EnergyVille. Onderzoek naar duurzame energie en slimme energiesystemen

Transcriptie

1 Onderzoek naar duurzame energie en slimme energiesystemen

2 Megatrends Verweven energievectoren Prosumers in de bebouwde omgeving Meer elektrificactie Thermische verwarming voor toekomstig comfort Competitieve hernieuwbare energie Energiesysteem in Transitie Disruptieve opslagtechnologie Gelijkstroom (DC) Bulk & Nanogrid Meer intermittentie en flexibiliteit Internet of Power Ontbundelen: nieuwe diensten & marktmodellen

3 EnergyVille Grote energieconsumenten Grootschalig product PRIJS, PRIJS, PRIJS en betrouwbaarheid Elektriciteit en gas zijn producten Basis in Europa Diensten voor kleine consumenten Energiebron: kan hen niet schelen Comfort en welzijn KMO/MKB: gebruiksgemak Lokale basis (Vlaanderen, ) 3

4 Grote energieconsumenten Energie: een van de belangrijkste kostenposten Hoofdzakelijk elektriciteit en/of gas Interne conversie (WKK) Flexibiliteit bij sommige maakprocessen wordt herkend Flexibiliteit kan veel breder toegepast worden (bv. bij elektrische stoomopwekking) Bronnen: Over heel Europa voor elektriciteit, wereldwijd voor gas Meestal internationale contracten Interne competitie (wereldwijd en Europees verschillende sites): de energieprijs is een keuze 4

5 Kleine energieconsumenten Thuis: gas, verwarming, elektriciteit KMO/MKB: productie Kantoorgebouwen Specifieke gebouwen (ziekenhuizen, scholen ) Eigendom is het kritische punt 5

6 Energie-efficiëntie: is dat DE kwestie? Comfort of efficiëntie Wat als de marginale kost nul wordt? Capex versus Opex Flexibiliteit kan energieverlies veroorzaken (gekoelde magazijnen) Energiekwaliteit: lagetemperatuurverwarming versus elektriciteit Verhoogde efficiëntie, minder flexibiliteit 6

7 Consument staat centraal Energiesysteem Strategie en Markt Energienetwerken Energieopslag Gebouwen en wijken Componenten en materialen 7

8 Minder energie Meer elektriciteit Slimme warmte Verbeterde isolatie: elektrische verwarming meer mogelijkheden voor hernieuwbare energiebronnen Warmtepompen combineren groene elektriciteit met groene verwarming Geavanceerde thermische netten (4 de generatie) Hernieuwbare bronnen: drager is meestal elektriciteit Transport Gasvraag daalt 8

9 Het einde van kwh als eenheid op energiefactuur 30 % (energie)kost grondstof 40 % elektriciteitsnetwerk 30 % heffingen Alleen wat betreft grondstof is kwh interessant Netwerk: capaciteit Heffingen: beleid Grondstof is marginale kost, en evolueert naar nul Capaciteit voor netwerkdiensten Lokale opwekking/opslag: is loskoppelen haalbaar? Verzekeringscontracten 9

10 De wereld verandert Europa: MINDER CO2- EMMISSIES vs

11 De wereld verandert Europa: MINDER CO2- EMMISSIES vs MEER HERNIEUWBARE ENERGIECONSUMPTIE vs

12 De wereld verandert Europa: MINDER CO2- EMISSIES vs MEER HERNIEUWBARE ENERGIECONSUMPTIE vs MINDER ENERGIECONSUMPTIE VAN PRIMAIRE BRONNEN t.o.v. ONGEWIJZIGD BELEID 12

13 De wereld verandert: Europa: Tegen het jaar MINDER CO2- EMISSIES vs MEER HERNIEUWBARE ENERGIECONSUMPTIE vs MINDER ENERGIECONSUMPTIE VAN PRIMAIRE BRONNEN tov ONGEWIJZIGD BELEID 13

14 Trends Grootschalige integratie van hernieuwbare energiebronnen Grootschalige integratie van gedistribueerde energiebronnen Evolutie naar slimme netwerken 14

15 Uitdagingen!!!!!!!!!! Vraag stuurt opwekking Stroom in twee richtingen Opwekking stuurt vraag Techno-economische puzzel: gecoördineerde gridacties met alle spelers betrokken 15

16 Slimme huizen vanuit welk perspectief? Automatiseren van de woning Slimme Verlichting bouwtechnieken (BEN) Veiligheid Isolatie Multimedia Ventilatie Slimme warmtepomp Warmtepomp Zonnepanelen Natuurlijk licht / zonnewering Slimme huishoudtoestellen Laden elektrische voertuigen Slimme energiesystemen 16

17 jan/13 feb/13 mrt/13 apr/13 mei/13 jun/13 jul/13 aug/13 sep/13 okt/13 nov/13 dec/13 jan/14 feb/14 mrt/14 apr/14 mei/14 jun/14 jul/14 aug/14 sep/14 okt/14 nov/14 dec/14 kwh EnergyVille (Bijna) energieneutrale gebouwen En de realiteit van energiemarkten Isolatie Ventilatie Warmtepompen + PV ? consumption Nucleair wordt afgebouwd tegen 2025 Momenteel geen investeringen in gascentrales Biomassa: 200M /jaar subsidies voor centrale van 400 MW PV 17

18 Jouw huis, een intelligente energiecluster Investeringen ROI (financieel)? Reduceer CONNECTIECAPACITEIT, terwijl de totale elektriciteitsconsumptie toeneemt Gerust zijn (verzekering)? Back-up = OPSLAG VERWARMING + DC (LED, multimedia, mobiliteit, ) Tijdsmanagement (comfort)? GEAUTOMATISEERDE SYSTEMEN klimaatcontrole, kostbesparingen, ToU-prijzen 18

19 Flexibiliteit is de sleutel een opportuniteit! Flexibiliteit in de consumptie Verschuifbare vraag Flexibiliteit in de productie Flexibele opwekking Opslag Elektriciteit Warmte 19

20 Consumptieflexibiliteit: vraagsturing flexibele last Wanneer grote hoeveelheden hernieuwbare energie geïnjecteerd worden, kan het grid overbelast worden Dit kan opgelost worden door extra vraag te activeren Citaat (Art. 15.8) uit de energie-efficiëntierichtlijn van de Europese Commissie (2012/27/EU): Deelstaten zullen toegang tot en deelname aan vraagsturing aanmoedigen, ter ondersteuning van netbalancering, reserves en andere markten met systeemdiensten. 20

21 Bronnen van consumptieflexibiliteit Residentieel kmo/mkb & gebouwen Grote industrie 21

22 Flexibiliteit is de sleutel een opportuniteit! Flexibiliteit in de consumptie Verschuifbare vraag Flexibiliteit in de productie Flexibele opwekking Opslag Elektriciteit Warmte 22

23 Batterijen Positief Schaalbaarheid Efficiëntie Energiedichtheid Massaproductie Snel dalende kosten voor batterijpakketten in elektrische voertuigen Björn Nykvist and Måns Nilsson, Nature Climate Change,

24 Flexibiliteit is de sleutel een opportuniteit! Flexibiliteit in de consumptie Verschuifbare vraag Flexibiliteit in de productie Flexibele opwekking Opslag Elektriciteit Warmte 24

25 Back to the future: Gedecentraliseerde toevoer Opslag Gedistribueerde opwekking Flexibele vraag MICROGRID 25

26 Waarom zou flexibiliteit nu wel werken? We zagen al: Actieve vraagsturing Gedecentraliseerde systemen Elektrische voertuigen 26

27 Waarom zou flexibiliteit nu wel werken? Alle toestellen Communiceren Met elkaar Delen informatie Grotere efficiëntie Automatisering Veiligheid Comfort 27

28 Vlaamse onderzoekssamenwerking door: VITO Energietechnologie Duurzame steden KU Leuven Electa Bouwfysica Mechanica imec Fotovoltaïsch onderzoek 28

29 Vlaamse onderzoekssamenwerking EnergyVille 29

30 EnergyVille Expertise in duurzame energie en intelligente energiesystemen in de bebouwde omgeving Onderzoek Ontwikkeling Training Industriële Innovatie Voor: Industrie Openbare diensten Met: Lokale partners Regionale partners Internationale partners 30

31 EnergyVille in cijfers Werknemers >700 >6000 >3400 Omzet (Meuro) PhD s 70 > Werknemers 200 Omzet (Meuro) 34 PhD s 95 31

32 Sommige van onze wereldwijde O&O-partners Distributie- en transmissienetbeheerders Fabrikanten van componenten voor slimme netten Hernieuwbare energieproducenten Frabikanten van apparatuur Aanbieders van materialen Lam RESEARCH En zo n 100 meer 32

33 Onze thuisbasis m² vloeroppervlak 5.000m² labo-infrastructuur 200 bureaus Parkeerplaatsen voor elektrische voertuigen Label: BREEAM excellence PROEFTUIN en bij uitbreiding regelluwe zone 33

34 Labo s Batterijtestlabo Home Lab Smart Grid Infrastructure Lab Thermotechnisch labo Medium Voltage Lab PV Metrology Lab Matrixlabo 34

35 Het verhaal gaat voort: EnergyVille II Interne oppervlakte: 4.900m² vloeroppervlak 2.000m² laboruimte 2.900m² kantoren Planning: April 2016: bouwvergunning Augustus 2016: start constructie December 2017: constructie klaar April 2018: technische installatie klaar 35

36 Ingebed in een eco-systeem 36

37 Roadmaps Thema s EnergyVille O&O thema s en roadmaps Strategie & markten Energienetwerken Gebouwen & wijken Opslag Materialen & Componenten Interoperabele flexibele handelsplatformen voor energiediensten en grids Energiemonitoring en -beleid Energiescenario s en strategieën Beslissingsadvies voor netbeheerders Hoogspanningsnetten op gelijkstroom (HVDC) Warmtenetwerken van de 4 de generatie Micro- en nanogrids op gelijkstroom (DC) Design van energiedistricten Innovatieve gebouwconcepten Batterijmanagementtechnologieën Nieuwe technologie voor kortetermijnopslag Langetermijnopslag Thermische opslag Hoog-efficiënte en esthetische fotovoltaïsche modules en panelen GaN en passives voor vermogenselektronica Energieconversietechnologie 37

38 Strategie & Markten 38

39 Strategie en markten Interoperabele flexibele handelsplatformen voor energiediensten en grids Energiemonitoring en -beleid Energiescenario s en strategieën 39

40 Interoperabele flexibele handelsplatformen Voor energiediensten en -grids Nieuwe concepten voor elektriciteitsmarkten Interoperabiliteit Communicatie IT Virtuele Energiecentrales Energiesysteemanalyses Proeftuinen 40

41 Energiemonitoring en beleid Energiescenario s Voorspellingen van het toekomstige energiesysteem, rekening houdend met huidige en/of nieuwe beleidsmaatregelen Techno-economische scenario s om naar een groot aandeel hernieuwbare bronnen in de mix te evolueren De rol van de verschillende stakeholders en sectoren in de energietransitie Marktintroductie van nieuwe energietechnologieën Energiebeleid Impact van beleidsmaatregelen op hernieuwbare energie en energie-efficiëntie De optimale integratie van hernieuwbare energie in dichtbevolkte stedelijke gebieden 41

42 II000III00II0IIIII0III00II000III0IIIII000IIIIIIIIIII000I0I0I000III00II000III0IIIII000IIIIIIIIIII000II000 III00II0IIIII0III00II000III0IIIII000IIIIIIIIIII000I0I0I000III00II000III0IIIII000IIIIIIIIIII EnergyVille Energie als dienst in een multi-commodity-systeem Diensten ICT Grids Verlichting Multimedia DC wind pv batterijen Laden EV Koken Wassen AC omvormer Batterijlader HP Verwarmen HCG Koelen Douchen gas WKK boiler warmterecup opslag PCM geothermisch 42

43 EnergyVille ict-platform adapthor Gebouwmanagementsystemen Marktinformatie Intelligente systemen Submetering Sensordata Batterijen Controlestrategieë n Analyse en rapporteren meteo Modellen Laboopstellingen Project x Project y Project z hosting experiments Simulaties 43

44 Energienetwerken 44

45 Energienetwerken Beslissingsadvies voor netbeheerders Hoogspanningsnetten op gelijkstroom (HVDC) Warmtenetwerken van de 4 de generatie Micro- en nanogrids op gelijkstroom (DC) 45

46 Beslissingsadvies voor netbeheerders Gridinvesteringen Engagement voor productieeenheid Nieuwe operationele opstellingen voor systemen Naleving gridcode Controle van hernieuwbare bronnen voor deelname aan ancillary diensten Systeembetrouwbaarheid bij grotere onzekerheid behouden 46

47 Hoogspanningsnetten op gelijkstroom (HVDC) Nieuwe revival Toegevoegde controleerbaarheid in het energiesysteem Offshore gridontwikkeling Ondergrondse lange-afstandsconnecties Naar een HVDC-supergrid 47

48 Warmtenetwerken van de vierde generatie 48

49 Micro- en nanogrids op gelijkstroom (DC) Kleine, efficiënte en betrouwbare DC/DComvormers Geoptimaliseerde architectuur en gridcontrole voor DC Veiligheid, betrouwbaarheid en bescherming van DC-grids Interconnectie met het AC-grid 49

50 Gebouwen & Wijken 50

51 Gebouwen & wijken Design van energiedistricten 51

52 Design van energiedistricten Figure Overzichtstekening van de onderzochte context: residentiële lage-energiewoningen op basis van warmtepompen, verbonden met het distributienet op laagspanning Gridverbonden, dus inter- en intraconnected Verwarmingssyteem o.b.v. warmtepompen Fotovoltaïsch systeem On externalities of heat-pump based low-energy dwellings at the low-voltage distribution grid, R. Baetens,

53 Opslag 53

54 Opslag Batterijmanagementtechnologie Nieuwe technologie voor kortetermijnopslag Langetermijnopslag Thermische opslag 54

55 Batterijmanagementtechnologie Batterijmodellering Gepatenteerde technologie voor batterijmanagementsystemen Gridconnectie: energieomzetting en omschakeling Testen, evalueren en dimensionering van opslagsystemen Energiemanagement 55

56 Nieuwe technologie voor kortetermijnopslag Ontwikkeling van kerntechnologie en systemen voor thinfilm-batterijen en composietbatterijen De elektronische en ionische geleidingsproblemen aanpakken via architectuur en materiaal Thin-film batterijen (Wh-level) Composietbatterijen (kwh-level) Ultrasnel ladende en modulaire batterijen voor IoT, wearables en electronica waarbij de ruimte en batterijcapaciteit beperkt is Hoogenergiebatterijen voor locale opslag en transport waarbij veiligheid en duurzaamheid belangrijk zijn 56

57 Langetermijnopslag Database van opslagfaciliteiten (bestaand en nieuw) Batterijen, pompcentrales, LNG,.. Modellering energiesysteem van EU28 Kostefficiënt gebruik van opslagscenario s bepalen 57

58 Thermische opslag Thermisch geactiveerde gebouwsystemen (TABS) State-of-Charge-definitie (SoC), gebaseerd op een minimaal aantal statussen (minimaal aantal sensoren) Optimaal gebruik van de capaciteit aan energieopslag, door modelvoorspellende controle 58

59 Materialen en Componenten 59

60 Materialen en componenten Hoogefficiënte en esthetische fotovoltaïsche modules en panelen GaN en passives voor vermogenselektronica Energieconversietechnologie 60

61 Hoogefficiënte & esthetische PV-modules Stimuli om fotovoltaïsche cellen in gebouwen te integreren: Grote vrijwel energieneutrale gebouwen mogelijke markt 10 x GW/jaar Esthetica Lagere algemene kost: gebouw + PV 61

62 Hoogefficiënte en esthetische PV-modules Demo s en eigenschappen Back-contact (MWT) Si-PVmodules Dak & dakpan Verbeterde esthetica Hogere efficiëntie Cost-effectieve Si-PV 62

63 GaN en passives voor vermogenselektronica Gebaseerd op Gallium Nitride (GaN) High-electron-mobility transistor (HEMT) Wide-bandgap : higher-energy electronic band gaps Heterostructure structure: field-effect transistor with junction between materials with different gaps Device manufacturers and developers 63

64 GaN en passives voor vermogenselektronica DC-belasting : electronica, LED, elektrische voertuigen Voordelen: Zone Materiële kost Betrouwbaarheid Conversieomzetting Groeiende interesse vanuit de industrie DC/DC micro-converter (~ 300W) DC bus (+380V/-380V) Storage GRID DC/AC bidirectional inverter with grid support 64

65 Energieconversietechnologie Onderzoeksfocus Geoptimaliseerd design van ORC/WP met grotere (elektrische en thermische) efficiëntie Karakterisering van dynamisch gedrag om de interactie met het thermisch netwerk te verbeteren 65

66 Samenwerking met industrie Mogelijkheden tot samenwerking Contractonderzoek Technologietransfer Spin-off Gemeenschappelijk O&O-project Open innovatie Samenwerking in een openbaar gefinancierd project Acad. Leerstoel Technologieconcept Basisprincipe Proof of Concept Validering in relevante omgeving Validering in labo Demo Systeem compleet & gekwalificeerd Operationele demo Succesvolle uitvoering Technology Readiness Level 66

67 Innovatieketen 67

68 Meer info?