Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst

Transcriptie

1 Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst Prof. dr. ir. Jan Desmet Hoogleraar - Manager Lemcko Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 1

2 PV-Vermogen [MW] Inleiding 3000 PV installaties in België Stijgende implementatie van DP (zon, wind, ) Jaarlijkse groei [MW] Gecumuleerd vermogen [MW] Prognose Totaal volgens prognose Zon en wind hebben variabel opbrengstprofiel Voor Jaartal Oplossing voor onvoorspelbaarheid = opslag, balancing Bron: Rapport 2015/1 Vlaams energieagentschap VREG Evolutie van het aantal PV installaties Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 2

3 Inleiding PV-installaties vormen (over)belasting voor distributienet Huidige LS - netten zijn ontworpen voor hoofzakelijk afname Gelijktijdigheid afname: 0,25 à 0,3 voor LS-klanten Gelijktijdigheid productie in feeder: ± 1 Injectie PV-installaties in LS vooral éénfasig! Respecteren limieten EN Spanning [V] Afstand van de transformator [m] Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/ kw injectie einde feeder 5 kw begin, 5 kw midden, 5 kw einde

4 Vermogensmanagement OLTC (On load tap changer) Aanpassing spanningsniveau transformator afhankelijk van hoeveelheid geïnjecteerd en afgenomen vermogen Huidige transformatoren hebben tussenaftakkingen, maar kunnen enkel bijgesteld worden als ze belastingvrij zijn (Off Circuit Tap Changers -OCTC) DSM Groot potentieel zowel residentieel als industrieel om piekbelasting te verlagen Residentieel is vooral toekomstgericht, maar onzeker, consument belangrijke spil Opslag Integratie mogelijk op vandaag! Inleiding Prosumenten hebben kant en klaar systeem zonder actief bij te sturen van hun kant Injectieprofiel woning 18-4 kw Injectieprofiel woning 2-2,5 kw Injectieprofiel woning 1-3,8 kw Injectieprofiel woning 18-4 kw Injectieprofiel woning 2-2,5 kw Injectieprofiel woning 1-3,8 kw Spanning [V] Spanning [V] Tijd [Uren] Duur [Uren] Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 4

5 Net-interactieve Systemen AC model 1 AC model 2 DC model Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 5

6 Net-interactieve Systemen Keuze van het model AC-systeem + Bestaand PV-systeem eenvoudig uit te breiden + AC 1: Geen productieverlies bij stroomonderbreking + AC 2: Geen beperking op vermogen van PV - Rendement lager: Opslaan: 66% - Direct verbruik: 96% DC-systeem + Beste rendement: Opslaan: 71% - Direct verbruik: 88% + Geen productieverlies bij stroomonderbreking + Goedkoper - Toepasbaar op bestaande PV mits aanschaf DC/DC omvormer - Beperking op vermogen van PV Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 6

7 Net-interactieve Omvormer Componenten PV-omvormer Klassieke PV-omvormer of DC/DC omvormer Ontkoppelingsrelais Moet vermeld zijn op C10/21 lijst synergrid Batterijen Capaciteit, spanning, DOD, milieu-impact, levensduur/cycli, C-rate, BMS? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 7

8 PV productie vs. verbruik Optimalisatie Zelfconsumptie - Z c Zelfvoorziening - Z v Zelfconsumptie Opgewekte energie dat ogenblikkelijk verbruikt wordt daalt naarmate de installatie wordt overgedimensioneerd Zelfvoorziening Gevraagde energie die ogenblikkelijk zelf kan voorzien worden stijgt naarmate de installatie wordt overgedimensioneerd Onderdimensioneren Overdimensioneren Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 8

9 PV productie vs. Verbruik met opslag Optimalisatie - evenwicht met opslag Zelfconsumptie Z c Zelfvoorziening Z v 5 kwh/mwh 4 kwh/mwh 3 kwh/mwh 2 kwh/mwh 1,5 kwh/mwh 1 kwh/mwh 0.5 kwh/mwh 0 kwh/mwh 0.35 Volledige onafhankelijkheid?! Batterijcapaciteit (P.U.) Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/ Benodigd voor volgend Tijd (10 minuten basis) x 10 4 jaar

10 Dimensioneringsaanpak Hoe dimensioneren? Vermogen van de panelen [kwp] Vermogen van de PVomvormer [kw] Vermogen van de netinteractieve omvormer [kva] Capaciteit van de batterijbank [kwh/mwh] [Ah] Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

11 Wat is de optimale opslagcapaciteit? Volledige onafhankelijkheid financieel en technisch niet haalbaar Zoeken naar economisch evenwicht! Probleem: op heden in Vlaanderen geen financiële reden om zelfconsumptie te verhogen Uitgangspunt: Dimensioneringsaanpak prijs geïnjecteerde kwh < kostprijs afgenomen kwh 1 kwh 1 kwh Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

12 Evaluatiecriteria? Dimensioneringsaanpak Zelfconsumptieverhouding Economisch rendement van de zonne-energie Z c Zelfvoorzieningsgraad 1 / Waarde van betaalde kwh (omgekeerd evenredig) Z v Zoeken naar evenwicht Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

13 Parameters? Dimensioneringsaanpak Ten opzichte van jaarlijks verbruik in MWh Grootte van de PV-installatie Jaarlijkse opbrengst in MWh/MWh of p.u. (geen kwp) Opslagniveau Effectieve (!) opslagcapaciteit in kwh/mwh Omrekenen naar bruikbaar gebied batterijen (DOD) Modellen? Jaarprofielen van 25 woningen (Data Leest/Hombeek) Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

14 Dimensioneringsaanpak Nieuwe installaties Resultaat optimaal afstemmen PV en opslagcapaciteit 25 woningen: Richtwaarden: Opslagcapaciteit: 1 kwh/mwh ± 0,35 PV-opbrengst: 1,11 p.u. ± 0,08 Z c, Z v : 55% ± 0,03 Voorbeeld: Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh Batterijcapaciteit: 1 kwh/mwh x 4,5MWh = 4,5kWh PV-opbrengst: 1,11 x 4,5MWh = 5MWh Z c, Z v = 55% (Bruikbare capaciteit!!) Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

15 Dimensioneringsaanpak Bestaande PV-installaties Opslagcapaciteit aanpassen in functie van grootte PV-installatie Gemiddelde curve voor 25 woningen: 0,6 5 Voorbeeld: Opbrengst/verbruik [p.u.] Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh Gemiddelde PV-opbrengst: 2,7MWh (2,7 / 4,5 = 0,6 p.u.) Batterijcapaciteit: 0,65 kwh/mwh x 4,5MWh 2,9kWh (Bruikbare capaciteit!!) Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

16 Dimensioneringsaanpak Bestaande PV-installaties Z c, Z v afhankelijk van grootte PV-installatie: 0,7 0,4 Voorbeeld: Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh Gemiddelde PV-opbrengst: 2,7MWh (2,7 / 4,5 = 0,6 p.u.) Batterijcapaciteit: 0,65 kwh/mwh x 4,5MWh 2,9kWh (Bruikbare capaciteit!!) Z c 70% Z v 40% Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

17 Autonomie met PV-opslagsysteem Net-interactieve omvormer vervult UPS-functie Belasting wordt gevoed PV-installatie blijft energie leveren Uitgangspunt: Stroomonderbreking van 3 uur, tussen 17 en 20u Onderzoeksvragen: Uitbreiding: Back-Up Welke energie is benodigd tijdens een geplande stroomonderbreking? Volstaat een opslagcapaciteit van 1kWh/MWh? Impact opslagstrategie? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

18 Uitbreiding: Back-Up Parameters: Optimaal batterij-opslagsysteem: Effectieve batterijcapaciteit: 1 kwh/mwh PV-installatie met jaarlijkse opbrengst van 1,11 MWh/MWh Opslagstrategie omvormer? Zelfconsumptie : standaard, belasting net minimaal Pro-actief : batterijen op het maximum van die dag houden Pro-actief met net : batterijen preventief opladen met stroom van het net Hoeveel dagen van het jaar is er autonomie gedurende gegeven periode? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

19 Uitbreiding: Back-Up Analyse autonomie voor 25 woningen voor een volledig jaar Autonomie in dagen Gemiddelde Standaarddeviatie Zelfconsumptie Pro-actief Pro-actief met netstroom Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

20 C re ate d wi th Dr an V iew Testing in Live Lab 15*1kW PV installations Ev ent Details/Waveforms Volts A V B V C V Amps :38:31,1 30/10/2014 Thursday A I B I C I 16:38:31,3 16:38:31,2 16:38:31,4 16:38:31,5 Free programmable power sources 240kVA peak 3Phase AC Event #107 at 30/10/ :38:31,100 Waveforms Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

21 Back-Up: Validatie Simulatiemodel 13 maart 2013 Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

22 Back-Up: Validatie Vergelijking simulatie/werkelijk 13 maart 2013 Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

23 Back-Up: Validatie Vergelijking simulatie/werkelijk 13 maart 2013 Z c Z v Evaluatie Zonder PV-batterijsysteem 17,1% 19,3% Simulatiemodel 78,6% 73,7% Werkelijk 60,5% 27,9% Groot verschil tussen simulatie en werkelijkheid Oorzaak grotendeels te wijten aan laadcyclus batterij Laadstroom gelimiteerd (60A dc) Opladen volgens IUoU-curve Energie bulkfase lijkt aan de lage kant Rendement batterijen? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

24 Conclusies PV-batterijsystemen bieden oplossingen voor zowel DNB als prosument Onafhankelijkheid stijgt, decongestie van het distributienet, Systemen evolueren continue Systemen komen intelligenter, bieden betere klantgerichte oplossingen, Batterij opslag zal ook verder evolueren in toekomst Optimale opslag Relatief kleine batterijbank behaalt optimum Eilandwerking met enkel batterijopslag praktisch niet haalbaar! Financiële analyse Continue opvolging noodzakelijk door variatie in prijzen van zowel leveranciers van producten als van elektriciteit en prosumententarief Optimale capaciteit is niet noodzakelijk economisch optimum Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

25 Conclusies Effect van opslag op Z c, Z v vooral afhankelijk van het lastprofiel Verschillend van gebruiker tot gebruiker Afhankelijk van jaar tot jaar Dimensioneren van PV-batterijsystemen geen exacte wetenschap, dus enkel richtwaarden voor optimale capaciteit De keuze en het gebruik van de batterijen is cruciaal Bij implementatie werkelijk PV-batterijsysteem: Uitvoeren van metingen is aan te raden om het systeem zo goed mogelijk aan te passen aan het huishouden van de klant PV-batterijsysteem kan instaan als back-up Relatief beperkt opslagsysteem van 1kWh/MWh kan toch al ± 3 uur autonomie voorzien Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/

26 Prof. dr. ir. Jan Desmet Full Professor - Manager Lemcko Ghent University Faculty of Engineering and Architecture Department Energy and Systems Research group EELAB Campus Kortrijk Graaf Karel de Goedelaan 34 B-8500 Kortrijk Tel.: Fax: janj.desmet@ugent.be Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/