WO2019211174A1

WO2019211174A1 - Verfahren zur auslegung eines energieversorgungs- und verteilersystems

Info

Publication number: WO2019211174A1
Application number: PCT/EP2019/060661
Authority: WO
Inventors: Sebastian UTZ
Original assignee: Innofas Gmbh
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-11-07
Also published as: EP3788691A1; DE102018110630A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Simulationssystem (1) und Verfahren zur optimierten Auslegung eines Energieverteiler- und Versorgungssystems (10) bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) in wenigstens einem Effizienzwert (Eff) einer physikalischen oder wirtschaftlichen Größe.

Description

Verfahren zur Auslegung eines Energieversorgungs- und Verteilersystems

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Auslegung eines Energie- versorgungs- und Verteilersystems.

Energieversorgungs- und Verteilersysteme zum Erzeugen, Speichern und zur Entnahme von Energie sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Im Rahmen der Energiewende und der energieeffizienten Versorgung insbesondere möglichst autarken Energieversorgung von Gebäuden, Gebäude komplexen, Infrastruktur und entsprechend darin betriebenen Anlagen be- steht ein zunehmendes Bedürfnis sowohl im privaten als auch im gewerbli- chen und industriellen Bereich intelligent ausgelegte Systeme zu konzipieren und zu betreiben, welche optimal auf die Verbraucher und Energiesenken einerseits in Relation zu den Komponenten der Energieerzeugung und der Zwischenspeicherung von Energie andererseits abgestimmt sind. Derzeit entstehen häufig Insellösungen, die ggf. später erweitert werden aber nicht unter Optimierungs- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ausgelegt wurden.

Da solche Energieverteilsysteme in einer Vielzahl von Faktoren auslegbar und skalierbar sind, stoßen Anlagenplaner solcher Systeme schnell an ihre Grenzen bei der Ermittlung geeigneter Gesamtkonzepte.

Als lediglich ein Beispiel wird ein 1000 kW Energieversorgungs- und Vertei- lersystem bestehend aus z. B. einer PV-Anlage, einem Pufferspeicher, zwei Ladestationen zum Laden und Rückspeisen von Energie aus einem Energie- speicher eines Fahrzeugs, einem Netzanschluss zum Einspeisen und Ent- nehmen von Energie aus dem öffentlichen Netz und eine zentrale Steuerung betrachtet. Für einen Anlagenplaner bleibt es zunächst völlig unbestimmbar, wie er die einzelnen Komponenten und ein entsprechendes System betref- fend Systemkonfiguration, Kapazitäten und Dimensionierung auslegen soll. Neben den skalierbaren Variablen der einzelnen Komponenten und deren Leistungsdaten kommen unbekannte Faktoren hinzu, wie

Entnahmekapazitäten, Energieverbrauch, Anzahl der Fahrzeuge, die an den Ladestationen geladen und entladen werden sollen, Ausrichtung und Lage des Gebäudes (geographische Klimadaten), wirtschaftliche Daten, wie Einspeisevergütung, Stromkosten, Stromverbrauchsverhalten im Tag/Nach- Zyklus etc. Letztlich muss der Aniagenplaner eine Betrachtung mit vielen Unbekannten machen, die in der Praxis mehr oder weniger genau unter Berücksichtigung bestimmter Annahmen geschätzt werden.

Typischerweise werden aktuell hierzu theoretische Annahmen für jede ein- zelne Komponente zu Grunde gelegt, eine jeweilige Sicherheitsreserve auf Basis von Verbrauchswerten ermittelt und darauf basierend die so ausgeleg- ten Komponenten zu einem Gesamtsystem kombiniert. So wird z. B. die PV- Anlage überdimensioniert geplant und es fließen unabhängig von der Konfi- guration der Ladesäulen die bekannten Größen wie die Dachneigung, der Standort, die Ausrichtung und insbesondere die gewünschte Leistung in die Planung und Auslegung der PV-Anlage ein. Da zusätzlich auch Reserven kalkuliert werden, ist das System typischerweise nicht im Optimum dimen sioniert. Als Optimum im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Zustand verstanden, bei dem insbesondere das Kosten/Nutzenverhältnis möglichst gering ist, was bedeutet, dass man mit einem minimalen Anlagen- und Kostenaufwand die jeweils benötigten Leistungen aus der Anlage entnehmen kann. So wäre es abhängig vom Stromtarif des öffentlichen Netzanbieters ggf. unschädlich, wenn die Kosten für die Pufferspeicher reduziert werden können, da die Ladung von Fahrzeugen in der Nacht erfolgt und demenspre- chend die Steuerung so konfiguriert sein muss, um den benötigten Strom nur teilweise aus den Pufferspeichern zu beziehen und zu einem anderen Teil aus dem öffentlichen Netzt zu einem vergünstigten Nachttarif über den Netzanschluss. Noch wesentlich schwieriger gestaltet sich die Aufgabe, wenn die anwender bezogenen und kostentreibenden Faktoren bei der Auslegung einzelner Komponenten in Wechselwirkung mit der Systemauslegung der weiteren Komponenten erfolgen sollen. Im Stand der Technik ist bisher kein Verfahren bekannt, wie ein solches System im oder nahe am Optimum auszulegen ist. Typisch ist es auch in der Praxis die Netzanschlussleistung entsprechend hoch zu dimensionieren, um Engpässe und Abnahmespitzen sicher über ei nen Strombezug aus dem Netz abzufangen. Dies kann aber aufgrund von einer generell zu hohen Netzanschlussleistung zu hohen Grundkosten führen, da der Anlagenplaner hier entsprechend hohe Netzanschlussleistung einplant und zukaufen muss, so dass aber im Ergebnis die geplante Anlage allein aus diesem Grund schon kein optimiertes Anlagenkonzept aufweist.

Zusätzlich wird für bestimmte Zeiten geringer Energieausbeute aus z. B. der PV-Anlage typischerweise eine Sicherheit beim Netzanschluss mit einge- rechnet. Somit wäre aber auch der Netzanschluss unter Berücksichtigung der weiteren Systemkomponenten und der möglichen Zwischenspeicherung völlig fehl dimensioniert. Gleiches gilt für das Entladeverhalten über die La- desäulen. Wenn von theoretischen Werten ausgegangen wird, würde man den Netzanschluss oder den Pufferspeicher ggf. auf die zu erwartende Entnahmewerte beim Laden zweier Fahrzeuge auslegen, so dass diese die Versorgung von z. B. 2 x 350 kW sicher stellen würden. Wird ergänzend noch eine Brennstoffzelle betrieben, so wäre auch diese passend auszule gen. Je mehr solcher Komponenten in einem Energieversorgungs- und Ver- teilersystem integriert werden, desto schwieriger ist es, dass die Systemaus- legung in einem optimalen Bereich vorzunehmen. Selbst wenn ein Planer alle Komponenten aus einer Hand und damit das Gesamtsystem planerisch auslegen würde, fehlt es derzeit an geeigneten Systemen, Verfahren und Methoden, um eine solche technische Auslegung optimal vorzunehmen.

Es wird darauf hingewiesen, dass es bei der vorliegenden Erfindung nicht darum geht, ein System in einem Betriebsoptimum zu betreiben, sondern zunächst ein Konfigurationsoptimum zu erhalten, um später überhaupt einen sinnvollen Betrieb gewährleisten zu können. Spätere Systemänderungen und Anpassungen sind üblicherweise sehr teuer und teilweise aus rein prakti- schen Gründen teilweise auch nicht mehr realisierbar. Im Ergebnis lässt sich ein nicht optimal ausgelegtes System auch nicht mehr in ein Systemoptimum verwandeln, da bereits die zur nachträglichen Anpassung erforderlichen zusätzlichen Aufwendungen die Anlagenauslegung in einem solchen Optimum insgesamt unmöglich machen, da das Kosten/Nutzenverhältnis zu diesem Zeitpunkt bereits schlechter ist und sich durch zusätzliche kostentreibende Maßnahmen nur weiter verschlechtert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereit zu stellen, um ein Energieversorgungs- und verteilersys- tems (10) insbesondere mit Nutzung eines Anschluss an ein öffentliches Stromnetz zu konfigurieren bzw. ein Systemoptimum ermitteln zu können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird hierzu in einer Ausgestaltung ein Simulationssystem vorgeschlagen mit Mitteln zum Erzeugen und/oder Verarbeiten von Simulati- onsdaten eines Simulationszielraums, in dem sich eine Anzahl an energieer- zeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten befinden, als eine Vielzahl von Elementen, wobei zwischen jeweils mindestens zwei Elementen ein Energiefluss stattfindet, um daraus einen Simulationszielraum darzustellen; Auswerte- und/oder Berechnungsmitteln zum Berechnen eines Leistungs-Faktors, der sich auf jeweils zwei oder meh rere Elemente aus der Vielzahl von Elementen bezieht, unter Berücksichti gung ihrer Priorisierung auf der Basis den Simulationsdaten; Auswertemittel zum Auswerten der Leistungsdaten, die von jedem Element bereitgestellt oder verbraucht werden wird, unter Verwendung der Faktoren, die ermittelt wurden, um daraus die Systemkomponenten zu bestimmen, für die sich be züglich eines variablen Effizienzwertes ein Optimum ergibt.

Insofern bedarf es einer Recheneinheit, die so ausgebildet ist, dass diese sowohl Angaben und/oder Informationen zu den Systemkomponenten als solche als auch Priorisierungsdaten (wie zum Beispiel der Energiepreis zu einer bestimmten Zeit, Vorrang einer Systemkomponente vor einer anderen, der Energiepreis bei Abnahme einer bestimmten Energiemenge, Entnahme von Energie nur bei einem Wert geringer als ein vorbestimmter Wert, usw.) bei der Simulation der Gesamtanlage auf einem Simulationsmodell verarbei- ten kann.

Insofern wird erfindungsgemäß ein Simulationssystem zur optimierten Ausle gung eines Energieversorgungs- und Verteilersystems bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrau- chenden Systemkomponenten (SYSi) in wenigstens einem Effizienzwert ei- ner physikalischen oder wirtschaftlichen Größe, umfassend einer zentralen Steuerung vorgeschlagen, aufweisend: a. Mittel zum Auswählen von mindestens den energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi); b. Mittel zur Bestimmung der Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen der erforderlichen Systemkomponenten für das Energieverteiler-und Versorgungssystems abhängig von der ge troffenen Auswahl von einzelnen, mehreren oder allen Systemkompo nenten in Schritt a) und/oder (systemrelevanten) Variablen entspre- chend deren physikalischer Größen, c. wobei eine Regelungseinrichtung und/oder eine Auswerteeinheit vor- gesehen ist, die ausgebildet ist nach einem systemischen, vorzugs weise iterativen Vergleich eines ausgewerteten Effizienzwertes mit in einem Datenspeicher hinterlegten Kennwert, repräsentierend für einen Effizienzwert eines aus diesen Systemkomponenten gebildeten Ener gieverteiler-und Versorgungssystems die Ermittlung der Dimensions größen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen bei Bedarf so anzupassen, dass der jeweils darauf basierende Effizienzwert im Bereich eines lokalen oder absoluten Maximums oder Minimums liegt. Die zentrale Steuerung sollte dabei einen auf die Rechenleistung abgestimm ten Prozessor aufweisen. Bei Merkmal c) kann dies insbesondere auf Basis eines Simulationsmodells erfolgen. Eine Besonderheit liegt darin, dass man ohne Kenntnis aller Systemgrößen und Verbrauchswerte sozusagen mit wenigen Daten eine erste Simulation vornehmen kann und dann zunehmend im Optimierungsgrad sich dem Systemoptimum nähert. Die Anzahl der Optimie- rungsschritte bei der Simulation kann dabei auf den gewünschten Optimie- rungsgrad angepasst werden und bei Erreichen eines bestimmten Optimie- rungsgrades beendet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der für die Optimierung hergenommene Kennwert ein Wert aus einem Kennfeld ist, welches diejenigen Kennlinien umfasst, die jeweils eine unterschiedliche Kombination jeweiliger Systemkomponenten unterschiedlichster Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen darstellt. Bei einer unterschiedlichen Anzahl an Systemkomponenten ergeben sich folglich ver schiedene Optimierungen.

Die technische Wirkung der Verwendung solcher Kennlinienfelder ist darin zu sehen, dass es nicht ein einziges Auslegungsoptimum gibt, sondern sowohl lokale als auch absolute Maxima bzw. Minima geben und sich abhängig von der Veränderung eines physikalischen Wertes einer Systemkomponente au tomatisch auch das Optimum verändert. Als Beispiel ist hier anzuführen, dass z. B. eine Veränderung der Reichweite der zu ladenden Fahrzeuge von z. B. 50 km auf 100 km somit bei Veränderung der Leistungsgrößen, nämlich der doppelten Entnahmeleistung elektrischer Energie aus dem System durch die energiespeichernden und auch energieverbrauchenden Systemkompo nenten, hier die Bordbatterien der betroffenen Fahrzeuge, automatisch der Kennwert verschiebt zu einem ggf. näher am oder weiter weg vom Optimum liegenden Wert bei ansonsten unveränderten Leistungsgrößen der anderen

Systemkomponenten. Bei der Optimierung der Systemauslegung kann dies dann bedeuten, entweder die Kapazität der Pufferspeicher im System zu er- höhen, die Netzanschlussleistung und/oder auch eine andere Systemkom ponente in ihren Leistungsdaten anzupassen. Mittels des erfindungsgemä- ßen Systems kann nun auf einfache und schnelle Weise mittels der Auswer teeinheit eine Anpassung bei der Systemauslegung basierend auf der Optimierung eines Effizienzwertes vornehmen.

Der Effizienzwert kann zum Beispiel ein Wert sein, der die Kosten des Ge- samtsystems berücksichtigt. Würde bei dem vorausgehenden Beispiel z. B. die Netzanschlussleistung erhöht werden, diese Erhöhung aber mit höheren Kosten verbunden sein als eine vergleichbare Anpassung eines Pufferspei chers, so würde die Auswerteeinheit aus der Funktion des Effizienzwertes, welche eine Funktion diverser Variablen darstellt, z. B. mittels einer partiellen Ableitung die naheliegenden lokalen Maxima ermitteln können. Denkbar wä re es, dass sich zwei oder mehrere Maxima ergeben. So wäre z. B. denkbar, dass unter Berücksichtigung einer Sicherheitsreserve für andere Verbraucher sowohl die Netzanschlussleistung als auch die Pufferspeicherkapazität zu erhöhen wäre, das System aber auswertet, dass ein Systemoptimum da- durch erreicht werden würde, dass zusätzlich die Bereitstellung einer PV- Anlage zielführender ist. Denkbar wäre es auch, dass statt einer zunächst konfigurierten PV-Anlage sich nun eine Brennstoffzelle einer bestimmten Leistungsgröße besser eignen würde und das Gesamtsystem bei den anzu schließenden Verbrauchern und den Leistungsdaten für die Fahrzeugbatte- rien mit gewünschter Reichweite z. B. ohne einen Netzanschluss auskom- men würde.

Es hat sich gezeigt, dass es nicht möglich ist solche Systeme und deren Auslegung auf einfache Weise zu ermitteln, wenn man einen Systemparameter verändert. Mit dem erfindungsgemäßen Simulationsverfahren wird aber nicht nur eine Ermittlungsmethode bereitgestellt, sondern eine Systemsimulationsvorrichtung, die es möglich macht, die Energieflüsse und Kapazitäten zu erfassen. Damit wird es möglich automatisch eine optimierte Konfiguration mit einem besseren Effizienzwert zu ermittelt und dann Entscheidungsvariablen an einem Ausgabegerät für einen Anwender zur Verfügung gestellt wird. So wäre es z. B. denkbar, dass eine Konfiguration bei der Simulation ausgewertet würde, bei der ein erster Effizienzwert ein Maximum besitzt, z. B. die Herstell- und Betriebskosten, während eine andere Konfiguration einen anderen Effizienzwert maximiert hat, bei dem z. B. die höchste Betriebssicherheit bei dennoch niedrigen Kosten essentiell für die Auslegung des Systems ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Auswählen von zu mindestens den energieverbrau chenden Systemkomponenten eine Anzeige- und Eingabevorrichtung umfas sen, wobei die Eingabevorrichtung ferner eine Eingabemöglichkeit für das Eingeben von Variablen für wenigstens die Verbrauchswerte der energiever brauchenden Systemkomponenten und von Betriebsparametern von Systemkomponenten vorsieht, die für das Energieverteiler-und Versorgungssys tems vorgesehen sind.

Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Mittel ferner einen Da- tenspeicher mit einer Vielzahl von gespeicherten Funktionen und/oder Kenn linienfeldern repräsentierend die funktionale Abhängigkeit des Effizienzwer tes des Energieverteiler-und Versorgungssystems von der Veränderung ei ner Systemkomponente in Bezug auf die Dimensionierung der anderen Sys temkomponenten aufweist. Weiter bevorzugt ist es, wenn der Effizienzwert als eine Funktion von n Vari ablen vorgesehen ist, wobei ein Optimum des Effizienzwertes eine lokale Extremstelle dieser Funktion darstellt, vorzugsweise ermittelt durch die parti ellen Ableitungen der Funktion und die sich daraus ergebenden Maximalwertbedingungen bzw. Minimalwertbedingungen, d. h. grad (f) mit einer ent- sprechenden Nullstellenauswertung und der Auswertung ob der Verlauf der Funktion in Abhängigkeit der entsprechenden Variable um das lokale

Extremum herum konkav (Minimum) oder konvex (Maximum) verläuft. ln einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit für die Systemkomponenten jeweils Simulations- module verwendet, welche mindestens in ihren Leistungsdaten

parametrierbar sind. Dabei sind die Simulationsmodule so ausgelegt, dass diese die Systemkomponente im Gesamtsystem nach einem Simulationsmo- dell nachstellen.

Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass aus gespeicherten Daten eines Datenspeichers und erhaltenen bzw. eingelesenen Variablen eine bestimmte Konfiguration an Systemkomponenten und deren elektrischer Leistungsdaten und/oder elektrische Speicherkapazität ermittelt wird. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinheit zur Auswertung einen Algorithmus verwendet, der neben den in einem Datenspeicher hinterlegten Daten diejenigen Daten berücksichtigt, die dem System durch Eingabe mit geteilt wurden. Dabei ist es günstig, wenn bei der Konfiguration der Leis- tungsgrößen der Systemkomponenten mindestens die Leistungsgrößen der energieerzeugenden und energiespeichernden Systemkomponenten be stimmt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Effizienzwert einen Wert repräsentiert, welcher das Verhältnis von Gesamtkosten zur Erstellen und/oder zum Betrieb des Energieverteiler-und Versorgungssystems zu einem wirtschaftlichem Wert entsprechend der aus dem System kalkulatorisch entnommenen Leistung darstellt. So kann ein optimierter Effizienzwert z. B. 2 betragen, was bei dem vorgenannten Bei spiel bedeuten würde, dass es bei optimaler Systemauslegung möglich wäre mit gegenüber der geplanten Entnahme doppelten Kosten zu rechnen. Bei einer anderen ungünstigeren Systemauslegung wäre dieser Wert dann hö her.

Weiter vorteilhaft ist eine Ausgestaltung bei der wenigstens einer der ener gieerzeugenden Systemkomponenten einen Netzanschluss an ein öffentli- ches Stromnetzt darstellt, ausgebildet zum Einspeisen und zur Entnahme von elektrischer Energie mit einer variablen oder festen Netzanschlussleis tung. Bei dieser Systemgröße spielt es insbesondere eine Rolle, welche Kos ten für eine bestimmte Netzanschlussleistung zu berücksichtigen sind. Da in der Regel die Vergütung für eine Netzeinspeisung geringer ist, als umgekehrt die Kosten für Energieentnahme aus dem Netz, ist tendenziell eher eine niedrige Netzanschlussleistung wünschenswert. Es kann je nach Systemkomponenten auch der Fall sein, dass eine Simulation ein Optimum dort er mittelt, wo ein Netzanschluss gänzlich entfallen kann, da eine vollständig au- tarke Energieversorgung durch eine andere Systemkonfiguration möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Variable (VAR) Daten betreffend dem geografischen Standort, der geografischen Ausrichtung und der absoluten Position am Standort berücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Lösung bei der eine jeweils definierte (jedoch flexible) Anzahl n an Energieerzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen elektrischer Energie einer bestimmten Energiemenge, einer Anzahl k an Ladesäu len zum Einspeisen und zur Entnahme von Energie an oder aus einem Elekt rofahrzeug, einer Anzahl i an elektrischen Verbrauchern mit einer Nennleis- tung als Bestandteil des auszulegenden Energieverteiler-und Versorgungs systems zu berücksichtigen sind.

Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass als eine Variable eine, mehrere oder alle der folgenden festen oder zeitlich veränderlichen Parameter bei der Auslegung des Energieverteiler-und Versorgungssystems berücksichtigt werden: die Kosten der Systemkomponenten, eine vorgegebene Anzahl an energieverbrauchenden Systemkomponenten, statistische Wetterdaten, Geodäten, Stromkosten bei Bezug elektrischer Energie aus einem ange- schlossenen öffentlichen Netz, Einspeisevergütung, Speicherkapaziät der energiespeichernden Systemkomponenten und ein zeitlicher Verlauf einer angenommenen Entnahme elektrischer Energie durch jeweils die energieverbrauchenden Systemkomponenten.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn eine oder iterativ mehrere oder eine Viel- zahl an Schritten bei der Optimierung des Effizienzwertes des Energievertei- ler-und Versorgungssystems auf Basis eines Simulationsmodells mit einer bestimmten Konfiguration von Systemkomponenten erfolgt und das Simulati- onsmodell jeweils das Energieverteiler-und Versorgungssystem mit den da- raus gebildeten Systemkomponenten simuliert. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be- schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen: Fig. 1 eine beispielhafte Darstellung eines Energieverteiler-und Ver sorgungssystems;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung zur Erläuterung der

Ermittlung eines Optimums eines Energieverteiler-und Versor- gungssystems und Fig. 3 ein Simulationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 näher er- läutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.

In der Fig. 1 ist eine beispielhafte Darstellung eines Energieverteiler-und Versorgungssystems 10 gezeigt. Das Energieverteiler-und Versorgungssys- tems 10 bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespei- chernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten SYSi. Die Pfeile an den Verbindungslinien zeigen den möglichen Energiefluss. So kann z. B. aus den energieerzeugenden Systemkomponenten EN (z. B. eine PV-Anlage oder eine Brennstoffzelle) elektrische Energie über die zentrale Steuerung 20 zu den unterschiedlichen Verbrauchern Vi gelangen. Die Steuerung kann dabei den Energiefluss nach einer systemspezifischen Priorisierung vorneh men. Die Batterie B1 als ausschließlich energiespeichernde Systemkomponenten SYSi erlaubt z. B. einen bi-direktionalen Energiefluss beim Laden in Richtung der Batterie und beim Entladen aus der Batterie heraus zu einem Verbraucher oder auch ins Netz zur Generierung einer Einspeisevergütung bei z. B. variablem Stromtarif als eine Variable VAR des öffentlichen Netzes. Beispielhaft sind ferner zwei Ladesäulen LK mit einer Ladekapazität von je 350 kW mit angekoppelten Elektro-Fahrzeugen F gezeigt, in denen jeweils eine Batterie B2 bzw. B3 eingebaut ist. Sobald sich das Fahrzeug F in seiner Kopplungsposition mit der Ladesäule LK befindet, kann elektrische Energie geladen werden, aber auch überschüssige (gerade nicht benötigte) Energie in z. B. die Batterie B1 gespeichert werden oder Strom in das öffentliche Netz über den Netzanschluss N eingespeist werden, wenn es in der gesamtwirtschaftlichen Betrachtung sinnvoll ist. Alternativ kann z. B. auch elektrische Energie von der Batterie B2 des einen Fahrzeugs F in die Batterie B3 des anderen Fahrzeugs F direkt über ein Ladesäulenmanagement übertragen werden.

Um ein solches System ausgehend von bestimmten Leistungsparametern der Systemkomponenten SYSi und den Verbrauchern wirtschaftlich betrei- ben zu können, ist es aber zunächst in einem Auslegungsprozess erforder lich ein solches System mit dem erfindungsgemäßen Simulationssystem 1 , wie in der Figur 3 dargestellt, auszulegen und zu konfigurieren.

Hierzu weist das Simulationssystem 1 Mittel MA zum Auswählen von zu min destens den energieverbrauchenden Systemkomponenten SYSi (dargestellt mit den wegführenden Pfeilen) auf. Hier wurden in einem ersten Evaluie- rungsschritt zwei Ladesäulen, Verbraucher Vi mit einer Entnahmeleistung von 250 kW, ein Pufferspeicher P, eine PV-Anlage und ein Netzanschluss N vorgesehen, wobei zunächst offen bleibt, wie das System insgesamt betref- fend der Leistungen in kW und anderer Größen ausgelegt wird.

Nach Berücksichtigung der Eingaben der Variablen, wie z. B. Standort, Geodäten, Einspeisevergütung je kW, Stromkosten je KW, Kosten für Puffer speicher je KW, etc... ermittelt das Mittel MB die Bestimmung der Dimensi onsgrößen und der physikalischen Leistungsgrößen der erforderlichen Sys- temkomponenten SYSi für das Energieverteiler-und Versorgungssystems 10 abhängig von der getroffenen Auswahl der bisher getroffenen Auswahl an Systemkomponenten.

Die Auswerteeinheit A ist ausgebildet, nach einem systemischen, vorzugs weise iterativen Vergleich (weiter vorzugsweise unter Zuhilfenahme eines mehrstufigen Algorithmus) die Anlagenkonfiguration anhand eines ausge wählten Effizienzwertes Eff zu optimieren.

Mittels eines Datenmodells und eines Simulationsmodell werden für den Effizienzwert„minimale Gesamtkosten“ entsprechende Systempunkte im mehr dimensionalen Raum ermittelt, wie die Bildung eines Gradienten mit Berück- sichtigung des Umgebungsraumes oder mithilfe der Lösung über eine Hessematrix oder alternativer Extremwert-Ermittlungsmethoden, wie zum Bei spiel dem Gradientenabstiegsverfahren oder vergleichbare Verfahren auf prinzipiell folgender Basis:

Für das gesuchte Extrema der Funktion Eff: D R wird ein Umgebungsraum definiert. Hierzu verwendet man die Nachbar schaftsfunktion N(Eff), die jedem Punkt die Menge seiner Nachbarn zuord- net, somit N: D— >· P (D) mit der Potenzmenge P.

Der Effizienzwert Eff hat dann dort ein Extremum bzw. Maximum, wo f₀ ein Punkt aus der Menge D ist und

Eff (f) < Eff(f₀) für alle Nachbarn f e N(f₀). Hierzu wird beispielhaft auf die Figur 2 verwiesen. Der Effizienzwert

Eff = Eff (Var 1 , Var 2) ist dort an einem Maximum für die beiden Variablen Varl , Var 2, wo alle Nachbarn aus der Menge der Nachbarschaftsfunktion mit der o.g. Bedin- gung. Erfindungsgemäß kann dabei vorgesehen sein, dass nicht das absolu- te Optimum bzw. Maximum ermittelt wird, sondern ein um Umgebungsraum um diesen Punkt, um einen zulässigen Optimierungsbereich (Soll- Optimierungsbereich) zu definieren.

Der Datenraum ist ein diskretes oder kontinuierliches Spektrum aus variablen Kennlinien (auch als Kennfeld bezeichnet), wobei sich die Kennlinien in Ab- hängigkeit der Variablen ändern. So ist z. B. die Variable:

Einspeisevergütung definiert als eine Funktion EV = EV (t, kW) somit eine zeitabhängige und von der Einspeiseleistung (z. B. 200 kW) abhängige Funk- tion bzw. Variable. In analoger Weise verhält es sich mit den anderen Variab len. So ist z. B. die energetische Ausbeute der PV-Anlage eine Funktion in Abhängigkeit von mehreren Faktoren wie Standort, Wetterdaten, Ausrichtung der PV-Module, Verschattungsfaktor, etc.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auch die zentrale Steuerung 20 im Simulationssystem 1 simuliert, so dass eine Gesamtsystemsimulation mit den energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) erfolgt. lm Simulationsmodell werden aus dem mehrdimensionalen Datenmodell für die einzelnen Variablen entsprechende Dimensionierungen der Systemkom ponenten SYSi ermittelt, so dass sich mittels des Simulationssystems, bei dem diese Systemkomponenten simuliert werden, sukzessive im iterativen Optimierungsprozess durch Verändern der jeweiligen Variablen im Nachbar- schaftsfunktionsraum hin zu den jeweils lokalen Extrema im Ergebnis diejenigen Systemgrößen für die einzelnen Systemkomponenten SYSi ermitteln lassen, für die der Effizienzwert Eff ein Maximum besitzt. Beispielhaft ist dies in Figur 3 durch den unteren Teil dargestellt, welcher das auf diese Weise optimierte lediglich beispielhafte Energieverteiler-und Versorgungssystem 10 repräsentiert. Mittels einer Ausgabeeinheit lassen sich dann die Systemdaten und Leistungsdaten der ermittelten einzelnen Systemkomponenten SYSi ausgeben und bevorzugt mittels einer Anlagensimulation visualisieren. So könnte z. B. ermittelt werden, dass die PV-Anlage mit einer Leistung von 1500 KW, zusammen mit einem Netzanschluss von 500 KW sowie einem Pufferspeicher von 600 KW zusammen mit den Leistungsdaten der weiteren o.g. Systemkomponenten SYSi ein Optimum für die geografische Lage, die Verbraucher, die vorzufindende Einspeisevergütung, etc. darstellt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Es kann z. B. vorgesehen sein, dass nicht nur der Energieversorger (Grid) in dem System Energie gegen Bezahlung anbieten ( f(t,€) ), sondern, dass die die Elektrofahrzeuge ihren überschüssigen gespeicherten Strom anbieten können. Ebenfalls wäre es denkbar, dass bei Leasingfahrzeugen der Automobilhersteller den Strom anbieten wird. D.h. entweder der Fahrer oder der Hersteller wird einen Strompreis für den Energieinhalt der Energie im Fahr zeugspeicher festlegen können und diese Energie gegen Bezahlung bzw. Verrechnung im System zur Verfügung stellen. Auf diese Weise lässt sich ein dynamisches System bereit stellen, bei dem abhängig vom spezifischem Angebot und der Nachfrage nach Energie, die Energie aus demjenigen Speicher entnommen werden kann, bei dem der zu diesem Zeitpunkt günstigste Energiepreis bereit gestellt wird. Alternativ kann das Regelungssystem auch so eingestellt sein, dass bei Eintreten einer be- stimmten Bedingung (zum Beispiel: Energiepreis unterhalb oder oberhalb eines bestimmten Werts) im System ein Ladevorgang oder ein

Entladevorgang startet bzw. stoppt.

Funktional ausgedrückt bedeutet dies, dass in die Funktion f(t,€) nicht nur ein Energieversorger über den Netzanschluss als Variable bzw. als Parameter eingeht, sondern beliebige weitere Energielieferanten, die mit dem System verbunden sind oder verbindet, in der Funktion f(t,€, n1 ,... ,ni) zur Regelung berücksichtigt werden, wobei die Parameter n1 bis ni dabei repräsentativ für die Variablen stehen.

Claims

Patentansprüche

1. Simulationssystem (1) zur optimierten Auslegung eines Energievertei- ler-und Versorgungssystems (10) bestehend aus einer Vielzahl an energieerzeugenden, energiespeichernden und energieverbrauchen- den Systemkomponenten (SYSi) in wenigstens einem Effizienzwert

(Eff) einer physikalischen oder wirtschaftlichen Größe, umfassend einer zentrale Steuerung (20), ferner aufweisend: a. Mittel zum Auswahlen von zu mindestens den energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi); b. Mittel zur Bestimmung der Dimensionsgrößen und/oder der phy- sikalischen Leistungsgrößen der erforderlichen Systemkomponenten (SYSi) für das Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) abhängig von der getroffenen Auswahl von einzelnen, meh- reren oder allen Systemkomponenten (SYSi) und/oder Variablen (VAR) entsprechend deren physikalischer Größen, c. wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist nach einem systemischen, vorzugsweise iterativen Vergleich eines ausgewerteten Effizienzwertes (Eff) mit in einem Datenspeicher hinterlegten Kennwert, repräsentierend für einen Effizienz- wert (Eff) eines aus diesen Systemkomponenten gebildeten Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) die Ermittlung der Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen bei Bedarf so anzupassen, dass der jeweils darauf basierende Effizienzwert (Eff) im Bereich eines lokalen oder absoluten Ma- ximums oder Minimums oder in einem definierten Soll- Umgebungsbereich davon liegt.

2. System gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kennwert ein Wert aus einem Kennfeld oder Datenraum darstellt, wel- ches diejenigen Kennlinien oder Funktionen umfasst, die jeweils eine Permutation der möglichen Kombination jeweiliger Systemkomponenten (SYSi) jeweils unterschiedlichster Dimensionsgrößen und/oder der physikalischen Leistungsgrößen und/oder komponentenspezifischen

Variablen (VAR) darstellt.

3. System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Auswählen von zu mindestens den energieverbrau- chenden Systemkomponenten (SYSi) eine Anzeige- und Eingabevor- richtung (40) umfasst, wobei die Eingabevorrichtung ferner eine Ein- gabemöglichkeit für das Eingeben von Variablen (VAR) für wenigstens die Verbrauchswerte (PLK, Pvi, ) der energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi) und von Betriebsparametern von Systemkompo- nenten (SYSi) vorsieht, die für das Energieverteiler-und Versorgungs- Systems (10) vorgesehen sind.

4. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Mittel ferner einen Datenspeicher (30) mit einer Vielzahl von gespeicherten Funktionen und/oder Kennlinienfeldern repräsentierend die funktionale Abhängigkeit des Effizienzwertes (Eff) des Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) von der Verände- rung einer Systemkomponente (SYSi) in Bezug auf die Dimensionierung der anderen Systemkomponenten (SYSi) aufweist.

5. System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Effizienzwert (Eff) eine Funktion von n Variablen ist, wobei ein Optimum des Effizienzwertes eine lokale Extremstelle dieser Funktion darstellt, vorzugsweise ermittelt durch die partiellen Ableitungen der Funktion.

6. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit für die Systemkomponenten (SYSi) jeweils Simulationsmodule und/oder Simulationsmodelle ver- wendet, welche mindestens in ihren Leistungsdaten parametrierbar sind.

7. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus gespeicherten Daten eines Datenspeichers (30) und erhaltener Variablen (VAR) eine bestimmte Konfiguration an Systemkomponenten (SYSi) und deren elektrische Leistungsdaten und/oder elektrische Speicherkapazität ermittelt wird.

8. System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Auswertung eine Algorithmus verwendet, der neben den in einem Datenspeicher hinterlegten Daten diejenigen Daten berücksichtigt, die dem System durch Eingabe mitgeteilt wurden.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Konfiguration der Leistungsgrößen der Systemkomponenten (SYSi) mindestens die Leistungsgrößen der energieerzeugenden und energiespeichernden Systemkomponenten (SYSi) bestimmt werden.

10. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Effizienzwert (Eff) ein Wert repräsentiert, wel- che das Verhältnis von Gesamtkosten zur Erstellen und/oder zum Be- trieb des Energieverteiler-und Versorgungssystems (10) zu einem wirtschaftlichem Wert entsprechend der aus dem System kalkulato- risch entnommenen Leistung darstellt.

11. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der energieerzeugenden System- komponenten (SYSi) einen Netzanschluss an ein öffentliches Stromnetzt darstellt, ausgebildet zum Einspeisen und zur Entnahme von elektrischer Energie mit einer variablen oder festen Netzanschlussleis- tung.

12. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass als eine Variable (VAR) Daten betreffend dem ge- ografischen Standort, der geografischen Ausrichtung und der absoluten Position am Standort berücksichtigt werden.

13. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine jeweils definierte Anzahl n an Energieerzeugungsvorrichtungen (En) zum Erzeugen elektrischer Energie einer be stimmten Menge (PEN) , einer Anzahl k an Ladesäulen (Lk) zum Einspeisen und zur Entnahme von Energie (PLK) an oder aus einem Elektrofahrzeug, einer Anzahl i an elektrischen Verbrauchern (Vi) mit einer Nennleistung von (P_Vj) als Bestandteil des auszulegenden Ener- gieverteiler-und Versorgungssystems zu berücksichtigen sind.

14. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass als eine Variable (VAR) eine, mehrere oder alle der folgenden festen oder zeitlich veränderlichen Parameter bei der Auslegung des Energieverteiler-und Versorgungssystems berücksich tigt werden: die Kosten der Systemkomponenten (SYSi), eine vorge gebene Anzahl an energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi), statistische Wetterdaten, Geodäten, Stromkosten bei Bezug elektrischer Energie aus einem angeschlossenen öffentlichen Netz, Einspeisevergütung, Speicherkapaziät der energiespeichernden Systemkomponenten (SYSi) und ein zeitlicher Verlauf einer angenommenen Entnahme elektrischer Energie durch jeweils die energieverbrauchenden Systemkomponenten (SYSi).

15. System (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder iterativ mehrere oder eine Vielzahl an Schritten bei der Optimierung des Effizienzwertes (Eff) des Energie- verteiler-und Versorgungssystems (10) auf Basis eines Simulations- modells mit einer bestimmten Konfiguration von Systemkomponenten

(SYSi) erfolgt und das Simulationsmodell jeweils das Energieverteiler- und Versorgungssystem (10) mit den daraus gebildeten Systemkom- ponenten (SYSi) simuliert.

16. System (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne oder alle energieerzeugenden und energiespeichernden oder Energie bereitstellenden Systemkomponenten (SYSi) feste Parameter oder sich ändernde Variablen, abhängig von ebenfalls bestimmbaren Bedingungen, im System hinterlegt werden, und einzelne oder alle dieser Parameter bzw. Variablen in der Auswerte Einheit bei der Simulation im Simulationsmodell verarbeitet oder berücksichtigt werden.