DE102011055227A1

DE102011055227A1 - Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung

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Publication number: DE102011055227A1
Application number: DE201110055227
Authority: DE
Inventors: Dr. Markowz Georg; Wolfgang Schweissthal; Carsten Kolligs; Dr. Anna Flemming; Dennis Gamrad; Dr. Sébastien Cochet
Original assignee: Evonik Degussa GmbH; Evonik Industries AG; Steag Power Saar GmbH
Current assignee: Steag Power Saar GmbH; Evonik Operations GmbH
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-16
Also published as: US20140306527A1; WO2013068247A3; EP2777119A2; WO2013068247A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, wobei ein Energieerzeuger und ein Energieverbraucher gemeinsam betrieben werden, wobei die Leistung, die der Energieverbraucher dem Stromnetz entnimmt, gedrosselt wird um eine positive Regelleistung bereitzustellen und die Leistung, die der Energieerzeuger ins Stromnetz einspeist, gedrosselt wird, um eine negative Regelleistung bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Stromnetze werden verwendet, um Strom in großen Gebieten auf viele Nutzer zu verteilen und Haushalte und Industrie mit Energie zu versorgen. Energieerzeuger meist in Form von Kraftwerken stellen dazu die benötigte Energie bereit. In der Regel wird die Stromerzeugung auf den prognostizierten Verbrauch hin geplant und bereitgestellt.
Sowohl beim Erzeugen als auch dem Verbrauchen von Energie kann es jedoch zu ungeplanten Schwankungen kommen. Diese können auf der Energieerzeugerseite beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Kraftwerk oder ein Teil des Stromnetzes ausfällt oder zum Beispiel im Fall erneuerbarer Energien wie Wind, dass die Energieerzeugung höher ausfällt als prognostiziert. Auch bezüglich der Verbraucher kann es zu unerwartet hohen oder niedrigen Verbräuchen kommen. Der Ausfall eines Teils des Stromnetzes beispielsweise, der einige Verbraucher von der Energieversorgung abschneidet, kann zu einer plötzlichen Reduzierung des Stromverbrauchs führen.
Dies führt im Allgemeinen dazu, dass es in Stromnetzen durch ungeplante und/oder kurzfristige Abweichungen von Leistungserzeugung und/oder -verbrauch zu Schwankungen der Netzfrequenz kommt. Die gewünschte Wechselstromfrequenz beträgt beispielsweise in Europa 50,000 Hz. Diese Frequenz wird häufig auch als Sollfrequenz bezeichnet. Eine Verringerung des Verbrauchs gegenüber dem Plan führt zu einer Erhöhung der Frequenz bei planmäßig erzeugter Leistung durch die Energieerzeuger, gleiches gilt für eine Erhöhung der Stromproduktion gegenüber dem Plan bei planmäßigem Verbrauch. Eine Verringerung der Leistung gegenüber dem Plan der Energieerzeuger 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, wie z. B. Kraftwerken, und/oder Abschalten von Verbrauchern oder negative Regelleistung durch Abschalten von Erzeugern und/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 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 an 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 Netzfrequenz 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 beziehungsweise 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 Regelenergie 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, gegebenenfalls über einen theoretisch unbegrenzten Zeitraum.
Für eine langfristige Bereitstellung von Regelleistung müssen die erforderlichen Regelleistungs-Quellen also im Allgemeinen in Teillast betrieben werden, um je nach Bedarf zusätzliche Energie aufnehmen oder abgeben zu können. Sollte beispielsweise ein Kraftwerk eingesetzt werden, so müsste dies in Teillast gefahren werden, um bei Bedarf auch zusätzliche positive Regelleistung bereitstellen zu können. Analog müsste ein Verbraucher in Teillast gefahren werden, um bei Anforderung zusätzlicher negativer Regelleistung die Last erhöhen zu können.
Diese Teillastfahrweisen sind in der Regel nachteilig. Bei den meisten konventionellen Kraftwerken (z. B. Steinkohlekraftwerke oder Gaskraftwerke) führt der Teillastbetrieb zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Stromerzeugung und höheren spezifischen Emissionen. Außerdem entstehen bei reduzierter Nutzung der Kapazität erhöhte spezifische Fixkosten. Bei Verbrauchern, die in Teillast betrieben werden, reduziert sich die Produktivität und ebenfalls der Wirkungsgrad. Eine Elektrolyseanlage, die für die chemische Produktion eingesetzt wird, hat entsprechend der Lastreduktion eine geringere Produktivität und es wird nur ein geringerer Anteil der verbrauchten Energie in das Produkt umgesetzt, das heißt, dass für die gleiche Produktmenge eine größere Menge Energie benötigt wird.
Nachteilig ist also, dass für die Vorhaltung des Regelvermögens diese Quellen meist in Teillast gefahren werden und nur, wenn sie gerade maximale Regelleistung erbringen, in Volllast betrieben werden können und somit die Einbußen entsprechend hoch sind.
Die US 2006/122738 A1 offenbart ein Energiemanagementsystem umfassend einen Energieerzeuger und einen Energiespeicher, 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, seine 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 abgefangen werden.
Ferner ist es 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 Bereich 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.
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 minimale Kapazität eines Akkumulators bestimmt, damit dieser nach den europäischen Normen (grid code) Regelleistung bereitstellen kann.
Aus der DE 10 2008 002 839 A1 ist es bekannt, Energieverbraucher in Form von Fahrstühlen derart zu betreiben, dass nicht gebrauchte Fahrstühle einer ganzen Region zur Bereitstellung von negativer Regelleistung in obere Stockwerke gefahren werden. Wenn also negative Regelleistung benötigt wird, wird die Leistung eines Verbrauchers erhöht.
Aus der DE 10 2009 018 126 A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung bekannt, bei dem ein brennbares Gas mit erneuerbaren Energien erzeugt und gespeichert wird. Das brennbare Gas kann dabei genau in Zeiträumen mit hoher residualer Last des Stromnetzes rückverstromt werden. Dabei wird also die Leistung eines Gaskraftwerks erhöht, wenn eine positive Regelleistung angefordert wird. Nachteilig ist hieran, dass das Gaskraftwerk nur bei einer vollen Regelanforderung bei hoher Leistung und damit bei hohem Wirkungsgrad betrieben wird, also nur in seltenen Fällen.
Nachteilig ist hieran also, dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, Energieerzeuger oder Energieverbraucher zur Bereitstellung von Regelleistung möglichst genauso effizient, wie im Betrieb zur Bereitstellung von Leistung ohne Regelung und damit bei Best möglichem Wirkungsgrad, und auch über längere Zeit zu betreiben, um Regelleistung zur Stabilisierung des Stromnetzes zur Verfügung zu stellen. Die Überdimensionierung ist in jedem Fall unwirtschaftlich.
In Anbetracht des Stands der Technik ist es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem Regelleistung bereitgestellt wird zur Verfügung zu stellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere soll es hierbei ermöglicht werden Regelleistung mittels Energieerzeugern oder Energieverbrauchern bereitzustellen, die bei möglichst optimalen Bedingungen, ganz besonders bei möglichst hohem Wirkungsgrad, betrieben werden können. So sollen auch die Regelleistungslieferanten eine möglichst effiziente Energieausbeute aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll möglichst außerdem dazu geeignet sein, die notwendige Regelleistung möglichst schnell bereitzustellen.
Insbesondere sollen die Energieerzeuger oder Energieverbraucher unabhängig von der Höhe und Richtung der Abweichung der Netzfrequenz gezielt eine ausreichende Menge an positiver oder negativer Regelleistung bereitstellen können. Dadurch können der Energieerzeuger und der Energieverbraucher als Regelleistungslieferant betrieben werden.
Weiterhin sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können.
Darüber hinaus 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 nach folgenden Beschreibung, Beispiele und 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 Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird werden in den Unteransprüchen 2 bis 9 unter Schutz gestellt. Ferner hat Patentanspruch 10 eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand, während zweckmäßige Abwandlungen dieser Vorrichtung in den Unteransprüchen 11 und 12 unter Schutz gestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Energieerzeuger und ein Energieverbraucher gemeinsam betrieben werden, wobei die Leistung, die der Energieverbraucher dem Stromnetz entnimmt, gedrosselt wird, um eine positive Regelleistung bereitzustellen und die Leistung, die der Energieerzeuger ins Stromnetz einspeist, gedrosselt wird, um eine negative Regelleistung bereitzustellen.
Unter einem gemeinsamen Betreiben des Energieerzeugers und des Energieverbrauchers ist vorliegend zu verstehen, dass beide nicht unabhängig voneinander betrieben werden, sondern über eine gemeinsame Steuerung gesteuert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können des Weiteren unter anderem die folgenden Vorteile erzielt werden:
Hierdurch gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz zu realisieren, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere wird es hierbei ermöglicht Regelleistung mittels Energieerzeugern und Energieverbrauchern bereitzustellen, die vorwiegend bei optimalen Bedingungen, wie z. B. bei hohem Wirkungsgrad, betrieben werden.
Außerdem weisen die Energieerzeuger und Energieverbraucher eine effizientere Energieausbeute als Regelleistungslieferanten auf, als herkömmliche einzeln oder unabhängig voneinander eingesetzte Energieerzeuger und Energieverbraucher zur Bereitstellung von Regelleistung.
Insbesondere können die Energieerzeuger und Energieverbraucher unabhängig von dem Betrag und dem Vorzeichen der Abweichung der Netzfrequenz gezielt eine ausreichende Menge an positiver oder negativer Regelleistung bereitstellen.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren mit relativ wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.
Unter einer Drosselung eines Energieerzeugers beziehungsweise eines Energieverbrauchers versteht man erfindungsgemäß eine Reduzierung der Leistung, die dem Stromnetz zugeführt beziehungsweise entnommen wird. Hierbei ist es im Unterschied zum bekannten Stand der Technik entscheidend, dass bei einem Bedarf an positiver Regelleistung im Stromnetz nicht der Energieerzeuger in seiner Leistung gesteigert wird, sondern der Energieverbraucher in seiner Leistung reduziert wird. Umgekehrt verhält es sich bei einem Bedarf an negativer Regelleistung, wobei nicht, wie im Stand der Technik bekannt, der Energieverbraucher in seiner Leistung gesteigert wird, sondern der Energieerzeuger in seiner Leistung reduziert wird.
Durch diesen gemeinsamen Betrieb eines Energieerzeugers und eines Energieverbrauchers wird in überraschender Weise ein Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz, bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, zur Verfügung gestellt, welches nicht den Betrieb von Energieerzeugern und/oder Energieverbrauchern umfasst, die sich, wenn keine Regelleistungsanforderung gefordert ist, im Teillastbetrieb betrieben werden müssen, um bei einer Regelleistungsanforderung die notwendige Regelleistung durch eine Leistungssteigerung für ein Stromnetz liefern zu können.
Statt des standardmäßigen häufigen Teillastbetriebs fahren diese Energieerzeuger bzw. Energieverbraucher nur noch bei Anforderung – und damit in Summe deutlich weniger – in Teillast und verursachen dementsprechend deutlich geringere, teillastbetriebsbedingte Einbußen, wie z. B. zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Stromerzeugung, einer verringerten Produktivität und/oder höheren spezifischen Emissionen. Außerdem entstehen bei reduzierter Nutzung der Kapazität erhöhte spezifische Fixkosten.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk, und/oder als Energieverbraucher eine industrielle Produktionsanlage, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder eine industrielle Produktionsanlage zur Bereitstellung eines Metalls, vorzugsweise von Aluminium oder von Stahl, verwendet wird.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung soll es sich bei den Energieerzeugern und bei den Energieverbrauchern um Einrichtungen handeln, die auf der Basis der Höhe der bereitgestellten Regelleistung zu den Großanlagen im industriellen Sinne gezählt werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Dampfkraftwerk, ein Kohlekraftwerk, ein Kernkraftwerk, ein Ölkraftwerk, ein Sonnenwärmekraftwerk, ein Gas- und Dampf-Kombikraftwerk (GuD-Kraftwerk), ein Biomasseheizkraftwerk, ein Gasturbinenkraftwerk, ein Stromerzeugungsaggregat, ein Wasserkraftwerk, ein Geothermiekraftwerk und/oder eine Kraft-Wärme-Kopplung zum Einsatz gelangen kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher eine maximale Leistung von zumindest 1 MW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 10 MW, besonders bevorzugt zumindest 100 MW.
Zu den Energieverbrauchern können bevorzugter Weise die großen metallurgischen Anlagen zur Aufreinigung von Kupfer oder anderen Metallen als auch jene industriellen Produktionsanlagen, die einen großen Energiebedarf aufweisen, gehören.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und der Energieverbraucher bei einem relativen Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieerzeugers oder Energieverbrauchers von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betrieben werden, wenn keine Regelleistung bereitgestellt wird.
Hierdurch soll verdeutlicht werden, dass in dieser bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Energieerzeuger bei der Bereitstellung von positiver Regelleistung mit unvermindertem Wirkungsgrad weiterbetrieben werden kann, während die positive Regelleistung durch die Drosselung der Leistung des Energieverbrauchers bereitgestellt wird. Entsprechendes gilt für den umgekehrten Fall der Bereitstellung von negativer Regelleistung, wobei der Energieverbraucher mit unvermindertem Wirkungsgrad weiterbetrieben wird, während die negative Regelleistung mittels einer Leistungsdrosselung des Energieerzeugers bereitgestellt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann es ferner vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger außer bei der Bereitstellung von negativer Regelleistung in Volllast betrieben wird und/oder der Energieverbraucher außer bei der Bereitstellung von positiver Regelleistung in Volllast betrieben wird.
Überraschende Vorteile zeigen sich insbesondere in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, vorzugsweise ein Li-Ionen-Akkumulator, oder ein Pool von Energiespeichern gemeinsam mit dem Energieerzeuger und dem Energieverbraucher betrieben wird und der Energiespeicher, insbesondere der Akkumulator, derart betrieben wird, dass er bei der Bereitstellung von positiver und/oder negativer Regelleistung gegenüber dem Energieverbraucher und dem Energieerzeuger priorisiert wird, wobei vorzugsweise der Energiespeicher, insbesondere der Akkumulator, eine Kapazität von zumindest 4 kWh besitzt, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
Die Kapazität elektrochemischer Energiespeicher kann dabei bei zumindest 40 Ah, bevorzugt bei zumindest 1 kAh liegen. Bei Verwendung von Speichern, die auf elektrochemischen Elementen beruhen, insbesondere Akkumulatoren, kann dieser Speicher vorteilhaft mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Wasserstofferzeuger und -speicher mit Brennstoffzelle, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk, ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator und/oder ein Batteriespeicherkraftwerk, besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator Es kann auch vorgesehen sein, dass Kombinationen („Pools“) von Energiespeichern, insbesondere solcher Energiespeicher verwendet werden.
Der Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden.
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, Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren, Natrium-Ionen Akkumulatoren und Kalium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, werden Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und/oder Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet.
Das Verhältnis von Nennleistung des Energiespeichers zur maximalen Leistung der Regelenergielieferanten kann vorzugsweise im Bereich von 1:10000 bis 10:1, besonders bevorzugt im Bereich von 1:1000 bis 1:1 liegen.
Auch kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher eine Kapazität von zumindest 4 kWh besitzt, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
Besonders vorteilhaft kann es weiterhin sein, wenn im Falle der zusätzlichen Verwendung eines Energiespeichers, insbesondere eines Akkumulators, sowohl die Kapazität und/oder die Energiespeicherfähigkeit des Energiespeichers, insbesondere des Akkumulators, an die maximale Leistung und/oder die maximale zeitliche Änderung der Leistung des Energieverbrauchers und/oder des Energieerzeugers angepasst wird.
Bevorzugt kann es diesbezüglich sein, dass der Energiespeicher, insbesondere der Akkumulator, zum Verhindern von Überschwingern über die Nennleistung und/oder zum Beschleunigen der zeitlichen Änderung der Leistung bei einer Änderung der bereitzustellenden Regelleistung verwendet wird.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die präqualifizierte Leistung des Energieerzeugers der präqualifizierten Leistung des Energieverbrauchers entspricht.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass die ans Stromnetz abgebbare Leistung des Energieerzeugers und/oder die aus dem Stromnetz aufnehmbare Leistung des Energieverbrauchers sich innerhalb von 15 Minuten, vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, um zumindest 70% ändern lässt, vorzugsweise um zumindest 85%, besonders bevorzugt um zumindest 95%, insbesondere zusammen mit einem Akkumulator.
In einer bevorzugten Ausführungsform kommt als drosselbarer Verbraucher ein Gleichstromverbraucher wie beispielsweise eine Elektrolyse zum Einsatz. In diesem Fall kann ein Akkumulator vorteilhaft in den Gleichstromzwischenspannungskreis des Verbrauchers eingebunden werden, so dass der Aufwand für die Leistungselektronik entfällt oder geringer ausfallen kann.
Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zumindest einen Energieerzeuger, zumindest einen Energieverbraucher und eine Steuerung zum Steuern oder Regeln der Leistung der Energieerzeuger und Energieverbraucher, wobei die Energieerzeuger und Energieverbraucher derart an ein Stromnetz angeschlossen sind, dass durch die Vorrichtung Energie ins Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar ist.
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.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass die Steuerung dazu ausgelegt ist, dass zu jedem Zeitpunkt der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher mit einem hohem Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieerzeugers oder Energieverbrauchers betreibbar sind, insbesondere mit einem Wirkungsgrad von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betreibbar sind.
Bevorzugt kann es ferner sein, dass die Vorrichtung einen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator, umfasst, der derart an das Stromnetz angeschlossen ist, dass aus dem Energiespeicher, insbesondere aus dem Akkumulator, Energie ins Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar ist.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch den gemeinsamen Betrieb eines Energieerzeugers und eines Energieverbrauchers und durch die Reduzierung der erzeugten Leistung zur Bereitstellung von negativer Regelleistung und die Reduzierung der verbrauchten Leistung zur Bereitstellung von positiver Regelleistung gelingt, sowohl den Energieerzeuger als auch den Energieverbraucher zumeist bei hohen Wirkungsgraden und damit deutlich produktiver zu betreiben, als dies bisher der Fall ist. Unter der Annahme, dass nur zu 50% der Zeit überhaupt Regelleistung zur Verfügung gestellt werden muss, können der Energieerzeuger und der Energieverbraucher auch in 50% der Zeit, das heißt doppelt so lange wie bisher, bei einem hohen, vorzugsweise bei einem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden. Dadurch wird die Produktivität erhöht.
Insbesondere im Bereich der Primärregelleistungsbereitstellung werden als Alternativen zu konventionellen Energieerzeugern und Energieverbrauchers zunehmend Batteriespeicher beziehungsweise Akkumulatoren vorgeschlagen. Nachteilig wirken sich im Allgemeinen bei Batteriespeichern beziehungsweise Akkumulatoren aus:

• Auf Grund der Verluste beim Ein- und Ausspeichern von Energie erfolgt bei statistisch symmetrischer Abweichung der Netzfrequenzen vom Sollwert durch den Betrieb früher oder später eine Entleerung der Ladung des Akkumulators. Es ist daher erforderlich, den Speicher mehr oder weniger regelmäßig gezielt aufzuladen. Eventuell muss dieser Ladestrom separat bezahlt werden.
• Eine konsequente Einhaltung der Leitlinien zur Präqualifizierung von Primärregeltechnologien erfordert die Bereithaltung entsprechender Leistungsreserven zu jedem beliebigen Betriebszeitpunkt und damit zu jedem Ladungszustand des Speichers. Diese Anforderung (in Deutschland aktuell: die vermarktete Primärregelleistung über eine Dauer von 15 min) führt dazu, dass eine entsprechende, Investitionskosten-erhöhende Kapazität des Energiespeichers vorgehalten werden muss. Tatsächlich würde diese Reserve (statistisch bedingt) nur sehr selten genutzt werden.
• Die Analyse von realen Frequenzverläufen zeigt, dass mitunter beträchtliche Energiemengen monoton ein- oder ausgespeist werden. Dies führt bei gegebener Speicherkapazität zu entsprechend hoher Ladezustandsänderung. Große Ladezustandsänderungen wiederum führen tendenziell zu schnellerer Alterung als geringe Ladezustandsänderungen. Entweder erreicht der Energiespeicher somit eher sein Lebensende und muss eher ausgetauscht werden, oder die Kapazität ist à priori zu erhöhen, um die relative Ladezustandsänderung zu reduzieren. Beides führt zu einer Erhöhung der Investitionskosten.

Der Ladezustand entspricht im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge“, SOC) oder dem Energiegehalt (engl.: State-of-Energie, SoE).
Aus diesen Gründen kommt erfindungsgemäß auch der Betrieb eines Pools aus dynamischen Energiespeichern, insbesondere Akkumulatoren und konventionellen Quellen zur Bereitstellung von Regelleistung in Betracht, die größere positive und/oder negative Regelleistungen bereitstellen können. Sollte beispielsweise ein Kraftwerk in Kombination mit einem Akkumulator eingesetzt werden, so müsste dies in Teillast gefahren werden, um bei Bedarf auch zusätzliche positive Regelleistung bereitstellen zu können. Erfindungsgemäß ist dies jedoch nicht mehr notwendig.
Erfindungsgemäß können nunmehr also auch Akkumulatoren in einer Kombination mit Energieerzeugern und Energieverbrauchern eingesetzt werden, wobei die oben angeführten Nachteile überwunden werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden mehrere Energiespeicher gepoolt und in erfindungsgemäßer Verfahrensweise betrieben. Die Größe der Energiespeicher innerhalb des Pools kann dabei variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei den verschiedenen Energiespeichern eines Pools bei der Ausnutzung von Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband, der Wechsel von einer Parametereinstellung auf eine andere nicht synchron, sondern gezielt zeitlich versetzt vorgenommen, um etwaige Störungen im Netz möglichst gering oder zumindest tolerabel zu halten.
Unter der Toleranz bezüglich des Betrags der bereitgestellten Regelleistung und der Toleranz bei der Bestimmung der Frequenzabweichung usw. ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass vom Netzbetreiber, aufgrund technischer Rahmenbedingungen, wie der Messgenauigkeit beim Bestimmen der erbrachten Regelleistung oder der Netzfrequenz, gewisse Abweichungen zwischen einer idealen Sollleistung und der tatsächlich erbrachten Regelleistung akzeptiert werden. Die Toleranz kann vom Netzbetreiber gewährt sein, könnte aber auch einer gesetzlichen Vorgabe entsprechen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform variieren die bei den verschiedenen Verfahrensweisen genutzten Toleranzen, insbesondere der Wahl der Bandbreite im Totband abhängig von der Tageszeit, dem Wochentag oder der Jahreszeit. Zum Beispiel können in einem Zeitraum von 5 min vor bis 5 min nach dem Stundenwechsel Toleranzen enger definiert werden. Dies ist darin begründet, dass hier oft sehr rapide Frequenzänderungen stattfinden. Es kann im Interesse der Übertragungsnetzbetreiber liegen, dass hier geringere Toleranzen vorliegen und damit die Regelenergiebereitstellung sicherer im Sinne von schärfer erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Rahmen der Vorgaben zur Erbringung von Regelleistung vorgesehen sein, dass durch den Energiespeicher insbesondere mehr Energie aus dem Netz aufgenommen als eingespeist wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Verfahrensweise bevorzugt sehr viel negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen gemäß den Regularien einschließlich der zuvor dargelegten Vorgehensweise bevorzugt nur die mindestens zugesicherte Leistung an positiver Regelleistung erbracht wird. Vorzugsweise wird durchschnittlich mindestens 0,1 % mehr an Energie aus dem Netz entnommen als eingespeist, insbesondere mindestens 0,2 %, bevorzugt mindestens 0,5 %, besonders bevorzugt mindestens 1,0 %, speziell bevorzugt 5%, wobei diese Werte auf einen Durchschnitt bezogen sind, der über einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten, vorzugsweise mindestens 4 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 24 Stunden und speziell bevorzugt mindestens 7 Tage gemessen wird, und sich auf die eingespeiste Energie beziehen.
Hierbei kann die zuvor dargelegte Regelleistungserbringung eingesetzt werden, um ein Maximum an Energie aus dem Netz zu entnehmen, wobei die maximal mögliche negative Regelleistung bereitgestellt wird, wohingegen nur ein Minimum an positiver Regelleistung erbracht wird.
In den Ausführungsformen zur bevorzugten und speziell zur maximalen Energieaufnahme können die hierdurch aus dem Netz entnommenen Energien über den zuvor beschriebenen Energiehandel verkauft werden, wobei dies vorzugsweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen ein höchstmöglicher Preis zu erzielen ist. Hierzu können Prognosen über die Preisentwicklung herangezogen werden, die auf historischen Daten beruhen.
Weiterhin kann der Ladezustand des Energiespeichers zum Zeitpunkt eines geplanten Verkaufs an Energie vorzugsweise mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 80 % und besonders bevorzugt mindestens 90 % der Speicherkapazität betragen, wobei der Ladezustand nach dem Verkauf bevorzugt höchstens 80 %, insbesondere höchstens 70 % und besonders bevorzugt höchstens 60 % der Speicherkapazität beträgt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von neun Figuren beispielhaft erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Es zeigen:
1: einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: einen schematischen Aufbau einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3: ein schematisches Leistungs-Zeit-Diagramm bei positiver Regelleistungsanfrage;
4: ein schematisches Leistungs-Zeit-Diagramm bei negativer Regelleistungsanfrage;
5A und B: zwei weitere schematische Leistungs-Zeit-Diagramme zur Veranschaulichung der Erfindung;
6: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drosselbaren Energieerzeugern und -verbrauchern unter Einbindung eines Energiespeichers;
7: ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
8: ein schematisches Ablaufdiagramm einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einbindung eines Energiespeichers.
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend einen Energieerzeuger 2 und einen Energieverbraucher 3, die mittels einer ersten elektrischen Verbindungsleitung 5 miteinander verbunden sind. Eine zweite elektrische Verbindungsleitung 6 stellt eine Verbindung zwischen dem Energieerzeuger 2, dem Energieverbraucher 3 und einem zentralen Stromnetz 1 her. Ferner ist der Energieerzeuger 2 mittels einer ersten Kommunikationsverbindung 7, sowie der Energieverbraucher 3 mittels einer zweiten Kommunikationsverbindung 8 mit einer Steuerungseinheit 4 verbunden. Eine dritte Kommunikationsverbindung 9 zwischen dem zentralen Stromnetz 1 und der Steuerungseinheit 4 dient der Übermittlung von Anfragen nach benötigter Regelleistung, sowohl positiver als auch negativer.
Hierbei soll verdeutlicht werden, dass der Energieerzeuger 2 mit dem Energieverbraucher 3 mittels der ersten elektrischen Verbindungsleitung 5 derart miteinander verbunden ist, dass in den Zeiträumen, in denen keine Anforderung von Regelleistung aus dem zentralen Stromnetz 1 vorliegt, sowohl der Energieerzeuger 2 als auch der Energieverbraucher 3 möglichst in Volllast betrieben werden. In diesem Fall liefert idealerweise der Energieerzeuger 2 die vom Energieverbraucher 3 benötigte Energie über die erste elektrische Verbindungsleitung 5, ohne dass über die zweite elektrische Verbindungsleitung 6 eine Energieentnahme aus dem zentralen Stromnetz 1 durch den Energieverbraucher 3 oder einer Energieeinspeisung in das zentrale Stromnetz 1 durch den Energieerzeuger 2 erforderlich wäre.
Zu einer solchen Energieentnahme beziehungsweise Energieeinspeisung in das zentrale Stromnetz 1 kommt es vorliegend nur bei einer Regelleistungsanforderung. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auch im Normalbetrieb ohne Regelleistungsanforderung Energie ins Stromnetz 1 eingespeist oder aus dem Stromnetz 1 aufgenommen wird, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren hiervon beeinträchtigt wäre. Dazu können der Energieerzeuger 2 und der Energieverbraucher 3 auch beide direkt und auch separat ans Stromnetz 1 angeschlossen sein.
Sobald eine Anfrage nach positiver oder negativer Regelleistung vom Stromnetzbetreiber an die Steuerungseinheit 4 übermittelt wird oder ein Regelleistungsbedarf anhand einer Messung der Frequenzabweichung von der Netzfrequenz festgestellt wird, sendet die Steuerungseinheit 4 nachfolgend entsprechende Informationen über die erste Kommunikationsverbindung 7 zur Steuerung oder Regelung des Energieerzeugers 2 (im Falle einer Anfrage nach negativer Regelleistung) oder über die zweite Kommunikationsverbindung 8 zur Steuerung oder Regelung des Energieverbrauchers 3 (im Falle einer Anfrage nach positiver Regelleistung). Die ersten und zweiten elektrischen Verbindungsleitungen 5, 6 dienen anschließend der Übermittlung von Energie zwischen dem zentralen Stromnetz 1 und dem Energieerzeuger 2 beziehungsweise dem Energieverbraucher 3.
Im Falle einer Anfrage nach positiver Regelleistung veranlasst die Steuerungseinheit 4 mittels der zweiten Kommunikationsverbindung 8, den Energieverbraucher 3 seine Leistung zu drosseln, um hierdurch positive Regelleistung bereitzustellen, die in der Folge über die erste und zweite elektrische Verbindungsleitung 5, 6 in das zentrale Stromnetz 1 eingespeist werden. Der Energieerzeuger 2 wird in diesem Fall ungedrosselt, im Idealfall unter Beibehaltung des Betriebs bei Volllast, weiterbetrieben. Sobald vom zentralen Stromnetz 1 die Information mittels der dritten Kommunikationsverbindung 9 an die Steuerungseinheit 4 übermittelt wird oder anhand einer Messung der Frequenzabweichung der Netzfrequenz festgestellt wird, dass der Bedarf an positiver Regelleistung ausreichend erfüllt worden ist und in der Folge kein weiterer Bedarf an Regelleistung besteht, veranlasst die Steuerungseinheit 4 mittels der zweiten Kommunikationsverbindung 8 den Energieverbraucher 3 seine Leistung wieder hochzufahren. Sowohl der Energieerzeuger 2 als auch der Energieverbraucher 3 werden anschließend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, weiterbetrieben, ohne dass nunmehr dem Stromnetz 1 eine Regelleistung bereitgestellt wird.
Im Falle einer Anfrage nach negativer Regelleistung oder einem festgestellten Bedarf an negativer Regelleistung veranlasst die Steuerungseinheit 4 mittels der ersten Kommunikationsverbindung 7, den Energieerzeuger 2 seine Leistung zu drosseln, um hierdurch negative Regelleistung bereitzustellen, die in der Folge über die erste und zweite elektrische Verbindungsleitung 5, 6 aus dem zentralen Stromnetz 1 entnommen wird. Der Energieverbraucher 3 wird in diesem Fall ungedrosselt, im Idealfall unter Beibehaltung des Betriebes bei Volllast, weiterbetrieben. Sobald vom zentralen Stromnetz 1 die Information mittels der dritten Kommunikationsverbindung 9 an die Steuerungseinheit 4 übermittelt wird, dass der Bedarf an negativer Regelleistung ausreichend erfüllt worden ist und in der Folge kein weiterer Bedarf an Regelleistung besteht, veranlasst die Steuerungseinheit 4 mittels der ersten Kommunikationsverbindung 7 den Energieerzeuger 2 seine Leistung wieder hochzufahren. Sowohl der Energieerzeuger 2 als auch der Energieverbraucher 3 werden anschließend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, weiterbetrieben, ohne dass nunmehr eine Regelleistung bereitgestellt wird.
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die gleichfalls wie die in 1 beschriebene Vorrichtung einen Energieerzeuger 2´ und einen Energieverbraucher 3´ umfasst, die mittels einer ersten elektrischen Verbindungsleitung 5´ miteinander verbunden sind. Eine zweite elektrische Verbindungsleitung 6´ stellt eine Verbindung zwischen dieser ersten elektrischen Verbindungsleitung 5´ und einem zentralen Stromnetz 1´ her. Ferner ist der Energieerzeuger 2´ mittels einer ersten Kommunikationsverbindung 7´, sowie der Energieverbraucher 3´ mittels einer zweiten Kommunikationsverbindung 8´ mit einer Steuerungseinheit 4´ verbunden. Eine dritte Kommunikationsverbindung 9´ zwischen dem zentralen Stromnetz 1´ und der Steuerungseinheit 4´ dient der Übermittlung von Anfragen nach sowohl positiver als auch negativer Regelleistung.
Ferner umfasst die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung im Unterschied zu der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Energiespeicher 10, der mittels einer dritten elektrischen Verbindungsleitung 12 zum Energieaustausch mit dem zentralen Stromnetz 1´ verbunden ist, als auch eine vierte Kommunikationsverbindung 11 zwischen dem Energiespeicher 10 und der Steuerungseinheit 4´. Die Steuerungseinheit 4´ wird also auch zum Steuern oder Regeln des Energiespeichers 10 verwendet.
Der Energiespeicher 10 kann auch erfindungsgemäß bevorzugt direkt mit dem Energieerzeuger 2´ und mit dem Energieverbraucher 3´ verbunden sein. Dadurch kann der Energiespeicher 10 Energie für den Energieverbraucher 3´ bereitstellen und Energie aus dem Energieerzeuger 2´ aufnehmen. Dies ist immer dann von Vorteil, wenn ansonsten eine Entnahme oder Abgabe ans Stromnetz 1´ ohne Regelleistungsanfrage vorläge oder die Leistungssteigerung des Energieerzeugers 2´ und/oder des Energieverbrauchers 3´ pro Zeit erhöht werden soll oder ein Überschwingen der Leistung des Energieerzeugers 2´ und/oder des Energieverbrauchers 3´ verhindert werden soll.
Sobald eine Anfrage nach positiver oder negativer Regelleistung vom Stromnetzbetreiber an die Steuerungseinheit 4´ übermittelt wird oder ein entsprechender Bedarf festgestellt wird, sendet die Steuerungseinheit 4´ nachfolgend zunächst entsprechende Informationen mittels der vierten Kommunikationsverbindung 12 an den Energiespeicher 10, da dieser, insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, priorisiert für die Bereitstellung von positiver als auch von negativer Regelleistung verwendet werden kann. Die Übermittlung von Regelleistung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem zentralen Stromnetz 1´ erfolgt anschließend mittels der dritten elektrischen Verbindungsleitung 12. Kleinere Schwankungen im zentralen Stromnetz 1´ und die daraus resultierenden kleineren Regelleistungsanfragen können somit schnell mittels des Energiespeichers 10 bedient werden. Dadurch kann der Steuerungseinheit 4´ mehr Reaktionszeit zur Verfügung gestellt werden, um mittels der ersten Kommunikationsverbindung 7´ zur Steuerung oder Regelung des Energieerzeugers 2´ (im Falle einer Anfrage nach negativer Regelleistung) oder mittels der zweiten Kommunikationsverbindung 8´ zur Steuerung oder Regelung des Energieverbrauchers 3´ (im Falle einer Anfrage nach positiver Regelleistung) eine Drosselung der Leistung des Energieverbrauchers 3´ oder des Energieerzeugers 2´ in der in 1 beschriebenen Art und Weise zu veranlassen. Dabei wird zu dem Zeitpunkt der Drosselung des Energieverbrauchers 3´ oder des Energieerzeugers 2´ zeitgleich der Energiespeicher gedrosselt. Hierbei kann in Ergänzung zu dem in 1 beschriebenen Ablauf nach der Erfüllung der Regelleistungsanfrage aus dem zentralen Stromnetz 1´ der Energieerzeuger 2´ beziehungsweise der Energieverbraucher 3´ in seiner Leistung erst wieder hochgefahren werden, nachdem dem Energiespeicher 10 die Gelegenheit gegeben wurde, seinen ursprünglichen Ladezustand, im Idealfall den halbgeladenen Zustand, wieder mittels dem Energieaustausch mit dem zentralen Stromnetz 1´ über die dritte elektrische Verbindungsleitung 12 wiederherzustellen. Bevorzugt wird jedoch auch die Rampe beim Hochfahren der Leistung dazu genutzt, den Ladezustand anzupassen. Besonders bevorzugt wird der Energieerzeuger 2´ oder der Energieverbraucher 3´ sofort wieder hochgefahren, die Energie während des Hochfahrens dazu genutzt, den Ladezustand des Energiespeichers 10 zu optimieren und gegebenenfalls zusätzlich notwendige Energie für die Ladung des Energiespeichers 10 aus dem Stromnetz 1’ aufgenommen.
3 zeigt ein schematisches Leistungs-Zeit-Diagramm bei positiver Regelleistungsanfrage. Hierbei ist ein erster Zeitpunkt 13 der Beginn der Drosselung der Leistung 16 eines Energieverbrauchers, die benötigt wird um eine ausreichende Menge an positiver Regelleistung 17 bereitzustellen, während erfindungsgemäß die Leistung 15 eines Energieerzeugers ungedrosselt konstant aufrechterhalten wird. Der spätere zweite Zeitpunkt 14 stellt hierbei das Ende der Drosselung des Energieverbrauchers dar, wobei nachfolgend die Leistung 16 wieder auf den ursprünglichen Wert ansteigt und anschließend konstant aufrechterhalten wird. Die Leistung des Energieerzeugers (obere Linie) kann also fortwährend bei hoher (optimaler) Leistung betrieben werden.
4 zeigt ein schematisches Leistungs-Zeit-Diagramm bei negativer Regelleistungsanfrage. Hierbei wird zu einem ersten Zeitpunkt 13´ die Leistung 15´ eines Energieerzeugers gedrosselt. Damit wird durch das System Energieverbraucher und Energieerzeuger eine ausreichende Menge an negativer Regelleistung 18 bereitgestellt, während erfindungsgemäß die Leistung 16´ des Energieverbrauchers ungedrosselt konstant aufrechterhalten wird. Zum zweiten späteren Zeitpunkt 14´ wird die Drosselung des Energieerzeugers beendet, wobei nachfolgend die Leistung 15´ wieder auf den ursprünglichen Wert ansteigt und anschließend konstant aufrechterhalten wird.
Tatsächlich würden flachere Flanken beim Drosseln und wieder Hochfahren des Energieerzeugers und Energieverbrauchers entstehen, als in die 3 und 4 dargestellt.
Die 5A und 5B zeigen zwei weitere schematische Leistungs-Zeit-Diagramme. Darin ist P_opt die optimale Leistung der Energieerzeuger/-verbraucher (optimaler Wirkungsgrad) und P_dr die gedrosselte Leistung der Energieerzeuger/-verbraucher (schlechter Wirkungsgrad).
5A stellt den Fall einer konventionellen Regelleistungserbringung nach dem Stand der Technik dar. Der Energieerzeuger oder Energieverbraucher (je nachdem ob hier positive oder negative Regelleistung erbracht wird) läuft in gedrosselten Modus (bei P_dr), um positive oder negative Regelenergie beziehungsweise Regelleistung zur Verfügung zu stellen, indem er zeitweise seine Leistung bis zu P_opt erhöht.
Die Nennleistung P_Nen der Anlage (die präqualifizierte Leistung) ist: P_Nen = P_opt – P_dr
Die schraffierte Fläche ist die Energie, die durch die gewählte Betriebsführung nicht vermarktet beziehungsweise genutzt werden kann.
5B stellt den Fall einer erfindungsgemäßen Regelleistungserbringung dar.
Der Energieerzeuger (Fall 1) oder Energieverbraucher (Fall 2) läuft mit optimalem Wirkungsgrad (bei P_opt), und drosselt seine Leistung nur um negative (Fall 1) beziehungsweise positive (Fall 2) Regelenergie beziehungsweise Regelleistung zur Verfügung zu stellen (bis zu P_dr). Die Reduktion der Leistung des Energieerzeugers bewirkt erfindungsgemäß einen Überschuss an negativer Leistung durch den Energieverbraucher, wodurch in der Summe negative Regelenergie durch das System Energieverbraucher mit Energieerzeuger bereitgestellt wird. Die Reduktion der Leistung des Energieverbrauchers bewirkt erfindungsgemäß einen Überschuss an positiver Leistung durch den Energieerzeuger, wodurch in der Summe positive Regelenergie durch das System Energieverbraucher mit Energieerzeuger bereitgestellt wird. Wenn keine Regelenergie benötigt wird, können daher sowohl Energieverbraucher als auch Energieerzeuger bei voller Leistung betrieben werden. Der Energieverbraucher verbraucht dann die Energie, die der Energieerzeuger produziert. In der Summe wird dann keine Regelleistung an das Stromnetz bereitgestellt.
Die Nennleistung der Anlage (präqualifizierte Leistung) ist P_Nen = P_opt – P_dr
Die schraffierte Fläche ist die Energie, die durch die gewählte Betriebsführung nicht vermarktet beziehungsweise genutzt werden kann.
Die 5A und 5B erbringen die gleiche Regelleistung, die schraffierten Flächen sind jedoch unterschiedlich, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mehr Leistung bei einem höheren Wirkungsgrad erbracht werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren laufen sowohl der Energieerzeuger als auch der Energieverbraucher öfter beim höheren Wirkungsgrad, was die Produktivität und die Wirtschaftlichkeit der Anlagen erhöht.
6 zeigt schematisch den Kreislauf zur Regelenergieversorgung im Stromnetz, wobei der Regelenergiemarkt / Energiemarkt eine entsprechende Anfrage im Bedarfsfall nach positiver oder negativer Regelleistung übermittelt an die jeweiligen Regelleistung-bereitstellenden Energieerzeuger oder -verbraucher.
Ein oder mehrere Akkumulatoren werden hierbei mit mehreren Quellen für positive und negative Regelleistung nach Bedarf kombiniert, wobei die negative Regelleistungsbereitstellung ausschließlich aus drosselbaren Erzeugern oder dem Akkumulator oder den Akkumulatoren stammt. Diese müssen für die Erbringung der negativen Regelleistung und nur dann ihre Erzeugung reduzieren. Analog wird eventuell erforderliche positive Regelleistung ausschließlich aus drosselbaren Verbrauchern oder dem Akkumulator oder den Akkumulatoren erbracht. Diese müssen nur im Fall der Erbringung entsprechend in Teillast gehen.
Bei einer Anforderung nach Regelleistung wird eine Energieaufnahme oder Energieabgabe durch den Energiespeicher, das heißt den oder die Akkumulatoren bevorzugt. Der Energieerzeuger und der Energieverbraucher können dann noch länger beziehungsweise zu einem noch größeren zeitlichen Anteil bei hoher Leistung, das heißt bei hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Zudem kann der Energiespeicher auch zur schnelleren Bereitstellung der Regelleistung verwendet werden, indem durch die sehr schnelle Regelleistungsbereitstellung von Akkumulatoren die Flanken bei einer Regelleistungsänderung tatsächlich so steil, wie in den schematischen Diagrammen nach den 3 und 4 dargestellt, erfolgen können.
Hierdurch lassen sich die durch die aus dem Stand der Technik bekannte Teillast-Fahrweise verbundenen Verluste deutlich reduzieren, wenn die Kombination von Akkumulatoren und Energieerzeugern und -verbrauchern in der in 6 dargestellten Weise erfolgt.
7 beschreibt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zu Beginn sowohl der Energieerzeuger als auch der Energieverbraucher, die gemeinsam betrieben werden, zunächst ohne die Bereitstellung von Regelleistung in ungedrosselter Form, im Idealfall in Volllast, betrieben werden.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird abgefragt, ob es einen Bedarf an Regelleistung eines Netzbetreibers eines Stromnetzes gibt oder der Regelleistungsbedarf wird durch Messung der Frequenzabweichung der Netzfrequenz bestimmt. Falls keine Regelleistungsanfrage vorliegt, werden sowohl der Energieverbraucher als auch der Energieerzeuger wie zu Beginn weiter ungedrosselt betrieben. Falls jedoch eine Regelleistungsanfrage des Netzbetreibers für das Stromnetz vorliegt, unterscheidet sich der in 7 dargestellte Programmablauf nach der Art der nachgefragten Regelleistung.
Im Falle einer positiven Regelleistungsanfrage wird der Energieverbraucher in seiner Leistung gedrosselt, um nachfolgend positive Regelleistung bereitzustellen. Der Grad der Leistungsdrosselung des Energieverbrauchers ist hierbei abhängig von der Menge nachgefragter positiver Regelleistung. Solange es einen Bedarf an positiver Regelleistung durch einen Netzbetreiber eines Stromnetzes gibt, wird weiterhin durch dieses Verfahren positive Regelleistung bereitgestellt. Erst nachdem die Regelleistungsanforderung des Netzbetreibers erfüllt wurde und dementsprechend kein Bedarf an weiterer Bereitstellung von positiver Regelleistung besteht, wird in der Folge der Energieverbraucher wieder in seiner Leistung hochgefahren, um ihn nachfolgend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, wie zu Beginn dieses in 7 dargestellten Kreislaufs, weiter zu betreiben.
Im Falle einer negativen Regelleistungsanfrage wird der Energieerzeuger in seiner Leistung gedrosselt, um nachfolgend negative Regelleistung bereitzustellen. Der Grad der Leistungsdrosselung des Energieerzeugers ist abhängig von der Menge nachgefragter negativer Regelleistung. Solange es einen Bedarf an negativer Regelleistung durch den Netzbetreiber des Stromnetzes gibt, wird weiterhin durch dieses Verfahren negative Regelleistung bereitgestellt. Erst nachdem die Regelleistungsanforderung des Netzbetreibers erfüllt wurde und dementsprechend kein Bedarf an weiterer Bereitstellung von negativer Regelleistung besteht, wird in der Folge der Energieerzeuger wieder in seiner Leistung hochgefahren um ihn nachfolgend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, wie zu Beginn dieses in 7 dargestellten Kreislaufs, weiter zu betreiben.
8 beschreibt ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einbindung eines Energiespeichers. Dem Programmablauf wie er in 7 beschrieben worden ist, liegt im Falle des in 8 dargestellten Programmablaufs bei einer Anforderung von Regelleistung ein zusätzliches vorgeschaltetes priorisiertes Einbinden eines Energiespeichers vor.
Hierbei wird im Falle einer Regelleistungsanfrage eines Netzbetreibers eines Stromnetzes, abhängig davon, ob diese positiv oder negativ ist, zunächst Regelleistung aus besagtem Energiespeicher bereitgestellt oder von diesem aufgenommen. Die Kapazität des Energiespeichers muss nicht so groß gewählt werden, dass der Energiespeicher als alleiniger Regelleistungslieferant vorgesehen ist beziehungsweise ausreicht, um den Regelleistungsbedarf alleine zu erfüllen, da der Energieerzeuger oder Energiespeicher irgendwann einspringen. Der Energiespeicher ist also insbesondere dazu gedacht, kurze Regelanforderungen zu erfüllen. Erfindungsgemäß ist eine Kombination eines solchen Energiespeichers mit einer Drosselung eines Energieerzeugers beziehungsweise eines Energieverbrauchers umfasst, wobei hierbei in Abhängigkeit von der Art der Regelleistungsanfrage, positiv oder negativ, zu unterscheiden ist.
Im Falle einer positiven Regelleistungsanfrage werden, nachdem der Energiespeicher bereits Regelleistung durch Entladung des Energiespeichers bereitgestellt hat, zeitgleich der Energieverbraucher und parallel dazu der Energiespeicher in ihrer Leistung gedrosselt, um nachfolgend weitere positive Regelleistung nur durch besagten gedrosselten Energieverbraucher bereitzustellen. Der Grad der Leistungsdrosselung des Energieverbrauchers kann dabei theoretisch auch abhängig von der Höhe der nachgefragten positiven Regelleistung sein. Die Regelleistung wird für den Fall von PRL in proportionaler Abhängigkeit von der Frequenzabweichung der Netzfrequenz eingestellt.
Solange es einen Bedarf an positiver Regelleistung durch einen Netzbetreiber eines Stromnetzes gibt oder ein solcher durch die Frequenzabweichung festgestellt wird, wird weiterhin durch dieses Verfahren positive Regelleistung bereitgestellt. Erst wenn kein Bedarf an weiterer Bereitstellung von positiver Regelleistung mehr besteht, wird in der Folge zeitgleich der Energieverbraucher wieder in seiner Leistung hochgefahren und der Energiespeicher wieder aufgeladen, wobei der Energiespeicher hierbei nicht vollständig aufgeladen wird, sondern vorzugsweise zu 50%, um ihn bei einer zukünftigen Regelleistungsanfrage sowohl für die Bereitstellung positiver wie auch negativer Regelleistung möglichst effizient einsetzen zu können. Der Energieverbraucher wird nachfolgend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, wie zu Beginn dieses in 8 dargestellten Kreislaufs, weiterbetrieben.
Im Falle einer negativen Regelleistungsanfrage werden, nachdem der Energiespeicher bereits Regelleistung durch Aufnahme von Energie in den Energiespeicher bereitgestellt hat, zeitgleich der Energieerzeuger und der Energiespeicher in ihrer Leistung gedrosselt um dabei weiter, in der Summe konstante negative Regelleistung (Nennleistung) durch beide und anschließend nur durch den gedrosselten Energieerzeuger bereitzustellen. Der Grad der Leistungsdrosselung des Energieerzeugers ist hierbei abhängig von der Menge nachgefragter negativer Regelleistung.
Solange es einen Bedarf an negativer Regelleistung durch einen Netzbetreiber eines Stromnetzes gibt, wird weiterhin durch dieses Verfahren negative Regelleistung bereitgestellt. Erst wenn kein Bedarf an weiterer Bereitstellung von negativer Regelleistung mehr besteht, wird in der Folge zeitgleich der Energieerzeuger wieder in seiner Leistung hochgefahren und der Energiespeicher wieder entladen, wobei der Energiespeicher hierbei nicht vollständig entladen wird, sondern vorzugsweise zu circa 50%, um ihn bei einer zukünftigen Regelleistungsanfrage sowohl für die Bereitstellung positiver wie auch negativer Regelleistung möglichst effizient einsetzen zu können. Der Energieerzeuger wird nachfolgend wieder ungedrosselt, im Idealfall unter Volllast, wie zu Beginn dieses in 8 dargestellten Kreislaufes, weiterbetrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz ohne mit den Nachteilen des bisherigen Stands der Technik behaftet zu sein.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, ist durch die kennzeichnenden Merkmale der beigefügten Ansprüche definiert.
Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1, 1´: zentrales Stromnetz
2, 2´: Energieerzeuger
3, 3´: Energieverbraucher
4, 4´: Steuerungseinheit
5, 5´: Erste elektrische Verbindungsleitung
6, 6´: Zweite elektrische Verbindungsleitung
7, 7´: Erste Kommunikationsverbindung
8, 8´: Zweite Kommunikationsverbindung
9, 9´: Dritte Kommunikationsverbindung
10: Energiespeicher
11: Dritte elektrische Verbindungsleitung
12: Vierte Kommunikationsverbindung
13, 13´: Erster Zeitpunkt
14, 14´: Zweiter Zeitpunkt
15, 15´: Leistungsverlauf des Energieerzeugers
16, 16´: Leistungsverlauf des Energieverbrauchers
17: Positive Regelenergie
18: Negative Regelenergie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2006/122738 A1 [0011]
WO 2010042190 A2 [0012]
JP 2008178215 A [0012]
DE 102008046747 A1 [0012]
DE 102008002839 A1 [0014]
DE 102009018126 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„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 [0013]

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung für ein Stromnetz bei dem Regelleistung bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieerzeuger und ein Energieverbraucher gemeinsam betrieben werden, wobei die Leistung, die der Energieverbraucher dem Stromnetz entnimmt, gedrosselt wird, um eine positive Regelleistung bereitzustellen und die Leistung, die der Energieerzeuger ins Stromnetz einspeist, gedrosselt wird, um eine negative Regelleistung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger und der Energieverbraucher bei einem relativen Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieerzeugers oder Energieverbrauchers von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betrieben werden, wenn keine Regelleistung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk, und/oder als Energieverbraucher eine industrielle Produktionsanlage, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder eine industrielle Produktionsanlage zur Bereitstellung eines Metalls, vorzugsweise von Aluminium oder von Stahl, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bereitstellen von positiver Regelleistung der Energieerzeuger mit einem Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieerzeugers von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betrieben wird und/oder beim Bereitstellen von negativer Regelleistung der Energieverbraucher mit einem Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieverbrauchers von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, vorzugsweise ein Li-Ionen-Akkumulator, oder eine Poolung von Energiespeichern gemeinsam mit dem Energieerzeuger und dem Energieverbraucher betrieben wird und der Energiespeicher oder die Energiespeicher, insbesondere der Akkumulator, derart betrieben wird, dass er bei der Bereitstellung von positiver und/oder negativer Regelleistung gegenüber dem Energieverbraucher und dem Energieerzeuger priorisiert wird, wobei vorzugsweise der Energiespeicher, insbesondere der Akkumulator, eine Kapazität von zumindest 4 kWh besitzt, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher zum Verhindern von Überschwingern der Nennleistung und/oder zum Beschleunigen der zeitlichen Änderung der Leistung bei einer Änderung der bereitzustellenden Regelleistung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die präqualifizierte Leistung des Energieerzeugers der präqualifizierten Leistung des Energieverbrauchers entspricht
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger außer bei der Bereitstellung von negativer Regelleistung in Volllast betrieben wird und/oder der Energieverbraucher außer bei der Bereitstellung von positiver Regelleistung in Volllast betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ans Stromnetz abgebbare Leistung des Energieerzeugers und/oder die aus dem Stromnetz aufnehmbare Leistung des Energieverbrauchers sich innerhalb von 15 Minuten, vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, um zumindest 70% ändern lässt, vorzugsweise um zumindest 85%, besonders bevorzugt um zumindest 95%, insbesondere zusammen mit einem Akkumulator.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen Energieerzeuger, zumindest einen Energieverbraucher und eine Steuerung zum Steuern oder Regeln der Leistung der Energieerzeuger und Energieverbraucher umfasst, wobei die Energieerzeuger und Energieverbraucher derart an ein Stromnetz angeschlossen sind, dass durch die Vorrichtung Energie ins Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung dazu ausgelegt ist, dass zu jedem Zeitpunkt der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher mit einem hohem Wirkungsgrad bezogen auf den jeweiligen theoretischen maximalen Wirkungsgrad des Energieerzeugers oder Energieverbrauchers betreibbar sind, insbesondere mit einem Wirkungsgrad von zumindest 70%, vorzugsweise von zumindest 80%, besonders bevorzugt von zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt von zumindest 95% betreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator umfasst, der derart an das Stromnetz angeschlossen ist, dass aus dem Energiespeicher, insbesondere aus dem Akkumulator Energie ins Stromnetz einspeisbar und aus dem Stromnetz entnehmbar ist.