Introduksjon til mikronett (og smarte nett) Henrik Kirkeby

Transkript

1 Introduksjon til mikronett (og smarte nett) Henrik Kirkeby PQA AS 1

2 Agenda Utvikling innen strømnett, og fremveksten av smarte nett Mikronett Definisjoner Drivere Ulike typer mikronett (og noen eksempler) Nettintegrasjon av fornybar energi Kontrollsystemer Dimensjonering 2

3 Strømnettet før og nå Før Nå: Sentralisert produksjon, store kraftverk Effektflyt fra sentralnett, ned til distribusjonsnett Kunder med lavt, konstant forbruk Sentralisert produksjon OG distribuert produksjon Kunder bruker mer effekt enn tidligere Effektflyt både til og fra distribusjonsnett NVE / Eksperter i team oppgave: Smarte nett i et norsk øysamfunn 3

4 Viktige trender Lavt investeringsnivå i nettet etter dereguleringen i 1991 Elsertifikater og politiske føringer Prisutvikling PV Utvikling i forbruk (og kundeinvolvering) Batterier, og prisutvikling batterier Digitalisering 4

5 Planlagte investeringer i nettet frem mot 2025 Sentralnett: milliarder NOK Regionalnett: 22 milliarder NOK Distribusjonsnett: Høyspent: 33 milliarder Lavspent: 15 milliarder + 10 milliarder for AMS Samlet: 140 milliarder 5

6 Mer fornybar produksjon EUs mål og Fornybardirektivet FiT, støtteordninger++ Norge: Elsertifikatordningen Mål om 28,4 TWh ny fornybar innen 2020 Spleiselag mellom Norge og Sverige I Norge: mye småkraftverk (vannkraftverk < 10 MW) I Sverige: mer vindkraft 6

7 Prisutvikling på sol Lønnsomt i Norge? Samme innstråling som sør-tyskland Noe høyere virkningsgrad enn i Europa pga. lavere temperatur Nedbetalingstid 4 kw anlegg (2016): 27 år med Enovas støtteordning 7

8 Utvikling i forbruk Kilde: NVE 8

9 Spenningsvariasjon i distribusjonsnettet DG PV 9

10 Prisutvikling batterier Drevet av utviklingen innen elbiler En rekke mulige applikasjoner i strømnettet! Kilde: Kilde: 10

11 Digitalisering DEN viktigste trenden nå Billigere sensorer / internet of things AMS! Bedre kommunikasjonsløsninger Maskinlæring, big data Sukk, blockchain.. Kilde: Grete Coldevin, Smartgridsenteret, presentasjon for NVE 11

12 Smarte nett / smartgrids Kilde: Grete Coldevin, Smartgridsenteret, presentasjon for NVE 12

13 Betydning for mikronett? Gammelt nett med økende behov for forsterkninger Forventet fortsatt økning i distribuert produksjon og effektforbruk Muliggjørende teknologi som stadig blir billigere Distribuert produksjon Lagring Kontrollsystemer 13

14 Mikronett: Definisjoner US DoE CIGRE IEC (utkast) A microgrid is a group of interconnected loads and distributed energy resources within clearly defined electrical boundaries that acts as a single controllable entity with respect to the grid. A microgrid can connect and disconnect from the grid to enable it to operate in both grid-connected or island-mode. Microgrids are electricity distribution systems containing loads and distributed energy resources, (such as distributed generators, storage devices, or controllable loads) that can be operated in a controlled, coordinated way either while connected to the main power network or while is landed. A group of interconnected loads and energy resources at distribution voltage level with defined electrical boundaries that is either isolated from the grid or able to operate in both island mode and grid connected mode 14

15 Mikronett: Definisjoner Ikke avhengig av nettilknytning, kan operere isolert Opptrer som én kontrollert enhet sett fra nettet Lokal regulering av spenning og frekvens Ofte høy grad av automasjon, observabilitet, og kommunikasjon 15

16 Eksempel: Santa Rita Jail Microgrid Produksjon: 1,5 MW PV 1 MW brennselscelle Backup dieselgeneratorer Last: 3 MWp Lager: 2 MW / 4 MWh Lithium iron Driver: Fornybar energi, pålitelighet 16

17 Typer mikronett Nettområder / nabolag Kundeeide mikronett: Bygningsmikronett Kommersielle- / industriområder Institusjoner, forsvar eller campus Offgrid mikronett Virtuelle mikronett 17

18 Typer mikronett 18

19 Spesifikke drivere for mikronett Miljø / økt bruk og integrasjon av fornybar energi Økonomi: Kostnadsreduksjon for nettselskap, kunder, mm. Økt pålitelighet i områder med dårlig pålitelighet, eller med spesielle behov Teknologien er mer moden, og billigere, enn tidligere Elektrifisering 19

20 Drivere for mikronett: Miljø Sagt før: Fornybardirektiv, politiske føringer Grønne sertifikater, støtteordninger Bygningsdirektivet til EU: Nær nullenergihus i 2020 Nullenergihus mot Vanskelig å oppfylle uten sol? 20

21 Drivere for mikronett: Økonomi Nettleie og effekttariffer Solcelleanlegg lønnsomme med støtte, og pga reduksjon i nettleie Ved overgang til effekttariffer forsvinner reduksjonen i nettleie (nettleien kan til og med øke) Avgifter: 34,4 øre/kwh 40 % 30 % Kraftleverandør: 25,9 øre/kwh Utsette nettforsterkning Mulig å redusere behov for sterk nettilknytning ved ny DG Mulig å investere i mikronett ved lastøkning i et område 30 % Nettselskapet: 25,4 øre/kwh Energi Norge, presentasjon: Nettleien

22 Kombinasjonen sol og batterier Lønner det seg for plusskunder å installere batterier for å lagre strømmen til senere forbruk? NEI De øverste 30 % av profilen tilsvarer kun 1-3 % av årsenergien Liten innmating av produksjon for normale anlegg Men med effekttariffer VIL batterier lønne seg Og det lønner seg for nettselskapet å lagre «toppene» på produksjonsprofilen Legg til et kontrollsystem, og vipps (!) så er det et mikronett 22

23 Nettintegrasjon av distribuert produksjon Storkraftsystemet Variasjon / intermittency Lokale utfordringer Tekniske begrensninger (termisk / spenning) Spenningsvariasjoner Vern (blending, tripping, øydrift) / drift generelt (berøringsspenning / brann) Spenningskvalitet Stabilitet / forsyningssikkerhet Mikronett kan svare på noen av disse utfordringene Kilde: SINTEF Energi 23

24 Drivere for mikronett: Pålitelighet Kanskje verdens mest kjente mikronett: Sendai microgrid Fungerte autonomt i to dager under hvilken hendelse? Last: Universitetssykehus Produksjon: 3x350 kw gassturbiner 250 kw brenselscelle 50 kw PV Driver: Forskning, leveringskvalitet Kilde: EPRI Use case repository, Sendai Use Case, Nedo 24

25 Eksisterende mikronett? Sykehus Driftssentraler Andre steder med nødstrømsforsyning Dieselaggregater er enkle å kontrollere verre med sol, vind og andre fornybarkilder Hytter 25

26 Kontrollsystemer for mikronett Utfordringer med kontroll: Variabel produksjon fra fornybare energikilder Reservemargin Forskjellige enheter med forskjellige karakteristikker og pris Høy andel ulineær last utfordringer med spenningskvalitet Kommunikasjonskostnad, kostnad ved integrasjon av nye enheter Lavt treghetsmoment Resistive heller enn induktive nett 26

27 Kontrollsystemer: distribuert kontroll CERTS-konseptet: Statikkbasert kontroll av enheter Fordeler Modulært billig tilknytning av nye laster Raskt, og lave kommunikasjonskostnader Pålitelig Ulemper: Ikke like kontrollerbart som alternativet 27

28 Kontrollsystemer: distribuert kontroll Multi agent systems (MAS) Agentbasert kontroll, hver enhet opptrer som en agent Foretar egne beslutninger basert på «tendenser» Noe behov for kommunikasjon Fordeler Mange av de samme som for CERTS Ulemper: Ikke like kontrollerbart som alternativet Vanskelig og dyr og implementere (men billig i drift) 28

29 Kontrollsystemer: Sentralisert kontroll Sentralisert mikronettkontroller Settpunkt sendes til individuelle enheter basert på algoritmer Fordeler: Kan være integrert mot andre systemer (f.eks. hos nettselskapet) Muliggjør kontrollert effektflyt mot nettet Mulighet for kompleks økonomisk optimalisering Ulemper: Vanskelig å utvide mikronettet Tregt kommunikasjonsforsinkelse, må kjøre beregninger Sårbart 29

30 30

31 Dimensjonering Mikronett er det ultimate smartnett i miniatyr! Flere ulike faser, noen viktige: Valg av arkitektur Energibudsjett og pre-feasibility study Enhetsoptimalisering Energibudsjett: Estimering av last og forbruksprofiler To hovedmetoder: Deterministiske og stokastiske 31

32 Energibudsjettet Deterministiske metoder Enkle metoder som bygger på tidligere data En utfordring at ekstrapolering kan føre til store (og ukjente) feil Stokastiske metoder Mer detaljerte metoder, men som også krever mer data Er i praksis også avhengig av tidligere data, som ikke nødvendigvis er tilgjengelig Korrelasjon mellom last og produksjon ikke tatt hensyn til 32

33 Fleksibilitetsbehovet: Forbruksprofil produksjonsprofil = Fleksibilitetsbehov Dyrt Fleksibilitetsbehov = Forbrukerfleksibilitet + Lager + ENS / LOLE Vanskelig å bestemme forbrukerfleksibilitetspotensialet Type last, implementering av metode, osv Kundens villighet til å medvirke De 4 C ene: Cost, comfort, convenience, conservation 33

34 Enhetsoptimalisering Kriterier: Pålitelighet Kostnader Tekniske begrensinger Miljø Mm Metoder Ennumeration techniques Enkle, men tunge beregninger AI Kunstig intelligens Genetiske algoritmer Simulate annealing technique Neurale nettverk 34

35 Enhetsoptimalisering: Rumensk mikronett Optimal dimensjonering av komponenter PV Vindturbin Batterier Dieselaggregat Mikrokraftverk Anbefalinger til endelig design 35

36 Eksempelcase i Norge Kilde: Kilde: Kilde: Bernt Bremdal, presentasjon på Smartgrid konferansen

37 T a k k f o r o p p m e r k s o m h e t e n!