Slimme netten in de praktijk DUBO-XL 14/12/2012 Heusden-Zolder Annick Dexters 202020 2 Probleem 1. Stijgende behoefte aan primaire energie 2. Eindigheid & CO 2-uitstoot van fossiele brandstoffen Oplossingen 1. Rationeel EnergieGebruik 2. Energieproductietechnieken verbeteren 3. Inzet van hernieuwbare energie en biomassa elektrificatie van transport & warmte-en koudetoepassingen EVs & WPs Randvoorwaarden 1. Leveringszekerheid & power quality 2. Liberalisering/unbundling v/d elektriciteitsmarkt 1
3 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare energiebronnen (HEB) 1.1 Gelijktijdigheidsfactor 1.2 Gebruiksduur 1.3 Productiepatroon 2. Impact op stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Impact op de aansluitcapaciteit in het distributienet 4. Transitie naar Slimme Netten - FLEXIBILITEIT 5. INFRAX concreet 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.1 Gelijktijdigheidsfactor afname 4 Formule van Rusck: S max n n S max 1 g 1 g n Gelijktijdigheidsfactor G G=1 G=0.35 G=0.29 G=0.26 2
1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.1 Gelijktijdigheidsfactor HEB 5 Gelijktijdigheidsfactor lokaal bekeken = 1 Bij zonne-energie sterke correlatie met moment van lage afname. (zon- en feestdagen) 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.2 Gebruiksduur HEB Gebruiksduur = aantal vollasturen die evenveel energie leveren als de jaarproductie v/d installatie. Windturbine = ± 2200 uren/jaar PV-installatie = ± 850 uren/jaar WKK-installatie = > 4000 uren/jaar basiscentrale = ± 8760 uren/jaar 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.3 Productiepatroon In vergelijking met klassieke centrales, vertonen de meeste hernieuwbare energie producties een fluctuerend productiepatroon dat nauwelijks controleerbaar is. windmolens / zonnepanelen / warmtegestuurde WKK Afname en hernieuwbare productie lopen niet synchroon aarbasis 6 kwh Productie Afname 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425262728293031 1 maand 3
7 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.1 Gelijktijdigheidsfactor 1.2 Gebruiksduur 1.3 Productiepatroon 2. Impact op de stabiliteit van het elektriciteitsnet 2.1 Balancing vergt andere aanpak 2.2 Balancing en grid constraints 3. Impact op aansluitcapaciteit in het distributienet 4. Transitie naar Slimme Netten - FLEXIBILITEIT 5. INFRAX concreet 2 Stabiliteit van het elektriciteitsnet 2.1 Balancing vergt andere aanpak 8 Evenwicht tussen productie en afname is een vereiste voor de stabiliteit van het elektriciteitsnet. ELIA en de balancing responsible parties (BRP) hebben hiervoor de verantwoordelijkheid. Vroeger: productie volgt de vraag Nu & toekomst: vraag moet alsmaar meer de productie volgen Verschil tussen vraag en aanbod moet opgevangen door opslag. Balancing services worden niet alleen meer door grote centrales op het HS-net maar ook door bv. regelbare WKK-eenheden en in de toekomst door vraagsturing geleverd vanuit de distributienetten. 4
2 Stabiliteit van het elektriciteitsnet 2.2 Balancing grid constraints 9 Voor het balancing proces is het in se niet belangrijk waar de energie op het net wordt gezet of waar het afgenomen worden. Als er maar evenwicht is. Balancing wordt toegepast op een regelzone en die kan Europees nationaal of zonaal (microgrids) zijn. Voor de nationale regelzone zijn ELIA/ARPs verantwoordelijk. Balancing kan de druk op de elektriciteitsnetten echter sterk verhogen. (spanningsproblemen overbelastingen) Zeker wanneer grote energiestromen over de netten schuiven als productie- en afnamepunten ver uit mekaar liggen. leveranciers DNBs INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Impact op de stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Impact op de nettoegang in het distributienet 3.1 Dimensionering van de huidige netten 3.2 Beschikbaarheid aansluitcapaciteit 3.3 Spanningsprobleem 3.4 Overbelasting - Analogie met andere netwerken 3.5 Aanpak verkeer 3.6 EVs en WPs 4. Transitie naar Slimme Netten - FLEXIBILITEIT 5. INFRAX concreet 10 5
3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.1 Dimensionering v/d huidige netten 11 HS net: Permanent geëxploiteerd in n-1 Gedimensioneerd op gelijktijdigheid 1 Zelden constaints MS net: Verschakelbare n-1 Gedimensioneerd op gelijktijdigheid 0,8 constraint = overbelasting: weg te werken in minuteninterval LS net: Geen redundantie Gedimensioneerd op gelijktijdigheid 0,2-0,3 lokaal sterk verschillende capaciteit constraint = overspanning: ogenblikkelijk weg te werken 3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.2 Beschikbaarheid aansluitcapaciteit 12 Huidige ontwerpregels zijn gebaseerd op exclusief afname en statistisch willekeurig afnamegedrag. MAAR: Hernieuwbare energiebronnen worden voornamelijk in het distributienet geconnecteerd met bidirectionele vermogenstromen tot gevolg. Afname zal t.g.v. vraagsturing (EVs & WPs) niet meer willekeurig zijn. Productie heeft een grote gelijktijdigheid EN deze piekbelasting is slechts gedurende een beperkt aantal uren per jaar. kans op congestie en spanningsproblemen is groter naarmate het spanningsniveau lager is. Het is met de huidige ontwerpregels niet evident om op LS op ieder moment de volledige aansluitcapaciteit ter beschikking te hebben 6
3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.3 Spanningsprobleem Wat voor afname kan, kan niet voor injectie 13 Spanning 110% 100% 90% Blauwe curve: belasting maximaal, geen injectie Rode curve: belasting minimaal, geen injectie Groene curve: belasting minimaal, maximale injectie MS net LS net Binnenhuis Aansl Omvor mer 3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.4 Analogie met andere netwerken 14 Andere netwerken hebben ook fysische grenzen en zijn niet berekend op pieken t.g.v. gelijktijdigheid. 1 Water indien veel gelijktijdige watervraag tijdens hete zomers valt de druk weg. 2 Riolering Bij hevige onweders loopt de riolering over SLA:water mag 1 keer per twee jaar op straat terecht komen 3 Vaste telefonie 5% gelijktijdigheid 4 Mobiele telefonie niet voorzien voor noodsituaties (Pukkelpop) 5 Internet bij veel gelijktijdige gebruikers zakt de downloadsnelheid gevoelig 6 Bankwezen theoretisch kan iedereen op elk moment zijn spaargeld opvragen, maar indien dat op hetzelfde moment gebeurt, is er een cashprobleem. 7 Verkeer Indien veel auto s tegelijkertijd op de wegen ontstaan er files 8 Elektriciteitsnet 7
3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.5 Aanpak bij verkeer Capaciteit is beperkt Verkeerscontrolecentrum real time verkeersinformatie vertelt automobilist wat waar haalbaar + verwachte reistijden Slimme aansturing verkeerslichten verbetert de doorstroming Regels Toeritdosering Blokrijden - Openstellen pechstrook 15 3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.6 EVs en WPs 16 De 202020-doelstellingen vereisen nieuwe verwarmingstechnieken (WKKs, WPs) en een elektrische mobiliteit. Deze zorgen voor een bijkomende belasting van het elektriciteitsnet. Een EV die 15.000 km rijdt per jaar verbruikt ongeveer 15.000km /5 km/kwh = 3000 kwh elektriciteit per jaar Een warmtepomp met een COP 3 verbruikt voor een huisgezin met een energiebehoefte van 24.000 kwh 8000 kwh elektrisch Vergeleken met een huidig gemiddeld elektrisch verbruik per jaar van 3500 kwh/gezin een stijging met ruim factor 3, zelfs met hogere energie-efficiëntiefactoren. gecontroleerde nettoegang dringt zich op om een te grote gelijktijdigheidsfactor en overbelasting van het net te vermijden! 8
17 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Impact op de stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Impact op de aansluitcapaciteit in het distributienet 4. Transitie naar Slimme Netten - FLEXIBILITEIT 4.1 Wat verstaat men onder Slimme Netten? 4.2 FLEXIBILITEIT: hoeksteen van Slimme Netten 4.3 Opslag 4.4 Van passieve naar actieve netten in stappen 5. INFRAX concreet 4. Slimme netten 4.1 Wat? 18 Hoge penetratie van hernieuwbare energie en de verdere elektrificatie van transport en verwarming/koeltoepassingen vergen ofwel massale netversterking en/of een intelligente sturing van alle deelnemers van het elektriciteitsnet. De maatschappelijke kost bepaalt de keuze. Slimme Netten slimme energiesystemen Dit vereist metingen, controle systemen, automatisering en ICT. Maar ook participatie van de netgebruikers via energiemarkten 9
4. Slimme netten 4.2 FLEXIBILITEIT: definitie 19 = de aanpasbaarheid van de vermogensuitwisseling van lasten/opslag/productie met het net door de grootte van het vermogen aan te passen of door de uitwisseling in de tijd te verschuiven. 4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: # bronnen 20 2,3% / j 10
4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: # geïnteresseerden 21 ELIA/ARPs balancing services om black out te voorkomen vermijden investering in piekcentrales Leveranciers portfolio-optimalisatie om risico mismatch aankoop-verkoop te verminderen Netbeheerders vermijden spanningsproblemen en congestie vermijden verzwaren infrastructuur die nauwelijks benut wordt. Producenten HEB volatiel karakter van te leveren energie beperken Mogelijk tegenstrijdige belangen geïntegreerde aanpak ketenbenadering maatschappelijke KBA voor behalen energietransitiedoelstellingen regulatie 4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: hoe praktisch inzetten? 22 Deze flexibiliteit kan men aanspreken via tarieven (niet-verplichtend) of stuursignalen (gegeven setpoints die effectief worden uitgevoerd). Flexibiliteit aangesproken door tarieven kan men beschouwen als een grofregeling, gestuurde flexibiliteit en opslag als een fijnregeling MARKTWERKING ATRIAS Het inzetten van flexibiliteit door de marktpartijen moet door de netoperatoren gecontroleerd worden de marktpartijen moeten de grenzen van het net accepteren DYNAMISCHE NETTOEGANG Gegarandeerde toegang= minimaleopening Aansluitcapaciteit De AGGREGATOR is een nieuwe marktpartij die flexibiliteit van kleinere netgebruikers aggregeert en aan geïnteresseerde partijen aanbiedt. 11
4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: hoe praktisch inzetten? 23 4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: hoe praktisch inzetten? 24 Flexibiliteit wordt op LS door de aggregatoren via de Energy Box in de huizen aangesproken (EV Warmtepomp boiler witgoed etc ). Deze Energy Box zal vanuit de slimme meter meetgegevens krijgen en in latere instantie via de controlesystemen informatie over het maximaal vermogen dat uitgewisseld kan worden met het net. 12
4. Slimme netten 4.3 Elektrische / thermische opslag 25 Elektrisch technologieën voor kleine, medium en grootschalige opslag. pompcentrales, gecomprimeerde lucht, batterijen (EVs), supercaps, vliegwielen, supergeleidende spoelen (SMES) Dure technologieën maar men moet niet het aantal kwh maar wel de mogelijkheid tot piekafvlakking honoreren. Thermisch Thermische opslag via buffervaten gekoppeld aan WKKs en WPs ontkoppelen de elektriciteitslevering/vraag van de warmtebehoefte. 4. Slimme netten 4.3 Opslag/flex via energietransities 26 Power to heat Overtollige elektrische energie in warmte omzetten en stockeren. Bruikbaar voor district heating en gebouwen Power to gas Overtollige elektrische energie gebruiken om gas/waterstof te maken en te injecteren in het gasnet. Opslagmogelijkheden van gasnet zijn gemakkelijker en goedkoper. Energy Hub 13
4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netten in stappen 27 Sommige technologieën bestaan al en dienen enkel uitgebreider en slimmer aangewend te worden. Andere technologieën staan nog in de kinderschoenen en er is nog nood aan standaardisatie, regelgeving en testen alvorens tot een globale uitrol over te gaan Standaardisatie: Mandaat 441, Mandaat 490, Regelgeving i.v.m minimale functionaliteiten SM & SMART GRID Vastleggen van een marktmodellen/business cases FEIT: Geen worst case scenario versterking meer van de installaties zonder voorafgaande intelligent gebruik of optimalisatie van bestaande infrastructuur. 4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netten in stappen 28 SLIM LINEAR imove META-PV Vlaams slimme meter project 14
4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netten in stappen Actief netwerk management: real-time controle van het net, Distribution management systeem op MS, Automatisatie van MS netten, 29 Monitoring en meting: digitale beveiligingen, telegelezen kortsluitverklikkers, INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Impact op de stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Impact op de aansluitcapaciteit in het distributienet 4. Transitie naar Slimme Netten - FLEXIBILITEIT 5. INFRAX concreet 30 15
31 TESTSITEs Bret-Gelieren, Hombeek-Leest 30-tal residentiële klanten met flexibele apparatuur. ONDERZOEKSVRAGEN Hoe kan flexibiliteit uit intelligente wasmachines, vaatwassers, droogkasten, boilers, ingezet worden voor - Het portfolio van de leverancier te optimaliseren - Windbalancing te verbeteren - Veroudering van wijktransfo te verbeteren - Spanningsproblemen te voorkomen CONSORTIUM Vito, KUL, iminds, Imec, Eandis, Infrax,Fithplay, Viessmann, Belgacom, Telenet, Laborelec, EDF-Luminus, EnergyVille,Siemens, Miele 32 TESTSITEs Lommel, Opglabbeek, St-Truiden 130 residentiele en 30 tal industriele PV-installaties / 10% opslag ONDERZOEKSVRAAG Hoe kunnen de invertoren van de PV-installaties gebruikt worden om - problemen met de spanningsprofielen te voorkomen, en - de hosting capacity van HEB vergroten? 16
33 ZERO (CITROEN) VOLVO C30 TESTSITEs Lommel, Bret-Gelieren, Limburg 70 EVs & 60 laadpalen ONDERZOEKSVRAGEN Hoe kan men door intelligent laden van EVs - netversterking voorkomen, en - de hosting capacity van HEB vergroten? ION (PEUGEOT) KANGOO (RENAULT) CONSORTIUM Umicore, Punch Powertrain, EDF-Luminus, The PlugInCompany, Belgacom, Infrax, Restore, P&V, Delhaize, ERNST & YOUNG, Flanders Drive, VUB, IBBT, Interparking, Fleet & Driver Care, Gemeentelijk Autonoom Parkeerbedrijf Antwerpen, Hendriks. - FLUENCE (RENAULT) 34 TESTSITE Kuringen 42 appartementen voorzien van collectieve verwarming ONDERZOEKSVRAGEN Hoeveel energiewinst heeft men door op wijkniveau ipv op het niveau van een individuele woning te optimaliseren? CONSORTIUM BELGIUM: VITO, INFRAX, Cordium, Terra-Energy, ITALY: D'Appolonia S.p.A, Università di Genova, Vipiemme S.p.A. FRANCE: Sigma Orionis, CEA, CSTB ENGLAND: Blaenau Gwent Country Borough Council, Cardiff University, BRE SPAIN: Acciona Infrastructuras 17
35 SLIM TESTSITE Lommel Flex wordt gebruikt om onderstation van Lommel te ontlasten. ONDERZOEKSVRAGEN Hoe kan men een markt voor flexibiliteit implementeren? CONSORTIUM ALstom, 3E, ELIA, INFRAX, EDF- Luminus BESLUIT Transitie naar slimme netten is een LANG EN COMPLEX TRAJECT want veel stakeholders met tegenstrijdige belangen onduidelijke wisselwerking onduidelijke kostenbatenverdeling gebrek interoperabiliteit en standaardisatie. 36 HOEKSTEEN is FLEXIBILITEIT SMART METERS ATRIAS NETBEHEER moeten hand in hand gaan omdat de marktwerking onlosmakelijk gekoppeld is met de fysische werkelijkheid van het net. GEBOUWEN worden ZEER BELANGRIJK omdat daar meestal de flexibiliteit / de opslagsystemen & de HEB geïntegreerd zijn. 18
37 19