DE102019127054A1

DE102019127054A1 - Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße in einem elektrischen Versorgungssystem und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102019127054A1
Application number: DE102019127054.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Losinger; Jörn Kröpelin
Original assignee: EnBW Energie Baden Wuerttemberg AG
Current assignee: EnBW Energie Baden Wuerttemberg AG
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße in einem elektrischen Versorgungssystem (200) mit einer Mehrzahl von Energiespeichern (10), insbesondere zum Bereitstellen von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung, wobei die elektrische Versorgungsgröße mit einer Sollwert abrufbar bereitgehalten wird. Es erfolgt ein Bewerten einer Vielzahl von Energiespeichern (10) mit jeweils einem Verfügbarkeitsfaktor (V). Ferner erflogt eine Aggregation von Energiespeichern (10) in einer Reservegruppe (100) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe des Sollwerts der elektrischen Versorgungsgröße der Reservegruppe (100), und ein ereignisorientiertes Ändern der Zusammenstellung der Reservegruppe (100) und/oder von Soll-Arbeitspunkten der Energiespeicher (10) innerhalb der Reservegruppe (100), wenn ein Ereignis auftritt, das den Verfügbarkeitsfaktor (V), an wenigstens einem der aggregierten Energiespeicher (10) verändert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße in einem elektrischen Versorgungssystem, insbesondere zum Bereitstellen von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der WO 2017162910 ist ein Verfahren und ein System zur Bereitstellung von Regelenergie in einem elektrischen Versorgungssystem bekannt. Hierzu ist eine Mehrzahl von Energiespeichern mit einer zentralen Steuereinheit verbunden. Die Energiespeicher sind mit dem Stromnetz verbunden und können Energie aus dem Stromnetz aufnehmen oder in das Stromnetz abgeben. Hierzu gibt es jeweils einen Verbund von Energiespeichern. Zu Beginn einer bestimmten Frequenzregelungsperiode zeigt das zentrale Steuergerät einen Netzfrequenz-Sollwert für das Stromversorgungssystem an. Aus einer Datenquelle wird der aktuelle Status der Energiespeicher, die Nennleistung jedes Energiespeichers und/oder einen geschätzten oder gemessenen Energiebedarf für jeden Energiespeicher. Die Größen von einer Aufwärtsregelleistung und einer Abwärtsregelleistung, die erforderlich sind, damit das Stromversorgungssystem den Zielwert für die Netzfrequenz erreicht, werden abgeschätzt und eine Priorität für jede Leistungseinheit festgelegt, basierend mindestens auf der Zeitspanne, die ein Energiespeicher in seinem aktuellen Zustand und/oder seinen verbleibenden Energiebedarf. Die Netzfrequenz wird überwacht und als Reaktion auf eine Abweichung der Netzfrequenz werden die Energiespeicher entsprechend ihrer Priorität von der Abwärts-Regelreserve in die Aufwärts-Regelreserve übertragen, wenn die Netzfrequenz steigt, und von der Aufwärts-Regelreserve zur Abwärts-Regelreserve, wenn die Netzfrequenz sinkt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das eine flexible Bereitstellung einer elektrischen Versorgungsgröße für verschiedene Sekundäranwendungen von Energiespeichern erlaubt.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße in einem elektrischen Versorgungssystem mit einer Mehrzahl von Energiespeichern, insbesondere zum Bereitstellen von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung, wobei die elektrische Versorgungsgröße mit einem Sollwert abrufbar bereitgehalten wird. Eine Vielzahl von Energiespeichern wird mit jeweils einem Verfügbarkeitsfaktor bewertet. Sofern eine elektrische Regelleistung beispielsweise zur Netzfrequenzstabilisierung als elektrische Versorgungsgröße erbracht wird, sind die auswählbaren Energiespeicher vorzugsweise in einer gemeinsamen Regelzone angeordnet. Energiespeicher werden in einer Reservegruppe bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe des Sollwerts der elektrischen Versorgungsgröße aggregiert. Beispielsweise erfolgt die Aggregation bis zu einer Leistungsmenge, die durch einen Übertragungsnetzbetreiber bezuschlagt und/oder angefordert wird, falls als elektrische Versorgungsgröße Regelleistung bereitgestellt wird. Wird eine elektrische Regelleistung zur Netzfrequenzstabilisierung als elektrische Versorgungsgröße angefordert, wird diese sofort und dauerhaft für eine vorgegebene Zeit in die Regelzone geliefert.
Falls als elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit bereitgestellt wird, kann diese beispielsweise an einem Handelsmarkt verkauft werden. Elektrische Energie bezogen auf die Regelleistung wird häufig auch als Kapazität des Energiespeichers oder der Reservegruppe bezeichnet.
Die Zusammenstellung der Reservegruppe wird ereignisorientiert bei Auftreten eines Ereignisses geändert, sobald sich der Verfügbarkeitsfaktor eines einzelnen, Energiespeichers in der Reservegruppe verändert, bzw. der Energiespeicher einen vorgegebenen Minimalwert der Verfügbarkeitsfaktoren erreicht oder unterschreitet, oder einen vorgegebenen Maximalwert der Verfügbarkeitsfaktoren erreicht oder überschreitet. Alternativ zur Änderung der Zusammenstellung kann eine Änderung der Sollwerte der aktuell in der Reservegruppe befindlichen Energiespeicher erfolgen, um das Ereignis in seiner Auswirkung zu kompensieren.
Verfügbarkeitsfaktoren der Energiespeicher können beispielsweise zwischen 0 und 1 variieren. Ist ein Energiespeicher beispielsweise in seiner Primäranwendung in Benutzung, ist der Verfügbarkeitsfaktor in dieser Zeit V=0.
Es können mehrere individuelle Speichereinheiten zu einem Energiespeicher zusammengefasst sein, oder eine einzelne Speichereinheit kann einen Energiespeicher bilden. Energiespeicher können beispielsweise Speicherbatterien an Ladestationen für Elektrofahrzeuge sein. In diesem Fall ist das Schnellladen von Elektrofahrzeugen die Primäranwendung des Energiespeichers. Diese Primäranwendung tritt insbesondere dann ein, wenn die reguläre Netzanschlussleistung für den Ladeanschluss des Elektroautos an der Ladesäule nicht ausreicht. Die Bereitstellung der elektrischen Versorgungsgröße als Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder als Regelleistung ist dann eine Sekundäranwendung des Energiespeichers. Dabei kann die Sekundäranwendung der elektrischen Versorgungsgröße abhängig von unterschiedlichen Rahmenbedingungen priorisiert werden, so etwa, ob Regelleistung, beispielsweise einige MW, bereitgestellt wird, oder ob Energie bezogen auf eine Zeiteinheit, beispielsweise MWh, auf einem Handelsmarkt angeboten und geliefert wird. Dies kann abhängig von einer Kosten-/Nutzenabwägung erfolgen.
Optional können Energiespeicher in Form von Speicherbatterien, bei kommerziellen oder privaten Energieerzeugern und/oder bei Produktionsprozessen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können als Energiespeicher Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung, Biogas-Anlagen, Pumpspeicher, Schwungradspeicher und dergleichen eingesetzt werden.
Die Energiespeicher können mit dem Versorgungsnetz elektrisch verbunden sein oder zumindest zeitweise elektrisch verbindbar sein. Dazu sind diese mit einer entsprechenden Kommunikationseinrichtung ausgestattet, über die eine, vorzugsweise zentrale Steuereinrichtung, die Energiespeicher entsprechend ansteuern kann. Ebenso können die Energiespeicher der Steuereinrichtung Daten liefern, etwa Ladezustand, Leistung und dergleichen. Jeder Energiespeicher ist eindeutig im Netz über eine Kommunikationsanbindung identifizierbar. Jeder Energiespeicher ist vorzugsweise über eine einzelne Kommunikationseinheit angebunden und hierüber eindeutig über seine individuelle Kennung identifizierbar. Die Kommunikationseinheiten können beispielsweise über TCP/IP oder ein Mobilnetz (WAN) kommunizieren. Die Energiespeicher können auf diese Weise Steuerbefehle erhalten. So kann ein Steuerbefehl einen Energiespeicher für den Erbringungszeitraum in den Modus „aktiv“ schalten, in dem der Energiespeicher die elektrische Versorgungsgröße als Sekundäranwendung erbringt, oder in einen Modus „deaktiv“ schalten, wenn keine elektrische Versorgungsgröße als Sekundäranwendung zu erbringen ist und der Energiespeicher dann wieder in einen Standard-Modus seiner Primäranwendung versetzt wird, beispielsweise in einen Schnelllade-Modus, oder einen Modus zum so genannten Peak-Shaving, bei dem ein Verbraucher kurzfristig seinen Stromverbrauch reduziert, um Lastspitzen zu vermeiden.
Die Prognose der verfügbaren elektrischen Versorgungsgröße und die Benennung der Energiespeicher, welche diese elektrische Versorgungsgröße erbringen können, sind im Wesentlichen voneinander unabhängig und können sequentiell erfolgen. Die elektrische Versorgungsgröße kann positiv oder negativ sein, d.h. die elektrische Versorgungsgröße kann im ersten Fall von einem oder mehreren Energiespeichern der Reservegruppe abgegeben werden oder im zweiten Fall von einem oder mehreren Energiespeichern der Reservegruppe aufgenommen werden.
Beispielsweise wird für den Abruf von primärer Regelleistung die Regelleistung dezentral über eine vor Ort verbaute Regelungsbox erbracht, die einen Regler, beispielsweise einen Leistungs-Frequenz-Regler, enthält. Diese Regelungsbox misst die Frequenz und gibt dem Energiespeicher den resultierenden Leistungswert vor.
Es kann mit einer relativ hohen Prognosegenauigkeit die verfügbare elektrische Versorgungsgröße der in einer Reservegruppe aggregierten oder zu aggregierenden Energiespeicher vorhergesagt werden. In Folge kann deren elektrische Versorgungsgröße als Sekundäranwendung bereitgestellt oder im Bedarfsfall abgerufen werden.
Dagegen kann die Verfügbarkeit eines einzelnen Energiespeichers bzw. dessen einzelne prognostizierte Leistung nur sehr schwer bis gar nicht prognostiziert werden, da jederzeit beispielsweise ein Elektrofahrzeug an eine Ladestation kommen kann, das die dortige Speicherbatterie entsprechend ihrer Primäranwendung entleeren oder, bei Abgabe von elektrischer Leistung, laden kann. Beides entspräche einem Ereignis, das den Zustand und somit die Verfügbarkeit des Energiespeichers unvorhergesehen ändert.
Statt einer starren Fahrplan-Prognose führt erfindungsgemäß ein Ereignis dazu, dass sich die Zusammensetzung der Reservegruppe spontan ändern kann oder muss, wenn ein Energiespeicher in der Reservegruppe ein Ereignis erfährt, falls die elektrische Versorgungsgröße Regelleistung ist. Falls die elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit ist, kann der Soll-Arbeitspunkt von einem oder mehreren der Energiespeicher innerhalb der Reservegruppe geändert werden oder wahlweise die Zusammensetzung der Reservegruppe geändert werden.
Günstigerweise kann jeder Energiespeicher im Vorfeld einen errechnete Verfügbarkeitsfaktor erhalten, der in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise viertelstündlich, auf Basis von aktuellen IST-Daten, bei Batterien insbesondere Ladezustand („State of Charge“ (SOC)), Ladeleistung und/oder Entladeleistung und dergleichen aktualisiert werden kann.
Im „Ereignis-Fall“ kann zunächst versucht werden, die resultierende Änderung der verfügbaren elektrischen Versorgungsgröße aus den anderen, in der Reservegruppe befindlichen Energiespeichern zu kompensieren. Sollte dies nicht ausreichen oder der Verfügbarkeitsfaktor des betreffenden Energiespeichers nicht zulässig sein, wird der Energiespeicher aus der Reservegruppe entfernt und mit einem anderen Energiespeicher ersetzt, der beispielsweise den nächst höheren zulässigen oder den höchsten Verfügbarkeitsfaktor aufweist.
Zulässig ist ein Verfügbarkeitsfaktor, wenn er über einem Minimalwert liegt oder diesen nicht unterschreitet. Der Minimalwert ist so bemessen, dass Energiespeicher oberhalb des Minimalwerts für eine Sekundäranwendung geeignet ist. Die konkrete Größe des Minimalwerts kann von verschiedenen Rahmenbedingungen abhängen und daher entsprechend variieren.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen nur für jeden einzelnen Energiespeicher die jeweils verfügbare Leistung berechnet und anschließend einzeln vermarktet werden kann, ist es nicht mehr nötig, sehr hohe Sicherheitsabschläge zu verwenden, oder bestimmte Arten von Energiespeichern zu bestimmten Zeiten auszusparen, wenn die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass diese zu diesen bestimmten Zeiten für die Sekundäranwendung nicht verwendet werden kann, beispielsweise aufgrund von Ladevorgängen von Elektroautos an Ladesäulen mit Batterien.
Gemäß der Erfindung kann die sicher verfügbare und als Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder Regelleistung oder sonstige elektrische Leistung bereitstellbare und auch abrufbare elektrische Versorgungsgröße über alle auswählbaren Energiespeicher ermittelt werden, so dass in Summe die verfügbare und bereitstellbare und abrufbare elektrische Versorgungsgröße deutlich ansteigt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die in dem Versorgungssystem verfügbaren Energiespeicher unterteilt werden in auswählbare Energiespeicher und nicht auswählbare Energiespeicher, wobei eine Bewertung der nicht auswählbaren Energiespeicher mit einem Verfügbarkeitsfaktor zumindest temporär unterbleibt. Nicht auswählbare Energiespeicher werden mit dem Verfügungsfaktor Null charakterisiert. Die auswählbaren Energiespeicher weisen einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor auf, der oberhalb eines vorgegebenen Minimalwerts der Verfügbarkeitsfaktoren liegt. Insbesondere kann eine Bewertung der nicht auswählbaren Energiespeicher mit einem Verfügbarkeitsfaktor zumindest temporär unterbleiben. Energiespeicher können temporär nicht auswählbar sein, beispielweise, wenn sie bereits Regelleistung erbringen oder in im Wartungszustand sind. Die Unterteilung ermöglicht eine höhere Sicherheit der Reservegruppe. Der Rechenaufwand bei der Berechnung von Verfügbarkeitsfaktoren wird verringert, wenn diese nur für auswählbare Energiespeicher berechnet werden.
Sofern sich der Status eines oder mehrerer Energiespeicher von nicht auswählbar zu auswählbar ändert, können diese bei der Berechnung der Verfügbarkeitsfaktoren wieder berücksichtigt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die in dem Versorgungssystem auswählbaren Energiespeicher mindestens folgende Auswahl-Bedingungen erfüllen: (i) Der Energiespeicher gehört der gemeinsamen Regelzone an, sofern die elektrische Versorgungsgröße eine Regelleistung darstellt (ii) Der Energiespeicher verfügt über einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor. Damit kann beispielsweise ausgeschlossen werden, dass der Energiespeicher in seiner Primäranwendung steht. (iii) Der Energiespeicher gehört aktuell nicht der Reservegruppe bzw. keiner anderen Reservegruppe an. Damit kann vorteilhaft vermieden werden, dass die elektrische Versorgungsgröße, beispielsweise Regelleistung, aus der einen Reservegruppe unkontrolliert für eine andere Reservegruppe abgezogen wird. (iv) Eine externe Steuereinrichtung kann mit dem Energiespeicher kommunizieren, insbesondere Daten und Steuersignale austauschen. Der Energiespeicher ist in der Lage, mit einer Steuereinheit zu kommunizieren. Dadurch, dass der Energiespeicher „aktiv“ ist kann eine Zuordnung zu einer Reservegruppe, ein Abruf oder eine Aufnahme der elektrischen Versorgungsgröße, eine Zuordnung von Betriebsparametern des Energiespeichers und dergleichen erfolgen. Energiespeicher, welche diese Auswahl-Bedingungen nicht erfüllen, sind nicht auswählbare Energiespeicher. Gegebenenfalls kann deren Status zu einem anderen Zeitpunkt jedoch auch geändert werden, wenn die Auswahlbedingungen zu dem anderen Zeitpunkt erfüllt sind.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Entfernen von einem oder mehreren Energiespeichern aus der Reservegruppe erfolgen, welche nach der initialen Berechnung der Aggregation eine oder mehrere der Auswahl-Bedingungen nicht mehr erfüllen, sowie ein Hinzufügen von einem oder mehreren auswählbaren Energiespeichern, welche einen zulässigen-Verfügbarkeitsfaktor aufweisen, in die Reservegruppe. Es kann mehr Leistung für die Regelleistung zur Verfügung stehen, da durch die ereignisbasierte flexible Zusammenstellung der Reservegruppe geringere Sicherheitsmargen notwendig sind.
Alternativ kann statt eines kompletten Austauschs eines Energiespeichers zentral bestimmt, insbesondere berechnet werden, ob eine Verschiebung von Arbeitspunkten eines oder mehrerer der Energiespeicher, die sich aktuell in der Reservegruppe befinden, ausreicht, um die Menge der abgerufenen, insbesondere vermarkteten, elektrischen Versorgungsgröße für den Erbringungszeitraum zu erbringen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Verfügbarkeitsfaktor der auswählbaren Energiespeicher aus mehreren Kriterien abgeleitet werden, wobei die Kriterien wenigstens umfassen: (i) einen Arbeitspunkt des jeweiligen Energiespeichers, wobei der Arbeitspunkt bei Batterien beispielsweise Zustand und/oder Ladezustand und/oder Lade- und/oder Entladeleistung und/oder Temperatur umfasst: (ii) eine Ereignis-Prognose der Wahrscheinlichkeit, dass der Ladezustand des jeweiligen Energiespeichers in einem vorgegebenen Zeitraum geändert, insbesondere verringert, werden wird; (iii) einen ersten Nutzwert abgeleitet aus einem Prognose-Alter der Ereignis-Prognose; und (iv) einen zweiten Nutzwert, abgeleitet aus einem zeitlichen Ereignis-Abstand zwischen zwei Ereignissen, bei denen sich der Zustand des jeweiligen Energiespeichers ändert, bei Batterien insbesondere verringert.
Die Ereignis-Prognose bei Batterien an Ladesäulen kann dabei insbesondere eines oder mehrere der folgenden Parameter umfassen: Wetter-Vorhersagen, da erfahrungsgemäß das Wetter einen direkten Einfluss auf das Ladeverhalten der Besitzer von Elektroautos als auch auf die Ladekurven der Energiespeicher hat, beispielsweise Batterien, bei unterschiedlichen Temperaturen; die Verwendung von Typisierungen von bestimmten Wochentagen oder Zeiträumen, da ein gleiches Ladeverhalten und/oder eine gleiche Ladehäufigkeit an bestimmten Tagen, wie beispielsweise Wochenende, Wochentag, Urlaubstag berücksichtigt wird; die Vorhersage zu Elektrofahrzeug-Modellen, da diese sehr unterschiedliche Ladedauern und Ladeleistungen verwenden, Standort des Energiespeichers, wobei die Benutzung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge an Autobahnen sich deutlich von der Benutzung von Ladestationen in der Stadt unterscheidet. Diese Parameter haben einen starken Einfluss auf die Prognose, ob und insbesondere wie lange dieses Ereignis zu einer (negativen) Beeinflussung der Batterie bzw. zu einer Verringerung des Verfügbarkeitsfaktors des Energiespeichers führt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die Kriterien gewichtet werden und aus den gewichteten Kriterien der Verfügbarkeitsfaktor jedes auswählbaren Energiespeichers bestimmt werden. Vorteilhaft kann der Verfügbarkeitsfaktor zwischen 0 und 1 variieren, wobei 1 der beste Verfügbarkeitsfaktor ist. Die Wichtung der Kriterien kann konstant sein. Optional kann vorgesehen sein, dass Kriterien zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich gewichtet werden. Der Verfügbarkeitsfaktor von nicht auswählbaren Energiespeichern ist Null. Der Verfügbarkeitsfaktor von auswählbaren Energiespeichern ist größer Null, insbesondere größer als ein vorgegebener Minimalwert für die Sekundäranwendung des Energiespeichers.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann wenigstens ein Teil der Kriterien aus den verfügbaren Energiespeichern kontinuierlich oder in engem Zeitraster, insbesondere in einem Minutenraster oder einem Sekundenraster, ermittelt werden. Vorteilhaft kann dies an allen verfügbaren Energiespeichern erfolgen, bei den die Bestimmung der Kriterien möglich ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Arbeitspunkt des jeweiligen auswählbaren Energiespeichers aus einem Nutzwert des Energiespeichers abgeleitet werden, der beispielsweise bei Batterien aus einem Ladezustand und einem Verhältnis einer nutzbaren Speicherkapazität zu einem Sollwert der elektrischen Versorgungsgröße abgeleitet wird. Insbesondere kann der Arbeitspunkt zwischen einem minimalen und einem maximalen Sollwert der elektrischen Versorgungsgröße liegen.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Nutzwert bestimmt werden, der einen Abstand eines Beginns der Nutzwertanalyse zum prognostizierten Ereignis bewertet. Insbesondere kann der Nutzwert mit zunehmendem Abstand vom Beginn der Nutzwertanalyse zunehmen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Prognose-Alter der Ereignis-Prognose bestimmt werden. Insbesondere kann der Nutzwert mit dem Alter der Prognose abnehmen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Ereignis-Abstand zwischen zwei Ladevorgängen von Elektrofahrzeugen bestimmt werden. Insbesondere kann der Nutzwert mit zunehmendem Abstand vom Beginn des letzten Ladevorgangs abnehmen. Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen an einer Batterie entsprechen Entladevorgängen der Batterie, sofern es sich um Schnelladevorgänge handelt. In allen anderen Fällen reicht erfahrungsgemäß die Netzanschlussleistung aus und die Batterie entlädt nicht.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die Verfügbarkeitsfaktoren der Energiespeicher periodisch erzeugt werden, insbesondere in einem Minutenraster, vorzugsweise in einem Viertelstundenraster. Auf diese Weise stehen Verfügbarkeitsfaktoren mit hinreichender Aktualität bereit. Alternativ können die Verfügbarkeitsfaktoren der Energiespeicher bei Bedarf erzeugt werden. Im Bedarfsfall stehen aktuelle Verfügbarkeitsfaktoren bereit.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die in der Reservegruppe aggregierten Energiespeicher sowohl die elektrische Versorgungsgröße aufnehmen wie auch abgeben. Eine Reservegruppe kann daher die elektrische Versorgungsgröße bereitstellen als auch die elektrische Versorgungsgröße aufnehmen. Es müssen nicht zwei Reservegruppen vorgesehen sein, von denen beispielsweise eine die elektrische Versorgungsgröße als Regelleistung aufnehmen und eine andere die elektrische Versorgungsgröße als Regelleistung abgeben kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können Energiespeicher in unterschiedlichen Reservegruppen aggregiert werden, die zur Bereitstellung von Regelleistung als elektrische Versorgungsgröße in unterschiedlichen Zeiträumen verfügbar sind. Vorteilhaft können Reservegruppen für Primärreserve innerhalb von Sekunden, und/oder für Sekundärreserve innerhalb von wenigen Minuten, weniger als 10 min, beispielsweise 5 min, und/oder für Minutenreserve innerhalb einer Viertelstunde vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich können Energiespeicher in Reservegruppen aggregiert werden, die als elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit bereitstellen, die in unterschiedlichen Zeiträumen verfügbar ist.
Die jeweilige Auswahl der Zuordnung zu einer der Reservegruppen kann beispielsweise über Prognosen der erzielbaren Erlöse je Regelleistungsmarkt oder Handels-Markt im Sinne der Erlösmaximierung erfolgen. Analog können Reservegruppen für die Vermarktung an Handelsmärkten innerhalb einer Viertelstunde vorgesehen sein. Es kann die elektrische Versorgungsgröße für unterschiedliche Bedarfsfälle in einem Stromversorgungsnetz bereitgestellt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße, insbesondere von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung in einem elektrischen Versorgungssystem vorgeschlagen, in dem eine Mehrzahl von Energiespeichern angeordnet ist. Auswählbare Energiespeicher, d.h. solche mit einem zulässigen Verfügbarkeitsfaktor, sind elektrisch zu einer Reservegruppe aggregierbar bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe eines Sollwerts der elektrischen Versorgungsgröße der Reservegruppe. Abhängig vom Auftreten eines Ereignisses an wenigstens einem der aggregierten Energiespeicher, das dessen Verfügbarkeitsfaktor wesentlich verändert, ist für den betreffenden Energiespeicher der Soll-Arbeitspunkt änderbar oder der betreffende Energiespeicher aus der Reservegruppe entfernbar und ein alternativer Energiespeicher in die Reservegruppe aggregierbar, insbesondere falls die elektrische Versorgungsgröße Regelleistung ist. Der Soll-Arbeitspunkt von einem oder mehreren Energiespeichern in der Reservegruppe ist änderbar, insbesondere falls die elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit ist.
Dabei können mehrere individuelle Speichereinheiten zu einem Energiespeicher zusammengefasst sein, oder eine einzelne Speichereinheit kann einen Energiespeicher bilden. Als Energiespeicher können beispielsweise Speicherbatterien eingesetzt werden. Insbesondere können Speicherbatterien an Ladestationen für Elektrofahrzeuge als Energiespeicher vorgesehen sein. Optional können Speicherbatterien bei kommerziellen oder privaten Energieerzeugern und/oder bei Produktionsprozessen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können als Energiespeicher Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung oder Biogas-Anlagen eingesetzt werden.
Die Energiespeicher können mit dem Versorgungsnetz verbunden sein oder zumindest zeitweise verbindbar sein. Weiterhin können diese jeweils mit einer entsprechenden Kommunikationseinrichtung ausgestattet sein, die wiederum vorzugsweise jeweils mit einer zentralen Steuereinrichtung verbunden ist. Jeder Energiespeicher kann eindeutig im Netz über eine Kommunikationsanbindung identifizierbar sein. Ebenso können die Energiespeicher der Steuereinrichtung Daten liefern, etwa Ladezustand, Leistung und dergleichen.
Es kann mit einer relativ hohen Prognosegenauigkeit die verfügbare Leistung der aggregierten Energiespeicher vorhergesagt werden und in Folge deren elektrische Versorgungsgröße bereitgestellt und im Bedarfsfall abgerufen werden.
Es kann mehr Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder Regelleistung zur Verfügung stehen, da durch die ereignisbasierte flexible Änderung von Arbeitspunkten von Energiespeichern oder der Zusammenstellung der Reservegruppe geringere Sicherheitsmargen notwendig sind.
Dabei können mehrere individuelle Speichereinheiten zu einem Energiespeicher zusammengefasst sein, oder eine einzelne Speichereinheit kann einen Energiespeicher bilden. Als Energiespeicher können beispielsweise Speicherbatterien eingesetzt werden. Insbesondere können Speicherbatterien an Ladestationen für Elektrofahrzeuge als Energiespeicher vorgesehen sein. Optional können Speicherbatterien bei kommerziellen oder privaten Energieerzeugern und/oder bei Produktionsprozessen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können als Energiespeicher Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung oder Biogas-Anlagen eingesetzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung können auswählbare Energiespeicher jeweils eine Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer Geräte-Managementeinheit aufweisen, sowie eine Energiespeicher-Steuereinheit, welche über die Kommunikationsschnittstelle erhaltene Steuerbefehle umsetzt. Dadurch, dass die Energiespeicher kommunizieren können, kann die Geräte-Managementeinheit die Energiespeicher steuern und gegebenenfalls zugreifen und in eine Reservegruppe aggregieren, die wiederum bedarfsabhängig dem Stromversorgungsnetz elektrische Energie als Versorgungsgröße zuführen oder abnehmen kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann wenigstens einer der Energiespeicher eine oder mehrere Batterien umfassen. Insbesondere können ein oder mehrere Speicherbatterien an Ladesäulen vorgesehen sein. Vorteilhaft können Speicherbatterien, die erforderlich, jedoch wenig genutzt sind, einer sekundären Nutzung in einer Reservegruppe zugeführt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann wenigstens einer der Energiespeicher eine oder mehrere Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen umfassen. Vorteilhaft können derartige Anlagen oder dortige Speicher, die erforderlich, jedoch wenig genutzt sind, einer sekundären Nutzung in einer Reservegruppe zugeführt werden.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Figurenliste

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Energiespeicher in einer Regelzone eines Stromversorgungssystems angeordnet sind, von denen einige in einer Reservegruppe zusammengefasst sind;
2 die Regelzone mit Reservegruppe nach 1, bei der ereignisbasiert ein Energiespeicher aus der Reservegruppe ausgetauscht ist;
3 Energiespeicher, die mit einer Geräte-Managementeinheit gekoppelt sind;
4 ein Flussdiagramm mit Verfahrensschritten für Energiespeicher, die Regelleistung erbringen;
5 ein Flussdiagramm mit Verfahrensschritten für Energiespeicher, die Energie erbringen;
6 den Verlauf eines Nutzwerts eines Arbeitspunkt eines Energiespeichers über einem Zustand, beispielsweise Ladezustand einer Batterie;
7 den Verlauf eines Nutzwerts einer Ereignis-Prognose eines Energiespeichers über der Zeit;
8 den Verlauf eines Nutzwerts eines Prognose-Alters eines Energiespeichers über der Zeit;
9 den Verlauf eines Nutzwerts für die typische Dauer zwischen zwei Ereignissen einer Primärnutzung des Energiespeichers über der Zeit.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem als elektrische Versorgungsgröße Regelleistung bereitgestellt wird, um die Netzfrequenz des Stromversorgungssystems 200 zu stabilisieren. In dem Stromversorgungssystems 200 ist eine Anzahl von verfügbaren Energiespeichern 10, hier als Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i, 10k, 10l, 10m, 10n, 10o gekennzeichnet, in einer Regelzone 300 eines Stromversorgungssystems 200 angeordnet sind. Das Stromversorgungssystem 200 versorgt mehrere Verbraucher 250 mit elektrischer Leistung bzw. Energie.
Energiespeicher 10 können aus einem Verbund von einzelnen Speichereinheiten oder aus einzelnen Speichereinheiten gebildet sein. Die Energiespeicher 10 können beispielsweise Speicherbatterien sein, insbesondere Speicherbatterien von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge. Die Primäranwendung der Energiespeicher 10 ist in diesem Beispiel das Laden von Elektrofahrzeugen, insbesondere Schnell-Ladevorgänge. Als Sekundäranwendung können die Energiespeicher 10 beispielsweise Regelenergie bereitstellen. Es können auch andere Speicherarten vorgesehen sein, die elektrische Energie speichern und abgeben können, wie Schwungradspeicher, Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtungen, Biogasanlagen und dergleichen.
Einige der Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f sind in 1 in einer Reservegruppe 100 zusammengefasst. Die Reservegruppe 100 dient dazu, das Stromversorgungsystem 200 mit der elektrischen Versorgungsgröße Regelleistung zu versorgen. Die Reservegruppe 100 stellt dazu eine Regelleistung in vorbestimmter Höhe und in vorbestimmter Zeit zur Verfügung. Eine Aggregation von Energiespeichern 10, in die Reservegruppe 100 erfolgt mindestens bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe der Regelleistung der Reservegruppe 100.
Die Netzfrequenz des Stromversorgungssystems 200 wird überwacht und muss in engen Grenzen konstant gehalten werden. Die Regelleistung wird auch Regelenergie genannt und gleicht als Reserve Schwankungen im Stromversorgungsystem 200, genauer gesagt der Netzfrequenz, aus. Dem Stromversorgungsystem 200 kann bei Regelenergieeinsatz sowohl Strom entnommen als auch eingespeist werden. Mehr Stromeinspeisung zum Ausgleich einer zu niedrigen Netzfrequenz wird als positive Regelleistung, die Drosselung der Einspeisung zur Senkung der Netzfrequenz als negative Regelleistung bezeichnet.
Als Reaktion auf eine Abweichung der Netzfrequenz von ihrem Sollwert, z.B. 50 Hz, gibt die Reservegruppe 100 Regelleistung der Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f an das Stromversorgungsystem 200 ab, wenn die Netzfrequenz sinkt oder nimmt Regelleistung auf, wenn die Netzfrequenz steigt.
Die Reservegruppe 100 kann beispielsweise die Primärreserve darstellen, bei denen eine Bereitstellung von primärer Regelleistung (PRL) innerhalb von Sekunden verfügbar sein muss. Optional kann die Reservegruppe 100 auch für eine Sekundärreserve (SRL) innerhalb von wenigen Minuten, beispielsweise 5 min, oder als Minutenreserve (MRL) fungieren, bei der Regelleistung innerhalb einer Viertelstunde verfügbar sein muss. Es können auch mehrere Reservegruppen für Primärreserve, Sekundärreserve und Minutenreserve vorgesehen sein.
Die verfügbaren Energiespeicher 10 in der Regelzone werden in auswählbare und nicht auswählbare Energiespeicher 10 unterteilt.
Ein auswählbarer Energiespeicher 10 muss obligatorisch mehrere Auswahl-Bedingungen erfüllen. Der Energiespeicher 10 muss der gemeinsamen Regelzone 300 angehören. Der Ladezustand des Energiespeichers 10 muss aktuell unverändert sein, d.h. er wird aktuell nicht benutzt bzw. hat einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor. Der Energiespeicher 10 gehört aktuell nicht der Reservegruppe 100 oder einer anderen Reservegruppe an. Eine zentrale Steuereinrichtung 120 in Form einer Geräte-Managementeinheit kann mit dem Energiespeicher 10 kommunizieren, insbesondere Daten und Steuersignale austauschen.
Erfüllt ein verfügbarer Energiespeicher 10 in der Regelzone 300 nicht alle diese Auswahl-Bedingungen, wird er als nicht auswählbar klassifiziert. Der Status des nicht auswählbaren Energiespeichers 10 kann zu einem anderen Zeitpunkt gegebenenfalls geändert werden, wenn er dann alle Auswahl-Bedingungen erfüllt.
Die auswählbaren Energiespeicher 10 werden mit jeweils einem Verfügbarkeitsfaktor V bewertet, der zwischen 0 und 1 liegt.
Die Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in der Reservegruppe 100 weisen alle beispielsweise den Verfügbarkeitsfaktor V=1 auf.
Während die Energiespeicher 10g, 10h, 101 außerhalb der Reservegruppe 100 ebenso einen Verfügbarkeitsfaktor V=1 aufweisen, zeigen die Energiespeicher 10i und 10m einen Verfügbarkeitsfaktor V=0,8, die Energiespeicher 10k und 10n einen von V=0,6 und der Energiespeicher 10o einen Verfügbarkeitsfaktor V=0,1 auf.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind einige der Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in 1 in einer Reservegruppe 100 zusammengefasst. Die Reservegruppe 100 dient dazu, als elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit bereitzustellen und, bei Abruf, bereitzustellen. Die als elektrische Versorgungsgröße kann beispielsweise auf einem Handelsmarkt angeboten werden und abgenommen werden.
Die Reservegruppe 100 stellt dazu elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit in vorbestimmter Höhe und in vorbestimmter Zeit zur Verfügung. Eine Aggregation von Energiespeichern 10, in die Reservegruppe 100 erfolgt mindestens bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe der elektrischen Versorgungsgröße der Reservegruppe 100.
Die Energie (auch genannt Speicherkapazität) kann zum Beispiel zur Vermarktung an Handelsmärkten für elektrische Energie, z.B. Spot Vermarktung, angeboten werden, beispielsweise bei einer Intraday-Auktion auf dem Spot-Markt, einer Indraday-Handel auf dem Spot-Markt, einer Day-Ahead-Auktion auf dem Spot-Markt, einer Day-Ahead-Auktion auf dem EXAA-Markt (Energy Exchange Austria), einem österreichischen elektronischen Marktplatz, die auch auf dem deutschen Energiemarkt aktiv ist, OTC-Geschäfte im außerbörslichen Handel beispielsweise mit anderen Energieunternehmen, Maklern und dergleichen (OTC = Over the Counter). Hierzu kann eine Prognose für den besten Preis erstellt werden und mit einer Art „Wasserfall-Vermarktung“ der günstigste Markt ausgewählt werden.
Die verfügbaren Energiespeicher 10 werden in auswählbare Energiespeicher 10 mit einem zulässigen Verfügbarkeitsfaktor V und nicht auswählbare Energiespeicher 10 mit einem Verfügbarkeitsfaktor V=0 unterteilt.
Ein auswählbarer Energiespeicher 10 muss wie bei der Bereitstellung von Regelleistung obligatorisch mehrere Auswahl-Bedingungen erfüllen. Der Ladezustand des Energiespeichers 10 muss aktuell unverändert sein, d.h. er wird aktuell nicht benutzt bzw. hat einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor. Der Energiespeicher 10 gehört aktuell nicht der Reservegruppe 100 oder einer anderen Reservegruppe an. Eine zentrale Steuereinrichtung 120 in Form einer Geräte-Managementeinheit kann mit dem Energiespeicher 10 kommunizieren, insbesondere Daten und Steuersignale austauschen. Bei dieser Sekundäranwendung muss der Energiespeicher jedoch nicht mehr einer gemeinsamen Regelzone 300 angehören.
Erfüllt ein verfügbarer Energiespeicher 10 in dem Stromversorgungssystem 200 nicht alle diese Auswahl-Bedingungen, wird er als nicht auswählbar klassifiziert. Der Status des nicht auswählbaren Energiespeichers 10 kann zu einem anderen Zeitpunkt gegebenenfalls geändert werden, wenn er dann alle Auswahl-Bedingungen erfüllt.
Die auswählbaren Energiespeichern 10 werden mit jeweils einem Verfügbarkeitsfaktor V bewertet, der zwischen 0 und 1 liegt.
Die Energiespeicher 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in der Reservegruppe 100 weisen alle einen Verfügbarkeitsfaktor V=1 auf. Der zulässige Verfügbarkeitsfaktor kann auch geringer sein, sofern er über einem vorgegebenen Minimalwert liegt.
Während die Energiespeicher 10g, 10h, 101 außerhalb der Reservegruppe 100 ebenso einen Verfügbarkeitsfaktor V=1 aufweisen, zeigen die Energiespeicher 10i und 10m einen Verfügbarkeitsfaktor V=0,8, die Energiespeicher 10k und 10n einen von V=0,6 und der Energiespeicher 10o einen Verfügbarkeitsfaktor V=0,1 auf.
2 zeigt die Situation, wenn einer der Energiespeicher 10 der Reservegruppe 100, nämlich der Energiespeicher 10f, von einem Verbraucher 50 beaufschlagt wird. Durch dieses Ereignis wird der Verfügbarkeitsfaktor V des Energiespeichers 10f verändert. Beispielsweise ist gerade ein Elektrofahrzeug als Verbraucher 50 zum Aufladen an eine Ladesäule mit einem Energiespeicher 10f angeschlossen worden.
Die Zusammensetzung der Reservegruppe 100 wird daraufhin ereignisbasiert geändert, sofern die elektrische Versorgungsgröße Regelleistung ist. Der Energiespeicher 10f wird aus der Reservegruppe 100 entfernt und stattdessen einer der außerhalb der Reservegruppe 100 befindlichen auswählbaren Energiespeicher 10 in die Reservegruppe 100 aufgenommen. Beispielsweise ersetzt der Energiespeicher 10g den Energiespeicher 10f.
3 zeigt Energiespeicher 10, die mit einer zentralen Steuereinrichtung 120 in Form einer Geräte-Managementeinheit gekoppelt sind. Jeder Energiespeicher 10 weist ein Kommunikationsschnittstelle 130 mit entsprechender Hardware sowie eine Batterie-Steuereinrichtung 132 auf, welche entsprechende Steuerbefehle der Steuereinrichtung 120 umsetzt und/oder Parameter des Energiespeichers 10 liefert, aus denen jeweils der Verfügbarkeitsfaktor V berechnet wird.
Der Verfügbarkeitsfaktor V wird aus mehreren Kriterien der verfügbaren Energiespeicher 10 abgeleitet, die für die auswählbaren Energiespeicher 10 gewichtet und zusammen den Verfügbarkeitsfaktor V ergeben.
Die Kriterien werden in kurzen Zeitabständen, beispielsweise in einem Sekundenraster, bestimmt, während die Bestimmung des Verfügbarkeitsfaktors V in etwas größeren Zeitabständen, beispielsweise viertelstündlich, erfolgen kann.
4 zeigt ein Flussdiagramm mit verschiedenen Verfahrensschritten entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2. In Schritt S100 werden IST-Daten der verfügbaren Energiespeicher 10 erfasst, beispielsweise wird sekündlich die Leistung, der Ladezustand und/oder die Temperatur des Energiespeichers 10 erfasst. Die auswählbaren Energiespeicher 10 unter den verfügbaren Energiespeichern 10 werden identifiziert.
In Schritt S102 wird der Verfügbarkeitsfaktor V jedes auswählbaren Energiespeichers 10 berechnet, insbesondere welche Leistung die auswählbaren Energiespeicher 10 aufnehmen oder abgeben können.
In Schritt S104 werden zunächst rechnerisch eine oder mehrere Reservegruppen 100 aus den verfügbaren Energiespeicher 10 periodisch, beispielsweise viertelstündlich, zusammengestellt. Reservegruppen 100 können nach der möglichen verfügbaren Regelleistung in Primärreserve PRL, Sekundärreserve SRL, Minutenreserve MRL und dergleichen unterteilt werden. Vor Schritt S104 aus erfolgt eine Abfrage in Schritt S106.
In Schritt S106 wird geprüft, ob ein Ereignis bei den ausgewählten, einer Reservegruppe 100 zugeordneten Energiespeichern 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in 1) eine Änderung des jeweiligen Verfügbarkeitsfaktors V verursacht hat. Falls dies der Fall ist (ja im Flussdiagramm), wird der betreffende Energiespeicher 10 (10f in 2) in Schritt S108 durch einen alternativen auswählbaren Energiespeicher 10 (10g in 2) ersetzt und in Schritt S110 die neue Aggregation der Energiespeicher 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10g in 2) in der Reservegruppe 100 festgehalten. Der alternative Energiespeicher 10g, welcher den Energiespeicher 10f mit dem geänderten Verfügbarkeitsfaktor V ersetzt, erhält ein Steuersignal von der Steuereinrichtung 120, dass er für die Reservegruppe 100 aktiv geschaltet ist, und der ersetzte Energiespeicher 10f erhält ein Steuersignal, dass er für die Reservegruppe 10 deaktiv geschaltet ist.
In Schritt S112 werden bei vorliegendem Bedarf die in der betreffenden Reservegruppe 100 aggregierten Energiespeicher 10 so zusammengeschaltet, dass die Regelleistung abrufbar ist und die Reservegruppe 100 in der vorgegebenen Zeit die verfügbare Regelleistung abgeben oder aufnehmen kann.
Auch von Schritt S112 aus erfolgt eine Abfrage nach Schritt S106, ob ein Ereignis bei den ausgewählten, einer Reservegruppe 100 zugeordneten Energiespeichern 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in 1) eine Änderung des jeweiligen Verfügbarkeitsfaktors V verursacht hat. Ist dies der Fall, erfolgt ein Austausch des betreffenden Energiespeichers 10 (10f in 2) gegen einen alternativen Energiespeicher 10 (10g in 2), wie vorstehend beschrieben.
In Schritt S114 sind die Energiespeicher 10 in der Reservegruppe 100 entsprechend bereitgestellt und von der Steuereinrichtung 120 zur Aufnahme oder Abgabe von Regelleistung der Reservegruppe 100 ansteuerbar, wobei je nach Bedarf verschiedene Reservearten PRL, SPL, MRL von der Reservegruppe 100 zur Verfügung gestellt werden können.
5 zeigt ein Flussdiagramm mit verschiedenen Verfahrensschritten entsprechend einem Ausführungsbeispiel, bei dem Energiespeicher 10 keine Regelleistung, sondern als elektrische Versorgungsgröße Energie bezogen auf eine Zeiteinheit bereitstellen. Diese Energie kann auf einem Handelsmarkt A, B, C, D, E verkauft werden.
Das Verfahren läuft ganz ähnlich zum dem für Regelleistung in 4 ab.
In Schritt S200 werden IST-Daten der verfügbaren Energiespeicher 10 erfasst, beispielsweise wird sekündlich die Leistung, der Ladezustand und/oder die Temperatur des Energiespeichers 10 erfasst. Die auswählbaren Energiespeicher 10 unter den verfügbaren Energiespeichern 10 werden identifiziert.
In Schritt S202 wird der Verfügbarkeitsfaktor V jedes auswählbaren Energiespeichers 10 berechnet, insbesondere welche Leistung die auswählbaren Energiespeicher 10 aufnehmen oder abgeben können.
In Schritt S204 werden zunächst rechnerisch eine oder mehrere Reservegruppen 100 aus den verfügbaren Energiespeicher 10 periodisch, beispielsweise viertelstündlich, zusammengestellt. Vor Schritt S204 aus erfolgt eine Abfrage in Schritt S206.
In Schritt S206 wird geprüft, ob ein Ereignis bei den ausgewählten, einer Reservegruppe 100 zugeordneten Energiespeichern 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in 1) eine Änderung des jeweiligen Verfügbarkeitsfaktors V verursacht hat und der Verfügbarkeitsfaktor V als Folge nicht mehr zulässig ist. Falls dies der Fall ist (ja im Flussdiagramm), wird in Schritt S208 geprüft, ob der Arbeitspunkt des betreffenden Energiespeichers 10 oder von anderen in der Reservegruppe 100 geändert werden kann und in Schritt S210 der Arbeitspunkt des betreffenden Energiespeichers 10 und/oder anderer in der Reservegruppe 100 eingestellt.
In Schritt S212 werden bei vorliegendem Bedarf die in der betreffenden Reservegruppe 100 aggregierten Energiespeicher 10 so zusammengeschaltet, dass die Energie abrufbar ist und die Reservegruppe 100 in der vorgegebenen Zeit die verfügbare Energie bezogen auf die Zeiteinheit abgeben oder aufnehmen kann.
Auch von Schritt S212 aus erfolgt eine Abfrage nach Schritt S206, ob ein Ereignis bei den ausgewählten, einer Reservegruppe 100 zugeordneten Energiespeichern 10 (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f in 1) eine Änderung des jeweiligen Verfügbarkeitsfaktors V und der Verfügbarkeitsfaktor nicht mehr zulässig ist. Ist dies der Fall, erfolgt ein Anpassen des Arbeitspunktes einer oder mehrerer Energiespeicher 10, wie vorstehend beschrieben.
Optional ist es jedoch auch möglich, gegebenenfalls den betreffenden Energiespeicher entsprechend wie in 4 gegen einen alternativen Energiespeicher auszutauschen.
In Schritt S214 sind die Energiespeicher 10 in der Reservegruppe 100 entsprechend bereitgestellt und von der Steuereinrichtung 120 zur Aufnahme oder Abgabe von elektrischer Energie der Reservegruppe 100 ansteuerbar, wobei je nach Bedarf, beispielsweise abhängig von einem prognostizierten erzielbaren Preis für die elektrische Energie auf verschiedenen Handelsmärkten, von der Reservegruppe 100 zur Verfügung gestellt werden können.
Dabei steht A für eine Intraday-Auktion am Spot-Markt, B für einen Indraday-Handel am Spot- Markt, C für eine Day-Ahead-Auktion am Spot- Markt, D für eine Day-Ahead-Auktion auf dem EXAA-Marktplatz und E für so genannte OTC-Geschäfte.
Die Vermarktung erfolgt hierbei kaskadenartig, d.h. es erfolgt im Vorfeld eine Prognose der zu erwartenden Erlöse aus den jeweiligen Vermarktungsmöglichkeiten (Regelleistung, Day-Ahead, Intraday (OTC, Spot). An welchen Markt dann welche Reservegruppe angeboten wird, entscheidet ein Algorithmus (Erlöse-Maximierung) kurz vor den jeweiligen Angebots-Abgabefristen. Sollte ein Zuschlag zu den geforderten Mindestkosten- oder Mindest-Angebots-Preisen nicht erfolgen, wird die Reservegruppe 100 dann, gegebenenfalls auch untertägig, an einem anderen Markt angeboten bzw. vermarktet. Durch die Kurzfristigkeit der Änderung der Zusammensetzung der Reservegruppe 100 kann in jedem Fall auch untertägig jederzeit entschieden werden, eine freie elektrische Versorgungsgröße an einem anderen als dem bereits bezuschlagten Markt zu vermarkten.
Zur Bestimmung des Verfügbarkeitsfaktors V eines Energiespeichers zeigen die 6 bis 9 beispielhaft einige Kriterien zur Ableitung eines Verfügbarkeitsfaktors V eines Energiespeichers 10, beispielsweise einer Speicherbatterie.
6 zeigt den Verlauf eines Nutzwerts N eines Arbeitspunkt eines Energiespeichers 10 über einem Ladezustand in relativen Einheiten.
Eine Nutzwertanalyse errechnet anhand des Ladezustandes und dem Verhältnis der nutzbaren Speicherkapazität zur präqualifizierten Regelleistung PQRL den Nutzwert N. Den besten Nutzwert N im Falle einer Speicherbatterie als Energiespeicher 10 hat eine Speicherbatterie mit einem Ladezustand von 50%. Je näher der Arbeitspunkt an den Grenzwerten liegt, desto geringer ist der Nutzwert N. Beispielsweise sind die Grenzwerte ±0.25 × PQRL.
E_N ist die Speicherkapazität des Energiespeichers 10, PQRL die präqualifizierte Regelleistung, und AP der aktuelle Arbeitspunkt des Energiespeichers 10. Bei Regelleistung wird üblicherweise nur die maximale Leistung des Anschlusses bzw. des Energiespeichers/des Wechselrichters betrachtet, da diese für die Vermarktung wesentlich ist, abzüglich der Leistung, die für ein Nachlademanagement notwendig ist. Die Speicherkapazität ist nur relevant im Sinne der Begrenztheit der Leistungserbringung. Die präqualifizierte Regelleistung bezieht sich immer auf die maximale Leistung und ist begrenzt entweder durch einen vorgegebenen Faktor (präqualifizierte) Leistung zu Kapazität des Energiespeichers oder durch Anschlussleistung/Wechselrichter.
Beispielsweise kann sich bei einem Energiespeicher 10, der Regelleistung sowohl abgeben wie aufnehmen kann, ein parabolischer Verlauf ergeben mit $N (AP) = a \cdot {AP}^{2} + b \cdot AP + c$
mit den Koeffizienten a, b, c $\begin{matrix} a = \frac{- 1}{{(\frac{PQRL}{4} - \frac{E_{N}}{2})}^{2}} \\ b = - a \cdot E_{N} \\ c = 1 + a \cdot \frac{E_{N}^{2}}{4} \end{matrix}$
Der Nutzwert N für diesen Parameter ist bei einer Verwendung für Regelleistung als elektrischer Versorgungsgröße maximal, wenn der Ladezustand bei 50% liegt. Für andere Arten der Vermarktung, insbesondere für elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit beispielsweise an Handelsmärkten, kann der Verlauf der Kurve anders ausfallen.
7 zeigt einen Verlauf eines Nutzwerts N einer Ereignis-Prognose eines Energiespeichers 10 über der Zeit t in Stunden.
Die Prognose gibt an, zu welchem Zeitpunkt ein Ereignis an der Ladestation mit dem Energiespeicher 10 stattfinden soll. Zum Zeitpunkt t₀ wird die Nutzwertanalyse gestartet. Der Nutzwert N errechnet sich durch das prognostizierte Ereignis in der Zukunft.
Je höher die Differenz vom Ereigniszeitpunkt zu to, desto höher ist der Nutzwert N dieses Energiespeichers 10.
Ist PE die Prognose eines Ereignisses und c eine Stauchung, ergibt sich beispielhaft ein Verlauf des Nutzwerts N $N (PE) = 1 - e^{c \cdot PE}$
8 zeigt einen Verlauf eines Nutzwerts N eines Prognose-Alters eines Energiespeichers 10 über der Zeit t in Stunden.
Bei diesem Kriterium wird der Nutzwert N für das Alter der Prognose errechnet. Je älter die Prognose für die Ladestation mit dem Energiespeicher 10, desto geringer der Nutzwert N.
Ist PA das Alter der Prognose, ergibt sich beispielsweise $f (PE) = \frac{- 1}{25^{2}} {PA}^{2} + 1$
9 zeigt den Verlauf eines Nutzwerts N für die typische Dauer zwischen zwei Ereignissen einer Primärnutzung eines Energiespeichers 10, beispielsweise Schnell-Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen an dem Energiespeicher 10 über der Zeit t in Stunden. Dabei bezeichnet t1 das Ende des letzten Ladevorgangs, t3 ergibt sich aus t1 plus der durchschnittlichen Dauer zwischen zwei Ladevorgängen seit Inbetriebnahme der Ladestation (des Energiespeichers). t2 ist definiert als t0 plus der Zeit, die benötigt wird, bis der Ladezustand des Energiespeichers wieder EN/2 beträgt.
Der Verlauf zwischen t2 und t3 ergibt sich aus der Fermi-Dirac-Statistik.
Die so gewonnenen Nutzwerte N werden gewichtet und der Verfügbarkeitsfaktor V mit 0≤V≤1 jedes auswählbaren Energiespeichers 10 bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017162910 [0002]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße in einem elektrischen Versorgungssystem (200) mit einer Mehrzahl von Energiespeichern (10), insbesondere zum Bereitstellen von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung, wobei die elektrische Versorgungsgröße mit einer Sollwert abrufbar bereitgehalten wird, gekennzeichnet durch (i) Bewerten einer Vielzahl von Energiespeichern (10) mit jeweils einem Verfügbarkeitsfaktor (V); (ii) Aggregation von Energiespeichern (10) in einer Reservegruppe (100) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe des Sollwerts der elektrischen Versorgungsgröße der Reservegruppe (100); (iii) ereignisorientiertes Ändern der Zusammenstellung der Reservegruppe (100) und/oder von Soll-Arbeitspunkten der Energiespeicher (10) innerhalb der Reservegruppe (100), wenn ein Ereignis auftritt, das den Verfügbarkeitsfaktor (V), an wenigstens einem der aggregierten Energiespeicher (10) verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Versorgungssystem (200) verfügbaren Energiespeicher (10) unterteilt werden in auswählbare Energiespeicher (10) und nicht auswählbare Energiespeicher (10), wobei die nicht auswählbaren Energiespeicher (10) einen Verfügungsfaktor (V) von Null aufweisen und die auswählbaren Energiespeicher (10) einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor (V) aufweisen, der oberhalb eines vorgegebenen Minimalwerts der Verfügbarkeitsfaktoren (V) liegt, insbesondere wobei eine Bewertung der nicht auswählbaren Energiespeicher (10) mit einem Verfügbarkeitsfaktor (V) zumindest temporär unterbleibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Versorgungssystem (200) auswählbaren Energiespeicher (10) mindestens folgende Auswahl-Bedingungen erfüllen: (i) der Energiespeicher (10) gehört der gemeinsamen Regelzone (300) an, sofern die elektrische Versorgungsgröße eine Regelleistung darstellt; (ii) der Energiespeicher (10) verfügt über einen zulässigen Verfügbarkeitsfaktor (V); (iii) der Energiespeicher (10) gehört aktuell nicht der Reservegruppe (100) oder einer anderen Reservegruppe an; (iv) eine externe Steuereinrichtung (120) kann mit dem Energiespeicher (10) kommunizieren, insbesondere Daten und Steuersignale austauschen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch Entfernen von einem oder mehreren Energiespeichern (10f) aus der Reservegruppe (100), welche nach der Aggregation eine oder mehrere der Auswahl-Bedingungen nicht mehr erfüllen, und Hinzufügen von einem oder mehreren auswählbaren Energiespeichern (10g), in die Reservegruppe (100), oder Ändern der Soll-Arbeitspunkte von einem oder mehreren Energiespeichern (10) in der Reservegruppe (100), insbesondere falls elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit als elektrische Versorgungsgröße bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfügbarkeitsfaktor (V) der auswählbaren Energiespeicher (10) aus mehreren Kriterien abgeleitet wird, wobei die Kriterien wenigstens umfassen: (i) einen Arbeitspunkt des jeweiligen Energiespeichers (10), wobei der Arbeitspunkt insbesondere umfasst Zustand und/oder Ladezustand und/oder Lade- und/oder Entladeleistung und/oder Temperatur des Energiespeichers (10); (ii) eine Ereignis-Prognose der Wahrscheinlichkeit, dass der Ladezustand des jeweiligen Energiespeichers (10) in einem vorgegebenen Zeitraum geändert, insbesondere verringert, werden wird; (iii) einen ersten Nutzwert abgeleitet aus einem Prognose-Alter der Ereignis-Prognose; und (iv) einen zweiten Nutzwert abgeleitet aus einem zeitlichen Ereignis-Abstand zwischen zwei Ereignissen, bei denen sich der Ladezustand des jeweiligen Energiespeichers (10) ändert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriterien gewichtet werden und aus den gewichteten Kriterien der Verfügbarkeitsfaktor (V) jedes auswählbaren Energiespeichers (10) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kriterien an den verfügbaren Energiespeichern (10) kontinuierlich oder in engem Zeitraster, insbesondere in einem Minutenraster oder einem Sekundenraster, ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt des jeweiligen auswählbaren Energiespeichers (10) aus einem Nutzwert des Energiespeichers (10) abgeleitet wird, insbesondere der aus einem Ladezustand und einem Verhältnis einer nutzbaren Speicherkapazität zu einem Sollwert der elektrischen Versorgungsgröße abgeleitet wird, insbesondere wobei der Arbeitspunkt zwischen einer minimalen und einem maximalen Sollwert der elektrischen Versorgungsgröße liegt, und/oder dass ein Nutzwert bestimmt wird, der einen Abstand eines Beginns (t_0) der Nutzwertanalyse zum prognostizierten Ereignis bewertet, insbesondere dass der Nutzwert mit zunehmendem Abstand vom Beginn (t_0) der Nutzwertanalyse zunimmt, und/oder dass das Prognose-Alter der Ereignis-Prognose bestimmt wird, insbesondere wobei der Nutzwert mit dem Alter der Prognose abnimmt, und/oder dass der Ereignis-Abstand zwischen zwei Entladevorgängen des Energiespeichers (10) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfügbarkeitsfaktoren (V) der Energiespeicher (10) periodisch erzeugt werden, insbesondere in einem Minutenraster, vorzugsweise in einem Viertelstundenraster, oder dass die Verfügbarkeitsfaktoren (V) der Energiespeicher (10) bei Bedarf erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Reservegruppe (100) aggregierten Energiespeicher (10) sowohl Energie aufnehmen wie auch abgeben können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energiespeicher (10) in unterschiedlichen Reservegruppen (100) aggregiert werden, die als elektrische Versorgungsgröße Regelleistung bereitstellen, die in unterschiedlichen Zeiträumen verfügbar ist, insbesondere Primärreserve innerhalb von Sekunden, Sekundärreserve innerhalb von wenigen Minuten (5min), Minutenreserve innerhalb einer Viertelstunde und/oder dass Energiespeicher (10) in Reservegruppen (100) aggregiert werden, die als elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit bereitstellen, die in unterschiedlichen Zeiträumen verfügbar ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsgröße, insbesondere von elektrischer Energie bezogen auf eine Zeiteinheit oder von elektrischer Regelleistung in einem elektrischen Versorgungssystem (200), in dem eine Mehrzahl von Energiespeichern (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (i) auswählbare Energiespeichern (10) elektrisch zu einer Reservegruppe (100) aggregierbar sind bis zum Erreichen einer vorgegebenen Größe des Sollwerts der elektrischen Versorgungsgröße der Reservegruppe (100), (ii) abhängig vom Auftreten eines Ereignisses an wenigstens einem der aggregierten Energiespeichern (10), das dessen Verfügbarkeitsfaktors (V) verändert, der betreffenden Energiespeicher (10f) aus der Reservegruppe (100) entfernbar ist und ein alternativer Energiespeicher (10) in die Reservegruppe (100) aggregierbar ist, insbesondere falls die elektrische Versorgungsgröße Regelleistung ist; oder dass der Soll-Arbeitspunkt von einem oder mehreren Energiespeichern (10) in der Reservegruppe (100) änderbar ist, insbesondere falls die elektrische Versorgungsgröße elektrische Energie bezogen auf eine Zeiteinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auswählbare Energiespeicher (10) jeweils eine Kommunikationsschnittstelle (130) zur Kommunikation mit einer Steuereinrichtung (120) aufweisen, sowie eine Energiespeicher-Steuereinheit (132), welche über die Kommunikationsschnittstelle (130) erhaltene Steuerbefehle umsetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Energiespeicher (10) eine oder mehrere Batterien umfasst, insbesondere wobei ein oder mehrere Speicherbatterien an Ladesäulen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Energiespeicher (10) eine oder mehrere Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen umfasst.