmiermittel vom Werkstück weggetragen wird. Ebenfalls können aber auch chemische Anlagen, die beispielweise während der chemischen Umwandlung von Stoffen „nebenbei" Wärme erzeugen, als erste Energiewandler 210 genutzt werden.
Doch nicht nur die Wärmeerzeugung (Umwandlung von elektrischer Energie E oder chemischer Energie C in thermische Energie T) kann ein vorteilhafter Bestandteil des beispielhaften Systems 1000 sein, auch die Speicherung der thermischen Energie T (bzw. der thermischen Energiemenge) kann dabei auf verschiedenste Weisen vorteilhaft berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, einen Kurzzeitspeicher 220 (bzw. diurnaler Speicher) als ersten Energiespeicher 220/230 für die kurzzeitige Speicherung (beispielsweise mehrere Stunden bis wenige Tage) der thermischen Energie T vorzusehen, um insbesondere die über den Tag und über die Nacht benötigten Energiemengen an thermischer Energie T, die zudem, je nach Bedarf, sehr schwankungsanfällig in Energiemenge pro Zeiteinheit sein können, in dem Verbrauchermodul 600 (thermischen Verbrauchermodul 600) des Gebäudes 2000 bereitzustellen und kurzfristig auf einen erhöhten Bedarf bzw. auch umgekehrt auf einen niedrigeren Bedarf reagieren zu können.
Hierfür können sich beispielsweise sogenannte Pufferspeicher 220 (beispielsweise in Form eines Schichtenspeicher mit schichtenweiser Einspeicherung der thermischen Energie nach Temperaturniveau) als überaus vorteilhaft erweisen, die von ihrer Menge an speicherbarer thermischer Energie T vergleichsweise begrenzt sind und daher auch recht schnell erschöpft sind, jedoch gleichzeitig wieder schnell mit thermischer Energie T beladen werden können und das in vergleichsweise kurzer Zeit. Hierdurch können die auftretenden Schwankungen im Verbrauch thermischer Energie T im Verbrauchermodul 600 des Gebäudes 2000 über den Tag/über die Nacht vorteilhaft adressiert werden.
Ein weiterer Bestandteil eines Systems 1000 kann aber auch ein Speicher an thermischer Energie T sein, der eine vergleichsweise sehr große Menge an thermischer Energie T mittelfristig (mehrere Tage bis mehrere Wochen) oder langfristig (mehrere Wochen bis mehrere Monate) speichern kann und dabei teilweise die im Gebäude 2000 benötigte Wärmemenge über einen langen Zeitraum (teilweise über mehrere Monate) dem Verbrauchermodul 600 bereitstellen kann. Solche auch als Saisonalspeicher 230/Langzeitspeicher 230 (oder saisonaler Wärmespeicher oder Jahreszeitspeicher) bezeichneten thermischen Speicher des ersten Energiespeichers 220/230 können dabei beispielsweise als Behälter-Wärmespeicher, Erdbecken-Wärmespeicher, Erdsonden-Wärmespeicher oder als Aquifer-Wärmespeicher ausgebildet sein und je nach Bedarf und geologischen Umgebungsbedingungen bzw. infrastrukturellen Ausgangsbedingungen Vor- und Nachteile aufweisen.
Zudem kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Kurzzeitspeicher 220 und der Langzeitspeicher 230 des ersten Energiespeichers 220/230 über eine direkte Verbindung/direkte Wirkverbindung zum Austausch von Wärmemengen verfügen, sodass über einen kurzen und damit schnellen Weg beispielsweise die im Langzeitspeicher 230 langfristig gespeicherte Wärmemenge (oder Teile davon) dem Kurzzeitspeicher 220 zur Verfügung gestellt werden kann, wenn beispielsweise die durch das beispielhafte Rechenzentrum 210 bereitgestellte bzw. umgewandelte Menge an thermischer Energie T nicht mehr den Verbrauch an thermischer Energie T des Gebäudes 2000 decken kann.
Zudem kann ein Austausch der Wärme (beispielsweise von Kurzzeitspeicher 220 zum Langzeitspeicher 230) vorteilhaft über einen Wärmetauscher erfolgen, wobei das Temperaturniveau abgesenkt werden würde. Umgekehrt kann mittels einer Wärmepumpe (siehe beispielsweise Wärmepumpe 510) unter Zuführung von elektrischer Energie E (als beispielhafte erste Energieform) mit Anhebung des Temperaturniveaus vom Langzeitspeicher 230 zurück in den Kurzzeitspeicher 220 umgeschichtet werden.
Ein weiterer vorteilhafter Bestandteil des beispielhaften Systems 1000, insbesondere des ersten Energiewandlermoduls 200, kann ein fünfter Energiespeicher 240 sein, der als thermochemischer Wärmespeicher 240 ausgebildet ist. Überschüssige Wärme kann beispielsweise mittels Silikagelen, Metallhydriden, Zeolithen oder Metalloxiden in öliger Suspension, wie beispielsweise hygroskopische Oxide wie Boroxid, in einer endothermen chemischen Reaktion gebunden (Umwandlung Energiemenge thermischer Energie T zu speicherbarer chemischer Energie C) und verlustfrei über lange Zeiträume als chemische Energie C gelagert/gespeichert werden. Bei Bedarf wird Wärme (thermische Energie T) über eine geregelte exotherme chemische Reaktion frei (Umwandlung von gespeicherter Energiemenge chemischer Energie C zu Energiemenge thermischer Energie T) und steht zur Nutzung im Gebäude 2000 oder Nebengebäude 2100 bereit. Die Reaktionsprodukte der exothermen Reaktion entsprechen dabei den Reaktionsausgangsstoffen der endothermen Reaktion, sodass insgesamt betrachtet ein reversibler Prozess zum Ein- und Ausspeichern von thermischer Energie entsteht.
Darüber hinaus kann beispielsweise der Langzeitspeicher 230 auch als thermochemischer Speicher 240 (fünfter Energiespeicher 240) ausgebildet sein, um beispielsweise thermische Energie T im Vergleich zu einem als Erdbecken-Wärmespeicher platzsparend zu speichern.
Da nicht jedes Gebäude über einen Saisonalspeicher 230/Langzeitspeicher 230 zur längerfristigen Speicherung thermischer Energie T verfügt und/oder teilweise die längerfristigen Wärmespeicher nicht gefüllt sind, kann es überaus vorteilhaft sein, einen zusätzlichen Baustein im beispielhaften System 1000 für die kontinuierliche, bedarfsgerechte Energieversorgung des Gebäudes 2000 vorzusehen.
Hierfür kann ein zweites Energiewandlermodul 300 ein vorteilhafter Baustein sein, wobei das zweite Energiewandlermodul 300, im Gegensatz zum ersten Energiewandlermodul 200, die elektrische Energie E in chemische Energie C (beispielsweise dritte Energieform) umwandeln (Power-to-Gas) und zusätzlich in der Lage sein kann, die chemische Energie C wieder zurück in elektrische Energie E und/oder thermische Energie T zu wandeln.
Insbesondere kann dabei das zweite Energiewandlermodul 300 beispielsweise einen zweiten Energiewandler 310, beispielsweise eine Elektrolyseeinheit 310 aufweisen, die elektrische Energie E in chemische Energie C durch eine Redoxreaktion mit Wasser (Wasserelektrolyse) unter Entstehung von thermische Energie T umwandelt, wobei in der Wasserelektrolyse das Wasser in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) gespalten wird. Letzteres von beiden kann vorteilhaft beispielsweise für eine Umwandlung, beispielsweise in einem dritten Energiewandler 330 (beispielsweise Blockheizkraftwerk 330, das den Wasserstoff H2 verbrennt, oder Brennstoffzelle 330, die den Wasserstoff H2 unter Zuführung von Sauerstoff O2 verstromt, wobei in beiden Fällen Abwärme entsteht) verwendet werden, um daraus wieder elektrische Energie E (Strom) und/oder thermische Energie T (Wärme) bei Bedarf für das Verbrauchermodul 600 (thermischen Verbrauchermodul 600) und/oder für das Verbrauchermodul 800 (elektrisches Verbrauchermodul 800) des Gebäudes 2000 zu erzeugen.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das zweite Energiewandlermodul 300 einen zweiten Energiespeicher 320 für die Speicherung der chemischen Energie C (wie beispielsweise Wasserstoff H2) aufweist, die in dem zweiten Energiewandler 310 (beispielsweise in der Elektrolyseeinheit 310) gebildet/erzeugt wurde. Ein Vorteil dieser Energiespeichermethode ist dabei, dass eine vergleichsweise große Menge an Energie auf vergleichsweise geringem Raum gespeichert werden kann, da insbesondere gasförmige Stoffe als Träger von chemischer Energie E (zum Beispiel Wasserstoff) unter entsprechendem Druck sehr stark komprimierbar und lagerfähig sind. Somit können auch bei relativ kleinen Platzverhältnissen vorteilhaft Speicher für große Mengen an chemischer Energie C in oder an einem Gebäude vorgesehen werden.
Weiterhin kann der zweite Energiewandler 310 und der dritte Energiewandler 330 als eine Baugruppe 340, insbesondere als reversible Brennstoffzelle 340 ausgebildet sein, die in einem Prozess eine Energiemenge von elektrischer Energie E in eine Energiemenge chemischer Energie C umwandeln kann, wobei diese chemische Energie C wieder in dem zweiten Energiespeicher 320 gespeichert werden kann, und diesen Prozess umgekehrt, von chemischer Energie C zu elektrischer Energie E, durchführen kann.
Dabei wird in beiden Prozessen (von elektrischer Energie E in chemische Energie C und von chemischer Energie C zu elektrischer Energie E) zusätzlich thermische Energie T erzeugt, die, wie auch die bei der Elektrolyseeinheit 310 und/oder bei der Brennstoffzelle 330/beim Blockheizkraftwerk 330 entstehende thermische Energie T, in dem ersten Energiespeicher 220/230 des ersten Energiewandlermoduls 200 gespeichert werden kann.
Durch die reversible Brennstoffzelle 340 als zweiter Energiewandler 310 kann neben der vorteilhaften Reduktion der Anzahl der einzelnen Komponenten innerhalb des beispielhaften Systems 1000 auch eine Möglichkeit des effektiven Zwischenspeicherns überschüssiger Energiemengen, beispielsweise erzeugt durch das Windrad 110 bzw. durch die Photovoltaikeinheit 120, in dem zweiten Energiespeicher 320 (beispielsweise als Gasflaschen oder, aufgrund des geringeren Drucks von 30 bis 40 bar, als großvolumiger Kunststofftank oder Vergleichbarem ausgebildet; ferner kann neben der gasförmigen Speicherung auch die chemische Bindung von H2 in Ammoniak als Flüssigkeit erfolgen, wenn beispielsweise Drücke von zumindest 9 bar bei der Speicherung aufgebracht werden können) geschaffen werden. Insbesondere kann dadurch beispielhaft dem Betreiber des beispielhaften Systems 1000 eine zusätzliche Möglichkeit, neben dem Speichern der überschüssigen Energiemenge als thermische Energie T in den entsprechenden Kurzzeitspeicher 220 oder Langzeitspeicher 230, des Speicherns der überschüssigen Energie als chemische Energie C zur Verfügung gestellt werden, wobei auch hier wieder Aspekte wie beispielsweise der Wirkungsgrad der jeweiligen Umwandlung von elektrischer Energie E in thermische Energie T oder in chemische Energie C und/oder der Bedarf an thermischer und/oder elektrischer Energie T/E berücksichtigt werden könnten.
Vorteilhafte reversible Brennstoffzellen 310 können beispielsweise Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM) oder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sein, wobei letztere von beiden teilweise einen Wirkungsgrad bei Strom-zu-Strom von bis zu 70 % erreichen kann. Da dieser Wirkungsgrad deutlich geringer ist als bei Anwendungen von Power- to-Heat, kann die Verwendung von Power-to-Gas insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein deutlicher Überschuss an elektrischer Energie E im beispielhaften System 1000 vorliegt und die Wärmespeicher 220, 230 beispielsweise bereits sehr gut bis vollständig gefüllt sind bzw. die Wärmespeicher 220/230 zu klein oder nicht vorhanden sind, sodass das Power-to-Gas-System als eine Ergänzung oder Alternative zu den Wärmespeichern 220, 230 genutzt werden kann.
Durch die beispielhafte Kombination von einem ersten, primärlastabhängigen Energiewandler 210 (beispielsweise in Form einer Werkzeugmaschine, einer Recheneinheit usw.) zur Umwandlung von elektrischer Energie E in thermische Energie T, den Speichermöglichkeiten für thermische Energie T durch Kurzzeitspeicher 220 und Langzeitspeicher 230, der Umwandlungsmöglichkeit von elektrischer Energie E in chemische Energie C durch einen zweiten Energiewandler 310 (beispielsweise als Elektrolyseeinheit 310) und entsprechender Speichermöglichkeiten (zweiter Energiespeicher 320 zur Speicherung von chemischer Energie C) sowie der Umwandlungsmöglichkeit von chemischer Energie C in elektrische Energie E und/oder thermische Energie T können sowohl elektrische Energie E als auch thermische Energie T den Verbrauchermodulen 600, 800 (thermisches Verbrauchermodul 600/elektrisches Verbrauchermodul 800) des Gebäudes 2000 vorteilhaft kontinuierlich und bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden.
Eine zusätzliche Herausforderung kann es darstellen, wenn für die Bereitstellung von elektrischer Energie E ausschließlich diskontinuierliche Energiequellen wie Wind 10 und Sonnenstrahlung 20 verwendet werden sollen bzw. zur Verfügung stehen.
Diskontinuierliche Energiequellen wie Wind 10 und Sonnenstrahlung 20 können je nach Wetter, Tages- bzw. Nachtzeit, Jahreszeit und Örtlichkeit (beispielsweise Äquator oder Pole als Extrembeispiele) sehr unterschiedlich stark sein oder beispielsweise ganz ausfallen bzw. nicht zur Verfügung stehen. Die Energiezuführung auf Basis dieser diskontinuierlichen Energiequellen 10, 20 in das beispielhafte System 1000 kann daher von maximal möglich (beispielsweise im Sommer, wolkenfrei und zur Mittagszeit, wenn die Sonnenstrahlung 20 am stärksten ist und dabei beispielsweise gleichzeitig entsprechend starker Wind 10 weht) bis hin zum völligen Erliegen (beispielsweise in der Nacht und bei absoluter Windstille, auch als „Dunkelflaute" bezeichnet) umfassen.
Da diskontinuierliche Energiequellen 10, 20 sehr abhängig von den Umständen sind und keine kontinuierliche Energie (keine kontinuierliche Energiemenge) bereitstellen können, kann es angezeigt sein, ein entsprechendes beispielhaftes System 1000 zu nutzen. Mithilfe dieses beispielhaften Systems 1000 können verschiedenste Formen von Energie, beispielsweise elektrische Energie E beispielsweise als eine erste Energieform, thermische Energie T beispielsweise als eine zweite Energieform und chemische Energie C beispielsweise als eine dritte Energieform, sowie deren Möglichkeiten zur Speicherung und Umwandlung in die jeweils anderen Energieformen genutzt werden, um ein Aufladen der Speichermöglichkeiten bei Überdeckung der Energiezufuhr durch die diskontinuierlichen Energiequellen 10, 20 in Bezug auf den Energieverbrauch im Gebäude 2000 oder ein Verbrauchen der gespeicherten Energiemenge bei Unterdeckung der Energiezufuhr durch die diskontinuierlichen Energiequellen 10, 20 in Bezug auf den Energieverbrauch des Gebäudes 2000 zu ermöglichen.
Demgegenüber stehen kontinuierliche Energiequellen für das beispielhafte System 1000 wie das öffentliche Stromnetz 40, wobei es sich im Wesentlichen um verschiedenste, klassische Energiequellen für die Produktion von elektrischer Energie, angefangen von der Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Kohle oder Gas, die Nutzung von Wasserkraft (beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke) oder auch Atomenergie handeln kann.
Je nachdem, welche dieser klassischen Energiequellen betrachtet wird, ist manche Energiequelle einfacher zu steuern (im Sinne von zu- und abschalten) und manche weniger bzw. muss dauerhaft laufen (beispielsweise Kohlekraftwerke). All diese verschiedenen kontinuierlichen Energiequellen speisen das öffentliche Stromnetz 40 und tragen zusätzlich zu dessen Aufrechterhaltung bzw. Stabilität bei.
Zum Beispiel kann mittels eines ersten Energiebereitstellungsmoduls 100 elektrische Energie E (erste Energieform) als kontinuierliche Energiequelle durch das öffentliche Stromnetz 40, als auch durch diskontinuierliche Energiequellen wie Wind 10 und/oder Sonnenstrahlung 20, die beispielsweise mittels eines Windrades 110 und/oder einer Photovoltaikeinheit 120 des ersten Energiebereitstellungsmoduls 100 in elektrische Energie E umgewandelt werden, bereitgestellt und für die weitere Verwendung dem ersten Energiewandlermodul 200, dem zweiten Energiewandlermodul 300 und/oder dem elektrischen Verbrauchermodul 800 des Gebäudes 2000 zugeführt werden.
Dabei kann, insbesondere bei der ausschließlichen Bereitstellung von elektrischer Energie E durch die diskontinuierlichen Energiequellen wie Wind 10 und/oder Sonnenstrahlung 20 mithilfe des Windrads 110 bzw. der Photovoltaikeinheit 120, eine Speicherung der elektrischen Energie E in einem dritten Energiespeicher 130 des ersten Energiebereitstellungsmoduls 100 vorteilhaft sein. Beispielsweise kann der dritte Energiespeicher 130 als Vanadium-Redox-Flow-Akkumulator oder als Lithium-Ionen- Akkumulator oder Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator ausgebildet sein.
Vorteilhaft können verschiedene Arten von Akkumulatoren für das Speichern der elektrischen Energie E (erste Energieform) genutzt werden, wobei Vanadium-Redox-Flow- Akkumulatoren im Vergleich zu Lithium-Ionen-Akkumulatoren eine deutlich höhere Betriebssicherheit aufweisen, da ihr Elektrolyt aufgrund eines hohen Wasseranteils weder brennbar noch explosiv ist und dadurch Vanadium-Redox-Flow-Akkumulatoren auch Kurzschlüsse unbeschadet überstehen können. Zudem ist ein Vanadium-Redox-Flow- Akkumulator im Vergleich zu einem Lithium-Ionen-Akkumulator dauerstabil. Ein Lithium- Eisen-Phosphat-Akkumulator weißt eine höhere Zyklenfestigkeit auf, als der Lithium-Ionen- Akkumulator, erreicht dabei aber nicht die Dauerstabilität des Vanadium-Redox-Flow- Akkumulators.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass auch im Falle einer diskontinuierlichen Bereitstellung von elektrischer Energie E durch die diskontinuierlichen Energiequellen Wind 10 und Sonnenstrahlung 20 mit dem beispielhaften System 1000 durch die vorteilhafte Kombination mit dem zweiten Energiewandlermodul 300 (Power-to-Gas-System) Schwankungen in der Bereitstellung der elektrischen Energie E überbrückt werden können.
Dabei kann, wie bereits beschrieben, bei einer Überdeckung mit elektrischer Energie E (es wird durch das Windrad 110 und/oder Photovoltaikeinheit 120 auf Basis der diskontinuierlichen Energiequellen Wind 10 und Sonnenstrahlung 20 eine größere Energiemenge an elektrischer Energie E bereitgestellt, als Gesamtenergiemenge von elektrischer und thermischer Energie durch die Verbrauchermodule 600, 800 des Gebäudes 2000 verbraucht wird) die überschüssige elektrische Energie E entweder direkt im dritten Energiespeicher 130 gespeichert und/oder zu speicherfähigem Gas durch beispielsweise die Elektrolyseeinheit 310/reversible Brennstoffzelle 310 umgewandelt werden. Erst bei einer Unterdeckung von elektrischer Energie E (es wird durch das Windrad 110 und/oder Photovoltaikeinheit 120 auf Basis der diskontinuierlichen Energiequellen Wind 10 und Sonnenstrahlung 20 eine geringere Energiemenge an elektrischer Energie E bereitgestellt, als Gesamtenergiemenge von elektrischer und thermischer Energie durch die Verbrauchermodule 600, 800 des Gebäudes 2000 verbraucht wird) kann auf die gespeicherten Energieformen wie beispielsweise elektrische Energie E (beispielsweise gespeichert im dritten Energiespeicher 130) oder chemische Energie C (beispielsweise im zweiten Energiespeicher 320 gespeichert und dann zur Umwandlung in elektrische Energie E zum dritten Energiewandler 330 wie ein Blockheizkraftwerk 330 oder eine reversible Brennstoffzelle 310) zurückgegriffen werden, um das Gebäude 2000 auch mit elektrischer Energie E kontinuierlich und bedarfsgerecht zu versorgen.
Weiterhin kann das beispielhafte System 1000 ein zweites Energiebereitstellungsmodul 400 aufweisen, das mittels eines zweiten Energieerzeugers 410 chemische Energie C auf Basis einer zweiten Energiequelle 30 erzeugt. Dabei kann die zweite Energiequelle 30 insbesondere Biomasse 30 als nachwachsender Rohstoff sein. Hierfür eignet sich beispielsweise insbesondere Holz 30 in Form von Holzscheiten, Pellets etc. Es können aber auch andere Biomassearten (beispielsweise andere Pflanzenbestandteile) für die Erzeugung von chemischer Energie C Verwendung finden (beispielsweise durch Vergärung von Biomasse wie Pflanzenbestandteilen zur Erzeugung von Biogas, insbesondere Methan CH4). Die erzeugte chemische Energie C kann beispielhaft wieder gespeichert werden, beispielsweise in entsprechenden Speichern vergleichbar mit den zweiten Energiespeichern 320 des zweiten Energiewandlermoduls 300.
Ferner kann das zweite Energiebereitstellungsmodul400 einen vierten Energiewandler 420 aufweisen, der die durch den zweiten Energieerzeuger 410 erzeugte chemische Energie C in thermische Energie T umwandelt. Hierfür kann es vorteilhaft sein, wenn die chemische Energie C durch Verbrennung in thermische Energie T umgewandelt und dem beispielhaften System 1000 zur Nutzung zur Verfügung gestellt wird, beispielsweise in Form der Erwärmung des Warmwasserkreislaufs/Warmwassernetz des Gebäudes 2000, und ferner die thermische Energie T (zumindest teilweise) zur Erzeugung der chemischen Energie C im zweiten Energieerzeuger 410 genutzt werden kann.
Beispielsweise können hierfürvorteilhaft Holzvergaserkessel zur Anwendung kommen, bei der die Holzvergasung durch den zweiten Energieerzeuger 410 (Holzvergaser 410) räumlich getrennt von der Holzgasverbrennung durch den vierten Energiewandler 420 (Holzgasverbrenner 420) stattfindet, jedoch der Holzvergaserkessel (aufweisend zweiten Energieerzeuger 410 und vierten Energiewandler 420) im Wesentlichen eine Baugruppe ist.
Weiterhin kann das zweite Energiebereitstellungsmodul 400 einen vierten Energiespeicher 430 zur Speicherung der thermischen Energie T (beispielsweise zweite Energieform) aufweisen, wobei der vierte Energiespeicher 430 beispielsweise in keiner oder in direkter Wirkverbindung mit dem ersten Energiespeicher 220/230 zur Speicherung der thermischen Energie T stehen kann, um beispielsweise eine Energiemenge der thermischen Energie T untereinander austauschen zu können.
Ein weiterer beispielhafter Aspekt des beispielhaften Systems 1000 können zusätzliche, wärmeerzeugende Vorrichtungen sein. Insbesondere im Hinblick darauf, dass beispielsweise die Recheneinheit 210/das Rechenzentrum 210 nur dann Wärme in entsprechender Menge erzeugt, wenn entsprechend umfangreiche Rechen- und/oder Speicheroperationen von der Recheneinheit 210/dem Rechenzentrum 210 durchgeführt werden (primärlastabhängige Umwandlung von elektrischer Energie E in thermische Energie T), kann potenziell nicht zu jeder Zeit die benötigte Wärmemenge erzeugt werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn das beispielhafte System 1000 eine Wärmepumpe 510 eines Zusatzheizmoduls 500 aufweist, die die Energiemenge der thermischen Energie T in dem System 1000 durch Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem auch zusätzlich elektrische Energie E benötigt werden kann, erhöht. Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Wärmepumpe 510 dabei die in dem Langzeitspeicher 230 des ersten Energiespeichers 220/230 gespeicherte thermische Energie T nutzt, diese thermische Energiemenge durch den umgekehrten Wärme-Kraft-Prozess weiter erhöht und dann in das System 1000 einspeist.
Einen zusätzlichen Beitrag an Wärme im beispielhaften System 1000 kann beispielsweise eine Wärmekartusche 520 (oder ein modulierender Durchlauferhitzer 520) des Zusatzheizmoduls 500 im beispielhaften System 1000 leisten, die/der mittels zugeführter elektrischer Energie E thermische Energie T erzeugt (Power-to-Heat). Insbesondere im Fall von einem Überschuss an elektrischer Energie E bei gleichzeitig geringer Auslastung der Recheneinheit 210/des Rechenzentrums 210 (oder einer anderen Vorrichtung wie beispielsweise Werkzeugmaschine, Sortieranlage usw.) und/oder annährend vollständig geladenen elektrischen Speichern 130 oder bereits mit maximaler Leistungsaufnahme von elektrischer Energie befindlichen elektrischen 130 oder chemischen Speichern 320, kann der Einsatz der Wärmekartusche 520/des modulierenden Durchlauferhitzers 520 für eine zusätzliche Leistungsaufnahme sinnvoll sein und damit eine Unterstützung bei der Bereitstellung von thermischer Energie T für das Gebäude 2000 bieten.
Das Gebäude selbst kann dabei beispielhaft im Verbrauchermodul 600 mehrere Verbraucher 610, 620, 650 aufweisen, wobei beispielhaft manche Verbraucher 610, 620 innerhalb des Gebäudes 2000 und manche Verbraucher 650 außerhalb des Gebäudes 2000 bzw. in einem Nebengebäude 2100 des Gebäudes vorgesehen sein können.
So kann beispielsweise das Verbrauchermodul 600 (thermisches Verbrauchermodul 600) des Gebäudes einen Trinkwasserverbraucher 610 mit erwärmtem Wasser und auch einen oder mehrere Heizkörper 620 (bzw. auch Flächenheizsysteme 620; siehe weiter unten) zur Beheizung der Raumluft des Gebäudes 2000 als Verbraucher für thermische Energie T aufweisen. Dabei sind die Bereitstellung von Trinkwasser (auch erwärmtes Trinkwasser) und das Beheizen der Raumluft des Gebäudes 2000 in der Regel der Fälle Grundbedarfsinstallationen eines jeden Wohn- bzw. Bürogebäudes.
Darüber hinaus kann das Gebäude 2000 ein von der Erzeugung der thermischen Energie T und Transport der thermischen Energie T vom Ort der Erzeugung bzw. vom Ort der Speicherung zum Ort des Verbrauchs getrenntes Wärmenetz 640 aufweisen, wobei dieses Wärmenetz 640 beispielsweise mit einem Wärmetauscher 630 oder als gemeinsam verbundenes, hydraulisches System zum Austausch thermischer Energie T für die Nutzung bei den Verbrauchern 610, 620 interagieren kann.
Zudem kann das Gebäude 2000 ein Nebengebäude 2100 (beispielsweise eine Werkstatt, eine Scheune, einen Stall usw.) aufweisen, das zumindest einen oder mehrere Heizkörper 650 oder Flächenheizsysteme 650 (wie beispielsweise Fußbodenheizungen, Wandflächenheizungen oder Deckenheizungen) zum Beheizen der Raumluft des Nebengebäudes 2100 aufweist. Der Unterschied liegt hier insbesondere in der Vorlauftemperatur, die die jeweiligen Heizsysteme benötigen. Beispielsweise benötigt ein Heizkörper 650 meistens eine Vorlauftemperatur von ca. 55 °C, während ein Flächenheizsystem 650 meistens nur 35 °C Vorlauftemperatur benötigt.
Ein weiterer beispielhafter Aspekt des beispielhaften Systems 1000 kann ein Außenpool 700 sein, dessen Wärmebedarf ebenfalls aus dem Wärmenetz 640 des Gebäudes gespeist wird. Die Besonderheiten eines solchen Außenpools 700 (Zusatzverbraucher 700) können zum einen seine große Wassermenge und sein Austausch mit der Außenluft bei entsprechenden Umgebungstemperaturen sein. Beides mündet zusammen in einer großen Verlustleistung aus Verdunstungskälte (abhängig von der Größe der Wasseroberfläche des Außenpools 700) und Wärmeverlusten an die Umgebung (abhängig von der Außentemperatur).
Insbesondere kann der Außenpool, neben seiner Eigenschaft als Vergnügungsort für Personen, zudem einen technisch vorteilhaften Baustein im beispielhaften System 1000 darstellen. Dies insbesondere dann, wenn eine sehr große Menge an thermischer Energie T bereits im beispielhaften System 1000 vorhanden ist, beispielsweise auch sämtliche thermischen Speicher 220/230 bereits gefüllt sind, und die Erzeugung von zusätzlicher Wärme durch die ersten, primärlastabhängigen Energiewandler 210 nicht reduziert werden kann, da derzeit die wertschöpfende Tätigkeit (Primärlast) des ersten Energiewandlermoduls 200 (beispielsweise bei einer Werkzeugmaschine das Bearbeiten eines Werkstücks oder bei einer Recheneinheit/Server das Durchführen von Rechenoperationen bzw. Speichervorgängen) beispielhaft auf voller Last erfolgt.
Dann kann es überaus vorteilhaft sein, thermische Energie T aus dem beispielhaften System 1000 herausnehmen zu können. Hier kann die große Wassermenge des Außenpools 700 (Zusatzverbraucher 700) eine vorteilhafte Rolle einnehmen, da zur (zusätzlichen) Erwärmung dieses Pools entsprechend große Mengen thermischer Energie T „verbraucht" und damit dem beispielhaften System 1000 entzogen werden können.
Weiterhin vorteilhaft kann zudem der Wärmeaustausch des Außenpools 700 mit der Außenluft sein, sodass nicht nur die (zusätzliche) Erwärmung des Außenpools 700 bereits große Mengen an thermischer Energie T dem beispielhaften System 1000 entzieht, sondern zudem auch kontinuierlich große Mengen an thermischer Energie T aus dem beispielhaften System 1000 an die Außenluft abgegeben werden können.
Hierdurch ermöglicht beispielhaft der Außenpool 700 (Zusatzverbraucher 700) eine Art Notkühlung des beispielhaften Systems 1000, das aber beispielweise auch nur dann, wenn eine andere Verwendung oder Speicherung der thermischen Energie T im beispielhaften System 1000 nicht möglich ist.
Gleiches kann natürlich auch erfolgen, wenn beispielsweise zu viel elektrische Energie E im beispielhaften System 1000 ist, das erste Energiewandlermodul 200 mit dem ersten, primärlastabhängigen Energiewandler 210 gerade keine Umwandlung von elektrischer Energie E in thermische Energie T vornehmen kann, und ein bewusster Entzug dieser elektrischen Energie E aus dem beispielhaften System 1000 erwünscht ist. Dann kann durch Umwandlung durch beispielsweise das zweite Energiewandlermodul 300 die elektrische Energie E in chemische Energie C umgewandelt werden, wobei dadurch bereits thermische Energie T erzeugt wird, die dem Außenpool 700 zugeführt werden kann. Weiterhin kann im Anschluss daran die chemische Energie C entweder durch Speicherung im zweiten Energiespeicher 320 oder durch Umwandlung insbesondere in thermische Energie T (beispielsweise im dritten Energiewandler 330 bzw. Blockheizkraftwerk 330) umgewandelt und dem Außenpool 700 zur Abgabe an die Außenluft zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich können natürlich auch beispielsweise durch die Wärmepumpe 510 und/oder durch die Wärmekartusche 520 elektrische Energie E dem beispielhaften System 1000 entzogen und zu thermischer Energie T gewandelt werden, die erneut über die Außenpool 700 an die Außenluft/Umgebungsluft abgegeben werden kann.
Darüber hinaus können aber auch durch entsprechende Steuerung der Bereitstellung der elektrischen Energie E durch Windrad 110, Photovoltaikeinheit 120 oder dem öffentlichen Stromnetz 40 mittels einer entsprechenden Steuereinheit 900 des beispielhaften Systems 1000 die zusätzliche Bereitstellung von elektrischer Energie E reduziert bzw. vollständig heruntergefahren werden. Dabei wird das beispielhafte System 1000 derart gesteuert, dass die elektrischen Erzeuger (beispielsweise Windrad 110/Photovoltaikeinheit 120) jederzeit in Summe so viel Strom erzeugen, wie die Verbraucher der elektrischen Energie E verbrauchen, wobei hier insbesondere elektrische Speicher (wie beispielsweise der dritte Energiespeicher 130) durch ihre Fähigkeit, sowohl als elektrischer Verbraucher (wenn sie elektrische Energie E aufnehmen und damit die aktuelle Energiemenge an elektrischer Energie E im beispielhaften System 1000 reduzieren) als auch als elektrische Erzeuger (bei der Abgabe der gespeicherten elektrischen Energie E) zu fungieren, sodass der Betrag der Leistung durch die Steuerung so modulierbar ist, dass beispielsweise an einem SMART Meter mit digitaler Zählung und digitaler HAN-Schnittstelle zum beispielhaften System 1000 keine Leistungsübertragung aus dem öffentlichen Stromnetz 40 bzw. in das öffentliche Stromnetz 40 erfolgt.
Das elektrische Verbrauchermodul 800 des Gebäudes 2000 kann zudem zur Entnahme von elektrischer Energie E aus dem beispielhaften System 1000 beitragen. Zum einen kann hierfür bereits der ganz normale Strombedarf 810 des Gebäudes 2000 und/oder des Nebengebäudes 2100 (beispielsweise Betreiben eines Kühlschranks, Licht, Betreiben von Computertechnik usw.) als Verbraucher von elektrischer Energie E genutzt werden, aber auch zusätzliche Einrichtungen 820, 830 wie beispielsweise entsprechende Ladestationen/Wall- Boxen 820, 830 für das Aufladen von elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie Elektro-PKWs, ELektro-RoLLern und/oder E-Scootern können als Verbraucher von elektrischer Energie E die Energiemenge an elektrischer Energie E im beispielhaften System 1000 signifikant reduzieren.
Zudem kann die Steuereinheit 900 für die Steuerung der Module (beispielsweise erstes Energiebereitstellungsmodul 100, erstes Energiewandlermodul 200, zweites Energiewandlermodul 300, zweites Energiebereitstellungsmodul 400, Zusatzheizmodul 500, thermisches Verbrauchermodul 600, Außenpool 700, elektrisches Verbrauchermodul 800) für das beispielhafte System 1000 vorteilhaft sein.
Dabei kann es beispielhaft vorteilhaft sein, dass das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen (erste, zweite, dritte Energieform wie beispielsweise elektrische, thermische, chemische Energie) in den jeweiligen Energiespeichern (erster Energiespeicher 220/230, zweiter Energiespeicher 320, dritter Energiespeicher 130, vierter Energiespeicher 430, fünfter Energiespeicher 240), das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit 900 gesteuerten Reihenfolge erfolgt.
Zudem kann die Steuereinheit 900 beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Reihenfolge in Abhängigkeit der wertschöpfenden Tätigkeit der Vorrichtungen (Primärlast des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers 210) und/oder eines Bedarfs des Verbrauchermoduls 600, 800 an einer Energiemenge der ersten Energieform (beispielsweise elektrische Energieform E) und einer Energiemenge der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie T) zu steuern.
Es können alternativ oder zusätzlich dazu aber auch beispielsweise die verschiedenen Wirkungsgrade bei der Umwandlung von einer Energieform in eine andere Energieform von der Steuereinheit 900 berücksichtigt und entsprechend die Reihenfolge bzw. das Umwandlungs-, Speicher- und Erzeugungsverhalten der jeweiligen Energieformen des beispielhaften Systems 1000 entsprechend abändern/steuern, wobei beispielsweise der höhere Wirkungsgrad Vorrang gegenüber dem niedrigeren Wirkungsgrad hat.
Insbesondere die Berücksichtigung der verschiedenen Wirkungsgrade bei der Steuerung, wann, wie und zu welcher anderen Energieform die produzierte bzw. die überschüssige Energiemenge (beispielsweise elektrische Energie oder eine der beiden anderen Energieformen) umgewandelt wird, trägt zu einer optimalen Nutzung der bereitgestellten Energie und die kontinuierliche und bedarfsgerechte Versorgung des Gebäudes 2000 bei.
Während beispielsweise bei einem vergleichsweise sehr großen Energieüberschuss eine Umwandlung der überschüssigen Energiemenge mit einem schlechteren Wirkungsgrad, dafür aber mit einer viel größeren Speicherkapazität, unter Umständen sinnvoll ist, kann bei einem vergleichsweise nur geringen Energieüberschuss die Umwandlung der überschüssigen Energiemenge mit möglichst hohem Wirkungsgrad, aber dafür mit geringeren Speicherkapazitäten, sinnvoller sein.
Alternativ oder ergänzend dazu kann auch ein Kostenmodell zwischen erzeugter, gespeicherter und umgewandelter Energiemenge für die Festlegung der Reihenfolge durch die Steuereinheit 900 genutzt werden. Das Kostenmodell wird durch Gestehungskosten, Betriebskosten und Wirkungsgrade beeinflusst. Niedrigere Gestehungs- und Betriebskosten haben Vorrang gegenüber höheren Gestehungs- und Betriebskosten. Der höhere Wirkungsgrad hat Vorrang vor dem niedrigeren Wirkungsgrad.
Ferner kann die Steuereinheit 900 beispielsweise dazu eingerichtet sein, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie T) in dem ersten Energiespeicher 220/230 so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher 220 gespeichert wird und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher 230 erfolgt.
Zusätzlich kann beispielsweise die Steuereinheit 900 dazu eingerichtet sein, den Außenpool 700 (Zusatzverbraucher 700) derart zu steuern, dass, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie T) im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, eine überschüssige Energiemenge der zweiten Energieform dem Außenpool 700 (Zusatzverbraucher 700) zum Verbrauchen zugeführt wird, um die Gesamtenergiemenge im beispielhaften System 1000, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
Hierdurch kann bei Bedarf eine Art „Notkühlung" des beispielhaften Systems 1000 durchgeführt werden und die Gesamtenergiemenge im System 1000 beispielsweise signifikant reduziert werden.
Weiterhin kann die Steuereinheit 900 beispielsweise für das Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie E aus dem öffentlichen Stromnetz 40 in das beispielhafte System 1000 zur Bereitstellung elektrischer Energie E und/oder für das Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie E aus dem beispielhaften System 1000 in das öffentliche Stromnetz 40, beispielsweise bei einem Überschuss an eigenproduzierter elektrischer Energie E (beispielsweise durch das Windrad 110 und/oder die Photovoltaikeinheit 120), eingerichtet sein.
Insbesondere im Hinblick auf das Einspeisen von elektrischer Energie E in das öffentliche Stromnetz 40 kann vorteilhaft darauf geachtet werden, die sogenannte Netzstabilität nicht zu gefährden.
Würden beispielsweise sämtliche Photovoltaikanlagen in Deutschland neben den ganzen klassischen Energiequellen in das öffentliche Stromnetz 40 einspeisen, wäre eine viel zu hohe Energiemenge an elektrischer Energie E im Netz vorhanden, was im schlimmsten Fall zum Zusammenbruch des Stromnetzes führen würde, der sogenannte Black-Out.
Aber auch bereits viel kleinere Energiemengen können ein Problem für das öffentliche Netz darstellen, sodass es beispielsweise bei der Errichtung von neuen Photovoltaikanlagen die Anforderung gibt, dass diese Anlagen ab einer Peakleistung von 100 kW durch den Netzbetreiber ferngesteuert heruntergeregelt werden können müssen, sollte eine Netzüberlastung bzw. -instabilität drohen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im beispielhaften System 1000 als erste Energieform beispielhaft elektrische Energie E, als zweite Energieform beispielhaft thermische Energie T und als dritte Energieform beispielhaft chemische Energie C gewählt wurde. Das vorliegend beschriebene System 1000 ist in keinster Weise darauf beschränkt, vielmehr kann die erste Energieform auch eine der beiden anderen Energien (thermisch oder chemisch), die zweite Energieform auch eine der beiden anderen Energien (elektrisch oder chemisch), und die dritte Energieform auch eine der beiden anderen Energien (elektrisch oder thermisch) sein.
Zudem sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass zur jeweiligen Energieübertragung (Übertragung von elektrischer Energie E, von thermischer Energie T, von chemischer Energie C) von einem Modul und/oder Wandler und/oder Speicher zu einem anderen Modul und/oder anderen Wandler und/oder anderen Speicher und/oder einem Verbraucher entsprechend eingerichtete Leitungen (E, T, C) im beispielhaften System 1000 vorgesehen sind. Zur Energieübertragung von elektrischer Energie E können verschiedene stromtransportierende Leitungen/Materialien wie beispielsweise Leitungen aus Stahl, Aluminium, Kupfer etc. verwendet werden. Für die Energieübertragung von thermischer Energie T können beispielsweise fluidführende Leitungen (beispielsweise Rohre) verwendet werden, beispielsweise Wasser, Sole oder Luft führende Leitungen. Sole führende Leitungen können beispielsweise wässrige Lösungen von Salzen oder Kältemitteln, wie beispielsweise halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Glykole, sowohl aus pflanzlicher Herstellung als auch aus fossilem Erdöl, sowie andere Fluide zur Wärmeübertragung umfassen. Für die Energieübertragung von chemischer Energie C können beispielsweise ebenfalls fluidführende Leitungen (beispielsweise Rohre) oder Behälter (beispielsweise Tanks) verwendet werden, die dazu eingerichtet sind, beispielsweise Wasserstoff und/oder Methan oder Suspensionen aus Silikagelen, Metallhydriden, Zeolithen oder Metalloxiden, wie beispielsweise Boroxid in öliger Suspension, zu führen.
Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung eines beispielhaften Gebäudes 2000 mit Nebengebäudes 2100 mit Implementierung des beispielhaften Systems 1000.
Dabei werden beispielhaft auf dem Dach des Gebäudes 2000 und/oder seines Nebengebäudes 2100 Photovoltaikeinheiten 120 zur Bereitstellung von elektrischer Energie E, die beispielhaft in dem dritten Energiespeicher 130, der hier beispielhaft als Vanadium Redox- Flow-Akkumulator ausgebildet ist, gespeichert werden kann und bei Bedarf zum Verbrauch im Gebäude 2000 bzw. im Nebengebäude 2100 genutzt werden kann. Beispielhaft kann der dritte Energiespeicher 130 mit etwas Abstand zum Nebengebäude 2100 auf einem separaten Fundament errichtet werden (siehe rechte Seite der Fig. 3).
Die durch die Photovoltaikeinheiten 120 bereitgestellte bzw. von dem dritten Energiespeicher 130 abgegebene elektrische Energie E kann vorteilhaft im ersten, primärlastabhängigen Energiewandler 210 zu thermischer Energie T umgewandelt werden. Beispielhaft gezeigt ist eine Servereinheit/Rechnereinheit mit entsprechenden Serverracks, die über eine Wasserkühlung verfügen, wobei das, je nach Auslastung der Recheneinheit, erwärmte Wasser beispielsweise für die Beheizung des Gebäudes 2000 bzw. des Nebengebäudes 2100 innerhalb des beispielhaften Systems 1000 genutzt werden kann. Dabei kann die Recheneinheit als erster, primärlastabhängiger Energiewandler 210 beispielhaft im ersten Obergeschoss des Nebengebäudes 2100 vorgesehen sein. Die Recheneinheit kann aber natürlich auch an einer beliebigen anderen Stelle im Gebäude 2000 oder im Nebengebäude 2100 vorgesehen sein. Vorteilhaft hierfür wäre die Ausbildung eines baulich geeigneten Raumes bzw. Aufstellortes mit thermischer, akustischer und elektromagnetischer Isolation. Weiterhin ist in dem Nebengebäude 2100 beispielhaft der zweite Energiewandler 310 zur Umwandlung von elektrischer Energie E in chemische Energie C vorgesehen, um beispielsweise bei Überschuss an elektrischer Energie E eine entsprechende Umwandlung und anschließende Speicherung der chemischen Energie C in einem der zweiten Energiespeicher 320 vorzunehmen. Bei Bedarf an elektrischer und/oder thermischer Energie E/T kann die gespeicherte chemische Energie C wieder abgerufen werden und durch entsprechende Umwandlung bzw. Rückwandlung, beispielsweise in einer Brennstoffzelle 330 oder einem Blockheizkraftwerk 330, elektrische und/oder thermische Energie E/T für den Verbrauch im Gebäude 2000 oder im Nebengebäude 2100 bere itgestellt werden.
Zudem kann das beispielhafte Gebäude 2000 bzw. Nebengebäude 2100 ferner eine Wärmepumpe 510 zur Bereitstellung zusätzlicher Wärmeenergie im beispielhaften System 1000 genutzt werden, wobei vorteilhaft die Wärmepumpe 510 räumlich in der Nähe des thermischen Kurzzeitspeichers 220 und/oder des thermischen Langezeitspeichers 230 angeordnet sein kann.
Die erzeugte Wärme (thermische Energie T) kann beispielsweise in thermische Kurzzeitspeicher 220 für das kurzfristige Wiederbereitstellen dieser Energie, oder aber auch in thermische Langzeitspeicher 230, wie beispielsweise einem saisonalen Wärmespeicher, für die langfristige Wiederbereitstellung gespeichert werden. Dieser saisonale Wärmespeicher (thermischer Langzeitspeicher 230) kann dabei beispielsweise mittels in Schlaufen verlegten Soleleitungen zwischen Streifenfundamenten des Nebengebäudes 2100 vorgesehen sein und seine Wärme (thermische Energie T) in das Material, was ihn umgibt, zur langfristigen Speicherung abgeben.
Darüber hinaus kann ein als thermochemischer Wärmespeicher 240 ausgebildeter fünfter Energiespeicher 240 im Gebäude 2000 bzw. im Nebengebäude 2100 vorgesehen sein, um die erzeugte Wärmemenge langfristig zu speichern. Dabei kann ferner der thermische Langzeitspeicher 230 als thermochemischer Wärmespeicher 240 ausgebildet sein, falls beispielsweise die Platzverhältnisse im oder am Gebäude 2000 bzw. Nebengebäude 2100 keine „klassischen" thermischen Langzeitspeicher 230 wie einen Erdbecken-Wärmespeicher oder einen Behälter-Wärmespeicher ermöglichen. Sollte einmal die Wärmemenge im beispielhaften System 1000 doch zu groß und alle thermischen oder thermochemischen Speicher bereits gefüllt sein und damit eine Art Notkühlung erforderlich werden, um die Gesamtenergiemenge (insbesondere thermische Gesamtenergiemenge) aus dem beispielhaften System 1000 zu reduzieren, kann beispielsweise ein Außenpool 700 als thermischer Zusatzverbraucher 700 vorgesehen sein. Durch die Beheizung des Außenpools 700 mit der im System 1000 befindlichen Wärmemenge, wobei durch die große Verlustleistung aus Verdunstungskälte, die abhängig von der Größe der Wasseroberfläche ist, und Wärmeverlusten an die Umgebung, die abhängig von der Außentemperatur sind, kann insgesamt die Wärmemenge in dem beispielhaften System 1000 signifikant reduziert werden.
Neben den typischen Verbrauchern wie Heizungskörper und/oder Flächenheizsystemen 620 des Gebäudes 2000 und Heizkörper und/oder Flächenheizsystemen 650 des Nebengebäudes 2100 des thermischen Verbrauchermoduls 600 und den allgemeinen elektrischen Verbrauchern/Strombedarf 810 des Gebäudes 2000 bzw. des Nebengebäudes 2100 des elektrischen Verbrauchermoduls 800 kann in dem beispielhaften Gebäude 2000 bzw. Nebengebäude 2100 auch beispielsweise Ladestationen/Wall-Boxen 820, 830 für das Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit elektrischer Energie E vorgesehen sein, insbesondere in einer beispielhaften Garage.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das hier gezeigte und beispielhaft beschriebene, beispielhafte Gebäude 2000 bzw. Nebengebäude 2100 auch noch weitere Module oder Teile von Modulen des in Fig. 2 beschriebenen, beispielhaften Systems 1000 aufweisen kann, beispielsweise ein zweites Energiebereitstellungsmodul 400, das als Holzvergaserkessel (aufweisend zweiten Energieerzeuger 410 und vierten Energiewandler 420) ausgebildet ist.
Die im Folgenden beschriebenen Figuren 4a bis 7b, die jeweils Diagramme zeigen, behandeln das Thema der Energiebilanzen von chemischer, elektrischer und thermischer Energie C, E, T insbesondere im Hinblick auf Erzeugung, Verbrauch und Speicherung durch die jeweiligen Module bzw. Einheiten, wobei die Diagramme die Energien als Fläche unter der jeweiligen Kurve (Integral) als Leistung P in kW (y-Achse) über einen Zeitraum t (x-Achse) darstellen.
Fig. 4a zeigt ein Diagramm einer in einer Modellrechnung beispielhaft berechneten Wärmeaufnahme (Werte im negativen Bereich der Leistungsachse stellen den Verbrauch von Wärme dar) und Wärmeabgabe (Werte im positiven Bereich der Leistungsachse stellen die Wärmeerzeugung dar) der Module 200, 300, 500, 600, 700 des beispielhaften Systems 1000 in kW über einen Zeitbereich des ersten Quartals eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022), beginnend ab Januar. Dabei ist zu sehen, dass die Wärmeabgabe des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers 210, der hier beispielhaft als Server ausgebildet ist, zwei Wärmemengen 210Ta 210Tb aufweist. Dabei weist der Server eine Wärmemenge 210Ta aufgrund einer Servergrundlast auf und eine lastabhängige Wärmemenge 210Tb aufgrund einer konkreten Auslastung des Servers durch Rechen- und/oder Speicherprozesse auf. Dabei ist ferner zu erkennen, dass die Grundlast des Servers eine kontinuierliche Wärmemenge 210Ta über das Quartal abgibt, während bei der lastabhängigen Wärmemenge 210Tb einzelne kleinere Schwankungen (beispielsweise aufgrund vereinzelt deutlich niedriger Auslastung des Servers) ersichtlich werden.
Diese Schwankungen werden beispielhaft durch die abgegebene Wärmemenge 510Ta der eingesetzten Wärmepumpe 510, die dafür die im Verlauf des Vorjahres im saisonalen Speicher 230/thermischen Langzeitspeicher 230 gespeicherte Wärmemenge nutzt, ausgeglichen, um die im beispielhaften System 1000 erforderliche Wärmemenge bereitzustellen.
Zusätzlich zu den Wärmemengen, die der erste, primärlastabhängige Energiewandler 210 abgibt, ist im Diagramm gemäß Fig. 4a eine abgegebene Wärmemenge 310Ta der Elektrolyseeinheit 310 zu erkennen, sowie eine abgegebene Wärmemenge 330Ta der Brennstoffzelle 330. Dabei kommen diese beiden abgegebenen Wärmemengen 310Ta, 330Ta im ersten Quartal des Jahres, insbesondere zu Beginn des Jahres noch etwas häufiger vor und nehmen dann zum März hin ab.
Demgegenüber stehen aufgenommene Wärmemengen 620Ta und 650Ta der Heizungssysteme (beispielsweise Heizkörper und/oder Flächenheizsysteme 620, 650 des Gebäudes 2000/2100) zum Beheizen des Gebäudes 2000/2100 und eine konstant aufgenommene Wärmemenge 610Ta zum kontinuierlichen Bereitstellen des Warmwassers.
In Summe der abgegebenen und aufgenommenen Wärmemengen in einem Zeitbereich (beispielweise eines Tages) ergibt sich aber eine relative Ausgeglichenheit, sodass beispielsweise nur bei einer außergewöhnlich großen Erzeugung von elektrischer Energie E (siehe beispielsweise am 22.01.2022 auf der Zeitachse des Diagramms der Fig. 4a verursacht durch starke Winde an einem sonnigen Tag in der Modellrechnung und daraus resultierenden großen Erträgen von Wind- sowie Solarenergie) durch die Umwandlung mittels Elektrolyseeinheit 310 große Wärmemengen 310Ta entstehen. Wenn dies gleichzeitig mit geringen Außentemperaturen und damit einem Heizbedarf einhergeht, kann es vorrangig bei Bewölkung oder in der Nacht und bei abflauendem Wind auch direkt dazu kommen, dass mittels der Brennstoffzelle 330 für das beispielhafte System 1000 wieder Strom und Wärme bereitgestellt werden muss, um den Bedarf an elektrischer Energie und Wärme (aufgenommene Wärme) für die Beheizung des Gebäudes 2000/2100 und der Warmwasserbereitung zu decken.
Der Zeitbereich ab April, bei dem auch eine aufgenommene Wärmemenge 700Ta des Außenpools 700 gezeigt ist, wird im Folgenden beschrieben.
Fig. 4b zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4a über einen Zeitbereich des zweiten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab April.
Weil perspektivisch über den Sommer ausreichend Wärmenergie zur Verfügung steht und die Heizsaison für das Gebäude 2000/2100 endet, kann die thermische Energie E bereits im April des Jahres dafür verwendet werden, eine vergleichsweise große Wärmemenge 700Ta für die Erwärmung und zum Halten der gewünschten Temperatur des Außenpools 700 aufzunehmen. Hilfreich dafür ist die exemplarisch in der Modellrechnung auf Basis von Wetterdaten des beispielhaften Standorts (Thüringen, Region Thüringer Becken) zur Verfügung stehende elektrische Energie E, die aufgrund von Überschuss im beispielhaften System 1000 in der Elektrolyseeinheit 310 gewandelt wird und damit zur Erzeugung der abgegebenen Wärmemenge 310Ta zur Verfügung steht. Da die Tage im April vergleichsweise zum Sommer noch relativ kurz sind, stehen solare Erträge nur zeitlich begrenzt zur Verfügung, sodass es über Nacht bereits wieder zu einer Entladung des Wasserstoffspeichers 320 kommt, um elektrische Energie E für die technischen Anlagen zur Verfügung zu stellen. Damit wird durch die Brennstoffzelle 330 zur Erzeugung der benötigten elektrischen Leistung eine Wärmemenge 330Ta bereitgestellt, die ebenfalls zur benötigten Wärmemenge 700Ta beiträgt.
In den kommenden, von den Außentemperaturen her wärmeren Monaten muss weniger Wärmemenge 700Ta für den Außenpool aufgenommen werden, um die Temperatur zu halten. Das führt dazu, dass die Servergrundlast und die Primärlast des Servers (abgegebene Wärmemengen 210Ta, 210Tb) sowie kurzzeitig die Verwendung der Elektrolyseeinheit 310 und der Brennstoffzelle 330 (abgegebene Wärmemengen 310Ta, 330Ta), teilweise auch zeitlich versetzt, genutzt werden, um neben der Deckung der aufgenommenen Wärmemengen 610Ta, 620Ta, 650Ta und 700Ta der Verbraucher auch den thermischen Langzeitspeicher 230/saisonalen Wärmespeicher 230 mit Wärmemengen zu beladen, die später für die in Bezug auf die Außentemperatur kälteren Monate mittels Einspeisung über eine Wärmepumpe 510 genutzt werden kann.
Fig. 4c zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4b über einen Zeitbereich des dritten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab Juli.
Dabei fällt vor allem auf, dass sich im August die vom Außenpool 700 aufgenommene Wärmemenge 700Ta erhöht hat, wobei keine signifikant erhöhte Wärmemenge durch die Wärmeerzeuger (wie beispielsweise Server 210, Elektrolyseeinheit 310 oder Brennstoffzelle 330) abgegeben wurde. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass die im beispielhaften System 1000 befindliche Energiemenge zu hoch war und der Außenpool 700 zum gezielten, zusätzlichen Energieverbrauch genutzt wurde, um die Gesamtenergiemenge im beispielhaften System 1000 zu reduzieren. Dies kann beispielhaft mit einer zusätzlichen Beheizung des Außenpools 700 ermöglicht werden. Je nach Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch kann es aber auch sein, dass eine Erhöhung der vom Außenpool 700 aufgenommenen Wärmemenge 700Ta nicht erforderlich wird und der Außenpool 700 mehr oder weniger mit einer konstanten Wärmemengenaufnahme beheizt werden kann.
Dies kann zudem deshalb erforderlich sein, wenn der saisonale Speicher 230/thermische Langzeitspeicher 230 ab Ende Juli voll beladen ist und keine zusätzliche Wärmemenge mehr aufnehmen kann, sodass die überschüssige Wärmemenge über den Außenpool 700 an die Umgebung abgegeben werden muss.
Fig. 4d zeigt die Fortführung des Diagramms aus Fig. 4c über einen Zeitbereich des vierten Quartals des beispielhaften Jahres, beginnend ab Oktober.
Dabei ist im Wesentlichen ab Oktober eine leichte Zunahme der aufgenommenen Wärmemengen 620Ta und 650Ta zur Beheizung des Gebäudes 2000/2100 zu erkennen, wobei dies im Wesentlichen mit den kälteren Außentemperaturen zusammenhängt, die sich am Ende eines jeden Jahres, zumindest in den Ländern der Nordhalbkugel der Erde, einstellen, wobei mit Fortschreiten der Zeit hin zu den Wintermonaten Dezember bis Februar die Außentemperaturen weiter absinken und entsprechend die Wärmemengenaufnahme 620Ta und 650Ta deutlich zunimmt.
Wie in Fig. 4d ersichtlich, wird auch verstärkt die Wärmemenge aus dem saisonalen Speicher 230/thermischen Langzeitspeicher 230 genutzt, die über die Wärmepumpe 510 als abgegebene Wärmemenge 510Ta in das beispielhafte System 1000 eingespeist wird und von den jeweiligen Verbrauchern 610, 620, 650 und 700 genutzt werden kann, wobei im Oktober der Außenpool 700 noch beheizt wird.
Die Beheizung des Außenpools 700 ist in der vorliegenden Modellrechnung deshalb noch im Oktober zu erkennen, da die Erzeugung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen (wie beispielsweise Wind 10 oder Solarenergie 20) im Oktober bereits deutlich zurück geht, sodass zunehmend Strom aus Wasserstoff erzeugt wird. Dabei wird aber noch mehr Wärme frei, als im Oktober vom Gesamtsystem 1000 verbraucht wird, weil die Außentemperaturen noch nicht so kalt sind, dass die Beheizung des Gebäudes 2000/2100 einen entsprechenden Verbrauch an thermischer Energie zur Folge hätte. Deshalb ist es in der vorliegenden Modellrechnung notwendig, den Außenpool 700 weiter zu beheizen, damit das Gesamtsystem nicht überhitzt.
In einem System 1000, das unter Realbedingungen auf kontinuierlich verfügbare Temperaturmesswerte zurückgreifen würde, würde der Außenpool 700 nur noch beheizt werden, solange ein Wärmeüberschuss im beispielhaften System 1000 real bestehen würde. Erst wenn der Wärmeüberschuss nicht mehr gegeben wäre bzw. ein Mangel an Wärme im System 1000 auftreten würde, würde das beispielhafte System 1000 die Wärmepumpe 510 zur Erzeugung zusätzlicher thermischer Energiemengen 510Ta zuschalten.
Erst im November übersteigt der Wärmebedarf die Wärmeerzeugung, sodass auf die Beheizung des Außenpools 700 verzichtet werden kann. Zusätzlich benötigte Wärme wird zunehmend über die Wärmepumpe 510 bereitgestellt und die thermische Energie im saisonalen Speicher 230 damit abgebaut.
Würde sich, wie beispielhaft im Diagramm in Fig. 4d gezeigt, eine deutliche Verringerung der Auslastung des Servers einstellen, könnte kurzfristig mittels der Wärmepumpe 510 eine Wärmemenge aus dem saisonalen Speicher 230/thermischen Langzeitspeicher 230 abgegeben werden, um eine entsprechend große Wärmemenge 510Ta in das beispielhafte System 1000 einzuspeisen und den „Verlust" der Wärmeerzeugung durch die ausgebliebene Serverauslastung auszugleichen.
Zusätzlich können zum Jahresende hin wieder verstärkt abgegebene Wärmemengen 310Ta und 330Ta der Elektrolyseeinheit 310 und der Brennstoffzelle 330 für Bereitstellung von Wärme für das Gebäude 2000/2100 genutzt werden.
Fig. 5a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung (Werte im positiven Bereich der Leistungsachse stellen die Aufnahme von chemischer Energie C dar) und Entnahmeleistung (Werte im negativen Bereich der Leistungsachse stellen die Abgabe von chemischer Energie C dar) des beispielhaft als Wasserstoffspeicher 320 ausgebildeten zweiten Energiespeichers 320 des beispielhaften Systems 1000 in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022).
Dabei wird insbesondere in den ersten beiden Monaten (Januar und Februar) und in den letzten beiden Monaten (November und Dezember) des Jahres eine verringerte Lade- und Entnahmeleistung der chemischen Energiemenge 320Ca des zweiten Energiespeichers 320 ersichtlich.
Diese verringerte Lade- und EntnahmeLeistung der chemischen Energiemenge 320Ca taucht insbesondere in den kälteren Monaten des Jahres auf, was darauf zurückzuführen ist, dass insbesondere in den wärmeren und damit auch sonnenintensiveren Monaten deutlich mehr überschüssige elektrische Energie E durch die erneuerbaren Energiequellen, insbesondere durch die Solarenergie 20 bzw. die Photovoltaikeinheit 120, erzeugt wurde, die zur vorteilhaften Speicherung in chemische Energie C, beispielsweise mittels der Elektrolyseeinheit 310, umgewandelt wurde und dem zweiten Speicher 320 zur Speicherung zugeführt wurde. Zudem kann auch kostengünstiger zur Verfügung stehender Strom aus dem öffentlichen Netz 40 dazu genutzt werden, den zweiten Energiespeicher 320 zu beladen.
Dies in Summe bewirkte teilweise Speicherleistungen bzw. Ladeleistungen des zweiten Energiespeichers 320 von über 30 kW und eine Zunahme des Füllstandes des zweiten Speichers 320, insbesondere ab Juli (siehe hierfür auch Fig. 5b), da in diesem Zeitraum eine in der Spitzenleistung konstant hohe Entnahmeleistung (teilweise bis 24 kW) der chemischen Energiemenge 320Ca aus dem zweiten Energiespeicher 320 zu verzeichnen ist, die aber dennoch deutlich unterhalb der genannten Ladeleistung liegt. Die konstant hohe Entnahmeleistung kann beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass die Umwandlung der chemischen Energie C in thermische Energie T durch die Brennstoffzelle 330 in diesem Zeitraum zur Beheizung des Außenpools 700 zusätzlich genutzt wurde.
Erst ungefähr ab September liegt die Ladeleistung unterhalb der Entnahmeleistung des zweiten Energiespeichers 320, was somit zu einer Verringerung des Füllstandes des zweiten Energiespeichers 320 ab September führt (vergleiche hierzu auch Fig. 5b). Die verringerte Ladeleistung in diesem Zeitraum kann beispielweise daran liegen, dass die elektrische Energie E vermehrt für das zusätzliche Bereitstellen/Erzeugen von thermischer Energie T für die Beheizung des Gebäudes 2000/2100 genutzt werden muss (siehe hierfür auch Fig. 4d, ca. ab September), beispielsweise durch den Betrieb der Server/wertschöpfenden Maschinen als primärlastabhängige Wärmeerzeuger (erster, primärlastabhängiger Energiewandler 210) und Anlagen oder durch Zuschalten der Wärmepumpe 510.
Ab November des Jahres ist ferner eine deutlich verringerte Entnahmeleistung der chemischen Energie 320Ca zu verzeichnen, was daran liegen kann, dass weniger Strom aus beispielsweise erneuerbaren Energien vorhanden ist, sodass weniger chemische Energie C (hier Wasserstoff) im Elektrolyseur 210 erzeugt und im zweiten Energiespeicher 320 gespeichert wird. Der Speicher 320 wird (ohne die Aufnahme von Strom aus dem öffentlichen Stromnetz) damit oft leer (siehe auch Fig. 5b, ab November). Nur wenn der Speicher 320 nicht leer ist, kann Strom bedarfsgerecht mit Abwärmenutzung zur Verfügung gestellt werden.
Fig. 5b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des zweiten Energiespeichers 320 (beispielhaft Wasserstoffspeicher 320) des beispielhaften Systems 1000 in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022).
Wie bereits unter Fig. 5a teilweise angesprochen, findet insbesondere ab Juli eine sehr starke Zunahme des Füllstands des zweiten Speichers 320 (Wasserstoffspeichers 320) statt, da, wie auch in Fig. 5a gezeigt, regelmäßig die Ladeleistung deutlich über der Entnahmeleistung des zweiten Speichers 320 liegt.
Ungefähr ab September liegt die Ladeleistung unterhalb der Entnahmeleistung des zweiten Energiespeichers 320, was somit zu einer teils deutlichen Verringerung des Füllstandes des zweiten Energiespeichers 320 innerhalb kurzer Zeit führt (vergleiche hierzu auch Fig. 5a).
Fig. 6a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung (Werte im positiven Bereich der Leistungsachse stellen die Aufnahme von elektrischer Energie E dar) und Entnahmeleistung (Werte im negativen Bereich der Leistungsachse stellen die Abgabe von elektrischer Energie E dar) des beispielhaft als Vanadium-Redox-Flow-Akkumulator 130 ausgebildeten dritten Energiespeichers 130 des beispielhaften Systems 1000 in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022).
Dabei wird, insbesondere auch in der Zusammenschau mit Fig. 6b deutlich, dass der dritte Energiespeicher 130 vor allem als eine Art Ausgleichsspeicher für die kurzfristige Speicherung und die kurzfristige Abgabe/Bereitstellung einer elektrischen Energiemenge 130Ea genutzt wird, sodass damit auch ein sehr schwankungsbehafteter Füllstand (siehe Fig. 6b) einhergeht und dabei innerhalb kurzer Zeit (beispielsweise weniger Tage) die gleiche Energiemenge 130Ea im dritten Energiespeicher 130 gespeichert und auch wieder abgegeben wird. Ein „Ansammeln" an elektrischer Energie E über einen längeren Zeitbereich wird hier beispielhaft nur nachrangig angestrebt.
Zudem ist zu erkennen, dass insbesondere in den kalten Monaten (Januar und Februar sowie November und Dezember) des Jahres deutlich geringere Energiemengen 130Ea in den dritten Energiespeicher 130 eingespeichert und wieder abgegeben werden. Das hängt beispielsweise mit der vermehrten Nutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie E zur Beheizung des Gebäudes 2000/2100 zusammen, sodass sehr häufig in diesem Zeitbereich kaum überschüssige elektrische Energie E vorhanden ist, die direkt als elektrische Energiemenge 130Ea gespeichert werden kann.
Das Ausbleiben von Speicher- (Lade-) und Entladevorgängen (Entnahmevorgängen) sowie der Absenkung des Füllstands des dritten Speichers 130 auf im Wesentlichen 0 % im Zeitfenster Mitte April des Jahres kann beispielsweise auf die deutlich vermehrte Nutzung des Elektrolyseurs 310 zur Erzeugung von thermischer Energie T (thermische Energiemenge 310Ta) bei konstant hoher Auslastung der Server (erster, primärlastabhängiger Energiewandler 210) zur Erzeugung der thermischen Energiemenge 210Ta/b in diesem Zeitfenster gemäß Fig. 4a zurückgeführt werden, sodass auch in diesem Zeitfenster keine bzw. kaum überschüssige elektrische Energie E zur Speicherung im dritten Energiespeicher 130 vorhanden ist.
Fig. 6b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des dritten Energiespeichers 130 (beispielhaft Vanadium-Redox-Flow- Akkumulator 130) des beispielhaften Systems 1000 in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022), wobei der Füllstand dabei mit den Lade- und Entnahmevorgängen gemäß Fig. 6a korreliert.
Fig. 7a zeigt ein Diagramm einer in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Ladeleistung (Werte im positiven Bereich der Leistungsachse stellen die Aufnahme von thermischer Energie T dar) und Entnahmeleistung (Werte im negativen Bereich der Leistungsachse stellen die Abgabe von thermischer Energie T dar) des thermischen Langzeitspeichers 230 des beispielhaften Systems 1000 in kW über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022).
Dabei wird vor allem in den kälteren Monaten (Januar und Februar sowie Oktober bis Dezember) im Wesentlichen ausschließlich thermische Energiemengen 230Ta aus dem thermischen Langzeitspeicher 230 entnommen und erst mit Beginn der warmen Monate (ca. Juni bis Mitte/Ende September) kehrt sich dieses um und es werden im Wesentlichen ausschließlich thermische Energiemengen 230Ta in den thermischen Langzeitspeicher 230 geladen/gespeichert.
Zur Entnahme der thermischen Energie T aus dem thermischen Langzeitspeicher 230 wird vor allem die Wärmepumpe 510 verwendet, damit diese auf Basis der vom Speicher zur Verfügung gestellten thermischen Energie T unter zusätzlichem Verbrauch von elektrischer Energie E die thermische Energiemenge 510Ta erzeugen und in das beispielhafte System 1000 einspeisen kann. Daher korrelieren die Entnahmevorgänge aus dem thermischen Langzeitspeicher 230 mit den in den Fig. 4a bis 4d auftretenden Wärmeabgaben der thermischen Energiemenge 510Ta.
Für die Beladung/Speicherung des thermischen Langzeitspeichers 230 wird die im beispielhaften System 1000 überschüssige thermische Energie T, wie insbesondere in den Zeiten Juni bis Mitte September in den Fig. 4a bis 4d ersichtlich, genutzt. Da hier auch keine Entnahme von thermischer Energie T aus dem thermischen Langzeitspeicher 230 stattfindet, steigt entsprechend schnell der Füllstand des thermischen Langzeitspeichers 230 an (siehe hierfür Fig. 7b). Dabei kann die Beladung des thermischen Langzeitspeichers 230 mehr als 100 % betragen (beispielsweise ca. 110 %), was beispielsweise bei einem als erdgekoppelten Wärmespeicher ausgestalteten thermischen Langzeitspeicher 230 möglich ist, wenn dieser beispielsweise eine Temperatur von mehr als 25 °C, die als 100 % Füllstand angesehen werden würde, aufweisen würde. Es ist aber in der Regel der Fälle zu empfehlen, bei einer entsprechenden Überhitzung des thermischen Langzeitspeichers 230 eine Kühlung des Speichers 230 bzw. des Systems 1000 herbeizuführen, beispielsweise durch Beladung des fünften Energiespeichers 240 (chemischer Wärmespeicher 240) mit thermischer Energie T oder durch die Notkühlung über den Außenpool 700.
Erst mit Beginn der kälteren Monate nimmt der Füllstand des thermischen Langzeitspeichers 230 teilweise stark ab (vergleiche hierzu Fig. 7b).
In den Zeiten von ca. März bis Ende Mai finden nur vereinzelt Lade- und Entnahmevorgänge von thermischer Energie T beim thermischen Langzeitspeicher 230 statt. Dies hängt beispielsweise damit zusammen, dass zunächst in diesem Zeitbereich keine überschüssige Wärmemenge (thermische Energie T) im beispielhaften System 1000 vorhanden ist und bei einem geringen vorhandenen Defizit zunächst die Abwärme des Elektrolyseurs 310 bzw. der Brennstoffzelle 330 zur Erzeugungvon zusätzlicher Wärme genutzt wird (siehe hierfür beispielsweise Fig. 4a und 4b).
Fig. 7b zeigt ein Diagramm eines in der Modellrechnung beispielhaft berechneten Füllstandes des thermischen Langzeitspeichers 230 (beispielhaft als erdgekoppelter Wärmespeicher ausgebildet) des beispielhaften Systems 1000 in % über den Zeitbereich eines Jahres (hier beispielhaft des Jahres 2022), wobei der Füllstand dabei mit den Lade- und Entnahmevorgängen gemäß Fig. 7a korreliert.
Wie bereits in Fig. 7a beschrieben, werden insbesondere in den Zeiten der wärmeren Monate (ab Juni bis Mitte September) die thermischen Energiemengen 230Ta in den thermischen Langzeitspeicher 230 gespeichert und damit der Füllstand kontinuierlich erhöht, während in den kälteren Monaten (Januar und Februar sowie Oktober bis Dezember) der Füllstand teils rapide abgebaut wird.
Fig. 8a zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines beispielhaften Systems 1000 zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes 2000/2100 mittels der Steuereinheit 900.
Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Schritte des beispielhaften Verfahrens und insbesondere die darin verwendeten Bezugszeichen der einzelnen Schritte keine Reihenfolge der einzelnen Schritte darstellen oder irgendwie geartet zum Ausdruck bringen sollen. Vielmehr kann beispielhaft ein Schritt mit niedrigerem Bezugszeichen erst nach einem Schritt mit höherem Bezugszeichen und umgekehrt im beispielhaften Verfahren stattfinden.
Im beispielhaft beschriebenen Verfahren umfasst zunächst der Schritt S101 das Bereitstellen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energiebereitstellungsmoduls 100, wobei der Schritt S102 das primärlastabhängige Umwandeln eines Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform mittels eines ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers 210 (beispielsweise Server, Werkzeugmaschine, usw.) eines ersten Energiewandlermoduls 200 umfasst.
Im Schritt S103 erfolgt das Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform (beispielsweise elektrische Energie E) und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform (beispielsweise thermische Energie T) durch mindestens einen Verbraucher eines Verbrauchermoduls 600, 800 des Gebäudes 2000/2100, wobei, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul 100 bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul 600, 800 verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Schritt S104 das Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in einen ersten Energiespeicher 220/230 des ersten Energiewandlermoduls 200, im Schritt S105 das Umwandeln der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform (beispielsweise chemische Energie C) mittels eines zweiten Energiewandlers 310 eines zweiten Energiewandlermoduls 300, wobei bei der Umwandlung der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher 220/230 zum Speichern zugeführt wird, und im Schritte S106 das Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in einen zweiten Energiespeicher 320 des zweiten Energiewandlermoduls 300 erfolgt.
Zusätzlich oder alternativ dazu erfolgt, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul 100 bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul 600/800 verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig im Schritt S107 das Abgeben der in dem ersten Energiespeicher 220/230 zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul 600/800, im Schritt S108 das Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher 320 zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an einen dritten Energiewandler 330, und im Schritt S109 das Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher 320 zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers 330 zum Verbrauch im Verbrauchermodul 600/800, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher 320 abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul 600/800 zum Verbrauchen zugeführt wird.
Fig. 8b zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern eines beispielhaften Systems
1000 zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes 2000/2100 mittels der Steuereinheit 900, das in Ergänzung oder alternativ zum beispielhaften Verfahren wie in Fig. 8a gezeigt und beschrieben angewendet werden kann.
Weiterhin kann das beispielhafte Verfahren den Schritt S110 aufweisen, der das Erzeugen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energieerzeugers 110/120 des ersten Energiebereitstellungsmoduls 100 umfasst, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle 10/20 ist, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle wie Solarenergie 20 und/oder Windenergie 10.
Zudem kann das beispielhafte Verfahren, falls die durch das erste EnergiebereitstellungsmodullOO bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul 600/800 verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig den Schritt Sill Speichern eines Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in einen dritten Energiespeicher 130 des ersten Energiebereitstellungsmoduls 100, den Schritt S112 Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher 220/230 des ersten Energiewandlermoduls 200, den Schritt S113 Umwandeln eines anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform mittels des zweiten Energiewandlers 310 des zweiten Energiewandlermoduls 300, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher 220/230 zum Speichern zugeführt wird, und den Schritt S114 Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in dem zweiten Energiespeicher 320 des zweiten Energiewandlermoduls 300 umfassen.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann das beispielhafte Verfahren, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul 100 bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul 600/800 verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, zeitlich versetzt oder gleichzeitig den Schritt S115 Abgeben der in dem dritten Energiespeicher 130 zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul 600/800, den Schritt S116 Abgeben der in dem ersten Energiespeicher 220/230 zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul 600/800, den Schritt 5117 Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher 320 zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an den dritten Energiewandler 330, und den Schritt
5118 Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher 320 zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers 330 zum Verbrauchen im Verbrauchermodul 600/800 umfassen, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher 320 abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul 600/800 zum Verbrauchen zugeführt wird.
Zudem kann das beispielhafte Verfahren derart ausgestaltet sein, dass das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit 900 gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Steuereinheit 900 dazu eingerichtet ist, die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Primärlast (beispielsweise das Durchführen von Rechenoperationen in einem Server/einer Recheneinheit, das Bearbeiten eines Werkstücks an einer Werkzeugmaschine usw.) des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers 210 und eines Bedarfs des Verbrauchermoduls 600/800 an einer Energiemenge der ersten Energieform und einer Energiemenge der zweiten Energieform zu steuern.
Zudem kann das beispielhafte Verfahren derart ausgestaltet sein, dass der erste Energiespeicher 220/230 einen Kurzzeitspeicher 220 zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher 230 zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfasst, wobei die Steuereinheit 900 ferner dazu eingerichtet ist, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher 220/230 so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher 220 gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher 230 erfolgt.
Zudem kann das beispielhafte Verfahren im Schritt S119 das Erzeugen einer Energiemenge der dritten Energieform mittels eines zweiten Energieerzeugers 410 eines zweiten Energiebereitstellungsmoduls 400, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger 410 abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle 10, 20, 40 verschiedenen zweiten Energiequelle 30 ist, im Schritt S120 das Umwandeln der erzeugten Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform mittels eines vierten Energiewandlers 420 des zweiten Energiebereitstellungsmoduls 400, und im Schritt S121 das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in einem vierten Energiespeicher 430 des zweiten Energiebereitstellungsmoduls 400 umfassen, wobei die Steuereinheit 900 dazu eingerichtet ist, das Erzeugen, Umwandeln und Speichern der Energiemenge durch das zweite Energiebereitstellungsmodul 400 in Abhängigkeit von dem Energiebedarf des Verbrauchermoduls 600/800 und der Verfügbarkeit der zweiten Energiequelle 30 zu steuern.
Zudem kann das beispielhafte Verfahren im Schritt S122 das Verbrauchen einer überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform durch einen zu dem mindestens einen Verbraucher des Verbrauchermoduls 600/800 des Gebäudes 2000/2100 verschiedenen Zusatzverbraucher 700 aufweisen, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, um die Gesamtenergiemenge im beispielhaften System 1000, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
Dabei kann das beispielhafte Verfahren, wie auch das beispielhafte System 1000, derart ausgestaltet sein, dass die erste Energieform eine elektrische Energie E ist, die zweite Energieform eine thermische Energie T ist und die dritte Energieform eine chemische Energie C ist.
Darüber hinaus kann das beispielhafte Verfahren im Schritt S123 das Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 40 in das beispielhafte System 1000 mittels einer Anbindung des beispielhaften Systems 1000 an das öffentliche Stromnetz 40 oder im Schritt 124 das Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz 40 aus dem beispielhaften System 1000 mittels der Anbindung des beispielhaften Systems 1000 an das öffentliche Stromnetz 40 umfassen.
Es sei darauf verwiesen, dass vorstehend lediglich Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sowie technische Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben wurden. Die vorliegende Offenbarung ist in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale bzw. deren beschriebene Kombinationen begrenzt bzw. eingeschränkt, sondern umfasst weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination bzw. Teilkombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste
10 erste Energiequelle/Wind
20 erste Energiequelle/Sonnenstrahlung/Solarenergie
30 zweite Energiequelle/HoLz/Biomasse
40 Energieversorger/öffentliches Stromnetz
45 Energieversorger/Erdgasversorger
50 Bedarf an Rechenkapazität
100 erstes Energiebereitstellungsmodul
110 erster Energieerzeuger/Windrad
120 erster Energieerzeuger/Photovoltaikeinheit
130 dritter Energiespeicher/elektrischer Energiespeicher
200 erstes EnergiewandLermodul
210 erster Energiewandler (primärlastabhängig)/Recheneinheit
220 erster Energiespeicher/thermischer Kurzzeitspeicher
230 erster Energiespeicher/thermischer Langzeitspeicher
240 fünfter Energiespeicher/chemischer Wärmespeicher
300 zweites Energiewandlermodul
310 zweiter Energiewandler/Elektrolyseeinheit
320 zweiter Energiespeicher/chemischer Speicher/Wasserstoffspeicher
330 dritter Energiewandler/Brennstoffzelle/Blockheizkraftwerk
340 reversible Brennstoffzelle
400 zweites Energiebereitstellungsmodul
410 zweiter Energieerzeuger/Holzvergaser
420 vierter Energiewandler/Holzgasverbrenner
430 vierte Energiespeicher
500 Zusatzheizmodul 510 Wärmepumpe
520 Wärmekartusche
600 Verbrauchermodul (thermisch)
610 Verbraucher/Trinkwasserverbraucher
620 Verbraucher/Heizkörper/Flächenheizsystem
630 Wärmetauscher
640 Wärmenetz
650 Verbraucher/Flächenheizsystem
700 Zusatzverbraucher/Außenpool
800 Verbrauchermodul (elektrisch)
810 normaler Strombedarf
820 Wallbox
830 Wallbox
900 Steuereinheit
1000 System
2000 Gebäude
2100 Nebengebäude
E elektrische Energie
T thermische Energie
C chemische Energie

Claims

Patentansprüche
1. System zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes, mit:
- einem ersten Energiebereitstellungsmodul zur Bereitstellung einer Energiemenge einer ersten Energieform,
- einem ersten Energiewandlermodul, das einen ersten, primärlastabhängigen Energiewandler zur primärlastabhängigen Umwandlung eines Teils der bereitgestellten Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform und einen ersten Energiespeicher zur Speicherung einer Energiemenge der zweiten Energieform aufweist,
- einem Verbrauchermodul, das mindestens einen Verbraucher des Gebäudes zum Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform aufweist, und
- einer Steuereinheit zur Steuerung der Module des Systems, wobei das System ferner ein zweites Energiewandlermodul aufweist, das
- einen zweiten Energiewandler zur Umwandlung eines anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird,
- einen zweiten Energiespeicher zur Speicherung der Energiemenge der dritten Energieform aufweist, und
- einen dritten Energiewandler zur Umwandlung einer gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform aufweist, wobei bei der Umwandlung der gespeicherten Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt wird.
2. System nach Anspruch 1, wobei das erste Energiebereitstellungsmodul einen ersten Energieerzeuger zur Erzeugung einer Energiemenge der ersten Energieform aufweist, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle ist, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle wie Solarenergie und/oder Windenergie.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Energiebereitstellungsmodul einen dritten Energiespeicher zur Speicherung einer Energiemenge der ersten Energieform aufweist.
4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Energiewandlermodul einen fünften Energiespeicher aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine Energiemenge der zweiten Energieform in eine Energiemenge der dritten Energieform umzuwandeln und diese zu speichern, wobei der fünfte Energiespeicher ferner dazu eingerichtet ist, die gespeicherte Energiemenge der dritten Energieform zurück in eine Energiemenge der zweiten Energieform umzuwandeln.
5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von der Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Primärlast des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers und eines Bedarfs des Verbrauchermoduls an einer Energiemenge der ersten Energieform und einer Energiemenge der zweiten Energieform zu steuern.
6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Energiespeicher einen Kurzzeitspeicher zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfasst.
7. System nach Anspruch 6, wobei der Kurzzeitspeicher und der Langzeitspeicher in direkter Wirkverbindung miteinander stehen, sodass eine Energiemenge der zweiten Energieform zwischen dem Kurzzeitspeicher und dem Langzeitspeicher ausgetauscht werden kann.
8. System nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher erfolgt.
9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiewandler zur Umwandlung der ersten Energieform in die dritte Energieform und der dritte Energiewandler zur Umwandlung der dritten Energieform in die erste Energieform des zweiten Energiewandlermoduls eine Baugruppe ist, die dazu eingerichtet ist, den Prozess zur Umwandlung der dritten Energieform in die erste Energieform als reversiblen Prozess der Umwandlung der ersten Energieform in die dritte Energieform durchzuführen.
10. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit: einem zweiten Energiebereitstellungsmodul, das einen zweiten Energieerzeuger zur Erzeugung der dritten Energieform aufweist, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle verschiedenen zweiten Energiequelle ist, wobei das zweite Energiebereitstellungsmodul ferner einen vierten Energiewandler zur Umwandlung der dritten Energieform in die zweite Energieform aufweist.
11. System nach Anspruch 10, wobei das zweite Energiebereitstellungsmodul einen vierten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform aufweist, wobei der vierte Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform in keiner oder in direkter Wirkverbindung mit dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform zum Austausch einer Energiemenge der zweiten Energieform steht.
12. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit: einem zu dem mindestens einen Verbraucher des Verbrauchermoduls des Gebäudes verschiedenen Zusatzverbraucher zum Verbrauchen einer Energiemenge der zweiten Energieform, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Zusatzverbraucher derart zu steuern, dass, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, eine überschüssige Energiemenge der zweiten Energieform dem Zusatzverbraucher zum Verbrauchen zugeführt wird, um die Gesamtenergiemenge im System, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
13. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Energieform eine elektrische Energie ist, die zweite Energieform eine thermische Energie ist, und die dritte Energieform eine chemische Energie ist.
14. System nach Ansprüchen 1 und 13, wobei der zweite Energiewandler ein Elektrolyseur ist, der zur Umwandlung von einer Energiemenge elektrischer Energie in eine Energiemenge chemischer Energie eingerichtet ist.
15. System nach Ansprüchen 1 und 13, wobei der dritte Energiewandler eine Brennstoffzelle ist, die zur Umwandlung von einer Energiemenge chemischer Energie in eine Energiemenge elektrischer Energie eingerichtet ist.
16. System nach Ansprüchen 1 und 13, wobei der dritte Energiewandler ein Blockheizkraftwerk ist, das zur Umwandlung von einer Energiemenge chemischer Energie in eine Energiemenge elektrischer Energie und/oder eine Energiemenge thermischer Energie eingerichtet ist.
17. System nach Ansprüchen 9 und 13, wobei die Baugruppe eine reversible Brennstoffzelle ist, die in einem Prozess eine Energiemenge von elektrischer Energie in eine Energiemenge von chemischer Energie umwandeln und diesen Prozess umgekehrt, von chemischer Energie zu elektrischer Energie, durchführen kann.
18. System nach Anspruch 13, wobei das System ferner eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz aufweist, wobei die Steuereinheit für das Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in das System und für das Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie aus dem System in das öffentliche Stromnetz eingerichtet ist.
19. System nach Ansprüchen 6 und 13, wobei das System eine Wärmepumpe aufweist, die die Energiemenge der thermischen Energie in dem System durch Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses erhöht, wobei die Wärmepumpe dabei die in dem Langzeitspeicher des ersten Energiespeichers gespeicherte thermische Energie nutzt.
20. System nach Anspruch 6 und 13, wobei der Langzeitspeicher des ersten Energiespeichers ein saisonaler Wärmespeicher, insbesondere ein Erdbecken-Wärmespeicher ist.
21. System nach Anspruch 13, wobei der erste Energiewandler eine Rechnereinheit ist, die als Primärlast Rechenoperationen durchführt und die primärlastabhängig elektrische Energie in thermische Energie durch das Durchführen der Rechenoperationen umwandelt.
22. System nach Ansprüchen 10 und 13, wobei der zweite Energieerzeuger des zweiten Energiebereitstellungsmoduls ein Holzvergaserkessel ist und der vierte Energiewandler ein Holzgasverbrenner ist, wobei Holzvergaserkessel und Holzgasverbrenner eine Baugruppe sind.
23. System nach Ansprüchen 3 und 13, wobei der dritte Energiespeicher zur Speicherung der elektrischen Energie ein Vanadium- Redox-Flow-Akkumulator oder ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.
24. Verfahren zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes mittels einer Steuereinheit, insbesondere eines Systems gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - BereitstelLen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energiebereitstellungsmoduls,
- primärlastabhängiges Umwandeln eines Teils der Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten Energieform verschiedenen zweiten Energieform mittels eines ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers eines ersten Energiewandlermoduls,
- Verbrauchen einer bedarfsabhängigen Energiemenge der ersten Energieform und/oder einer bedarfsabhängigen Energiemenge der zweiten Energieform durch mindestens einen Verbraucher eines Verbrauchermoduls des Gebäudes, wobei, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig
- Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in einen ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls,
- Umwandeln der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in eine von der ersten und der zweiten Energieform verschiedenen dritten Energieform mittels eines zweiten Energiewandlers eines zweiten Energiewandlermoduls, wobei bei der Umwandlung der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher zum Speichern zugeführt wird, und
- Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in einen zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls, und/oder, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte, bedarfsabhängige Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig
- Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul,
- Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an einen dritten Energiewandler, und
- Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul zum Verbrauchen zugeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, aufweisend:
- Erzeugen einer Energiemenge einer ersten Energieform mittels eines ersten Energieerzeugers des ersten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die erzeugte Energiemenge der ersten Energieform abhängig von mindestens einer ersten, diskontinuierlichen Energiequelle ist, insbesondere eine erneuerbare Energiequelle wie Solarenergie und /oder Windenergie
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform größer als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig
- Speichern eines Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in einen dritten Energiespeicher des ersten Energiebereitstellungsmoduls,
- Speichern der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher des ersten Energiewandlermoduls,
- Umwandeln eines anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform mittels des zweiten Energiewandlers des zweiten Energiewandlermoduls, wobei bei der Umwandlung des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die dritte Energieform gleichzeitig ein Teil des anderen Teils der im Wesentlichen überschüssigen Energiemenge der ersten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem ersten Energiespeicher zum Speichern zugeführt wird, und
- Speichern der Energiemenge der dritten Energieform in dem zweiten Energiespeicher des zweiten Energiewandlermoduls, und/oder, falls die durch das erste Energiebereitstellungsmodul bereitgestellte Energiemenge der ersten Energieform kleiner als die durch das Verbrauchermodul verbrauchte Energiemenge der ersten und der zweiten Energieform ist, dann zeitlich versetzt oder gleichzeitig
- Abgeben der in dem dritten Energiespeicher zur Speicherung der ersten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul,
- Abgeben der in dem ersten Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform gespeicherten Energiemenge zum Verbrauchen im Verbrauchermodul,
- Abgeben der in dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform gespeicherten Energiemenge an den dritten Energiewandler, und
- Umwandeln der von dem zweiten Energiespeicher zur Speicherung der dritten Energieform abgegebenen Energiemenge in eine Energiemenge der ersten Energieform mittels des dritten Energiewandlers zum Verbrauchen im Verbrauchermodul, wobei bei der Umwandlung der vom zweiten Energiespeicher abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die erste Energieform gleichzeitig ein Teil der abgegebenen Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform umgewandelt und dem Verbrauchermodul zum Verbrauchen zugeführt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei das Speichern der überschüssigen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in den Energiespeichern, das Abgeben der in den Energiespeichern gespeicherten Energiemenge der verschiedenen Energieformen und das Umwandeln der überschüssigen oder abgegebenen Energiemenge der verschiedenen Energieformen in einer von einer Steuereinheit gesteuerten Reihenfolge erfolgt, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Primärlast des ersten, primärlastabhängigen Energiewandlers und eines Bedarfs des Verbrauchermoduls an einer Energiemenge der ersten Energieform und einer Energiemenge der zweiten Energieform zu steuern.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei der erste Energiespeicher einen Kurzzeitspeicher zur kurzfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform und einen Langzeitspeicher zur mittel- bis langfristigen Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform umfasst, wobei die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in dem ersten Energiespeicher so zu steuern, dass vorrangig die Energiemenge in dem Kurzzeitspeicher gespeichert wird, und nachrangig eine Speicherung der Energiemenge der zweiten Energieform in dem Langzeitspeicher erfolgt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, aufweisend:
- Erzeugen einer Energiemenge der dritten Energieform mittels eines zweiten Energieerzeugers eines zweiten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die Erzeugung einer Energiemenge der dritten Energieform durch den zweiten Energieerzeuger abhängig von mindestens einer von der ersten Energiequelle verschiedenen zweiten Energiequelle ist,
- Umwandeln der erzeugten Energiemenge der dritten Energieform in die zweite Energieform mittels eines vierten Energiewandlers des zweiten Energiebereitstellungsmoduls, und
- Speichern der Energiemenge der zweiten Energieform in einem vierten Energiespeicher des zweiten Energiebereitstellungsmoduls, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Erzeugen, Umwandeln und Speichern der Energiemenge durch das zweite Energiebereitstellungsmodul in Abhängigkeit von dem Energiebedarf des Verbrauchermoduls und der Verfügbarkeit der zweiten Energiequelle zu steuern.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, aufweisend:
- Verbrauchen einer überschüssigen Energiemenge der zweiten Energieform durch einen zu dem mindestens einen Verbraucher des Verbrauchermoduls des Gebäudes verschiedenen Zusatzverbraucher, falls die Energiespeicher zur Speicherung der zweiten Energieform im Wesentlichen keine Kapazität mehr für eine zusätzliche Energiemenge der zweiten Energieform aufweisen, um die Gesamtenergiemenge im System, insbesondere die Energiemenge der zweiten Energieform, zu reduzieren.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei die erste Energieform eine elektrische Energie ist, die zweite Energieform eine thermische Energie ist, und die dritte Energieform eine chemische Energie ist.
32. Verfahren nach Anspruch 31, aufweisend: - Zulassen oder Stoppen eines Zuführens von elektrischer Energie aus dem öffentlichen Stromnetz in das System mittels einer Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz, oder
- Zulassen oder Stoppen eines Einspeisens von elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz aus dem System mittels der Anbindung des Systems an das öffentliche Stromnetz.
33. Steuereinheit zum Steuern eines Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung eines Gebäudes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zum Steuern des Systems zur kontinuierlichen, bedarfsgerechten Energieversorgung des Gebäudes gemäß einem der Ansprüche 24 bis 32 durchzuführen.
34. Computerprogrammprodukt mit einem auf einem computerlesbaren Datenspeichermedium gespeicherten Computerprogramm, das ausführbar an einer Steuereinheit gemäß Anspruch 33 oder in einem mit einer Steuereinheit verbundenen Computer ist und das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 24 bis 32 zu steuern.
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