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Verfahren
zum Regeln mindestens einer dezentralen Energieversorgungsanlage
nach zumindest ökologischen
Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen
umfassen, sowie nach dem Verfahren geregelte dezentrale Energieversorgungsanlage.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln von dezentralen Energieversorgungsanlagen nach ökologischen
und ökonomischen
Zielvorgaben, wobei die zu regelnden Energieversorgungsanlagen thermische
und elektrische Energie bereitstellen können und die Bereitstellung
einer oder beider dieser Energien auf mindestens zwei unterschiedlichen
Pfaden erfolgt. Alternativ oder zusätzlich sollen die Energieversorgungsanlagen
eine oder beide der thermischen und elektrischen Energien speichern
können. Das
Verfahren regelt die Energieversorgungsanlage so, dass den Zielvorgaben
bestmöglich
Rechnung getragen wird und findet vorzugsweise bei Anlagen zur Kraft-Wärme-gekoppelten
Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie Anwendung, die über zusätzliche
elektrothermische Energiewandler und/oder thermische bzw. elektrische
Energiespeicher verfügen.
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung alle dezentralen Energieversorgungsanlagen,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
geregelt sind.
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Seit
Jahren sind verstärkt
Anstrengungen zu beobachten, die Energieversorgung von Gebäuden ökologisch
und ökonomisch
zu verbessern. Angetrieben wurden diese Bemühungen nicht zuletzt aus der Notwendigkeit,
Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Zentrale Faktoren sind dabei
die möglichst
effiziente Nutzung der Ressourcen und die umweltschonende Energiebereitstellung.
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Eine
wichtige Entwicklung ist dabei der Ausbau der Blockheizkraftwerke
(BHKW). Mit dieser Technik wird erreicht, dass die bei der Energiewandlung
entstehende thermische und elektrische Energie gleichermaßen genutzt
werden kann. Diese Entwicklung wird in Deutschland durch das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz
forciert.
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Zur
Verbesserung des Betriebs von BHKW sind verschiedene Verfahren bekannt.
Bereits die
US 4,510,756 beschreibt
beispielsweise ein BHKW, das nach einem Verfahren arbeitet, welches
zur Spitzenlastzeit so viel Strom produziert und in das Elektrizitätsnetz einspeist,
dass mit der dabei entstehenden Wärme unter Verwendung eines
Pufferspeichers ein Gebäude
den ganzen Tag über
mit Wärme
versorgt werden kann.
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Die
DE 195 35 752 A1 beschreibt
ein Verfahren zum autarken Betrieb eines BHKW, welches das Verhältnis von
erzeugter thermischer zu erzeugter elektrischer Energie an die Jahreszeit
anpasst.
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Die
DE 202 21 770 U1 beschreibt
ein System zur Steuerung eines BHKW, das an Energieversorgungsnetze
angeschlossen ist und das auf Basis historischer Informationen Lastprognosen erstellt,
die durch aktuelle Informationen angepasst werden können. Anhand
dieser Lastprognosen wird die Eigenenergieerzeugung optimiert, Fremdenergie
nur bei Bedarf kostenoptimiert hinzugeschaltet und selbst erzeugter
Strom ggf. auch in das Netz eingespeist.
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In
der
WO 9516296 A1 ist
ein Verfahren zum Steuern von im Verbund betriebenen Energieerzeugungsanlagen
beschrieben, das physikalische Größen der Anlagen misst und hinsichtlich
des zu bedienenden Energiebedarfs Optimierungsrechnungen durchführt.
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Die
WO 01/55577 A2 beschreibt
ein Verfahren zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme mit
einer Anlage, in der Strom und Wärme
gespeichert werden können
und Strom in Wärme
umgewandelt werden kann. Der Bedarf an Strom und Wärme wird
unter Zuhilfenahme der Speicher optimiert gedeckt.
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In
der
WO 97/38210 A1 ist
ein Verfahren beschrieben, das die Erzeugung von Strom und Wärme anhand
von Bedarfsprognosen optimiert und diese Bedarfsprognosen an aktuelle
Betriebsparameter anpasst. Die Optimierung bezieht sich dabei ausschließlich auf
die Betriebskosten.
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Die
EP 1764 562 A1 beschreibt
ein Verfahren, das die Bereitstellung von thermischer und elektrischer
Energie mit einer Brennstoffzelle betriebskostenoptimiert unter
Zuhilfenahme einer mathematischen Optimierungsfunktion erlaubt.
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Die
DE 60 2004 003 870
T2 beschreibt ein Regelungsverfahren für eine an verschiedene Energieversorgungsnetze
angeschlossene Anlage zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme, bei dem
Energieerzeuger, Energiespeicher und Verbraucher miteinander kommunizieren,
um Erzeugungs- von Verbrauchsprofil optimal aufeinander abzustimmen.
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In
der
WO 01/55577 A2 ist
ein Verfahren beschrieben, das Lastverläufe statistisch auswertet und die
Möglichkeit
besitzt, elektrische in thermische Energie umzuwandeln. Thermische
und elektrische Energie kann zusätzlich
gespeichert oder in ein Netz eingespeist werden. Dadurch kann der
Betrieb energetisch verbessert werden. Ähnliches gilt für die
WO 03/087674 A1 .
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Bei
Wärmepumpenheizanlagen
bieten deutsche Versorger einen speziellen, vergünstigten Wärmepumpentarif an, der es dem
Versorger gestattet, die Stromversorgung zu Spitzenlastzeiten zu
unterbrechen. Dabei wird vermieden, dass die Wärmepumpenanlagen zu Zeiten
laufen, in denen der Strom sehr teuer und eventuell auch mit hohen
CO2-Emissionen verbunden ist. Versorger
und Verbraucher profitieren gleichermaßen von diesem Modell.
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Ein
weiterer Ansatz, den eigenen Stromverbrauch besser dem Lastverlauf
des Elektrizitäts-netzes
anzupassen, bieten neuerdings sog. „Intelligente Stromzähler”. Hier
kann der Stromkunde jederzeit überwachen,
welchen Stromverbrauch und welche CO2-Emissionen
er im zeitlichen Verlauf verursacht und in einem gewissen Rahmen
sein Verbrauchsverhalten anpassen. Dies ist insbesondere dann von Nutzen,
wenn der Versorger ein Tarifmodell anbietet, das den Stromkunden
zu einem zeitlichen Verbrauchsverhalten motiviert, welches sich ökologisch und ökonomisch
günstig
auf das Betriebsverhalten des Kraftwerksparks auswirkt. Möglich ist
in diesem Zusammenhang auch das automatisierte Zu- und Wegschalten
von Verbrauchern in Abhängigkeit
vom jeweiligen Stromtarif.
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Im
Bereich der dezentralen Energieerzeugung wird das Konzept der „virtuellen
Kraftwerke” diskutiert
und erprobt, bei dem durch die Regelung mehrerer dezentraler Energieversorgungsanlagen von
einer zentralen Warte aus ein energietechnisch verbesserter Betrieb
der Gesamtkonfiguration beabsichtigt ist.
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Keiner
der bisherigen Ansätze
zielt jedoch auf ein geeignetes Verfahren ab, das in der Lage ist, jede
einzelne dezentrale Energieversorgungsanlage so zu regeln, dass
ihr Betriebsverhalten durch eine umfassende Einbeziehung von ökologischen
Informationen zu den verwendeten Endenergien sowie unter Einbeziehung
von aktuellen technischen Betriebsparametern der Energieversorgungsanlage
und unter Einbeziehung von Lastverläufen möglichst gut bestimmten Zielvorgaben,
die insbesondere die CO2-Emissionen umfassen,
genügt.
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Die
meisten BHKW produzieren Energie nach einem fest vorgegebenen Schema.
Thermische Energie wird abhängig
vom jeweiligen Bedarf erzeugt, überschüssige elektrische
Energie wird in das Elektrizitätsnetz
eingespeist, fehlende elektrische Energie aus dem Elektrizitätsnetz bezogen.
Die aktuellen ökologischen
Randbedingungen bei der Stromerzeugung im Kraftwerkspark spielen
dabei keine Rolle. So wird bei Wärmebedarf
im Gebäude
das BHKW laufen und Strom auch dann einspeisen, wenn die ökologischen
Rahmenbedingungen im Elektrizitätsnetz
günstig
sind, beispielsweise zu Zeiten mit hohem Anteil regenerativer Energien
bei der Stromerzeugung. Dies wirkt sich ökologisch und oft auch ökonomisch
ungünstig
auf das Betriebsverhalten des Kraftwerksparks insgesamt aus.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das das Betriebsverhalten
dezentraler Energieversorgungsanlagen, die thermische und elektrische
Energie bereitstellen, hinsichtlich ökologischer und ökonomischer
Zielvorgaben, die insbesondere die Minimierung von CO2-Emissionen
umfassen, optimiert. Das Verfahren und entsprechend geregelte dezentrale
Energieversorgungsanlagen sollen durch schnelles und flexibles Anpassen
an ökologische
Rahmenbedingungen dazu beitragen, Ressourcen effizienter zu nutzen,
CO2-Emissionen und sonstige Schadstoffemissionen
weiter zu reduzieren und die Stabilität in Energieversorgungsnetzen
zu erhöhen.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Dieses
Verfahren kann bei allen dezentralen Energieversorgungsanlagen angewendet
werden, die thermische bzw. elektrische Energie auf mehr als einem
Pfad bereitstellen können
und/oder eine oder beide dieser Energieformen speichern können. Wesentlich
für die
Anwendbarkeit des Verfahrens ist zudem, dass aktuelle energietechnische
Informationen zu den von den Energieversorgungsanlagen verwendeten
Endenergien verfügbar
sind. Bei den energietechnischen Informationen handelt es sich vorwiegend
um ökologische
Informationen, denkbar sind aber auch ökonomische oder technische
Informationen.
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Die
in diesem Zusammenhang häufig
vorkommenden Begriffe „Energiebereitstellung” und thermischer
bzw. elektrischer „Energiebereitstellungspfad” sollen
im Folgenden zunächst
näher verdeutlicht
werden.
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Der
Begriff Energiebereitstellung umfasst die Bereitstellung von thermischer
bzw. elektrischer Energie an Endverbraucher oder an Energieversorgungsnetze.
Die Energiebereitstellung kann mit einer Energiewandlung, Entladung
eines Energiespeichers oder aber einer direkten Durchleitung von
Energie einhergehen.
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Mehr
als ein thermischer Energiebereitstellungspfad liegt dann vor, wenn
die Energieversorgungsanlage thermische Energie über mindestens zwei der folgenden
Möglichkeiten
bereitstellen kann:
- • Wandlung chemischer in thermische
Energie (z. B. durch ein BHKW, einen Heizkessel oder eine Absorptionswärmepumpe)
- • Wandlung
elektrischer Energie in thermische Energie (z. B. durch eine Kompressionswärmepumpe
oder durch einen Elektroheizer)
- • direkt
aus einem Wärmeversorgungsnetz
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Mehr
als ein elektrischer Energiebereitstellungspfad liegt dann vor,
wenn die Energieversorgungsanlage elektrische Energie über mindestens zwei
der folgenden Möglichkeiten
bereitstellen kann:
- • Wandlung chemischer in elektrische
Energie (z. B. durch ein BHKW mit Verbrennungskraftmaschine oder
Brennstoffzelle)
- • Wandlung
thermischer in elektrische Energie (z. B. durch ein BHKW mit Sterling-Motor
oder durch einen thermoelektrischen Generator)
- • direkt
aus einem Elektrizitätsnetz
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Im
Kern besteht das erfindungsgemäße Verfahren
darin, mindestens eine dezentrale Energieversorgungsanlage der oben
genannten Art so zu betreiben, dass diese Anlage möglichst
gut entsprechend bestimmter Zielvorgaben geregelt wird. Dazu ist
es nötig,
dass zunächst
für die
Zielvorgaben relevante energietechnische Informationen erfasst werden. Diese
Informationen werden dann unter Berücksichtigung von ebenfalls
erfassten Betriebsparametern der Energieversorgungsanlage in Daten
umgerechnet, die den verschiedenen von der Energieversorgungsanlage
einnehmbaren Betriebsarten zugeordnet sind. Unterschiedliche Betriebsarten
lassen sich hinsichtlich des Energiebereitstellungspfades und nach
Art und Umfang der Energiespeicherung differenzieren. Die zu den
jeweils zur Verfügung
stehenden Betriebsarten errechneten Daten stellen dabei ein Maß für das Erreichen
der Zielvorgaben beim Betrieb der Energieversorgungsanlage dar.
Mittels eines Entscheidungsprozesses werden dann anhand der Daten
diejenigen Betriebsarten der Energieversorgungsanlage gewählt, die
bei der Bedienung aktueller und/oder künftiger Lasten den Zielvorgaben
am besten entsprechen.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur näheren Verdeutlichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Form eines Regelungszyklus, der iterativ durchlaufen wird.
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Wie
aus 1 ersichtlich, werden bei einem ersten Durchlauf
des Regelungszyklus zunächst
energietechnische Zielvorgaben 1 festgelegt. Diese Zielvorgaben 1 werden
in der Regel vom Betreiber der Energieversorgungsanlage festgelegt
und über geeignete
Schnittstellen dem Verfahren verfügbar gemacht. Energietechnische
Zielvorgaben 1 sind vorrangig ökologischer Natur, können aber
auch technischer und ökonomischer
Natur sein. Zielvorgaben 1 sind beispielsweise die Minimierung
von CO2-Emissionen, sonstigen Schadstoffemissionen, Primärenergieeinsätzen oder
Energiebereitstellungskosten sowie die Bevorzugung bestimmter Energiequellen
beim Betrieb der dezentralen Energieversorgungsanlage. Zielvorgaben 1 bleiben
in der Regel nach ihrer Ersteingabe über viele Regelungszyklen hinweg
konstant.
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Wie
weiterhin aus 1 ersichtlich, werden nach der
Festlegung der Zielvorgaben 1 die für die Regelung der Energieversorgungsanlage
nach diesen Zielvorgaben 1 erforderlichen energietechnischen
Informationen 2 zu den verwendeten Endenergien erfasst.
Diese energietechnischen Informationen 2 sind entsprechend
den Zielvorgaben 1 vorrangig ökologischer Natur. Energietechnische
Informationen 2 beziehen sich beispielsweise auf Schadstoffemissionen
(z. B. CO2-, Schwefel- und Stickoxidemissionen)
und Primärenergieeinsätze zu den
von der Energieversorgungsanlage verwendeten Endenergien sowie auf
zugehörige
Energiemixe oder auf Energiepreise. Energietechnische Informationen 2 können sich
aber auch auf das Lastverhalten in Energieversorgungsnetzen beziehen.
Konkrete Beispiele für
energietechnische Informationen 2 wären CO2-Emissionen,
Primärenergieeinsätze oder
Preise bezogen auf die Masse oder das Volumen des von der Energieversorgungsanlage
verwendbaren Brennstoffs bzw. bezogen auf die Kilowattstunde der von
der Energieversorgungsanlage aus einem Elektrizitätsnetz erhaltbaren
Energie.
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Die
Erfassung der energietechnischen Informationen 2 zu den
Endenergien kann durch externen Bezug über das Internet und/oder das
Elektrizitätsnetz
und/oder eine drahtlose Datenverbindung und/oder durch manuelle
Eingabe über
eine entsprechende Schnittstelle erfolgen.
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Entscheidend über Häufigkeit
und Art der Erfassung der energietechnischen Informationen 2 ist deren Änderungsgeschwindigkeit.
So ist es bei Informationen 2 zu dem im Elektrizitätsnetz angebotenen Strom
auf Grund der hohen Änderungsgeschwindigkeit
der Informationen 2 (z. B. durch zeitweise Einspeisung
aus Windenergieanlagen) erforderlich, stets aktuelle energietechnische
Informationen 2 vom Stromversorger über eine Kommunikationsverbindung
zu beziehen. Bei Informationen 2 zum Brennstoff kann es
ausreichend sein, diese manuell einzugeben, beispielsweise bei der
Verwendung von Heizöl
(handelt es sich immer um die gleiche Heizölsorte, reicht eine einmalige
manuelle Eingabe).
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Zusätzlich zu
den energietechnischen Informationen 2 werden, wie aus 1 ersichtlich,
auch die für
die Regelung der Energieversorgungsanlage nach den Zielvorgaben 1 erforderlichen
Betriebsparameter 3 der Energieversorgungsanlage erfasst bzw.
gemessen.
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Betriebsparameter 3 sind
technischer bzw. physikalischer Natur, sie beschreiben aktuelle
Betriebszustände
und relevante Umgebungsbedingungen der dezentralen Energieversorgungsanlage.
Beispiele für
Betriebsparameter 3 sind Wirkungsgrade (beispielsweise
eines Elektroheizers), Nutzungsgrade (beispielsweise einer Motor-Generator-Anordnung),
Leistungszahlen (beispielsweise einer Wärmepumpe), gemessene Betriebstemperaturen,
Außentemperaturen
oder Speicherverluste.
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Die
Erfassung der Betriebsparameter 3 kann durch automatische
Erfassung bzw. Messung und auch durch direkte Eingabe über eine
entsprechende Schnittstelle erfolgen. Betriebsparameter 3 können dabei
als Einzelwerte oder Kennlinienfelder erfasst werden.
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Neben
den energietechnischen Informationen 2 und Betriebsparametern 3 werden,
wie in 1 ersichtlich, auch Lasten 4 der an der
dezentralen Energieversorgungsanlage angeschlossenen Verbraucher
(z. B. die Heizlast) erfasst.
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Verfahrensgemäß werden,
wie ebenfalls in 1 dargestellt, zu den energietechnischen
Informationen 2, zu den Betriebsparametern 3 und
zu den Lasten 4 auch Prognosen erstellt. Die Prognosen
beschreiben die Wahrscheinlichkeiten für künftige Werte der Informationen 2,
Betriebsparameter 3 und Lasten 4. Prognosen können auf
der statistischen Auswertung der erfassten Informationen 2,
Betriebsparameter 3 und Lasten 4 beruhen oder
auch von externen Stellen kommen. Beispiele für statistische Auswertungen
wären Statistiken über den
Warmwasserbedarf oder zu den jahreszeitabhängigen Außentemperaturen. Beispiele
für Prognosen
von externen Stellen wären
Lastprognosen von Stromversorgungsunternehmen oder Temperaturprognosen
von Wetterdiensten.
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Wie
in 1 gezeigt, werden in einem nächsten Schritt die von der
Energieversorgungsanlage einnehmbaren Betriebsarten 5 bestimmt.
Entscheidend für
die einnehmbaren Betriebsarten 5 sind insbesondere die
Ladungszustände
der vorhandenen Energiespeicher. Es ist also möglich, dass bei manchen Regelungszyklen
bestimmte Betriebsarten 5 nicht verfügbar sind (z. B. sind bei vollen
Energiespeichern diejenigen Betriebsarten 5 nicht verfügbar, die
eine Einspeicherung von Energie beinhalten).
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Anschließend werden,
wie ebenfalls aus 1 ersichtlich, unter Einbeziehung
der erfassten und prognostizierten Informationen 2 und
Betriebsparameter 3 Daten 6 zu den von der Energieversorgungsanlage
im aktuellen Zyklus einnehmbaren Betriebsarten 5 errechnet.
Diese Daten 6 erlauben es, den Erreichungsgrad der Zielvorgaben 1 zu
beurteilen bzw. zu prognostizieren.
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Die
errechneten Daten 6 decken die gleichen energietechnischen
Aspekte ab, wie die Zielvorgaben 1 bzw. die erfassten Informationen 2,
berücksichtigen
aber die Betriebsparameter 3 der dezentralen Energieversorgungsanlage.
Beispielsweise werden Informationen 2 zu CO2-Emissionen,
die bei der Erzeugung und dem Transport des im Elektrizitätsnetz angebotenen
Stroms verursacht wurden, über
den Wirkungsgrad eines elektrothermischen Energiewandlers in Daten 6 umgerechnet,
welche sich auf die CO2-Emissionen der von
der Energieversorgungsanlage zur Bedienung der anliegenden Last 4 bereitstellbaren
Wärmemenge
beziehen.
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Daten 6 werden
auch zu Energien, die sich ggf. in Energiespeichern der Energieversorgungsanlage
befinden, berechnet und im Zeitverlauf unter Berücksichtigung der Betriebsparameter 3 ständig angepasst.
Zum Beispiel werden Daten 6 zu den CO2-Emissionen,
welche die in einem Energiespeicher befindliche thermische Energie
bei ihrer Erzeugung und Speicherung bisher insgesamt verursacht hat,
nach jedem Regelungszyklus unter Berücksichtigung der Speicherverluste
des Energiespeichers angepasst.
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Wie
ebenfalls in 1 gezeigt, werden in einem letzen
Zyklusschritt anhand eines Entscheidungsprozesses auf Basis der
im vorherigen Schritt berechneten Daten 6 diejenigen Betriebsarten 5 gewählt, die
den Zielvorgaben 1 unter Berücksichtigung der anliegenden
Lasten 4 und der prognostizierten Lastverläufe am besten
Rechnung tragen.
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Entscheidend
für die
Wahl der Betriebsarten 5 ist dabei die Größe der jeweils
zugehörigen
Daten 6 im Verhältnis
zu den gegebenen Zielvorgaben 1 unter Berücksichtigung
der aktuellen Lasten und prognostizierten Lasten.
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Der
Entscheidungsprozess wird vorzugsweise durch ein aus der Entscheidungstheorie
bekanntes Mehrzieloptimierungsverfahren umgesetzt. Bei dem einem
solchen Verfahren zu Grunde liegenden Entscheidungsfeld stellen
die Zielvorgaben 1 das Zielsystem, die Betriebsarten 5 den
Alternativenraum, die energietechnischen Informationen 2 und Betriebsparameter 3 den
Zustandsraum und die Daten 6 die Einträge der Ergebnis- bzw. Nutzenmatrix dar.
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Im
Falle nur einer einzigen Zielvorgabe 1, wie der Minimierung
der CO2-Emissionen bei der Energiebereitstellung,
wählt der
Entscheidungsprozess diejenigen Betriebsarten 5, welche
zu den geringsten CO2-Emissionen führen bzw.
aufgrund der Prognosen voraussichtlich führen werden. Bei einer Energieversorgungsanlage,
die über
zwei Pfade zur Bereitstellung von Energie verfügt, werden somit die jeweils
mit den geringsten CO2-Emissionen verbundenen
Pfade der Energiebereitstellung gewählt, um den Zielvorgaben 1 zu
genügen.
Verfügt
die Energieversorgungsanlage stattdessen oder zusätzlich über die Möglichkeit,
Energie zu speichern, wird Energie zwischengespeichert, wenn aufgrund
der Prognosen zu erwarten ist, dass durch die Zwischenspeicherung von
Energie die Zielvorgabe 1 einer Minimierung der CO2-Emissionen besser erfüllt ist, als durch die Bereitstellung
dieser Energie direkt zum Zeitpunkt des prognostizierten Bedarfs
ohne Zwischenspeicherung.
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Im
Falle mehrerer Zielvorgaben 1, wie beispielsweise der Minimierung
von CO2-Emissionen, Kosten und Primärenergieeinsätzen bei
der Energiebereitstellung, werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
diejenigen Betriebsarten 5 gewählt, die sämtlichen, ggf. gewichteten,
Zielvorgaben 1 bestmöglich
Rechnung tragen.
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Der
gerade geschilderte Zyklus wird wie aus 1 ersichtlich
nach Abschluss des Entscheidungsprozesses in geeigneten Zeitintervallen
so oft erneut durchlaufen, bis er abgebrochen wird. Ändern sich
die Zielvorgaben 1 nicht, kann der Prozessschritt zu deren
Festlegung, wie ebenfalls in 1 gezeigt, bei
den nachfolgenden Durchläufen
ausgelassen werden.
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2 zeigt
eine Regelungseinheit 10 zur Umsetzung des Verfahrens und
deren Einfügung
in eine dezentrale Energieversorgungsanlage sowie die hierzu benötigten Schnittstellen.
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Die
zugehörige
sehr umfassende Energieversorgungsanlage stellt thermische und elektrische Energie
bereit, wobei thermische Energie auf drei Pfaden und elektrische
Energie auf zwei Pfaden bereitgestellt werden und sowohl thermische
als auch elektrische Energie gespeichert werden kann.
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Die
Bereitstellung thermischer Energie kann über die Kraft-Wärme-Kopplungs-Komponente (KWK-Komponente) 11,
den elektrothermischen Energiewandler 12 oder auch direkt
aus dem Wärmenetz 22 erfolgen.
Die Bereitstellung elektrischer Energie kann wiederum über den
elektrothermischen Energiewandler 12 oder auch direkt aus
dem Elektrizitätsnetz 21 erfolgen.
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Für die Anwendbarkeit
des Verfahrens sind, wie oben bereits beschrieben, nicht alle in 2 gezeigten
Komponenten erforderlich.
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Die
in 2 gezeigte KWK-Komponente 11 kann eine
Motor-Generator-Anordnung oder eine Brennstoffzelle sein. Dabei
kann es sich um eine Verbrennungskraftmaschine oder eine Stirling-Maschine mit
angekoppeltem elektrischem Generator bzw. um eine Brennstoffzelle
handeln. Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Verbrennungsmotor
(z. B. Dieselmotor, Gasmotor) oder eine Turbomaschine (z. B. Mikrogasturbine)
sein. Die Energie für
die Verbrennungskraftmaschine wird aus Heizöl, Erdgas, Biogas, Pflanzenöl oder sonstigen
für solche
Anlagen jeweils üblichen
Brennstoffen zur Verfügung
gestellt. Für
die Stirling-Maschine eignen sich weitere Brennstoffe wie z. B.
Biomasse.
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Der
ebenfalls in 2 gezeigte elektrothermische
Energiewandler 12 kann eine Wärmepumpe oder ein Elektroheizer
sein.
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Neben
dem Elektrizitätsnetz 21 kann
die Anlage auch an ein Wärmeversorgungsnetz
(z. B. ein Nahwärmenetz)
oder an ein Brennstoffnetz 20 angekoppelt sein, sofern
der Brennstoff nicht aus einem Brennstoffbehälter (z. B. Heizöltank) bezogen
wird.
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Der
dargestellte thermische Speicher 13 ist ein Heizungspufferspeicher
bzw. ein Warmwasserspeicher, denkbar sind aber auch Prozesswärmespeicher
oder Latentwärmespeicher.
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Der
elektrische Energiespeicher 14 ist vorzugsweise ein Akkumulator
oder Kondensator (Doppelschichtkondensator). Weiterhin kann der
elektrische Energiespeicher durch einen Drehmassenspeicher oder
Magnetfeldspeicher dargestellt werden.
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Der
vorhandene elektrische Energiespeicher 14 kann auch um
den elektrischen Energiespeicher von Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen
erweitert werden. Durch die elektrische Ankoppelung solcher Fahrzeuge
kann die Speicherkapazität
des elektrischen Energiespeichers 14 vergrößert werden.
Die Traktionsbatterie des Fahrzeugs kann dabei als eine zu bestimmten
Zeitpunkten zu bedienende Last aufgefasst werden (bei Gebrauch des
Fahrzeugs zu bestimmten Zeiten).
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Bei
Vorhandensein eines elektrischen Energiespeichers 14 ist
es ohne großen
zusätzlichen technischen
Aufwand auch möglich,
Solarzellen anzukoppeln bzw. Gleichstromverbraucher 23 anzuschließen. Beim
Anschluss von Gleichstromverbrauchern 23 können Netzteile,
die ansonsten das Bauvolumen, das Gewicht, den Preis, die Verluste
der Verbraucher und die von ihnen verursachten inneren Wärmeeinträge erhöhen, entfallen.
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Um
Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 gleichzurichten
und in den elektrischen Speicher 14 einzutragen und andererseits,
um Gleichstrom aus dem elektrischen Speicher 14 wechselzurichten
und in das Elektrizitätsnetz 21 einzuspeisen
bzw. damit Wechselstromverbraucher 24 mit Wechselstrom
zu versorgen, verfügt
die dezentrale Energieversorgungsanlage auch über einen Umrichter 15.
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Für Fälle, bei
denen die bei Stromerzeugung mit der KWK-Komponente 11 anfallende
thermische Energie nicht von Wärmeverbrauchern 22 verwendet werden
kann, ist es zweckmäßig, dass
die Anlage einen Kühler 16 umfasst,
der die Wärme
ggf. an die Umgebung abgeben kann.
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Entscheidend
ist nun, dass die Energieversorgungsanlage die in 2 gezeigte
Regelungseinheit 10 umfasst, die die eben beschriebenen
Anlagekomponenten unter anderem auf Basis der Informationen 2 zu
den verwendeten Endenergien entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
so regelt, dass die Zielvorgaben 1 möglichst gut erfüllt sind. Dazu
verfügt
die Regelungseinheit zweckmäßigerweise
auch über
Schnittstellen zur Erfassung bzw. manuellen Eingabe der für das Verfahren
relevanten Informationen 2, Betriebsparameter 3 und
Lasten 4 und trifft die entsprechenden Prognosen.
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Daraus
errechnet die Regelungseinheit 10 die oben beschriebenen
Daten 6 zu den von der Energieversorgungsanlage einnehmbaren
Betriebsarten 5 und wählt
anschließend
anhand des Entscheidungsprozesses diejenigen Betriebsarten 5,
die den Zielvorgaben 1 am besten genügen.
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Im
Folgenden soll das Verfahren anhand einer beispielhaften Energieversorgungsanlage
verdeutlicht werden.
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3 zeigt
eine Motor-Generator-Anordnung 30 als KWK-Komponente und
eine Wärmepumpe 33 als
elektrothermischen Energiewandler sowie zwei thermische Energiespeicher 34 und 35 und
einen elektrischen Energiespeicher 36. Wesentlich ist hierbei
wieder, dass die Energieversorgungsanlage eine Regelungseinheit 10 umfasst,
auf der das oben beschriebene Verfahren abläuft.
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Die
Verbrennungskraftmaschine 31 der Motor-Generator-Anordnung 30 wird
mit Erdgas aus dem Erdgasnetz betrieben. Elektrische Energie kann aus
dem Elektrizitätsnetz 21 bereitgestellt
werden. Bei dem Generator 32 handelt es sich um eine Gleichstrommaschine,
der elektrothermische Energiewandler ist eine Luft/Wasser-Wärmepumpe 33. Die
Energiespeicher umfassen einen Warmwasserspeicher 34, einen
Heizungspufferspeicher 35 und einen Lithium-Ionen-Akku 36. Über den
elektrischen Umrichter 15 kann ein bidirektionaler Energieaustausch
zwischen Lithium-Ionen-Akku 36 und Elektrizitätsnetz 21 erfolgen.
An den Lithium-Ionen-Akku 36 sind
direkt ein Gleichspannungsnetz 23 und ein Solarpanel 37 angekoppelt.
Weiterhin kann an den Lithium-Ionen-Akku 36 ein Elektrofahrzeug
angekoppelt werden.
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Schließlich ist
noch ein Kühler 16 vorhanden, der
nicht benötigte
bzw. speicherbare thermische Energie an die Umgebung abgeben kann.
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Durch
die Möglichkeit,
Wärme einerseits
entweder mit der Motor-Generator-Anordnung 30 oder mit
der Wärmepumpe 33 zu
erzeugen und andererseits Strom entweder mit der Motor-Generator-Anordnung 30 zu
erzeugen oder direkt aus dem Elektrizitätsnetz 21 bereitzustellen
sowie durch die Möglichkeit,
thermische und elektrische Energie zu speichern, verfügt die Anlage über viele
verschiedene mögliche
Betriebsarten.
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Bei
einem Betrieb der Energieversorgungsanlage entsprechend dem beschriebenen
Verfahren soll die Zielvorgabe in einer Minimierung der CO2-Emissionen bestehen.
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Basierend
auf nach dem oben beschriebenen Verfahren ermittelten Daten entscheidet
die Regelungseinheit 10 zwischen verschiedenen Betriebsarten
der Energieversorgungsanlage, um dieser Zielvorgabe zu genügen. Dabei
entscheidet sie unter anderem, ob:
- • elektrische
Energie aus dem Elektrizitätsnetz 21 entnommen
und damit thermische Energie erzeugt und evtl. auch gespeichert
wird. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die Werte der zu
den CO2-Emissionen berechneten Daten bei Wärmeproduktion
aus Netzstrom geringer sind als bei einer Wärmeproduktion durch die Motor-Generator-Anordnung 30 (unter
Berücksichtigung
der bei letzterer Variante ggf. auch verwertbaren elektrischen Energie).
Dies ist beispielsweise zu Zeiten der Fall, bei denen ein hoher
Anteil von regenerativen Energieträgern an der Stromerzeugung
im Elektrizitätsnetz 21 beteiligt
ist.
- • die
Motor-Generator-Anordnung 30 wärmegeführt betrieben wird und Differenzen
zwischen erzeugter und benötigter
elektrischer Energie mit dem Elektrizitätsnetz 21 ausgeglichen
werden. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn die Werte der Daten
zu den CO2-Emissionen bei Eigenproduktion
von Strom- und Wärme
niedriger sind, als beim Bezug von Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 und
der Produktion von thermischer Energie aus diesem Strom.
- • Strom
gezielt in das Elektrizitätsnetz 21 eingespeist
wird und die bei der Stromerzeugung mit der Motor-Generator-Anordnung 30 entstehende Wärme, soweit
nicht unmittelbar benötigt,
möglichst
in einen der beiden thermischen Speicher 34 und 35 eingetragen
und ansonsten über
den Kühler 16 an
die Umgebung abgegeben wird. Diese Betriebsart wird dann gewählt, wenn
die entsprechend dem Verfahren berechneten Werte der Daten zu den
CO2-Emissionen bei der Stromproduktion durch
die Motor-Generator-Anordnung 30 unter Berücksichtigung
der verwendbaren Wärme niedriger
sind, als die Werte der energietechnischen Informationen zu den
durch den Kraftwerkspark bei der Stromproduktion verursachten CO2-Emissionen.
- • die
Anlage auch ohne aktuellen Bedarf Strom aus dem Elektrizitätsnetz 21 in
den Lithium-Ionen-Akku 36 einspeichert, um später auftretenden Eigenbedarf
an Strom oder Wärme
zu decken oder um die elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt
wieder in das Elektrizitätsnetz 21 zurück zu speisen.
Diese Betriebsart wird dann gewählt,
wenn anhand der Daten die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie
das Erreichen der Zielvorgabe einer Minimierung der CO2-Emissionen
wahrscheinlicher macht, als der Strombezug zum Zeitpunkt des prognostizierten Bedarfs.
- • die
Anlage Strom und Wärme
kombiniert mit der Motor-Generator-Anordnung 30 erzeugt,
um den Wärmebedarf
des Gebäudes
zu decken und dabei nicht benötigte
elektrische Energie in den Lithium-Ionen-Akku 36 einspeichert
und die gespeicherte elektrische Energie später zur Strom- bzw. Wärmeversorgung
des Gebäudes
verwendet oder wieder in das Elektrizitätsnetz 21 einspeist. Diese
Betriebsart wird dann gewählt,
wenn die Prognosen der Informationen zu den CO2-Emissionen
im Netzstrom vergleichsweise hoch sind und so durch Eigenverwendung
oder Netzeinspeisung des selbst produzierten Stroms der Zielvorgabe einer
Minimierung der CO2-Emissionen Rechnung
getragen werden kann.
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Das
oben beschriebene Verfahren ist insbesondere in ökologischer Hinsicht vorteilhaft.
Beispielsweise werden mit einem verfahrensgemäß geregelten BHKW im Vergleich
zu einem konventionell betriebenen BHKW Zustände vermieden, in denen das
BHKW Strom in das Elektrizitätsnetz
einspeist, obwohl die ökologische
Bilanz der Energie im Elektrizitätsnetz
sehr gut ist bzw. ausreichend Angebot im Netz vorhanden ist.
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Dies
ist insbesondere im Hinblick auf den weitreichenden Ausbau regenerativer
Stromerzeuger im Netz von Bedeutung, da das Verfahren es erlaubt, solche
dezentralen Energieversorgungsanlagen ökologisch optimiert an die
Dynamik der Einspeisung von regenerativen Energien anzupassen.
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Durch
eine große
Anzahl entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelter dezentraler
Energieversorgungsanlagen wird es möglich, signifikante Einsparungen
an Treibhausgasen zu erreichen sowie Ressourcen effizienter zu nutzen,
wodurch insbesondere fossile Ressourcen geschont werden.