Slimme netten in de praktijk Intelligente gebouwen voor intelligente steden 16/11/2012 Ingenieurshuis Antwerpen Annick Dexters
2 202020 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 v/d elektriciteitsmarkt
3 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.1 Gelijktijdigheidsfactor 1.2 Gebruiksduur 1.3 Productiepatroon 2. Stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Aansluitbaarheid HEB 4. Slimme netten 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
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 6 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 kwh Productie Afname 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 1314 15 16171819 202122 23 2425 26 2728 29 3031 1 maand
7 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 1.1 Gelijktijdigheidsfactor 1.2 Gebruiksduur 1.3 Productiepatroon 2. Stabiliteit van het elektriciteitsnet 2.1 Balancing vergt andere aanpak 2.2 Balancing is niet geografisch bepaald 3. Aansluitbaarheid HEB 4. Slimme netten 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. Gelijktijdigheid van afname en productie wordt bemoeilijkt door het intermitterend en volatiel karakter van de HEB. 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.
2 Stabiliteit van het elektriciteitsnet 2.2 Balancing & netconstraints 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 is ELIA/ARPs verantwoordelijk. Balancing kan de druk op de elektriciteitsnetten echter sterk verhogen. Zeker wanneer grote energiestromen over de netten schuiven omdat productie en afnamepunten ver uit mekaar liggen.
10 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Aansluitbaarheid HEB 3.1 Dimensionering van de huidige netten 3.2 Beschikbaarheid aansluitcapaciteit 3.3 Spanningsprobleem 3.4 Analogie met andere netwerken 3.5 Aanpak verkeer 3.6 EVs en WPs 4. Slimme netten: flexibiliteit 5. INFRAX concreet
3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.1 Dimensionering v/d huidige netten 11 HS net: Permanent geëxploiteerd in n-1 Gedimensioneerd op gelijktijdigheid 1 MS net: Zelden constaints Verschakelbare n-1 Gedimensioneerd op gelijktijdigheid 0,8 LS net: constraint = overbelasting: weg te werken in minuteninterval 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
Omvor mer 3. Aansluitbaarheid HB & nieuwe technologieën 3.3 Spanningsprobleem 13 Wat voor afname kan, kan niet voor injectie 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
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 2 Riolering 3 Vaste telefonie 5% gelijktijdigheid indien veel gelijktijdige watervraag tijdens hete zomers valt de druk weg. Bij hevige onweders loopt de riolering over SLA:water mag 1 keer per twee jaar op straat terecht komen 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
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 ZEB eerder 2000 kwh Vergeleken met een huidig gemiddeld elektrisch verbruik per jaar van 3500 kwh/gezin een stijging met ruim factor 3, zelfs met hogere energie-efficiëntiefactoren. gecontroleerd gebruik dringt zich op om een te grote gelijktijdigheidsfactor en overbelasting van het net te vermijden!
17 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Aansluitbaarheid HEB 4. Slimme netten 4.1 Wat? 4.2 Flexibiliteit 4.3 Opslag 4.4 Van passieve naar actieve netwerken 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
4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: definitie 19 = de aanpasbaarheid van de vermogenuitwisseling 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
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 Consumenten om hun energiekost te verminderen 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 MARTWERKING Het inzetten van flexibiliteit door de marktpartijen moet door de netoperatoren gecontroleerd worden de marktpartijen moeten in deze de grenzen van het net accepteren DYNAMISCHE NETTOEGANG De AGGREGATOR is een nieuwe marktpartij die flexibiliteit van kleinere netgebruikers aggregeert en aan geïnteresseerde partijen aanbiedt.
4. Slimme netten 4.2 Flexibiliteit: hoe praktisch inzetten? 23 ADDRESS- PROJECT
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.
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/grond 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 te maken en te injecteren in het gasnet.opslagmogelijkheden van gasnet zijn gemakkelijker en goedkoper. Energy Hub
4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netwerken in stappen 27 Sommige technologieën bestaan al en dienen enkel uitgebreider en slimmer aangewend te worden. Geen worst case scenario versterking meer van de installaties zonder voorafgaande intelligent gebruik of optimalisatie van bestaande infrastructuur. 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 Vastleggen van een marktmodel
4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netwerken in stappen 28 imove LINEAR META-PV Vlaams slimme meter project
4. Slimme netten 4.4 Van passieve naar actieve netwerken in stappen 29 Actief netwerk management: real-time controle van het net, Distribution management systeem op MS, Automatisatie van MS netten, Monitoring en meting: digitale beveiligingen, telegelezen kortsluitverklikkers,
30 INHOUD 1. Kenmerken van hernieuwbare bronnen 2. Stabiliteit van het elektriciteitsnet 3. Aansluitbaarheid HEB 4. Slimme netten 5. INFRAX concreet 5.1 META-PV 5.2 imove
5. Infrax concreet 5.1 META-PV 31 Groot demonstratieproject. Start medio 2009 Duur : 4,5 jaar Kostprijs: project: 9 miljoen euro (deels gesubsidieerd) zonnepanelen: 30 miljoen euro (investering door particulieren via LRM) Algemene doelstelling: PV-invertoren gebruiken voor netondersteuning. Website: www.metapv.eu
5.1 META-PV Doelstellingen 32 WAT? Verhogen van de absorptiecapaciteit voor DP met 50% tegen een additionele kost ~10% v/d vereiste netversterkingskost. (moet nog bewezen worden) HOE? Dit m.b.v. invertoren die de levering van actief en reactief vermogen regelen om de spanningsprofielen binnen de toegelaten grenzen te houden. Via opslag en bijsturen van actief vermogen om congestie te voorkomen. Ook fault ride through en eilandwerking worden bekeken
5.1 METAPV Aanpak Fase 1 33 Demonstratie op grote schaal in Lommel/Opglabbeek 128 x 4kW (residentiëel) en 31 x 200 kw (industriëel) 10 % van de systemen uitgerust met opslagcapaciteit
5.1 MetaPV Fase 1: monitoring 34 Meetsytemen ingebouwd in 200 MV/LV stations Data-analyse om de controlevereisten van de invertoren vast te leggen
Voltage (p.u.) Voltage (p.u.) 35 Spanningshuishouding Voltage profile for the critical nodes (over-voltage) 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1 1.1 Rail 2 LOMM WTP Umicore LOMM Fransen LOMM Comacc LOMM Bio Energy LOMM Hansen Oud 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month Voltage profile for the critical nodes (under-voltage) LOMM Grensstraat 1.05 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month
Voltage (p.u.) 36 Spanningshuishouding 1.08 Voltage drop diagram at critical time @ 14.11.2009 19:00 1.07 1.06 1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1 0.99 0.98 0.97 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Distance (km) Wind CHP PV in LV PV in MV Critical nodes
5.1 METAPV Fase 2: controle algoritmes 37 Ontwikkeling controle algoritmes van de slimme invertoren 37
38 Sturing reactief ifv lokale spanning Inverter development Standalone control Supervisory control Grid parameters MPP Tracker DC DC Grid support functions DC-Link Control DC Link Limiting AC Control AC DC Filter Decoupling PCC P prim V act Q set P act PF set V act P max f act, P act V act Q(V) Q fix PF(P) PF fix P(V) P max P(f) DGS Q-Mod min Current calc Limiting & Feed-in Grid cos Overexcited 0,9 P 1 Q P 1 1 2 cos Q P r Q max Pr: inverter Rated Power P: fed-in active power Vn: nominal Voltage DB: dead-band K: droop factor P 2 0,2 0,5 P3 1 P P r Q ref DB V n ΔQ Q k V V V n 38 0,9 Underexcited -Q max ΔV
Simulations 39
5.1 MetaPV Fase 3: demonstratie LV network(s) 40 LS11 (red) 40 LS09 (yellow)
5. Infrax concreet 5.2 imove 41 VOLVO C30 ION (PEUGEOT) NISSAN LEAF FLUENCE (RENAULT) KANGOO (RENAULT) ZERO (CITROEN)
imove is een consortium van 18 bedrijven en onderzoeksinstellingen die de relevante sectoren in de Elektrische Voertuigen markt vertegenwoordigen 42
43 imove ambieert praktische toetsing van technologische innovaties in Energie, Voertuigtechnologie, en Mobiliteitsgedrag (Voertuig) Technologie Mobiliteitsgedrag Energie 1 Wat is de levensduur en de betrouwbaarheid van de batterijen? Kunnen we ze recycleren? 4 Wat verbruikt een elektrische wagen, bij verschillende rijstijlen, weers- en wegomstandigheden? 6 Hoe kunnen elektrische voertuigen als spons fungeren in de huidige energie markt? 2 3 Hoe kunnen we de oplaadinfrastructuur standaardiseren en interoperabel beheren? 5 Verandert het verplaatsingsgedrag met elektrische wagens? Wat is er nodig om mensen te overtuigen van de elektrische wagen? 7 8 Hoe interageren elektrische voertuigen met toekomstige slimme distributienetten, tav hernieuwbare energie?
44