Hvordan ser framtidens energidistribusjon?

Det norske strømnettet og smartgrid, hvordan fungerer energidistribusjonen i dag? Hvordan ser framtidens energidistribusjon? Kjell Sand The Norwegian Smart Grid Centre SINTEF Energi NTNU

Innhold Energi og miljø Kraftsystemet som en viktig del av energisystemet Framtidas kraftsystem/energisystem Smart grid Kompetanse

Energiforsyning dreier seg om fem hovedaspekter Kostnader Sikkerhet Leveringskvalitet Miljø Samfunnsaksept Det samme gjelder for kraftnett som en del av energiforsyningsprosessen Kraftnett en konsekvens av at elektrisk energi ikke produseres der den forbrukes 3

Energisystemet en helhetsbetraktning Miljøaspekter Klimagasser, avfall, tungmetaller, arealbruk, visuelle forhold, forurensing, virkning på flora og fauna Energikilder Energitjenester Vann Olje Gass Kull Kjernekraft Solenergi Bio - avfall Vind Bølger/tidevann Utvinningsanlegg Tankbiler Kraftverk Kraftnett Fjernvarmerør etc Lys Mekanisk arbeid Varme Kjøling Elektronikk Energitap 4

Helhetsbetraktninger viktige fra vugge til grav (Life cycle assessment) Vindkraft og CO 2 : Kun bygging bidrar nevneverdig: Fuel Chain Conversion Distribution* End Use** Building Building 20 g/kwh Building Building Environmental Impact: GWP (CO2 eq.) [ > 800] g/kwh Operation Transport Operation Operation* 2-10 % Operation** [600 800] g/kwh [400 600] g/kwh Waste Waste Waste Waste [200 400] g/kwh [100 200] g/kwh Demolition Demolition Demolition Demolition [20 100] g/kwh [ < 20] g/kwh *The distribution phase contributes through energy losses, i.e. dependent of voltage level and distance to demand **End-use is highly important for the LCA result, but exoghenous to the SEDS project 6

Avhengigheten av elektrisk energi øker Forsyningssikkerhet og sårbarhet er viktige tema Kilde: S. Rinaldi, J. Peerenboom, T. Kelly (2001), Complexities in Identifying, Understanding and Analyzing Criticial Infrastructure Interdependencies, IEEE Control systems Magazine, No. December. 7

Først litt om kraftsystemet/kraftnettet

Noen milpæler Faraday,Ampere: Elektromotoren 1821-23 Dal Negro, Pixii: Dynamoen 1831 Foucalts buelampe 1846 Siemens: Elektro-dynamiske maskin 1866 Swan og Edisons glødelamper 1879 Gaulard, Gibbs : Transformatoren 1881 Edison Første dampdrevne kraftverk 1882 Depreys kraftoverføring 1882 Trondhjems Electricitetsværk og sporvei 1901

Elektrisitetsforbruk- enhet 1000 kwh/person. 31.1 24.0 16.9 5.8 6.7 6.7 14.7 3.3 2.9 5.4 2.8 7.0 7.3 7.9 6.7 7.5 6.2 4.6 5.8 5.4 1.9 10

og den kommer i stor grad fra fornybar energi Søylene viser TWh/år 135.0 NORWAY 65.5 64.2 41.1 22.5 13.9 1.4 FINLAND DENMARK 7.1 29.8 13.8 SWEDEN 1,4 Kull, olje, gass Kjernekraft Vannkraft Vindkraft 11

Netto forbruk pr innbygger 30000 25000 kwh/innbygger 20000 15000 10000 5000 0 1937 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Formålsdeling elektrisitet - husholdninger 16 000 kwh per household (average) Water heater 15% Lighting 6% Cooling 5% Space heating + misc. 64% Cooking 2% Washing 3% PC with accessories 2% Electronics 3%

Det norske kraftsystemet Kraftproduksjon G Transport (Overføring) Sentralnettet 420 kv 300 kv Hoveddistribusjon Regionalnettet 132 kv 66 kv Distribusjon Fordelingsnettet Transformatorstasjoner G Produksjon 22 kv 11 kv Kabelskap 230 V 400 V Nett-stasjoner Industri G G G G Import/Eksport Husholdninger

Noen viktige fysiske sammenhenger Effekt : P= U I (W) Energi: E = P tid (Wh) hvor U spenning I strøm (V) (A) I kraftnettet prøver vi å holde spenningen konstant på et gitt nivå i kraftsystemet, jo mer effekt som ønskes jo mer strøm må til

Noen viktige fysiske sammenhenger Spenningsfall U 1 U U 2 G R, X I Last P,Q U= U 1 -U 2 = (R P+X Q) (V) U 2 hvor I Strøm (A) R Resistans (Ω ) X Reaktans (Ω ) P Aktiv effekt (W) Q Reaktiv effekt (VAr)

Noen viktige fysiske sammenhenger G U 1 U 2 P R Tap: P= R I 2 (W) I Last P,Q = R (P 2 +Q 2 ) U 2 2 hvor R motstand (Ω)

Hva er nå reaktiv effekt?????? Reaktiv effekt,q, enhet VAr er en effekt som pendler fram og tilbake i et vekselstrømssystem. Netto arbeid er NULL, men reaktiv effekt bidrar til at strømmen i nettet øker og beslaglegger dermed overføringskapasitet i nettet. At strømmen øker medfører dessuten at tap og spenningsfall øker.

Simuleringsmodeller - beslutningsmodeller Forutsetninger - Beslutningskriterier Kraftsystemet Modellering Simulering Beslutningsmodeller Analyser Beslutning om tiltak Vurdering Modellkonklusjoner SINTEF Energiforskning AS 19

Etablering av simuleringsmodeller Etabler komponentmodeller inklusive modellering av belastninger/produksjon Etabler en systembeskrivelse med informasjon hvordan komponentene er koplet sammen f.eks. topologiske matriser Monter sammen komponentmodellene og topologibeskrivelsen Et stort system av ulineære ligninger og/eller differensialligninger som løses v.hj.a passende teknikker (Newton-Raphson, numerisk integrasjonsmetoder osv) SINTEF Energiforskning AS 20

Modellering Enkle komponentmodeller brukes i nettanalysene( pga av kraftsystemets dimensjoner) ½ Y Z ½ Y Z = R + j ω L Y = j ω C SINTEF Energiforskning AS 21

Last Spenningsuavhengig Spenningsavhengig R L S L = P L + j Q L X L Z L = R L + j X L SINTEF Energiforskning AS 22

Produksjon U Z P,Q P,U U, δ SINTEF Energiforskning AS 23

Eksempel på brukerflate i et dokumentasjons- og simuleringsverktøy Arbeidsflaten - Treviser - kartet, enlinjeskjema SINTEF Energiforskning AS 24

Eksempel på resultat av en lastflytanalyse SINTEF Energiforskning AS 25

Nøkkeltall for kraftnettet (kraftverk inngår ikke) Samlet lengde på nettet: 330.000 km Antall nettstasjoner: 110.000 Nyverdi: 180 milliarder kr Årlig omsetning (nettleie): 18 milliarder kr

Noen viktig teknologier for kraftoverføring Kabler, transformatorer og kraftelektronikk 27

Komponent og materialteknologien og har endret seg.

Arbeidsmetoden har endret seg: Utlegging av sjøkabel 1926

Utlegging av sjøkabel 1980

Samfunnet er i dag meget avhengig av sikker elforsyning Fare for liv og helse Årlige koster avbrudd i Norge mer enn 1 milliarder kroner: Ødelagt utstyr/stopp i viktige prosesser Industrielle tap/skader Utslipp til miljø Tap/skader/ulemper husholdninger Det er stort sett feil i nett som er årsak til avbrudd.

Holdningene til kraftbransjen har endret seg.kan ha noe å si for omdømme, utdanningsvalg

Viktige verktøy for den som jobber med kraftsystem: Realfag (matematikk, fysikk, kjemi, statistikk, elektro, mekanikk, kybernetikk, hydrologi, materialkunnskap, systemering..) + IKT (IT, kommunikasjon) + GIS, landmåling + Økonomi, operasjonsanalyse + Språk

Smart grid

35

Begrepet Smart har sitt utspring i bruk av IT IKT Arne Johannesen startet med datateknologi ved EFI i 1962 Tok tog til Kjeller for å kjøre dataprogram på Nusse Modellering av kraftnettet alternativ til nettmodellen 36

37 Fra hullkort og dataterminal på Univac til egen Nord 10S

The Norwegian Smartgrid Centre www.smartgrids.no 38

Hovedmålet er å etablere et nasjonalt forsknings-, undervisnings, test- og demonstrasjonssenter for smartgrid i internasjonal toppklasse Delmål: 1. At energiselskap og aktører får tilført viktig kompetanse for egen virksomhet 2. At norsk industri får økt internasjonal konkurransekraft 3. Å skape en felles forståelse i samfunnet for smartgrid Dette skal skje gjennom følgende aktiviteter: A. Laboratorie-, test- og demonstrasjon B. Forskning C. Undervisning D. Næringsutvikling & kommersialisering E. Nettverksbygging & kommunikasjon F. Standardisering

47 medlemmer

Energi- og nettselskaper Statnett Lyse Elnett AS Hafslund Nett AS NTE Holding AS Skagerak Energi AS BKK Nett AS Fredrikstad Nett AS Trønder Energi AS Istad Nett AS EB Nett AS Helgelands Kraft AS Eidsiva Nett AS Energi Norge AS Agder Energi AS Bodø Energi AS Sogn og Fjordane Energi AS Fortum Distribusjon Kraftelektronikk Eltek ABB Siemens Nexans Norway AS Kommunikasjon Telenor (mobilnett, M2M) Energiselskaper m/ fiber som eks. Lyse, NTE Målerleverandører (AMS): Aidon Norge AS Kamstrup AS Landis+Gyr IKT sikkerhet og pålitelighet, sertifisering, test DnV GL (Det Norske Veritas) Embriq AS Safetec Nordic AS Beslutningsintellingens, systemutvikling, integrasjon mellomvare, konsulenttjenester Powel AS Enfo Energy AS Bitreactive AS esmart System Smart Grid Norway AS Logica Norge AS Greenbird Solutions AS Rejlers AS EPOS Consulting Tieto Norway AS Devoteam davinci AS

ARENA smart grid services -for næringsutvikling og kommersialisering i regionen

Fagområder - kompetanse Smart Grids engasjerer mange fagområder, både tekniske og ikke-tekniske. Ved NTNU er det etablert et såkalt kjerneteam innen Smart grids og listen nedenfor viser hvilke institutt som interesserer seg for fagområdet: Institutt for industriell økonomi Institutt for elkraftteknikk Institutt for tverrfaglige kulturstudier Institutt for sosiologi og statsvitenskap Institutt for teknisk kybernetikk Institutt for elektronikk og telekommunikasjon Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap Institutt for telematikk Program for industriell økologi Institutt for industriell økonomi Institutt for materialteknologi NB: Fokus på systemaspektene ved smartgrids, og ikke de enkeltteknologiene, nye komponenter, nye materialer,.. Flerfaglig samarbeid/teamarbeid blir avgjørende framover

Hvor smart er kraftsystemet i dag? Sentral- og regionalnett Distribusjonsnett Smart, men kan bli smartere. Ikke særlig smart Kunde/lavspentnett Tilknytningspunktet blir smart

Demo Norge Sol, vind, biobrenselaggregat, dynamisk lager, nettverkstopologi, effektbalanse, stabilitet Dyrøy Microgrid: TFK, Troms kraft, HiN UiT RCC Alta: Statnett Transmisjon: RCC, Flaskehalser, SVC, WAM, PMU, last styring Distribusjon: Blandet kundegruppe, multiple kommunikasjonsløsninger, nye forretningsmodeller Demo Steinkjer: NTE ARENA smartgrid services Høgskolen i Narvik -Real-time simulator -Grid emulering, nettverk -EV lading og distribuert lagring -Smarthus -Remote aksess, database, skyløsning Smartgrid-lab" NTNU/SINTEF Energiselskap: Fiberteknologi, gateways, smarthus, velferdsteknologi Demo Lyse Smart UiS Skarpnes plusshus: AE Distribusjon: Øydrift, fritidshus, solceller, elbiler Smart Energi Hvaler: FEAS NCE Smart Distribusjon: Plusshus/nullhus, boligfelt, erfaringsdata, planleggingsverktøy for nett

Smart grid motivasjon Erstatte fossil energi med fornybar energi Energieffektivisering Forsyningssikkerhet Bedre leveringskvalitet Bidra til økonomisk effektivitet Modernisering av kraftsystemet For Norge: Også muligheten til levere balansetjenester for Europa 46

Smart grid kjennetegn Aktive, energieffektive sluttbrukere Elektrifisering av transport Distribuert, fornybar energiproduksjon Aktive distribusjonsnett og transmisjonsnett 47

Viktige teknologier AMS Smart metering IKT informasjons- og kommunikasjonsteknologier Nye sensor- og styreteknologier (f.eks. smarte brytere, smarte termostater) Observerbare og styrbare apparater, komponenter og anlegg f.eks. inn-/utkobling/styring av belastninger inn-/utkobling/styring av lokal produksjon inn-/utkobling/styring av elbil-lading styring av omformere/ FACTS-komponenter, energilagringsanlegg... 48

Tradisjonelt kraftsystem Kraftproduksjon G Transport (Overføring) Sentralnettet 420 kv 300 kv Hoveddistribusjon Regionalnettet 132 kv 66 kv Distribusjon Fordelingsnettet 22 kv 11 kv 230 V 400 V Det kommer mye nytt og i et annet og ukjent samspill G G 49

Fra et tradisjonelt strømnett mot et smartere strømnett

Et smartere nett: Er en muliggjører for samfunnets energi- & klima mål Bidrar til høy grad av forsyningssikkerhet Bidrar til bedre leveringskvalitet (pålitelighet, spenningskvalitet) Bidrar til økonomisk effektiv fornyelse av kraftsystemet Bidrar til effektiv drift Er kundenært - bidrar til bedre kundeservice Er fleksibelt Er et viktig område for næringsutvikling

SG teknologier treffer ulike deler av den elektrisk verdikjeden Produksjon Transmisjon Distribusjon Industri Kontorer Boliger Wide-area monitorering & kontroll WAMS, PMUs, Transmisjon forsterkning (FACTS, HVDC, HTS ) Distribusjon overvåking, monitorering, kontroll Advanced metering infrastructure Energi-/laststyringssystemer for Industri, Kontorer, Boliger EV ladeinfrastruktur Integrasjon Fornybar energi og distribuert produksjon Sikker integrasjon datasystemer/informasjon & pålitelige kommunikasjonsløsninger Smarthus teknologi *IEA SG roadmap

Vi har vedtatt å innføre Smart grids (SG) i Norge AMS er et sentralt element i SG, men SG omfatter mye mer.

2,8 millioner datamaskiner kommer i sikringsskapene kostnad 10-12 milliarder kr. Hvordan kan vi utnytte dette best mulig? Kobling til display apper Norges største IKT-prosjekt 54

WWW IKT infrastruktur Smart energi Hvaler WWW HAN Wi-Fi / ZigBee Mesh Radionettverk Kundeinformasjon Push GPRS / Fiber VPN Push IS Plattform MVDB Event manager Nettinformasjon Mesh Radionettverk Driftssentral (SCADA)

Det skal investeres mye i kraftsektoren fremover i Norge 56

og i Europa

Fire enkle bilder på Smart Grids Et navn på fremtidens elektriske energisystem (anno 2020/2050) Et kvantesprang i integrasjon av IKT på alle nivåer i det elektriske kraftsystemet En fusjon av kraftnett og internett Et system hvor alle anlegg og apparater har en IPadresse (Internet Protocol Address) slik at de kan observeres og styres via internett En del av "Internet of things" 50 milliarder apparater, husdyr, er på nett i 2020 58

59

Framtida er full av muligheter og utfordringer. Kilde: www.smartgrids.no 60

Smart Village Skarpnes Nullhus i fremtidens boligfelt NFR prosj.nr. 226139 Boligfelt med byggestart 2014 - netto null energiutveksling gjennom året

Display Lokal produksjon Smarte apparater Sikkerhets produkter El-bil og lokal magasinering Elnett produkter Smarthuskontroller Lokal magasinering Smart måler

Driver nr. 1: Kilde: (Utviklet av miljødirektoratene på oppdrag av Miljøverndepartementet) 63

Bidrag til reduserte klimagassutslipp: Erstatte fossil energi med fornybar energi Energieffektivisering 64

CO 2 Norge 2008 (blå) og ulike scenarier Mill. tonn CO 2 Kraft og varme Transport Industri Petroleum Erstatte fossilt med fornybart f.eks. gjennom økt produksjon av elektrisitet fra fornybare energikilder kombinert med elektrifisering av "fossile" prosesser vi er forpliktet til en fornybarandel på 67% innen 2020 65

Belastningsstyring er en mulighet som kan utnyttes mer nå vi får inn mer uregulerbar fornybar kraft (vind, sol, småkraft) Industri/kjeler Kursstyring (kontaktorer i sikringsskap) Styring av stikkontakter Styring på apparatnivå 66

..og potensialet er betydelig Estimert fleksibilitet i Norge (kilde SINTEF Energi) : Industri 3000 MW Husholdninger, mindre næring. 1700 MW Maks. last Norge ca. 25000 MW Installert effekt Kvilldal 1240 MW Øket smartness nedover i kraftsystemet, vil også gi nye muligheter i det overordnede kraftsystemet 67

AMS muliggjør nye energiprodukter Fast pris med returrett Krever timesmåling - AMS 2500 kunder inngikk i en studie gjort i forskningsprosjektet Markedsbasert Forbrukstilpasning (SINTEF Energi AS) Du kjøper hele flasken til fast pris, men kan tjene på å selge noe tilbake. 68

Produktet gir incentiver: Mer enn 30% endring i kvartalsvis energiforbruk når strømmen var dyr Erfaringer fra europeiske pilotprosjekt viser i snitt en 10% reduksjon i energiforbruk ved introduksjon av bedre informasjon og nye incentiver

Smart Grids kan redusere pristopper Høypris-område Lavpris-område 17 desember 2009 og 8 januar, 22 februar 2010 timer med priser på opp mot 12 kr/kwh NO4 En årsak: Stiv etterspørsel manglende forbrukerfleksibilitet NO5 NO3 NO1 SE FI SG utkobling av varmtvannskjeler (50MW) ville kunne dempet prisen betydelig for eksempel ned til 1-3 kr/kwh NO2 DK1 DK2 Besparelse for forbrukerne pr time på : 550-200 mill kr. i høyprisområdene 70

Laststyring for å avlaste nettet i flaskehalssituasjoner bidra til reduserte behov for nettinvesteringer 71

Smart grids kan bedre leveringspåliteligheten AMS og mer instrumentering i nettstasjoner gir bedre oversikt og AMS kan registrere avbrudd Muligheter for mer automatikk i feillokalisering og gjenoppretting av drift Finne feil raskere redusere avbruddstider Varsling av kunder ved planlagte utkoblinger 72

Også i Norge er integrasjon av mer fornybar energi høyst aktuelt smart samspill med last og mellom kraftverkene kan redusere behovet for større nettinvesteringer Håndtering av småkraft/distribuert produksjon Integrering av vindkraft Solceller 73

Fornying og forbedring Automatisering/effektivisering av manuelle arbeidsprosesser Bedre oversikt over kraftnettet/kraftsystemet For beslutningsunderlag som gir riktige investeringer og driftsavgjørelser Dokumentasjon av nett og drift Bedre overvåking av tilstanden til nettkomponentene bedre levetidsutnyttelse Bedre beslutningsgrunnlag for vedlikehold og reinvesteringer 74

Smarte nett/ams kan gi bedre elsikkerhet Bedre overvåking av jordfeil, fasebrudd, unormale spenninger, feil i energianlegg. 75

Barrierer informasjonssikkerhet, personvern, "stråling"

Sluttord Stor pott Mange kort Ja Nei Betydelig risiko Behov for flerfaglig kompetanse En viktig arena for kloke hoder fremover 78

79