DE102017118706A1

DE102017118706A1 - Bidirektionale Solartankstelle sowie Verfahren zum Betrieb einer Solartankstelle

Info

Publication number: DE102017118706A1
Application number: DE102017118706.5A
Authority: DE
Inventors: Nicolaj Fehringer
Original assignee: Ibf Ingenieurbuero Fehringer GmbH
Current assignee: Ibf Ingenieurbuero Fehringer GmbH
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solartankstelle zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt, umfassend ein Solarmodul zur Erzeugung von elektrischer Energie, einen Energiespeicher, eine Schnellladestation für wenigstens ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und einen bidirektionalen Netzanschluss zur Entnahme sowie zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Solartankstelle. Um eine Solartankstelle bereitzustellen, die einen besonders wirtschaftlichen, zuverlässigen und unterbrechungsfreien Betrieb der Solartankstelle ermöglichen, wobei die Solartankstelle zugleich eine erhöhte Unabhängigkeit von einer externen Stromversorgung aus dem Leitungsnetz eines Stromversorgers aufweist und darüber hinaus aktiv und selbsttätig zu einer Stabilisierung des Leitungsnetzes beitragen kann, ist vorgesehen, dass ein Netzfrequenzmessgerät mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz sowie eine Vorrichtung zum Energiemanagement zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Solarmodul (2), dem Energiespeicher, dem Leitungsnetz der Stromversorgung vorgesehen ist, wobei mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement in Abhängigkeit der mit dem Netzfrequenzmessgerät gemessenen Netzfrequenz eine Einspeisung aus dem Energiespeicher und dem Solarmodul (2) in das Leitungsnetz der Stromversorgung sowie eine Entnahme aus dem Leitungsnetz in den Energiespeicher steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solartankstelle zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt, umfassend ein Solarmodul zur Erzeugung von elektrischer Energie, einen Energiespeicher, eine Schnellladestation für wenigstens ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und einen bidirektionalen Netzanschluss zur Entnahme sowie zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer bidirektionalen Solartankstelle zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt.
Solartankstellen sowie Verfahren zum Betrieb von Solartankstellen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die bekannten Solartankstellen weisen dabei wenigstens ein Solarmodul zur Erzeugung eines Ladestroms sowie eine Ladevorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug auf. Darüber hinaus verfügen einige der bekannten Solartankstellen auch über einen Anschluss an das Leitungsnetz der Stromversorgung, um bei fehlender oder unzureichender Leistung des Solarmoduls den Ladestrom aus dem Leitungsnetz zu beziehen und um bei einem Leistungsüberschuss überschüssige Energie, insbesondere die nicht zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs benötigte elektrische Energie, in das Leitungsnetz der Stromversorgung einzuspeisen.
Die bekannten Solartankstellen haben allerdings den Nachteil, dass die Solartankstellen elektrische Energie aus dem Leitungsnetz abnehmen müssen, wenn keine entsprechende Solarleistung an der Solartankstelle sowie aus anderen an das Leitungsnetz angeschlossenen Solaranlagen zur Verfügung steht, wodurch zu diesem Zeitpunkt der Strompreis besonders hoch und die Stabilität des Leitungsnetzes der Stromversorgung besonders gering ist. Zum Zeitpunkt einer Einspeisung von elektrischer Energie durch die Solartankstelle in das Leitungsnetz speisen hingegen auch zahlreiche weitere Solaranlagen in das Leitungsnetz ein, so dass ein Überschuss vorliegt und somit die Vergütung der Einspeisung besonders gering ist. Dies führt dazu, dass die Solartankstelle eine geringe Wirtschaftlichkeit aufweist. Darüber hinaus ist in Regionen mit einem nicht ausreichend stabilisierten Leitungsnetz oder zu Zeiten einer besonders hohen Belastung des Leitungsnetzes der Stromversorgung bei herkömmlichen Solartankstellen nicht gewährleistet, dass diese zuverlässig und mit voller Leistung elektrische Energie für mehrere elektrisch betriebene Fahrzeuge zeitgleich zur Verfügung stellen können.
Ein in den kommenden Jahren sich erhöhender Anteil von elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Straßenverkehr sowie der daraus resultierende, stark gesteigerte Bedarf an Ladestationen wird dabei zu einer weiteren Destabilisierung des Leitungsnetzes beitragen und zumindest zeitweilig zu einem Defizit in der zur Verfügung stellbaren Ladeleistung führen. Darüber hinaus führt ein steigender Anteil alternativer Energiequellen, wie Solar- und Windenergie, zu deutlich höheren Schwankungen der Netzfrequenz und damit zu einer Destabilisierung des Leitungsnetzes der Stromversorgung. Herkömmliche Solartankstellen sind dabei Teil dieses Problems, da diese zu Zeiten einer geringen Verfügbarkeit alternativer Energie ebenfalls das ohnehin belastete Leitungsnetz der Stromversorgung weiter belasten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Solartankstelle sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Solartankstelle bereitzustellen, die einen besonders wirtschaftlichen, zuverlässigen und unterbrechungsfreien Betrieb der Solartankstelle ermöglichen, wobei die Solartankstelle zugleich eine erhöhte Unabhängigkeit von einer externen Stromversorgung aus dem Leitungsnetz eines Stromversorgers aufweist und darüber hinaus aktiv und selbsttätig zu einer Stabilisierung des Leitungsnetzes beitragen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solartankstelle gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße bidirektionale Solartankstelle zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt weist ein Solarmodul zur Erzeugung von elektrischer Energie, einen Energiespeicher, eine Schnellladestation für wenigstens ein elektrisch betriebenes Fahrzeug und einen bidirektionalen Netzanschluss zur Entnahme sowie zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung auf. Weiterhin ist ein Netzfrequenzmessgerät mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz sowie eine Vorrichtung zum Energiemanagement zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Solarmodul, dem Energiespeicher, dem Leitungsnetz der Stromversorgung und ggf. einem über die Schnellladestation zu ladenden elektrisch betriebenen Fahrzeug vorgesehen, wobei mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement in Abhängigkeit der mit dem Netzfrequenzmessgerät gemessenen Netzfrequenz eine Einspeisung aus dem Energiespeicher und/oder dem Solarmodul in das Leitungsnetz der Stromversorgung sowie eine Entnahme aus dem Leitungsnetz in den Energiespeicher oder mittels der Schnellladesäule in ein zu ladendes elektrisch betriebenes Fahrzeug steuerbar ist.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch die Anordnung eines Energiespeichers in der Solartankstelle in vorteilhafter Weise eine erhöhte Unabhängigkeit von dem Leitungsnetz der Stromversorgung erreicht werden kann, indem mittels des Solarmoduls erzeugte elektrische Energie darin bis zur Verwendung zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gespeichert werden kann und dadurch darüber hinaus auch ein besonders zuverlässiger und unterbrechungsfreier Betrieb der Solartankstelle unabhängig von der Stabilität des Leitungsnetzes der Stromversorgung möglich ist. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Solartankstelle eine gesteuerte Einspeisung von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher in das Leitungsnetz der Stromversorgung bei einem Absinken der Netzfrequenz unter einen Sollnetzfrequenzwert sowie eine Entnahme von Energie aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung bei einem Übersteigen der Netzfrequenz über einen Sollnetzfrequenzwert, wodurch die Solartankstelle zur Stabilisierung des Leitungsnetzes beitragen kann. Dabei erfolgt in vorteilhafter Weise die Bestimmung der Netzfrequenz in jeder Solartankstelle mittels eines Netzfrequenzmessgerätes, sodass die Solartankstelle selbsttätig und unabhängig zur Stabilisierung des Leitungsnetzes der Stromversorgung beitragen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer bidirektionalen Solartankstelle zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt wird mittels eines Netzfrequenzmessgerätes die Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz gemessen und die gemessene Netzfrequenz an eine Vorrichtung zum Energiemanagement übertragen, wobei die Vorrichtung zum Energiemanagement die mittels eines Solarmoduls gewonnene Energie auf eine Schnellladesäule für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, einen Energiespeicher der Solartankstelle und das Leitungsnetz der Stromversorgung verteilt. Weiterhin steuert die Vorrichtung zum Energiemanagement das Laden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus dem Solarmodul und/oder aus dem Energiespeicher und/oder aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung Fund schließlich regelt die Vorrichtung zum Energiemanagement in Abhängigkeit der gemessenen Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung das Bereitstellen von Energie für den primären Regelenergiemarkt des Leitungsnetzes der Stromversorgung aus dem Energiespeicher und dem Solarmodul.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine besonders leichte Anpassung des Betriebs der Solartankstelle an die jeweilige Leistung des Solarmoduls, an die zur Verfügung stehende Kapazität des Energiespeichers, an die erforderliche Ladekapazität bzw. -leistung für angeschlossene, zu ladende Fahrzeuge sowie an die Belastungssituation und Stabilität des Leitungsnetzes der Stromversorgung möglich. Weiterhin ist mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement der erfindungsgemäßen Solartankstelle in besonders einfacher Weise eine Stabilisierung des Leitungsnetzes durch eine bedarfsweise Bereitstellung von Energie aus dem Energiespeicher als schnell abrufbare primäre Regelenergie oder durch die Aufnahme überschüssiger Energie in den Energiespeicher möglich, wodurch insbesondere bei zahlreichen, an das Leitungsnetz angeschlossenen Solartankstellen eine lokale, selbsttätige und besonders schnelle Stabilisierung erfolgen kann.
Eine bidirektionale Solartankstelle im Sinne der Erfindung ist zunächst jede Station zum Laden wenigstens eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, die zumindest einen Teil, bevorzugt die gesamte zum Laden bereitgestellte Energie aus einem an oder bei der Station angeordneten Solarmodul bezieht und dabei weiterhin einen Anschluss an das Leitungsnetz der Stromversorgung aufweist, der bidirektional betrieben werden kann, d.h., aus dem sowohl elektrische Energie entnommen, als auch eingespeist werden kann. Dabei ist sowohl der Energiespeicher als auch der Anschluss an das Leitungsnetz zur Teilnahme am Primärregelenergiemarkt geeignet. Bevorzugt ist die Solartankstelle und insbesondere der Energiespeicher derart ausgelegt, dass unabhängig von der Wetterlage mehrere elektrisch betriebene Fahrzeuge pro Tag geladen werden können, ohne Energie aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung beziehen zu müssen. Dabei kann die Solartankstelle sowohl als öffentliche Ladestation für Kunden gegen Entgelt als auch als private Ladestation eines Unternehmens oder eines Privateigentümers für die zugehörigen elektrisch betriebenen Fahrzeuge ausgelegt sein.
Der Anschluss der Solartankstelle an das Leitungsnetz der Stromversorgung kann grundsätzlich beliebig gebildet sein und ist dabei insbesondere entsprechend dem im Aufstellgebiet der Solartankstelle gültigen Standard gestaltet, so dass dieser eine Teilnahme am Leitungsnetz des jeweiligen Stromversorgers sowie am Primärregelenergiemarkt erlaubt.
In Abhängigkeit vom jeweils vorgegebenen Betriebszustand der Solartankstellen nimmt diese mit dem Energiespeicher am primären Regelenergiemarkt teil, d.h., sie stellt kurzfristig, innerhalb von Sekunden abrufbar Energie zur Stabilisierung des Leitungsnetzes zur Aufrechterhaltung der vorbestimmten Sollnetzfrequenz, in Deutschland von 50 Hz, bereit. Daneben kann die Solartankstelle noch beliebige weitere technische und nicht-technische Einrichtungen umfassen.
Bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug kann es sich grundsätzlich um jede Art von Fahrzeug handeln, das zum Antrieb zumindest teilweise elektrische Energie verwendet, die dem Fahrzeug im Rahmen eines Ladevorgangs zugeführt werden muss. Dabei kann das Fahrzeug sowohl ausschließlich oder ergänzend zu einer anderen Antriebstechnologie, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einen elektrischen Antrieb aufweisen. Weiterhin kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Fahrzeug, wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, einen Bus, einen Lastkraftwagen, einen Gabelstapler, ein Motorrad, ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor oder auch ein beliebiges Nutzfahrzeug handeln.
Unter einem Solarmodul wird zunächst jede Baugruppe verstanden, die geeignet ist, um Licht, insbesondere Sonnenlicht, in elektrische Energie umzuwandeln. Bevorzugt erfolgt die Umwandlung ausschließlich mittels Solarzellen bzw. photovoltaischen Zellen. Ebenfalls bevorzugt weist ein Solarmodul mehrere miteinander in Serie und/oder parallel geschaltete Solarzellen auf. Bevorzugt umfasst das Solarmodul auch einen Halte- oder Stützrahmen für die Solarzellen und/oder eine transparente Schutzabdeckung, insbesondere aus Glas oder Kunststoff. Die Solartankstelle weist wenigstens ein Solarmodul auf, das an oder im Umfeld der Solartankstelle angeordnet ist, wobei das Solarmodul bevorzugt geneigt angeordnet ist, insbesondere geneigt auf die Sonne zu bzw. in Südrichtung. Weiterhin umfasst ein Solarmodul wenigstens einen elektrischen Anschluss zur Verbindung mit der Solartankstelle, insbesondere eine Vorrichtung zum Energiemanagement oder einen Energiespeicher der Solartankstelle. Bevorzugt ist das Solarmodul in einer erhöhten Position, beispielsweise auf einem Halter, Mast oder einem Dach der Solartankstelle angeordnet.
Unter einem Energiespeicher wird jede Vorrichtung verstanden, die elektrische Energie speichern kann, wobei die Speicherung bevorzugt auf elektrochemischer Basis erfolgt. Dazu weist der Energiespeicher besonders bevorzugt wenigstens eine und ganz besonders bevorzugt eine Vielzahl von Batterien bzw. Akkumulatoren auf. Dabei ist der Energiespeicher grundsätzlich vielfach lad- und entladbar. Die gesamte Speicherkapazität kann sich dabei aus einer einzigen Vorrichtung oder aber aus einer Mehrzahl von miteinander elektrisch verbundenen, eigenständigen Vorrichtungen ergeben. Bevorzugt ist der Energiespeicher in der Solartankstelle in einem Gehäuse oder einem Gebäude angeordnet, das sowohl überirdisch als auch unterirdisch gebildet sein kann.
Der Energiespeicher umfasst bevorzugt mehrere Blei- und/oder Lithium-Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-, Lithium-Polymer-, Lithium-Eisenphosphat- und/oder Lithium-Titanat-Akkumulatoren. Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher aus einer Mehrzahl zueinander identischer Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, gebildet. Ebenfalls bevorzugt sind die einzelnen Akkumulatoren an dem Energiespeicher austauschbar festgelegt, wodurch in besonders einfacher Weise eine Reparatur und Wartung des Energiespeichers möglich ist.
Der Energiespeicher weist vorzugsweise wenigstens eine Kapazität auf, die für eine vollständige Ladung, besonders bevorzugt für wenigstens das dreifache einer Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs ausreicht. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Energiespeicher eine Kapazität von wenigstens 200 kWh, bevorzugt wenigstens 300 kWh und besonders bevorzugt wenigstens 400 kWh.
Unter einer Schnellladestation wird grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden, mittels der ein elektrisch betriebenes Fahrzeug bzw. dessen Energiespeicher mit elektrischer Energie geladen werden kann. Dabei ist die Schnellladestation grundsätzlich mit dem Energiespeicher der Solartankstelle und/oder mit dem Solarmodul und/oder mit dem Leitungsnetz der Stromversorgung verbunden, wobei besonders bevorzugt diese Verbindung über eine Ladeelektronik erfolgt, die das Laden und/oder Entladen des elektrisch betriebenen Fahrzeugs überwachen kann. Das Laden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs kann sowohl mittels wenigstens einer kabelgebundenen Verbindung zwischen der Schnellladestation und dem Fahrzeug als auch drahtlos, beispielsweise durch Induktion erfolgen. Zum Laden über einen elektrischen Leiter weist die Schnellladestation wenigstens einen Anschluss für ein Ladekabel des Fahrzeugs oder selber wenigstens ein Ladekabel zur Verbindung mit dem Fahrzeug auf. Bevorzugt stellt die Schnellladestation Anschlüsse und/oder Kabel für mehrere verschiedene standardisierte Ladebuchsen bzw. -stecker zur Verfügung. Dabei weist die Schnellladestation wenigstens einen Ladeanschluss, bevorzugt wenigstens zwei Ladeanschlüsse für das zeitgleiche Laden von zwei elektrisch betriebenen Fahrzeugen auf.
Als Vorrichtung zum Energiemanagement wird zunächst jede Vorrichtung bzw. jedes Netzwerk aus mehreren Vorrichtungen verstanden, die geeignet sind, die Energieflüsse in der Solartankstelle zu steuern, regeln und/oder überwachen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Energiemanagement auch ein Lastmanagement sowie Mess- und/oder Regeleinrichtung umfassen. Weiterhin weist die Vorrichtung zum Energiemanagement bevorzugt wenigstens einen Industrie-PC auf, mittels dem die jeweiligen Daten verarbeitet werden. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zum Energiemanagement auch einen Datenbankserver zur Archivierung dieser Daten.
Bei dem Netzfrequenzmessgerät kann es sich sowohl um ein eigenständiges Messgerät, als auch um einen Teil einer Messanordnung handeln, wobei mittels des Netzfrequenzmessgerät durchgehend die Frequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung an bzw. in der Solartankstelle mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz überwacht werden kann. Bevorzugt beträgt die Messfrequenz des Netzfrequenzmessgeräts wenigstens 0,1 mHz, um eine Regelung der Primärenergieleistung der Solartankstelle jeweils auf mehreren Werten basierend durchführen zu können, wobei ganz besonders bevorzugt ein PID-Regler bzw. ein entsprechender Algorithmus eingesetzt wird.
Weiterhin bevorzugt weist das Netzfrequenzmessgerät eine Schnittstelle zur Zeitsynchronisation bzw. zur Synchronisation des Messvorganges mit anderen Netzfrequenzmessgeräten auf, wobei die Schnittstelle besonders bevorzugt eine Kommunikation über GSM ermöglicht. Bei dem Verfahren erfolgt eine Messung der Netzfrequenz mittels des Netzfrequenzmessgerätes bevorzugt permanent bzw. periodisch mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 Hz, besonders bevorzugt von 1 mHz und ganz besonders bevorzugt von 0,1 mHz.
Unter dem Energiemanagement wird insbesondere die Regelung der einzelnen Komponenten der Solartankstelle und gegebenenfalls die Umwandlung von Strömen oder Spannungen zwischen dem Solarmodul, dem Energiespeicher, dem Leitungsnetz der Stromversorgung und/oder auch an der Schnellladestation angeschlossener Fahrzeuge verstanden. Darüber hinaus regelt das Energiemanagement selbstständig die Stabilisierung der Netzfrequenz durch eine Einspeisung bzw. Entnahme von Energie bzw. Regelleistung in bzw. aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung. Dabei können insbesondere die Aspekte des aktuellen Ladezustandes bzw. der aktuell verfügbaren Kapazität des Energiespeichers, die benötigte oder abgefragte Kapazität eines zum Laden angeschlossenen Fahrzeugs, die aktuell vom Solarmodul bereitgestellte Leistung und/oder die aktuelle Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung berücksichtigt werden. Weiterhin können aber auch weitere Einflüsse in das Energiemanagement einbezogen werden, wie beispielsweise Benutzereingaben oder Befehle des Betreibers der Solartankstelle oder des Leitungsnetzes, durchschnittliche Verbrauchsstatistiken oder Vorhersagen bezüglich des Verbrauchs oder der über das Solarmodul zur Verfügung stehenden Leistung.
Insbesondere bevorzugt ist es dabei Aufgabe des Energiemanagements, die Energieverbraucher und Energiequellen gegenüberzustellen und jeweils für eine ausreichende Versorgung der Verbraucher zu sorgen. Mittels des Energiemanagements erfolgt bevorzugt eine Zwischenspeicherung überschüssiger Energie aus dem Solarmodul, die nicht sofort zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs verwendet wird, im Energiespeicher. Darüberhinausgehend oder zusätzlich kann eine Einspeisung in das Leitungsnetz der Stromversorgung gegen Vergütung erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Maximierung des Eigenverbrauchs und Minimierung der Aufnahme von Energie aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solartankstelle weist diese einen mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbaren Laderegler eines Energiespeichermanagements des Energiespeichers und/oder einen mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbaren Wechselrichter zum Einspeisen aus dem Energiespeicher in das Leitungsnetz der Stromversorgung auf, wodurch in vorteilhafter Weise eine besonders schnelle Bereitstellung von Primärregelenergie sowie eine besonders gute und zügige Anpassung an Schwankungen der Netzfrequenz möglich ist.
Der Wechselrichter ist wenigstens zum Laden des Energiespeichers, insbesondere aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung, sowie zur Stromeinspeisung aus dem Energiespeicher und/oder dem Solarmodul in das Leitungsnetz der Stromversorgung vorgesehen, wodurch problemlos ein bidirektionaler Austausch von Energie mit dem Leitungsnetz der Stromversorgung ermöglicht wird. Dabei ist der Wechselrichter wenigstens derart ausgelegt, um die Gleichspannung des Energiespeichers in Wechselspannung umzuwandeln, die unmittelbar in das Leitungsnetz der Stromversorgung eingespeist werden kann. Darüber hinaus ist es auch grundsätzlich möglich, die Gleichspannung des Solarmoduls in Wechselspannung umzuwandeln. Der Laderegler eines Energiespeichermanagements ist wenigstens zum Laden bzw. Entladen des Energiespeichers aus dem Solarmodul und/oder aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solartankstelle ist eine Leistungsendstufe des Solarmoduls und besonders bevorzugt sind alle Leistungsendstufen des oder der Solarmodule mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbar, wodurch eine besonders zügige Herunterregelung der von dem Solarmodul zu Verfügung gestellten Leitung möglich ist, was insbesondere bei einem Übersteigen der Sollnetzfrequenz sinnvoll oder sogar notwendig sein kann. Bei der Leistungsendstufe handelt es sich zunächst grundsätzlich um ein Bauteil, dass zwischen dem Solarmodul und den übrigen Elementen der Solartankstelle, insbesondere der Speichereinheit bzw. einem Verbraucher, angeordnet ist und mittels dem die von dem Solarmodul zur Verfügung gestellte Leistung geregelt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solartankstelle ist die Schnellladestation sowohl zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, als auch zum Entladen eines Fahrzeugs zum Laden des Energiespeichers und/oder zur Einspeisung in das Leitungsnetz der Stromversorgung geeignet, wodurch in besonders einfacher Weise die Speicherkapazität der Solartankstelle durch angeschlossene Fahrzeuge erhöht und eine umfassendere Stabilisierung des Leitungsnetzes der Stromversorgung ermöglicht wird. Insbesondere bevorzugt erfolgt dies nach ISO/IEC15118. Insbesondere die Kapazität von dauerhaft, beispielsweise über Nacht oder während einer längeren Abwesenheit, an die Solartankstelle angeschlossenen Fahrzeugen kann dazu verwendet werden. Dazu ist die Schnellladestation bevorzugt bidirektional gebildet und die Solartankstelle verfügt besonders bevorzugt über einen entsprechenden Wechselrichter und/oder über einen entsprechenden Laderegler.
Nach einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solartankstelle ermöglicht die Schnellladestation wenigstens zeitgleich das Laden und/oder Entladen von zwei elektrisch betriebenen Fahrzeugen mit einer jeweiligen Ladeleistung bei Wechselstrom von 22 kW und/oder bei Gleichstrom von 50 kW, wodurch ein zügiges Laden bzw. Entladen des Fahrzeugs gewährleistet wird. Besonders bevorzugt ermöglicht die Schnellladesäule das Laden mit Wechselstrom bis 43 kW, wobei ganz besonders bevorzugt an der Schnellladestation Lademöglichkeiten für zwei Fahrzeuge bei 50 kW Gleichstrom und/oder 43 kW Wechselstrom zugleich bestehen. Weiterhin bevorzugt ist wenigstens ein zeitgleiches Laden eines Fahrzeugs mit Wechselstrom und eines Fahrzeugs mit Gleichstrom und/oder von zwei Fahrzeugen mit Wechselstrom möglich.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solartankstelle sind wenigstens die Vorrichtung zum Energiemanagement, bevorzugt sämtliche elektronischen Komponenten an und/oder innerhalb eines geschlossenen Gebäudes angeordnet, wobei das Gebäude besonders bevorzugt auf Basis eines Seefracht-Containers gebildet ist, wodurch in besonders einfacher Weise und besonders schnell eine Solartankstelle errichtet werden kann. Bei dem Seefracht-Container handelt es sich um einen genormten Großraumbehälter aus Metall, insbesondere Stahl, der bevorzugt nach den Vorgaben der ISO-Norm 668 gebildet ist. Weiterhin bevorzugt ist der Innenraum des Gebäudes mit Isotherm-Elementen thermisch isoliert, insbesondere mit 120 mm Isotherm-Wandelementen an der Decke und/oder mit 60 mm Isotherm-Wandelementen an den Wänden, um eine Optimierung der Gebrauchsdauer des Energiespeichers durch gleichbleibende Temperierung sowie Reduzierung des Energieverbrauchs durch Wegfall bzw. Verringerung einer notwendigen Kühlung bzw. Heizung zu erreichen. Weiterhin bevorzugt ist das Gebäude, insbesondere der Seefracht-Container, auf Punktfundamente gesetzt bzw. aufgestellt und daran befestigt, um in besonders einfacher Weise eine ortsfeste Anordnung und zugleich ein Schutz vor Untergrundfeuchtigkeit zu erreichen. Ganz besonders bevorzugt sind an wenigstens allen vier Ecken des Seefracht-Containers Punktfundamente vorgesehen. Weiterhin bevorzugt ist im Inneren des Gebäudes ein Doppelboden, insbesondere mit einer Höhe von 380 mm, vorgesehen, innerhalb dem besonders bevorzugt eine Kabelverlegung der elektrischen Einrichtungen der Solartankstelle erfolgt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solartankstelle weist eine Schnittstelle zur Vernetzung mehrerer Solartankstellen zum Daten- und/oder Energieaustausch auf, wodurch in besonders einfacher Weise ein synchronisierter bzw. abgestimmter Betrieb, beispielsweise in Bezug auf eine Bereitstellung von primärer Regelenergie in das Leitungsnetz der Stromversorgung, erreicht werden kann. Weiterhin kann durch eine direkte Vernetzung mehrerer Solartankstellen ein Ungleichgewicht in den zur Verfügung stehenden Ladekapazitäten bzw. des Ladezustandes der einzelnen Energiespeicher der Solartankstellen ausgeglichen werden.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Solartankstelle weist eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit dem Betreiber des Leitungsnetzes der Stromversorgung und/oder dem Betreiber der Solartankstelle auf. Dabei kann die Kommunikation grundsätzlich in beliebiger Weise erfolgen. Bevorzugt handelt es sich um eine digitale Funkschnittstelle, insbesondere eine Funkschnittstelle über 3G/GSM. Weiterhin erfolgt die Kommunikation über OCCP 1.5 (Open Charge Point Protocol), OCCP 1.6 und/oder OCCP 2.0. Eine direkte Kommunikations- und/oder Zugriffsmöglichkeit eines Betreibers des Leitungsnetzes ermöglicht einen einfachen Wechsel der Solartankstelle zwischen verschiedenen Betriebszuständen sowie eine besonders einfache und effiziente Teilnahme der Solartankstelle am primären sowie am sekundären Regelenergiemarkt, insbesondere durch den direkten Empfang einer Anfrage bzw. Benachrichtigung des Betreibers des Leitungsnetzes über benötigte Energie. Weiterhin ermöglicht die Kommunikationsschnittstelle dem Betreiber der Solartankstelle eine Fernüberwachung, -wartung und -betriebsführung, wodurch die Solartankstelle ohne Personal vor Ort besonders wirtschaftlich betrieben werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Solartankstelle findet eine Visualisierung der Betriebsparameter, insbesondere der momentanen Energieflussrichtung und/oder Leistungen, insbesondere Leistung des Solarmoduls, am Aufstellort statt, wozu an der Solartankstelle eine geeignete Anzeigevorrichtung, insbesondere ein Monitor, LED- oder LCD-Display angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Anzeigevorrichtung dabei außerhalb eines Gebäudes der Solartankstelle für einen Benutzer bzw. Kunden sichtbar angeordnet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bereitstellen von Energie für den primären Regelenergiemarkt durch die Vorrichtung zum Energiemanagement auf Basis der gemessenen Netzfrequenz gesteuert und erfolgt ohne ein externes Steuersignal beispielsweise durch den Betreiber der Solartankstelle vor Ort oder durch Fernwirkung gesteuert, wodurch eine besonders einfache und effiziente Einbindung in ein bestehendes Leitungsnetz der Stromversorgung möglich ist. Dabei stabilisiert jede Solartankstelle bevorzugt das Leitungsnetz der Stromversorgung autonom bzw. vollautomatisch, zumindest in einem entsprechenden Betriebsmodus der Solartankstelle. Zusätzlich kann die Teilnahme am primären Regelenergiemarkt durch Kommunikation bzw. ein Signal des Betreibers der Solartankstelle oder des Leitungsnetzes veranlasst werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Stabilisierung des Leistungsnetzes der Stromversorgung ab einer Abweichung von einem Sollnetzfrequenzwert von ± 0,01 Hz, wodurch jede Solartankstelle mit einer entsprechenden Regelschwelle von nur ± 0,01 Hz bereits im Totband der erlaubten Netzfrequenzabweichung von ± 20 mHz zur Stabilisierung beitragt und dabei ein besonders feine und schnelle Regelung der Netzfrequenz nahe an der Sollnetzfrequenz ermöglicht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Bereitstellen von Energie durch die Solartankstelle für den primären Regelenergiemarkt innerhalb von maximal 30 s, bevorzugt maximal 20 s und besonders bevorzugt maximal 15 s. Weiterhin kann die Einspeisung in das Leitungsnetz, bevorzugt mit einer Leistung von wenigstens 22 kW, besonders bevorzugt von wenigstens 50 kW und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 100 kW, für einen Zeitraum von wenigstens 15 min, bevorzugt wenigstens 30 min und besonders bevorzugt wenigstens 60 min erfolgen, insbesondere ohne dass der Betrieb der Solartankstelle eingestellt werden muss. Besonders bevorzugt ist dabei nach wie vor das Laden einer an der Solartankstelle maximal möglichen Anzahl von elektrisch betriebenen Fahrzeugen möglich.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Energiespeicher mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement und/oder mittels des Solarmoduls und/oder durch Aufladung aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung nur bis zu einer maximalen Füllkapazität geladen, die kleiner als die Gesamtkapazität des Energiespeichers und dabei insbesondere 63% der Gesamtkapazität ist, und mittels der Schnellladesäule nur bis zu einer minimalen Füllkapazität entladen, die größer als 0kWh, bevorzugt größer als 20% der Gesamtkapazität des Energiespeichers ist und besonders bevorzugt 37% der Gesamtkapazität des Energiespeichers entspricht, wodurch im Regelbetrieb der Solartankstelle immer genügend freie Speicherkapazität verbleibt, um Energie zur Senkung der Netzfrequenz aufzunehmen bzw. genügend Energie im Energiespeicher verbleibt, um Energie zur Steigerung der Netzfrequenz einspeisen zu können. Die restliche, nicht im Regelbetrieb verwendete Kapazität steht somit als bzw. für Primärregelenergie zur Verfügung.
Zur Senkung der Netzfrequenz kann dabei Energie über die maximale Füllkapazität, bevorzugt bis hin zur maximalen Kapazität des Energiespeichers aufgenommen werden, wobei besonders bevorzugt nachfolgend diese Energie schnellstmöglich wieder, entweder an das Leitungsnetz der Stromversorgung oder über die Schnellladesäule an ein zu ladendes elektrisch betriebenes Fahrzeug oder an einen anderen angeschlossenen Verbraucher in der Solartankstelle, beispielsweise eine Beleuchtung und/oder Klimatisierung oder eine anderweitige technische Gebäudeausrüstung abgegeben wird.
Zur Erhöhung der Netzfrequenz kann dabei Energie über die minimale Füllkapazität hinaus abgegeben werden, wobei besonders bevorzugt eine Entladung des Energiespeichers unter 20 % der Gesamtkapazität grundsätzlich nicht möglich ist, um eine Tiefentladung des Energiespeichers zu vermeiden. Ganz besonders bevorzugt weist der Energiespeicher eine nutzbare Kapazität von 342 kWh mit einer minimalen Füllkapazität von 86 kWh und einer maximalen Füllkapazität von 428 kWh auf.
Ist die maximale Füllkapazität des Energiespeichers noch nicht erreicht und stellt das Solarmodul mehr Energie zur Verfügung als, beispielsweise von der Schnellladestation, verbraucht wird, so wird bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens der Energiespeicher bis zur maximalen Füllkapazität geladen. Weiterhin bevorzugt wird die Schnellladestation vorrangig mit Energie aus dem Solarmodul betrieben und erst bei einer nicht ausreichenden Leistung weitere Energie aus dem Energiespeicher oder dem Leitungsnetz der Stromversorgung bezogen. Bevorzugt hat bei einer zu geringen Netzfrequenz jedoch eine Einspeisung von Energie aus dem Solarmodul und/oder dem Energiespeicher in das Leitungsnetz der Stromversorgung Vorrang, wobei besonders bevorzugt der Energiespeicher lediglich die Different zwischen der zur Verfügung stehenden Energie aus dem Solarmodul und der benötigten Energie zur Stabilisierung der Netzfrequenz ausgleicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens regelt die Vorrichtung zum Energiemanagement das Laden und Entladen des Energiespeichers der Solartankstelle, insbesondere das Bereitstellen von Energie für den primären Regelenergiemarkt derart, dass immer eine definierte Anzahl voller Ladungen, insbesondere wenigstens eine volle Ladung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug pro Tag zur Verfügung steht und ein elektrisch betriebenes Fahrzeug entsprechend geladen werden kann. Dabei kann die für eine volle Ladung benötigte Kapazität sowohl vom Benutzer oder Betreiber der Solartankstelle vorgegeben werden, als auch, insbesondere bei einer lediglich für ein einziges elektrisch betriebenes Fahrzeug verwendete Solartankstelle, eine automatische Bestimmung mittels der vorausgegangenen Ladestatistik oder durch Abfrage im Batteriemanagement des elektrisch betriebenen Fahrzeugs erfolgen.
Weiterhin werden bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Solarmodul, das Energiespeichermanagement und die Schnellladesäule mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement gegenläufig zur Abweichung der gemessenen Netzfrequenz von dem Sollnetzfrequenzwert gesteuert, wobei bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu geringen Netzfrequenz die Leistung des Aufladens des Energiespeichers und/oder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule verringert oder unterbrochen werden und bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu hohen Netzfrequenz die Abgabe von Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung unterbrochen wird, sodass der Betriebszustand der Solartankstelle in besonders einfacher Weise und besonders schnell an die aktuelle Abweichung der Netzfrequenz von der Sollnetzfrequenz angepasst werden kann. Dazu weisen insbesondere bevorzugt sämtliche Komponenten der Solartankstelle zur Regelung von Energieverbrauchern und Energieerzeugern mindestens eine Regelfrequenz von 1 mHz auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu hohen Netzfrequenz mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement zusätzlich oder alternativ das Solarmodul mittels einer Leistungsendstufe heruntergeregelt oder deaktiviert, insbesondere wenn der Energiespeicher bereits zu voll ist bzw. der Energiespeicher bereits seine maximale Füllkapazität erreicht hat.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Stabilisierung der Netzfrequenz bei der Berechnung und Regelung mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement immer priorisiert behandelt, insbesondere vor dem Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule, dem Laden des Energiespeichers oder der Energieerzeugung mittels des Solarmoduls, wobei besonders bevorzugt zum Ausgleich einer zu geringen Netzfrequenz nicht benötigte, vorhandene Überschussleistung, insbesondere des Solarmoduls, zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder des Energiespeichers verwendet wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Solartankstelle zusätzlich zur selbsttätigen Überwachung und Stabilisierung der Netzfrequenz auch ein Signal zur Bereitstellung von Energie für den primären und/oder sekundären Regelenergiemarkt über eine Schnittstelle mit dem Netzbetreiber empfangen, wobei der Signalempfang bzw. der Datenaustausch mit dem Netzbetreiber bezüglich der erforderlichen Regelenergie per Fernwirkprotokoll, insbesondere Fernwirkprotokoll IEC 60870-5-104, erfolgt, wodurch in besonders einfacher Weise eine Einbindung einer Solartankstelle in die bestehende Infrastruktur eines Netzbetreibers möglich ist. Insbesondere bevorzugt kann die Solartankstelle aufgrund eines Signals des Betreibers Sekundärregelleistung bereitstellen.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Vorrichtungen zum Energiemanagement mehrerer Solartankstellen miteinander kommunizieren und dabei Daten, wie beispielsweise der Füllstand der Energiespeicher oder der Betriebszustand, und/oder elektrische Energie, insbesondere zur Aufnahme in den Energiespeicher, austauschen. Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei und ganz besonders bevorzugt mehr als zwei Solartankstellen lokal miteinander verbunden, was in vorteilhafter Weise einen Betrieb als Poolteilnehmer am primären Regelenergiemarkt, insbesondere unter Berücksichtigung der technischen Anschlussbedingungen der Übertragungsnetzbetreiber ENTSO-E, ermöglicht. Dazu erfüllt jede Solartankstelle bevorzugt die technischen Ansprüche des entsprechenden Präqualifikationsverfahrens nach den vollständigen Regeln und Anforderungen der Übertragungsnetzbetreiber.
Darüber hinaus können mehrere Solartankstellen auch ortsbezogene Informationen, beispielsweise den zeitlichen Verlauf der zur Verfügung stehenden Solarleistung austauschen, sodass jeweils bereits eine Prognose über den in Kürze notwendigen Betriebszustand bzw. über eine in Kürze notwendige Regelung der Netzfrequenz getroffen werden kann. So können beispielsweise bei bekannter Windrichtung und/oder Großwetterlage, beispielsweise mittels Informationen aus dem Internet, bereits von einer Wolkenbedeckung betroffene Solartankstellen die sich fortbewegende Wolkenfront an in Kürze ebenfalls betroffene Solartankstellen melden, sodass diese ihre Betriebsverhalten anpassen und beispielsweise - solange dies die aktuelle Netzfrequenz zulässt - den Energiespeicher aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung so weit wie möglich laden können.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Solartankstelle mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement in einem von wenigstens zwei verschiedenen Betriebszuständen betrieben, wobei in einem ersten Betriebszustand vorrangig Energie aus dem Solarmodul und/oder aus dem Energiespeicher an das Leitungsnetz bei Bedarf als primäre Regelenergie abgegeben bzw. bei Bedarf Energie aus dem Leitungsnetz in den Energiespeicher aufgenommen wird, wobei jedoch besonders bevorzugt immer wenigstens die Energiemenge für eine Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs pro Tag, beispielsweise 80 kWh, im Energiespeicher verbleibt, und wobei in einem zweiten Betriebszustand der Eigenverbrauch maximiert wird sowie bevorzugt eine Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs nur aus der Energie des Solarmoduls und/oder des Energiespeichers erfolgen darf.
In dem ersten Betriebszustand und/oder in einem weiteren dritten Betriebszustand wird der Energiespeicher der Solartankstelle bevorzugt vollständig mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement gesteuert, was insbesondere bedeutet, dass der Energiespeicher die Lade- und Entladebefehle vom Energiemanagement realisieren muss. Die Steuerung erfolgt dabei in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Kapazität des Energiespeichers und/oder der mittels der gemessenen Netzfrequenz ermittelten Stabilität des Leitungsnetzes der Stromversorgung. Bei Bedarf kann die Solartankstelle auch Energie aus dem Leistungsnetz der Stromversorgung zum Laden des Energiespeichers oder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs beziehen, insbesondere bei einem Überschluss im Leitungsnetz der Stromversorgung auch zur Ladung des Energiespeichers.
Weiterhin bevorzugt wird im zweiten Betriebszustand der Bezug von Energie aus dem Leitungsnetz minimiert. Besonders bevorzugt erfolgt die Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs dabei nur aus der Energie des Solarmoduls bzw. eine Ladung darf nur bei Überschüssen der Energiegewinnung durch das Solarmodul erfolgen. Schließlich kann im zweiten Betriebszustand oder alternativ auch in einem vierten Betriebszustand der Bezug von Energie aus dem Leitungsnetz und/oder jeglicher Energieaustausch mit dem Leitungsnetz unterbunden werden, sodass das Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs ausschließlich über den Energiespeicher bzw. das Solarmodul aus Solarenergie erfolgen kann. Insbesondere ist so auch ein Inselbetrieb der Solartankstelle unabhängig vom Leitungsnetz der Stromversorgung möglich.
Die Wahl des Betriebszustandes erfolgt wahlweise aus der Ferne über die digitale Funkschnittstelle, vor Ort über die lokale Benutzerschnittstelle oder automatisch. Dabei überwacht die Vorrichtung zum Energiemanagement die Wahl des Betriebszustandes zumindest dahingehend, dass eine Beschädigung der Solartankstelle bzw. eines Bauteils der Solartankstelle verhindert wird.
Zur Abrechnung der entnommenen Energie mit einem Kunden erfolgt bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kommunikation mit einer zentralen Kostenstelle bzw. einem BackOffice des Betreibers der Solartankstelle, wobei die Kommunikation bevorzugt mittels einer digitalen Funkschnittstelle, besonders bevorzugt mittels einer Mobilfunkverbindung, insbesondere 3G/GSM und/oder OCCP 1.5 erfolgt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Erfassung von Bedienungs- und Betriebszuständen sowie Messwerten innerhalb der Solartankstelle, insbesondere mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement, wobei die erfassten Daten besonders bevorzugt nachfolgend bereits in der Solartankstelle verarbeitet bzw. aufbereitet werden. Weiterhin bevorzugt erfolgt dabei bzw. anschließend auch eine Speicherung/Archivierung in einem Datenbankserver der Solartankstelle und/oder eine Übertragung an den Betreiber der Solartankstelle.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen bidirektionalen Solartankstelle wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Figur zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung einer bidirektionalen Solartankstelle.

Eine in 1 dargestellte, bidirektionale Solartankstelle 1 weist einen als Carport gebildeten Unterstand 5, ein Gebäude 6 sowie eine Schnellladesäule 3 zum Laden eines Elektrofahrzeugs auf.
Der Unterstand 5 umfasst ein Dach 4, das mittels einer Unterkonstruktion 8 aus Aluminium auf Mikrofundamenten 9 am Boden abgestützt ist. Dabei weist das Dach 4 eine Neigung auf und ist derart gestaltet, dass es für Windgeschwindigkeiten bis zu 27,5 m/s und eine Traglast von 120 kg/m² ausgelegt ist. Auf der zum Himmel weisenden Oberfläche des Daches 4 sind mehrere Solarmodule 2 nebeneinander festgelegt.
Das Gebäude 6 befindet sich vollständig unter dem Unterstand 5, wobei es an der Seite des Unterstandes 5 angeordnet ist, die den geringsten Abstand zum Boden aufweist. Das Gebäude 6 ist aus einem umgebauten Hochsee-Container gebildet, der an allen vier Ecken auf Punktfundamenten aufliegt, damit kein Oberflächenwasser in das Gebäude 6 eindringen kann. Der Hochsee-Container weist im Inneren eine Isolierung aller Außenwände mit 60 mm Isotherm-Wandelementen und der Decke mit 120 mm Isotherm-Elementen auf. Der Boden ist als Doppelboden in einer Höhe von 380 mm gebildet, wobei die gesamte Kabelverlegung innerhalb des Doppelbodens erfolgt.
An einer Außenwand des Gebäudes 6 ist eine als berührungsempfindlicher Bildschirm gebildete Benutzerschnittstelle 7 angeordnet, an der ein Benutzer einerseits die Energiebilanz aus mittels der Solarmodule 2 gewonnener Energie einsehen kann und andererseits die Energie zum Laden des Elektrofahrzeugs bezahlen kann.
Zum Laden des Elektrofahrzeugs ist unter dem Unterstand 5 eine Schnellladesäule 3 angeordnet, die für zwei Fahrzeuge gleichzeitig jeweils für einen Ladevorgang mit 22kW Wechselstrom oder 50 kW Gleichstrom genutzt werden kann.
Im Inneren des Gebäudes 6 ist ein aus Lithium-Ionen-Akkumulatoren gebildeter Energiespeicher mit einer Gesamtkapazität von 200 kWh sowie ein Industrie-PC angeordnet, wobei die Steuerung der Solartankstelle und insbesondere das Energie- und Lastmanagement der Solartankstelle mittels des Industrie-PCs erfolgt.
Dabei ist die Solartankstelle 1 elektrisch mit einem Leitungsnetz der Stromversorgung verbunden und kann elektrische Energie aus dem Energiespeicher, den Solarmodulen 2 oder einem Energiespeicher eines an der Schnellladesäule 3 angeschlossenen Elektrofahrzeugs in das Leitungsnetz einspeisen oder auch daraus entnehmen.
Bei dem Energie- und Lastmanagement wird durchgehend der von den Solarmodulen 2 zur Verfügung gestellte elektrische Energie, der Bedarf an Energie für das Laden von Elektrofahrzeugen sowie die aktuelle Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung überwacht und je nach Bedarf überschüssige Energie in den Energiespeicher aufgenommen bzw. aus diesem abgegeben. Dabei erfolgt jedoch eine Einspeisung in das Leitungsnetz der Stromversorgung zu einer Stabilisierung des Leitungsnetzes nur dann, wenn im Energiespeicher dabei ausreichend Energie zum Laden von wenigstens zwei Elektrofahrzeugen verbleibt.
Bei einem Verfahren zum Betrieb der Solartankstelle wird bevorzugt durchgehend durch Messungen der Netzfrequenz mittels eines Netzfrequenzmessgerätes geprüft, ob eine Stabilisierung des Leitungsnetzes der Stromversorgung notwendig ist.
Ist dies nicht notwendig, so wird geprüft, ob an der Schnellladestation ein zu ladendes Fahrzeug angeschlossen ist. Wenn dies der Fall ist, so wird die dafür benötigte Energie zunächst aus dem Solarmodul und ergänzend aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt, solange der Energiespeicher nicht unter den minimal zulässigen Füllstand von 37% der Gesamtkapazität entladen ist. Steht keine Energie aus dem Solarmodul und aus dem Energiespeicher für die Schnellladestation zur Verfügung, so erfolgt die Ladung aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung, solang die Netzfrequenz stabil ist.
Wird dagegen bei der Prüfung der Netzfrequenz eine zu geringe Netzfrequenz von unter 49,99 Hz erkannt, so wird eine möglicherweise erfolgende Ladung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule sowie eine Ladung des Energiespeichers umgehend gestoppt. Anschließend wird geprüft, ob ausreichend Energie zur Netzstabilisierung aus dem Solarmodul verfügbar ist. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird ergänzend Energie aus dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt.
Wird schließlich bei der Prüfung der Netzfrequenz eine zu hohe Netzfrequenz von über 50,01 Hz erkannt, so wird umgehend die Ladung des Energiespeichers aktiviert und ggf. das Solarmodul über die Leistungsendstufe heruntergeregelt oder sogar deaktiviert.
Zusätzlich kann die Solartankstelle 1 zeitweilig oder dauerhaft im Inselbetrieb unabhängig vom Leitungsnetz der Stromversorgung betrieben werden, wobei dann bei Bedarf das Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule 3 ausschließlich mittels Solarenergie aus dem Solarmodul 2 oder dem Energiespeicher erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Solartankstelle
2: Solarmodul
3: Schnellladesäule
4: Dach
5: Unterstand
6: Gebäude
7: Benutzerschnittstelle
8: Unterkonstruktion
9: Mikrofundament

Claims

Bidirektionale Solartankstelle (1) zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt, umfassend - ein Solarmodul (2) zur Erzeugung von elektrischer Energie, - einen Energiespeicher, - eine Schnellladestation (3) für wenigstens ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, - einen bidirektionalen Netzanschluss zur Entnahme sowie zum Einspeisen von elektrischer Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung, gekennzeichnet durch - ein Netzfrequenzmessgerät mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz sowie - eine Vorrichtung zum Energiemanagement zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Solarmodul (2), dem Energiespeicher, dem Leitungsnetz der Stromversorgung, wobei mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement in Abhängigkeit der mit dem Netzfrequenzmessgerät gemessenen Netzfrequenz eine Einspeisung aus dem Energiespeicher und dem Solarmodul (2) in das Leitungsnetz der Stromversorgung sowie eine Entnahme aus dem Leitungsnetz in den Energiespeicher steuerbar ist.
Bidirektionale Solartankstelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbaren Regler eines Energiespeichermanagements zum Laden des Energiespeichers und/oder einen mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbaren Wechselrichter zum Einspeisen aus dem Energiespeicher in das Leitungsnetz der Stromversorgung.
Bidirektionale Solartankstelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsendstufe des Solarmoduls (2) mit einer Frequenz von wenigstens 1 mHz regelbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer bidirektionalen Solartankstelle (1) zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen sowie zur Teilnahme am Regelenergiemarkt, bei dem mittels eines Netzfrequenzmessgerätes die Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung mit einer Messfrequenz von wenigstens 1 mHz gemessen wird und die gemessene Netzfrequenz an eine Vorrichtung zum Energiemanagement übertragen werden, wobei die Vorrichtung zum Energiemanagement - die mittels eines Solarmoduls (2) gewonnene Energie auf eine Schnellladesäule (3) für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, einen Energiespeicher der Solartankstelle (1) und das Leitungsnetz der Stromversorgung verteilt, - das Laden des elektrisch betriebenen Fahrzeugs aus dem Solarmodul (2) und aus dem Energiespeicher und aus dem Leitungsnetz der Stromversorgung steuert, sowie - in Abhängigkeit der gemessenen Netzfrequenz des Leitungsnetzes der Stromversorgung das Bereitstellen von Energie für den primären Regelenergiemarkt des Leitungsnetzes der Stromversorgung aus dem Energiespeicher und dem Solarmodul (2) regelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen von Energie für den primären Regelenergiemarkt durch die Vorrichtung zum Energiemanagement auf Basis der gemessenen Netzfrequenz gesteuert wird und ohne ein externes Steuersignal erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabilisierung des Leistungsnetzes der Stromversorgung ab einer Abweichung von einem Sollnetzfrequenzwert von ± 0,01 Hz erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement und mittels des Solarmoduls (2) nur bis zu einer maximalen Füllkapazität geladen wird, die kleiner als die Gesamtkapazität des Energiespeichers, insbesondere 63% der Gesamtkapazität ist, und mittels der Schnellladesäule (3) nur bis zu einer minimalen Füllkapazität entladen wird, die größer als 0 kWh, bevorzugt größer als 20 % der Gesamtkapazität des Energiespeichers und besonders bevorzugt 37% der Gesamtkapazität des Energiespeichers ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement das Solarmodul (2), ein Energiespeichermanagement zum Laden und Entladen des Energiespeichers sowie die Schnellladesäule (3) gegenläufig zur Abweichung der gemessenen Netzfrequenz von dem Sollnetzfrequenzwert gesteuert werden, wobei - bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu geringen Netzfrequenz die Leistung des Aufladens des Energiespeichers und/oder eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule (3) verringert oder unterbrochen werden und - bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu hohen Netzfrequenz die Abgabe von Energie in das Leitungsnetz der Stromversorgung unterbrochen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Stabilisierung des Leitungsnetzes aufgrund einer zu hohen Netzfrequenz mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement zusätzlich oder alternativ das Solarmodul (2) mittels einer Leistungsendstufe heruntergeregelt oder deaktiviert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabilisierung der Netzfrequenz bei der Berechnung und Regelung mittels der Vorrichtung zum Energiemanagement immer priorisiert behandelt wird, insbesondere vor dem Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs an der Schnellladesäule (3), dem Laden des Energiespeichers oder der Energieerzeugung mittels des Solarmoduls (2), wobei zum Ausgleich einer zu geringen Netzfrequenz nicht benötigte, vorhandene Überschussleistung, insbesondere des Solarmoduls (2), zum Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder des Energiespeichers verwendet wird.