WO2014180830A1 - Verfahren zur bereitstellung von regelleistung für ein stromnetz mit einem akkumulator - Google Patents

Verfahren zur bereitstellung von regelleistung für ein stromnetz mit einem akkumulator Download PDF

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WO2014180830A1
WO2014180830A1 PCT/EP2014/059214 EP2014059214W WO2014180830A1 WO 2014180830 A1 WO2014180830 A1 WO 2014180830A1 EP 2014059214 W EP2014059214 W EP 2014059214W WO 2014180830 A1 WO2014180830 A1 WO 2014180830A1
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accumulator
power
galvanic cells
temperature
charge
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PCT/EP2014/059214
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Georg Markowz
Carsten Kolligs
Wolfgang Deis
Anna FLEMMING
Dennis GAMRAD
Sébastien COCHET
Original Assignee
Evonik Industries Ag
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    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J2300/10—The dispersed energy generation being of fossil origin, e.g. diesel generators
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a method for providing control power for a power network with an accumulator and to an apparatus for carrying out such a method.
  • Electricity grids are used to distribute electricity from many energy generators in large areas to many users and to supply households and industry with energy. Energy producers, usually in the form of power plants, provide the required energy. As a rule, power generation is planned and provided based on the forecasted consumption.
  • Both the generation and the consumption of energy can lead to unplanned fluctuations. These can arise on the energy producer side, for example, in that a power plant or part of the power grid fails or, for example, in the case of renewable energies such as wind, that the energy production is higher or lower than predicted. Consumers may also experience unexpectedly high or low consumption. For example, the failure of a portion of the grid, which cuts off some consumers from the power supply, can lead to a sudden reduction in power consumption. This generally results in power network fluctuations due to unplanned and / or short-term variations in power generation and / or consumption.
  • the desired AC frequency is, for example, 50 Hz in Europe.
  • a reduction in consumption compared to the plan results in an increase in the frequency at planned power fed in by the energy producers, as well as an increase in electricity production compared to the planned consumption plan.
  • a reduction in the output of the energy producers compared to the plan leads to a reduction of the network frequency at scheduled consumption, as well as to an increase in consumption compared to the plan at scheduled production.
  • network stability it is necessary to keep these deviations within a defined range. For this purpose, depending on the amount and direction of the deviation, it is necessary to provide specifically positive control power by connecting additional generators or switching off consumers, or negative balancing power by shutting down generators or adding consumers.
  • the absolute maximum power is to be provided at frequency deviations of minus 200 mHz and (absolute) below, the absolute minimum power is to be provided at frequency deviations of plus 200 mHz and above.
  • SRL secondary control power
  • MRL minute reserve power
  • Their task is to compensate for the disturbance as quickly as possible and thus to ensure that the frequency is back within the desired range as quickly as possible, preferably at the latest after 15 minutes.
  • the SRLs and the MRLs have lower requirements (5 or 15 minutes to full service delivery after activation), and at the same time these services must be provided for longer periods than primary control capacity.
  • an energy management system which comprises a power generator and an energy store, wherein the energy store can be charged by the power generator.
  • This will enable an energy producer, who in normal operation does not ensure consistent energy production, such as the increasingly favored renewable energies, such as wind power or photovoltaic power plants, to deliver their energy more evenly into the power grid.
  • the disadvantage of this is that in this way a single power plant can be stabilized, but all other disturbances and fluctuations in the power network can not be intercepted or only to a very limited extent.
  • DE 10 2008 046 747 A1 also proposes operating an energy store in an island power grid in such a way that the energy store is used to compensate for consumption peaks and consumption minima.
  • the disadvantage of this is that the energy storage devices do not have the necessary capacity to compensate for a longer disturbance or a plurality of disturbances rectified with respect to the frequency deviation in succession.
  • Accumulators and other energy stores can absorb or release energy very quickly, making them basically suitable for providing PRL.
  • a disadvantage is that very large capacities of the batteries must be provided in order to deliver the control power over a longer period or repeatedly.
  • very large capacity batteries are also very expensive. Particularly critical here is that the batteries have a limited lifetime, which can be reduced in particular by temperature effects during operation. Accordingly, efforts have been made to improve the life and temperature sensitivity of the batteries. However, these improvements are associated with higher investment because these accumulators are expensive and may possibly have lower performance.
  • the process should be as simple and inexpensive as possible.
  • the installations with which the procedure can be carried out should have the lowest possible investment and maintenance costs in terms of the provision of control capacity.
  • Another object of the invention is to be seen in that the capacity of the energy storage device should be as low as possible in order to provide the required control power.
  • the inventive method should also be able to provide the necessary control power as needed as quickly as possible.
  • the subject of the present invention is accordingly a method for providing control power for a power network, in which at least one battery connected to the power network comprising a plurality of battery elements, each comprising a plurality of individual galvanic cells, temporarily supplying power to the power grid as required and temporarily from the power grid receives electrical power as needed, wherein the accumulator comprises a periphery, via which the power is stored in the galvanic cells or stored out of the galvanic cells, wherein at a provision of control power at least one accumulator element absorbs or gives power, the Providing the control power used Akkumulatorelement or the accumulator elements used to provide the control power as a function of the temperature of the galvanic cells of the Akkumulatoriata and the state of charge of the A accumulator and / or the accumulator elements is or will be selected.
  • the present invention makes it possible to increase the service life of the accumulators used, as a result of which, among other things, the maintenance costs can be reduced. Furthermore, more cost-effective accumulators can be used by the present invention, without this would have to be taken into account strong losses in terms of life in purchasing. As a result, the investment costs can be reduced accordingly. In particular, can be dispensed with a permanent active air conditioning, which causes high maintenance costs. For every cell technology, there is a temperature window in which the combination of operational and calendar aging becomes minimal. There is one in operation Range of power requirements, the fulfillment of which is released in the memory heat, since the accumulator has a power loss.
  • the preferred temperature window can be maintained, for example, by keeping the room temperature, if necessary, by slight heating at the lower end of the optimum temperature window and usually only a part of the accumulator elements (eg individual "blocks" or “strands") being in operation , Should these cells heat up enough to raise their temperature beyond the optimal temperature window, they may be temporarily removed from service and other cells activated.
  • the inventive method is also suitable to provide the necessary control power very quickly.
  • the process can be carried out with very few process steps, the same being simple and reproducible.
  • the present method serves to provide control power for stabilizing an AC network. As already explained in the introduction, the frequency changes in an AC grid if the balance between energy consumption and energy supply is not maintained.
  • control energy or control power is delivered to the power grid (positive control energy or positive control power) or taken from the mains (negative control energy or negative control power).
  • Positive control power can be supplied by energy supply, such as energy input of an energy storage or by connecting a power plant, or by throttling a consumer in the network.
  • Negative control power may be supplied to the grid by absorbing energy from an energy store, throttling an energy source, such as a power plant, or by connecting a load to the grid. Further important information on this can be found in the prior art, reference being made in particular to the documents discussed in the introduction. In this context, it should be noted that the terms control power and control power have similar meaning for purposes of this invention. Normally, control power for a given nominal power is provided by the provider to the network operator.
  • the nominal power is to be understood as meaning the power with which the control power source, which is operated by a method according to the invention, is at least prequalified.
  • the prequalification performance may be higher than the nominal power provided to the network operator at maximum.
  • This nominal power can also be referred to as contracted maximum power, as this power is provided to the grid at maximum.
  • the method according to the invention serves to stabilize an AC network.
  • AC grids are characterized by a change in the polarity of the electrical current, with positive and negative instantaneous values complementing each other so that the current is zero on average over time.
  • These networks are generally used for the transmission of electrical energy.
  • the AC grids are operated at a default frequency currently in Europe, especially in Germany, at 50,000 Hz. In North America, however, the default frequency is 60,000 Hz.
  • this default frequency is not fixed, but is slightly varied in order to adapt the so-called network time, which inter alia serves as a clock timer, to the coordinated world time. Consequently, such AC mains operate at a variable default frequency.
  • the default frequency is lowered or increased by 10 mHz depending on the deviation of the mains time, so that the default frequency is currently 49.990 Hz, 50.000 Hz or 50.010 Hz. This adjustment is made centrally by the grid operator and taken into account when using secondary control power (SRL) and minute reserve power (MRL).
  • SRL secondary control power
  • MDL minute reserve power
  • the default frequency for example, to adapt to world time, can be easily varied. This can be done for example by an active transmission of the corresponding data by the network operator. Please refer to the Forum Netztechnik / Netz rehearsal in the VDE (FNN) "TransmissionCode 2007" of November 2009 for details on the regulation of control power and the exchange of information with the network operators.
  • a dead band is set by the default frequency required for the contractual provision of control power, as stated above.
  • a control power is currently provided in Europe from a certain maximum deviation of the mains frequency (actual AC frequency) from the default frequency (target AC frequency), with a deviation of +/- 200 mHz, in full. In the area between the dead band and the maximum deviation, only a certain proportion of the maximum available control power in Europe is to be fed into the power grid.
  • the type of control power delivery is not critical to the present invention. According to the regulations currently in force in Europe, the amount of the service to be provided is to be increased largely linearly with increasing frequency deviation from the default frequency. Thus, with a deviation of 100 mHz, a control power is usually provided which amounts to 50% of the maximum power. This maximum power is provided at a deviation of 200 mHz and corresponds to the previously defined rated power or contracted maximum power, for which the energy storage at least is prequalified. With a deviation of 50 mHz, accordingly, 25% of the rated power is provided.
  • a unit with a high measuring accuracy can be used to determine the network frequency, in particular the average network frequency.
  • a particularly preferred embodiment of the invention may provide that the frequency deviation is measured with an inaccuracy of a maximum of ⁇ 8 mHz, more preferably of a maximum of ⁇ 4 mHz, most preferably of a maximum of ⁇ 2 mHz, even more preferably of a maximum of ⁇ 1 mHz.
  • an accumulator for carrying out the method is used, which can absorb and deliver electrical energy.
  • 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.
  • 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.
  • lithium-ion batteries, lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries, nickel metal hydride batteries and / or a composite of at least two of these batteries are preferred.
  • accumulators are preferred which have a high efficiency and a
  • 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 especially at Li-ion batteries good.
  • preferred accumulators exhibit a high power to capacity ratio, this characteristic being known as the C rate.
  • an energy of at least 4 kWh can be stored in the accumulator, preferably of at least 10 kWh, particularly preferably at least 50 kWh, very particularly preferably at least 250 kWh.
  • the accumulator may have a capacity of at least 1 Ah, preferably 5 Ah, preferably at least 10 Ah, especially preferably at least 20 Ah and particularly preferably at least 50 Ah.
  • the accumulator with a voltage of at least 1 V, preferably at least 10 V and more preferably at least 100 V can be operated.
  • An accumulator which can be used according to the invention comprises a multiplicity of accumulator elements which each comprise a plurality of individual galvanic cells.
  • a galvanic cell is a device for the reversible conversion of electrical energy into chemical energy, wherein this device has at least two half-cells in which run spatially separated redox reactions, which are connected by at least one ion conductor, so that by an electron conductor connecting the at least two half-cells a release or storage of electrical energy is possible.
  • the capacity of the individual galvanic cells may preferably be 1 to 200 Ah, preferably 20 to 80 Ah, more preferably 35 to 45 Ah, the individual galvanic cells having a voltage of 0.5 to 10 V, preferably 2 to 6 V, especially preferably from 3 to 4 V may have.
  • the accumulator comprises a periphery, via which the power is stored in the galvanic cells or stored out of the galvanic cells.
  • a periphery comprises at least one component which enables the control and / or monitoring of states of one or more galvanic cells and / or the transmission of energy into one or more galvanic cells. So these include, for example, voltage transformers, components for the measurement and / or control of the current and / or voltage, temperature sensors.
  • each galvanic cell comprises a periphery which makes it possible, for example, to measure and / or regulate the current intensity and / or the voltage. Furthermore, the temperature of at least one galvanic cell and / or the temperature of the periphery can be measured.
  • thermocouple which is arranged between the parallel arranged and parallel-connected two individual galvanic cells.
  • An accumulator element is a combination of several galvanic cells.
  • each accumulator element may comprise a periphery, wherein the temperature of at least a part of the galvanic cells of the accumulator element and / or the temperature of at least part of the periphery is measured.
  • the method is carried out taking into account all galvanic cells of the accumulator.
  • a plurality of galvanic cells for power consumption or power output can be combined in one block as an accumulator element, each block preferably comprising 2 to 400, particularly preferably 4 to 200, galvanic cells.
  • a block is a specific embodiment of an accumulator element, wherein a plurality of galvanic cells are combined via series and / or parallel connection.
  • a plurality of galvanic cells may be combined for power consumption or power output in one block wherein each block preferably comprises 4 to 100, more preferably 8 to 50 galvanic cells and a plurality of blocks form a strand as accumulator element, each strand preferably comprising 2 to 100, particularly preferably 4 to 50 blocks.
  • a string is a specific embodiment of an accumulator element, wherein a plurality of galvanic cells are connected in series via a series connection in such a way that a voltage is achieved in a region which corresponds to that of the external voltage range of the accumulator. In this way, a targeted loading or unloading of parts of the battery can be achieved without a very expensive voltage conversion is required.
  • the strand may preferably be constructed of blocks.
  • the accumulator elements preferably the previously defined strands of a rechargeable battery
  • the accumulator elements can be based on various types of rechargeable battery defined in advance, such that, for example, one or more strands comprise lithium-ion cells and one or more strands have cells corresponding to those of lead-acid batteries, nickel-cadmium batteries and / or nickel metal hydride batteries.
  • a plurality, particularly preferably all blocks and / or strands of the accumulator can be controlled and / or regulated independently of one another.
  • certain individual galvanic cells of the totality of all galvanic cells can be internally selected to provide control power.
  • the method is carried out taking into account all galvanic cells of the accumulator.
  • Inventive methods can be characterized in that the state of charge of each accumulator element of the accumulator is measured, preferably by a battery management system.
  • at least one accumulator element receives or outputs power, the accumulator element used to provide the control power or the accumulator elements used to provide the control power depending on the temperature difference between the galvanic cells of the accumulator elements and / or the temperature difference between the accumulator elements and in dependence on the state of charge of the accumulator and / or the accumulator elements is or will be selected.
  • the power loss of the individual galvanic cells has values of at most 15%, preferably at most 10%, particularly preferably at most 5%, based on the rated power of the individual galvanic cells.
  • the temperatures of the galvanic cells and / or the accumulator elements can be controlled or regulated via the power loss during and / or out, since the internal resistance depends on the temperature as well as on the state of charge.
  • the energy is stored in colder galvanic cells and / or accumulator elements preferably in the recording of control power in the accumulator, so that the temperature of colder galvanic cells and / or accumulator elements is increased by higher power loss.
  • the control output of galvanic cells and / or accumulator elements is delivered in the delivery of control power, which have a temperature which leads to the lowest possible power loss. Because the power loss at higher Temperatures decreases, so then those galvanic cells and / or accumulator elements are used, which have a higher temperature.
  • the accumulator elements and / or the galvanic cells are selected in a provision of control power so that the temperature difference between the Akkumulatorettin and / or the galvanic cells is minimized.
  • the lowest temperature accumulator element can be selected, as this can generate heat that results in a reduction in the temperature difference between this accumulator element and other accumulator elements.
  • the temperature of the accumulator element can be measured at different locations, wherein an arithmetic mean obtained from these temperatures can be formed. For this purpose, the temperatures of at least part of the galvanic cells associated with this accumulator element can be determined.
  • the minimization of the temperature difference between the accumulator elements can take place in that the accumulator element with the highest temperature, if appropriate determined by averaging and the Akkumulatorelement is selected, which is spatially maximally removed from the Akkumulatorelement with the highest temperature and a temperature which is less than or equal to the average temperature of all Akkumulatoriata.
  • the selection of the accumulator elements used to provide the control power of the temperature difference between the galvanic cells of the accumulator elements can be done.
  • the accumulator elements can be used whose galvanic cells have the lowest possible temperature difference, in which case the selection criteria set out above for the temperature difference between the accumulator elements can also be considered.
  • an accumulator element can be selected to provide the control power whose galvanic cells have a maximum temperature difference of 10 ° C., preferably 5 ° C.
  • the galvanic cells are operated in a temperature range from -20 to 80.degree. C., preferably from 0 to 60.degree. C., particularly preferably from 20 to 40.degree.
  • an active temperature control of the accumulator elements and / or the galvanic cells can take place.
  • the absolute level of the control power is dependent on the capacity of the accumulator and / or the accumulator elements, wherein the expediency of an active cooling may result from the temperature rise and / or the absolute temperature of one or more accumulator elements.
  • an active cooling of the accumulator elements and / or the galvanic cells can take place.
  • the limit of this temperature of the accumulator elements and / or the galvanic cells is dependent on the type of galvanic cells.
  • the temperature of the galvanic cells or the Akkumulatoriata can, in particular at high power and power sales, by means of active cooling, in particular by lowering the coolant temperature of a coolant or by a stronger coolant flow are adjusted or regulated so that they are below a maximum temperature of 120 ° C. , preferably of 100 ° C, more preferably of 80 ° C remains, these values are for example for lithium batteries.
  • Active cooling may generally be useful at a temperature of the accumulator elements and / or the galvanic cells of preferably at least 60 ° C, more preferably at least 75 ° C.
  • Temperature data may refer, for example, to a measured maximum temperature, based on all measured temperatures, or to an arithmetic mean, based on the number of measured temperatures, wherein the temperature data preferably refer to a measured maximum temperature.
  • the temperature of the galvanic cells or accumulator elements, in particular at high power and power sales, by means of active cooling, in particular by lowering the coolant temperature of a coolant or by a stronger coolant flow is adjusted or regulated so that they are below a Maximum temperature of 120 ° C, preferably of 100 ° C, more preferably of 80 ° C remains.
  • the temperature of the galvanic cells or the accumulator elements in particular at low power and power sales, by means of active heating, in particular by providing a heating means or by a stronger Schuffenbach grasper and / or by charge shifts between the galvanic cells set or is regulated that it remains above a minimum temperature of - 10 ° C, preferably of 0 ° C, more preferably of + 10 ° C.
  • active cooling of the accumulator elements and / or the galvanic cells takes place.
  • the arithmetic mean of the measured temperatures is determined for determining the average temperature of the accumulator elements.
  • the mean absolute deviation of the temperature results from the absolute values (amounts) of the difference between the average temperature of the accumulator elements and the respective measured temperature of the accumulator element and / or the galvanic cells by the formation of the arithmetic mean of the obtained differences of these absolute values.
  • the limit value with regard to the mean absolute deviation of the temperature of the accumulator elements and / or the galvanic cells as well as the limit value with respect to the mean temperature depend on the respective accumulator type.
  • the minimum limit with regard to the mean absolute deviation of the temperature of the accumulator elements and / or the galvanic cells may be for example at most 10 ° C., preferably at most 5 ° C.
  • the limit value with respect to the mean temperature may be, for example, at least 70 ° C., preferably at least 80 ° C., and particularly preferably at least 85 ° C. in the case of lithium accumulators.
  • the accumulator elements and / or the galvanic cells are heated.
  • the temperature of the galvanic cells or the accumulator elements in particular at low power and power sales, by means of active heating, in particular by providing a temperature of a heating means or by a stronger Schuffenbach grasper and / or by charge shifts between the galvanic cells such is set or regulated that it remains above a minimum temperature of - 10 ° C, preferably of 0 ° C, more preferably of + 10 ° C.
  • These temperature data may relate, for example, to a measured minimum temperature, based on all measured temperatures, or to an arithmetic mean, based on the number of measured temperatures, wherein the temperature data preferably relate to a measured minimum temperature.
  • a positive control power is fed through selected individual Akkumulatorimplantation in the power grid, the state of charge are above a third threshold and / or at a control energy request a negative control power by selected individual Akkumulatorelennente is removed from the mains and stored when their state of charge are below a fourth limit, the two limits particularly preferably define the desired average state of charge.
  • the selection of the accumulator elements used to provide the control power is effected as a function of the state of charge of the accumulator and / or of the accumulator elements.
  • this selection criterion ensures that the previously explained selection, which is based on the temperature difference of the accumulator elements and / or the galvanic cells, can provide the requested power, wherein a lower critical state of charge should not be undershot, since this shortens the life of the galvanic cells can be.
  • the accumulator elements and / or the galvanic cells have a state of charge of at least 5%, preferably at least 10% and particularly preferably at least 20%, if positive control power is to be provided and at most 95%, preferably at most 90% and particularly preferably at most 80%, if negative control power is necessary to stabilize the power grid.
  • a desired average state of charge of this accumulator element or of these accumulator elements is set and / or regulated such that this desired mean state of charge ranges between 20% and 80%.
  • the maximum charge of the accumulator is, preferably between 40% and 60%, more preferably 50% of the maximum charge of the Akkumulatorelements.
  • 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 carried out, for example, with a fuel cell, a turbine, for example a gas turbine or a hydrogen engine, these units sometimes operating a generator.
  • a fuel cell for example a fuel cell
  • a turbine for example a gas turbine or a hydrogen engine
  • 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 flywheel a heat storage, 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 is not an electrochemical element, or combinations ("pools").
  • a flywheel a heat storage, 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 is not an electrochemical element, or combinations ("pools").
  • a heat storage device operated as an energy store must be operated together with a device for producing electricity from the stored heat energy.
  • the method may be performed with an additional control power provider.
  • Additional control power supplies in this context are devices that can provide control power, but that do not represent energy storage.
  • the additional providers of control services include, in particular, energy producers and energy consumers.
  • 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 -Werk, preferably one Aluminum plant or a steel plant.
  • energy producers and consumers are well-suited to providing longer-term balancing services.
  • Their inertia, according to the invention does not constitute a hindrance if suitably combined with dynamic storage.
  • those additional control power generators 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 provide positive control power.
  • the nominal power of the energy storage can be surprisingly increased without the capacity of the same must be increased.
  • the energy storage can be provided by the additional control power provider even with a high network load in a very short time if needed, without a lengthy energy trading is 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. Due to the direct access to the additional control power provider, the latter can provide or substitute the control power actually to be provided by the energy store after a short time.
  • a regeneration of the energy storage by the energy or power of the additional control power provider can be carried out.
  • the energy storage contributes to the quality of the control power delivery, as a result, a fast response time is achieved.
  • the additional control power provider contributes above all to the quantity, since it can supply control power 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 storage device to maximum power of the additional control power supply may preferably be in the range of 1: 10,000 to 100: 1, more preferably in the range of 1: 1000 to 40: 1. in this connection the rated power of the energy storage refers to the total power, which have all elements of the energy storage, and energy storage, which do not represent an electrochemical element, are taken into account. In this context, it should be noted that accumulators are among the energy stores.
  • the desired state of charge of the accumulator may preferably be in the range of 20 to 80% of the capacity, more preferably in the range of 40 to 60%. Compliance with and / or the return to these state of charge areas can be achieved, for example, by using the mode of operation on which this invention is based and / or via the energy trade, which was explained in more detail above, via the power grid.
  • the state of charge corresponds in particular in the case of accumulators as an energy storage the state of charge (engl.:State-of-Charge ", SoC) or the energy content (English:” State-of-Energie ", SoE).
  • 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 desired state of charge of the accumulator 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 method of the present invention may preferably be performed with a device comprising at least one accumulator, a controller for controlling the stored and stored power of the accumulator elements, and means for measuring the temperature of two or more of the accumulator elements, the accumulator is connected to a power supply that can be fed by the device power in the mains and can be removed from the mains.
  • the device comprises a frequency meter for measuring the mains frequency of the power network and a data memory, wherein in the memory at least one limit (for example, default frequency +/- 10 mHz, default frequency +/- 200 mHz, etc.) of the network frequency is stored, wherein the controller is adapted to compare the mains frequency with the at least one threshold and to control depending on the comparison, the performance of the accumulator and optionally another energy storage device, an energy consumer and / or an energy generator. In this case, this controller can also control the power of the at least two accumulator elements of the accumulator.
  • the memory at least one limit (for example, default frequency +/- 10 mHz, default frequency +/- 200 mHz, etc.) of the network frequency is stored
  • the controller is adapted to compare the mains frequency with the at least one threshold and to control depending on the comparison, the performance of the accumulator and optionally another energy storage device, an energy consumer and / or an energy generator.
  • this controller can also control the power of the at least two
  • this control system responds to a subsystem, in particular a management system, which regulates the respective power of the at least two accumulator elements of the accumulator to the total power requested by the superordinate control, optionally taking into account the previously described preferred embodiments of the present method.
  • 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 accumulator may be housed in a housing and / or a container, which allows a controlled passive cooling, wherein a controlled passive cooling can be achieved for example by controllable flaps, which increases the air flow allow a high temperature and a reduction of the air flow at a low temperature.
  • the device comprises a device for cooling individual and / or all galvanic cells of the accumulator and / or the accumulator elements.
  • Figure 1 a schematic representation of a device according to the invention for the provision of control power.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a preferred embodiment of a device 10 according to the invention for a method according to the invention comprising a controller 1 1 and an accumulator 12 with a peripheral, via which the power is stored in the galvanic cells or stored out of the galvanic cells. Furthermore, the device is connected to a power grid 14.
  • the accumulator 12 comprises a plurality of accumulator elements 12a, 12b to 12n, each comprising a plurality of individual galvanic cells.
  • the periphery of the accumulator 12 may have a management system (battery management system) which controls the loading or unloading of the individual accumulator elements 12a, 12b to 12n.
  • This management system is generally connected to the controller 11.
  • this management system can be spatially separated from the controller 1 1 or housed with this in a housing.
  • Li-ion batteries with little harmful effects on the accumulator 12 are quickly and frequently charged and discharged, so that they are particularly suitable and preferred for all embodiments according to the invention.
  • These can be Li-ion batteries with considerable capacity. For example, these can be easily accommodated in one or more 40-foot ISO containers.
  • controller 1 1 is connected to the accumulator 12. Furthermore, the controller 1 1 may be connected to the power grid 14, this connection, not shown in Figure 1, a transmission of requests for required control power, both positive and negative, may allow.
  • each of the accumulator elements 12a, 12b, ..., 12n at least one thermocouple (not shown) is arranged, with which the temperature of the accumulator elements 12a, 12b, ..., 12n and / or the temperature of the galvanic cells, the each accumulator 12a, 12b, ..., 12n includes, is measurable or is measured.
  • the thermocouples are connected to the controller 1 1.
  • other temperature measuring elements can be used.
  • a thermocouple or temperature measuring element between two adjacent accumulator elements 12a, 12b, ..., 12n is arranged.
  • the control 1 1 controls the charging and discharging of the individual accumulator elements 12a, 12b,..., 12n, the selection of the accumulator elements 12a, 12b,..., 12n depending on the temperature of the accumulator elements 12a, 12b,. .., 12n or whose galvanic cells have. Since the temperature of the accumulator 12a, 12b, ..., 12n and the galvanic cells of the accumulator 12a, 12b, ..., 12n increases by a charging or discharging and depending on the isolation between the individual Akkumulatoriata 12a, 12b, .. ., 12n and the temperature of the adjacent Akkumulator institute 12a, 12b, ..., 12n can increase, so can be made to influence the temperature distribution in the accumulator 12.
  • the temperature of the accumulator elements 12a, 12b,..., 12n or the galvanic cells of the accumulator elements 12a, 12b,..., 12n can be adjustable with the aid of additional heating and / or cooling (not shown) or with the controller 1 1 can be controlled by means of thermocouples.
  • 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 consumers 16 are connected both to the power grid 14 and to the accumulator 12, so that the control power provided by the additional energy generator and / or energy consumer 16 can be fed directly into the power grid 14 or used to regenerate the accumulator 12.
  • the control of the additional power generator and / or energy consumer 16 may be effected by conventional components, which may be in communication with the controller 1 1 of the device 10 according to the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Akkumulator umfassend eine Vielzahl von Akkumulatorelementen, die jeweils eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen umfassen, zeitweise dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung zuführt und zeitweise aus dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung aufnimmt, wobei der Akkumulator eine Peripherie umfasst, über die die Leistung in die galvanischen Zellen eingespeichert oder aus den galvanischen Zellen ausgespeichert wird, bei dem bei einer Bereitstellung von Regelleistung zumindest ein Akkumulatorelement Leistung aufnimmt oder abgibt, wobei das zur Bereitstellung der Regelleistung verwendete Akkumulatorelement oder die zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von der Temperatur der galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente und von dem Ladezustand des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente ausgewählt wird oder werden. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Description

Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz mit einem Akkumulator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz mit einem Akkumulator 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 oder geringer 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.
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. Besonders kritisch ist hierbei, dass die Akkumulatoren eine begrenzte Lebenszeit haben, die insbesondere durch Temperatureinflüsse beim Betrieb verringert werden kann. Demgemäß wurden Anstrengungen unternommen, die Lebensdauer und Temperaturempfindlichkeit der Akkumulatoren zu verbessern. Allerdings sind diese Verbesserungen mit höheren Investitionen verbunden, da diese Akkumulatoren teuer sind und gegebenenfalls eine geringere Leistungsfähigkeit aufweisen können.
In 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 und Unterhaltskosten verbunden sein.
In diesem Zusammenhang wäre es auch vorteilhaft, wenn eine geringere Alterungsbelastung der eingesetzten Akkumulatoren erreicht werden könnte.
Insbesondere 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.
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 19 unter Schutz gestellt. Ferner hat Patentanspruch 20 eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Akkumulator umfassend eine Vielzahl von Akkumulatorelementen, die jeweils eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen umfassen, zeitweise dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung zuführt und zeitweise aus dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung aufnimmt, wobei der Akkumulator eine Peripherie umfasst, über die die Leistung in die galvanischen Zellen eingespeichert oder aus den galvanischen Zellen ausgespeichert wird, wobei bei einer Bereitstellung von Regelleistung zumindest ein Akkumulatorelement Leistung aufnimmt oder abgibt, wobei das zur Bereitstellung der Regelleistung verwendete Akkumulatorelement oder die zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von der Temperatur der galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente und von dem Ladezustand des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente ausgewählt wird oder werden.
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.
Überraschend gelingt durch die vorliegende Erfindung eine Erhöhung der Lebensdauer der eingesetzten Akkumulatoren, wodurch unter anderem die Unterhaltskosten gesenkt werden können. Weiterhin können durch die vorliegende Erfindung kostengünstigere Akkumulatoren eingesetzt werden, ohne dass hierdurch starke Einbußen hinsichtlich der Lebensdauer in Kauf genommen werden müssten. Hierdurch können demgemäß die Investitionskosten verringert werden. Insbesondere kann auf eine dauerhafte aktive Klimatisierung, die hohe Unterhaltskosten verursacht, verzichtet werden. Für jede Zelltechnologie gibt es ein Temperaturfenster, in dem die Kombination aus betriebsbedingter und kalendarischer Alterung minimal wird. Im Betrieb gibt es eine Bandbreite an Leistungsanforderungen, bei deren Erfüllung in dem Speicher Wärme freigesetzt wird, da der Akkumulator eine Verlustleistung aufweist. Bei geringer Leistungsanforderung kann das bevorzugte Temperaturfenster beispielsweise dadurch eingehalten werden, dass die Raumtemperatur gegebenenfalls durch geringfügige Erwärmung am unteren Ende des optimalen Temperaturfensters gehalten wird und in der Regel nur ein Teil der Akkumulatorelemente (z.B. einzelne „Blöcke" oder„Stränge") in Betrieb ist. Sollte sich diese Zellen soweit erwärmen, dass deren Temperatur über das optimale Temperaturfenster hinaus steigt, so können sie vorübergehend aus dem Betrieb genommen und dafür andere Zellen aktiviert werden.
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 maximal 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.
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.
Erfindungsgemäß wird ein Akkumulator zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann.
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 insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Blei- Schwefelsäure-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel Metallhydrid- Akkumulatoren und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren bevorzugt. Besonders 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.
Auch kann vorgesehen sein, dass in dem Akkumulator 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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Akkumulator eine Kapazität von mindestens 1 Ah, vorzugsweise 5 Ah, bevorzugt mindestens 10 Ah, speziell bevorzugt mindestens 20 Ah und besonders bevorzugt mindestens 50 Ah besitzen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden kann.
Ein erfindungsgemäß einsetzbarer Akkumulator umfasst eine Vielzahl von Akkumulatorelementen, die jeweils eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen umfassen. Eine galvanische Zelle ist eine Vorrichtung zur reversiblen Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie, wobei diese Vorrichtung mindestens zwei Halbzellen aufweist in denen räumlich getrennte Redoxreaktionen ablaufen, die durch mindestens einen lonenleiter verbunden sind, so dass durch einen Elektronenleiter, der die mindestens zwei Halbzellen verbindet eine Freisetzung oder eine Speicherung von elektrischer Energie möglich ist.
Die Kapazität der einzelnen galvanischen Zellen kann vorzugsweise 1 bis 200 Ah, bevorzugt 20 bis 80 Ah, besonders bevorzugt 35 bis 45 Ah betragen, wobei die einzelnen galvanischen Zellen eine Spannung von 0,5 bis 10 V, bevorzugt von 2 bis 6 V, besonders bevorzugt von 3 bis 4 V aufweisen können. Neben einer Vielzahl von galvanischen Zellen, die als Akkumulatorelemente angesteuert werden können, umfasst der Akkumulator eine Peripherie, über die die Leistung in die galvanischen Zellen eingespeichert oder aus den galvanischen Zellen ausgespeichert wird.
Eine Peripherie umfasst mindestens ein Bauteil, welches die Steuerung und/oder Überwachung von Zuständen von einer oder mehreren galvanischen Zellen und/oder die Übertragung von Energie in eine oder mehrere galvanische Zellen ermöglicht. So gehören hierzu beispielsweise Spannungswandler, Bauteile für die Messung und/oder Regelung der Stromstärke und/oder der Spannung, Temperatursensoren.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass jede galvanische Zelle eine Peripherie, die beispielsweise die Messung und/oder Regelung der Stromstärke und/oder der Spannung ermöglicht, umfasst. Weiterhin kann die Temperatur mindestens einer galvanischen Zelle und/oder die Temperatur der Peripherie gemessen werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Temperatur von jeweils zwei parallel geschalteten einzelnen galvanischen Zellen, die parallel zueinander angeordnet sind, mittels eines Thermoelements gemessen wird, welches zwischen den parallel angeordneten und parallel geschalteten zwei einzelnen galvanischen Zellen angeordnet ist.
Ein Akkumulatorelement ist eine Kombination von mehreren galvanischen Zellen. Vorzugsweise kann jedes Akkumulatorelement eine Peripherie umfassen, wobei die Temperatur zumindest eines Teils der galvanischen Zellen des Akkumulatorelements und/oder die Temperatur zumindest eines Teils der Peripherie gemessen wird.
Hierbei ist zwischen der Peripherie des Akkumulators und der Peripherie der Akkumulatorelemente zu unterscheiden.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Verfahren unter der Berücksichtigung aller galvanischen Zellen des Akkumulators durchgeführt wird.
Es können erfindungsgemäß mehrere galvanische Zellen zur Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe zusammengefasst in einem Block als Akkumulatorelement betrieben werden, wobei jeder Block vorzugsweise 2 bis 400, besonders bevorzugt 4 bis 200 galvanischer Zellen umfasst. Ein Block ist eine spezifische Ausführungsform eines Akkumulatorelements, wobei mehrere galvanische Zellen über Reihen- und/oder Parallelschaltung zusammengefasst sind. Hierdurch kann vorzugsweise ein einfach austauschbares Bauteil bereitgestellt werden, welches einen zweckmäßigen Spannungsbereich und/oder eine zweckmäßige Stromstärke aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können mehrere galvanische Zellen zur Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe zusammengefasst in einem Block betrieben werden, wobei jeder Block vorzugsweise 4 bis 100, besonders bevorzugt 8 bis 50 galvanischer Zellen umfasst und mehrere Blöcke einen Strang als Akkumulatorelement bilden, wobei jeder Strang vorzugsweise 2 bis 100, besonders bevorzugt 4 bis 50 Blöcke umfasst. Ein Strang ist eine spezifische Ausführungsform eines Akkumulatorelements, wobei mehrere galvanische Zellen über Reihenschaltung so zusammengefasst sind, dass eine Spannung in einem Bereich erzielt wird, die dem des äußeren Spannungsbereichs des Akkumulators entspricht. Hierdurch kann eine gezielte Be- oder Entladung von Teilen des Akkumulators erreicht werden, ohne dass eine sehr aufwendige Spannungswandlung erforderlich ist. Für einen einfachen Betrieb, beispielsweise für eine vereinfachte Wartung, kann der Strang vorzugweise aus Blöcken aufgebaut sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Akkumulatorelemente, vorzugsweise die zuvor näher definierten Stränge eines Akkumulators auf verschiedenen zuvor näher definierten Akkumulatortypen basieren, so dass beispielsweise ein oder mehrere Stränge Lithium-Ionen-Zellen umfassen und ein oder mehrere Stränge Zellen aufweisen, die denen von Blei-Schwefelsäure- Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren und/oder Nickel Metallhydrid- Akkumulatoren entsprechen. Vorzugsweise können mehrere, besonders bevorzugt alle Blöcke und/oder Stränge des Akkumulators unabhängig voneinander gesteuert und/oder geregelt werden.
Mithin können von der Gesamtheit aller galvanischen Zellen in Abhängigkeit des jeweiligen Ladezustandes und der jeweiligen Temperatur der einzelnen galvanischen Zellen, sowie der Höhe und der Art der bereitzustellenden Regelleistung bestimmte einzelne galvanische Zellen der Gesamtheit aller galvanischer Zellen zur Bereitstellung von Regelleistung intern ausgewählt werden.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Verfahren unter der Berücksichtigung aller galvanischen Zellen des Akkumulators durchgeführt wird.
Erfindungsgemäße Verfahren können sich dadurch auszeichnen, dass der Ladezustand jedes Akkumulatorelements des Akkumulators gemessen wird, vorzugsweise durch ein Batteriemanagementsystem. Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt bei einer Bereitstellung von Regelleistung zumindest ein Akkumulatorelement Leistung auf oder gibt diese ab, wobei das zur Bereitstellung der Regelleistung verwendete Akkumulatorelement oder die zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen den galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente und/oder der Temperaturdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen und in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente ausgewählt wird oder werden.
Bei mittleren Leistungsanforderungen kann überraschend durch die erfindungsgemäße Auswahl der galvanischen Zellen im Allgemeinen eine aktive Temperierung vermieden werden.
Hierbei sind insbesondere galvanische Zellen mit einer geringen Verlustleistung zweckmäßig. So kann vorgesehen sein, dass die Verlustleistung der einzelnen galvanischen Zellen Werte höchstens 15 %, bevorzugt höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 % aufweist, bezogen auf die Nennleistung der einzelnen galvanischen Zellen. Die Verlustleistung kann über eine Messung des Innenwiderstands bestimmt werden (P, = l2*R,), wobei sich die Verlustleistung auf den Strom bezieht, bei dem die Spannungsquelle die maximale Leistung abgibt (Innenwiderstand R, = Verbrauchswiderstand Rv). Die Messung wird hierbei bei Raumtemperatur (ca. 20°C) und bei einem Ladezustand von etwa 100% durchgeführt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Temperaturen der galvanischen Zellen und/oder der Akkumulatorelemente über die Verlustleistung bei ein- und/oder ausspeichern gesteuert oder geregelt werden können, da der Innenwiderstand von der Temperatur als auch von dem Ladezustand abhängig ist. Dabei wird bevorzugt bei der Aufnahme von Regelleistung in den Akkumulator die Energie in kälteren galvanischen Zellen und/oder Akkumulatorelementen gespeichert, so dass die Temperatur von kälteren galvanischen Zellen und/oder Akkumulatorelementen durch höhere Verlustleistung erhöht wird. Ebenso kann bevorzugt vorgesehen sein, dass bei der Abgabe von Regelleistung die Regelleistung von galvanischen Zellen und/oder Akkumulatorelementen abgegeben wird, die eine Temperatur haben, die zu einer möglichst geringen Verlustleistung führt. Da die Verlustleistung bei höheren Temperaturen sinkt, werden dann also diejenigen galvanischen Zellen und/oder Akkumulatorelemente verwendet, die eine höhere Temperatur aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Akkumulatorelemente und/oder die galvanischen Zellen bei einer Erbringung von Regelleistung so gewählt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen und/oder den galvanischen Zellen minimiert wird.
Zur Bereitstellung von Regelleistung kann das Akkumulatorelement mit der geringsten Temperatur ausgewählt werden, da hierdurch eine Wärme erzeugt werden kann, die zu einer Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen diesem Akkumulatorelement und anderen Akkumulatorelementen führt. Zur Bestimmung der Temperatur eines Akkumulatorelements kann die Temperatur des Akkumulatorelements an unterschiedlichen Stellen gemessen werden, wobei ein aus diesen Temperaturen erhaltener arithmetischer Mittelwert gebildet werden kann. Hierzu können die Temperaturen zumindest eines Teils der zu diesem Akkumulatorelement zugehörigen galvanischen Zellen bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen dadurch erfolgen, dass das Akkumulatorelement mit der höchsten Temperatur, gegebenenfalls durch eine Mittelwertbildung bestimmt wird und das Akkumulatorelement ausgewählt wird, welches räumlich maximal von dem Akkumulatorelement mit der höchsten Temperatur entfernt ist und eine Temperatur aufweist, die kleiner oder gleich der Durchschnittstemperatur aller Akkumulatorelemente ist. Gemäß einer bevorzugten Variante kann ein räumlich möglichst weit von dem Akkumulatorelement mit der höchsten Temperatur entferntes Akkumulatorelement ausgewählt werden, dessen Temperatur kleiner oder gleich der Temperatur ist, die mindestens 75 % der Akkumulatorelemente aufweisen.
Weiterhin kann die Auswahl der zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente von der Temperaturdifferenz zwischen den galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente erfolgen. Hierbei können vorzugsweise die Akkumulatorelemente eingesetzt werden, deren galvanische Zellen eine möglichst geringe Temperaturdifferenz aufweisen, wobei hierbei die zuvor dargelegten Auswahlkriterien für die Temperaturdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen zusätzlich Berücksichtigung finden können. Vorzugsweise kann ein Akkumulatorelement zur Bereitstellung der Regelleistung ausgewählt werden, deren galvanische Zellen eine maximale Temperaturdifferenz von 10 °C, vorzugsweise 5 °C aufweisen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die galvanischen Zellen in einem Temperaturbereich von -20 bis 80 °C, bevorzugt von 0 bis 60 °C, besonders bevorzugt von 20 bis 40 °C betrieben werden.
Ferner kann bei Erbringung einer hohen Regelleistung eine aktive Temperierung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgen. Hierbei ist die absolute Höhe der Regelleistung von der Kapazität des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente abhängig, wobei sich die Zweckmäßigkeit einer aktiven Kühlung aus dem Temperaturanstieg und/oder der absoluten Temperatur eines oder mehrerer Akkumulatorelemente ergeben kann.
Mit einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei einem Ladezustand der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen oberhalb eines ersten Grenzwerts und einer Temperatur oberhalb eines zweiten Grenzwerts eine aktive Kühlung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgt.
Auch kann bei einer Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen oberhalb eines Grenzwerts eine aktive Kühlung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgen. Der Grenzwert dieser Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen ist von der Art der galvanischen Zellen abhängig. Die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente kann, insbesondere bei hohen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Kühlung, insbesondere durch eine Absenkung der Kühlmitteltemperatur eines Kühlmittels oder durch einen stärkeren Kühlmitteldurchfluss derart eingestellt oder geregelt werden, dass sie unterhalb einer Maximaltemperatur von 120 °C, vorzugsweise von 100 °C, besonders bevorzugt von 80 °C verbleibt, wobei diese Werte beispielsweise für Lithium-Akkumulatoren gelten. Eine aktive Kühlung kann im Allgemeinen bei einer Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen von vorzugsweise mindestens 60 °C, besonders bevorzugt mindestens 75 °C zweckmäßig sein. Diese Temperaturangaben können sich beispielsweise auf eine gemessene Maximaltemperatur, bezogen auf alle gemessenen Temperaturen, beziehen oder auf einen arithmetischen Mittelwert, bezogen auf die Zahl der gemessenen Temperaturen, wobei sich die Temperaturangaben vorzugsweise auf eine gemessene Maximaltemperatur beziehen.
So kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente, insbesondere bei hohen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Kühlung, insbesondere durch eine Absenkung der Kühlmitteltemperatur eines Kühlmittels oder durch einen stärkeren Kühlmitteldurchfluss derart eingestellt oder geregelt wird, dass sie unterhalb einer Maximaltemperatur von 120 °C, vorzugsweise von 100 °C, besonders bevorzugt von 80 °C verbleibt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente, insbesondere bei geringen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Erwärmung, insbesondere durch eine Bereitstellung eines Heizmittels oder durch einen stärkeren Heizmitteldurchfluss und/oder durch Ladungsverschiebungen zwischen den galvanischen Zellen derart eingestellt oder geregelt wird, dass sie oberhalb einer Minimaltemperatur von - 10° C, vorzugsweise von 0° C, besonders bevorzugt von + 10° C verbleibt. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einer mittleren absoluten Abweichung der Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen kleiner eines Grenzwerts und einer mittleren Temperatur der Akkumulatorelemente oberhalb eines Grenzwerts eine aktive Kühlung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgt. Zur Bestimmung der mittleren Abweichung der Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen werden sämtliche gemessenen Temperaturen berücksichtigt, wobei zur Bestimmung der mittleren Temperatur der Akkumulatorelemente das arithmetische Mittel der gemessenen Temperaturen ermittelt wird. Die mittlere absolute Abweichung der Temperatur ergibt sich aus den Absolutwerten (Beträgen) der Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Akkumulatorelemente und der jeweiligen gemessenen Temperatur des Akkumulatorelements und/oder der galvanischen Zellen durch die Bildung des arithmetischen Mittelwerts der erhaltenen Differenzen dieser Absolutwerte. Der Grenzwert hinsichtlich der mittleren absoluten Abweichung der Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen sowie der Grenzwert bezüglich der mittleren Temperatur sind vom jeweiligen Akkumulatortyp abhängig. Bei Verwendung von Lithium-Akkumulatoren kann der minimale Grenzwert hinsichtlich der mittleren absoluten Abweichung der Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen beispielsweise höchstens 10 °C, vorzugsweise höchstens 5 °C betragen. Der Grenzwert bezüglich der mittleren Temperatur kann bei Lithium-Akkumulatoren beispielsweise mindestens 70 °C, vorzugsweise mindestens 80 °C und besonders bevorzugt mindestens 85 °C betragen.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass bei einer Temperatur der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen unterhalb eines Grenzwerts eine Erwärmung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente, insbesondere bei geringen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Erwärmung, insbesondere durch eine Bereitstellung eines Temperatur eines Heizmittels oder durch einen stärkeren Heizmitteldurchfluss und/oder durch Ladungsverschiebungen zwischen den galvanischen Zellen derart eingestellt oder geregelt wird, dass sie oberhalb einer Minimaltemperatur von - 10 °C, vorzugsweise von 0 °C, besonders bevorzugt von + 10 °C verbleibt. Diese Temperaturangaben können sich beispielsweise auf eine gemessene Minimaltemperatur, bezogen auf alle gemessenen Temperaturen, beziehen oder auf einen arithmetischen Mittelwert, bezogen auf die Zahl der gemessenen Temperaturen wobei sich die Temperaturangaben vorzugsweise auf eine gemessene Minimaltemperatur beziehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einer Regelenergieanfrage eine positive Regelleistung durch ausgewählte einzelne Akkumulatorelemente in das Stromnetz eingespeist wird, deren Ladezustand oberhalb eines dritten Grenzwertes liegen und/oder bei einer Regelenergieanfrage eine negative Regelleistung durch ausgewählte einzelne Akkumulatorelennente aus dem Stromnetz entnommen und eingespeichert wird, wenn deren Ladezustand unterhalb eines vierten Grenzwertes liegen, wobei die beiden Grenzwerte besonders bevorzugt den gewünschten mittleren Ladezustand definieren. Erfindungsgemäß erfolgt die Auswahl der zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente. Hierbei stellt dieses Auswahlkriterium sicher, dass die zuvor dargelegte Selektion, die auf der Temperaturdifferenz der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen beruht, die angeforderte Leistung erbringen können, wobei ein unterer kritischer Ladezustand nicht unterschritten werden sollte, da hierdurch die Lebensdauer der galvanischen Zellen verkürzt werden kann. Vorzugsweise weisen die Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen einen Ladezustand von mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 % und besonders bevorzugt mindestens 20 %, falls positive Regelleistung zu erbringen ist und höchstens 95 %, vorzugsweise höchstens 90 % und besonders bevorzugt höchstens 80 %, falls negative Regelleistung notwendig ist, um das Stromnetz zu stabilisieren. Es kann erfindungsgemäß also vorgesehen sein, dass durch die Auswahl des Akkumulatorelements oder der Akkumulatorelemente zur Bereitstellung von Regelleistung ein gewünschter mittlerer Ladezustand dieses Akkumulatorelements oder dieser Akkumulatorelemente derart eingestellt und/oder geregelt wird, dass dieser gewünschte mittlere Ladezustand im Bereich zwischen 20 % und 80 % der maximalen Ladung des Akkumulatorelements liegt, vorzugsweise zwischen 40 % und 60 %, besonders bevorzugt bei 50 % der maximalen Ladung des Akkumulatorelements liegt.
Weiterhin können zur Durchführung der vorliegenden Erfindung weitere Energiespeicher eingesetzt werden, die keine Akkumulatoren darstellen. Hierzu gehören unter anderem Energiespeichersysteme auf Basis von Wasserstoff und Energiespeicher, die kein elektrochemisches Element darstellen. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass jeder Akkumulator einen Energiespeicher darstellt, so dass weitere Ausführungen in Bezug auf Energiespeicher entsprechend auch für die nachfolgend näher beschriebenen Akkumulatoren gelten. 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.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher, der kein elektrochemisches Element darstellt, ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluft- speicherkraftwerk 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.
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. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass Akkumulatoren zu den Energiespeichern zählen.
Der anzustrebende Ladezustand des Akkumulators 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 anzustrebende Ladezustand des Akkumulators 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 Akkumulators oder die aus dem Stromnetz aufgenommene Leistung des Akkumulators zu mehreren Zeitpunkten, insbesondere kontinuierlich gemessen wird und der Ladezustand der mindestens zwei Akkumulatorelemente des Akkumulators zu mehreren Zeitpunkten, vorzugsweise kontinuierlich berechnet wird, wobei die abgegebene oder aufgenommene Leistung der mindestens zwei Akkumulatorelemente des Akkumulators jeweils in Abhängigkeit von diesen Ladezuständen derart eingestellt wird, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen und/oder den galvanischen Zellen minimiert wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die zumindest einen Akkumulator, eine Steuerung zum Steuern oder Regeln der ein- und ausgespeicherten Leistung der Akkumulatorelemente und eine Einrichtung zur Messung der Temperatur von zwei oder mehr der Akkumulatorelemente umfasst, wobei der Akkumulator derart an ein Stromnetz angeschlossen ist, dass durch die Vorrichtung Leistung in das Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar 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 Akkumulators sowie gegebenenfalls eines weiteren Energiespeichers, eines Energieverbrauchers und/oder eines Energieerzeugers zu steuern. Hierbei kann diese Steuerung auch die Leistung der mindestens zwei Akkumulatorelemente des Akkumulators steuern. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass diese Steuerung ein Subsystem, insbesondere ein Managementsystem anspricht, welches die jeweilige Leistung der mindestens zwei Akkumulatorelemente des Akkumulators 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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Akkumulator in einem Gehäuse und/oder einem Behälter untergebracht sein, der eine gesteuerte passive Kühlung ermöglichst, wobei eine gesteuerte passive Kühlung beispielsweise durch steuerbare Klappen erzielt werden kann, die eine Vergrößerung des Luftstroms bei einer hohen Temperatur und eine Verringerung des Luftstroms bei einer tiefen Temperatur erlauben.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum Kühlen einzelner und/oder aller galvanischer Zellen des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente umfasst.
Weitere Ausgestaltungen einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der zuvor dargelegten Beschreibung desselben, so dass hierauf Bezug genommen werden kann.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von einer 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.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend eine Steuerung 1 1 und einen Akkumulator 12 mit einer Peripherie, über die die Leistung in die galvanischen Zellen eingespeichert oder aus den galvanischen Zellen ausgespeichert wird. Weiterhin ist die Vorrichtung an ein Stromnetz 14 angeschlossen. Der Akkumulator 12 umfasst eine Vielzahl von Akkumulatorelementen 12a, 12b bis 12n, die jeweils eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen umfassen. Hierbei kann die Peripherie des Akkumulators 12 ein Managementsystem (Batteriemanagementsystem) aufweisen, welches das Be- oder Entladen der einzelnen Akkumulatorelemente 12a, 12b bis 12n 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.
Als Akkumulator 12 sind Li-Ionen-Akkumulatoren mit geringen schädlichen Einflüssen auf den Akkumulator 12 (Alterung des Akkumulators) schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu können Li-Ionen-Akkumulatoren mit beträchtl icher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40-Fuß-ISO-Containern unterzubringen.
Hierbei ist die Steuerung 1 1 mit dem Akkumulator 12 verbunden. Ferner kann die Steuerung 1 1 mit dem Stromnetz 14 verbunden sein, wobei diese in Figur 1 nicht dargestellte Verbindung eine Übermittlung von Anfragen nach benötigter Regelleistung, sowohl positiver als auch negativer, erlauben kann.
In oder an jedem der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n ist zumindest ein Thermoelement (nicht gezeigt) angeordnet, mit denen die Temperatur der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n und/oder die Temperatur der galvanischen Zellen, die jedes Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n umfasst, messbar ist beziehungsweise gemessen wird. Dazu sind die Thermoelemente an die Steuerung 1 1 angeschlossen. Alternativ zu Thermoelementen können auch andere Temperaturmesselemente verwendet werden. Bevorzugt ist jeweils ein Thermoelement oder Temperaturmesselement zwischen je zwei benachbarten Akkumulatorelementen 12a, 12b,..., 12n angeordnet.
Mit der Steuerung 1 1 wird das Laden und Entladen der einzelnen Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n gesteuert, wobei die Auswahl der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n davon abhängt, welche Temperatur die Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n oder deren galvanische Zellen haben. Da die Temperatur der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n und der galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n durch einen Ladevorgang oder einen Entladevorgang steigt und je nach Isolation zwischen den einzelnen Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n auch die Temperatur der benachbarten Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n steigen kann, kann so auf die Temperaturverteilung im Akkumulator 12 Einfluss genommen werden.
Zudem kann die Temperatur der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n beziehungsweise der galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente 12a, 12b,..., 12n mit Hilfe einer zusätzlichen Heizung und/oder Kühlung (nicht gezeigt) einstellbar sein oder mit der Steuerung 1 1 mit Hilfe der Thermoelemente geregelt werden. 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 14 als auch mit dem Akkumulator 12 verbunden, so dass die durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 bereitgestellte Regelleistung unmittelbar in das Stromnetz 14 eingespeist werden kann oder zur Regenerierung des Akkumulators 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.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung 1 1 Steuerung
12 Akkumulator
12a, 12b,..., 12n Akkumulatorelement
14 Stromnetz
16 Energieerzeuger / Energieverbraucher

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem zumindest ein an das Stromnetz angeschlossener Akkumulator umfassend eine Vielzahl von Akkumulatorelementen, die jeweils eine Vielzahl einzelner galvanischer Zellen umfassen, zeitweise dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung zuführt und zeitweise aus dem Stromnetz nach Bedarf elektrische Leistung aufnimmt, wobei der Akkumulator eine Peripherie umfasst, über die die Leistung in die galvanischen Zellen eingespeichert oder aus den galvanischen Zellen ausgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bereitstellung von Regelleistung zumindest ein Akkumulatorelement Leistung aufnimmt oder abgibt, wobei das zur Bereitstellung der Regelleistung verwendete Akkumulatorelement oder die zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von der Temperatur der galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente und von dem Ladezustand des Akkumulators und/oder der Akkumulatorelemente ausgewählt wird oder werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zur Bereitstellung der Regelleistung verwendete Akkumulatorelement oder die zur Bereitstellung der Regelleistung verwendeten Akkumulatorelemente in Abhängigkeit von der Ladezustandsdifferenz zwischen den galvanischen Zellen der Akkumulatorelemente und/oder der Ladezustandsdifferenz zwischen den Akkumulatorelementen und in Abhängigkeit von der Temperatur der Akkumulatorelemente ausgewählt wird oder werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand jedes Akkumulatorelements des Akkumulators gemessen wird, vorzugsweise durch ein Batteriemanagementsystem.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere galvanische Zellen zur Leistungsaufnahme oder Leistungsabgabe zusammengefasst in einem Block betrieben werden, wobei bevorzugt jeder Block vorzugsweise 4 bis 100 galvanischer Zellen umfasst und mehrere Blöcke einen Strang als Akkumulatorelement bilden, wobei bevorzugt jeder Strang 2 bis 100 Blöcke umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Blöcke oder Stränge des Akkumulators, bevorzugt alle Blöcke oder Stränge des Akkumulators unabhängig voneinander gesteuert und/oder geregelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ladezustand der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen oberhalb eines ersten Grenzwerts und einer Temperatur oberhalb eines zweiten Grenzwerts eine aktive Kühlung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswahl des Akkumulatorelements oder der Akkumulatorelemente zur Bereitstellung von Regelleistung ein gewünschter mittlerer Ladezustand dieses Akkumulatorelements oder dieser Akkumulatorelemente derart eingestellt und/oder geregelt wird, dass dieser gewünschte mittlere Ladezustand im Bereich zwischen 20 % und 80 % der maximalen Ladung des Akkumulatorelements liegt, vorzugsweise zwischen 40 % und 60 %, besonders bevorzugt bei 50 % der maximalen Ladung des Akkumulatorelements liegt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Regelenergieanfrage eine positive Regelleistung durch ausgewählte einzelne Akkumulatorelemente in das Stromnetz eingespeist wird, deren Ladezustand oberhalb eines dritten Grenzwerts liegen und/oder bei einer Regelenergieanfrage eine negative Regelleistung durch ausgewählte einzelne Akkumulatorelemente aus dem Stromnetz entnommen und eingespeichert wird, wenn deren Ladezustand unterhalb eines vierten Grenzwerts liegen, wobei die beiden Grenzwerte besonders bevorzugt den gewünschten mittleren Ladezustand definieren.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Gesamtheit aller galvanischen Zellen in Abhängigkeit des jeweiligen Ladezustandes und der jeweiligen Temperatur der einzelnen galvanischen Zellen, sowie der Höhe und der Art der bereitzustellenden Regelleistung bestimmte einzelne galvanische Zellen der Gesamtheit aller galvanischer Zellen zur Bereitstellung von Regelleistung intern ausgewählt werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede galvanische Zelle eine Peripherie umfasst, wobei die Temperatur der galvanischen Zellen und/oder die Temperatur der Peripherie gemessen werden.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von jeweils zwei parallel geschalteten einzelnen galvanischen Zellen, die parallel zueinander angeordnet sind, mittels eines Thermoelements gemessen wird, welches zwischen den parallel angeordneten und parallel geschalteten zwei einzelnen galvanischen Zellen angeordnet ist, und die Temperatur dieser galvanischen Zellen durch das Thermoelement bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanischen Zellen, insbesondere die galvanischen Elemente, in einem Temperaturbereich von -20 bis 80° C, bevorzugt von 0 bis 60° C, besonders bevorzugt von 20 bis 40° C betrieben werden.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlustleistung der einzelnen galvanischen Zellen höchstens 15 %, bevorzugt höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 % aufweist, bezogen auf die Nennleistung der einzelnen galvanischen Zellen.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erbringung einer hohen Regelleistung eine aktive Temperierung der Akkumulatorelemente und/oder der galvanischen Zellen erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Blei-Schwefelsäure- Akkumulator, ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, ein Nickel Metallhydrid-Akkumulator, und/oder ein Verbund aus zumindest zwei dieser Akkumulatoren verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Akkumulators mindestens 1 Ah, bevorzugt mindestens 20 Ah beträgt und/oder der Akkumulator mindestens eine Energie von zumindest 4 kWh, bevorzugt zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh speichern kann.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der einzelnen galvanischen Zellen 1 bis 200 Ah, bevorzugt 10 bis 80 Ah, besonders bevorzugt 35 bis 45 Ah beträgt, wobei die einzelnen galvanischen Zellen eine Spannung von 0,5 bis 10 V, bevorzugt von 2 bis 6 V, besonders bevorzugt von 3 bis 4 V aufweisen.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente, insbesondere bei hohen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Kühlung, insbesondere durch eine Absenkung der Kühlmitteltemperatur eines Kühlmittels oder durch einen stärkeren Kühlmitteldurchfluss derart eingestellt oder geregelt wird, dass sie unterhalb einer Maximaltennperatur von 120 °C, vorzugsweise von 100 °C, besonders bevorzugt von 80 °C verbleibt.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der galvanischen Zellen oder der Akkumulatorelemente, insbesondere bei geringen Leistungen und Leistungsumsätzen, mittels einer aktiven Erwärmung, insbesondere durch eine Bereitstellung eines Heizmittels oder durch einen stärkeren Heizmitteldurchfluss und/oder durch Ladungsverschiebungen zwischen den galvanischen Zellen derart eingestellt oder geregelt wird, dass sie oberhalb einer Minimaltemperatur von - 10° C, vorzugsweise von 0° C, besonders bevorzugt von + 10° C verbleibt.
20. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zumindest einen Akkumulator (12), eine Steuerung (1 1 ) zum Steuern oder Regeln der ein- und ausgespeicherten Leistung der Akkumulatorelemente (12a, 12b,..., 12n) und eine Einrichtung zur Messung der Temperatur von zwei oder mehr der Akkumulatorelemente (12a, 12b,..., 12n) umfasst, wobei der Akkumulator (12) derart an ein Stromnetz (14) angeschlossen ist, dass durch die Vorrichtung (10) Leistung in das Stromnetz (14) einspeisbar und aus dem Stromnetz (14) entnehmbar ist.
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