DE102012113049A1

DE102012113049A1 - Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern

Info

Publication number: DE102012113049A1
Application number: DE102012113049.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Markowz; Carsten Kolligs; Wolfgang Deis; Anna Flemming; Dennis Gamrad; Sébastien Cochet; Rüdiger Schütte
Original assignee: Evonik Industries AG
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014095343A2; WO2014095343A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, wobei sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt wird, eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Durchführung des zuvor dargelegten Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Eine Vielzahl von Strom-Speichertechnologien ist bereits heute im Einsatz oder in der Entwicklung. Gegenwärtig ist keine Technologie erkennbar, die in allen Anforderungskategorien den anderen Technologien überlegen ist. Üblicherweise beschränkt man sich beim Einsatz eines Speichers daher auf einen oder wenige kombinierte Zwecke oder es werden verschiedene Speichertechnologien kombiniert, z.B. ein Batteriespeicher für kurzzeitige Lade-/Entladevorgänge und ein Wasserstoffspeicher für Vorgänge, die sich über mehrere Tage bis hin zu Monaten erstrecken oder die die Speicherung großer Energiemengen erfordern. Die Speichertechnologien für vergleichsweise kurzzeitige Ein- und Ausspeicherung zeichnen sich in der Regel durch vergleichsweise hohe Wirkungsgrade, jedoch eher mäßige bis geringe Speicherkapazitäten, aus. Auf der anderen Seite zeigen einige der für große Energiemengen und/oder lange Speicherzeiten diskutierten Technologien, wie die Speicherung in Form von Wasserstoff, vergleichsweise geringe Wirkungsgrade.
Eine derartige Kombination von Wasserstoffspeichern und Akkumulatoren wird beispielsweise in der Druckschrift WO 03/008803 A1 beschrieben. Hierin wird insbesondere dargelegt, dass der Akkumulator den Vorteil einer zuverlässigen und schnellen Bereitstellung von elektrischem Strom aufweist. Allerdings ist dieser jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass ein großes Volumen für eine Speicherung einer hohen Energiemenge notwendig ist.
Dementsprechend werden Speicherkombinationen wie die von einem Batteriespeicher mit einem Wasserstoffspeicher derart betrieben, dass die ineffizientere Technologie (in der Regel die Wasserstoffherstellung bzw. -rückverstromung) stets erst dann betrieben wird, wenn die Kapazität der effizienteren Technologie (in der Regel der Batteriespeicher) erschöpft ist.
Trotz intensiver Entwicklungsbemühungen ist die Wirtschaftlichkeit des Betriebs von Speichertechnologie-Kombinationen auch heute in den meisten Fällen noch nicht gegeben. Gleichzeitig sind heute, insbesondere auf Inseln mit bereits vergleichsweise hohem Anteil an Erneuerbaren Energien, Phasen zu beobachten, in denen die Strom-Erzeugung den momentanen Verbrauch übersteigt, diese Überschussenergien jedoch infolge beschränkter Möglichkeiten zur Speicherung verworfen werden müssen. Auf der anderen Seite treten Phasen auf, in denen die Energiemengen aus Erneuerbaren Quellen und/oder eventuellen Stromspeichern nicht ausreichen, um den aktuellen Bedarf zu decken. In diesem Fall werden in der Regel Dieselaggregate in Betrieb genommen. Dies führt neben dem Verbrauch von Diesel zu zusätzlichen CO₂-Emissionen.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein technisch verbessertes Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, zur Verfügung zu stellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Insbesondere sollte das Verfahren möglichst einfach und kostengünstig durchgeführt werden können. Hierbei soll es ermöglicht werden, eine Speicherung von elektrischer Energie bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Investitionen zur Bereitstellung einer benötigten Speicherkapazität möglichst gering sein sollten. Hierbei sollten die zur Erzielung einer zweckmäßigen Leistung notwendigen Komponenten möglichst kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sollte die Leistung der Komponente mit dem geringeren Wirkungsgrad, beispielsweise die eines Wasserstofferzeugers oder einer Brennstoffzelle, möglichst verringert werden, ohne dass über einen bestimmten Zeitraum die durch das Gesamtsystem bereitgestellte Gesamtleistung bei einem Bedarf an gespeicherter Energie abnimmt.
Zudem wäre es auch vorteilhaft, wenn das Gesamtsystem einen starken Überschuss an Erneuerbaren Energie möglichst umfassend speichern kann, ohne dass hierfür sehr groß dimensionierte Anlagenkomponenten eingesetzt werden müssten.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll außerdem dazu geeignet sein, eine notwendige elektrische Leistung bei Bedarf möglichst schnell bereitstellen zu können.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung sollte ferner der Einsatz von konventionellen Stromerzeugern, die Kohlendioxid (CO₂) freisetzen, möglichst minimiert werden.
Weiterhin sollte das Verfahren mit möglichst wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden können, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sein sollten.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nachfolgenden Beschreibung und der Ansprüche.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben von Energiespeichern werden in den Unteransprüchen 2 bis 11 unter Schutz gestellt. Ferner haben Patentansprüche 12 bis 15 eine Anlage zum Durchführen eines solchen Verfahrens zum Gegenstand.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt wird, eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt es auf nicht vorhersehbare Weise, ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, bereitzustellen, das nicht mit den Nachteilen herkömmlicher Verfahren behaftet ist.
Speziell gelingt es durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Leistungen der einzelnen Komponenten relativ klein zu dimensionieren, ohne dass hierdurch die Gesamtleistung verringert werden würde. So kann ein sehr langer Betrieb aller elektrochemischen Komponenten erzielt werden.
Insbesondere kann das Verfahren sehr einfach und kostengünstig durchgeführt werden, da Komponenten mit geringerer Leistung preisgünstiger erhältlich sind und die Wartungskosten verringert werden können. Ferner sind die Anlagen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann, in Bezug auf die bereitgestellte Speicherkapazität mit geringen Investitionen verbunden.
Weiterhin können bestehende Anlagen verbessert werden, da, bei identischen Leistungen der einzelnen Komponenten, deren Gesamtleistung unerwartet gesteigert werden kann.
Hierbei gelingt es, die Speicherung von elektrischer Energie bei einem hohen Wirkungsgrad der eingesetzten Komponenten bereitzustellen.
Ferner kann das Gesamtsystem einen starken Überschuss an Erneuerbaren Energie möglichst umfassend speichern, ohne dass hierfür sehr groß dimensionierte Anlagenkomponenten eingesetzt werden müssten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem dazu geeignet, eine notwendige elektrische Leistung bei Bedarf sehr schnell bereitstellen zu können.
Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ferner der Einsatz von konventionellen Stromerzeugern, die CO₂ freisetzen, stark minimiert werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren mit sehr wenigen Verfahrensschritten durchgeführt werden, wobei dieselben einfach und reproduzierbar sind.
Das vorliegende Verfahren wird in Zusammenhang mit einer Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie in den Energiespeichern durchgeführt.
Unter dem Begriff Erneuerbare Energie wird vorliegend jede nachhaltige Energieform verstanden. Hierzu gehören beispielsweise Windenergie und Solarenergie, die auf bekannte Weise in elektrische Energie überführt werden. So kann die vorliegende Erfindung beispielsweise mit Windkraftanlagen oder Solaranlagen betrieben werden. Zu den Solaranlagen gehören Photovoltaikanlagen und thermische Solaranlagen, die je nach Leistungsfähigkeit auch Solarkraftwerke genannt werden können.
Die Leistung der Anlagen oder Kraftwerke, die mit Erneuerbaren Energien elektrische Energie gewinnen, unterliegt keinen Beschränkungen. Je nach Zweck und Ort dieser Anlagen, können diese beispielsweise als Insellösung für eine relativ begrenzte Zahl von Verbrauchern Energie bereitstellen. Weiterhin können diese Anlagen in ein größeres Stromnetz integriert werden. Demgemäß können die Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien, einzeln oder im Pool, bevorzugt eine Leistung von zumindest 1 kW haben, vorzugsweise zumindest 10 kW, besonders bevorzugt zumindest 100 kW, speziell bevorzugt zumindest 1 MW und ganz besonders bevorzugt von zumindest 10 MW.
Allerdings können die Erneuerbaren Energien nicht planbar bereitgestellt werden. Der Wind weht nicht entsprechend einem prognostizierten oder vorhandenen Energiebedarf, so dass bei Windkraftüberschuss die gewonnene Energie gespeichert werden muss, um die bei einer Windflaute benötigte Energie in das Netz einspeisen zu können, wenn die Energiewirtschaft vorwiegend mit Erneuerbaren Energien arbeiten soll. Ähnliches gilt auch für Anlagen oder Kraftwerke, die Sonnenenergie zur Energiegewinnung einsetzen. Hierbei bedeuten die Begriffe Energieüberschuss oder Energieunterschuss, dass im jeweiligen Zeitpunkt mehr beziehungsweise weniger Energie durch die zuvor dargelegten Erneuerbaren Energien bereitgestellt als verbraucht wird. Bei einem Wechselstromnetz kann der jeweilige Zustand beispielsweise über die Messung der Netzfrequenz bestimmt werden. Bei einem Leistungsunterschuss nimmt die Netzfrequenz ab, wohingegen bei einem Leistungsüberschuss die Netzfrequenz zunimmt. Bei einem Gleichstromnetz kann dieser Zustand über die Messung der Spannung bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Begriffe Leistungsüberschuss und Energieüberschuss beziehungsweise Leistungsunterschuss und Energieunterschuss für die Zwecke dieser Erfindung einen ähnlichen Bedeutungsgehalt aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, die elektrische Energie aufnehmen und abgeben können. Diese Energiespeicher umfassen mindestens zwei elektrochemische Elemente, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Elektrochemische Elemente sind Vorrichtungen, die durch chemische Reaktionen elektrische Energie aufnehmen und/oder abgeben können.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als elektrochemisches Element ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, ein Redox-Flow-Element und/oder ein galvanisches Element verwendet wird, vorzugsweise ein Akkumulator.
Zu den Akkumulatoren zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Natrium-Nickelchlorid-Akkumulatoren, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, Nickel-Eisen-Akkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, Nickel-Zink-Akkumulatoren, Natrium-Ionen-Akkumulatoren, Kalium-Ionen-Akkumulatoren und Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Hierbei sind Akkumulatoren bevorzugt, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe betriebliche und kalendarische Lebensdauer aufweisen. Zu den bevorzugten Akkumulatoren zählen demgemäß insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren (z. B. Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulatoren) sowie Weiterentwicklungen dieser, wie zum Beispiel Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium-Schwefel-Akkumulatoren und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit, das heißt, sowohl hinsichtlich der Ansprechzeit als auch der Rate, mit der die Leistung gesteigert oder reduziert werden kann, für erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet. Zudem ist auch der Wirkungsgrad insbesondere bei Li-Ionen-Akkumulatoren gut. Ferner zeigen bevorzugte Akkumulatoren ein hohes Verhältnis von Leistung zu Kapazität, wobei dieser Kennwert als C-Rate bekannt ist.
Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher mindestens zwei elektrochemische Elemente auf, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Der Wirkungsgrad ist hierbei definiert als das Verhältnis zwischen der ausspeicherbaren Energie und der zum Speichersystem bereitgestellten Energie.
Der Wirkungsgrad eines Akkumulators definiert das Verhältnis zwischen Lademenge und Entlademenge. Bei 100% Wirkungsgrad würde die gesamte geladene Energie zur Verfügung stehen. Da bei der Ladung eines Akkumulators ein Teil des eingeladenen Stroms in Nebenreaktionen fließen kann bzw. durch Selbstentladung verloren geht, steht für die Entladung nicht mehr die gesamte eingeladene Ladung zur Verfügung. Generell sinkt der Wirkungsgrad sowohl durch Schnellladung als auch durch schnelle Entladung, da die Verluste am Innenwiderstand zunehmen.
Zu den Verlusten zählen unter andere thermische Verluste, zum Beispiel durch den inneren Widerstand eines elektrochemischen Elements oder aus mechanischen Reibungen eines Motors, unvollständige chemische Prozesse oder Selbstentladung eines elektrochemischen Elements. Nebenkomponenten die für das gesamt Speichersystem relevant sind und Strom benötigen, um das Speichern von elektrischer Energie zu ermöglichen, sind in der Wirkungsgradbestimmung zu berücksichtigten. Insbesondere zählen hierzu Pumpen, Verdichter oder Kühlaggregate, sowie die Energie, die für die Steuerung und/oder für das Energiemanagementsystem notwendig ist.
Beim Wirkungsgrad einer Batterie muss zwischen Amperestundenwirkungsgrad η_Ah und Energiewirkungsgrad (Wattstundenwirkungsgrad) η_Wh unterschieden werden.
Als Amperestundenwirkungsgrad wird das Verhältnis aus entnehmbarer Kapazität C_Ela zu eingeladener Kapazität C_Lad bezeichnet:
Für den Energiewirkungsgrad müssen die eingeladenen Energien verglichen werden:
wobei E_Ela die entnehmbare Energie und E_Lad die zugeführte Energie darstellt.
Da die Ladespannung immer höher ist als die Entladespannung, ist der Energiewirkungsgrad immer kleiner als der Amperestundenwirkungsgrad.
Um den Wirkungsgrad einer Batterie bzw. eines Akkumulators mit dem eines anderen Energiespeichers (z.B. in Form von H₂) vergleichen zu können, beziehen sich die Wirkungsgradangaben im Allgemeinen auf den Energiewirkungsgrad, falls nichts anderes angegeben ist.
Da der Wirkungsgrad vieler Akkumulatoren von der Stromstärke der Lade- und Entladevorgänge sowie der Lade- und der Entladetemperatur abhängig ist, wird zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Akkumulator mit einer auf die Nennkapazität des Akkumulator bezogene Stromstärke von 0,2 C bei einer Temperatur von 25°C geladen und unmittelbar nach dem Ladevorgang mit einer auf die Nennkapazität des Akkumulator bezogene Stromstärke von 0,2 C bei 25°C entladen. Bei einer auf die Nennkapazität des Akkumulators bezogenen Stromstärke von 0,2 C wird der Akkumulator innerhalb von 5 Stunden geladen bzw. entladen.
Die Nennkapazität Q_N (in Ah) wiederum ergibt sich aus der Masse m [kg] und der spezifischen Kapazität q [Ah/kg] des aktiven Elektrodenmaterials zum Zeitpunkt der Herstellung der Batterie, wobei gilt: Q_N = q·m.
Gegebenenfalls kann die Nennkapazität gemäß den in DIN 40 729 gegebenen Parametern für verschiedene Batterietypen bestimmt werden. Vielfach wird bei kommerziellen Akkumulatoren die Nennkapazität angegeben.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von bevorzugt mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 80% und speziell bevorzugt mindestens 90% aufweist, gemessen gemäß obiger Methode.
Weiterhin zeichnet sich eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von bevorzugt höchstens 90%, vorzugsweise höchstens 80%, besonders bevorzugt höchstens 70% und speziell bevorzugt höchstens 60% aufweist, gemessen gemäß obiger Methode.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Differenz zwischen dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad bevorzugt mindestens 2%, vorzugsweise mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 10% und speziell bevorzugt mindestens 15% beträgt, wobei der Wirkungsgrad jeweils gemäß obiger Methode bestimmt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, eine unterschiedliche C-Rate aufweisen. Die C-Rate ist, wie bereits zuvor dargelegt, definiert als Verhältnis von Leistung zu Nennkapazität des jeweiligen elektrochemischen Elements. Vorzugsweise kann das Verhältnis der C-Raten der jeweiligen elektrochemischen Elemente größer als 1,1, bevorzugt größer als 1,5 und besonders bevorzugt größer als 2 sein, wobei die höhere C-Rate in das Verhältnis zur kleineren C-Rate gesetzt wird.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird als elektrochemisches Element mit dem höheren Wirkungsgrad ein Lithium-Ionen-Akkumulator eingesetzt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass als elektrochemisches Element mit dem geringeren Wirkungsgrad ein Bleiakkumulator, ein Redox-Flow-Element oder ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff eingesetzt wird. Ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein System, welches aus Strom Wasserstoff bereitstellen kann und aus Wasserstoff elektrische Energie erzeugen kann. Weiterhin umfasst ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff mindestens einen Wasserstoffspeicher. Zu den bevorzugten Systemen zur Erzeugung von Wasserstoff aus Strom zählen insbesondere Elektrolyseeinheiten. Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff kann beispielsweise mit einer Brennstoffzelle, einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine oder einem Wasserstoffmotor erfolgen, wobei diese Aggregate teilweise einen Generator betreiben. Die Art des Wasserstoffspeichers ist unkritisch, so dass hierfür ein Drucktank, ein Flüssiggasspeicher oder ein chemischer Speicher eingesetzt werden kann.
Demgemäß kann als besonders bevorzugter Energiespeicher eine Anlage eingesetzt werden, in der ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem Bleiakkumulator kombiniert wird. Weiterhin stellt ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, in Kombination mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator eine bevorzugte Ausführungsform für einen Energiespeicher der vorliegenden Erfindung dar. Ferner kann ein Bleiakkumulator zusammen mit einem Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff betrieben werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kombination umfassend zumindest ein Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Bleiakkumulator und ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff verwendet werden.
Ferner kann als besonders bevorzugter Energiespeicher eine Anlage eingesetzt werden, in der ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem Redox-Flow-Element kombiniert wird. Ferner kann ein Bleiakkumulator zusammen mit einem Redox-Flow-Element betrieben werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Kombination umfassend zumindest ein Lithium-Ionen-Akkumulator, einen Bleiakkumulator, ein Redox-Flow-Element und ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff verwendet werden.
Weiterhin kann eine Anlage zum Speichern von Energie zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens ein Redox-Flow-Element und mindestens ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff aufweisen.
Je nach Kombination sei angemerkt, dass Bleiakkumulatoren üblich einen höheren Wirkungsgrad aufweisen als Energiespeichersysteme auf Basis von Wasserstoff, jedoch einen geringeren als Redox-Flow-Elemente.
Überraschende Vorteile können, dadurch erzielt werden, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eine relativ geringe Speicherkapazität aufweist. Dies kann beispielsweise auf die Nennleistung, insbesondere auf die bereitgestellte Höchstleistung bezogen sein oder, bevorzugt, auf die Speicherkapazität des Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Vorzugsweise kann das Verhältnis von Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zur Speicherkapazität des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad höchstens 2:1, bevorzugt höchstens 1:1, insbesondere bevorzugt höchstens 1:2, speziell bevorzugt höchstens 1:5 und besonders bevorzugt höchstens 1:10 betragen. Demgemäß weist das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise eine geringere Speicherkapazität als das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad auf. Die Speicherkapazität bezieht sich hierbei jeweils auf die Nennkapazität. Durch diese Ausgestaltung können überraschende wirtschaftliche Vorteile erzielt werden, da die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt haben, dass in vielen Fällen zum Ausgleich eines Leistungsunterschusses durch fehlende Erneuerbare Energie eine relativ geringe Speicherkapazität eines Hochleistungsakkumulators ausreicht, wohingegen eine große Kapazität in relativ seltenen Fällen notwendig ist, so dass diese seltenen Fälle mit relativ preisgünstigen elektrochemischen Speichern unter Erzielung von Kostenvorteilen abgedeckt werden können. Ein weiterer überraschender Vorteil ergeben sich bei Energiespeichersystemen auf Basis von Wasserstoff und Redox-Flow Batterien dadurch, dass die Leistung der Systeme unabhängig von der Speicherkapazität gewählt werden kann. Hierdurch kann für ein System eine notwendige Kapazität bereitgestellt werden, ohne dass übermäßige Kosten für eine unnötig hohe Leistung anfallen.
Hierbei wird das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad vorzugsweise eingesetzt, um länger anhaltende Leistungsunterschüsse und/oder länger anhaltende Leistungsüberschüsse an erneuerbaren Energie auszugleichen.
Ein erfindungsgemäß einzusetzender Energiespeicher, der elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, umfasst mindestens zwei elektrochemische Elemente, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Demgemäß stellen diese elektrochemische Elemente vorzugsweise ebenfalls Energiespeicher dar, wobei diese gegebenenfalls in Kombination zu einem solchen werden. Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz einer Brennstoffzelle der Fall, die zusammen mit einem Wasserstofferzeuger und -speicher eingesetzt werden sollte. Die Bezeichnung elektrochemische Elemente dient insbesondere zur Klarstellung, dass der Energiespeicher mehrere Bauteilen umfasst. Hierbei können diese elektrochemischen Elemente in räumlicher Nähe angeordnet sein oder über eine größere Entfernung zu einander aufgestellt sein. Wesentlich ist, dass beide elektrochemischen Elemente über eine zentrale Steuerungseinheit gemeinsam gesteuert werden, wobei dies insbesondere durch ein gemeinsames Managementsystem realisiert werden kann. Hierbei können die einzelnen elektrochemischen Elemente jeweils ein Subsystem aufweisen, das partielle Steuerungsaufgaben übernimmt.
Weiterhin können zur Durchführung der vorliegenden Erfindung weitere Energiespeicher eingesetzt werden, die keine elektrochemischen Elemente darstellen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass als Energiespeicher, der kein elektrochemisches Element darstellt, ein Schwungrad, ein Wärmespeicher, ein Erdgaserzeuger mit Gaskraftwerk, ein Pumpspeicherkraftwerk, ein Druckluftspeicherkraftwerk und/oder ein supraleitender magnetischer Energiespeicher, verwendet wird, oder Kombinationen („Pools“) von Speichern oder von Speichern mit konventionellen Energieerzeugern oder von Speichern mit Verbrauchern und/oder Energieerzeugern.
Ein als Energiespeicher betriebener Wärmespeicher muss zusammen mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Strom aus der gespeicherten Wärmeenergie betrieben werden.
Auch kann vorgesehen sein, dass in dem Energiespeicher eine Energie von zumindest 4 kWh gespeichert werden kann, vorzugsweise von zumindest 10 kWh, besonders bevorzugt zumindest 50 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 250 kWh. Hierbei können, wie bereits erwähnt, die mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers eine sehr ähnliche Kapazität aufweisen. Vorzugsweise kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad jedoch eine relativ geringe Speicherkapazität umfassen. Demgemäß kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise eine Energie von zumindest 1 kWh speichern, vorzugsweise von zumindest 4 kWh, besonders bevorzugt zumindest 10 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 100 kWh. Das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad kann vorzugsweise eine Energie von zumindest 3 kWh speichern, vorzugsweise von zumindest 6 kWh, besonders bevorzugt zumindest 40 kWh, ganz besonders bevorzugt zumindest 150 kWh.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Energiespeicher, der auf elektrochemischen Elementen beruht, eine Kapazität von mindestens 5 Ah, bevorzugt mindestens 10 Ah, besonders bevorzugt mindestens 50 Ah besitzen.
Bei Verwendung von Speichern, die auf elektrochemischen Elementen beruhen, insbesondere Akkumulatoren, kann dieser Speicher vorteilhaft mit einer Spannung von mindestens 1 V, vorzugsweise mindestens 10 V und besonders bevorzugt mindestens 100 V betrieben werden.
Die Kapazität kann an die Nennleistung und einen zuvor definierten festgelegten Zeitraum angepasst werden. Größere Kapazitäten sind für höhere Nennleistungen und längere Zeiträume notwendig. Weiterhin kann das Verhältnis der Speicherkapazitäten der mindestens zwei elektrochemischen Elemente an deren Leistungsfähigkeit, unter Berücksichtigung der preislichen Unterschiede angepasst werden. Bei sehr großen Unterschieden in Preis und Leistung, wird im Allgemeinen ein relativ großer Unterschied in den Kapazitäten sinnvoll sein.
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann vorzugsweise mindestens 10%, besonders bevorzugt mindestens 20% betragen. Überraschende Vorteile können bei einem anzustrebenden Ladezustand des Energiespeichers im Bereich von 30 bis 100% der Kapazität erzielt werden, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 90%. Die Einhaltung und/oder die Rückkehr in diese Ladezustandsbereiche kann beispielsweise durch Nutzung der dieser Erfindung zu Grunde liegende Betriebsweise und/oder über einen Energiehandel über das Stromnetz erreicht werden, falls das Verfahren mit einer Anlage betrieben wird, die ein Teil eines größeren Stromnetzes darstellt. Bei einer Insellösung können zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher eingesetzt werden, wie dies später näher erläutert wird. Der Ladezustand entspricht insbesondere im Fall von Akkumulatoren als Energiespeicher dem Ladungszustand (engl.: „State-of-Charge“, SoC) oder dem Energiegehalt (engl.: „State-of-Energie“, SoE).
Der Ladezustand der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers kann hierbei jeweils in den zuvor dargelegten Bereichen liegen. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad im Durchschnitt geringer ist als der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Vorzugsweise kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad im Durchschnitt um mindestens 5%, bevorzugt um mindestens 10% über dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad liegen, bezogen auf den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad hierbei stärkeren Schwankungen unterliegen als der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad. Bei einem sehr geringen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad kann ferner vorgesehen sein, dass Energie vom elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad auf das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad übertragen wird. Hierbei sollte die übertragene Energie in einer Größe liegen, die zu relativ wenigen Lade-/Entladezyklen führt. Vorzugsweise kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad durch diesen Entladevorgang um mindestens 5%, besonders bevorzugt um mindestens 10% und besonders bevorzugt mindestens 15% abnehmen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bevorzugt um mindestens 5%, vorzugsweise um mindestens 15% und besonders bevorzugt um mindestens 30% durch einen Entladevorgang des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zunehmen.
Der anzustrebende Ladezustand des Energiespeichers kann von Vorhersagedaten abhängen. So können insbesondere Verbrauchsdaten zur Bestimmung des optimalen Ladezustandes herangezogen werden, die von der Tageszeit, dem Wochentag und/oder der Jahreszeit abhängig sind.
Ferner kann der anzustrebende Ladezustand von Wetterprognosen abhängig sein, wobei bei einem prognostizierten starken Angebot an Erneuerbarer Energie ein relativ geringer Ladezustand anzustreben ist und bei einem geringen Angebot ein hoher Ladezustand.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt. Hierbei kann der Ladezustand über den Energieaustausch, der bei Entlade und Aufladevorgängen durch entsprechende Methoden abgeschätzt oder unmittelbar gemessen werden kann, bestimmt werden. Die hierzu notwendigen Messgeräte sind kommerziell erhältlich, wobei der Ladezustand kontinuierlich oder in Intervallen gemessen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gemessen werden. Bei einer Kombination von einer oder mehreren Brennstoffzellen mit mindestens einer Elektrolyseeinheit kann die Menge an gespeichertem oder speicherbarem Wasserstoff entsprechend zur Bestimmung der durch diese Einheit bereitstellbare oder speicherbare Energie dienen. Die hierzu notwendigen Messgeräte sind kommerziell erhältlich, wobei der Ladezustand kontinuierlich oder in Intervallen gemessen werden kann. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad auch über Energieaustauschwerte, beispielsweise Lade- und Entladeenergien geschätzt werden, so dass eine Messung des Ladezustandes nicht zwingend notwendig ist. Bei einer Verwendung einer Brennstoffzelle kann beispielsweise der Gasdruck des eingesetzten Vorratsbehälters als Ladezustandsabschätzung dienen.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Prognose hinsichtlich der Leistung, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, durchgeführt. Hierbei wird für einen in näherer Zukunft liegenden Zeitraum vorhergesagt, ob und in welchem Ausmaß die Erneuerbare Energie, beispielsweise eine eingesetzte Windkraft- oder Solaranlage die in einem Zeitraum benötigte Leistung zur Verfügung stellen kann. Demgemäß werden diese Prognosen im Allgemeinen Verbrauchsdaten aus der Vergangenheit berücksichtigen. Weiterhin sind zur Erstellung auch Daten über die durch die Erneuerbaren Energie in Zukunft erhältlichen Leistungen zweckmäßig. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können zur Prognose des Teils der durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie, der durch die elektrochemischen Elemente chemisch gespeichert werden kann, Daten berücksichtigt werden, die auf einem zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie beruhen. Vorzugsweise werden demgemäß zur Erstellung der Prognose Verbrauchsdaten, die beispielsweise von der Tageszeit, dem Wochentag und/oder der Jahreszeit abhängig sind, und Wettervorhersagen eingesetzt, die eine Abschätzung der Leistung zur Verfügung stellen, die durch die Erneuerbaren Energien bereitgestellt werden kann.
Hierbei werden diese Prognosen für einen Zeitraum erstellt. Die Dauer des Zeitraumes kann beliebig gewählt werden, wobei längere Zeiträume nur bei einer sehr guten Prognose, insbesondere hinsichtlich der Wetterdaten sinnvoll sind. Bei der Wahl eines relativ kurzen Zeitraumes nimmt jedoch der durch die vorliegende Erfindung erzielbare Vorteil ab. Überraschende Vorteile ergeben sich insbesondere bei einem Zeitraum der im Bereich von 1 Stunde bis 2 Monaten, vorzugsweise 6 Stunden bis 30 Tagen und besonders bevorzugt 1 Tag bis 14 Tagen liegt.
Die Prognose bezieht sich immer auf einen zukünftigen Zeitraum, wobei diese auch unmittelbar vor diesem Zeitraum durchgeführt werden kann. Bei einer sehr frühzeitigen Erstellung der Prognose ist deren Eintrittswahrscheinlichkeit im Allgemeinen relativ gering. Andererseits nimmt die Einflussmöglichkeit bei einer sehr späten Erstellung derselben ab. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden daher viele Prognosen in relativ kurzen Abständen durchgeführt, wobei die jeweiligen Ergebnisse als Handlungsanweisungen für die Zukunft zu verstehen sind, so dass eine quasi kontinuierliche Adaption erzielt werden kann. So kann bei einer Abweichung der tatsächlichen Verbrauchswerte oder der Leistung, die durch die Erneuerbaren Energie bereitgestellt wird, von einer früheren Prognose eine Anpassung des Austausches an elektrischer Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen erfolgen.
In Abhängigkeit des Prognoseergebnisses wird gemäß der vorliegenden Erfindung elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht. Demgemäß wird elektrische Energie nur bei einer Zweckmäßigkeit von dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad des Energiespeichers zu dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad überführt oder, je nach Prognoseergebnis, von dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad des Energiespeichers zu dem elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad überführt Zweckmäßig ist ein Austausch, falls hierdurch eine höhere Gesamtleistung des Systems für einen prognostizierten Zeitraum gegeben ist. Diese höhere Gesamtleistung kann darin bestehen, dass mehr Erneuerbare Energie gespeichert werden kann oder mehr gespeicherte Energie in das Stromnetz über einen prognostizierten Zeitraum eingespeist werden kann, als dies die Leistung der jeweiligen Einzelkomponenten zulässt.
In einer ersten Ausführung kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung von chemischer Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise entladen werden, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie zum Laden der mindestens zwei elektrochemische Elemente bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als das Optimum der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad.
Durch diese Ausgestaltung kann die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich der Leistungsaufnahme relativ gering gewählt werden, ohne dass die durch die Erneuerbare Energie zur Speicherung zur Verfügung stehende Energie verloren gehen würde.
In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad berücksichtigt werden. Falls dieser Ladezustand relativ hoch ist, genügt ein relativ geringer Energieaustausch, wobei in einem Grenzfall aufgrund des hohen Ladezustandes keine Energie ausgetauscht wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Entladen des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem die Leistung, die durch die erneuerbare Energie zur Speicherung von chemischer Energie bereitgestellt werden kann, bevorzugt kleiner als 90%, vorzugsweise kleiner als 80%, speziell bevorzugt kleiner als 60% des Optimums der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Weiterhin kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung dieser Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise entladen werden, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad geringer ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
In einer weiteren Ausführung kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Freisetzung von chemischer Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise geladen werden, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie bereitgestellte elektrische Leistung nicht den Bedarf an elektrischer Leistung decken kann und der Leistungsunterschuss größer ist als die Leistung, die durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann.
Durch diese Ausgestaltung kann die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich der Leistungsabgabe relativ gering gewählt werden, ohne dass die den Verbrauchern zur Verfügung stehende Energie in kurzer Zeit begrenzt werden müsste oder entsprechend ein konventioneller Energieerzeuger zugeschaltet oder ein Energieverbraucher abgeschaltet werden müsste.
In dieser Ausführungsform kann vorzugsweise auch der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad berücksichtigt werden. Falls dieser Ladezustand relativ gering ist, kann gegebenenfalls auf einen Energieaustausch verzichtet werden, um bei einer reduzierten Leistung eine Stromversorgung zumindest teilweise über einen längeren Zeitraum sicherzustellen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Laden des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eine Leistung erbringt, die vorzugsweise höchstens 90%, bevorzugt höchstens 80% und speziell bevorzugt höchstens 60% des Optimums der Leistungsabgabe des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Weiterhin kann das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Abgabe dieser Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vorzugsweise geladen werden, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad höher ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren mit einem zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher durchgeführt werden.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass als Energieerzeuger ein Kraftwerk verwendet wird, vorzugsweise ein Kohlekraftwerk, ein Gaskraftwerk oder ein Wasserkraftwerk und/oder als Energieverbraucher eine Werk zum Herstellen einer Substanz verwendet wird, insbesondere ein Elektrolyse-Werk oder ein Metall-Werk, vorzugsweise ein Aluminium-Werk oder ein Stahlwerk.
Solche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher sind zum Ausgleich von längerfristigen Leistungsschwankungen, die auf fehlende Erneuerbare Energie beruhen, gut geeignet. Ihre Trägheit stellt erfindungsgemäß keinen Hinderungsgrund dar, wenn sie geeignet mit dynamischen Speichern kombiniert werden.
Hierbei sind insbesondere solche zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bevorzugt, die auch im Zusammenhang mit Erneuerbaren Energien eingesetzt werden können, wie beispielsweise Elektrolyse-Werke oder Metall-Werke, deren Produktion zum Ausgleich von Energieunterschüssen verringert werden kann.
Durch diese Ausgestaltung kann überraschend die durch den Energiespeicher bereitstellbare Leistung gesteigert werden, ohne dass die Kapazität desselben vergrößert werden muss. Hierbei kann dem Energiespeicher Leistung durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher auch bei einer hohen Netzbelastung in sehr kurzer Zeit bei Bedarf bereitgestellt werden. Überraschend kann daher bei einer relativ geringen Kapazität des Speichers eine relativ hohe Leistung abgegeben werden, die im Allgemeinen nur für einen kurzen Zeitraum abgegeben werden kann. Durch den unmittelbaren Zugriff auf den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher kann dieser nach einer kurzen Zeit die eigentlich vom Energiespeicher zur Verfügung zu stellende Leistung erbringen bzw. substituieren. So kann insbesondere eine Regeneration des Energiespeichers durch die Energie oder Leistung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers erfolgen. Hierbei trägt der Energiespeicher zur Qualität der Leistungserbringung bei, da hierdurch eine schnelle Reaktionszeit erzielt wird. Im Gegensatz hierzu trägt der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher vor allem zur Quantität bei, da dieser bei relativ geringen Kosten über eine bauartbedingte, deutlich längere Zeit Leistung liefern kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energieerzeuger und/oder der Energieverbraucher einzeln oder im Pool eine Leistung von zumindest 10 kW hat oder haben, vorzugsweise zumindest 100 kW, besonders bevorzugt zumindest 1 MW und ganz besonders bevorzugt von zumindest 10 MW.
Das Verhältnis von Nennleistung des Energiespeichers zur maximalen Leistung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers kann vorzugsweise im Bereich von 1:10000 bis 100:1, besonders bevorzugt im Bereich von 1:1000 bis 40:1 liegen. Hierbei bezieht sich die Nennleistung des Energiespeichers auf die Gesamtleistung, die sämtliche Elemente des Energiespeichers aufweisen, wobei auch Energiespeicher, die kein elektrochemisches Element darstellen, zu berücksichtigen sind.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt mit einer Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie durch chemische Verfahren, durchgeführt werden, umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie und mindestens zwei elektrochemische Elemente zur Speicherung von elektrischer Energie, wobei die elektrochemischen Elemente zur Speicherung von elektrischer Energie mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie gewonnenen Energie miteinander verbunden sind, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, die Anlage zur Speicherung der erneuerbaren Energie eine Prognoseeinheit umfasst, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit verbunden ist, und die Prognoseeinheit mit einem Datenspeicher versehen ist, welcher Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie umfasst, und das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eine Messeinheit zur Bestimmung des Ladezustands aufweist.
In Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen, die beispielsweise hinsichtlich der Erneuerbaren Energien, der elektrochemische Elemente mit dem höheren Wirkungsgrad und/oder der elektrochemische Elemente mit dem geringeren Wirkungsgrad gegeben sind, wird auf die zuvor dargelegten Ausführungen verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Vorzugsweise kann die Anlage eine Steuerung umfassen, die mit dem Energiespeicher verbunden ist, wobei die Steuerung mit einer Einheit zur Bestimmung der Zeitdauer und einer Einheit zur Vorhersage der Ladezustände der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers verbunden ist.
Hierbei kann diese Steuerung auch die Leistung der mindestens zwei elektrochemischen Elemente des Energiespeichers steuern. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass diese Steuerung ein Subsystem, insbesondere ein Managementsystem anspricht, welches die jeweilige Leistung der mindestens zwei elektrochemischen Elemente auf die von der übergeordneten Steuerung angeforderte Gesamtleistung, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der zuvor dargelegten bevorzugten Ausgestaltungen des vorliegenden Verfahrens, regelt.
Unter einer Steuerung wird erfindungsgemäß vorliegend eine einfache Steuerung verstanden. Hierbei sei angemerkt, dass jede Regelung eine Steuerung umfasst, da bei einer Regelung eine Steuerung in Abhängigkeit von einer Differenz eines Istwerts zu einem Sollwert erfolgt. Bevorzugt ist die Steuerung also als Regelung ausgebildet, insbesondere bezüglich des Ladezustands. Besonders bevorzugt ist die Steuerung ein Leitsystem.
Die erfindungsgemäße Anlage weist eine Prognoseeinheit mit einem Datenspeicher auf, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit verbunden ist. Die Wettervorhersageeinheit kann hierbei in räumlicher Nähe zur Prognoseeinheit vorgesehen sein. Alternativ werden die Daten zur Wetterprognose an einer oder mehreren entfernten Stellen erhoben und ausgewertet und das entsprechende Signal geeignet an den oder die Speicher zur Steuerung der Leistungsbereitstellung übertragen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dies über die bekannten Methoden der Ferndatenübertragung und -kommunikation erfolgen.
Der Datenspeicher der Prognoseeinheit umfasst Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie, so dass die Vorhersage eines Überschusses oder einen Unterschusses an elektrischer Energie möglich ist. Hierdurch kann prognostiziert werden, ob Energie in den Energiespeicher eingespeist oder aus diesem entnommen werden muss.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Prognoseeinheit einen Daten-Speicher aufweist, wobei in dem Daten-Speicher zumindest historische Daten über die Dauer von Über- und Unterschüssen an Erneuerbaren Energien festgehalten sind, wobei diese historischen Daten einen Zeitraum von vorzugsweise mindestens einem Tag, bevorzugt mindestens einer Woche, besonders bevorzugt mindestens einem Monat und speziell bevorzugt mindestens einem Jahr umfassen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von zwei schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben von Energiespeichern;
2: ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
3: eine schematische Darstellung einer Betriebssimulation eines Hybridsystems gemäß dem Stand der Technik und
4: eine schematische Darstellung einer Betriebssimulation eines Hybridsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage für ein erfindungsgemäßes Verfahren umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10, eine Steuerung 11 und einen Energiespeicher 12, wobei die Anlage an ein Stromnetz 13 angeschlossen ist.
Die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist schematisch in der vorliegenden Ausführungsform als eine Windkraftanlage dargestellt. Weiterhin kann auch eine Solaranlage oder eine Kombination einer Solaranlage mit einer Windkraftanlage eingesetzt werden. Die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist mit einem Energiespeicher 12 verbunden, so dass die erzeugte elektrische Energie in den Energiespeicher 12 überführt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform besteht eine Verbindung zwischen der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 und dem Stromnetz 13, über die elektrische Leistung an Verbraucher geliefert werden kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 mit einem Energiespeicher 12 über das Stromnetz 13 verbunden sein, so dass der Energiespeicher 12 räumlich getrennt von der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 ist.
Der Energiespeicher 12 umfasst mindestens zwei elektrochemische Elemente 12a und 12b, die sich im Wirkungsgrad unterscheiden. Hierbei kann der Energiespeicher 12 im Allgemeinen ein Managementsystem aufweisen, welches das Be- oder Entladen der einzelnen elektrochemischen Elemente 12a und 12b steuert. Dieses Managementsystem ist im Allgemeinen mit der Steuerung 11 verbunden. Hierbei kann dieses Managementsystem räumlich von der Steuerung 11 getrennt oder mit dieser in einem Gehäuse untergebracht sein.
Die elektrochemischen Elemente 12a und 12b unterscheiden sich im Wirkungsgrad. Als elektrochemischen Elements 12a mit dem höheren Wirkungsgrad sind Li-Ionen-Akkumulatoren mit geringen schädlichen Einflüssen auf den Akkumulator schnell und häufig auf- und entladbar, so dass diese erfindungsgemäß für alle Ausführungsbeispiele besonders geeignet und bevorzugt sind. Dazu können Li-Ionen-Akkumulatoren mit beträchtlicher Kapazität bereitgestellt werden. Diese sind beispielsweise leicht in einem oder mehreren 40-Fuß-ISO-Containern unterzubringen. Als elektrochemisches Element 12b kommen insbesondere Speicher in Frage, die relativ kostengünstig mit großer Kapazität erhalten werden können. Zu diesen zählen insbesondere Bleiakkumulatoren, Redox-Flow Batterien und Energiespeichersysteme auf Basis von Wasserstoff.
Hierbei ist die Steuerung 11 mit dem Energiespeicher 12 verbunden. Weiterhin ist die Steuerung 11 mit einer Prognoseeinheit 14 verbunden, wobei diese Einheit in der Steuerung 11 integriert, in einem Gehäuse mit der Steuerung 11 untergebracht oder als externe Einheit vorgesehen sein kann, wie dies in der vorliegend dargestellten Anlage dargestellt ist. Die Prognoseeinheit 14 ist mit einer Wettervorhersageeinheit 15 verbunden. Die Verbindung zwischen der Prognoseeinheit 14 und der Wettervorhersageeinheit 15 erlaubt eine Kommunikation der ermittelten Daten, die in der Prognoseeinheit 14 verarbeitet werden. Ferner kann die Steuerung 11 mit dem Stromnetz 13 verbunden sein, wobei diese in 1 nicht dargestellte Verbindung eine Übermittlung von Anfragen nach benötigter Leistung erlauben kann.
Die in 1 dargelegte Ausführungsform weist einen zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 auf, der in der vorliegenden Erfindung eine optionale Komponente darstellt. Der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 ist sowohl mit dem Stromnetz 13 als auch mit dem Energiespeicher 12 verbunden, so dass die durch den zusätzlichen Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher bereitgestellte Leistung unmittelbar in das Stromnetz 13 eingespeist werden kann oder zur Regenerierung des Energiespeichers 12 eingesetzt werden kann. Die Steuerung des zusätzlichen Energieerzeugers und/oder Energieverbrauchers 16 kann durch übliche Komponenten erfolgen, die mit der Steuerung 11 der erfindungsgemäßen Anlage 10 in Verbindung stehen können. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zusätzliche Energieerzeuger und/oder Energieverbraucher 16 ebenfalls mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Erneuerbaren Energien 10 verbunden, so dass die Vorrichtung 10 elektrische Leistung einem Energieverbraucher liefern kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren. Bei dem Verfahren wird ein Energiespeicher eingesetzt. In Schritt 1 wird eine Prognose über die durch die Erneuerbare Energie bereitstellbare Energie erstellt, wobei die Prognose den zu erwartenden Energieverbrauch und die durch die nachhaltigen Vorrichtungen zur Energiegewinnung erzeugbare Energie berücksichtigt. Im Entscheidungsschritt 2 wird anschließend geprüft, ob Prognose einen Energieüber- oder -unterschuss ergibt. Falls dies nicht der Fall ist und die Erneuerbare Energie im Wesentlichen die Energie bereitstellen kann, die verbraucht wird, wird keine Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen des Energiespeichers vorgenommen, wie dies in Schritt 3 dargestellt ist. Im Weiteren wird eine neue Prognose gemäß Schritt 1 erstellt.
Falls die Prognose ergibt, dass ein Energieunterschuss oder -überschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 4 geprüft, ob eine Umspeicherung von Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen zweckmäßig ist. Diese Zweckmäßigkeit kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass ein zu erwartender Energieüberschuss so groß ist, dass die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad nicht ausreicht, um die bereitgestellte Energie vollständig zu speichern. Andererseits kann eine Zweckmäßigkeit auch dann vorliegen, falls das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zum Ausgleich eines Energieunterschusses nicht genügend Leistung bereitstellen kann, so dass ein paralleler Betrieb beider elektrochemischer Elemente sinnvoll wäre. Falls keine Zweckmäßigkeit gegeben ist, wird keine Übertragung zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen vorgenommen.
Bei einer Zweckmäßigkeit wird in Entscheidungsschritt 5 überprüft, ob ein Energieüberschuss vorliegt. Falls kein Energieüberschuss, also ein Energieunterschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 6 bestimmt, ob der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad eine Übertragung zulässt. Dies kann insbesondere bei einem relativ tiefen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad gegeben sein. Bei einem hohen Ladezustand ist die Dauer des prognostizierten Energieunterschusses ausschlaggebend, ob eine Energieübertragung zweckmäßig ist. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zumindest abgeschätzt werden, um die maximal übertragbare Energie festzulegen. Falls eine Übertragung von Energie von dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zweckmäßig auf das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad aufgrund dessen Ladezustandes übertragen werden kann, wird mit Schritt 7 fortgefahren und eine Energie entsprechend den Ergebnissen der Prognose in Schritt 1 übertragen. Andernfalls wird entsprechend Schritt 3 keine Energieübertragung vorgenommen.
Nach der Übertragung einer Energiemenge entsprechend den Prognoseergebnissen gemäß Schritt 7, wird eine neue Prognose erstellt, so dass ein Kreislauf gegeben ist. Hierbei ist festzuhalten, dass diese Prognose und die entsprechenden Abläufe so ausgestaltet werden können, dass die Zahl der Entladezyklen des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gering gehalten wird, wie dies zuvor dargelegt wurde.
Falls gemäß Entscheidungsschritt 5 festgestellt wurde, dass ein Energieüberschuss vorliegt, wird in Entscheidungsschritt 8 bestimmt, ob der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad eine Übertragung an Energie zulässt oder ob diese Übertragung zweckmäßig ist. Die Zweckmäßigkeit einer Energieübertragung kann insbesondere bei einem hohen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad gegeben sein. Bei einem relativ tiefen Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad hängt die Zweckmäßigkeit oder die Zulässigkeit von der Höhe und der Dauer des prognostizierten Energieüberschusses ab, der von den Erneuerbaren Energien bereitgestellt wird. Weiterhin kann der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad zumindest abgeschätzt werden, um die maximal übertragbare Energie festzulegen.
Falls eine Energieübertragung möglich beziehungsweise zweckmäßig ist, wird in Schritt 9 eine Energie entsprechend den Ergebnissen der Prognose in Schritt 1 vom elektrochemischen Element mit dem höheren Wirkungsgrad auf das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad übertragen. Nachfolgend wird eine neue Prognose erstellt, wie dies in Schritt 1 dargelegt ist. Hierbei ist festzuhalten, dass diese Prognose und die entsprechenden Abläufe so ausgestaltet werden können, dass die Anzahl der Ladezyklen des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad gering gehalten wird, wie dies zuvor dargelegt wurde. Andernfalls wird entsprechend Schritt 3 keine Energieübertragung vorgenommen.
Die Reihenfolge der in 2 dargelegten Schritte kann teilweise umgestellt werden. So kann insbesondere Entscheidungsschritte 6 oder 8 vor Entscheidungsschritt 4 erfolgen, so dass die Prüfung über den Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad vor der Bestimmung einer Zweckmäßigkeit einer Umspeicherung erfolgt. Weiterhin kann die Prüfung, ob ein Leistungsüberschuss vorliegt, wie dies in Entscheidungsschritt 5 dargelegt ist, auch zusammen mit Entscheidungsschritt 2 durchgeführt werden. In diesem Fall sind die Schritte 4 bzw. 6 und 8 entsprechend für den jeweiligen Fall anzuwenden.
In 3 ist ein gemäß dem Stand der Technik üblicher Betrieb eines hybriden Speichersystems dargestellt.
Der Überschuss bzw. Unterschuss an Erneuerbare Energie (EE-Leistung) wird primär mit dem Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad, vorliegend eine Batterie, beispielsweise ein Lithiumionen-Akkumulator ausgeglichen. Erst wenn der Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad vollständig geladen ist, wird der Energiespeicher mit den niedrigeren Wirkungsgrad, beispielsweise ein Speichersystem auf Basis von Wasserstoff angefahren.
Im vorliegenden Simulationsbeispiel startet die Batterie mit einem Ladezustand von etwa 50%. In den Bereichen 1 bis 3 wird die Batterie geladen (1 und 3) bzw. entladen (2), je nachdem ob ein EE-Überschuss oder Unterschuss vorhanden ist. Der relativ hohe Anteil an EE-Überschuss führt dazu, dass die Batterie am Ende von Bereich 3 fast vollständig geladen ist. Im Bereich 4 kann die Batterie den gesamten EE-Überschuss nicht aufnehmen, da die Batterie vollständig geladen ist. Deswegen wird ein Rest des EE-Überschusses durch die Bildung von Wasserstoff mittels Elektrolyse gespeichert. Im Bereich 5 kann die Elektrolyse den gesamten EE-Überschuss auffangen, im Bereich 6 nicht mehr, da den EE-Überschuss größer ist, als die Leistung der Elektrolyse. Das führt dazu, dass ein Teil des EE-Überschusses verloren geht. Dieses Phänomen ist im Bereich 7 deutlich zu sehen. In den Bereichen 4 bis 7 ist die Batterie vollständig geladen und kann zur Speicherung eines EE-Überschusses nicht eingesetzt werden. Erst im Bereich 8 und 9 besteht EE-Unterschuss, so dass die Batterie wieder entladen werden kann. Der gesamt EE-Unterschuss wird von der Batterie aufgefangen. In dieser Simulation werden in den Bereichen 6 und 7 10 bzw. 60 Leistungseinheiten, die durch die Erneuerbaren Energie bereitgestellt werden könnten, aufgrund der Leistungsbegrenzung des Energiespeichersystems auf Basis von Wasserstoff nicht genutzt.
In 4 ist eine erfindungsgemäße Betriebsweise dargestellt. Anhand einer Wetterprognose wird der Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad, beispielsweise eine Batterie und der Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad, beispielsweise ein Speichersystem auf Basis von Wasserstoff so betrieben, dass möglich viel EE-Leistung zur Speicherung von Energie eingesetzt werden kann.
Aus Gründen der Vergleichbarkeit weist die Batterie zu Beginn der Simulation den gleichen Ladungszustand auf, wie in 3. Der vorhersehbare großen EE-Überschuss im Bereich 7 wird aber durch die Wettervorhersage prognostiziert, so dass der Ladezustand der Batterie darauf angepasst wird.
Im Bereich 1 wird die Elektrolyse direkt angefahren, obwohl die Batterie in der Lage wäre, allein den EE-Überschuss abzufangen. Damit wird der Batterieladezustand nur langsam angehoben. Im Bereich 2 wird die Batterie bei maximaler Leistung entladen, ohne dass dies durch den EE-Unterschuss bedingt wäre. Vielmehr wird hierdurch Energie in den Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad übertragen. Der Energiespeicher mit dem niedrigeren Wirkungsgrad (Elektrolyse) wird von dem Energiespeicher mit dem höheren Wirkungsgrad (Batterie) betrieben, was energetisch nicht von Vorteil ist (Energieverluste durch Wirkungsgradunterschiede). Allerdings wird hierdurch der Ladezustand der Batterie gesenkt. Im Bereich 3, 4 und 6 wird, analog zum Bereich 1, die Batterie nur benutzt, um zu kompensieren was die Elektrolyse allein nicht bewerkstelligen kann. Im Bereich 5 wird wie im Bereich 2 die Batterie benutzt, um die Elektrolyse anzutreiben. Der Batterieladezustand am Ende des Bereiches 6 ist relativ niedrig, sodass die im Fall von hohe EE-Überschuss (prognostiziert für den Bereich 7), die Batterie voll einsatzfähig sein kann.
Der Bereich 7 weist einen sehr hohen EE-Überschuss auf. Die Batterie und die Elektrolyse laufen auf maximale Leistung, trotzdem kann der ganze EE-Überschuss nicht gespeichert werden. Dies Ereignis beruht nicht auf dem Ladezustand der Batterie, sondern an der Höhe des Überschusses, die die Gesamtleistung des Energiespeichers übertrifft (Batterie + Elektrolyse).
In den Bereichen 8 und 9 wird die Batterie durch den EE-Unterschuss wieder entladen. Der Ladezustand der Batterie liegt am Ende des Bereichs 9 im gleichen Bereich wie im Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Allerdings konnte wesentlich mehr Energie, vorliegend an Wasserstoff gespeichert werden. Gegebenenfalls kann die so gespeicherte Energie eingesetzt werden, um die Batterie zu laden oder zu entlasten.
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.
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

WO 03/008803 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 40 729 [0044]

Claims

Verfahren zum Betreiben von Energiespeichern, umfassend die Gewinnung von elektrischer Energie durch Erneuerbare Energie und Speicherung mindestens eines Teils der Energie durch mindestens einen Energiespeicher mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente im Wirkungsgrad unterscheiden, der Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad bestimmt wird, eine Prognose hinsichtlich der Leistung durchgeführt wird, die durch Erneuerbare Energie bereitgestellt werden kann, und, basierend auf dem Prognoseergebnis und dem Ladezustand des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad, elektrische Energie zwischen den mindestens zwei elektrochemischen Elementen ausgetauscht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung von chemischer Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise entladen wird, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie zum Laden der mindestens zwei elektrochemische Elemente bereitstellbare elektrische Leistung größer ist als das Optimum der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladen des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem die Leistung, die durch die erneuerbare Energie zur Speicherung von chemischer Energie bereitgestellt werden kann, kleiner als 80% des Optimums der Leistungsaufnahme des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Freisetzung von chemischer Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise beladen wird, falls die zuvor ausgeführte Prognose ergibt, dass über einen prognostizierten Zeitraum die durch die erneuerbare Energie bereitgestellte elektrische Leistung nicht den Bedarf an elektrischer Leistung decken kann und der Leistungsunterschuss größer ist als die Leistung, die durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad durch das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad eine Leistung erbringt, die höchstens 80% des Optimums der Leistungsabgabe des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad eine geringere Speicherkapazität als das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad einen Wirkungsgrad von mindestens 70% aufweist.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad und dem Wirkungsgrad des elektrochemischen Elements mit dem geringeren Wirkungsgrad mindestens 5% beträgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prognose des Teils der durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie, der durch die elektrochemischen Elemente chemisch gespeichert werden kann, Daten berücksichtigt werden, die auf einem zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie beruhen.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Speicherung dieser Energie in dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladezustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise entladen wird, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnene elektrischen Energie zu Beginn der Entladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad geringer ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad unter Freisetzung dieser Energie aus dem elektrochemischen Element mit dem geringeren Wirkungsgrad unter Berücksichtigung des Ladungszustandes des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad zumindest teilweise geladen wird, wobei die durch die erneuerbare Energie gewonnenen elektrischen Energie zu Beginn der Beladung des elektrochemischen Elements mit dem höheren Wirkungsgrad höher ist als der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Bedarf an elektrischer Energie durch den Verbraucher.
Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie durch chemische Verfahren, umfassend eine Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie (10) und mindestens einen Energiespeicher (12) mit mindestens zwei elektrochemischen Elementen (12a, 12b) zur Speicherung von elektrischer Energie, wobei die elektrochemischen Elemente (12a, 12b) zur Speicherung von elektrischer Energie mit der Vorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie durch erneuerbare Energie gewonnenen Energie miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei elektrochemischen Elemente (12a, 12b) im Wirkungsgrad unterscheiden, die Anlage zur Speicherung von elektrischer Energie mindestens eine Steuerung (11) umfasst, die eine Prognoseeinheit (14) aufweist, die mit mindestens einer Wettervorhersageeinheit (15) verbunden ist, und die Prognoseeinheit (14) mit einem Datenspeicher versehen ist, welcher Daten über den zeitabhängigen Verbrauch an elektrischer Energie umfasst, und das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad (12a) eine Messeinheit zur Bestimmung des Ladezustandes aufweist.
Anlage gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem höheren Wirkungsgrad (12a) einen Lithium-Ionen-Akkumulator umfasst.
Anlage gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Element mit dem geringeren Wirkungsgrad (12b) ein Energiespeichersystem auf Basis von Wasserstoff, einen Bleiakkumulator und/oder ein Redox-Flow-Element umfasst.
Anlage gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Gewinnung von Elektrizität durch erneuerbare Energie (10) mindestens eine Photovoltaikzelle und/oder eine Windkraftanlage umfasst.