NYE METODER FOR PLANLEGGING AV SMARTGRIDS AV ANDREAS HAMMER, NTNU, JAN FOOSNÆS, NTE NETT AS, TROND TOFTEVAAG, NTNU

Transkript

1 NYE METODER FOR PLANLEGGING AV SMARTGRIDS AV ANDREAS HAMMER, NTNU, JAN FOOSNÆS, NTE NETT AS, TROND TOFTEVAAG, NTNU Sammendrag Leveringskvaliteten og påliteligheten i distribusjonsnettet blir utfordret av nye forbruksmønstre, elbiler og en høyere andel distribuert produksjon. Olje- og Energidepartementet anslår at det trengs investeringer på til sammen 140 milliarder kroner i det norske strømnettet de neste 10 årene for å møte det fremtidige energibehovet. Det er essensielt at det nye og oppgraderte strømnettet som blir bygget er dimensjonert for å takle det økte forbruket. Smartere nettplanlegging som utnytter informasjonen fra smarte målere og systemer, blir et stadig viktigere stikkord i de kommende år. Denne rapporten vil belyse noen erfaringer fra planlegging av distribusjonsnett i hhv. Tyskland og Sverige, og presenterer noen tanker om fremtidens distribusjonsnett i Norge. Det er betydelig behov for å utvikle nye metoder for planlegging som tar hensyn til den store usikkerheten i framtidige lastforhold. 1. INTRODUKSJON Strømnettet kan deles inn i sentralnettet, regionalnettet og distribusjonsnettet. I dag eksisterer det over km med kabler og luftledninger i Norge, mens det i Sverige og Tyskland eksisterer henholdsvis km og km. I Norge er spenningsnivåene på sentralnettet hovedsakelig 300 kv og 420 kv, og for regionalnettet mellom 33 kv og 132 kv. Distribusjonsnettet er delt inn i hhv. høyspennings- og lavspenningsnett, der lavspenningsnettet har spenningsnivåer på 230 V og 400 V. De vanligste systemene i lavspentnettet er IT-nett og TN-nett. I Norge er 230 V IT-nett mest utbredt, mens for resten av Europa er det 400 V TNnett som er foretrukket. Nett-topologien varierer også mellom landene. I Norge brukes maskenett i regionalnettet og sentralnettet, mens for distribusjonsnettet brukes radialnett. I Sverige og Tyskland brukes maskenettstrukturen for tettbygde strøk i distribusjonsnettet, selv om det drives radielt. For mindre tettbygde strøk brukes derimot radialnett.

2 2. NETTPLANLEGGING 2.1 Smart Grids og distribuert produksjon Et smart nett, Smart Grid, er et fleksibelt elektrisk energisystem der handlingene til alle brukerne av systemet, som produsenter og forbrukere, samordnes på en intelligent måte. Utviklingen av et smart nett innebærer økt bruk av IKT for bl.a. overvåkning, styring og automatisering. Internasjonale avtaler om reduksjon av klimagassutslipp er en viktig «driver» i Smart Grids sammenheng, gjennom ønske om at en større andel av elektrisitetsproduksjonen skal komme fra fornybare kilder. Bruk av Smart Grid teknologi er særlig relevant i distribusjonsnettet. Figur 1 viser hvordan et smart nett kan være utformet. Figuren gir et overblikk over et område med distribuert produksjon, ulike forbrukere og laster, alt kombinert i et smart nett. Figur 1: Overblikk over Smart Grids [1] Utrullingen av nye AMS-målere i Norge åpner mulighet for toveiskommunikasjon mellom forbrukerne og nettselskapene. Dette vil gjøre nettselskapene i stand til å legge prognoser av strømforbruket til kundene basert på sanntidsdata i motsetning til historiske data, samt at sluttbruker kan være en aktiv aktør for energieffektiv utnyttelse av nettet. En mulighet for sluttbruker kan være å flytte noe av forbruket til de tidene av døgnet der strømprisene generelt er lavere. En bedre samhandling mellom produksjon og forbruk vil også kunne avlaste strømnettet, for eksempel ved at elbilen lades når den distribuerte produksjonen er høyest.

3 2.2 Prosessen ved nettplanlegging Prosessen ved nettplanlegging er illustrert i Figur 2. Det innebærer bl.a. å kartlegge dagens forbruk, forventede endringer i form av ny teknologi eller annen ekstern aktivitet, i tillegg til at leveringskvaliteten alltid må være innenfor rammevilkårene. En teknisk-økonomisk analyse må gjennomføres for å finne det beste alternativet. Figur 2 er hentet fra REN sin «Planleggingsbok for kraftnett» [2], og antas typisk planleggingsprosess for et norsk nettselskap fra kartleggingsfasen til drift, og videre til vedlikehold, fornyelser og reinvesteringer. Figur 2: Prosessen ved nettplanlegging [2] 2.3 Noen erfaringer fra nettplanleggingen i Tyskland Nettplanlegging i Tyskland reguleres av en retningslinje kalt «Nova». En regel er at man alltid skal se på muligheter for å optimalisere eksisterende strømnett før reinvestering og utbygging utføres, for eksempel ved bruk av lastflytting. Grunnen til at Tyskland er ett av landene som blir sammenlignet med Norge i denne rapporten, er at landet har en høy andel distribuert produksjon. Private strømkunder og bønder eier nesten halvparten av den fornybare energiproduksjonen i landet, noe som har skapt enkelte problemer i strømnettet. For å redusere problemene, er det innført regler om at nettilknyttede anlegg må kunne injisere reaktiv effekt om nødvendig, og at anlegg mindre enn 30 kva som ikke kontrolleres av nettselskapene, må kunne begrense produksjonen til 70 % av installert kapasitet for å unngå overlast eller spenningsproblemer. Ellers må anlegg større enn 100 kw kunne kontrolleres av nettselskapene ved hjelp av fjernstyring. For å minske faren for overspenninger ved en høy produksjon

4 kombinert med lavt forbruk, må alle invertere kunne justere effektfaktoren til 0.9. En annen regel er at spenningsendringen forårsaket av distribuert produksjon må være mindre enn 3 %, og i likhet med Norge må effektivverdien av spenningen alltid holdes innenfor ± 10 % av nominell spenning. Nett-topologien som brukes i Tyskland for tettbygde og ikke tettbygde strøk er vist i figur 3. Figur 3: Illustrasjon av maskenett til venstre og radialnett til høyre [3] I rapporten «Planning the charging infratstructure for electric vehicles in cities and regions» av Wirges, Johannes [4], anbefales det at husholdninger som ønsker elbiler har en sikringsstørrelse på minst 63 A, der sikringen direkte koblet til elbiler er på minst 32 A. Da en oppladning av elbilene alene kan tilsvare mellom % av et normalt strømforbruk i en husholdning, er det viktig med en nøye vurdering før disse kan kobles opp på strømnettet. Generelt er forskjellen i tverrsnittet på linjene og kablene i distribusjonsnettet i Tyskland og Norge forholdsvis liten. Derimot benyttes ofte korte linjer i Tyskland, og andelen fordelingstransformatorer er forholdsvis høy. 2.4 Noen erfaringer fra nettplanleggingen i Sverige I Sverige er det vanligste spenningsnivået på det høyspente distribusjonsnettet 10 kv, mens det i Norge hovedsakelig er 11 kv og 22 kv. Som nevnt benyttes maskenettstrukturen for tettbygde strøk, hvor strømnettet er såpass sterkt at en feil ikke vil påvirke leveringssikkerheten, da det resterende nettet er dimensjonert for å kunne forsyne hele lasten. I storbyene brukes en egen «city-struktur», som er vist på figur 4 under. Denne innebærer store transformatorer, og det brukes doble transformatorer og doble linjer. I tillegg er nesten 80 % av det lavspente distribusjonsnettet kablet, mens for det høyspente nettet er det tilsvarende tallet

5 60 %. Den generelle trenden er at det benyttes en større andel kabler og færre luftlinjer. Figur 4: City-strukturen med doble transformatorer og doble linjer [5] I en studie fra Chalmers Tekniska Högskola [6] anbefales det en større bruk av offentlige ladestasjoner for elbilladning. Dette vil føre til færre ladestasjoner, og nettselskapene vil kunne bygge ladestasjonene hvor kapasiteten er høyest. Enhver økning av størrelsen på hovedsikringen krever at kunden betaler et anleggsbidrag. Dette er en av grunnene til at vanlig sikringsstørrelse til husholdninger er 25 A, mens for leiligheter og fritidshus er vanlige sikringsstørrelser 16 A og 20 A. I Norge tilhører derimot alle sikringsstørrelser under 63 A den samme effekttariffen. En lignende bruk av effekttariffer er tatt opp til høring også i Norge, da dette kan begrense sikringsstørrelsene, slik at påvirkningen hver kunde har på nettet blir mindre. 3. TANKER OM FREMTIDENS DISTRIBUSJONSNETT I NORGE Bruken av IT-nett i stedet for TN-nett i lavspennings distribusjonsnett i Norge utgjør en viktig forskjell sammenlignet med resten av Europa. I en rapport laget av Sweco [7] anbefales ikke å oppgradere eksisterende IT-nett til TN-nett, da det vil føre til store samfunnsøkonomiske kostnader. Disse kostnadene vil sannsynligvis overskride gevinsten knyttet til oppgraderingen. Allikevel anbefales det å dimensjonere reinvesteringene ut i fra en forventning om et fremtidig TN-nett, mens det anbefales at alt av nytt nett bygges som TN-nett. Mulighetene knyttet til endret nett-topologi bør vurderes ved problemer i strømnettet. Om elbilveksten fortsetter som hittil i Norge, bør flere offentlige ladestasjoner bygges, og bruken av lagringsmuligheter kan gi en ønsket effekt i kombinasjon med distribuert produksjon. Det knyttes store forventninger til at økt forbrukerfleksibilitet gjennom innføring av AMS og økt bruk av informasjons- og

6 kommunikasjonsteknologi skal gi en mer energieffektiv og pålitelig drift av eksisterende infrastruktur, slik at bl.a. investeringer kan utsettes. Installasjon av automatiske trinnede fordelingstransformatorer vil bidra at spenningsverdiene holdes innenfor forskriftenes krav uten at mannskaper må foreta nødvendige manuelle operasjoner, slik det skjer i dag. Dette antas også å utgjøre et viktig bidrag til å oppnå en mer kostnadseffektiv drift av fordelingsnettet. I Sverige har bruken av effekttariffer for sluttbrukere vist seg å være gunstig, en løsning som også bør kunne være aktuell for Norge. 4. PLANLEGGING UNDER ØKENDE USIKKERHET Økende bruk av IKT i distribusjonsnettet, økende andel av distribuert produksjon og elbiler, endring i forbruksmønster og strengere krav til energieffektiv utnyttelse av nettet, fører til en økende usikkerhet knyttet til framtidige lastforhold i nettet. Av dette følger også et behov for smartere nettplanlegging. Det er derfor behov for å utvikle nye metoder for planlegging som tar hensyn til den store usikkerheten i framtidige lastforhold. Dette blir et stor og viktig oppgave for bransjen i årene fremover. 5. REFERANSER [1] Smart Grid. Connected, Efficient and Sustainable Energy. Tilgjengelig fra: Grid/ (Sitert ) [2] SINTEF Energi AS (2010) Planleggingsbok for kraftnett. Systematikk ved planlegging av kraftnett. Trondheim. [3] KEMA Inc. (2011) Distributed Generation in Europe Physical Infrastructure and Distributed Generation Connection Memorandum #1. [4] Wirges, J. (2016) Planning the Charging Infrastructure for Electric Vehicles in Cities and Regions. Karlsruhe. [5] Engblom, O. og Ueda, M. (2008) Representative testnät för svenska eldistributionsnät. Elforsk rapport. Stockholm. [6] Swedish Smartgrid: Samordningsrådet för smarta elnät (2013) Delårsrapport 2013: Kunskapsplattformen och nuläge i Samordningsrådets arbete. Stockholm. [7] Sweco Norge AS (2015). Vurdering av behov for å sette grenseverdi for minimum kortslutningsytelse i norske lavspenningsnett. Rapport til NVE. Oslo.