WO2014095343A2 - Verfahren zum betreiben von energiespeichern - Google Patents

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WO2014095343A2
WO2014095343A2 PCT/EP2013/075362 EP2013075362W WO2014095343A2 WO 2014095343 A2 WO2014095343 A2 WO 2014095343A2 EP 2013075362 W EP2013075362 W EP 2013075362W WO 2014095343 A2 WO2014095343 A2 WO 2014095343A2
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Georg Markowz
Carsten Kolligs
Wolfgang Deis
Anna FLEMMING
Dennis GAMRAD
Sébastien COCHET
Rüdiger Schütte
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Evonik Industries Ag
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating energy storage and an apparatus for carrying out such a method.
  • a variety of power storage technologies are already in use or under development. At present, no technology is recognizable that outperforms other technologies in all requirement categories. Typically, therefore, using a memory is limited to one or a few combined purposes or different storage technologies are combined, e.g.
  • the storage technologies for comparatively short-term storage and withdrawal are generally characterized by comparatively high efficiencies, but rather moderate to low storage capacities.
  • some of the technologies discussed for large volumes of energy and / or long storage times, such as storage in the form of hydrogen show comparatively low efficiencies.
  • a further object of the invention is to be seen in the fact that the investments for the provision of a required storage capacity should be as low as possible. In this case, the components necessary for achieving an appropriate service should be made available as cheaply as possible. In particular, the performance of the lower efficiency component, such as that of a hydrogen generator or a fuel cell, should be minimized as much as possible without the overall performance provided by the overall system decreasing over a given period of time with a stored energy demand.
  • the overall system can store a large surplus of renewable energy as comprehensively as possible without having to use very large-dimensioned plant components for this purpose.
  • the method according to the invention should also be able to provide a necessary electrical power as quickly as possible when needed.
  • the process of the present invention should further minimize the use of conventional power generators that release carbon dioxide (CO 2 ) as much as possible.
  • the subject matter of the present invention is accordingly a method for operating energy stores, comprising the recovery of electrical energy by renewable energy and storage of at least part of the energy by an energy store having at least two electrochemical elements, which is characterized in that the at least two electrochemical elements differ in efficiency, the state of charge of the electrochemical element is determined with the higher efficiency, a prognosis is made regarding the power that can be provided by renewable energy, and, based on the prognosis result and the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency, electrical Energy is exchanged between the at least two electrochemical elements.
  • the inventive method succeeds in an unforseeable manner, a method for operating energy storage, comprising the recovery of electrical energy by renewable energy and storage of at least a portion of the energy through an energy store with at least two electrochemical Elements to provide that does not suffer from the disadvantages of conventional methods.
  • the method can be carried out very simply and inexpensively, since components with lower power are available at lower cost and the maintenance costs can be reduced. Furthermore, the facilities with which the process can be performed are associated with low investment in terms of the storage capacity provided.
  • the entire system can store a large surplus of renewable energy as comprehensively as possible without having to use very large-sized plant components for this purpose.
  • the inventive method is also suitable to be able to provide a necessary electrical power very quickly if needed.
  • the process can be carried out with very few process steps, the same being simple and reproducible.
  • the present method is performed in conjunction with recovery of electrical energy by renewable energy and storage of at least a portion of the energy in the energy storage devices.
  • Renewable energy is understood to mean any sustainable form of energy. These include, for example, wind energy and solar energy, which are converted in a known manner into electrical energy.
  • the present invention can be operated, for example, with wind turbines or solar systems.
  • Solar systems include photovoltaic systems and thermal solar systems, which can also be called solar power plants, depending on their capacity.
  • the performance of plants or power plants generating electrical energy from renewable sources is not restricted. Depending on the purpose and location of these facilities, they may, for example, provide energy as a stand-alone solution for a relatively limited number of consumers. Furthermore, these systems can be integrated into a larger power grid.
  • the systems for generating electrical energy from renewable energies preferably have a power of at least 1 kW, preferably at least 10 kW, more preferably at least 100 kW, more preferably at least 1 MW, and most preferably at least 10 MW.
  • renewable energies can not be provided in a predictable manner.
  • the wind does not blow according to a predicted or existing energy demand, so that in wind power surplus the energy gained must be stored in order to feed the energy needed in a wind down into the grid, if the energy industry is to work primarily with renewable energy.
  • the terms energy surplus or energy deficiency mean that at the respective time more or less energy is provided by the previously stated renewable energies than consumed.
  • the respective state can be determined, for example, via the measurement of the network frequency. At a power shortage the mains frequency decreases, whereas at a Power surplus the grid frequency increases. In the case of a DC network, this condition can be determined by measuring the voltage.
  • excess surplus and energy surplus or undercount and energy surplus have a similar meaning for the purposes of this invention.
  • the present invention describes a method for operating energy stores that can absorb and deliver electrical energy. These energy stores comprise at least two electrochemical elements which differ in their efficiency. Electrochemical elements are devices that can absorb and / or release electrical energy through chemical reactions.
  • an energy storage system based on hydrogen, a redox flow element and / or a galvanic element is used as the electrochemical element, preferably an accumulator.
  • the batteries include in particular lead-acid batteries, sodium-nickel-chloride accumulators, sodium-sulfur accumulators, nickel-iron accumulators, nickel-cadmium accumulators, nickel-metal hydride accumulators, nickel-hydrogen accumulators, nickel-zinc accumulators, sodium Ion accumulators, potassium ion accumulators and lithium ion accumulators.
  • accumulators are preferred, which have a high efficiency and a high operational and calendar life.
  • the preferred accumulators accordingly include, in particular, lithium ion accumulators (for example lithium polymer accumulators, lithium titanate accumulators, lithium manganese accumulators, lithium iron phosphate accumulators, lithium iron manganese phosphate Accumulators, lithium-iron-yttrium-phosphate accumulators) and developments thereof, such as lithium-air accumulators, lithium-sulfur accumulators and tin-sulfur lithium-ion accumulators.
  • lithium ion accumulators for example lithium polymer accumulators, lithium titanate accumulators, lithium manganese accumulators, lithium iron phosphate accumulators, lithium iron manganese phosphate Accumulators, lithium-iron-yttrium-phosphate accumulators
  • developments thereof such as lithium-air accumulators, lithium-sulfur accumulators and tin-sulfur lithium-ion accumulators.
  • lithium-ion secondary batteries are particularly suitable for methods according to the invention because of their rapid reaction time, that is, both in terms of the response time and the rate at which the power can be increased or reduced.
  • the efficiency is also Ion accumulators good.
  • preferred accumulators exhibit a high power to capacity ratio, this characteristic being known as the C rate.
  • the energy store has at least two electrochemical elements which differ in their efficiency.
  • the efficiency is defined here as the ratio between the energy that can be stored and the energy supplied to the storage system.
  • the efficiency of a rechargeable battery defines the ratio between the amount of charge and the amount of discharge. At 100% efficiency, all the charged energy would be available. Since when charging a rechargeable battery part of the charged current can flow in side reactions or is lost by self-discharge, is no longer the entire charged charge available for the discharge. In general, the efficiency decreases both by fast charging and by rapid discharge, since the losses increase in the internal resistance.
  • losses include other thermal losses, for example, the internal resistance of an electrochemical element or mechanical friction of a motor, incomplete chemical processes or self-discharge of an electrochemical element.
  • Secondary components that are relevant to the entire storage system and that require power in order to enable the storage of electrical energy are to be considered in the efficiency determination. In particular, these include pumps, compressors or cooling units, as well as the energy that is necessary for the controller and / or for the energy management system.
  • Ampere hour efficiency is the ratio of withdrawable capacitance CEI 3 to charged capacitance Ci_ ad :
  • E E i a represents the extractable energy
  • E La d represents the energy supplied.
  • the efficiency data generally refer to the energy efficiency, unless stated otherwise. Since the efficiency of many rechargeable batteries depends on the current intensity of the charging and discharging processes as well as the charging and discharging temperature, the rechargeable battery with a rated current of 0.2 C at a temperature of 25 ° is used to determine the efficiency of the rechargeable battery C charged and directly discharged after charging with a related to the nominal capacity of the accumulator current of 0.2 C at 25 ° C. With respect to the rated capacity of the accumulator current of 0.2 C, the accumulator is charged or discharged within 5 hours.
  • the nominal capacity can be determined according to the parameters given in DIN 40 729 for different battery types. In many cases the nominal capacity is given for commercial accumulators.
  • the electrochemical element with the higher efficiency has an efficiency of preferably at least 60%, preferably at least 70%, more preferably at least 80% and especially preferably at least 90%, measured according to the above method.
  • a preferred embodiment of the present invention is characterized in that the electrochemical element with the lower efficiency has an efficiency of preferably at most 90%, preferably at most 80%, more preferably at most 70% and especially preferably at most 60%, measured according to the above method ,
  • the difference between the efficiency of the electrochemical element with the higher efficiency and the efficiency of the electrochemical element with the lower efficiency is preferably at least 2%, preferably at least 5%, more preferably at least 10% and especially preferably at least 15% , wherein the efficiency is determined in each case according to the above method.
  • the at least two electrochemical elements of the energy store which can absorb and deliver electrical energy, have a different C rate.
  • the C rate is, as previously stated, defined as the ratio of power to rated capacity of the respective electrochemical element.
  • the ratio of the C rates of the respective electrochemical elements may be greater than 1.1, preferably greater than 1.5, and more preferably greater than 2, with the higher C rate being related to the lower C rate.
  • a lithium-ion accumulator is used as the electrochemical element with the higher efficiency.
  • a lead-acid battery, a redox-flow element or an energy storage system based on hydrogen is used as the electrochemical element with the lower efficiency.
  • a hydrogen-based energy storage system designates a system which can supply hydrogen from electricity and generate electrical energy from hydrogen.
  • an energy storage system based on hydrogen comprises at least one hydrogen storage.
  • the preferred systems for generating hydrogen from electricity include in particular electrolysis units.
  • the generation of electrical Energy from hydrogen can be done for example with a fuel cell, a turbine, such as a gas turbine or a hydrogen engine, these units operate partially a generator.
  • the type of hydrogen storage is not critical, so that for this purpose a pressure tank, a liquid gas storage or a chemical storage can be used.
  • a system can be used in which a lithium-ion battery is combined with a lead-acid battery.
  • a hydrogen based energy storage system in combination with a lithium ion secondary battery is a preferred embodiment of an energy storage device of the present invention.
  • a lead acid storage battery may be operated in conjunction with a hydrogen based energy storage system.
  • a combination comprising at least one lithium-ion secondary battery, a lead-acid battery and a hydrogen-based energy storage system may be used.
  • a system in which a lithium-ion accumulator is combined with a redox flow element can be used as a particularly preferred energy store.
  • a lead-acid battery can be operated together with a redox-flow element.
  • a combination comprising at least one lithium-ion secondary battery, a lead-acid battery, a redox-flow element and a hydrogen-based energy storage system may be used.
  • a system for storing energy for carrying out a method according to the present invention may comprise at least one redox flow element and at least one energy storage system based on hydrogen.
  • lead-acid batteries usually have a higher efficiency than energy-storage systems based on hydrogen, but less than redox-flow elements.
  • the electrochemical element with the higher efficiency has a relatively small storage capacity having. This may, for example, be related to the rated power, in particular to the maximum power provided or, preferably, to the storage capacity of the element with the lower efficiency.
  • the ratio of storage capacity of the electrochemical element having the higher efficiency to the storage capacity of the electrochemical element having the lower efficiency can be at most 2: 1, preferably at most 1: 1, more preferably at most 1: 2, even more preferably at most 1: 5, and most preferably at most 1:10.
  • the higher efficiency electrochemical element preferably has a smaller storage capacity than the lower efficiency electrochemical element.
  • the storage capacity refers in each case to the nominal capacity.
  • This embodiment can provide surprising economic advantages since the inventors of the present invention have found that in many cases a relatively low storage capacity of a high capacity accumulator is sufficient to compensate for a power shortfall due to lack of renewable energy, whereas a relatively large capacity is required in relatively rare cases. so that these rare cases can be covered with relatively inexpensive electrochemical storage while achieving cost advantages.
  • Another surprising advantage of energy storage systems based on hydrogen and redox flow batteries is that the performance of the systems can be selected independently of the storage capacity. This can provide a system with a necessary capacity without incurring excessive costs for unnecessarily high performance.
  • the lower efficiency electrochemical element is preferably used to offset longer lasting power shortages and / or longer lasting surplus power surpluses.
  • An energy store to be used according to the invention which can absorb and deliver electrical energy, comprises at least two electrochemical elements which differ in their efficiency. Accordingly, these electrochemical elements preferably also constitute energy stores, which optionally become such in combination. This is for example when using a Fuel cell, the case, which should be used together with a hydrogen generator and storage.
  • electrochemical elements is used in particular for clarification that the energy store comprises several components. In this case, these electrochemical elements may be arranged in spatial proximity or placed over a greater distance to each other. It is essential that both electrochemical elements are jointly controlled by a central control unit, which can be realized in particular by a common management system. In this case, the individual electrochemical elements can each have a subsystem that performs partial control tasks.
  • a flywheel, a heat accumulator, a natural gas generator with gas power plant, a pumped storage power plant, a compressed air storage power plant and / or a superconducting magnetic energy storage is used as energy storage, which does not represent an electrochemical element, or combinations ("pools") of Saving or storing with conventional power generators or storing with consumers and / or power generators
  • a heat storage device operated as energy storage must be operated together with a device for producing electricity from the stored heat energy.
  • an energy of at least 4 kWh can be stored in the energy store, preferably of at least 10 kWh, particularly preferably at least 50 kWh, very particularly preferably at least 250 kWh.
  • the at least two electrochemical elements of the energy store can have a very similar capacity.
  • the higher efficiency electrochemical element may comprise a relatively small storage capacity.
  • the higher efficiency electrochemical element may preferably store at least 1 kWh of energy, preferably at least 4 kWh, more preferably at least 10 kWh, entirely more preferably at least 100 kWh.
  • the lower efficiency electrochemical element may preferably store at least 3 kWh of energy, preferably at least 6 kWh, more preferably at least 40 kWh, most preferably at least 150 kWh.
  • the energy store which is based on electrochemical elements, have a capacity of at least 5 Ah, preferably at least 10 Ah, particularly preferably at least 50 Ah.
  • this memory can advantageously be operated with a voltage of at least 1 V, preferably at least 10 V and particularly preferably at least 100 V.
  • the capacity can be adjusted to the rated power and a predefined set period. Larger capacities are needed for higher power ratings and longer periods of time. Furthermore, the ratio of the storage capacities of the at least two electrochemical elements can be adapted to their performance, taking into account the price differences. With very large differences in price and performance, a relatively large difference in capacity will generally make sense.
  • the desired state of charge of the energy store may preferably be at least 10%, particularly preferably at least 20%. Surprising advantages can be achieved in a desired state of charge of the energy store in the range of 30 to 100% of the capacity, particularly preferably in the range of 50 to 90%. Compliance with and / or return to these state of charge ranges can be achieved, for example, by utilizing the operating mode underlying this invention and / or via energy trading via the power grid, if the method is operated with a system that forms part of a larger power grid. In an isolated solution, additional energy generators and / or energy consumers can be used, as will be explained in more detail later.
  • the state of charge corresponds in particular in the case of accumulators as an energy store to the state of charge (English: “state-of-charge”, SoC) or the energy content (English: “State-of-Energy”, SoE).
  • the state of charge of the at least two electrochemical elements of the energy store can in each case lie in the areas described above.
  • the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency is on average lower than the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency.
  • the state of charge of the lower efficiency electrochemical element may be on average at least 5%, preferably at least 10%, above the state of charge of the higher efficiency electrochemical element, based on the state of charge of the higher efficiency electrochemical element.
  • the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency can be subject to greater fluctuations than the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency.
  • At a very low state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency may also be provided that energy is transferred from the electrochemical element with the lower efficiency to the electrochemical element with the higher efficiency.
  • the transmitted energy should be in a size that leads to relatively few charge / discharge cycles.
  • the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency can decrease by at least 5%, particularly preferably by at least 10% and particularly preferably at least 15%, by this discharge process.
  • the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency can preferably increase by at least 5%, preferably by at least 15% and particularly preferably by at least 30% by a discharge process of the electrochemical element with the lower efficiency.
  • the desired state of charge of the energy store may depend on forecast data.
  • consumption data can be used to determine the optimum state of charge, which depends on the time of day, the day of the week and / or the season.
  • the desired state of charge may be dependent on weather forecasts, with a predicted strong supply of renewable energy a relative low charge state is desirable and a low supply a high state of charge.
  • the state of charge of the electrochemical element is determined with the higher efficiency.
  • the state of charge can be determined via the energy exchange, which can be estimated by unloading and charging processes by appropriate methods or can be measured directly.
  • the necessary measuring devices are commercially available, the state of charge can be measured continuously or at intervals.
  • the state of charge of the electrochemical element can be measured with the lower efficiency.
  • the amount of stored or storable hydrogen may be used to determine the energy that can be provided or stored by that unit.
  • the necessary measuring devices are commercially available, the state of charge can be measured continuously or at intervals.
  • the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency can also be estimated via energy exchange values, for example charging and discharging energies, so that a measurement of the state of charge is not absolutely necessary.
  • the gas pressure of the reservoir used can serve as a state of charge estimation.
  • a prognosis is made with regard to the power that can be provided by renewable energy.
  • renewable energy for example a wind turbine or solar system used, can provide the power required in a given period of time. Accordingly, these forecasts will generally take into account historical consumption data.
  • data on the achievable benefits of renewable energy in the future are useful for the preparation.
  • for predicting the part the electrical energy recovered by the renewable energy that can be chemically stored by the electrochemical elements takes into account data based on a time-dependent consumption of electrical energy. Accordingly, to produce the forecast, it is preferable to use consumption data that depends, for example, on the time of day, the day of the week and / or the season, and weather forecasts that provide an estimate of the power that can be provided by the renewable energies.
  • these forecasts are created for a period of time.
  • the duration of the period can be chosen arbitrarily, with longer periods of time being meaningful only with a very good prognosis, in particular with regard to the weather data.
  • the advantage obtainable by the present invention decreases.
  • Surprising advantages arise in particular with a period of time which ranges from 1 hour to 2 months, preferably 6 hours to 30 days and particularly preferably 1 day to 14 days.
  • the forecast always refers to a future period, which can also be carried out immediately before this period. With a very early generation of the forecast, their probability of occurrence is generally relatively low. On the other hand, the possibility of influencing a very late creation of the same decreases. According to a preferred embodiment, therefore, many forecasts are performed in relatively short intervals, with the respective results to be understood as instructions for the future, so that a quasi-continuous adaptation can be achieved. Thus, in the event of a deviation of the actual consumption values or the power provided by the renewable energy from an earlier prognosis, an adaptation of the exchange of electrical energy between the at least two electrochemical elements can take place.
  • the higher efficiency electrochemical element storing chemical energy in the lower efficiency electrochemical element may be preferentially discharged, taking into account the state of charge of the higher efficiency electrochemical element, if the prediction made above indicates that over one predicted period of time, the electrical power provided by the renewable energy for charging the at least two electrochemical elements is greater than the optimum of the power consumption of the lower efficiency electrochemical element.
  • the efficiency of the electrochemical element having the lower efficiency in particular with regard to the power consumption, can be selected to be relatively low, without the energy available for storage by the renewable energy being lost.
  • the discharging of the electrochemical element with the higher efficiency takes place at a time when the power which can be provided by the renewable energy for the storage of chemical energy is preferably less than 90%, preferably less than 80%. , more preferably less than 60% of the power consumption optimum of the lower efficiency electrochemical element.
  • the higher efficiency electrochemical element storing this energy in the lower efficiency electrochemical element may preferably be discharged in consideration of the charge state of the higher efficiency electrochemical element, the electric energy obtained by the renewable energy being discharged at the start of discharging electrochemical element with the higher efficiency is lower than the existing at that time demand for electrical energy by the consumer.
  • the higher efficiency electrochemical element may be preferentially charged with release of chemical energy from the lower efficiency electrochemical element, taking into account the state of charge of the higher efficiency electrochemical element, if the prediction made above indicates that over one predicted period of time, the electrical power provided by the renewable energy can not meet the demand for electrical power and the power penalty is greater than the power that can be provided by the lower efficiency electrochemical element.
  • the performance of the electrochemical element with the lower efficiency, in particular with regard to the power output can be chosen relatively low, without the energy available to consumers would have to be limited in a short time or switched according to a conventional power generator or an energy consumer would have to be turned off ,
  • the charging of the electrochemical element with the higher efficiency by the electrochemical element with the lower efficiency takes place at a time at which the electrochemical element with the lower efficiency performs a performance which is preferably at most 90%, preferably at most 80th % and especially preferably at most 60% of the optimum of the output of the lower efficiency electrochemical element.
  • the higher efficiency electrochemical element can be preferably charged from the lower efficiency electrochemical element by discharging this energy, taking into account the state of charge of the higher efficiency electrochemical element, the electric energy obtained by the renewable energy being discharged at the beginning of discharge higher efficiency electrochemical element than consumer demand for electrical energy at that time.
  • the method can be carried out with an additional energy generator and / or energy consumer.
  • a power plant is used as an energy generator, preferably a coal power plant, a gas power plant or a hydroelectric power plant and / or a plant for producing a substance is used as an energy consumer, in particular an electrolysis plant or a metal plant, preferably one Aluminum plant or a steel plant.
  • Such energy producers and / or energy consumers are well suited to compensate for longer-term power fluctuations that are based on lack of renewable energy. Their inertia, according to the invention, does not constitute a hindrance if suitably combined with dynamic storage.
  • those additional energy producers and / or energy consumers are preferred, which can also be used in connection with renewable energies, such as electrolysis works or metal works whose production can be reduced to compensate for energy deficits.
  • the power which can be provided by the energy store can surprisingly be increased without the capacity of the same having to be increased.
  • the energy storage can be provided by the additional energy generator and / or energy consumers even at a high network load in a very short time if necessary.
  • a relatively high capacity can be delivered at a relatively low capacity of the memory, which can generally be delivered only for a short period of time.
  • the additional energy generator and / or energy consumer Due to the direct access to the additional energy generator and / or energy consumer, the latter can provide or substitute the energy actually available from the energy store after a short time.
  • a regeneration of the energy storage by the energy or power of the additional energy generator and / or energy consumers take place.
  • the energy storage contributes to the quality of service delivery, as a result, a quick response time is achieved.
  • the additional energy producer and / or energy consumer contributes above all to the quantity, since this can deliver performance at a relatively low cost over a design-related, significantly longer time.
  • the energy generator and / or the energy consumer has or have a power of at least 10 kW individually or in the pool, preferably at least 100 kW, more preferably at least 1 MW and most preferably at least 10 MW.
  • the ratio of rated power of the energy store to maximum power of the additional power generator and / or energy consumer may preferably be in the range of 1: 10,000 to 100: 1, more preferably in the range of 1: 1000 to 40: 1.
  • the rated power of the energy storage refers to the total power, which have all elements of the energy storage, including Energy storage, which do not represent an electrochemical element, are taken into account.
  • the method of the present invention may preferably be carried out with a system for storing electrical energy by chemical methods, comprising a device for obtaining electrical energy by renewable energy and at least two electrochemical elements for storing electrical energy, wherein the electrochemical elements for storage are combined by electrical energy with the device for obtaining electrical energy by renewable energy energy, which is characterized in that the at least two electrochemical elements differ in efficiency, the plant for storing the renewable energy comprises a forecasting unit with at least a weather forecast unit, and the prediction unit is provided with a data memory which includes data on the time-dependent consumption of electrical energy, and the electrochemical element having a higher efficiency, a measuring unit for determining the state of charge.
  • the electrochemical elements with the higher efficiency and / or the electrochemical elements with the lower efficiency reference is made to the embodiments set out above in order to avoid repetitions.
  • the plant may comprise a controller connected to the energy store, the controller being connected to a unit for determining the duration and a unit for predicting the states of charge of the at least two electrochemical elements of the energy store.
  • this control can also control the power of the at least two electrochemical elements of the energy store. Furthermore, it can be provided that this controller responds to a subsystem, in particular a management system, which requests the respective power of the at least two electrochemical elements to those required by the higher-level controller Overall performance, if appropriate, taking into account the above-described preferred embodiments of the present method, regulates.
  • each control comprises a control, as in a control, a control in dependence on a difference of an actual value to a desired value takes place.
  • the controller is thus designed as a control, in particular with respect to the state of charge.
  • the controller is a control system.
  • the installation according to the invention has a forecasting unit with a data memory, which is connected to at least one weather forecasting unit.
  • the weather forecast unit can be provided in spatial proximity to the forecasting unit.
  • the weather forecast data is collected and evaluated at one or more remote locations, and the appropriate signal is appropriately transmitted to the memory or stores for controlling power delivery. In a particularly preferred embodiment, this can be done via the known methods of remote data transmission and communication.
  • the data storage of the forecasting unit includes data on the time-dependent consumption of electrical energy, so that the prediction of an excess or a deficit of electrical energy is possible. In this way, it can be predicted whether energy has to be fed into or removed from the energy store.
  • the forecasting unit has a data memory, wherein at least historical data on the duration of excess and deficiency of renewable energies are recorded in the data memory, this historical data preferably having a period of at least one day at least one week, more preferably at least one month, and especially preferably at least one year.
  • Figure 1 is a schematic representation of a system according to the invention for carrying out a method for operating energy storage
  • FIG. 2 shows a flow chart for a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an operating simulation of a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an operating simulation of a
  • Figure 1 shows a schematic structure of a preferred embodiment of a system according to the invention for a method according to the invention comprising a device for recovering electrical energy from renewable energies 10, a controller 1 1 and an energy storage 12, wherein the system is connected to a power grid 13.
  • the renewable energy generating apparatus 10 is shown schematically as a wind turbine in the present embodiment. Furthermore, a solar system or a combination of a solar system with a wind turbine can be used.
  • the device for obtaining electrical energy from renewable energies 10 is connected to an energy store 12, so that the generated electrical energy can be transferred into the energy store 12.
  • the device for obtaining electrical energy from renewable energies 10 may be connected to an energy store 12 via the power grid 13, so that the energy store 12 is spatially separate from the device for obtaining electrical energy from renewable energies 10.
  • the energy store 12 comprises at least two electrochemical elements 12a and 12b which differ in their efficiency.
  • the energy store 12 can generally have a management system which controls the loading or unloading of the individual electrochemical elements 12a and 12b.
  • This Management system is generally connected to the controller 1 1.
  • this management system can be spatially separated from the controller 1 1 or housed with this in a housing.
  • the electrochemical elements 12a and 12b differ in efficiency.
  • Li-ion batteries are with low harmful influences on the battery quickly and frequently loaded and unloaded, so that they are particularly suitable and preferred for all embodiments according to the invention.
  • Li-ion batteries can be provided with considerable capacity. For example, these can be easily accommodated in one or more 40-foot ISO containers.
  • an electrochemical element 12b are in particular memory in question, which can be obtained relatively inexpensively with large capacity. These include in particular lead-acid batteries, redox-flow batteries and energy storage systems based on hydrogen.
  • the controller 1 1 is connected to the energy storage 12. Furthermore, the controller 1 1 is connected to a forecasting unit 14, wherein this unit integrated in the controller 1 1, housed in a housing with the controller 1 1 or may be provided as an external unit, as shown in the present system shown.
  • the forecasting unit 14 is connected to a weather forecasting unit 15.
  • the connection between the prediction unit 14 and the weather forecast unit 15 allows a communication of the determined data, which are processed in the prediction unit 14.
  • the controller 1 1 may be connected to the power grid 13, this connection, not shown in Figure 1 may allow a transmission of requests for required power.
  • the embodiment set forth in Figure 1 comprises an additional power generator and / or power consumer 16, which in the present invention is an optional component.
  • the additional power generator and / or energy consumer 16 is connected both to the power grid 13 and to the energy store 12, so that the power provided by the additional power generator and / or energy consumer can be fed directly into the power grid 13 or used for regeneration of the energy store 12 can be.
  • the control of the additional power generator and / or energy consumer 16 can by usual components take place, which may be in communication with the controller 1 1 of the system 10 according to the invention.
  • the additional power generator and / or power consumer 16 is also connected to the renewable energy recovery device 10 so that the device 10 can provide electrical power to an energy consumer.
  • FIG. 2 shows a flowchart for a preferred method according to the invention.
  • an energy storage is used.
  • a prognosis is made about the energy that can be provided by the renewable energy, the prognosis taking into account the expected energy consumption and the energy that can be generated by the sustainable energy generation devices.
  • decision step 2 it is then checked whether prognosis results in an energy overrun or underflow. If this is not the case, and the renewable energy can essentially provide the energy that is consumed, then no energy is applied between the at least two electrochemical elements of the energy storage, as illustrated in step 3. Furthermore, a new forecast according to step 1 is created.
  • the prognosis indicates that there is an energy deficiency or surplus
  • This expediency may, for example, be given by the fact that an expected energy surplus is so great that the performance of the electrochemical element with the lower efficiency is insufficient to completely store the energy provided. On the other hand, an expediency may be present even if the electrochemical element with the lower efficiency can not provide enough power to compensate for an energy shortage, so that a parallel operation of both electrochemical elements would make sense. If not appropriate, no transfer is made between the at least two electrochemical elements. If it is expedient, it is checked in decision step 5 whether an energy surplus exists.
  • step 6 it is determined in decision step 6 whether the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency permits transmission. This can be given in particular at a relatively low state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency. In the case of a high state of charge, the duration of the predicted energy underdeviation determines whether an energy transfer is expedient. Furthermore, the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency can at least be estimated in order to determine the maximum transferable energy. If transfer of energy from the lower efficiency electrochemical element can be conveniently transferred to the higher efficiency electrochemical element due to its state of charge, proceed to step 7 and transfer energy corresponding to the results of the prediction in step 1. Otherwise, according to step 3 no energy transfer is made.
  • decision step 8 determines whether the state of charge of the higher efficiency electrochemical element permits transmission of energy or whether such transfer is appropriate.
  • the expediency of an energy transfer can be given in particular at a high state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency.
  • the utility or permissibility depends on the level and duration of the projected energy surplus, that of the renewables Energy is provided.
  • the state of charge of the electrochemical element with the lower efficiency can at least be estimated in order to determine the maximum transferable energy.
  • step 9 energy corresponding to the results of the prediction in step 1 is transferred from the higher efficiency electrochemical element to the lower efficiency electrochemical element. Subsequently, a new forecast is created, as set forth in step 1. It should be noted that this prognosis and the corresponding processes can be designed so that the number of charging cycles of the electrochemical element with the lower efficiency is kept low, as stated above. Otherwise, according to step 3 no energy transfer is made.
  • decision steps 6 or 8 can take place before decision step 4, so that the check on the state of charge of the electrochemical element with the higher efficiency takes place before the determination of an expediency of a re-storage. Furthermore, the check for whether there is a performance surplus, as set out in decision step 5, can also be performed together with decision step 2. In this case, steps 4 or 6 and 8 should be applied accordingly for each case.
  • FIG. 3 illustrates a prior art operation of a hybrid memory system.
  • the surplus or deficiency of renewable energy is compensated primarily with the energy storage device with the higher efficiency, in the present case a battery, for example a lithium-ion accumulator. Only when the energy storage is fully charged with the higher efficiency, the energy storage is approached with the lower efficiency, for example, a storage system based on hydrogen.
  • the battery starts with a charge state of about 50%. In areas 1 to 3, the battery is charged (1 and 3) or discharged (2), depending on whether there is an excess of EE or a shortfall. The relatively high proportion of excess EE causes the battery to be almost fully charged at the end of region 3. In area 4, the battery can not absorb the total excess of EE since the battery is fully charged.
  • FIG. 4 shows an operating mode according to the invention.
  • the energy storage device with the higher efficiency for example, a battery and the energy storage with the lower efficiency, for example, a hydrogen storage system operated so that a lot of EE power can be used to store energy.
  • the battery has the same state of charge at the beginning of the simulation as in FIG. 3.
  • the predictable large excess of EE in region 7 is predicted by the weather forecast, so that the state of charge of the battery is adapted to it.
  • area 1 the electrolysis is started up directly, although the battery would be able to absorb only the excess of EE. This will only change the battery charge status slowly raised.
  • area 2 will discharge the battery at maximum power without this being due to the EE deficit. Rather, this energy is transmitted to the energy storage with the lower efficiency.
  • the energy storage with the lower efficiency electrolysis
  • the higher efficiency battery
  • area 3 4 and 6, analogous to area 1, the battery is only used to compensate for what the electrolysis alone can not accomplish.
  • area 5 as in area 2, the battery is used to drive the electrolysis.
  • the battery state of charge at the end of region 6 is relatively low, so in the case of high EE excess (predicted for region 7), the battery may be fully operational.
  • Region 7 has a very high EE surplus.
  • the battery and the electrolysis run at maximum power, yet the entire excess of EE can not be stored. This event is not based on the state of charge of the battery, but on the amount of surplus, which exceeds the total power of the energy storage (battery + electrolysis).
  • the battery is discharged again by the EE deficit.
  • the state of charge of the battery is at the end of the region 9 in the same range as in the method according to the prior art. However, much more energy could be stored in this case of hydrogen.
  • the stored energy can be used to charge or discharge the battery.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, wobei sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt wird, eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Durchführung des zuvor dargelegten Verfahrens.

Description

Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Eine Vielzahl von Strom-Speichertechnologien ist bereits heute im Einsatz oder in der Entwicklung. Gegenwärtig ist keine Technologie erkennbar, die in allen Anforderungskategorien den anderen Technologien überlegen ist. Üblicherweise beschränkt man sich beim Einsatz eines Speichers daher auf einen oder wenige kombinierte Zwecke oder es werden verschiedene Speichertechnologien kombiniert, z.B. ein Batteriespeicher für kurzzeitige Lade-/Entladevorgänge und ein Wasserstoffspeicher für Vorgänge, die sich über mehrere Tage bis hin zu Monaten erstrecken oder die die Speicherung großer Energiemengen erfordern. Die Speichertechnologien für vergleichsweise kurzzeitige Ein- und Ausspeicherung zeichnen sich in der Regel durch vergleichsweise hohe Wirkungsgrade, jedoch eher mäßige bis geringe Speicherkapazitäten, aus. Auf der anderen Seite zeigen einige der für große Energiemengen und/oder lange Speicherzeiten diskutierten Technologien, wie die Speicherung in Form von Wasserstoff, vergleichsweise geringe Wirkungsgrade.
Eine derartige Kombination von Wasserstoffspeichern und Akkumulatoren wird beispielsweise in der Druckschrift WO 03/008803 A1 beschrieben. Hierin wird insbesondere dargelegt, dass der Akkumulator den Vorteil einer zuverlässigen und schnellen Bereitstellung von elektrischem Strom aufweist. Allerdings ist dieser jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass ein großes Volumen für eine Speicherung einer hohen Energiemenge notwendig ist.
Dementsprechend werden Speicherkombinationen wie die von einem Batteriespeicher mit einem Wasserstoffspeicher derart betrieben, dass die ineffizientere Technologie (in der Regel die Wasserstoffherstellung bzw.
-rückverstromung) stets erst dann betrieben wird, wenn die Kapazität der effizienteren Technologie (in der Regel der Batteriespeicher) erschöpft ist.
Trotz intensiver Entwicklungsbemühungen ist die Wirtschaftlichkeit des Betriebs von Speichertechnologie-Kombinationen auch heute in den meisten Fällen noch nicht gegeben. Gleichzeitig sind heute, insbesondere auf Inseln mit bereits vergleichsweise hohem Anteil an Erneuerbaren Energien, Phasen zu beobachten, in denen die Strom- Erzeugung den momentanen Verbrauch übersteigt, diese Überschussenergien jedoch infolge beschränkter Möglichkeiten zur Speicherung verworfen werden müssen. Auf der anderen Seite treten Phasen auf, in denen die Energiemengen aus Erneuerbaren Quellen und/oder eventuellen Stromspeichern nicht ausreichen, um den aktuellen Bedarf zu decken. In diesem Fall werden in der Regel Dieselaggregate in Betrieb genommen. Dies führt neben dem Verbrauch von Diesel zu zusätzlichen CO2- Emissionen.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, zur Verfügung zu stellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist. Insbesondere sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können. Hierbei soll es ermöglicht werden, eine Speicherung von elektrischer Energie bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Investitionen zur Bereitstellung einer benötigten Speicherkapazität möglichst gering sein sollten. Hierbei sollten die zur Erzielung einer zweckmäßigen Leistung notwendigen Komponenten möglichst kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sollte die Leistung der Komponente mit dem geringeren Wirkungsgrad, beispielsweise die eines Wasserstofferzeugers oder einer Brennstoffzelle, möglichst verringert werden, ohne dass über einen bestimmten Zeitraum die durch das Gesamtsystem bereitgestellte Gesamtleistung bei einem Bedarf an gespeicherter Energie abnimmt.
Zudem wäre es auch vorteilhaft, wenn das Gesamtsystem einen starken Überschuss an Erneuerbaren Energie möglichst umfassend speichern kann, ohne dass hierfür sehr groß dimensionierte Anlagenkomponenten eingesetzt werden müssten.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll außerdem dazu geeignet sein, eine notwendige elektrische Leistung bei Bedarf möglichst schnell bereitstellen zu können. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung sollte ferner der Einsatz von konventionellen Stromerzeugern, die Kohlendioxid (CO2) freisetzen, möglichst minimiert werden.
Weiterhin sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung und der Ansprüche.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben von Energiespeichern werden in den Unteransprüchen 2 bis 1 1 unter Schutz gestellt. Ferner haben Patentansprüche 12 bis 15 eine Anlage zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt wird, eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise, ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, bereitzustellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Speziell gelingt es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Leistungen der einzelnen Komponenten relativ klein zu dimensionieren, ohne dass hierdurch die Gesamtleistung verringert werden würde. So kann ein sehr langer Betrieb aller elektrochemischen Komponenten erzielt werden.
Insbesondere kann das Verfahren sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden, da Komponenten mit geringerer Leistung preisgünstiger erhältlich sind und die Wartungskosten verringert werden können. Ferner sind die Anlagen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann, in Bezug auf die bereitgestellte Speicherkapazität mit geringen Investitionen verbunden.
Weiterhin können bestehende Anlagen verbessert werden, da, bei identischen Leistungen der einzelnen Komponenten, deren Gesamtleistung unerwartet gesteigert werden kann. Hierbei gelingt es, die Speicherung von elektrischer Energie bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Ferner kann das Gesamtsystem einen starken Überschuss an Erneuerbaren Energie möglichst umfassend speichern, ohne dass hierfür sehr groß dimensionierte Anlagenkomponenten eingesetzt werden müssten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem dazu geeignet, eine notwendige elektrische Leistung bei Bedarf sehr schnell bereitstellen zu können.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner der Einsatz von konventionellen Stromerzeugern, die CO2 freisetzen, stark minimiert werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren mit sehr wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind. Das vorliegende Verfahren wird in Zusammenhang mit einer Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie in den Energiespeichern durchgeführt.
Unter dem Begriff Erneuerbare Energie wird vorliegend jede nachhaltige Energieform verstanden. Hierzu gehören beispielsweise Windenergie und Solarenergie, die auf bekannte Weise in elektrische Energie überführt werden. So kann die vorliegende Erfindung beispielsweise mit Windkraftanlagen oder Solaranlagen betrieben werden. Zu den Solaranlagen gehören Photovoltaikanlagen und thermische Solaranlagen, die je nach Leistungsfähigkeit auch Solarkraftwerke genannt werden können. Die Leistung der Anlagen oder Kraftwerke, die mit Erneuerbaren Energien elektrische Energie gewinnen, unterliegt keinen Beschränkungen. Je nach Zweck und Ort dieser Anlagen, können diese beispielsweise als Insellösung für eine relativ begrenzte Zahl von Verbrauchern Energie bereitstellen. Weiterhin können diese Anlagen in ein größeres Stromnetz integriert werden. Demgemäß können die Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien, einzeln oder im Pool, bevorzugt eine Leistung von zumindest 1 kW haben, vorzugsweise zumindest 10 kW, besonders bevorzugt zumindest 100 kW, speziell bevorzugt zumindest 1 MW und ganz besonders bevorzugt von zumindest 10 MW.
Allerdings können die Erneuerbaren Energien nicht planbar bereitgestellt werden. Der Wind weht nicht entsprechend einem prognostizierten oder vorhandenen Energiebedarf, so dass bei Windkraftüberschuss die gewonnene Energie gespeichert werden muss, um die bei einer Windflaute benötigte Energie in das Netz einspeisen zu können, wenn die Energiewirtschaft vorwiegend mit Erneuerbaren Energien arbeiten soll. Ähnliches gilt auch für Anlagen oder Kraftwerke, die Sonnenenergie zur Energiegewinnung einsetzen. Hierbei bedeuten die Begriffe Energieüberschuss oder Energieunterschuss, dass im jeweiligen Zeitpunkt mehr beziehungsweise weniger Energie durch die zuvor dargelegten Erneuerbaren Energien bereitgestellt als verbraucht wird. Bei einem Wechselstromnetz kann der jeweilige Zustand beispielsweise über die Messung der Netzfrequenz bestimmt werden. Bei einem Leistungsunterschuss nimmt die Netzfrequenz ab, wohingegen bei einem Leistungsüberschuss die Netzfrequenz zunimmt. Bei einem Gleichstromnetz kann dieser Zustand über die Messung der Spannung bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Begriffe Leistungsüberschuss und Energieüberschuss beziehungsweise Leistungsunterschuss und Energieunterschuss für die Zwecke dieser Erfindung einen ähnlichen Bedeutungsgehalt aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, die elektrische Energie aufnehmen und abgeben können. Diese Energiespeicher umfassen mindestens zwei elektrochemische Elemente, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Elektrochemische Elemente sind Vorrichtungen, die durch chemische Reaktionen elektrische Energie aufnehmen und/oder abgeben können.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als elektrochemisches Element ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator.
Zu den Akkumulatoren zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Natrium-Nickelchlorid- Akkumulatoren, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel- Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel -Wasserstoff- Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren, Natrium-Ionen-Akkumulatoren, Kalium- Ionen-Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Zu den bevorzugten Akkumulatoren zählen demgemäß insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren (z. B. Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan- Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan- Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren) sowie Weiterentwicklungen dieser, wie zum Beispiel Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium- Schwefel-Akkumulatoren und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, das heißt, sowohl hinsichtlich der Ansprechzeit als auch der Rate, mit der die Leistung gesteigert oder reduziert werden kann, für erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet. Zudem ist auch der Wirkungsgrad insbesondere bei Li- Ionen-Akkumulatoren gut. Ferner zeigen bevorzugte Akkumulatoren ein hohes Verhältnis von Leistung zu Kapazität, wobei dieser Kennwert als C-Rate bekannt ist.
Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher mindestens zwei elektrochemische Elemente auf, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Der Wirkungsgrad ist hierbei definiert als das Verhältnis zwischen der ausspeicherbaren Energie und der zum Speichersystem bereitgestellten Energie.
Der Wirkungsgrad eines Akkumulators definiert das Verhältnis zwischen Lademenge und Entlademenge. Bei 100 % Wirkungsgrad würde die gesamte geladene Energie zur Verfügung stehen. Da bei der Ladung eines Akkumulators ein Teil des eingeladenen Stroms in Nebenreaktionen fließen kann bzw. durch Selbstentladung verloren geht, steht für die Entladung nicht mehr die gesamte eingeladene Ladung zur Verfügung. Generell sinkt der Wirkungsgrad sowohl durch Schnellladung als auch durch schnelle Entladung, da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen.
Zu den Verlusten zählen unter andere thermische Verluste, zum Beispiel durch den inneren Widerstand eines elektrochemischen Elements oder aus mechanischen Reibungen eines Motors, unvollständige chemische Prozesse oder Selbstentladung eines elektrochemischen Elements. Nebenkomponenten die für das gesamt Speichersystem relevant sind und Strom benötigen, um das Speichern von elektrischer Energie zu ermöglichen, sind in der Wirkungsgradbestimmung zu berücksichtigten. Insbesondere zählen hierzu Pumpen, Verdichter oder Kühlaggregate, sowie die Energie, die für die Steuerung und/oder für das Energiemanagementsystem notwendig ist.
Beim Wirkungsgrad einer Batterie muss zwischen Amperestundenwirkungsgrad r|Ah und Energiewirkungsgrad (Wattstundenwirkungsgrad) n,wh unterschieden werden. Als Amperestundenwirkungsgrad wird das Verhältnis aus entnehmbarer Kapazität CEI3 zu eingeladener Kapazität Ci_ad bezeichnet:
Ela
C Lad Für den Energiewirkungsgrad müssen die eingeladenen Energien verglichen werden: n Hw ,h = Ela
-^ Lad wobei EEia die entnehmbare Energie und ELad die zugeführte Energie darstellt.
Da die Ladespannung immer höher ist als die Entladespannung, ist der Energiewirkungsgrad immer kleiner als der Amperestundenwirkungsgrad.
Um den Wirkungsgrad einer Batterie bzw. eines Akkumulators mit dem eines anderen Energiespeichers (z.B. in Form von H2) vergleichen zu können, beziehen sich die Wirkungsgradangaben im Allgemeinen auf den Energiewirkungsgrad, falls nichts anderes angegeben ist. Da der Wirkungsgrad vieler Akkumulatoren von der Stromstärke der Lade- und Entladevorgänge sowie der Lade- und der Entladetemperatur abhängig ist, wird zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Akkumulator mit einer auf die Nennkapazität des Akkumulator bezogene Stromstärke von 0,2 C bei einer Temperatur von 25 °C geladen und unmittelbar nach dem Ladevorgang mit einer auf die Nennkapazität des Akkumulator bezogene Stromstärke von 0,2 C bei 25 °C entladen. Bei einer auf die Nennkapazität des Akkumulators bezogenen Stromstärke von 0,2 C wird der Akkumulator innerhalb von 5 Stunden geladen bzw. entladen.
Die Nennkapazität QN (in Ah) wiederum ergibt sich aus der Masse m [kg] und der spezifischen Kapazität q [Ah/kg] des aktiven Elektrodenmaterials zum Zeitpunkt der Herstellung der Batterie, wobei gilt: QN = q ■ m.
Gegebenenfalls kann die Nennkapazität gemäß den in DIN 40 729 gegebenen Parametern für verschiedene Batterietypen bestimmt werden. Vielfach wird bei kommerziellen Akkumulatoren die Nennkapazität angegeben.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von bevorzugt mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und speziell bevorzugt mindestens 90 % aufweist, gemessen gemäß obiger Methode. Weiterhin zeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von bevorzugt höchstens 90 %, vorzugsweise höchstens 80 %, besonders bevorzugt höchstens 70 % und speziell bevorzugt höchstens 60 % aufweist, gemessen gemäß obiger Methode.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Differenz zwischen dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad bevorzugt mindestens 2 %, vorzugsweise mindestens 5 %, besonders bevorzugt mindestens 10 % und speziell bevorzugt mindestens 15 % beträgt, wobei der Wirkungsgrad jeweils gemäß obiger Methode bestimmt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, eine unterschiedliche C-Rate aufweisen. Die C-Rate ist, wie bereits zuvor dargelegt, definiert als Verhältnis von Leistung zu Nennkapazität des jeweiligen elektrochemischen Elements. Vorzugsweise kann das Verhältnis der C-Raten der jeweiligen elektrochemischen Elemente größer als 1 ,1 , bevorzugt größer als 1 ,5 und besonders bevorzugt größer als 2 sein, wobei die höhere C-Rate in das Verhältnis zur kleineren C-Rate gesetzt wird. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird als elektrochemisches Element mit dem höheren Wirkungsgrad ein Lithium-Ionen- Akkumulator eingesetzt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass als elektrochemisches Element mit dem geringeren Wirkungsgrad ein Bleiakkumulator, ein Redox-Flow-Element oder ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff eingesetzt wird. Ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein System, welches aus Strom Wasserstoff bereitstellen kann und aus Wasserstoff elektrische Energie erzeugen kann. Weiterhin umfasst ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff mindestens einen Wasserstoffspeicher. Zu den bevorzugten Systemen zur Erzeugung von Wasserstoff aus Strom zählen insbesondere Elektrolyseeinheiten. Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff kann beispielsweise mit einer Brennstoffzelle, einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine oder einem Wasserstoffmotor erfolgen, wobei diese Aggregate teilweise einen Generator betreiben. Die Art des Wasserstoffspeichers ist unkritisch, so dass hierfür ein Drucktank, ein Flüssiggasspeicher oder ein chemischer Speicher eingesetzt werden kann.
Demgemäß kann als besonders bevorzugter Energiespeicher eine Anlage eingesetzt werden, in der ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem Bleiakkumulator kombiniert wird. Weiterhin stellt ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, in Kombination mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator eine bevorzugte Ausführungsform für einen Energiespeicher der vorliegenden Erfindung dar. Ferner kann ein Bleiakkumulator zusammen mit einem Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff betrieben werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kombination umfassend zumindest ein Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Bleiakkumulator und ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff verwendet werden.
Ferner kann als besonders bevorzugter Energiespeicher eine Anlage eingesetzt werden, in der ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem Redox-Flow-Element kombiniert wird. Ferner kann ein Bleiakkumulator zusammen mit einem Redox-Flow- Element betrieben werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kombination umfassend zumindest ein Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Bleiakkumulator, ein Redox-Flow-Element und ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff verwendet werden.
Weiterhin kann eine Anlage zum Speichern von Energie zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens ein Redox-Flow-Element und mindestens ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff aufweisen.
Je nach Kombination sei angemerkt, dass Bleiakkumulatoren üblich einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als Energiespeichersysteme auf Basis von Wasserstoff, jedoch einen geringeren als Redox-Flow-Elemente.
Überraschende Vorteile können, dadurch erzielt werden, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eine relativ geringe Speicherkapazität aufweist. Dies kann beispielsweise auf die Nennleistung, insbesondere auf die bereitgestellte Höchstleistung bezogen sein oder, bevorzugt, auf die Speicherkapazität des Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Vorzugsweise kann das Verhältnis von Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zur Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad höchstens 2:1 , bevorzugt höchstens 1 :1 , insbesondere bevorzugt höchstens 1 :2, speziell bevorzugt höchstens 1 :5 und besonders bevorzugt höchstens 1 :10 betragen. Demgemäß weist das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise eine geringere Speicherkapazität als das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad auf. Die Speicherkapazität bezieht sich hierbei jeweils auf die Nennkapazität. Durch diese Ausgestaltung können überraschende wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, da die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt haben, dass in vielen Fällen zum Ausgleich eines Leistungsunterschusses durch fehlende Erneuerbare Energie eine relativ geringe Speicherkapazität eines Hochleistungsakkumulators ausreicht, wohingegen eine große Kapazität in relativ seltenen Fällen notwendig ist, so dass diese seltenen Fälle mit relativ preisgünstigen elektrochemischen Speichern unter Erzielung von Kostenvorteilen abgedeckt werden können. Ein weiterer überraschender Vorteil ergeben sich bei Energiespeichersystemen auf Basis von Wasserstoff und Redox-Flow Batterien dadurch, dass die Leistung der Systeme unabhängig von der Speicherkapazität gewählt werden kann. Hierdurch kann für ein System eine notwendige Kapazität bereitgestellt werden, ohne dass übermäßige Kosten für eine unnötig hohe Leistung anfallen.
Hierbei wird das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad vorzugsweise eingesetzt, um länger anhaltende Leistungsunterschüsse und/oder länger anhaltende Leistungsüberschüsse an erneuerbaren Energie auszugleichen.
Ein erfindungsgemäß einzusetzender Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, umfasst mindestens zwei elektrochemische Elemente, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Demgemäß stellen diese elektrochemische Elemente vorzugsweise ebenfalls Energiespeicher dar, wobei diese gegebenenfalls in Kombination zu einem solchen werden. Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz einer Brennstoffzelle der Fall, die zusammen mit einem Wasserstofferzeuger und -Speicher eingesetzt werden sollte. Die Bezeichnung elektrochemische Elemente dient insbesondere zur Klarstellung, dass der Energiespeicher mehrere Bauteilen umfasst. Hierbei können diese elektrochemischen Elemente in räumlicher Nähe angeordnet sein oder über eine größere Entfernung zu einander aufgestellt sein. Wesentlich ist, dass beide elektrochemischen Elemente über eine zentrale Steuerungseinheit gemeinsam gesteuert werden, wobei dies insbesondere durch ein gemeinsames Managementsystem realisiert werden kann. Hierbei können die einzelnen elektrochemischen Elemente jeweils ein Subsystem aufweisen, das partielle Steuerungsaufgaben übernimmt.
Weiterhin können zur Durchführung der vorliegenden Erfindung weitere Energiespeicher eingesetzt werden, die keine elektrochemischen Elemente darstellen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher, der kein elektrochemisches Element darstellt, ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk und/oder ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, verwendet wird, oder Kombinationen („Pools") von Speichern oder von Speichern mit konventionellen Energieerzeugern oder von Speichern mit Verbrauchern und/oder Energieerzeugern. Ein als Energiespeicher betriebener Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass in dem Energiespeicher eine Energie von zumindest 4 kWh gespeichert werden kann, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh. Hierbei können, wie bereits erwähnt, die mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers eine sehr ähnliche Kapazität aufweisen. Vorzugsweise kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad jedoch eine relativ geringe Speicherkapazität umfassen. Demgemäß kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise eine Energie von zumindest 1 kWh speichern, vorzugsweise von zumindest 4 kWh, besonders bevorzugt zumindest 10 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 100 kWh. Das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad kann vorzugsweise eine Energie von zumindest 3 kWh speichern, vorzugsweise von zumindest 6 kWh, besonders bevorzugt zumindest 40 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 150 kWh. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Energiespeicher, der auf elektrochemischen Elementen beruht, eine Kapazität von mindestens 5 Ah, bevorzugt mindestens 10 Ah, besonders bevorzugt mindestens 50 Ah besitzen.
Bei Verwendung von Speichern, die auf elektrochemischen Elementen beruhen, insbesondere Akkumulatoren, kann dieser Speicher vorteilhaft mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden.
Die Kapazität kann an die Nennleistung und einen zuvor definierten festgelegten Zeitraum angepasst werden. Größere Kapazitäten sind für höhere Nennleistungen und längere Zeiträume notwendig. Weiterhin kann das Verhältnis der Speicherkapazitäten der mindestens zwei elektrochemischen Elemente an deren Leistungsfähigkeit, unter Berücksichtigung der preislichen Unterschiede angepasst werden. Bei sehr großen Unterschieden in Preis und Leistung, wird im Allgemeinen ein relativ großer Unterschied in den Kapazitäten sinnvoll sein.
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann vorzugsweise mindestens 10 %, besonders bevorzugt mindestens 20 % betragen. Überraschende Vorteile können bei einem anzustrebenden Ladezustand des Energiespeichers im Bereich von 30 bis 100 % der Kapazität erzielt werden, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 90 %. Die Einhaltung und/oder die Rückkehr in diese Ladezustandsbereiche kann beispielsweise durch Nutzung der dieser Erfindung zu Grunde liegende Betriebsweise und/oder über einen Energiehandel über das Stromnetz erreicht werden, falls das Verfahren mit einer Anlage betrieben wird, die ein Teil eines größeren Stromnetzes darstellt. Bei einer Insellösung können zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher eingesetzt werden, wie dies später näher erläutert wird. Der Ladezustand entspricht insbesondere im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge", SoC) oder dem Energiegehalt (engl.: „State-of-Energie", SoE). Der Ladezustand der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers kann hierbei jeweils in den zuvor dargelegten Bereichen liegen. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad im Durchschnitt geringer ist als der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Vorzugsweise kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad im Durchschnitt um mindestens 5 %, bevorzugt um mindestens 10 % über dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad liegen, bezogen auf den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad hierbei stärkeren Schwankungen unterliegen als der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Bei einem sehr geringen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad kann ferner vorgesehen sein, dass Energie vom elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad auf das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad übertragen wird. Hierbei sollte die übertragene Energie in einer Größe liegen, die zu relativ wenigen Lade-/Entladezyklen führt. Vorzugsweise kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad durch diesen Entladevorgang um mindestens 5 %, besonders bevorzugt um mindestens 10 % und besonders bevorzugt mindestens 15 % abnehmen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bevorzugt um mindestens 5 %, vorzugsweise um mindestens 15 % und besonders bevorzugt um mindestens 30 % durch einen Entladevorgang des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zunehmen.
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann von Vorhersagedaten abhängen. So können insbesondere Verbrauchsdaten zur Bestimmung des optimalen Ladezustandes herangezogen werden, die von der Tageszeit, dem Wochentag und/oder der Jahreszeit abhängig sind. Ferner kann der anzustrebende Ladezustand von Wetterprognosen abhängig sein, wobei bei einem prognostizierten starken Angebot an Erneuerbarer Energie ein relativ geringer Ladezustand anzustreben ist und bei einem geringen Angebot ein hoher Ladezustand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt. Hierbei kann der Ladezustand über den Energieaustausch, der bei Entlade und Aufladevorgängen durch entsprechende Methoden abgeschätzt oder unmittelbar gemessen werden kann, bestimmt werden. Die hierzu notwendigen Messgeräte sind kommerziell erhältlich, wobei der Ladezustand kontinuierlich oder in Intervallen gemessen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gemessen werden. Bei einer Kombination von einer oder mehreren Brennstoffzellen mit mindestens einer Elektrolyseeinheit kann die Menge an gespeichertem oder speicherbarem Wasserstoff entsprechend zur Bestimmung der durch diese Einheit bereitstellbare oder speicherbare Energie dienen. Die hierzu notwendigen Messgeräte sind kommerziell erhältlich, wobei der Ladezustand kontinuierlich oder in Intervallen gemessen werden kann. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad auch über Energieaustauschwerte, beispielsweise Lade- und Entladeenergien geschätzt werden, so dass eine Messung des Ladezustandes nicht zwingend notwendig ist. Bei einer Verwendung einer Brennstoffzelle kann beispielsweise der Gasdruck des eingesetzten Vorratsbehälters als Ladezustandsabschätzung dienen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Prognose hinsichtlich der Leistung, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, durchgeführt. Hierbei wird für einen in näherer Zukunft liegenden Zeitraum vorhergesagt, ob und in welchem Ausmaß die Erneuerbare Energie, beispielsweise eine eingesetzte Windkraft- oder Solaranlage die in einem Zeitraum benötigte Leistung zur Verfügung stellen kann. Demgemäß werden diese Prognosen im Allgemeinen Verbrauchsdaten aus der Vergangenheit berücksichtigen. Weiterhin sind zur Erstellung auch Daten über die durch die Erneuerbaren Energie in Zukunft erhältlichen Leistungen zweckmäßig. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können zur Prognose des Teils der durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie, der durch die elektrochemischen Elemente chemisch gespeichert werden kann, Daten berücksichtigt werden, die auf einem zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie beruhen. Vorzugsweise werden demgemäß zur Erstellung der Prognose Verbrauchsdaten, die beispielsweise von der Tageszeit, dem Wochentag und/oder der Jahreszeit abhängig sind, und Wettervorhersagen eingesetzt, die eine Abschätzung der Leistung zur Verfügung stellen, die durch die Erneuerbaren Energien bereitgestellt werden kann.
Hierbei werden diese Prognosen für einen Zeitraum erstellt. Die Dauer des Zeitraumes kann beliebig gewählt werden, wobei längere Zeiträume nur bei einer sehr guten Prognose, insbesondere hinsichtlich der Wetterdaten sinnvoll sind. Bei der Wahl eines relativ kurzen Zeitraumes nimmt jedoch der durch die vorliegende Erfindung erzielbare Vorteil ab. Überraschende Vorteile ergeben sich insbesondere bei einem Zeitraum der im Bereich von 1 Stunde bis 2 Monaten, vorzugsweise 6 Stunden bis 30 Tagen und besonders bevorzugt 1 Tag bis 14 Tagen liegt.
Die Prognose bezieht sich immer auf einen zukünftigen Zeitraum, wobei diese auch unmittelbar vor diesem Zeitraum durchgeführt werden kann. Bei einer sehr frühzeitigen Erstellung der Prognose ist deren Eintrittswahrscheinlichkeit im Allgemeinen relativ gering. Andererseits nimmt die Einflussmöglichkeit bei einer sehr späten Erstellung derselben ab. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden daher viele Prognosen in relativ kurzen Abständen durchgeführt, wobei die jeweiligen Ergebnisse als Handlungsanweisungen für die Zukunft zu verstehen sind, so dass eine quasi kontinuierliche Adaption erzielt werden kann. So kann bei einer Abweichung der tatsächlichen Verbrauchswerte oder der Leistung, die durch die Erneuerbaren Energie bereitgestellt wird, von einer früheren Prognose eine Anpassung des Austausches an elektrischer Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen erfolgen.
In Abhängigkeit des Prognoseergebnisses wird gemäß der vorliegenden Erfindung elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht. Demgemäß wird elektrische Energie nur bei einer Zweckmäßigkeit von dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad des Energiespeichers zu dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad überführt oder, je nach Prognoseergebnis, von dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad des Energiespeichers zu dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad überführt Zweckmäßig ist ein Austausch, falls hierdurch eine höhere Gesamtleistung des Systems für einen prognostizierten Zeitraum gegeben ist. Diese höhere Gesamtleistung kann darin bestehen, dass mehr Erneuerbare Energie gespeichert werden kann oder mehr gespeicherte Energie in das Stromnetz über einen prognostizierten Zeitraum eingespeist werden kann, als dies die Leistung der jeweiligen Einzelkomponenten zulässt.
In einer ersten Ausführung kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung von chemischer Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise entladen werden, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie zum Laden der mindestens zwei elektrochemische Elemente bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als das Optimum der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Durch diese Ausgestaltung kann die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich der Leistungsaufnahme relativ gering gewählt werden, ohne dass die durch die Erneuerbare Energie zur Speicherung zur Verfügung stehende Energie verloren gehen würde. In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad berücksichtigt werden. Falls dieser Ladezustand relativ hoch ist, genügt ein relativ geringer Energieaustausch, wobei in einem Grenzfall aufgrund des hohen Ladezustandes keine Energie ausgetauscht wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Entladen des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem die Leistung, die durch die erneuerbare Energie zur Speicherung von chemischer Energie bereitgestellt werden kann, bevorzugt kleiner als 90 %, vorzugsweise kleiner als 80 %, speziell bevorzugt kleiner als 60 % des Optimums der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Weiterhin kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung dieser Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise entladen werden, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad geringer ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher. In einer weiteren Ausführung kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Freisetzung von chemischer Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise geladen werden, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie bereitgestellte elektrische Leistung nicht den Bedarf an elektrischer Leistung decken kann und der Leistungsunterschuss größer ist als die Leistung, die durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann.
Durch diese Ausgestaltung kann die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich der Leistungsabgabe relativ gering gewählt werden, ohne dass die den Verbrauchern zur Verfügung stehende Energie in kurzer Zeit begrenzt werden müsste oder entsprechend ein konventioneller Energieerzeuger zugeschaltet oder ein Energieverbraucher abgeschaltet werden müsste. In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad berücksichtigt werden. Falls dieser Ladezustand relativ gering ist, kann gegebenenfalls auf einen Energieaustausch verzichtet werden, um bei einer reduzierten Leistung eine Stromversorgung zumindest teilweise über einen längeren Zeitraum sicherzustellen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Laden des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eine Leistung erbringt, die vorzugsweise höchstens 90 %, bevorzugt höchstens 80 % und speziell bevorzugt höchstens 60 % des Optimums der Leistungsabgabe des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Weiterhin kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Abgabe dieser Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise geladen werden, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad höher ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren mit einem zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher durchgeführt werden.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, ein Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher eine Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall-Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
Solche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher sind zum Ausgleich von längerfristigen Leistungsschwankungen, die auf fehlende Erneuerbare Energie beruhen, gut geeignet. Ihre Trägheit stellt erfindungsgemäß keinen Hinderungsgrund dar, wenn sie geeignet mit dynamischen Speichern kombiniert werden. Hierbei sind insbesondere solche zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bevorzugt, die auch im Zusammenhang mit Erneuerbaren Energien eingesetzt werden können, wie beispielsweise Elektrolyse-Werke oder Metall-Werke, deren Produktion zum Ausgleich von Energieunterschüssen verringert werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann überraschend die durch den Energiespeicher bereitstellbare Leistung gesteigert werden, ohne dass die Kapazität desselben vergrößert werden muss. Hierbei kann dem Energiespeicher Leistung durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher auch bei einer hohen Netzbelastung in sehr kurzer Zeit bei Bedarf bereitgestellt werden. Überraschend kann daher bei einer relativ geringen Kapazität des Speichers eine relativ hohe Leistung abgegeben werden, die im Allgemeinen nur für einen kurzen Zeitraum abgegeben werden kann. Durch den unmittelbaren Zugriff auf den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher kann dieser nach einer kurzen Zeit die eigentlich vom Energiespeicher zur Verfügung zu stellende Leistung erbringen bzw. substituieren. So kann insbesondere eine Regeneration des Energiespeichers durch die Energie oder Leistung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers erfolgen. Hierbei trägt der Energiespeicher zur Qualität der Leistungserbringung bei, da hierdurch eine schnelle Reaktionszeit erzielt wird. Im Gegensatz hierzu trägt der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher vor allem zur Quantität bei, da dieser bei relativ geringen Kosten über eine bauartbedingte, deutlich längere Zeit Leistung liefern kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher einzeln oder im Pool eine Leistung von zumindest 10 kW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 100 kW, besonders bevorzugt zumindest 1 MW und ganz besonders bevorzugt von zumindest 10 MW.
Das Verhältnis von Nennleistung des Energiespeichers zur maximalen Leistung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers kann vorzugsweise im Bereich von 1 :10000 bis 100:1 , besonders bevorzugt im Bereich von 1 :1000 bis 40:1 liegen. Hierbei bezieht sich die Nennleistung des Energiespeichers auf die Gesamtleistung, die sämtliche Elemente des Energiespeichers aufweisen, wobei auch Energiespeicher, die kein elektrochemisches Element darstellen, zu berücksichtigen sind.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt mit einer Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie durch chemische Verfahren, durchgeführt werden, umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie und mindestens zwei elektrochemische Elemente zur Speicherung von elektrischer Energie, wobei die elektrochemischen Elemente zur Speicherung von elektrischer Energie mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie gewonnenen Energie miteinander verbunden sind, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, die Anlage zur Speicherung der erneuerbaren Energie eine Prognoseeinheit umfasst, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit verbunden ist, und die Prognoseeinheit mit einem Datenspeicher versehen ist, welcher Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie umfasst, und das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eine Messeinheit zur Bestimmung des Ladezustands aufweist.
In Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen, die beispielsweise hinsichtlich der Erneuerbaren Energien, der elektrochemische Elemente mit dem höheren Wirkungsgrad und/oder der elektrochemische Elemente mit dem geringeren Wirkungsgrad gegeben sind, wird auf die zuvor dargelegten Ausführungen verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Vorzugsweise kann die Anlage eine Steuerung umfassen, die mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die Steuerung mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer und einer Einheit zur Vorhersage der Ladezustände der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers verbunden ist.
Hierbei kann diese Steuerung auch die Leistung der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers steuern. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass diese Steuerung ein Subsystem, insbesondere ein Managementsystem anspricht, welches die jeweilige Leistung der mindestens zwei elektrochemischen Elemente auf die von der übergeordneten Steuerung angeforderte Gesamtleistung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der zuvor dargelegten bevorzugten Ausgestaltungen des vorliegenden Verfahrens, regelt.
Unter einer Steuerung wird erfindungsgemäß vorliegend eine einfache Steuerung verstanden. Hierbei sei angemerkt, dass jede Regelung eine Steuerung umfasst, da bei einer Regelung eine Steuerung in Abhängigkeit von einer Differenz eines Istwerts zu einem Sollwert erfolgt. Bevorzugt ist die Steuerung also als Regelung ausgebildet, insbesondere bezüglich des Ladezustands. Besonders bevorzugt ist die Steuerung ein Leitsystem.
Die erfindungsgemäße Anlage weist eine Prognoseeinheit mit einem Datenspeicher auf, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit verbunden ist. Die Wettervorhersageeinheit kann hierbei in räumlicher Nähe zur Prognoseeinheit vorgesehen sein. Alternativ werden die Daten zur Wetterprognose an einer oder mehreren entfernten Stellen erhoben und ausgewertet und das entsprechende Signal geeignet an den oder die Speicher zur Steuerung der Leistungsbereitstellung übertragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dies über die bekannten Methoden der Ferndatenübertragung und -kommunikation erfolgen.
Der Datenspeicher der Prognoseeinheit umfasst Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie, so dass die Vorhersage eines Überschusses oder einen Unterschusses an elektrischer Energie möglich ist. Hierdurch kann prognostiziert werden, ob Energie in den Energiespeicher eingespeist oder aus diesem entnommen werden muss.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Prognoseeinheit einen Daten-Speicher aufweist, wobei in dem Daten-Speicher zumindest historische Daten über die Dauer von Über- und Unterschüssen an Erneuerbaren Energien festgehalten sind, wobei diese historischen Daten einen Zeitraum von vorzugsweise mindestens einem Tag, bevorzugt mindestens einer Woche, besonders bevorzugt mindestens einem Monat und speziell bevorzugt mindestens einem Jahr umfassen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von zwei schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt: Figur 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben von Energiespeichern;
Figur 2: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Betriebssimulation eines
Hybridsystems gemäß dem Stand der Technik und
Figur 4: eine schematische Darstellung einer Betriebssimulation eines
Hybridsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10, eine Steuerung 1 1 und einen Energiespeicher 12, wobei die Anlage an ein Stromnetz 13 angeschlossen ist.
Die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist schematisch in der vorliegenden Ausführungsform als eine Windkraftanlage dargestellt. Weiterhin kann auch eine Solaranlage oder eine Kombination einer Solaranlage mit einer Windkraftanlage eingesetzt werden. Die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist mit einem Energiespeicher 12 verbunden, so dass die erzeugte elektrische Energie in den Energiespeicher 12 überführt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform besteht eine Verbindung zwischen der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 und dem Stromnetz 13, über die elektrische Leistung an Verbraucher geliefert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 mit einem Energiespeicher 12 über das Stromnetz 13 verbunden sein, so dass der Energiespeicher 12 räumlich getrennt von der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist.
Der Energiespeicher 12 umfasst mindestens zwei elektrochemische Elemente 12a und 12b, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Hierbei kann der Energiespeicher 12 im Allgemeinen ein Managementsystem aufweisen, welches das Be- oder Entladen der einzelnen elektrochemischen Elemente 12a und 12b steuert. Dieses Managementsystenn ist im Allgemeinen mit der Steuerung 1 1 verbunden. Hierbei kann dieses Managementsystem räumlich von der Steuerung 1 1 getrennt oder mit dieser in einem Gehäuse untergebracht sein.
Die elektrochemischen Elemente 12a und 12b unterscheiden sich im Wirkungsgrad. Als elektrochemischen Elements 12a mit dem höheren Wirkungsgrad sind Li-Ionen- Akkumulatoren mit geringen schädlichen Einflüssen auf den Akkumulator schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu können Li-Ionen-Akkumulatoren mit beträchtlicher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40-Fuß-ISO-Containern unterzubringen. Als elektrochemisches Element 12b kommen insbesondere Speicher in Frage, die relativ kostengünstig mit großer Kapazität erhalten werden können. Zu diesen zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Redox-Flow Batterien und Energiespeichersysteme auf Basis von Wasserstoff.
Hierbei ist die Steuerung 1 1 mit dem Energiespeicher 12 verbunden. Weiterhin ist die Steuerung 1 1 mit einer Prognoseeinheit 14 verbunden, wobei diese Einheit in der Steuerung 1 1 integriert, in einem Gehäuse mit der Steuerung 1 1 untergebracht oder als externe Einheit vorgesehen sein kann, wie dies in der vorliegend dargestellten Anlage dargestellt ist. Die Prognoseeinheit 14 ist mit einer Wettervorhersageeinheit 15 verbunden. Die Verbindung zwischen der Prognoseeinheit 14 und der Wettervorhersageeinheit 15 erlaubt eine Kommunikation der ermittelten Daten, die in der Prognoseeinheit 14 verarbeitet werden. Ferner kann die Steuerung 1 1 mit dem Stromnetz 13 verbunden sein, wobei diese in Figur 1 nicht dargestellte Verbindung eine Übermittlung von Anfragen nach benötigter Leistung erlauben kann.
Die in Figur 1 dargelegte Ausführungsform weist einen zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 auf, der in der vorliegenden Erfindung eine optionale Komponente darstellt. Der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 ist sowohl mit dem Stromnetz 13 als auch mit dem Energiespeicher 12 verbunden, so dass die durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bereitgestellte Leistung unmittelbar in das Stromnetz 13 eingespeist werden kann oder zur Regenerierung des Energiespeichers 12 eingesetzt werden kann. Die Steuerung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers 16 kann durch übliche Komponenten erfolgen, die mit der Steuerung 1 1 der erfindungsgemäßen Anlage 10 in Verbindung stehen können. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 ebenfalls mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 verbunden, so dass die Vorrichtung 10 elektrische Leistung einem Energieverbraucher liefern kann.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren. Bei dem Verfahren wird ein Energiespeicher eingesetzt. In Schritt 1 wird eine Prognose über die durch die Erneuerbare Energie bereitstellbare Energie erstellt, wobei die Prognose den zu erwartenden Energieverbrauch und die durch die nachhaltigen Vorrichtungen zur Energiegewinnung erzeugbare Energie berücksichtigt. Im Entscheidungsschritt 2 wird anschließend geprüft, ob Prognose einen Energieüberoder -unterschuss ergibt. Falls dies nicht der Fall ist und die Erneuerbare Energie im Wesentlichen die Energie bereitstellen kann, die verbraucht wird, wird keine Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen des Energiespeichers vorgenommen, wie dies in Schritt 3 dargestellt ist. Im Weiteren wird eine neue Prognose gemäß Schritt 1 erstellt.
Falls die Prognose ergibt, dass ein Energieunterschuss oder -überschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 4 geprüft, ob eine Umspeicherung von Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen zweckmäßig ist. Diese Zweckmäßigkeit kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass ein zu erwartender Energieüberschuss so groß ist, dass die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad nicht ausreicht, um die bereitgestellte Energie vollständig zu speichern. Andererseits kann eine Zweckmäßigkeit auch dann vorliegen, falls das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zum Ausgleich eines Energieunterschusses nicht genügend Leistung bereitstellen kann, so dass ein paralleler Betrieb beider elektrochemischer Elemente sinnvoll wäre. Falls keine Zweckmäßigkeit gegeben ist, wird keine Übertragung zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen vorgenommen. Bei einer Zweckmäßigkeit wird in Entscheidungsschritt 5 überprüft, ob ein Energieüberschuss vorliegt. Falls kein Energieüberschuss, also ein Energieunterschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 6 bestimmt, ob der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad eine Übertragung zulässt. Dies kann insbesondere bei einem relativ tiefen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad gegeben sein. Bei einem hohen Ladezustand ist die Dauer des prognostizierten Energieunterschusses ausschlaggebend, ob eine Energieübertragung zweckmäßig ist. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zumindest abgeschätzt werden, um die maximal übertragbare Energie festzulegen. Falls eine Übertragung von Energie von dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zweckmäßig auf das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad aufgrund dessen Ladezustandes übertragen werden kann, wird mit Schritt 7 fortgefahren und eine Energie entsprechend den Ergebnissen der Prognose in Schritt 1 übertragen. Andernfalls wird entsprechend Schritt 3 keine Energieübertragung vorgenommen.
Nach der Übertragung einer Energiemenge entsprechend den Prognoseergebnissen gemäß Schritt 7, wird eine neue Prognose erstellt, so dass ein Kreislauf gegeben ist. Hierbei ist festzuhalten, dass diese Prognose und die entsprechenden Abläufe so ausgestaltet werden können, dass die Zahl der Entladezyklen des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gering gehalten wird, wie dies zuvor dargelegt wurde.
Falls gemäß Entscheidungsschritt 5 festgestellt wurde, dass ein Energieüberschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 8 bestimmt, ob der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad eine Übertragung an Energie zulässt oder ob diese Übertragung zweckmäßig ist. Die Zweckmäßigkeit einer Energieübertragung kann insbesondere bei einem hohen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad gegeben sein. Bei einem relativ tiefen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad hängt die Zweckmäßigkeit oder die Zulässigkeit von der Höhe und der Dauer des prognostizierten Energieüberschusses ab, der von den Erneuerbaren Energien bereitgestellt wird. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zumindest abgeschätzt werden, um die maximal übertragbare Energie festzulegen.
Falls eine Energieübertragung möglich beziehungsweise zweckmäßig ist, wird in Schritt 9 eine Energie entsprechend den Ergebnissen der Prognose in Schritt 1 vom elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad auf das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad übertragen. Nachfolgend wird eine neue Prognose erstellt, wie dies in Schritt 1 dargelegt ist. Hierbei ist festzuhalten, dass diese Prognose und die entsprechenden Abläufe so ausgestaltet werden können, dass die Anzahl der Ladezyklen des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gering gehalten wird, wie dies zuvor dargelegt wurde. Andernfalls wird entsprechend Schritt 3 keine Energieübertragung vorgenommen.
Die Reihenfolge der in Figur 2 dargelegten Schritte kann teilweise umgestellt werden. So kann insbesondere Entscheidungsschritte 6 oder 8 vor Entscheidungsschritt 4 erfolgen, so dass die Prüfung über den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vor der Bestimmung einer Zweckmäßigkeit einer Umspeicherung erfolgt. Weiterhin kann die Prüfung, ob ein Leistungsüberschuss vorliegt, wie dies in Entscheidungsschritt 5 dargelegt ist, auch zusammen mit Entscheidungsschritt 2 durchgeführt werden. In diesem Fall sind die Schritte 4 bzw. 6 und 8 entsprechend für den jeweiligen Fall anzuwenden.
In Figur 3 ist ein gemäß dem Stand der Technik üblicher Betrieb eines hybriden Speichersystems dargestellt.
Der Überschuss bzw. Unterschuss an Erneuerbare Energie (EE-Leistung) wird primär mit dem Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad, vorliegend eine Batterie, beispielsweise ein Lithiumionen-Akkumulator ausgeglichen. Erst wenn der Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad vollständig geladen ist, wird der Energiespeicher mit den niedrigeren Wirkungsgrad, beispielsweise ein Speichersystem auf Basis von Wasserstoff angefahren. lm vorliegenden Simulationsbeispiel startet die Batterie mit einem Ladezustand von etwa 50 %. In den Bereichen 1 bis 3 wird die Batterie geladen (1 und 3) bzw. entladen (2), je nachdem ob ein EE-Überschuss oder Unterschuss vorhanden ist. Der relativ hohe Anteil an EE-Überschuss führt dazu, dass die Batterie am Ende von Bereich 3 fast vollständig geladen ist. Im Bereich 4 kann die Batterie den gesamten EE-Überschuss nicht aufnehmen, da die Batterie vollständig geladen ist. Deswegen wird ein Rest des EE-Überschusses durch die Bildung von Wasserstoff mittels Elektrolyse gespeichert. Im Bereich 5 kann die Elektrolyse den gesamten EE-Überschuss auffangen, im Bereich 6 nicht mehr, da den EE-Überschuss größer ist, als die Leistung der Elektrolyse. Das führt dazu, dass ein Teil des EE-Überschusses verloren geht. Dieses Phänomen ist im Bereich 7 deutlich zu sehen. In den Bereichen 4 bis 7 ist die Batterie vollständig geladen und kann zur Speicherung eines EE-Überschusses nicht eingesetzt werden. Erst im Bereich 8 und 9 besteht EE-Unterschuss, so dass die Batterie wieder entladen werden kann. Der gesamt EE-Unterschuss wird von der Batterie aufgefangen. In dieser Simulation werden in den Bereichen 6 und 7 10 bzw. 60 Leistungseinheiten, die durch die Erneuerbaren Energie bereitgestellt werden könnten, aufgrund der Leistungsbegrenzung des Energiespeichersystems auf Basis von Wasserstoff nicht genutzt.
In Figur 4 ist eine erfindungsgemäße Betriebsweise dargestellt. Anhand einer Wetterprognose wird der Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad, beispielsweise eine Batterie und der Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad, beispielsweise ein Speichersystem auf Basis von Wasserstoff so betrieben, dass möglich viel EE-Leistung zur Speicherung von Energie eingesetzt werden kann.
Aus Gründen der Vergleichbarkeit weist die Batterie zu Beginn der Simulation den gleichen Ladungszustand auf, wie in Figur 3. Der vorhersehbare großen EE-Überschuss im Bereich 7 wird aber durch die Wettervorhersage prognostiziert, so dass der Ladezustand der Batterie darauf angepasst wird. Im Bereich 1 wird die Elektrolyse direkt angefahren, obwohl die Batterie in der Lage wäre, allein den EE-Überschuss abzufangen. Damit wird der Batterieladezustand nur langsam angehoben. Inn Bereich 2 wird die Batterie bei maximaler Leistung entladen, ohne dass dies durch den EE-Unterschuss bedingt wäre. Vielmehr wird hierdurch Energie in den Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad übertragen. Der Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad (Elektrolyse) wird von dem Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad (Batterie) betrieben, was energetisch nicht von Vorteil ist (Energieverluste durch Wirkungsgradunterschiede). Allerdings wird hierdurch der Ladezustand der Batterie gesenkt. Im Bereich 3, 4 und 6 wird, analog zum Bereich 1 , die Batterie nur benutzt, um zu kompensieren was die Elektrolyse allein nicht bewerkstelligen kann. Im Bereich 5 wird wie im Bereich 2 die Batterie benutzt, um die Elektrolyse anzutreiben. Der Batterieladezustand am Ende des Bereiches 6 ist relativ niedrig, sodass die im Fall von hohe EE-Überschuss (prognostiziert für den Bereich 7), die Batterie voll einsatzfähig sein kann.
Der Bereich 7 weist einen sehr hohen EE-Überschuss auf. Die Batterie und die Elektrolyse laufen auf maximale Leistung, trotzdem kann der ganze EE-Überschuss nicht gespeichert werden. Dies Ereignis beruht nicht auf dem Ladezustand der Batterie, sondern an der Höhe des Überschusses, die die Gesamtleistung des Energiespeichers übertrifft (Batterie + Elektrolyse).
In den Bereichen 8 und 9 wird die Batterie durch den EE-Unterschuss wieder entladen. Der Ladezustand der Batterie liegt am Ende des Bereichs 9 im gleichen Bereich wie im Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Allerdings konnte wesentlich mehr Energie, vorliegend an Wasserstoff gespeichert werden. Gegebenenfalls kann die so gespeicherte Energie eingesetzt werden, um die Batterie zu laden oder zu entlasten.
Die in der voranstehenden Beschreibung sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch mindestens einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden,
der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren
Wirkungsgrad bestimmt wird,
eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren
Wirkungsgrad,
elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung von chemischer Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise entladen wird, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie zum Laden der mindestens zwei
elektrochemische Elemente bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als das Optimum der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem die Leistung, die durch die erneuerbare Energie zur
Speicherung von chemischer Energie bereitgestellt werden kann, kleiner als 80% des Optimums der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Freisetzung von chemischer Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise beladen wird, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie bereitgestellte elektrische Leistung nicht den Bedarf an elektrischer Leistung decken kann und der Leistungsunterschuss größer ist als die Leistung, die durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad durch das
elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem das elektrochemische Element mit dem geringeren
Wirkungsgrad eine Leistung erbringt, die höchstens 80 % des Optimums der Leistungsabgabe des elektrochemischen Elements mit dem geringeren
Wirkungsgrad ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren
Wirkungsgrad eine geringere Speicherkapazität als das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren
Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von mindestens 70 % aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Wirkungsgrad des
elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad mindestens 5 % beträgt.
9. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prognose des Teils der durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie, der durch die elektrochemischen Elemente chemisch gespeichert werden kann, Daten berücksichtigt werden, die auf einem zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie beruhen.
10. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren
Wirkungsgrad unter Speicherung dieser Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des
Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise entladen wird, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad geringer ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
1 1 . Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren
Wirkungsgrad unter Freisetzung dieser Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des
Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren
Wirkungsgrad zumindest teilweise geladen wird, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Beladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad höher ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den
Verbraucher.
12. Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie durch chemische Verfahren, umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie (10) und mindestens einen Energiespeicher (12) mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen (12a, 12b) zur Speicherung von elektrischer Energie, wobei die elektrochemischen Elemente (12a, 12b) zur Speicherung von elektrischer Energie mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie gewonnenen Energie miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente (12a, 12b) im
Wirkungsgrad unterscheiden, die Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie mindestens eine Steuerung (1 1 ) umfasst, die eine Prognoseeinheit (14) aufweist, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit (15) verbunden ist, und die Prognoseeinheit (14) mit einem Datenspeicher versehen ist, welcher Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie umfasst, und
das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad (12a) eine
Messeinheit zur Bestimmung des Ladezustandes aufweist.
13. Anlage gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad (12a) einen Lithium-Ionen-Akkumulator umfasst.
14. Anlage gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad (12b) ein
Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, einen Bleiakkumulator und/oder ein Redox-Flow-Element umfasst. 15. Anlage gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Gewinnung von Elektrizität durch erneuerbare Energie (10) mindestens eine Photovoltaikzelle und/oder eine Windkraftanlage umfasst.
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