WO2014095346A2

WO2014095346A2 - Verfahren zur erbringung von regelleistung zur stabilisierung eines wechselstromnetzes

Info

Publication number: WO2014095346A2
Application number: PCT/EP2013/075374
Authority: WO
Inventors: Georg Markowz; Carsten Kolligs; Wolfgang Deis; Anna FLEMMING; Dennis GAMRAD; Sébastien COCHET
Original assignee: Evonik Industries Ag
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-06-26
Also published as: DE102012113050A1; WO2014095346A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer Vorgabefrequenz arbeitet, umfassend einen Energiespeicher, derelektrische Energie aufnehmen und abgeben kann und mindestens zwei elektrochemische Elemente umfasst, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden, wobei das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad seltener von einem Zustand, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie aufnimmt, in einen Zustand übergeht, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie abgibt, als das elektrochemische Element mit dem größeren Wirkungsgrad.

Description

Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Stromnetze werden verwendet, um Strom von meist mehreren Energieerzeugern in großen Gebieten auf viele Nutzer zu verteilen und Haushalte und Industrie mit Energie zu versorgen. Energieerzeuger, meist in Form von Kraftwerken, stellen dazu die benötigte Energie bereit. In der Regel wird die Stromerzeugung auf den prognostizierten Verbrauch hin geplant und bereitgestellt.

Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es jedoch zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall Erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen. Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50 Hz. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber dem Plan führt zu einer Erhöhung der Frequenz bei planmäßig eingespeister Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Strom Produktion gegenüber dem Plan bei planmäßigem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung der Energieerzeuger gegenüber dem Plan führt dagegen zu einer Verringerung der Netzfrequenz bei plangemäßem Verbrauch, gleiches gilt für eine Erhöhung des Verbrauchs gegenüber dem Plan bei plangemäßer Erzeugung. Aus Gründen der Netzstabilität ist es erforderlich, diese Abweichungen in einem definierten Rahmen zu halten. Dazu muss je nach Höhe und Richtung der Abweichung gezielt positive Regelleistung durch Zuschalten von zusätzlichen Erzeugern oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern oder Hinzuschalten von Verbrauchern bereitgestellt werden. Es besteht allgemein der Bedarf an einer wirtschaftlichen und effizienten Bereitstellung dieser Regelleistungen, wobei die Anforderungen an die bereitzuhaltenden Kapazitäten und die Dynamik der Regelleistungsquellen beziehungsweise -senken je nach Charakteristik des Stromnetzes variieren können. In Europa gibt es beispielsweise ein Regelwerk (UCTE Handbook), das drei verschiedene Kategorien an Regelleistung beschreibt. Darin sind auch die jeweiligen Anforderungen und die Regelleistungsarten festgelegt. Die Regelleistungsarten unterscheiden sich unter anderem in den Anforderungen an die Dynamik und die Dauer der Leistungserbringung. Außerdem werden sie unterschiedlich hinsichtlich der Randbedingungen eingesetzt. Primärregelleistung (PRL) ist unabhängig vom Ort der Verursachung der Störung europaweit von allen eingebundenen Quellen zu erbringen, und zwar im Wesentlichen proportional zur aktuellen Frequenzabweichung. Die absolut maximale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von minus 200 mHz und (absolut) darunter zu erbringen, die absolut minimale Leistung ist bei Frequenzabweichungen von plus 200 mHz und darüber zu erbringen. Hinsichtlich der Dynamik gilt, dass aus dem Ruhezustand die jeweils (betragsmäßig) maximale Leistung innerhalb von 30 Sekunden bereitgestellt werden muss. Demgegenüber sind Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) in den Bilanzräumen zu erbringen, in denen die Störung aufgetreten ist. Ihre Aufgabe ist es, die Störung möglichst schnell zu kompensieren und somit dafür zu sorgen, dass die Frequenz wieder möglichst schnell, vorzugsweise spätestens nach 15 Minuten wieder im Sollbereich liegt. Hinsichtlich der Dynamik werden an die SRL und die MRL geringere Anforderungen gestellt (5 bzw. 15 Minuten bis zur vollen Leistungserbringung nach Aktivierung), gleichzeitig sind diese Leistungen auch über längere Zeiträume bereitzustellen als Primärregelleistung. In den bisher betriebenen Stromnetzen wird ein Großteil der Regelleistung von konventionellen Kraftwerken, insbesondere Kohle- und Atomkraftwerken bereitgestellt. Zwei grundsätzliche Problemstellungen resultieren hieraus. Zum einen werden die konventionellen, Regelleistung bereitstellenden Kraftwerke nicht bei Volllast und damit maximalen Wirkungsgraden, sondern leicht unterhalb derselben betrieben, um bei Bedarf positive Regelleistung bereitstellen zu können, ggfs. über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum. Zum anderen sind mit zunehmendem Ausbau und zunehmender bevorzugter Nutzung der Erneuerbaren Energien immer weniger konventionelle Kraftwerke in Betrieb, was aber oftmals die Grundvoraussetzung für die Erbringung von Regelleistungen ist.

Aus diesem Grund wurden Ansätze entwickelt, vermehrt Speicher einzusetzen, um negative Regelleistung zu speichern und bei Bedarf als positive Regelleistung bereitzustellen.

Der Einsatz von Hydro-Pumpspeicherwerken zur Erbringung von Regelleistung ist Stand der Technik. In Europa werden alle oben genannten drei Regelleistungsarten von Pumpspeichern erbracht. Hydropumpspeicher werden jedoch auch immer wieder genannt als gegenwärtig wirtschaftlichste Technologie zur Ein- und Ausspeicherung von bevorzugt Erneuerbaren Energien, um Energieangebot und -bedarf zeitlich besser aufeinander anpassen zu können. Das Potenzial zum Ausbau der Speicherkapazitäten - insbesondere in Norwegen - wird kontrovers diskutiert, da für die Nutzung beträchtliche Kapazitäten in Stromleitungen genehmigt und installiert werden müssen. Folglich steht die Nutzung für das energiewirtschaftliche Lastmanagement in Konkurrenz zur Bereitstellung von Regelleistung.

Vor diesem Hintergrund wurden im Bereich der Primärregelleistung in der jüngeren Vergangenheit immer wieder Ansätze untersucht und beschrieben, auch andere Speichertechnologien wie beispielsweise Schwungmassen- und Batteriespeicher für die Bereitstellung von Regelleistung einzusetzen.

Aus der US 2006/122738 A1 ist ein Energiemanagementsystem bekannt, das einen Energieerzeuger und einen Energiespeicher umfasst, wobei der Energiespeicher durch den Energieerzeuger aufladbar ist. Dadurch soll ein Energieerzeuger, der im normalen Betrieb keine gleichmäßige Energieerzeugung gewährleistet, wie zum Beispiel die zunehmend favorisierten erneuerbaren Energien, wie Windkraft- oder Photovoltaikkraftwerke, in die Lage versetzt werden, ihre Energie gleichmäßiger ins Stromnetz abzugeben. Nachteilig ist hieran, dass hierdurch zwar ein einzelnes Kraftwerk stabilisiert werden kann, alle anderen Störungen und Schwankungen des Stromnetzes aber nicht oder nur sehr begrenzt abgefangen werden können.

Es ist aus der WO 2010 042 190 A2 und der JP 2008 178 215 A bekannt, Energiespeicher zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung zu verwenden. Wenn die Netzfrequenz einen Toleranzbereich um die gewünschte Netzfrequenz verlässt, wird entweder Energie aus dem Energiespeicher bereitgestellt oder in den Energiespeicher aufgenommen, um die Netzfrequenz zu regulieren. Auch die DE 10 2008 046 747 A1 schlägt vor, einen Energiespeicher in einem Inselstromnetz derart zu betreiben, dass der Energiespeicher zur Kompensation von Verbrauchsspitzen und Verbrauchsminima eingesetzt wird. Nachteilig ist hieran, dass die Energiespeicher nicht die notwendige Kapazität haben, um eine längere Störung oder mehrere, hinsichtlich der Frequenzabweichung gleichgerichtete Störungen hintereinander zu kompensieren. In dem Artikel „Optimizing a Battery Energy Storage System for Primary Frequency Control" von Oudalov et al., in IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 3, August 2007, wird die Abhängigkeit der Kapazität eines Akkumulators von technischen und betrieblichen Randbedingungen bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen (UCTE Handbook) Primärregelleistung bereitstellen kann. Es zeigt sich, dass auf Grund der Ein- und Ausspeicherverluste langfristig in unterschiedlichen Zeitabständen immer wieder ein Aufladen oder Entladen des Speichers unvermeidbar ist. Die Autoren schlagen dazu die Zeiträume vor, in denen sich die Frequenz im Totband (d.h. in dem Frequenzbereich, in dem keine Regelleistung zu erbringen ist) befindet. Trotzdem kann es kurzfristig bzw. vorübergehend dazu kommen, dass der Speicher überladen wird. Die Autoren schlagen für solche Fälle den (begrenzten Einsatz) von Verlust erzeugenden Widerständen vor, die extremal die komplette negative Nenn-Regelleistung aufnehmen, also hierauf ausgelegt werden müssen. Neben dem zusätzlichen Investitionsbedarf für die Widerstände und deren Kühlung führt dies jedoch, wie von den Autoren selbst schon genannt, zu einer mehr oder weniger unerwünschten Energieentwertung, wobei die entstehende Abwärme in der Regel nicht genutzt werden kann. Die Autoren zeigen auf, dass eine geringere Inanspruchnahme der Verlusterzeugung nur durch eine höhere Speicherkapazität, verbunden mit höheren Investitionskosten, möglich ist.

Akkumulatoren und andere Energiespeicher können sehr schnell Energie aufnehmen oder abgeben, wodurch sie sich grundsätzlich zur Bereitstellung von PRL eignen. Nachteilig ist jedoch hieran, dass sehr große Kapazitäten der Akkumulatoren bereitgestellt werden müssen, um die Regelleistung auch über einen längeren Zeitraum oder wiederholt liefern zu können. Akkumulatoren mit sehr großer Kapazität sind aber auch sehr teuer.

Auf Grund der Verluste beim Ein- und Ausspeichern von Energie erfolgt bei statistisch symmetrischer Abweichung der Netzfrequenzen vom Sollwert durch den Betrieb früher oder später eine Entladung des Energiespeichers, wie zum Beispiel eines Akkumulators. Es ist daher erforderlich, den Energiespeicher mehr oder weniger regelmäßig gezielt aufzuladen. Eventuell muss dieser Ladestrom separat bezahlt werden. Es wurde im Rahmen der Erfindung gefunden, dass mitunter beträchtliche Energiemengen monoton ein- oder ausgespeist werden, wie eine Analyse von realen Frequenzverläufen der Erfinder zeigt. Dies führt bei gegebener Speicherkapazität zu entsprechend hoher Ladezustandsänderung. Große Ladezustandsänderungen wiederum führen tendenziell zu schnellerer Alterung als geringe Ladezustandsänderungen. Entweder erreicht der Energiespeicher somit eher sein Lebensende und muss eher ausgetauscht werden, oder die Kapazität ist ä priori zu erhöhen, um die relative Ladezustandsänderung zu reduzieren. Beides führt zu einer Erhöhung der Investitionskosten.

Zusätzlich erfordert eine konsequente Einhaltung der Leitlinien zur Präqualifizierung von Primärregeltechnologien die Bereithaltung entsprechender Leistungsreserven zu jedem beliebigen Betriebszeitpunkt und damit Ladungszustand des Energiespeichers. Diese Anforderung (in Deutschland aktuell: die vermarktete Primärregelleistung über eine Dauer von 15 min) führt dazu, dass zusätzlich eine entsprechende, Investitionskosten erhöhende Kapazität vorgehalten werden muss. Tatsächlich würde eine solche Reserve (statistisch bedingt) nur sehr selten genutzt werden. ln Anbetracht des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes zur Verfügung zu stellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist. Insbesondere sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können. Insbesondere sollten die Anlagen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann, in Bezug auf die bereitgestellte Regelleistung mit möglichst geringen Investitionen verbunden sein.

Hierbei soll es ermöglicht werden, Regelleistung bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Kapazität des Energiespeichers möglichst gering sein soll, um die erforderliche Regelleistung bereitzustellen.

Zudem wäre es auch vorteilhaft, wenn eine geringere Alterungsbelastung erreicht werden könnte. Ferner wäre auch die Bereitstellung der Primärregelleistung unter Vermeidung eines zwischenzeitlichen Ladens oder Entladens wünschenswert. Alternativ wäre anzustreben, dass zumindest die Zahl von Lade- oder Entladevorgängen, die zur Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit erforderlich reduziert wird. Ferner ist es Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu finden, bei dem die beschriebenen Störungen des Stromnetzes und gleichzeitig Handelsvorgänge vermieden oder reduziert werden. Weiterhin sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll außerdem dazu geeignet sein, die notwendige Regelleistung bei Bedarf möglichst schnell bereitstellen zu können.

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 zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz werden in den Unteransprüchen 2 bis 8 unter Schutz gestellt. Ferner haben Patentanspruch 9 bis 15 eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer Vorgabefrequenz arbeitet, umfassend einen Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, mindestens zwei elektrochemische Elemente umfasst, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden, wobei das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad seltener von einem Zustand, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie aufnimmt, in einen Zustand übergeht, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie abgibt, als das elektrochemische Element mit dem größeren Wirkungsgrad.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise, ein Verfahren zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes bereitzustellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist. Speziell gelingt es durch die Verwendung von Energiespeichern, die mindestens zwei elektrochemische Elemente mit einem unterschiedlichen Wirkungsgrad aufweisen, eine für die volle Verfügbarkeit erforderliche Speicherkapazität kostengünstiger bereitzustellen, im Vergleich zu elektrochemischen Energiespeichern, die lediglich elektrochemische Elemente mit gleichem Wirkungsgrad aufweisen. Hierbei gelingt es überraschend den hohen Wirkungsgrad des einen Elements, welches im Allgemeinen jedoch höhere Investitionskosten bedingt, mit den geringeren Investitionskosten, des zweiten Elements, welches einen geringeren Wirkungsgrad aufweist, in synergistischer Weise zu verknüpfen. Die Erfinder konnten durch eine Fourieranalyse des Ladezustandes von Energiespeichern überraschend feststellen, dass es neben Ladezustands-schwankungen mit sehr kurzer Periodendauer auch solche mit deutlich längerer Periodendauer vorhanden sind. Diese führen zu Schwankungsvorgängen mit deutlich geringerer Zyklenzahl. Diese Ladungsschwankungen können, aufgrund der relativ geringen Investitionskosten, zweckmäßig mit Akkumulatoren oder anderen elektrochemischen Speichern mit einem geringen Wirkungsgrad zumindest teilweise ausgeglichen werden. Die mit einer hohen Frequenz auftretenden Schwankungen lassen sich jedoch zweckmäßiger mit einem elektrochemischen Element abmildern, welches einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Insbesondere kann das Verfahren sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden, da die für die volle Verfügbarkeit erforderliche Speicherkapazität kostengünstiger bereitgestellt werden kann oder die Zahl der Lade- und Entladevorgänge, die zur Einstellung des Ladezustandes des Energiespeichers mit externen Energiequellen oder -senken vorgenommen werden müssen, verringert werden kann. Hierbei ist festzuhalten, dass der Energiespeicher über das Stromnetz durch Energiehandel Leistung beziehen kann. Diese Leistung muss eingekauft und zu einem spezifischen Zeitpunkt abgerufen werden, da andernfalls eine Störung des Systems vorliegt. Die tatsächliche Netzfrequenz ist für diesen Vorgang unerheblich, da bei einer geplanten, gleichzeitigen Einspeisung und Entnahme einer Leistung die Frequenz des Stromnetzes nicht beeinflusst wird. Wichtig ist vielmehr, dass die Einspeisung und die Entnahme dieser Leistung möglichst synchron erfolgen. Bei einer konstanten Kapazität des Energiespeichers, insbesondere des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, welches im Allgemeinen relativ teuer ist, kann in Folge der verminderten Lade-/Entladezyklen die betriebliche Lebensdauer des Speichers vergrößert werden, wobei dies insbesondere für Akkumulatoren ein wichtiger Gesichtspunkt darstellt, der durch die vorliegende Erfindung überraschend verbessert werden kann. Weiterhin kann bei einer Verwendung von galvanischen Elementen, wie Akkumulatoren, die Kapazität von teuren Energiespeichern sehr gering gehalten werden, um eine erforderliche Regelleistung bereitzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem dazu geeignet, die notwendige Regelleistung sehr schnell bereitzustellen.

Darüber hinaus kann das Verfahren mit sehr wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.

Das vorliegende Verfahren dient zur Bereitstellung von Regelleistung zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes. Wie in der Einleitung bereits dargelegt, verändert sich in einem Wechselstromnetz die Frequenz, falls das Gleichgewicht zwischen Energieverbrauch und Energiebereitstellung nicht eingehalten wird.

Die Regelenergie oder Regelleistung wird an das Stromnetz abgegeben (positive Regelenergie oder positive Regelleistung) oder aus dem Stromnetz aufgenommen (negative Regelenergie oder negative Regelleistung). Positive Regelleistung kann durch Energieeinspeisung, beispielsweise Energieeintrag eines Energiespeichers oder durch Zuschalten eines Kraftwerks, oder durch Drosselung eines Verbrauchers in das Netz zugeführt werden. Negative Regelleistung kann dem Netz durch Energieaufnahme eines Energiespeichers, Drosselung einer Energiequelle, beispielsweise eines Kraftwerks, oder durch Zuschalten eines Verbrauchers in das Netz eingespeist werden. Weitere wichtige Informationen hierzu finden sich im Stand der Technik, wobei insbesondere auf die in der Einleitung diskutierten Dokumente Bezug genommen wird. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Begriffe Regelleistung und Regelenergie für die Zwecke dieser Erfindung einen ähnlichen Bedeutungsgehalt aufweisen. Üblich wird Regelleistung für eine bestimmte Nennleistung vom Anbieter dem Netzbetreiber zur Verfügung gestellt. Unter der Nennleistung ist vorliegend die Leistung zu verstehen, mit der die Regelleistungsquelle mindestens präqualifiziert ist, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Allerdings kann die Präqualifikationsleistung höher sein als die Nennleistung, die dem Netzbetreiber maxinnal zur Verfügung gestellt wird. Diese Nennleistung kann auch als kontrahierte Höchstleistung bezeichnet werden, da diese Leistung dem Netz maximal bereitgestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Stabilisierung eines Wechselstromnetzes. Wechselstromnetze zeichnen sich durch eine Änderung der Polung des elektrischen Stromes aus, wobei sich positive und negative Augenblickswerte so ergänzen, dass der Strom im zeitlichen Mittel null ist. Diese Netze werden im Allgemeinen zur Übertragung von elektrischer Energie eingesetzt.

Üblich werden die Wechselstromnetze mit einer Vorgabefrequenz betrieben, die gegenwärtig in Europa, insbesondere in Deutschland, bei 50,000 Hz liegt. Im nordamerikanischen Raum beträgt die Vorgabefrequenz hingegen 60,000 Hz.

Gegenwärtig ist diese Vorgabefrequenz nicht fixiert, sondern wird geringfügig variiert, um die sogenannte Netzzeit, die unter anderem als Zeitgeber für Uhren dient, an die koordinierte Weltzeit anzupassen. Folglich arbeitet ein derartiges Wechselstromnetz bei einer variablen Vorgabefrequenz. Gemäß den in Europa derzeit gültigen Normen wird bei einer Abweichung von +/- 20 Sekunden zwischen der Netzzeit und der Weltzeit die Vorgabefrequenz, je nach Abweichung der Netzzeit um 10 mHz abgesenkt oder erhöht, so dass die Vorgabefrequenz derzeit Werte von 49,990 Hz, 50,000 Hz oder 50,010 Hz einnehmen kann. Diese Anpassung wird zentral vom Netzbetreiber vorgenommen und beim Einsatz von Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung (MRL) berücksichtigt.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Vorgabefrequenz, beispielsweise zur Anpassung an die Weltzeit, leicht variiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine aktive Übermittlung der entsprechenden Daten durch den Netzbetreiber erfolgen.

Für Einzelheiten zur Regelung von Regelleistung und zum Informationsaustausch mit den Netzbetreibern sei auf das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) „TransmissionCode 2007" vom November 2009 verwiesen. Gegenwärtig gibt es für die Quellen zur Bereitstellung von Primärregelleistung zwei Toleranzen, die hinsichtlich der Frequenzabweichungen relevant sind. Zum einen ist dies die Frequenzmessgenauigkeit. Diese darf maximal +/- 10 mHz betragen. Zudem gibt es einen sogenannten Unempfindlichkeitsbereich von maximal +/- 10 mHz, der den Primärregelleistung erbringenden Quellen zugestanden wird. Um ein Agieren der Regelleistungsquellen entgegen der erwünschten Richtung in jedem Fall zu vermeiden, haben die Übertragungsnetzbetreiber in Deutschland in ihren Rahmenverträgen beispielsweise ein Band von +/- 10 mHz um den Sollwert von 50,00 Hz festgelegt, in dem keine Primärregelleistung zu erbringen ist. Selbst bei maximaler Frequenzmessgenauigkeit von + 10 mHz oder - 10 mHz ist so ein Erbringen von Regelleistung entgegen der erwünschten Richtung ausgeschlossen. Außerhalb dieser Grenzen muss gemäß den Vertragsbedingungen Regelleistung bereitgestellt werden.

Im Allgemeinen wird ein Totband um die Vorgabefrequenz vorgegeben, welches zur vertragsgemäßen Erbringung von Regelleistung benötigt wird, wie dies zuvor dargelegt wurde.

Eine Regelleistung wird gegenwärtig in Europa ab einer bestimmten maximalen Abweichung der Netzfrequenz (Ist-Wechselstromfrequenz) von der Vorgabefrequenz (Soll-Wechselstromfrequenz), bei einer Abweichung von +/- 200 mHz, in voller Höhe bereitgestellt. In dem Bereich zwischen dem Totband und der maximalen Abweichung soll in Europa nur ein bestimmter Anteil der maximal bereitstellbaren Regelleistung in das Stromnetz eingespeist werden. Die Art der Regelleistungserbringung ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Gemäß den in Europa derzeit gültigen Vorschriften ist der Betrag der zu erbringenden Leistung weitgehend linear mit zunehmender Frequenzabweichung von der Vorgabefrequenz zu erhöhen. So wird üblich bei einer Abweichung von 100 mHz eine Regelleistung erbracht, die 50 % der Maximalleistung beträgt. Diese Maximalleistung wird bei einer Abweichung von 200 mHz erbracht und entspricht der zuvor definierten Nennleistung oder kontrahierten Höchstleistung, für die der Energiespeicher mindestens präqualifiziert ist. Bei einer Abweichung von 50 mHz wird demgemäß 25 % der Nennleistung erbracht. Weiterhin ist festzuhalten, dass durch das Verfahren ein Beitrag zur Stabilisierung des Netzes auch bei einer relativ geringen Kapazität des Energiespeichers erreicht werden kann, da eine Bereitstellung von Regelleistung auch stattfinden kann, falls die Netzfrequenz über einen sehr langen Zeitraum außerhalb des Totbandes liegt, innerhalb dessen keine Regelung notwendig ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann eine Regeneration des Energiespeichers auch dann noch erfolgen, wenn die gemessene Frequenz längerfristig einseitig außerhalb eines Totbandes liegt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere in Zusammenhang mit der Art und Weise der Ausnutzung von Toleranzen, die beispielsweise hinsichtlich der Höhe der Regelleistungserbringung, der Zeit, innerhalb der die Regelleistung zu erbringen ist, und den Frequenztoleranzen geeignet, den Ladezustand zu optimieren.

Beispielsweise kann vermehrt negative Regelleistung bereitgestellt werden, falls der Ladezustand des Energiespeichers aufgrund einer Netzfrequenz, die im Mittel über einen längeren Zeitraum unterhalb der Vorgabefrequenz liegt, sehr tief ist. Hierbei können Toleranzen, beispielsweise die dem Regelleistungserbringer vom Netzbetreiber zugestandenen Toleranzen, im Hinblick auf die Netzfrequenz, die Höhe der Regelleistung abhängig von der Frequenzabweichung, die Unempfindlichkeit hinsichtlich der Frequenzänderung, und den Zeitraum, innerhalb der die Regelleistung zu erbringen ist, ausgenutzt werden, um den Ladezustand des Energiespeichers an die Erfordernisse anzupassen. So kann anstatt der vorgesehenen negativen Regelleistung beispielsweise mindestens 105 %, vorzugsweise mindestens 1 10 % und besonders bevorzugt mindestens 1 15 % dieser Regelleistung erbracht werden. Falls bei einem tiefen Ladezustand nun positive Regelleistung bereitgestellt werden muss, so wird in diesem Fall möglichst genau die vertraglich zu erbringende Leistung bereitgestellt. Weiterhin kann die Energieaufnahme bei einem tiefen Ladezustand unmittelbar erfolgen, während die Energieeinspeisung zu einem gemäß den Regularien spätest möglichen Zeitpunkt bzw. mit einem gemäß den Regularien möglichst langsamen Anstieg erfolgt. Weiterhin kann die durch den Netzbetreiber zugestandene Frequenztoleranz verwendet werden, indem eine Messung mit einer höheren Genauigkeit durchgeführt wird, wobei die hierdurch gewonnene Differenz zur zugestandenen Messungenauigkeit gezielt eingesetzt wird, um gemäß den Regularien, d.h. im gegebenen Toleranzrahmen, bei niedrigem Ladezustand möglichst wenig Leistung in das Netz einzuspeisen bzw. möglichst viel Leistung aus dem Netz aufzunehmen. Bei einem hohen Ladezustand kann spiegelverkehrt verfahren werden. So ist beispielsweise eine hohe Energieabgabe bei Bereitstellung einer positiven Regelleistung und eine geringe Energieaufnahme bei Bereitstellung einer negativen Regelleistung möglich bzw. zu realisieren.

Unter der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung und der Toleranz bei der Bestimmung der Frequenzabweichung usw. ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass vom Netzbetreiber, aufgrund technischer Rahmenbedingungen, wie der Messgenauigkeit beim Bestimmen der erbrachten Regelleistung oder der Netzfrequenz, gewisse Abweichungen zwischen einer idealen Sollleistung und der tatsächlich erbrachten Regelleistung akzeptiert werden. Die Toleranz kann vom Netzbetreiber gewährt sein, könnte aber auch einer gesetzlichen Vorgabe entsprechen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann die Zuführung von Energie in den Energiespeicher von der Tageszeit abhängig sein. Hierdurch kann eine hohe Stabilität des Netzes auch bei einer hohen Last bei bestimmten Tageszeiten sichergestellt werden. So kann bei Spitzenlasten eine Regeneration des Energiespeichers, die aufgrund der Abweichung der Netzfrequenz von der Vorgabefrequenz über einen längeren Zeitraum sinnvoll wäre, ausgeschlossen werden.

Ferner kann vorgesehen sein, dass mehrere Energiespeicher gemäß dem vorliegenden Verfahren eingesetzt werden. In einer besonderen Ausführungsform können hierbei alle oder nur ein Teil dieser Energiespeicher eine an den Ladungszustand der Energiespeicher angepasste Regelleistung erbringen, wie diese zuvor dargelegt wurde. Die Größe der Energiespeicher innerhalb des Pools kann dabei variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei den verschiedenen Energiespeichern eines Pools bei der Ausnutzung von Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband, der Wechsel von einer Parametereinstellung auf eine andere nicht synchron, sondern gezielt zeitlich versetzt vorgenommen, um etwaige Störungen im Netz möglichst gering oder zumindest tolerabel zu halten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform variieren die bei den verschiedenen Verfahrensweisen genutzten Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband abhängig von der Tageszeit, dem Wochentag oder der Jahreszeit. Zum Beispiel können in einem Zeitraum von 5 min vor bis 5 min nach dem Stundenwechsel Toleranzen enger definiert werden. Dies ist darin begründet, dass hier oft sehr rapide Frequenzänderungen stattfinden. Es kann im Interesse der Übertragungsnetzbetreiber liegen, dass hier geringere Toleranzen vorliegen und damit die Regelenergiebereitstellung sicherer im Sinne von schärfer erfolgt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung vorgesehen sein, dass durch den in dem vorliegenden Verfahren eingesetzten Energiespeicher durchschnittlich mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Verfahrensweise bevorzugt sehr viel negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Vorgehensweise bevorzugt nur die mindestens zugesicherte Leistung an positiver Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise wird durchschnittlich mindestens 0,1 % mehr an Energie aus dem Netz entnommen als eingespeist, insbesondere mindestens 0,2 %, bevorzugt mindestens 0,5 %, besonders bevorzugt mindestens 1 ,0 %, speziell bevorzugt 5 %, wobei diese Werte auf einen Durchschnitt bezogen sind, der über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 4 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 24 Stunden und speziell bevorzugt mindestens 7 Tage gemessen wird, und sich auf die eingespeiste Energie beziehen.

Hierbei kann die zuvor dargelegte Regelleistungserbringung gezielt eingesetzt werden, um ein Maximum an Energie aus dem Netz zu entnehmen, wobei die maximal mögliche negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen nur ein Minimum an positiver Regelleistung erbracht wird.

In den Ausführungsformen zur bevorzugten und speziell zur maximalen Energieaufnahme können die hierdurch aus dem Netz entnommenen Energien über den zuvor beschriebenen Energiehandel verkauft werden, wobei dies vorzugsweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen ein höchstmöglicher Preis zu erzielen ist. Hierzu können Prognosen über die Preisentwicklung herangezogen werden, die auf historischen Daten beruhen.

Weiterhin kann der Ladezustand zum Zeitpunkt eines geplanten Verkaufs an Energie vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Speicherkapazität betragen, wobei der Ladezustand nach dem Verkauf bevorzugt höchstens 80 %, insbesondere höchstens 70 % und besonders bevorzugt höchstens 60 % der Speicherkapazität beträgt.

Erfindungsgemäß wird ein Energiespeicher zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann. Dieser Energiespeicher umfasst 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- lonen-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 berücksichtigen. 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:

C_T Für den Energiewirkungsgrad müssen die eingeladenen Energien verglichen werden: n Hw ,h = Ela

-^ Lad

wobei E_Ei_a die entnehmbare Energie und E_Lad 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 Q_N (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: Q_N = 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 Kapazität 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 bevorzugt größer als 2 sein, wobei die höhere C-Rate in das Verhältnis zur kleineren C- Rate gesetzt wird. 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 kontrahierte 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. Durch diese Ausgestaltung können überraschende wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, da die Erfinder der vorliegenden Erfindung über Frequenzanalysen festgestellt haben, dass zur Erbringung einer vorgegebenen kontrahierten Regelleistung 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.

Überraschende Vorteile ergeben sich demgemäß dadurch, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad seltener von einem Zustand, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie aufnimmt, in einen Zustand übergeht, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie abgibt, als das elektrochemische Element mit dem größeren Wirkungsgrad. Dementsprechend wird das elektrochemische Element mit dem größeren Wirkungsgrad häufiger Be- und Entladen als das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad. Die Differenz in der Zyklenzahl ist hierbei nicht kritisch und bemisst sich nach der Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem größeren Wirkungsgrad und der kontrahierten Nennleistung.

Hierbei wird das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad vorzugsweise eingesetzt, um Frequenzabweichungen abzumildern, die länger anhalten. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, über einen festgelegten Zeitraum Regelleistung durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht wird. Hierbei kann diese Regelleistung bevorzugt in Kombination mit dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Innerhalb des Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, wird die Regelleistung vorzugsweise durch das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad erbracht.

Die Bandbreite des Frequenzbandes, welches zur Beurteilung einer dauerhaften Frequenzabweichung herangezogen wird, ist hierbei nicht kritisch und kann in Abhängigkeit des Wirkungsgrades und der Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad sowie der Differenz dieser Werte zum elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad gewählt werden. Hierbei kann sich das vorzugsweise zur Festlegung einer dauerhaften Abweichung zwischen Netzfrequenz und Vorgabefrequenz eingesetzte Frequenzband von dem Frequenzbereich unterscheiden, welches dazu dient, die Erbringung von Regelleistung gemäß den Standardvorgaben zu beschreiben. So wird im Weiteren der Begriff Totband dazu verwendet, die Erbringung einer Regelleistung gemäß den Standardvorgaben darzulegen, wohingegen der Begriff Frequenzband einen Bereich von Frequenzen beschreibt, der dazu dient festzulegen, ob eine Abweichung zwischen Netzfrequenz und Vorgabefrequenz vorliegt, die zum Einsatz des elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad führt, wie dies nachfolgend beschrieben ist.

Hierbei kann das Frequenzband, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, dem Totband entsprechen, es kann alternativ kleiner als das Totband sein. Gemäß einer bevorzugten Alternative kann das Totband kleiner sein als das Frequenzband.

Vorzugsweise kann das Frequenzband beispielsweise eine Breite von mindestens 10 mHz, bevorzugt mindestens 20 mHz, besonders bevorzugt mindestens 30 mHz und speziell bevorzugt mindestens 40 mHz aufweisen. Hieraus ergeben sich Frequenzbänder bei denen ausschließlich mit dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise umfassen diese Bänder, beispielsweise in Europa mindestens die Frequenzen, die im Bereich von 49,995 Hz bis 50,005 Hz, bevorzugt im Bereich von 49,990 Hz bis 50,010 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 49,985 Hz bis 50,015 Hz und speziell bevorzugt im Bereich von 49,980 Hz bis 50,020 Hz liegen. Vorzugsweise kann zur Bestimmung der Netzfrequenz, insbesondere der mittleren Netzfrequenz eine Einheit mit einer hohen Messgenauigkeit eingesetzt werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Frequenzabweichung mit einer Ungenauigkeit von maximal ± 8 mHz, besonders bevorzugt von maximal ± 4 mHz, ganz besonders bevorzugt von maximal ± 2 mHz, speziell bevorzugt von maximal ± 1 mHz gemessen wird.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann bei einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum ein elektrochemisches Element mit einem geringeren Wirkungsgrad zur Erbringung von Regelleistung eingesetzt werden. Demgemäß wird überprüft, ob die Netzfrequenz dauerhaft außerhalb des um die Vorgabefrequenz definierten Frequenzbandes liegt. Bei einer dauerhaften Abweichung der Netzfrequenz über einen festgelegten Zeitraum kann Regelleistung durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht werden.

Der festgelegte Zeitraum richtet sich nach den gewählten Speicherkapazitäten der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers und kann demgemäß variabel sein. Vorteilhaft kann der festgelegte Zeitraum beispielsweise im Bereich von 1 Sekunde bis 8 Stunden, bevorzugt 30 Sekunden bis 1 Stunden, vorzugsweise 1 Minute bis 30 Minuten und besonders bevorzugt 2 Minuten bis 15 Minuten liegen. Eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes ist gegeben, falls über den zuvor dargelegten festgelegten Zeitraum die Netzfrequenz zumindest zu 60 %, vorzugsweise mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, speziell bevorzugt mindestens 95 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % einseitig oberhalb oder unterhalb des Frequenzbandes liegt. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung bedeutet eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes, dass die Frequenz über den gesamten Zeitraum außerhalb des Frequenzbandes liegt.

Falls eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum vorliegt, kann nach diesem festgelegten Zeitraum Regelleistung durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht werden. Hierbei kann die Regelleistung vollständig durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad des Energiespeichers erbracht werden. Vorzugsweise kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad in Kombination mit dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Regelleistung erbringen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können hierbei kurzfristige Schwankungen durch das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad abgemildert werden, während das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eine relativ konstante Regelleistung bereitstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann über eine gleitende Mittelwertbildung der Netzfrequenz bestimmt werden, ob Regelleistung durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht werden soll.

Gleitende Mittelwertbildung bedeutet, dass nicht sämtliche Datenpunkte zur Berechnung des Mittelwerts herangezogen werden, sondern lediglich ein Teil derselben. Vorzugsweise werden zur Berechnung des gleitenden Mittelwerts die Daten berücksichtigt, die über einen Zeitraum bestimmt wurden, der höchstens dem dreifachen, vorzugsweise höchstens dem doppelten des zuvor definierten festgelegten Zeitraums entspricht. Es kann sich insbesondere auch nur um einen Teil des zuvor definierten festgelegten Zeitraums handeln. Beispielsweise kann der Zeitraum, über den die Werte zur Bestimmung des geleitenden Mittelwerts, gesammelt werden, im Bereich von 30 Sekunden bis 2 Stunden, vorzugsweise 1 Minute bis 1 Stunde und besonders bevorzugt 2 Minuten bis 15 Minuten liegen.

Hierbei können die Mittelwerte auf verschiedenste Weisen gebildet werden, wie beispielsweise eine einfache Verschiebung, ohne Gewichtung der Daten (simple moving average (SMA)). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein gewichteter gleitender Mittelwert (weighted moving average (WMA)), bei dem die jüngeren Daten vorzugsweise ein höheres Gewicht aufweisen als die älteren, zur Bestimmung der variablen Frequenz eingesetzt werden. Hierbei kann eine einfache Gewichtung vorgenommen werden oder eine exponentielle Glättung durchgeführt werden. Die Anzahl der Datenpunkte hängt hierbei von der Häufigkeit der Frequenzmessung ab, wobei zur Reduktion des Speicherplatzes auch die Mittelwerte der Daten eingesetzt werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden innerhalb eines Zeitraums von 1 Minute mindestens 10 Datenpunkte gebildet, die zur Bestimmung des Mittelwertes eingesetzt werden können.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bei einer kurzfristigen Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, keine Energie zur Erbringung von Regelleistung aufnimmt oder abgibt. Hierbei stellt der Begriff „kurzfristige Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert", ein Antonym für eine dauerhafte Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes über einen festgelegten Zeitraum dar, wie dieser zuvor definiert wurde. Demgemäß wird die Erfindung bevorzugt so ausgeführt, dass Regelleistung für Frequenzabweichungen, die mit einer hohen Schwingungszahl vorliegen, vorzugsweise ausschließlich mit dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad erbracht wird, während das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zur Erbringung von Regelleistung für Frequenzabweichungen herangezogen wird, die eine geringe Schwingungszahl haben.

Hierbei können vorzugsweise Fourieranalysen herangezogen werden, wobei die Frequenzbänder, bei denen das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eingesetzt wird, vorzugsweise so gewählt werden, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad vorzugsweise in höchstens 10 % der Zeit, besonders bevorzugt in höchstens 5 % der Zeit und speziell bevorzugt in höchstens 3 % der Zeit, bezogen auf das Kalenderjahr, eingesetzt wird. Je häufiger das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eingesetzt wird, desto höher ist dessen Speicherkapazität und dessen Leistung zu wählen. 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 chemischen 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 Regelleistungsquellen 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 den 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.

Die Einspeisung von Regelleistung in das Wechselstromnetz kann je nach Verlauf der Frequenzabweichung konstant, über Pulse oder über Rampen erfolgen, die sich durch einen Anstieg an Leistungseinspeisung über einen definierten Zeitraum gekennzeichnet sind.

Eine über Pulse (Impulse) bereitgestellte Regelleistung ermöglicht eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bereitstellung von Regelleistung, da hierdurch die, insbesondere bei Verwendung von Akkumulatoren, notwendige Leistungselektronik bei einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden kann. Unter einem Puls ist ein zeitlich begrenzter stoßartiger Strom-, Spannungs- oder Leistungsverlauf zu verstehen, wobei diese Pulse auch als wiederholende Folge von Impulsen eingesetzt werden können. Der Tastgrad gemäß DIN IEC 60469-1 kann hierbei von der Art der Leistungselektronik und der zu erbringenden Regelleistung gewählt werden, wobei dieser im Bereich von größer null bis 1 , vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,9, besonders bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,8 liegt.

Im Fall von erforderlich werdenden Leistungsänderungen kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Leistung des Energiespeichers abhängig von der Höhe der erforderlichen Leistungsänderung über einen Zeitraum von zumindest 0,5 s gesteigert wird, vorzugsweise über einen Zeitraum von zumindest 2 s, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von zumindest 30 s.

Durch diese langsameren Rampen wird sichergestellt, dass es zu keinen Anregungen von unerwünschten Störungen oder Schwingungen im Stromnetz oder bei den angeschlossenen Verbrauchern und Erzeugern durch einen zu steilen Leistungsgradienten kommt.

Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann vorzugsweise im Bereich von 20 bis 80 % der Kapazität liegen, besonders bevorzugt im Bereich von 40 bis 60 %. Die Einhaltung und/oder die Rückkehr in diese Ladezustandsbereiche kann beispielsweise durch Nutzung der dieser Erfindung zu Grunde liegende Betriebsweise und/oder über den zuvor näher erläuterten Energiehandel über das Stromnetz erreicht werden. 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). 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. 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 um 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.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die ans Stromnetz abgegebene Leistung des Energiespeichers oder die aus dem Stromnetz aufgenommene Leistung des Energiespeichers nach einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb des Frequenzbandes zu mehreren Zeitpunkten, insbesondere kontinuierlich gemessen wird und der Ladezustand der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich berechnet wird, wobei die abgegebene oder aufgenommene Leistung der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers jeweils in Abhängigkeit von diesen Ladezuständen derart eingestellt wird, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad weniger Be- und/oder Entladezyklen ausführt als das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren mit einem zusätzlichen Regelleistungserbringer durchgeführt werden. Zusätzliche Regelleistungserbringer sind in diesem Zusammenhang Vorrichtungen, die Regelleistung bereitstellen können, die jedoch keinen Energiespeicher darstellen. Zu den zusätzlichen Regelleistungserbringern zählen insbesondere Energieerzeuger und Energieverbraucher. 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 Energieverbraucher sind zur Bereitstellung von längerfristigen Regelleistungen gut geeignet. Ihre Trägheit stellt erfindungsgemäß keinen Hinderungsgrund dar, wenn sie geeignet mit dynamischen Speichern kombiniert werden.

Hierbei sind insbesondere solche zusätzlichen Regelleistungserbringer bevorzugt, die auch im Zusammenhang mit Erneuerbaren Energien eingesetzt werden können, wie beispielsweise Elektrolyse-Werke oder Metall -Werke, deren Produktion zur Bereitstellung von positiver Regelleistung verringert werden kann.

Durch diese Ausgestaltung kann überraschend die Nennleistung des Energiespeichers gesteigert werden, ohne dass die Kapazität desselben vergrößert werden muss. Hierbei kann dem Energiespeicher Leistung durch den zusätzlichen Regelleistungserbringer auch bei einer hohen Netzbelastung in sehr kurzer Zeit bei Bedarf bereitgestellt werden, ohne dass ein langwieriger Energiehandel notwendig ist. 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 Regelleistungserbringer kann dieser nach einer kurzen Zeit die eigentlich vom Energiespeicher zur Verfügung zu stellende Regelleistung erbringen bzw. substituieren. So kann insbesondere eine Regeneration des Energiespeichers durch die Energie oder Leistung des zusätzlichen Regelleistungserbringers erfolgen. Hierbei trägt der Energiespeicher zur Qualität der Regelleistungserbringung bei, da hierdurch eine schnelle Reaktionszeit erzielt wird. Im Gegensatz hierzu trägt der zusätzliche Regelleistungserbringer vor allem zur Quantität bei, da dieser bei relativ geringen Kosten über eine bauartbedingte, deutlich längere Zeit Regelleistung 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 Regelleistungserbringers 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 Vorrichtung durchgeführt werden, die eine Steuerung und einen Energiespeicher umfasst, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz angeschlossen ist und die Steuerung mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die Steuerung mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer und einer Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung verbunden ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Frequenzmesser zum Messen der Netzfrequenz des Stromnetzes und einen Daten-Speicher umfasst, wobei in dem Speicher zumindest ein Grenzwert (beispielsweise Vorgabefrequenz +/- 10 mHz, Vorgabefrequenz +/- 200 mHz usw.) der Netzfrequenz gespeichert ist, wobei die Steuerung dazu ausgelegt ist, die Netzfrequenz mit dem zumindest einen Grenzwert zu vergleichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich die Leistung des Energiespeichers sowie gegebenenfalls des Energieverbrauchers und/oder des Energieerzeugers zu steuern. 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 Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung kann gemäß den obigen Ausführungen ausgestaltet sein. Demgemäß kann diese Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung beispielsweise eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Mittelwerts umfassen. Weiterhin kann diese Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung einen Speicher umfassen, in dem die Größe einer Frequenzabweichung festgehalten wird. Hierbei kann die absolute Abweichung festgehalten werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann festgehalten werden, ob diese Frequenzabweichung eine zuvor definierte Größe, beispielsweise ein um die Vorgabefrequenz definiertes Frequenzband, überschreitet oder nicht. Die Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer dient insbesondere in Kombination mit einer Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung dazu festzulegen, ob der elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eingesetzt wird oder nicht. Hierbei kann diese Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer einen Datenspeicher aufweisen, in welchem die Zeitdauer der Frequenzabweichung festhalten wird, die durch die Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung bestimmt werden kann. Demgemäß kann ein Datenaustausch zwischen der Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer und der Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung erfolgen. Hierbei können beide Einheiten in einer Vorrichtung zusammengefasst werden.

Alternativ werden die Daten an einer entfernten Stelle erhoben und wie oben dargelegt ausgewertet und das entsprechende Signal geeignet an den oder die Speicher zur Regelleistungsbereitstellung übertragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dies über die bekannten Methoden der Ferndatenübertragung und -kommunikation erfolgen.

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 Vorrichtung zur

Bereitstellung von Regelleistung; und

Figur 2: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren.

Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend eine Steuerung 1 1 und einen Energiespeicher 12, wobei die Vorrichtung an ein Stromnetz 13 angeschlossen 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 Managementsystem 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 Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer 14 und einer Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung 15 verbunden. Diese Einheiten können selbstverständlich räumlich in einem Gehäuse mit der Steuerung untergebracht sein. Die Verbindung zwischen der Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer 14 und der Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung 15 mit der Steuerung 1 1 erlaubt eine Kommunikation der ermittelten Daten, die in der Steuerungseinheit 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 Regelleistung, sowohl positiver als auch negativer, 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 Regelleistung 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 Vorrichtung 10 in Verbindung stehen können.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren. Bei dem Verfahren wird ein Energiespeicher eingesetzt. In Schritt 1 wird die Netzfrequenz des Stromnetzes gemessen. Im Entscheidungsschritt 2 wird anschließend geprüft, ob die Netzfrequenz innerhalb oder außerhalb des Frequenzbandes liegt, welches zuvor festgelegt wurde. Dieses Frequenzband kann identisch zu einem Totband sein, welches durch die Netzregularien oder vom Netzbetreiber vorgegeben ist. Weiterhin kann dieses Frequenzband größer oder kleiner als das von den Netzbetreibern oder durch die Netzregularien bestimmte Totband sein.

Falls die gemessene Netzfrequenz innerhalb des Frequenzbandes liegt, erfolgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform des Verfahrens eine Regelleistungserbringung durch eine ausschließliche Verwendung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, wie dies in Schritt 4 dargestellt ist.

Falls die Netzfrequenz außerhalb des Frequenzbands liegt, wird in Entscheidungsschritt 3 geprüft, ob eine dauerhafte Frequenzabweichung über einen festgelegten Zeitraum vorliegt. Hierbei kann ebenfalls überprüft werden, ob die Verwendung des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad indiziert ist. Dies kann beispielsweise bei einem geringen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad gegeben sein. Bei einer kurzfristigen Abweichung der Netzfrequenz und einem ausreichenden Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad wird, wie zuvor dargelegt entsprechend Schritt 4 ausschließlich das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eingesetzt.

Falls eine dauerhafte Frequenzabweichung vorliegt und keine Ausnahmeregelung zutrifft, wird mit Entscheidungsschritt 5 fortgefahren.

In Entscheidungsschritt 5 wird überprüft, ob der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad des Energiespeichers eine Regelleistungserbringung ermöglicht. Weiterhin können auch andere Abbruchkriterien vorliegen, die eine Verwendung dieses Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ausschließt, beispielsweise eine Unterbrechung aufgrund von Wartungsarbeiten. Im Fall, dass der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad keine Regelleistungserbringung ermöglicht oder ein anderes Abbruchkriterium vorliegt, wird in der vorliegenden Ausführungsform gemäß Schritt 6 die Zeitmessung hinsichtlich des vorgegebenen Zeitraums, für den eine dauerhafte Frequenzabweichung vorliegen muss, bevor das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eingesetzt wird, neu gestartet. Falls der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zu tief für eine Regelleistungserbringung gewesen sein sollte, kann in diesem Fall das entsprechende Element, beispielsweise über Energiehandel aufgeladen werden. Hierbei können entsprechende Reserven vorgesehen sein, so dass dieser Schritt rechtzeitig durchgeführt wird. Anschließend wird Regelleistung durch ausschließliche Verwendung des Elements mit dem höheren Wirkungsgrad erbracht wie dies in Schritt 4 schematisch dargestellt ist.

Im Fall, dass der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad eine Regelleistungserbringung ermöglicht und kein anderes Abbruchkriterium vorliegt, wird zusätzlich zum elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zur Erbringung von Regelleistung herangezogen, wie dies in Schritt 7 dargelegt ist. Hierbei wird vorzugsweise jedoch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eine konstantere Leistung zur Regelung bereitstellen als das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad. Hierbei kann, um die Anzahl der Be- und/oder Entladezyklen des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zu minimieren, vorgesehen sein, dass der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad bei einem Einsatz desselben gemäß Schritt 7 eine Entladung vorgenommen wird, bei der der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad um mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, insbesondere bevorzugt um mindestens 20 % abgesenkt wird, bezogen auf den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad vor dem Entladevorgang desselben. Falls keine Regelleistung zu erbringen ist, die dieser Leistung entspricht, kann durch den Entladevorgang des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad aufgeladen werden.

Anschließend wird wiederum die Netzfrequenz gemessen, so dass ein Kreislauf gegeben ist. Dies gilt auch für den Fall, dass die Regelleistungserbringung unter Verwendung des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht wird, wie dies in Schritt 7 beschrieben ist.

Die Reihenfolge der in Figur 2 dargelegten Schritte kann teilweise umgestellt werden. So kann insbesondere Entscheidungsschritt 5 vor Entscheidungsschritt 3 erfolgen, so dass die Prüfung über den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad vor der Prüfung einer dauerhaften Frequenzabweichung erfolgt.

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 zur Erbringung von Regelleistung zur Stabilisierung eines

Wechselstromnetzes, wobei das Wechselstromnetz bei einer Vorgabefrequenz arbeitet, umfassend einen Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, mindestens zwei elektrochemische Elemente umfasst, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden, wobei das elektrochemische Element mit dem geringeren

Wirkungsgrad seltener von einem Zustand, bei dem das elektrochemische

Element mit dem geringeren Wirkungsgrad Energie aufnimmt, in einen Zustand übergeht, bei dem das elektrochemische Element mit dem geringeren

Wirkungsgrad Energie abgibt, als das elektrochemische Element mit dem größeren Wirkungsgrad.

Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das

elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bei einer

kurzfristigen Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, keine Energie zur Erbringung von Regelleistung aufnimmt oder abgibt.

Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer dauerhaften Frequenzabweichung außerhalb eines Frequenzbandes, welches um die Vorgabefrequenz definiert ist, über einen festgelegten Zeitraum Regelleistung durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad erbracht wird.

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.

Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Energie in den Energiespeicher oder Entnahme von Energie aus dem Energiespeicher durch eine an den Ladezustand des Energiespeichers angepasste Regelleistungserbringung erfolgt.

Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird.

Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Vorrichtung (10) eine Steuerung (1 1 ) und einen Energiespeicher (12) umfasst, die Vorrichtung an ein Stromnetz (13) angeschlossen ist und die

Steuerung (1 1 ) mit dem Energiespeicher (12) verbunden ist, dadurch

gekennzeichnet, dass Energiespeicher (12) mindestens zwei elektrochemischen Elemente (12a, 12b) umfasst, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden.

Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem höheren

Wirkungsgrad (12a) zur Speicherkapazität des elektrochemische Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad (12b) höchstens 2:1 beträgt.

Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad (12a) einen Lithium- Ionen-Akkumulator umfasst.

12. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , 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. 13. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, 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. 14. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch

gekennzeichnet, dass die Steuerung (1 1 ) mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer (14) und einer Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften

Frequenzabweichung (15) verbunden ist.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Bestimmung einer dauerhaften Frequenzabweichung (15) eine höhere

Messgenauigkeit hat als ein um eine Vorgabefrequenz definiertes Totband.